方草捆集捆機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

高旭宏 徐向陽(yáng) 王書(shū)翰 劉立強(qiáng) 趙 偉 李 楊

(1.北京航空航天大學(xué)交通科學(xué)與工程學(xué)院， 北京 100191； 2.航天新長(zhǎng)征電動(dòng)汽車技術(shù)有限公司， 北京 100176)

方草捆集捆機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

高旭宏1,2徐向陽(yáng)1王書(shū)翰1劉立強(qiáng)2趙 偉2李 楊2

(1.北京航空航天大學(xué)交通科學(xué)與工程學(xué)院， 北京 100191； 2.航天新長(zhǎng)征電動(dòng)汽車技術(shù)有限公司， 北京 100176)

為解決方草捆撿拾效率低、費(fèi)用高，長(zhǎng)途運(yùn)輸難等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了方草捆集捆機(jī)。該機(jī)由底盤(pán)、撿拾器、推草機(jī)構(gòu)、舉草機(jī)構(gòu)、壓繩器和卸草機(jī)構(gòu)等部件組成，基于EPEC2024搭建了控制系統(tǒng)，只需單人駕駛和操作，通過(guò)變量泵、馬達(dá)和油缸驅(qū)動(dòng)各部件快速實(shí)現(xiàn)對(duì)方草捆的撿拾、擠壓和捆扎。按照作業(yè)功能對(duì)各結(jié)構(gòu)部件采用分模塊設(shè)計(jì)，通過(guò)計(jì)算各液壓回路的流量保證作業(yè)速度和作業(yè)效率，匹配硬件電路并使用Codesys編寫(xiě)程序控制作業(yè)流程。分別在內(nèi)蒙古自治區(qū)赤峰市和遼寧省黑山縣對(duì)方草捆和秸稈方捆進(jìn)行了撿拾及捆扎的場(chǎng)地試驗(yàn)，結(jié)果表明：整機(jī)最大牽引車速達(dá)到20.5 km/h，作業(yè)時(shí)系統(tǒng)最大流量為101.6 L/min，一次能實(shí)現(xiàn)12個(gè)方草捆的捆扎。方草捆的集捆成捆率達(dá)到89.5%，純工作小時(shí)內(nèi)集捆生產(chǎn)率為12大捆/h，同等條件下與人工撿拾方式相比，撿拾效率提高了34.5%，人工費(fèi)用降低了62.5%，綜合費(fèi)用降低了18.2%，而且增強(qiáng)了對(duì)自然環(huán)境的適應(yīng)性，縮短了長(zhǎng)途運(yùn)輸?shù)臏?zhǔn)備周期，滿足實(shí)際生產(chǎn)的使用要求。

方草捆； 集捆機(jī)； 設(shè)計(jì)； 試驗(yàn)

引言

我國(guó)草原遼闊，牧草資源豐富，但牧草收獲機(jī)械化水平還很低[1]。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)牧草收獲的作業(yè)流程一般為割草—摟草—打捆壓捆—撿拾裝車—貯存等，與歐美等經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國(guó)家牧草收獲全程的機(jī)械化相比，還有較大差距，特別是在撿拾裝車環(huán)節(jié)，普遍存在勞動(dòng)強(qiáng)度大、作業(yè)成本高等不足，亟需研制專用的撿拾機(jī)械來(lái)解決[2-5]。

對(duì)牧草收獲各環(huán)節(jié)機(jī)械設(shè)備，國(guó)內(nèi)科研工作者做了大量的研究工作。其中割草機(jī)和摟草機(jī)已獲得顯著的成果[6-10]；打捆壓捆機(jī)實(shí)用效果也很突出[11-14]。但在草捆撿拾裝車環(huán)節(jié)，國(guó)內(nèi)主要采用人工撿拾或機(jī)械輔助撿拾的方式，作業(yè)效率偏低，成本偏高。美國(guó)NEW HOLLAND公司推出了方草捆撿拾機(jī)[15]，郝興玉等[16]研制了方草捆的收集車。但這些撿拾設(shè)備在方草捆撿拾過(guò)程中，僅是對(duì)分散的方草捆進(jìn)行集合以便于堆放，并沒(méi)有改變單捆的零散狀態(tài)；盡管這些撿拾設(shè)備在天然草場(chǎng)和苜蓿草場(chǎng)還有較好的適應(yīng)性，但在秸稈捆、麥稈捆等田間場(chǎng)地卻暴露出適應(yīng)性差的缺點(diǎn)[17]。同時(shí)，由于這些撿拾設(shè)備均不能實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離運(yùn)輸，且集中堆垛后的方草捆仍處于單捆的零散狀態(tài)，不便于快速實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)運(yùn)或使用大型貨車進(jìn)行長(zhǎng)途運(yùn)輸。

為此設(shè)計(jì)一款方草捆集捆機(jī)，對(duì)零散分布的方草捆或秸稈捆先進(jìn)行集捆捆扎，再借助抱夾機(jī)或伸縮臂叉車等設(shè)備堆垛或轉(zhuǎn)運(yùn)。本文重點(diǎn)闡述方草捆集捆機(jī)的組成和原理，分析其液電匹配性能，并對(duì)樣機(jī)進(jìn)行場(chǎng)地試驗(yàn)測(cè)試，為后續(xù)市場(chǎng)化推廣提供依據(jù)。

1 結(jié)構(gòu)與原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵部件

方草捆集捆機(jī)由底盤(pán)、變速箱、撿拾器、推草機(jī)構(gòu)、舉草機(jī)構(gòu)、壓繩器、打結(jié)機(jī)構(gòu)、夾草器、卸草機(jī)構(gòu)、框架、外罩、液壓系統(tǒng)、電控系統(tǒng)等組成，整機(jī)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 方草捆集捆機(jī)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagrams of rectangular bale multipack1.底盤(pán) 2.變速箱 3.電控系統(tǒng) 4.液壓系統(tǒng) 5.推草機(jī)構(gòu) 6.舉草機(jī)構(gòu) 7.框架 8.打結(jié)機(jī)構(gòu) 9.外罩 10.壓繩器 11.撿拾器 12.卸草機(jī)構(gòu) 13.夾草器

方草捆集捆機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

1.1.1 撿拾器

撿拾器主要由架體、壓桿、導(dǎo)向板、鏈條機(jī)構(gòu)等零件組成，如圖2所示。

撿拾器安裝在底盤(pán)的左側(cè)，由撿拾缸驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)下放或上翻。兩側(cè)導(dǎo)向板呈“V”型布置，引導(dǎo)方草捆順利進(jìn)入；壓桿總成通過(guò)壓板將方草捆壓住防止傳送過(guò)程中跳起；而鏈條機(jī)構(gòu)由縱向段和橫向段兩部分組成，縱向段由拾草馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，將導(dǎo)入的方草捆拾起，橫向段則由轉(zhuǎn)彎馬達(dá)和橫移馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，將方草捆運(yùn)送至推草機(jī)構(gòu)前方的車體上表面處。

1.1.2 推草機(jī)構(gòu)與舉草機(jī)構(gòu)

推草機(jī)構(gòu)主要由推桿和擋板等零件組成，如圖3所示。

推草缸驅(qū)動(dòng)推桿繞上端轉(zhuǎn)動(dòng)，將方草捆推送至框架下方。擋板設(shè)計(jì)為圓弧結(jié)構(gòu)，以防止推草機(jī)構(gòu)下端擠壓松軟的草捆時(shí)嵌入內(nèi)部引起卡滯。

表1 集捆機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

圖2 撿拾器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.2 Structure diagram of pickup device1.架體 2.壓桿 3.導(dǎo)向板 4.鏈條機(jī)構(gòu)

圖3 推草機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.3 Sketch of pushing bale device1.推桿 2.擋板

舉草機(jī)構(gòu)主要由托架、支柱、滾輪等零件組成，如圖4所示。兩側(cè)的支柱安裝在框架中部的導(dǎo)槽內(nèi)，在舉草缸的驅(qū)動(dòng)下，通過(guò)滾輪的滾動(dòng)實(shí)現(xiàn)上下運(yùn)動(dòng)。

圖4 舉草機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.4 Structure diagram of raising bale device1.滾輪 2.支柱 3.托架

當(dāng)2個(gè)方草捆都推送到位后，舉草缸驅(qū)動(dòng)舉草機(jī)構(gòu)將2個(gè)方草捆同時(shí)舉起。

1.1.3 壓繩器

壓繩器安裝在底盤(pán)下部，主要由彈簧座和壓板等零件組成，如圖5所示。

圖5 壓繩器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.5 Structure diagram of pressuring line device1.彈簧座 2.壓板

壓繩器由壓繩缸驅(qū)動(dòng)，并與舉草缸同時(shí)動(dòng)作，在舉草向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，將捆扎繩壓緊，以防止草捆舉升過(guò)程中捆扎繩發(fā)生松弛。

1.1.4 卸草機(jī)構(gòu)

圖6 卸草機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.6 Structure diagram of unloading bale device1.上擋架 2.下導(dǎo)架 3.臥推桿

卸草機(jī)構(gòu)主要由上擋架、下導(dǎo)架和臥推桿等零件組成，如圖6所示。

倒臥上缸驅(qū)動(dòng)上擋架向上翻轉(zhuǎn)，倒臥下缸驅(qū)動(dòng)下導(dǎo)架向下翻轉(zhuǎn)并形成斜坡，但捆扎后的大方草捆并不能自動(dòng)沿斜坡滑下，需要由倒臥推缸驅(qū)動(dòng)臥推桿將大方草捆推倒并沿斜坡下滑至地面。

1.2 工作原理及過(guò)程

方草捆集捆機(jī)一般由拖拉機(jī)牽引，通過(guò)拖拉機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)將動(dòng)力傳遞至變速箱，而后帶動(dòng)液壓泵、馬達(dá)、油缸等元件，在電控系統(tǒng)的控制下，實(shí)現(xiàn)對(duì)小方草捆的撿拾、擠壓、捆扎等作業(yè)。操作控制箱固定在拖拉機(jī)駕駛室內(nèi)，操作面板處布置各種按鈕、儀表和指示燈，操作簡(jiǎn)單，駕駛員一人即可完成所有工作，具體工作過(guò)程如下：

(1)方草捆集捆機(jī)由拖拉機(jī)牽引行進(jìn)，駕駛員在駕駛室內(nèi)操縱撿拾功能按鈕，撿拾器向下翻轉(zhuǎn)至離地面約5 cm高度處自動(dòng)停止。

(2)在行進(jìn)過(guò)程中，方草捆從撿拾器開(kāi)口導(dǎo)入，通過(guò)鏈條的轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)送至推草機(jī)構(gòu)前方的車體上表面處。

(3)推草機(jī)構(gòu)將方草捆推送至框架下方舉草機(jī)構(gòu)的托架表面處。

(4)當(dāng)集合2個(gè)方草捆后，舉草機(jī)構(gòu)將方草捆舉升至框架上方，隨后夾草器將方草捆擠壓并夾緊。

(5)重復(fù)步驟(1)～(4)，直至將12個(gè)方草捆全部集中在框架內(nèi)夾緊后，壓繩器放線，打結(jié)器完成對(duì)方草捆的捆扎。

(6)卸草機(jī)構(gòu)在倒臥油缸驅(qū)動(dòng)下分別向上和向下翻轉(zhuǎn)，下導(dǎo)架向下翻轉(zhuǎn)至離地面約5 cm高度處自動(dòng)停止，捆扎后的大方草捆在倒臥推缸的推動(dòng)下傾倒并沿斜坡滑至地面。

(7)對(duì)完成集捆的大方草捆，使用抱夾機(jī)或伸縮臂叉車等設(shè)備轉(zhuǎn)運(yùn)至堆場(chǎng)或運(yùn)輸貨車處。

2 液電控制

2.1 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

集捆機(jī)的液壓系統(tǒng)主要由液壓泵、馬達(dá)、多路閥組、液壓油缸、平衡閥、油箱、濾油器和管路等元件組成。集捆機(jī)的所有作業(yè)功能均通過(guò)液壓系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)完成，其控制流程如圖7所示。

圖7 作業(yè)流程圖Fig.7 Operation process diagram

集捆機(jī)液壓系統(tǒng)原理如圖8所示。

圖8 液壓原理圖Fig.8 Schematic of hydraulic 1.拾草馬達(dá) 2.轉(zhuǎn)彎馬達(dá) 3.橫移馬達(dá) 4.撿拾缸 5.倒臥下缸 6.倒臥上缸 7.倒臥推缸 8.打結(jié)馬達(dá) 9.夾草缸 10.舉草缸 11.壓繩缸 12.推草缸 13.壓力傳感器 14.液控單向閥 15.平衡閥 16.電磁換向閥 17.變量泵 18.高壓濾油器19.壓力表 20.多路閥 21.液位溫度計(jì) 22.截止閥 23.空氣濾清器 24.油箱 25.回油濾油器

集捆機(jī)的液壓系統(tǒng)選用美國(guó)SAUER J45系列變量泵作為動(dòng)力源，持續(xù)工作壓力可達(dá)到31 MPa，流量126 L/min，輸入轉(zhuǎn)速500～3 360 r/min，效率系數(shù)0.95，實(shí)際最大流量約120 L/min。集捆機(jī)的各作業(yè)功能可依次動(dòng)作或組合動(dòng)作，盡管所有功能不會(huì)同時(shí)動(dòng)作，但作業(yè)時(shí)液壓系統(tǒng)必須提供充足的流量，相關(guān)計(jì)算式為

(1)

式中Qmax——作業(yè)時(shí)需要的最大流量，L/minQi——某作業(yè)功能動(dòng)作時(shí)所需流量，L/min

馬達(dá)和液壓油缸所需流量計(jì)算式為

(2)

(3)

(4)

式中Qj——馬達(dá)流量，L/minQek——油缸伸出時(shí)的流量，L/minQrk——油缸縮回時(shí)的流量,L/minVj——馬達(dá)排量,mL/rnj——馬達(dá)轉(zhuǎn)速,r/minη——馬達(dá)效率系數(shù),取0.95Dk——油缸活塞直徑,mmdk——油缸活塞桿直徑，mmlk——油缸全行程，mmtek——油缸伸出全行程的時(shí)間,strk——油缸縮回全行程的時(shí)間，s

根據(jù)各馬達(dá)和油缸技術(shù)參數(shù)，結(jié)合式(1)～(4)的計(jì)算方法，各種作業(yè)功能所需流量的計(jì)算結(jié)果如表2所示。

根據(jù)表2計(jì)算結(jié)果，結(jié)合控制要求，組合動(dòng)作能出現(xiàn)的情況是拾草和卸草同步或拾草和舉草同步，所以集捆機(jī)作業(yè)時(shí)理論上需要的最大流量出現(xiàn)在舉草壓繩油缸同步縮回或倒臥油缸同步伸出的過(guò)程中(此時(shí)拾草馬達(dá)、轉(zhuǎn)彎馬達(dá)和橫移馬達(dá)處于滿載或空載)，分別達(dá)到了97.35 L/min和91.8 L/min，但均小于液壓系統(tǒng)能提供的最大流量。

表2 各作業(yè)功能的流量

集捆機(jī)的液壓系統(tǒng)使用多路閥并設(shè)有6路并聯(lián)油路，保證了既能按照控制要求順序動(dòng)作，也能通過(guò)手動(dòng)控制單獨(dú)動(dòng)作，所以操作方便，維修性好。為降低整機(jī)液壓系統(tǒng)的發(fā)熱，減少元器件數(shù)量，優(yōu)化布置空間，節(jié)約生產(chǎn)成本，設(shè)計(jì)中使用了負(fù)載敏感反饋控制方式[18-19]。同時(shí)，液壓回路中安裝了多級(jí)過(guò)濾裝置，以滿足現(xiàn)場(chǎng)惡劣的作業(yè)環(huán)境要求。

2.2 電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

集捆機(jī)的電控系統(tǒng)為液壓系統(tǒng)的作業(yè)功能制定控制邏輯、編寫(xiě)控制程序并提供各種控制信號(hào)和指示信號(hào)，所以電控系統(tǒng)主要由控制器、操作箱、傳感器、電磁閥、行程開(kāi)關(guān)、線纜等元件組成，電控系統(tǒng)的原理如圖9所示。

圖9 電控原理圖Fig.9 Schematic of electronic control

圖中，YA1～YA6為控制多路閥，D1～D9為接近開(kāi)關(guān)，K1為啟停開(kāi)關(guān)，K2為手動(dòng)開(kāi)關(guān)，K3為卸草開(kāi)關(guān)，K4為推草開(kāi)關(guān)，K5為撿拾開(kāi)關(guān)，K6為壓力初始化開(kāi)關(guān)，K7為壓力“+”， K8為壓力“-”。

接近開(kāi)關(guān)均選用德國(guó)Schmersal產(chǎn)品，根據(jù)不同的控制功能再選用常開(kāi)式或常閉式的觸發(fā)結(jié)構(gòu)，其觸發(fā)狀態(tài)與多路閥的開(kāi)啟和壓力傳感器的功能相匹配，具體如表3所示。

表3 組合控制關(guān)系

集捆機(jī)電控系統(tǒng)選用EPEC2024作為主控制器，軟件程序基于Codesys2.1編寫(xiě)，對(duì)各控制功能采用成熟的模塊化設(shè)計(jì)，還嵌入了安全冗余的控制策略，可靠性高，維護(hù)性好[20]。

3 試驗(yàn)測(cè)試

3.1 試驗(yàn)過(guò)程

2016年5月份，方草捆集捆機(jī)樣機(jī)研制成功后，首先在試制車間進(jìn)行了各種功能和性能的調(diào)試測(cè)試；隨后分別在內(nèi)蒙古自治區(qū)赤峰市的天然草場(chǎng)和遼寧省黑山縣的秸稈農(nóng)田中進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，其中天然草場(chǎng)平坦且開(kāi)闊，秸稈農(nóng)田也比較平坦，但有壟溝的影響(壟溝寬約60 cm，高約10 cm)，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖10所示。

圖10 集捆機(jī)試驗(yàn)測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)圖Fig.10 Field experiments of multipack

3.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

在試驗(yàn)測(cè)試中，使用STAUFF的PPC-PAD測(cè)試儀，對(duì)滿載工況下各液壓回路的壓力、流量進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果如表4所示。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的集捆測(cè)試，液壓系統(tǒng)各回路的壓力、流量滿足實(shí)際的使用需求，將表4的測(cè)試結(jié)果和表2的計(jì)算數(shù)值進(jìn)行比較可知：

(1)從液壓系統(tǒng)的測(cè)試壓力看，瞬間的最大壓力為17.7 MPa，小于設(shè)計(jì)壓力20 MPa。從測(cè)試的實(shí)際流量看，瞬間最大流量為101.6 L/min，超過(guò)對(duì)應(yīng)的計(jì)算結(jié)果91.8 L/min約10.7%，但小于系統(tǒng)可提供的流量120 L/min。

表4 液壓回路測(cè)試結(jié)果

(2)各作業(yè)功能流量的測(cè)試值總體上略高于計(jì)算值，但誤差并不大，這一方面是由于對(duì)某作業(yè)回路，實(shí)際測(cè)得的是系統(tǒng)的流量值，包含了馬達(dá)空轉(zhuǎn)或承載所需的部分流量；另一方面是作業(yè)效率引起的流量損耗。

在天然草場(chǎng)和秸稈農(nóng)田的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)過(guò)程中，方草捆或秸稈捆的實(shí)際質(zhì)量為25～35 kg/個(gè)，其尺寸(長(zhǎng)×寬×高)為1 100 mm×460 mm×360 mm，平均散落間距為15～20 m。牽引拖拉機(jī)實(shí)際的行駛速度為10～12 km/h，撿拾速度為8～10 s/捆(現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)測(cè)試，最大牽引速度達(dá)到了20.5 km/h，但受駕駛員操作熟練程度的影響，實(shí)際的撿拾準(zhǔn)確度大幅降低，所以實(shí)際作業(yè)時(shí)的車速并不高)。當(dāng)然，考慮天然草場(chǎng)和秸稈農(nóng)田不同地形的特點(diǎn)，操作者熟練程度及設(shè)備檢修并排查故障等客觀因素的影響，實(shí)際的作業(yè)效率并不相同。集捆機(jī)在兩種現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際作業(yè)共7 d，其中天然草場(chǎng)4 d，秸稈農(nóng)田3 d，對(duì)實(shí)際的撿拾數(shù)量、集捆生產(chǎn)率和人工費(fèi)用均做了統(tǒng)計(jì)，并與同步進(jìn)行的人工撿拾方式進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果如表5所示。

表5 效率與費(fèi)用比較

在表5中，每天計(jì)算的有效工作時(shí)間為8 h。其中4 d在天然草場(chǎng)共撿拾約5 952捆，實(shí)際集捆5 508捆，集捆成捆率92.5%；3 d在秸稈農(nóng)田共撿拾3 744捆，實(shí)際集捆3 240捆，集捆成捆率86.5%。

在集捆機(jī)工作穩(wěn)定后，連續(xù)工作時(shí)間內(nèi)所能夠完成撿拾、擠壓、捆扎全部工作的大草捆總數(shù)量稱為純工作小時(shí)集捆生產(chǎn)率，計(jì)算方法為

(5)

式中Ecx——純工作小時(shí)集捆生產(chǎn)率，大捆/hW——連續(xù)工作時(shí)間內(nèi)的草捆總數(shù)量，大捆Tc——純工作時(shí)間，h

根據(jù)式(5)，天然草場(chǎng)和秸稈農(nóng)田純工作小時(shí)的集捆生產(chǎn)率分別為14大捆/h和11大捆/h，綜合的純小時(shí)集捆生產(chǎn)率為12大捆/h。

通過(guò)表5中統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的比較和式(5)的計(jì)算結(jié)果，可以看出：

(1)集捆機(jī)的撿拾效率明顯高于人工撿拾作業(yè)，平均綜合效率提升了34.5%；集捆機(jī)在天然草場(chǎng)的撿拾效率又明顯高于秸稈農(nóng)田，日均撿拾效率高出27.5%。

(2)集捆機(jī)在天然草場(chǎng)的集捆成捆率為92.5%，而在秸稈農(nóng)田的集捆成捆率為86.5%，綜合的集捆成捆率為89.5%。綜合的純工作小時(shí)集捆生產(chǎn)率為12大捆/h，但天然草場(chǎng)的集捆生產(chǎn)率又比秸稈農(nóng)田高27.3%。這些差異主要是由于草捆和秸稈捆在密度、含水率等方面的不同(試驗(yàn)中草捆密度約130 kg/m3，含水率14%；秸稈捆密度約200 kg/m3，含水率20%)，且場(chǎng)地條件也明顯不同，降低了秸稈捆的實(shí)際集捆能力。

(3)使用集捆機(jī)的人工費(fèi)用比人工撿拾作業(yè)節(jié)省了62.5%，這是由于集捆機(jī)只需1人操作即可實(shí)現(xiàn)作業(yè)，而人工撿拾至少需要3人；相比之下，使用集捆機(jī)后的車輛費(fèi)用卻高出人工撿拾作業(yè)1倍。這主要是因?yàn)榧C(jī)只是完成對(duì)方草捆的撿拾和捆扎，使零散的小方草捆變成了大草捆，而大草捆的收集仍需要使用抱夾機(jī)或伸縮臂叉車等設(shè)備，運(yùn)送至集中堆放地點(diǎn)或運(yùn)輸貨車處，所以設(shè)備費(fèi)用有所增加。但使用集捆機(jī)的日均綜合費(fèi)用與人工撿拾作業(yè)相比，還是節(jié)省了18.2%。

4 結(jié)論

(1) 在整機(jī)研制過(guò)程中，按照功能對(duì)各結(jié)構(gòu)部件采用了模塊化設(shè)計(jì)，通過(guò)計(jì)算各液壓回路的流量保證了作業(yè)速度和作業(yè)效率，匹配硬件電路并使用Codesys編寫(xiě)程序控制作業(yè)流程。

(2) 方草捆集捆機(jī)先后在天然草場(chǎng)和秸稈農(nóng)田進(jìn)行了集捆的試驗(yàn)測(cè)試，結(jié)果表明：整機(jī)作業(yè)時(shí)系統(tǒng)最大壓力和流量分別為17.7 MPa和101.6 L/min，在2 min內(nèi)可快速實(shí)現(xiàn)對(duì)12個(gè)方草捆的撿拾和捆扎。方草捆的集捆成捆率達(dá)到89.5%，純工作小時(shí)的集捆生產(chǎn)率為12大捆/h；與同等條件下人工撿拾方式相比，撿拾效率提高34.5%，人工費(fèi)用降低62.5%，綜合費(fèi)用降低18.2%。

1 邵世祿,韓正晟,魏宏安.我國(guó)牧草收獲機(jī)械發(fā)展[J].草業(yè)科學(xué),2010,27(5)：152-156. SHAO Shilu,HAN Zhengsheng,WEI Hongan.Development of machinery used for pasture harvesting in China[J]. Pratacultural Science,2010,27(5)：152-156. (in Chinese)

2 馬國(guó)玉,袁洪方,劉鵬軍,等.現(xiàn)階段我國(guó)牧草機(jī)械的需求分析[J].農(nóng)機(jī)化研究,2011,33(2)：222-225. MA Guoyu,YUAN Hongfang,LIU Pengjun,et al.Research survey on demand of Chinese forage machine at present[J].Journal of Agricultural Mechanization Research,2011,33(2)：222-225. (in Chinese)

3 萬(wàn)其號(hào),王德成,王光輝,等.自走式牧草青貯聯(lián)合裝袋機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2014,30(19)：30-37. WAN Qihao,WANG Decheng,WANG Guanghui,et al.Design and experiment of self-propelled grass silage combined bagging machine[J].Transactions of the CSAE,2014,30(19)：30-37. (in Chinese)

4 劉志剛.我國(guó)牧草機(jī)械發(fā)展現(xiàn)狀及主要機(jī)具工作原理[C]∥中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)會(huì)2008年學(xué)術(shù)年會(huì)論文集,2008：656-658.

5 王生.苜蓿收獲機(jī)械化與草產(chǎn)業(yè)發(fā)展關(guān)系的研究[D].蘭州:甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué),2008. WANG Sheng.Study on the relationship between the mechanization of herbage harvest and the development of grass industry[D].Lanzhou：Gansu Agricultural University,2008. (in Chinese)

6 趙滿全,張寧,楊鐵軍,等.雙圓盤(pán)割草機(jī)切割器虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J/OL].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2014,45(8)：101-105. http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=20140816&flag=1. DOI:10.6041/j.issn.1000-1298.2014.08.016. ZHAO Manquan, ZHANG Ning, YANG Tiejun,et al.Design and experiment of virtual prototype of double disc mower cutter[J/OL].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,2014,45(8)：101-105. (in Chinese)

7 鄔備,王德成,王光輝,等.小型自走式割草機(jī)仿形裝置仿真分析與試驗(yàn)[J/OL].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2015,46(7)：123-129. http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=20150719&flag=1. DOI：10.6041/j.issn.1000-1298.2015.07.019. WU Bei,WANG Decheng,WANG Guanghui,et al.Simulation analysis and experiment of profiling device of small self-propelled mower[J/OL].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,2015,46(7)：123-129. (in Chinese)

8 張寧.雙圓盤(pán)割草機(jī)關(guān)鍵部件的虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)及動(dòng)力學(xué)分析[D].呼和浩特:內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué),2014. ZHANG Ning.Kinetic analysis and virtual prototype design of the dual disc mower crucial components[D]. Huhhot:Inner Mongolia Agricultural University,2014. (in Chinese)

9 翟改霞,劉貴林,賀剛,等.水平旋轉(zhuǎn)摟草機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J].農(nóng)機(jī)化研究,2014,36(7)：168-173. ZHAI Gaixia,LIU Guilin,HE Gang,et al.Design and experiment on the horizontal rotary rake[J].Journal of Agricultural Mechanization Research,2014,36(7)：168-173. (in Chinese)

10 林加慶.新型摟草機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)與仿真研究[D].鎮(zhèn)江:江蘇大學(xué),2013. LIN Jiaqing.Optimization design and simulation research on new type of straw-raking mechanism[D].Zhenjiang:Jiangsu University，2013. (in Chinese)

11 楊莉,劉貴林,王振華,等.自帶傳動(dòng)動(dòng)力橫頻方草捆撿拾壓捆機(jī)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2011,42(增刊)：147-151. YANG Li,LIU Guilin,WANG Zhenhua,et al.Design and experiment of engine-driven constant frequency rectangular pickup baler[J].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,2011,42(Supp.)：147-151. (in Chinese)

12 王振華,王德成,劉貴林,等.方草捆壓捆機(jī)撿拾器參數(shù)設(shè)計(jì)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2010,41(增刊)：107-109. WANG Zhenhua,WANG Decheng,LIU Guilin,et al. Pickup parameters design of square baler[J].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,2010,41(Supp.)：107-109. (in Chinese)

13 王鋒德,陳志,王俊友,等.4YF-1300型大方捆打捆機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2009,40(11)：36-41. WANG Fengde,CHEN Zhi,WANG Junyou,et al.Design and experiment of 4YF-1300 large rectangular baler[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,2009,40(11)：36-41. (in Chinese)

14 巴隆業(yè).方草捆撿拾壓捆機(jī)壓捆室設(shè)計(jì)與有限元分析[D].呼和浩特:內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué),2013. BA Longye.Square hay baler design and bailing room finite element analysis based on ansys[D].Huhhot:Inner Mongolia Agricultural University,2013. (in Chinese)

15 王德福,張全國(guó).青貯稻桿圓捆打捆機(jī)的改進(jìn)研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2007,23(11)：168-171. WANG Defu,ZHANG Quanguo.Improvement of round baler for rice straw ensiling[J].Transactions of the CSAE,2007,23(11)：168-171. (in Chinese)

16 郝興玉,賀剛,董佳佳,等.基于ARIZ算法的方草捆收集車改進(jìn)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2016,47(增刊)：254-260,316. http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=2016s039&flag=1.DOI：10.6041/j.issn.1000-1298.2016.S0.039. HAO Xingyu,HE Gang,DONG Jiajia,et al.Improved design and test on collecting wagon of rectangular bale based on ARIZ algorithm[J].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,2016,47(Supp.)：254-260,316. (in Chinese)

17 劉立強(qiáng),鄧克軍,付曙光,等.一種方草捆撿拾機(jī):中國(guó),CN203661638U[P].2014-06-25.

18 ANDREA Vacca,GIOVANNI Campanella.Modeling and optimization of the control strategy for the hydraulic system of an articulated boom lift[C]∥SAE Commercial Vehicle Engineering Congress,2010：427-445.

19 王偉偉.負(fù)載敏感系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性與節(jié)能分析[D].秦皇島:燕山大學(xué),2011. WANG Weiwei.Load sensitive system dynamic characteristics and energy-saving analysis[D].Qinhuangdao:Yanshan University,2011. (in Chinese)

20 高旭宏,徐向陽(yáng),孫迪.傳感器在自行式高空作業(yè)平臺(tái)上的應(yīng)用[J].儀表技術(shù)與傳感器,2016(6)：84-87. GAO Xuhong,XU Xiangyang,SUN Di.Application of sensors in the self-propelled aerial work platform[J].Instrument Technique and Sensor,2016(6)：84-87. (in Chinese)

Design and Experiment of Rectangular Bale Multipack

GAO Xuhong1,2XU Xiangyang1WANG Shuhan1LIU Liqiang2ZHAO Wei2LI Yang2

(1.SchoolofTransportationScienceandEngineering,BeihangUniversity,Beijing100191,China2.AerospaceNewLongMarchElectricVehicleTechnologyCo.,Ltd.,Beijing100176,China)

A new rectangular bale multipack was designed to solve the difficulty of low efficiency, high costs and transportation inconvenience in the process of collecting rectangular bale. The rectangular bale multipack was composed of chassis, pickup, pushing bale device, raising bale device, pressuring line device and unloading bale device, etc. Based on EPEC2024 controller, the pump, motors and cylinders were drived to make some rectangular bales into one big rectangular bale. In operation, the rectangular bale multipack had the ability of collecting 12 rectangular bales at one time. The maximum driving speed of the rectangular bale multipack exceeded 20.5 km/h and the maximum hydraulic flow was 101.6 L/min. The field experiments for picking up rectangular bale and straw rectangular bale were carried out in Inner Mongolia and Liaoning Province, respectively. The test results showed that collecting bale rate and collecting bale productivity of the rectangular bale multipack was 89.5% and 12 bdl/h, respectively. Compared with artificial operation, the collecting bale efficiency was improved by 34.5%, meanwhile, the artificial costs and composite expenses were declined by 62.5% and 18.2%, respectively. The preparation cycle for long-distance transportation was also cut down. All of the works, including picking up and packing some rectangular bales were done by one operator driving the tractor simultaneously, and the rectangular bale multipack can meet reality needs.

rectangular bale; multipack; design; experiment

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.04.014

2017-01-05

2017-01-31

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51105017)和航天技術(shù)應(yīng)用產(chǎn)業(yè)“高端農(nóng)牧設(shè)備”項(xiàng)目(0504150111)

高旭宏(1979—)，男，博士生，航天新長(zhǎng)征電動(dòng)汽車技術(shù)有限公司高級(jí)工程師，主要從事特種車輛總體設(shè)計(jì)研究，E-mail： gaoxuhong@htxczgs.com

王書(shū)翰(1979—)，男，副教授，博士，主要從事多學(xué)科系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模和仿真研究，E-mail： wangshuhan@buaa.edu.cn

S817.11+3

A

1000-1298(2017)04-0111-07