袁力

試驗應(yīng)用

秸稈壓縮打捆試驗臺設(shè)計

袁力

我國農(nóng)作物秸稈資源豐富，是很具開發(fā)潛力的生物質(zhì)能源之一。但是秸稈松散、密度小，收集儲運困難，其收集儲運環(huán)節(jié)一直是制約農(nóng)業(yè)生物質(zhì)資源工業(yè)化規(guī)模利用的首要難題，開發(fā)研制秸稈壓捆機(jī)是解決農(nóng)業(yè)生物質(zhì)秸稈收集儲運問題，滿足工業(yè)化利用的有效途徑之一。紐荷蘭、約翰·迪爾和克拉斯等國外大型企業(yè)自上世紀(jì)70年代開始商業(yè)化生產(chǎn)牧草和秸稈收獲用的大型圓捆和方捆打捆機(jī)，用于收獲草場或田間切割晾曬后的牧草、農(nóng)作物秸稈。我國秸稈壓捆處于起步階段，少數(shù)企業(yè)研制出了圓捆和方捆壓捆機(jī)，但是壓捆機(jī)上所用的打結(jié)器均來自進(jìn)口。目前對壓捆機(jī)各部件的研究改進(jìn)，主要依賴樣機(jī)的田間試驗情況，但受氣候、田間情況和機(jī)器本身參數(shù)可調(diào)整范圍局限性的影響，使得這種試驗方法存在很多限制，也使得某些指標(biāo)無法實時測量（如秸稈在壓縮過程中的彈塑性變形等）；因此有必要研制秸稈壓縮成型打捆試驗臺，用來模擬和再現(xiàn)秸稈收集過程中撿拾、填料壓縮、捆扎的全過程，獲取關(guān)鍵部件的性能與工作參數(shù)，為秸稈壓捆機(jī)的設(shè)計提供依據(jù)。

1　機(jī)械系統(tǒng)

1.1機(jī)械系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

秸稈壓縮成型打捆試驗臺由物料輸送裝置、填料壓縮裝置、捆扎裝置和檢測控制裝置等部分組成。既可單獨進(jìn)行捆扎試驗，也可同時進(jìn)行物料輸送、壓縮和打捆試驗，其機(jī)械系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　秸稈壓縮成型打捆試驗臺結(jié)構(gòu)示意圖

1.2機(jī)械系統(tǒng)主要部件

1.2.1物料輸送裝置

秸稈壓縮成型打捆試驗臺的物料輸送裝置包括輸送帶驅(qū)動電機(jī)及其傳動系統(tǒng)，為了保證輸送帶的速度和足夠的喂入量，輸送帶尺寸選擇8m×1.1m，動力選擇5.5kW的電機(jī)。

1.2.2填料壓縮裝置

填料壓縮裝置包括機(jī)架及底座、撿拾機(jī)構(gòu)、耙草機(jī)構(gòu)、壓縮室、曲柄、連桿、活塞、草捆長度調(diào)節(jié)裝置和棘輪。其作用是將輸送帶傳輸?shù)綋焓皺C(jī)構(gòu)的物料耙入壓縮室并壓縮成一層層草片，直到達(dá)到預(yù)先設(shè)定的草捆長度。參考國內(nèi)外壓捆機(jī)機(jī)型的動力配套，試驗臺架主傳動動力選擇55kW電機(jī)，輸入轉(zhuǎn)速為540r/min，撿拾機(jī)構(gòu)幅寬選擇1.2m，壓縮室截面尺寸選擇420mm×320mm。

曲柄滑塊機(jī)構(gòu)一般有對心式和偏置式2種。在相同結(jié)構(gòu)參數(shù)的情況下，偏置式曲柄滑塊結(jié)構(gòu)較對心式結(jié)構(gòu)滑塊行程小，并且具有急回特性，效率較高，所以本設(shè)計采用偏置式曲柄滑塊機(jī)構(gòu)。由于受整機(jī)尺寸的限制，壓縮機(jī)構(gòu)有些尺寸是既定值，根據(jù)活塞比壓與物料容積密度的關(guān)系，壓捆工作壓力一般為0.3MPa以下，本設(shè)計中根據(jù)活塞截面尺寸410mm×310mm，則所需提供的最大壓縮力不小于38 000N。只考慮連桿在工作過程中承受壓縮和拉伸作用力，連桿強(qiáng)度校核公式為：

σ=F/S≤［σ］

式中：σ-連桿所受應(yīng)力；F-最大壓縮力（N）；S-連桿截面積（m）；［σ］-許用應(yīng)力。

本設(shè)計中，連桿材料選擇碳素鋼，許用應(yīng)力［σ］≤100MPa，連桿最大壓縮力F=38 000N，則經(jīng)計算S≥3.8×10-4m2。參考現(xiàn)有壓捆機(jī)的連桿設(shè)計，選外徑為48mm、內(nèi)徑為40mm、長為600mm的空心圓柱，能夠滿足要求。為了滿足活塞的結(jié)構(gòu)要求，根據(jù)國內(nèi)外壓縮活塞的設(shè)計，活塞的截面尺寸選擇410mm×310mm，為了保證引針的工作，活塞中間設(shè)有兩道45mm的穿針槽，活塞采用厚度為8mm鋼板焊合而成。壓縮機(jī)構(gòu)實體模型如圖2所示。

圖2　壓縮機(jī)構(gòu)實體模型圖

1.2.3捆扎裝置

捆扎裝置包括捆繩箱、引針架、引針和打結(jié)器，其作用是對達(dá)到設(shè)定長度的草捆進(jìn)行捆扎。當(dāng)進(jìn)行物料輸送、壓縮和打捆試驗時，捆扎裝置由主傳動電機(jī)驅(qū)動；單獨試驗時，捆扎裝置由電機(jī)單獨驅(qū)動，動力選擇3kW的電機(jī)。

2　測控系統(tǒng)

2.1硬件系統(tǒng)

試驗臺的硬件系統(tǒng)包括轉(zhuǎn)速/扭矩傳感器、拉壓傳感器、壓力傳感器、編碼器、模擬量采集卡、計數(shù)卡、多串口通訊卡和工控機(jī)等，測控系統(tǒng)流程如圖3所示。

圖3　測控系統(tǒng)流程圖

整機(jī)功耗對秸稈壓捆機(jī)選擇合適的配套動力具有指導(dǎo)意義，可以避免不必要的資源浪費。在動力輸入軸上安裝1個轉(zhuǎn)速/扭矩傳感器，其參數(shù)為0～1 500r/min，0～±600N·m，且能夠滿足試驗要求，可獲得整機(jī)的功耗和主傳動軸的扭矩。在工作過程中連桿要承受瞬時拉壓力，是極易疲勞的部件之一，為了獲得連桿工作時的受力情況，由于連桿的最大工作壓力不超過0.5MPa，故在連桿上安裝1個拉壓傳感器，其參數(shù)為0～300kg，±0.05%FS，如圖4所示。

圖4　連桿上的拉壓傳感器

為了獲得活塞與物料瞬間接觸力，在活塞與物料接觸端面處安裝2個壓力傳感器，其參數(shù)為0～10kg，±0.05%FS，如圖5所示。同時在壓縮室的底板和一邊側(cè)板上分別安裝3個壓力傳感器，參數(shù)為0～10kg，±0.05%FS，可獲得壓縮草片對壓縮室內(nèi)壁的作用力。在壓縮室上面的棘輪軸上安裝1個轉(zhuǎn)速編碼器，可以得到草捆的移動速度。

圖5　活塞上的壓力傳感器

將各傳感器分別連接到工控機(jī)，通過安裝在工控機(jī)上的操縱臺進(jìn)行檢測和控制，可得到各部件的工作參數(shù)。由于扭矩為電流信號，需要通過電流/電壓轉(zhuǎn)換得到標(biāo)準(zhǔn)電壓信號，在進(jìn)行電壓采集前增加低通濾波處理，可以有效降低變頻器的干擾，從而提高測量精度。

2.2軟件系統(tǒng)

系統(tǒng)采用基于VC++進(jìn)行圖形化編程。試驗過程中，各信號都能夠在界面實時顯示，且均采用連續(xù)變化曲線描述，使得其變化規(guī)律更加直觀，點擊“開始存儲數(shù)據(jù)”按鈕可以記錄當(dāng)前工作參數(shù)，采樣頻率可以達(dá)到1kHz。

3　結(jié)論

研制的秸稈壓縮打捆成型試驗臺，可以克服田間試驗的缺陷，獲得各部件的工作參數(shù)。既可單獨進(jìn)行捆扎試驗，也可同時進(jìn)行物料輸送、壓縮和打捆試驗，可模擬秸稈壓捆機(jī)田間各種工作狀況，再現(xiàn)秸稈收集過程中的撿拾、壓縮、打捆過程，為秸稈撿拾打捆機(jī)的設(shè)計提供理論依據(jù)。

作者信息：揚(yáng)州市農(nóng)機(jī)職工學(xué)校，225009，江蘇