联合收割机配套秸秆打捆机压缩系统的优化方案

河北省农业机械化研究所有限公司 张秀平 陈林 袁兴茂 张亚振

1 引言

联合收割机配套秸秆打捆机是一种以联合收割机滚动轴转动力为动力源的秸秆收集压捆机具。其主要由减速机、活塞驱动装置、秸秆通道、喂入装置、捆绳装置、密度调节装置、成捆室、捆绳箱等部件组成（图1）。其中，由活塞及其驱动装置、成捆室及其调节装置等组成的压缩系统是影响草捆密度的关键。由于受空间位置及动力的限制，草捆密度相对较低（2015年经过试验测得在秸秆含水率为16.8%时所压制的草捆密度均值为102.4kg/m3）。

图1 配套秸秆打捆机结构

2 压缩系统优化方案

2.1 压缩行程优化方案

物料压缩密度与压缩活塞的有效行程密切相关。而压缩有效行程又主要与曲柄长度、连杆长度关系密切。因此，改变压缩行程的有效办法是改变曲柄与连杆的长度。

研究表明，在一定范围内，随着压缩行程的增加，草捆密度也随之增大，但当压缩活塞的有效行程达到一定数值时，草捆的密度基本不再变化[1]。而联合收割机配套秸秆打捆机的物料喂入形式为上喂入，活塞返程回到起点时需要避开喂入口，活塞连杆加长，需要喂入口后延才能保证活塞起始位置不在喂入口下方区域。因此，在不改变整体尺寸的前提下，活塞连杆长度缩短更有利于秸秆的喂入。

活塞有效行程的加长可通过增加活塞连杆长度或增加驱动曲柄长度实现（图2a，图2b），但如果加长活塞连杆长度，在活塞返程后，活塞位置会有一部分处于入料口下方，导致部分秸秆堆积在活塞上方，不能顺利喂入到压缩腔体内，影响活塞作业性能。为了同时实现增加活塞有效形成和缩短活塞连杆长度的目的，加大活塞驱动盘直径（即加长驱动曲柄长度），同时缩短活塞连杆长度（图2c）。

图2 加长活塞行程的方式

由于活塞驱动曲柄的加长会使活塞驱动盘直径增加，其质量随之增加，运动耗能增加。因此，在满足作业需求及曲柄滑块运动条件的前提下，可在一定范围内增加曲柄长度，但不可过分加长。

2.2 压缩截面优化方案

压缩截面对压缩所消耗的有用功有很大影响[2]，表现为在一定范围内压缩截面积与有用功系数成反比，即压缩截面积越小，有用功系数越大，截面积越大，有用功系数越小。由于联合收割机配套秸秆打捆机受到空间位置的影响，打捆机本身尺寸相对较小，压缩腔体尺寸相对捡拾压捆机或固定式压捆机都要小。除了受空间限制外，其动力来源于联合收割机滚筒轴，动力较小，这也决定了其压缩腔体尺寸及压缩截面尺寸较小。

但是截面积大小影响草捆数量和打结器工作量。截面积越小，相同体积的秸秆压制成的草捆数量越多，使用捆绳量增加，经济性差；草捆越多，打结器工作量增加，使用寿命缩短。

因此，在空间、动力以及耗能等因素的多重约束下，压缩截面尺寸不能再缩小或扩大。但考虑到压缩腔体外部只有上下方向上设置有密度调节装置，而左右方向仅有腔体的两侧板阻止秸秆向外扩张，因此，在压缩腔内增加可提高草捆密度的限草板（图3），在未加调整装置的截面方向上增加对草捆的阻力。该限草板安装于压缩腔体的两侧边上，在草捆压缩方向上与侧边成锐角，目的是增加草捆压出阻力，增加草捆紧实度。

图3 限草板结构及安装示意图

2.3 压缩频率优化方案

活塞的压缩速度和频率对草捆密度影响显著。

在一定的活塞压力下，物料的密度在一段时间内会继续增加，即利用较低的压缩速度可以得到较高的密度[3]。也就是说，秸秆中空部分及秸秆之间含有的空气并不能一下子被挤出，需要有一定的力经过一定的时间才能将空气完全从秸秆内壁和秸秆之间挤出去。

活塞的压缩速度提高，其压缩频率加快，在保证喂入量的前提下，可以提高生产效率[4]。联合收割机滚筒的正常工作转速是1200r/min左右，其动力通过链传动传递给打捆机，提高打捆机的活塞压缩频率可以减小链传动的减速比，对整个传动系统是有利的。但压缩频率提高需要更大的动力，而联合收割机滚筒轴的动力是有限的，为了保证联合收割机的正常运行，不能再将更多的动力分配给打捆机。此外，较高的压缩速度造成秸秆压缩不紧实，秸秆内空气不能完全排出，内应力得不到有效释放，在草捆成型后挤出压缩腔体或者装载运输过程中，内应力充分释放导致草捆膨胀，容易散捆。因此，为了解决上述问题，需要将压缩频率在合理范围内进行降低。

联合收割机滚筒轴的工作转速经过链传动（传动比20:31）为打捆机提供了775r/min的输入转速。将减速机减速比由1:8.6降低为1:9，使减速机输出转速由90行程/min降低至86行程/min。

3 打捆试验

3.1 试验数据

获得该数据的试验条件为：小麦秸秆含水率为16.8%左右，草捆长度调节至82～85cm，草捆截面尺寸约30×40cm，草捆体积0.1m3左右，联合收割机作业效率为5～8亩/h。

表1 草捆压缩密度数据

3.2 试验分析

图4 密度值分布图

由图4可知，对压缩系统优化改进后，在测取的这5组40个数据中，草捆密度分布最为密集的区域为114～118kg/m3，在均值116.6kg/m3线上下离散分布。

4 结论

通过对联合收割机配套秸秆打捆机压缩系统的研究，采用了缩短压缩行程、添加阻草板和降低压缩频率等改进措施，在总体尺寸不变的前提下，使草捆密度由改进前的102.4kg/m3提高到改进后的116.6 kg/m3，密度提高了13.87%，达到了优化目的。

[1]李耀明,成铖,徐立章.4L-4.0型稻麦联合收获打捆复式作业机设计与试验[J].农业工程学报,2016,32(23):29-35.

[2]李旭英.不同压捆室截面对苜蓿压捆时功耗的影响[A].中国农业工程学会.2007年中国农业工程学会学术年会论文摘要集[C].中国农业工程学会,2007:1.

[3]陈锋.大方捆打捆机压缩机构设计及压缩试验研究[D].中国农业机械化科学研究院,2007.

[4]于建国,赵洪刚.新型固定式半自动饲草压捆机的设计[J].工程设计学报,2007,(02):108-111.