秸秆压缩打捆试验台设计

袁力

试验应用

秸秆压缩打捆试验台设计

袁力

我国农作物秸秆资源丰富，是很具开发潜力的生物质能源之一。但是秸秆松散、密度小，收集储运困难，其收集储运环节一直是制约农业生物质资源工业化规模利用的首要难题，开发研制秸秆压捆机是解决农业生物质秸秆收集储运问题，满足工业化利用的有效途径之一。纽荷兰、约翰·迪尔和克拉斯等国外大型企业自上世纪70年代开始商业化生产牧草和秸秆收获用的大型圆捆和方捆打捆机，用于收获草场或田间切割晾晒后的牧草、农作物秸秆。我国秸秆压捆处于起步阶段，少数企业研制出了圆捆和方捆压捆机，但是压捆机上所用的打结器均来自进口。目前对压捆机各部件的研究改进，主要依赖样机的田间试验情况，但受气候、田间情况和机器本身参数可调整范围局限性的影响，使得这种试验方法存在很多限制，也使得某些指标无法实时测量（如秸秆在压缩过程中的弹塑性变形等）；因此有必要研制秸秆压缩成型打捆试验台，用来模拟和再现秸秆收集过程中捡拾、填料压缩、捆扎的全过程，获取关键部件的性能与工作参数，为秸秆压捆机的设计提供依据。

1　机械系统

1.1机械系统整体结构

秸秆压缩成型打捆试验台由物料输送装置、填料压缩装置、捆扎装置和检测控制装置等部分组成。既可单独进行捆扎试验，也可同时进行物料输送、压缩和打捆试验，其机械系统整体结构如图1所示。

图1　秸秆压缩成型打捆试验台结构示意图

1.2机械系统主要部件

1.2.1物料输送装置

秸秆压缩成型打捆试验台的物料输送装置包括输送带驱动电机及其传动系统，为了保证输送带的速度和足够的喂入量，输送带尺寸选择8m×1.1m，动力选择5.5kW的电机。

1.2.2填料压缩装置

填料压缩装置包括机架及底座、捡拾机构、耙草机构、压缩室、曲柄、连杆、活塞、草捆长度调节装置和棘轮。其作用是将输送带传输到捡拾机构的物料耙入压缩室并压缩成一层层草片，直到达到预先设定的草捆长度。参考国内外压捆机机型的动力配套，试验台架主传动动力选择55kW电机，输入转速为540r/min，捡拾机构幅宽选择1.2m，压缩室截面尺寸选择420mm×320mm。

曲柄滑块机构一般有对心式和偏置式2种。在相同结构参数的情况下，偏置式曲柄滑块结构较对心式结构滑块行程小，并且具有急回特性，效率较高，所以本设计采用偏置式曲柄滑块机构。由于受整机尺寸的限制，压缩机构有些尺寸是既定值，根据活塞比压与物料容积密度的关系，压捆工作压力一般为0.3MPa以下，本设计中根据活塞截面尺寸410mm×310mm，则所需提供的最大压缩力不小于38 000N。只考虑连杆在工作过程中承受压缩和拉伸作用力，连杆强度校核公式为：

σ=F/S≤［σ］

式中：σ-连杆所受应力；F-最大压缩力（N）；S-连杆截面积（m）；［σ］-许用应力。

本设计中，连杆材料选择碳素钢，许用应力［σ］≤100MPa，连杆最大压缩力F=38 000N，则经计算S≥3.8×10-4m2。参考现有压捆机的连杆设计，选外径为48mm、内径为40mm、长为600mm的空心圆柱，能够满足要求。为了满足活塞的结构要求，根据国内外压缩活塞的设计，活塞的截面尺寸选择410mm×310mm，为了保证引针的工作，活塞中间设有两道45mm的穿针槽，活塞采用厚度为8mm钢板焊合而成。压缩机构实体模型如图2所示。

图2　压缩机构实体模型图

1.2.3捆扎装置

捆扎装置包括捆绳箱、引针架、引针和打结器，其作用是对达到设定长度的草捆进行捆扎。当进行物料输送、压缩和打捆试验时，捆扎装置由主传动电机驱动；单独试验时，捆扎装置由电机单独驱动，动力选择3kW的电机。

2　测控系统

2.1硬件系统

试验台的硬件系统包括转速/扭矩传感器、拉压传感器、压力传感器、编码器、模拟量采集卡、计数卡、多串口通讯卡和工控机等，测控系统流程如图3所示。

图3　测控系统流程图

整机功耗对秸秆压捆机选择合适的配套动力具有指导意义，可以避免不必要的资源浪费。在动力输入轴上安装1个转速/扭矩传感器，其参数为0～1 500r/min，0～±600N·m，且能够满足试验要求，可获得整机的功耗和主传动轴的扭矩。在工作过程中连杆要承受瞬时拉压力，是极易疲劳的部件之一，为了获得连杆工作时的受力情况，由于连杆的最大工作压力不超过0.5MPa，故在连杆上安装1个拉压传感器，其参数为0～300kg，±0.05%FS，如图4所示。

图4　连杆上的拉压传感器

为了获得活塞与物料瞬间接触力，在活塞与物料接触端面处安装2个压力传感器，其参数为0～10kg，±0.05%FS，如图5所示。同时在压缩室的底板和一边侧板上分别安装3个压力传感器，参数为0～10kg，±0.05%FS，可获得压缩草片对压缩室内壁的作用力。在压缩室上面的棘轮轴上安装1个转速编码器，可以得到草捆的移动速度。

图5　活塞上的压力传感器

将各传感器分别连接到工控机，通过安装在工控机上的操纵台进行检测和控制，可得到各部件的工作参数。由于扭矩为电流信号，需要通过电流/电压转换得到标准电压信号，在进行电压采集前增加低通滤波处理，可以有效降低变频器的干扰，从而提高测量精度。

2.2软件系统

系统采用基于VC++进行图形化编程。试验过程中，各信号都能够在界面实时显示，且均采用连续变化曲线描述，使得其变化规律更加直观，点击“开始存储数据”按钮可以记录当前工作参数，采样频率可以达到1kHz。

3　结论

研制的秸秆压缩打捆成型试验台，可以克服田间试验的缺陷，获得各部件的工作参数。既可单独进行捆扎试验，也可同时进行物料输送、压缩和打捆试验，可模拟秸秆压捆机田间各种工作状况，再现秸秆收集过程中的捡拾、压缩、打捆过程，为秸秆捡拾打捆机的设计提供理论依据。

作者信息：扬州市农机职工学校，225009，江苏