懸掛式青貯圓捆包膜機(jī)的研究

張海濱，劉希鋒，吳 昊，許驍博，徐 冬

(黑龍江省農(nóng)業(yè)機(jī)械工程科學(xué)研究院，哈爾濱 150081)

0 引言

隨著青貯行業(yè)的發(fā)展，相配套設(shè)備的發(fā)展也加快了步伐，對農(nóng)機(jī)具機(jī)械特性也提出了更高的要求，也對設(shè)備的實用性、可操作性、便捷性和智能化提出了相應(yīng)的要求。為此，結(jié)合筆者研制的自走式包膜機(jī)，采用同樣的工作機(jī)構(gòu)，改變支撐機(jī)構(gòu)和動力輸入方式，實現(xiàn)了設(shè)備的互換功能，提高了系列產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化程度，可同時滿足場地作業(yè)和田間作業(yè)。

1 總體設(shè)計

懸掛式青貯圓捆包膜機(jī)主要由機(jī)器懸掛架、夾抱機(jī)構(gòu)、包膜工作臺、拉伸膜供膜機(jī)構(gòu)、夾膜切膜機(jī)構(gòu)、液壓系統(tǒng)和電控系統(tǒng)等組成，如圖1所示。工作前，首先進(jìn)行拉伸膜調(diào)整，設(shè)定好纏膜的層數(shù)，駕駛拖拉機(jī)移動到物料圓草捆位置，按動電子控制面板的自動1按鈕，完成夾包、裝載和包膜3個動作；包膜結(jié)束后，按動電子控制面板的自動2按鈕，完成切膜、放包和回位3個動作；完成后，繼續(xù)駕駛拖拉機(jī)移動到下一個圓草捆位置處，完成一個工作循環(huán)。

1.1 工作原理

懸掛式青貯圓捆包膜機(jī)采用拖拉機(jī)三點(diǎn)懸掛式，工作時，直接借用拖拉機(jī)的液壓系統(tǒng)，將包膜機(jī)液壓泵的兩根外接液壓管與拖拉機(jī)后側(cè)的液壓快速插頭連接，通過多路閥分成3路：一路驅(qū)動液壓馬達(dá)帶動包膜工作臺旋轉(zhuǎn)，工作臺旋轉(zhuǎn)的同時，通過齒輪傳動帶動工作臺上的皮帶旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)草捆公轉(zhuǎn)的同時自身保持自轉(zhuǎn)，保證膜的均勻分布；一路驅(qū)動大液壓油缸帶動包膜工作臺翻轉(zhuǎn)，同時控制工作臺的翻轉(zhuǎn)角度；一路驅(qū)動小液壓油缸驅(qū)動夾抱機(jī)構(gòu)實現(xiàn)夾抱動作，通過控制油缸的伸縮來控制夾抱機(jī)構(gòu)對圓捆的夾緊程度，實現(xiàn)草捆的裝卸過程。具體作業(yè)方法示意圖如圖2所示。

1.撐包裝置 2.夾抱機(jī)構(gòu) 3.翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu) 4.工作臺連接座 5.液壓馬達(dá) 6.機(jī)器懸掛架 7.包膜工作臺 8.夾膜切膜機(jī)構(gòu) 9.拉伸膜供膜機(jī)構(gòu)圖1 總體結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 液壓傳動系統(tǒng)設(shè)計

考慮到液壓傳動能輸出大動率，設(shè)計操作比較方便簡單，動作靈活和傳遞效率高，且可根據(jù)實際需要，與傳感器和工作機(jī)構(gòu)等各部件一起使用，執(zhí)行元件速度可控、轉(zhuǎn)向可控，效率利用更高。本設(shè)備采用液壓傳動系統(tǒng)，直接利用拖拉機(jī)的液壓系統(tǒng)，通過電動換向閥傳遞到圓捆包膜機(jī)的各個液壓執(zhí)行元件，根據(jù)不同工況要求，控制不同的執(zhí)行元件，分別實現(xiàn)夾包、裝載、包膜、切膜、放包和回位等6個動作，完成圓草捆整個包膜動作。液壓傳動原理圖，如圖3所示。

圖2 作業(yè)方法示意圖

圖3 液壓傳動原理圖

1.3 電控系統(tǒng)設(shè)計

目前，電子技術(shù)行業(yè)是主流發(fā)展行業(yè)，越來越多的技術(shù)引用了電子技術(shù)，液壓技術(shù)也不例外。通過引入電子技術(shù)，液壓行業(yè)發(fā)展迅速，尤其在農(nóng)機(jī)多個領(lǐng)域，機(jī)電液一體化顯示出了極大的優(yōu)越性，提高了農(nóng)業(yè)機(jī)械的工作效率、安全性能、操作性能和智能自動化水平，同時比較環(huán)保，節(jié)約了成本和能源。本設(shè)備考慮到了駕駛員的方便操作和安全，采用模塊化控制系統(tǒng)，主要有主控盒、手柄和傳感器組成。系統(tǒng)以高性能控制器為核心，采用線控的方式實現(xiàn)圓草捆的整個包膜過程。主控盒通過接收控制信號，經(jīng)過運(yùn)算輸出執(zhí)行信號，控制電液比例閥的開度，繼而控制各個液壓執(zhí)行元件的動作，實現(xiàn)其功能。本設(shè)備考慮到不同的工況要求，設(shè)計了自動模式和手動模式。自動模式狀態(tài)下，只需要按手柄操作按鈕1和按鈕2，設(shè)備就會依據(jù)設(shè)定好的程序，依次完成整個包膜過程；當(dāng)出現(xiàn)自動程序意外中斷時，本設(shè)備還可以轉(zhuǎn)換到手動模式繼續(xù)完成后續(xù)動作，減少了損失。按鈕1和按鈕2的動作順序如圖4所示。

圖4 手柄按鈕動作順序

本文設(shè)備主要在如下地方配置了傳感器：首先在裝卸草捆的過程中，工作臺需要翻轉(zhuǎn)，翻轉(zhuǎn)角度需要合適，配置一個角度傳感器，該傳感器輸出的電壓值和角度成比例關(guān)系，電壓變化時，角度即發(fā)生變化；對于不同物料的草捆和不同寬度的拉伸膜，包膜層數(shù)也有所不同，隨之一個循環(huán)過程中包膜工作臺的圈數(shù)也有所不同，配置了一個非接觸式磁性傳感器，工作臺每轉(zhuǎn)1圈，磁性傳感器反應(yīng)1次，直到達(dá)到設(shè)定好的圈數(shù)。

除了手動操作外，本設(shè)備還配置了控制盒，具體操作也可以通過控制盒的自動1和自動2按鈕操作。此外，還可以通過控制盒的+和-，來調(diào)整包膜轉(zhuǎn)數(shù)。

2 主要工作部件的設(shè)計

2.1 包膜工作臺的設(shè)計

包膜工作臺主要由機(jī)架、托輥機(jī)構(gòu)、皮帶、可調(diào)限位輪、公轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、輔助輥和自轉(zhuǎn)傳動系統(tǒng)組成，如圖5所示。

草捆的自轉(zhuǎn)系統(tǒng)主要由托輥機(jī)構(gòu)、皮帶和自轉(zhuǎn)傳動系統(tǒng)組成。其中，托輥機(jī)構(gòu)由兩個不同直徑的滾筒組成，大滾筒直徑190mm，小滾筒直徑165mm，結(jié)合設(shè)備允許的圓捆直徑為850～1 000mm，兩個滾筒中心的水平間距設(shè)計為765mm，垂直距離設(shè)計為45mm，兩個滾筒的水平間距可根據(jù)草捆的直徑進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)。在起驅(qū)動作用的大滾筒圓周面上對稱布置了4處驅(qū)動點(diǎn)，增加了滾筒驅(qū)動力。兩條橡膠帶套在滾筒上，橡膠帶的長度大于兩個滾筒的距離，寬度為310mm。當(dāng)捆放到工作臺上后，通過手柄控制液壓馬達(dá)工作，液壓馬達(dá)將動力一分為二，一部分傳遞給工作臺的公轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，一部分傳遞給工作臺側(cè)面的自轉(zhuǎn)傳動系統(tǒng)，帶動托輥機(jī)構(gòu)工作；這樣草捆在公轉(zhuǎn)的同時又在自轉(zhuǎn)，把膜分層均勻地包裹到草捆表面，直到設(shè)定的圈數(shù)。

1.機(jī)架 2.托輥機(jī)構(gòu) 3.皮帶 4.可調(diào)限位輪 5.公轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu) 6.自轉(zhuǎn)傳動系統(tǒng) 7.輔助輥圖5 工作臺結(jié)構(gòu)示意圖

在包膜過程中，由于拉伸膜出膜需要一定的拉力，且圓草捆在托輥帶動下自轉(zhuǎn)，很容易被拉動，影響包膜作業(yè)的進(jìn)行。因此，設(shè)計了能夠轉(zhuǎn)動的限位輪，直徑165mm，保證包膜過程中不會發(fā)生偏移。限位輪設(shè)計成可調(diào)的，兩限位輪的中心距為1 080～1 211mm，可根據(jù)草捆的長度尺寸進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，滿足設(shè)備對圓捆不同長度的要求。該工作臺還設(shè)計了輔助輥，在撿拾草捆和放包的過程，起到輔助作用，避免膜的破損。

2.2 夾抱機(jī)構(gòu)的設(shè)計

包膜機(jī)在工作時，由于草捆的質(zhì)量基本上在450～500kg左右，這種情況下?lián)彀头虐肆o法完成，因此需要設(shè)計相對應(yīng)的夾抱機(jī)構(gòu)。

本文設(shè)計的夾抱機(jī)構(gòu)由翻轉(zhuǎn)臺、大油缸、夾包大臂、夾持臂、撐包臂和小油缸組成，如圖6所示。

操作者可根據(jù)不同的工況選擇不同的作業(yè)模式，當(dāng)撿拾草捆時，包膜機(jī)首先調(diào)整到草捆合適位置，按動操作按鈕，大油缸開始工作，帶動翻轉(zhuǎn)臺和夾包大臂翻轉(zhuǎn)；同時，操作小油缸工作，張開夾持臂到最大位置，觀察夾包大臂工作狀態(tài)，在合適的位置，操作小油缸收縮夾持臂，直到夾住草捆為止；操作大油缸收縮，帶動翻轉(zhuǎn)臺回位，此時撿拾過程結(jié)束。這個過程可以手動操作，也可以按自動模式1來操作。

包膜結(jié)束后，首先操作小油缸動作，收縮帶動夾持臂靠到草捆一側(cè)；大油缸動作，帶動翻轉(zhuǎn)臺和夾包大臂翻轉(zhuǎn)，一直到草捆翻轉(zhuǎn)到指定的角度為止；小油缸動作，放開草捆，草捆落地，完成放包作業(yè)。其中夾持臂的回轉(zhuǎn)半徑為395mm，在夾持臂繞回轉(zhuǎn)中心擺動過程中，夾持臂到工作臺輔助輥的間距范圍是635～1 425mm，這個間距范圍能夠很容易將直徑850～1 000mm的圓捆撿拾起來。大油缸的支點(diǎn)和行程，既要保證在撿拾和卸載圓捆時省力，又要滿足在兩個極限位置處，滿足油缸的行程。所以，本設(shè)備設(shè)計翻轉(zhuǎn)臺的中心到大油缸的中心距離為224.7mm， 在大油缸最大行程位置，翻轉(zhuǎn)臺能翻到最低位置，有助于裝卸草捆，翻轉(zhuǎn)臺復(fù)位后，大油缸還沒有到其最小行程位置，有助于實現(xiàn)翻轉(zhuǎn)臺的穩(wěn)定。

1.翻轉(zhuǎn)臺 2.大油缸 3.夾包大臂 4.夾持臂 5.小油缸 6.撐包臂圖6 夾包放包裝置結(jié)構(gòu)示意圖

考慮到夾包機(jī)的后續(xù)作業(yè)連續(xù)性，設(shè)計了撐包臂，設(shè)置了兩個位置，在不同的位置，草捆落地的狀態(tài)不同，有平放和立放兩種，可選擇使用。撐包臂位置示意圖如圖7所示。

1.撐包臂 2.夾包大臂圖7 撐包臂不同位置示意圖

2.3 拉伸膜供膜機(jī)構(gòu)的設(shè)計

包膜機(jī)的工作效果主要看草捆包膜的質(zhì)量如何，需要保證拉伸膜能夠平整地包裹在圓草捆上，緊貼在圓草捆表面，減少包裹內(nèi)的空氣，提高青貯發(fā)酵品質(zhì)。要想達(dá)到這一目標(biāo)，首先要保證拉伸膜從供膜機(jī)構(gòu)出來，就要保證伸膜平整，且要求拉伸膜有一定的拉力，因此拉伸膜供膜機(jī)構(gòu)的設(shè)計對于包膜過程十分重要。

本文設(shè)計的拉伸膜供膜機(jī)構(gòu)由機(jī)架、拉伸膜固定塊、拉伸膜固定軸、導(dǎo)膜輥、拉伸膜預(yù)緊機(jī)構(gòu)和齒輪等組成，如圖8所示。拉伸膜穿過拉伸膜固定軸，固定在上下拉伸膜固定塊之間，膜繞過兩個導(dǎo)膜輥，通過齒輪相互嚙合，拉伸膜纏繞到圓草捆上，完成包膜過程。

拉伸膜固定塊選用塑料材料，易于成型且對膜損傷小，固定塊固定位置直徑按目前市面常用的拉伸膜筒芯的內(nèi)徑設(shè)計為74mm?？紤]到拉伸膜的大小規(guī)格常用的主要有500mm和750mm，拉伸膜固定軸設(shè)有兩個檔位，可以選裝兩種不同規(guī)格的拉伸膜。為了保證拉伸膜工作時平整，設(shè)計了兩根導(dǎo)膜輥，導(dǎo)膜輥表面均勻包裹帶豎紋的橡膠涂層，增加導(dǎo)膜輥對拉伸膜的摩擦力，既增加對拉伸膜的摩擦力，避免打滑，同時也對膜起到了保護(hù)作用，防止金屬對膜的損傷。導(dǎo)膜輥的間距設(shè)計為80mm，既可以保證膜順利穿過兩輥之間，又避免了拉伸膜行程過長，減少褶皺。

為了提高拉伸膜的伸長率，設(shè)計兩導(dǎo)膜輥不同的轉(zhuǎn)速。其中，主動輥是小齒輪，被動輥是大齒輪，兩齒輪齒數(shù)分別為15齒和25齒，傳動比為1∶1.67，即主動輥的拉膜速度是被動輥的1.67倍，拉伸膜伸長量能達(dá)到原來的167%左右。為了適合不同品質(zhì)的拉伸膜的使用，大齒輪也可以選用24齒的，則傳動比為1∶1.6，主動輥的拉膜速度是被動輥的1.6倍，拉伸膜伸長量能達(dá)到原來的160%左右。這種設(shè)計能夠增加拉伸膜的使用率，降低成本。

1.機(jī)架 2.拉伸膜固定塊 3.拉伸膜固定軸 4.導(dǎo)膜輥 5.拉伸膜預(yù)緊機(jī)構(gòu) 6.齒輪圖8 拉伸膜供膜機(jī)構(gòu)示意圖

為了提高包膜質(zhì)量，還設(shè)計了拉伸膜預(yù)緊機(jī)構(gòu)，拉伸彈簧作用于安裝橡膠張緊輪的預(yù)緊機(jī)構(gòu)，橡膠輪在彈簧的作用下始終緊貼著拉伸膜，給拉伸膜一個摩擦力。這樣就能保證導(dǎo)膜輥在導(dǎo)膜的過程中，拉伸膜一直保持張力，使拉伸膜能夠緊貼圓草捆，提高包膜質(zhì)量。

3 試驗與結(jié)果

3.1 試驗基本條件和方法

本文的試驗材料選用黑龍江省蓬勃草業(yè)有限公司的MR1000型打捆機(jī)打成的直徑和長度為φ1 000mm×850mm的高密度圓草捆，質(zhì)量為450～500kg，試驗裝置采用自行設(shè)計的懸掛式青貯圓捆包膜機(jī)，動力采用迪爾的804拖拉機(jī)；拉伸膜采用包膜機(jī)專用的塑料拉伸膜，厚度為0.025mm，寬為500mm；試驗場地在哈爾濱市南崗區(qū)黑龍江省農(nóng)機(jī)研究院試驗田進(jìn)行。本試驗采用場地固定作業(yè)的方法，現(xiàn)場準(zhǔn)備50捆相同規(guī)格的圓草捆，分別對其進(jìn)行包膜作業(yè)，測試工作臺的回轉(zhuǎn)速度、工作臺托輥的自轉(zhuǎn)速度、單捆包膜的時間(重復(fù)試驗取平均值)、包膜合格率、包膜層數(shù)及裝載能力等。

包膜合格率主要看其四周有無破損。包膜層數(shù)測試，隨機(jī)抽取5 個包膜后青貯飼料包，在包的圓柱面上，隨機(jī)選擇一柱面高度，用刀片沿圓周方向劃開1圈，均勻選5 點(diǎn)，查看包膜層數(shù)；在隨機(jī)3 個包膜后草捆沿兩個底面中心平行于圓柱軸線方向用刀片劃開一圈，均勻選10 點(diǎn)，查看包膜層數(shù)(膜邊緣重疊處除外)，最少層數(shù)為包膜層數(shù)。裝載能力測試，就是看最大撿拾能力。

3.2 試驗結(jié)果

本包膜機(jī)試驗結(jié)果，如表1所示。

表1 懸掛式青貯包膜機(jī)試驗性能結(jié)果

試驗結(jié)果表明:①本文設(shè)計的包膜機(jī)單捆包膜的工作時間、工作臺回轉(zhuǎn)速度和托輥?zhàn)赞D(zhuǎn)速度均超過了理論設(shè)計值，通過計算可得出單位時間上的生產(chǎn)率要遠(yuǎn)超過當(dāng)時設(shè)計的要求；②本文設(shè)計的包膜機(jī)的包膜合格率達(dá)到了理論設(shè)計值的98%，破損原因主要是在卸捆過程中，草捆接觸地面尖銳凸起，導(dǎo)致拉伸膜破損；③本文設(shè)計的包膜機(jī)在包膜層數(shù)完全符合理論設(shè)計值，表明拉伸膜供膜機(jī)構(gòu)和工作臺相對位置符合包膜的實際要求，能實現(xiàn)青貯飼料均勻的包膜；④本文設(shè)計的包膜機(jī)在裝載能力上比理論設(shè)計值低，主要原因是由于配套的動力比較低，通過計算，最好選用73.5kW以上的拖拉機(jī)，能夠滿足設(shè)備的理論設(shè)計值。

4 結(jié)論

1)本文設(shè)計的懸掛式包膜機(jī)采用拖拉機(jī)三點(diǎn)懸掛模式，包膜直徑范圍大、結(jié)構(gòu)簡單、自動化程度高，主要通過液壓和電控系統(tǒng)來實現(xiàn)控制，作業(yè)效率高，工作穩(wěn)定性較好，性能參數(shù)能夠滿足實際作業(yè)需要，適合大規(guī)模作業(yè)。

2)本文設(shè)計的夾抱機(jī)構(gòu)，可根據(jù)不同的工況選擇不同的作業(yè)模式，通過液壓分別控制大油缸和小油缸，從而帶動夾抱大臂和夾持臂在一定范圍內(nèi)擺動，完成夾包作業(yè)。在卸捆環(huán)節(jié)，通過撐包臂不同的位置狀態(tài)，可實現(xiàn)草捆不同狀態(tài)的卸捆作業(yè)為后續(xù)的機(jī)械化作業(yè)，提供了多種選擇。

3)本文設(shè)計拉伸膜供膜機(jī)構(gòu)，采用了全新的拉伸系統(tǒng)，可實現(xiàn)單輥和雙輥兩種模式的不同切換、長膜和短膜的不同切換。本文設(shè)備設(shè)計兩個導(dǎo)膜輥不同的轉(zhuǎn)速，提高了拉伸膜的伸長率，拉伸膜伸長量提高到原來的160%～170%，增加了拉伸膜的使用率，降低了成本。

4)本文設(shè)計的電控系統(tǒng)，采用了手動操作和自動操作兩種模式，根據(jù)不同的工作狀況，選擇合適的操作模式，簡化了操作過程，操作者短時間內(nèi)就能熟練，并能輕松設(shè)定包膜層數(shù)和其他各種操作。