稻稈圓捆機輥盤式卷捆機構(gòu)的設(shè)計及參數(shù)優(yōu)化

李葉龍，王德福，王 沫，李東紅，張全超，雷軍樂

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稻稈圓捆機輥盤式卷捆機構(gòu)的設(shè)計及參數(shù)優(yōu)化

李葉龍1,2，王德福1※，王 沫1，李東紅1，張全超1，雷軍樂1

（1. 東北農(nóng)業(yè)大學工程學院，哈爾濱 150030； 2. 羅定職業(yè)技術(shù)學院機電工程系，羅定 527200）

為消除中小型鋼輥式圓捆機收獲完整稻稈時出現(xiàn)的堵塞現(xiàn)象及降低其卷捆功耗，設(shè)計了一種鋼輥與側(cè)圓盤組合式卷捆機構(gòu)（簡稱輥盤式卷捆機構(gòu)），并以此為基礎(chǔ)自制了輥盤式卷捆機構(gòu)試驗裝置且進行試驗。選擇影響輥盤式卷捆機構(gòu)卷捆性能的主要因素：圓盤直徑、鋼輥轉(zhuǎn)速、喂入量、長寬比（稻稈長度與卷捆室寬度的比值）為試驗因素，以草捆形成率（草捆順利形成次數(shù)與總試驗次數(shù)的比值）和卷捆功耗為評價指標進行四因素五水平正交旋轉(zhuǎn)組合試驗。試驗表明各因素影響草捆形成率的主次順序為圓盤直徑>喂入量>鋼輥轉(zhuǎn)速>長寬比；影響卷捆功耗的主次順序為喂入量>鋼輥轉(zhuǎn)速>長寬比>圓盤直徑；在試驗范圍內(nèi)最優(yōu)參數(shù)組合為圓盤直徑380 mm、鋼輥轉(zhuǎn)速247 r/min、喂入量1.7 kg/s、長寬比0.75，此時草捆形成率為100%，卷捆功耗為62.7 kJ/捆，相比鋼輥式圓捆機無堵塞現(xiàn)象發(fā)生，卷捆功耗降低。研究結(jié)果可為輥盤式圓捆機的結(jié)構(gòu)及作業(yè)參數(shù)優(yōu)化提供參考依據(jù)。

參數(shù)；優(yōu)化；試驗；圓捆機；卷捆機構(gòu)；鋼輥；側(cè)圓盤；功耗

0 引 言

隨著中國社會經(jīng)濟的發(fā)展，各行業(yè)對能源的需求不斷增大，促進了生物質(zhì)資源的開發(fā)利用[1-6]。由于稻稈疏松的結(jié)構(gòu)特點導致在收貯運過程中成本較高，為此對稻稈進行打捆收獲是降低其利用成本的重要手段[7-9]。

近年來隨著農(nóng)業(yè)機械化的快速發(fā)展，半喂入式水稻收獲機被廣泛應用，由其獲得的完整稻稈資源越來越豐富[10-12]，而現(xiàn)有國產(chǎn)中小型鋼輥式圓捆機的研發(fā)主要是以牧草為打捆對象[13-20]，在利用其收獲完整稻稈時易于出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象，雷軍樂等[21]研究表明，鋼輥式圓捆機收獲完整稻稈時無法及時形成旋轉(zhuǎn)草芯是造成其出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象的主要原因。同時，國內(nèi)外關(guān)于稻稈收獲圓捆機卷捆功耗方面的研究報道[22-29]很少。

為此，本研究為促進鋼輥式圓捆機收獲秸稈時及時形成旋轉(zhuǎn)草芯，針對其卷捆核心機構(gòu)——卷捆機構(gòu)，設(shè)計了一種鋼輥與側(cè)圓盤組合式卷捆機構(gòu)（簡稱輥盤式卷捆機構(gòu)），并利用自制輥盤式卷捆機構(gòu)試驗裝置對其結(jié)構(gòu)及運動參數(shù)進行優(yōu)化。

1 輥盤式卷捆機構(gòu)的設(shè)計

1.1 總體結(jié)構(gòu)及工作原理

輥盤式卷捆機構(gòu)由鋼輥和圓盤組成，如圖1所示，其中10根鋼輥沿圓周方向布置，并與兩側(cè)壁形成圓柱形卷捆室，卷捆室450 mm，卷捆室寬度720 mm，卷捆室分前室與后室，后室包括3～7號鋼輥，前室包括1、2、8～10號鋼輥及卷捆室入口，前室與后室通過8號鋼輥端軸鉸接，卷捆室中心位于卷捆室前室，圓盤安裝在卷捆室單側(cè)側(cè)壁中心處，取代原卷捆室側(cè)壁。

工作時鋼輥和圓盤以一定轉(zhuǎn)速比相向轉(zhuǎn)動，稻稈自喂入口進入卷捆室后，在鋼輥對稻稈輸送力及圓盤對稻稈導引力的組合作用下產(chǎn)生環(huán)繞卷捆室中心的旋轉(zhuǎn)運動，并與后續(xù)喂入稻稈形成旋轉(zhuǎn)草芯，進而完成卷捆過程，而后通過后室繞8號鋼輥向后旋轉(zhuǎn)而放出草捆。

1.2 草芯累積過程力學分析

試驗表明，稻稈進入鋼輥式圓捆機卷捆室后需要一個累積過程才可形成旋轉(zhuǎn)草芯。而稻稈在卷捆室內(nèi)累積時間過長是造成其出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象的主要原因[21]，為此對卷捆室內(nèi)處于累積狀態(tài)的草芯進行力學分析（見圖2a﹑2b）。以圓柱形草芯為研究對象，將鋼輥對草芯作用力、草芯重力在速度方向的分力及后續(xù)稻稈推力投影到草芯端，因草芯剛剛形成較為松散，故假定草芯對卷捆室側(cè)壁壓力沿徑向恒定，由圖2a﹑2b可見，草芯在累積過程中受到鋼輥對其作用力、后續(xù)稻稈推力、自身重力及卷捆室兩側(cè)壁對其摩擦阻力的作用，旋轉(zhuǎn)草芯形成的動力為鋼輥對草芯作用力及后續(xù)稻稈推力，阻力為草芯重力在速度方向上的分力及卷捆室兩側(cè)壁對其摩擦阻力，因卷捆之初卷捆室內(nèi)稻稈量較少，無法對鋼輥產(chǎn)生足夠張力，導致鋼輥對草芯作用力不足以克服阻力，故卷捆室內(nèi)草芯需要累積一段時間（草芯對鋼輥產(chǎn)生足夠張力）才可形成旋轉(zhuǎn)草芯，將圖中鋼輥對草芯作用力1的作用效果等效為力矩1(N·m)；后續(xù)稻稈對草芯推力2的作用效果等效為力矩2(N·m)；草芯重力在速度方向上的分力的作用效果等效為力矩3(N·m)；單側(cè)卷捆室側(cè)壁對草芯摩擦阻力的作用效果等效為力矩4(N·m)，故其形成旋轉(zhuǎn)草芯的臨界方程如式（1）－（6）所示。

（2）

（3）

（5）

1+2≥3+24（6）

式中Δ為任意小角度，(°)；Δα為Δ角內(nèi)鋼輥對草芯作用力，N；Δα為角內(nèi)草芯對鋼輥的張力，N；cosΔα為草芯重力在Δ角內(nèi)沿徑向分力，N；為鋼輥與稻稈間的摩擦因數(shù)；sinΔα為草芯重力在Δ角內(nèi)沿速度方向（切向）分力，N；為卷捆室半徑，m；為草芯對卷捆室側(cè)壁壓力，N；1為草芯與卷捆室側(cè)壁間摩擦因數(shù)。

1.帶式輸送機 2.輸送電機 3.彈齒撿拾器 4.卷捆室入口 5.導入輥 6.兩室貼合處 7.鋼輥 8.圓盤電機 9.后室 10.圓盤 11.液壓缸 12.捆繩裝置 13.前室 14.扭矩傳感器 15.圓捆機電機

1.Belt conveyor 2.Conveyor motor 3.Spring-finger pickup 4.Inlet of baling chamber 5.Lead-in roll 6.Two chambers’ joint location 7.Steel roll 8.Disk motor 9.Back baling chamber 10.Disk 11.Hydraulic cylinder 12.Rope-winding device 13.Front baling chamber 14.Torque sensor 15.Motor of round baler

注：圖1中鋼輥編號為①～⑩。

Note: The serial number of ①-⑩for the steel roll is illustrated in Fig.1.

圖1 稻稈圓捆機輥盤式卷捆機構(gòu)試驗裝置示意圖

Fig.1 Schematic diagram of the experimental equipment of roll-disk baling mechanism for rice straw round baler

由式（6）可見，可通過增加旋轉(zhuǎn)草芯形成動力及降低卷捆室側(cè)壁對草芯摩擦阻力來縮短稻稈在卷捆室內(nèi)的累積時間。為此，本研究擬采用旋轉(zhuǎn)圓盤代替單側(cè)卷捆室側(cè)壁，由鋼輥和旋轉(zhuǎn)圓盤（簡稱輥盤式卷捆機構(gòu)）組合作用實現(xiàn)卷捆過程，其草芯累積過程受力情況如圖2c、2d所示，圓盤表面對草芯摩擦帶動力1的作用效果等效為力矩5(N·m)，圓盤側(cè)卷捆室側(cè)壁對草芯摩擦阻力2的作用效果等效為力矩6(N·m)，故其形成旋轉(zhuǎn)草芯的臨界方程如式（7）－式（14）所示。

（8）

（9）

（11）

（12）

1+2+5≥3+4+6（14）

式中3為圓盤半徑，m。

為便于分析，文中分析仍采用“力”的表述方式，對比式（6）及式（14）可見，用旋轉(zhuǎn)圓盤取代單側(cè)卷捆室側(cè)壁后，旋轉(zhuǎn)圓盤將原一側(cè)卷捆室側(cè)壁對草芯的摩擦阻力中1部分轉(zhuǎn)變?yōu)榇龠M旋轉(zhuǎn)草芯形成的動力，并且圓盤直徑越大1越大，故從理論上可推斷出利用旋轉(zhuǎn)圓盤代替單側(cè)卷捆室側(cè)壁可縮短稻稈在卷捆室內(nèi)的累積過程，縮短旋轉(zhuǎn)草芯的形成時間，從而消除卷捆過程中的纏輥現(xiàn)象。

1.3 圓盤設(shè)計

圓盤安裝在卷捆室單側(cè)側(cè)壁中心處，取代原卷捆室側(cè)壁，工作時繞其中心旋轉(zhuǎn)，如圖1所示，根據(jù)預試驗及輥盤式的結(jié)構(gòu)特點，圓盤最大直徑宜在卷捆室直徑的85%～90%范圍內(nèi)選取（保證鋼輥與圓盤不干涉），最小值宜在卷捆室直徑的40%～50%范圍內(nèi)選取（保證圓盤的有效性），為此，本研究圓盤直徑設(shè)計范圍為220～380 mm，圓盤采用7 mm鋼板制成，傳動軸一端通過軸承座固定在卷捆室側(cè)壁中心處，圓盤通過傳動軸安裝在卷捆室側(cè)壁內(nèi)側(cè)，由圓盤電機進行驅(qū)動。

為消除圓盤與轉(zhuǎn)動草捆間的摩擦阻力，圓盤需與草捆保持同步轉(zhuǎn)動，草捆形成后其邊緣線速度與鋼輥邊緣線速度相近（按相等進行計算），故一旦鋼輥轉(zhuǎn)速確定，圓盤轉(zhuǎn)速亦確定，為此圓盤轉(zhuǎn)速需按式（15）～式（19）進行計算。

（16）

（17）

（19）

式中1為鋼輥邊緣線速度，m/s；2為草捆邊緣線速度，m/s；2為鋼輥轉(zhuǎn)速，r/min；1為鋼輥半徑，m；2為草捆半徑，m；3為草捆轉(zhuǎn)速，r/min；4為圓盤轉(zhuǎn)速，r/min。

1.4 鋼輥設(shè)計

鋼輥采用冷軋普通碳素鋼板材料制成，為增大鋼輥對稻稈的作用力，其表面采用凸棱形結(jié)構(gòu)設(shè)計，工作時各鋼輥同步轉(zhuǎn)動，鋼輥之間需保持合理間隙，同時棱形凸起部分不能互相干擾，為此鋼輥間棱形凸起相互錯開布置，鋼輥直徑150 mm，由3 mm厚鋼板圍成，凸棱高度6 mm，沿鋼輥周向均布6條，鋼輥間配合間隙11 mm。

2 卷捆過程功耗分析

輥盤式圓捆機卷捆過程中所需功耗主要由圓捆機空轉(zhuǎn)功耗﹑草捆克服卷捆室側(cè)壁摩擦阻力而損失的功耗及草捆本身動能構(gòu)成，草捆與卷捆室側(cè)壁間摩擦阻力與草捆對卷捆室側(cè)壁壓力成正比，卷捆功耗方程如式（20）～式（25）所示。

（21）

（22）

（24）

（25）

式中1為非圓盤側(cè)草捆克服卷捆室側(cè)壁摩擦阻力而損失的功耗，kJ/捆；2為圓盤側(cè)草捆克服卷捆室側(cè)壁摩擦阻力而損失的功耗，kJ/捆；為某一半徑，m；t為某一時刻卷捆室內(nèi)稻稈質(zhì)量，kg；1為稻稈與卷捆室側(cè)壁間的摩擦系數(shù)；(mr)為某一時刻某一半徑處稻稈對卷捆室側(cè)壁壓力，N；為喂入量，kg/s；1為單捆卷捆過程所需時間，s；為草捆動能，kJ/捆；W為圓捆機空轉(zhuǎn)功耗，kJ/捆；為圓捆機空轉(zhuǎn)功率，kW；W為草捆克服卷捆室側(cè)壁摩擦阻力而損失的總功耗，kJ/捆；為卷捆功耗，kJ/捆。

由式（20）～式（25）可見，輥盤式圓捆機的卷捆功耗主要受圓盤半徑、草捆轉(zhuǎn)速、圓捆機空轉(zhuǎn)功率、稻稈對卷捆室側(cè)壁壓力、卷捆時間5個因素的影響，其中草捆轉(zhuǎn)速、圓捆機空轉(zhuǎn)功率取決于鋼輥轉(zhuǎn)速，卷捆時間取決于喂入量，稻稈對卷捆室側(cè)壁壓力取決于長寬比（稻稈長度與卷捆室長度的比值）和鋼輥對草捆的壓力，故可得出對卷捆功耗有影響的因素為圓盤直徑、鋼輥轉(zhuǎn)速、喂入量、長寬比。

3 試驗研究

3.1 試驗裝置與儀器設(shè)備

為對輥盤式卷捆機構(gòu)進行試驗研究，制作了輥盤式卷捆機構(gòu)試驗裝置，如圖1所示，主要由輥盤式圓捆機（卷捆室450 mm，卷捆室寬度720 mm）和帶式輸送機組成。用 3臺電機（型號為Y132M2-6﹑Y112M-6﹑XWD2-11-0.75）分別驅(qū)動圓捆機﹑輸送機﹑圓盤，另配2臺FR-F740- 45K-CHT1型變頻器和1臺MICROMASTER440型變頻器分別控制鋼輥轉(zhuǎn)速﹑稻稈喂入速度﹑圓盤轉(zhuǎn)速。

其他儀器主要有2臺扭矩傳感器（型號為AKC-215、量程800 N·m，中國航天空氣動力技術(shù)研究院生產(chǎn)），2臺TS-5F智能測試儀，2臺PC機，用來測定和記錄卷捆過程中圓捆機及圓盤功耗。

3.2 數(shù)據(jù)采集及處理

本研究中功耗值通過采集扭矩間接獲得，試驗中利用東北農(nóng)業(yè)大學自行開發(fā)的FTNS-2014數(shù)據(jù)采集軟件實時記錄卷捆過程中圓捆機電機及圓盤電機扭矩，因采集到的數(shù)據(jù)為離散數(shù)據(jù)，故卷捆功耗通過式（26）﹑式（27）計算獲得。

（27）

式中為第次采集到的瞬時扭矩，N·m；為電機轉(zhuǎn)速，r/min；為第次采集到的瞬時功率，kW；為某一過程功耗，kJ；為某一過程扭矩采集次數(shù)；Δ為扭矩采集間隔時間，Δ=0.06 s。

3.3 試驗材料及方法

采用半喂入式水稻收獲機獲得的完整稻稈，平均長度950 mm，含水率12%。

將稱量好的稻稈均勻鋪放在帶式輸送機上并以一定喂入量送入圓捆機，草捆質(zhì)量16 kg[30]，草捆形成率每組試驗重復10次，記錄草捆順利形成次數(shù)，扭矩傳感器對單次卷捆過程進行數(shù)據(jù)采集，利用式（26）﹑式（27）計算出卷捆功耗，卷捆功耗每組試驗重復5次，試驗結(jié)果取其平均值。

3.4 試驗因素與評價指標

3.4.1 試驗因素與水平

由上述卷捆過程中的力學及功耗分析可知，圓盤直徑﹑鋼輥轉(zhuǎn)速﹑喂入量及長寬比對旋轉(zhuǎn)草芯的快速形成及卷捆功耗都有較大影響，故選取此4因素進行研究。

本試驗采用四因素五水平正交旋轉(zhuǎn)組合試驗方法，各因素水平如表1所示，試驗方案設(shè)計及結(jié)果分析應用Design-Expert軟件完成。

表1 試驗因素編碼表

注：長寬比為稻稈長度與卷捆室寬度的比值。

Note: Length-width ratio equals the ratio of the length of rice straw to the width of the bale chamber.

3.4.2 評價指標

輥盤式卷捆機構(gòu)中圓盤具有促進旋轉(zhuǎn)草芯快速形成和降低側(cè)摩擦阻力的作用，為此，采用草捆形成率和卷捆功耗作為評價指標。

1）草捆形成率

卷捆過程中無堵塞現(xiàn)象發(fā)生視為草捆順利形成，將草捆順利形成次數(shù)與總試驗次數(shù)的比值定義為草捆形成率，并以此為評價指標。

式中為草捆形成率，%；1為草捆順利形成次數(shù)；2為總試驗次數(shù)，2=10。

2）卷捆功耗

由上述卷捆過程功耗分析可知，圓捆機卷捆過程中所耗功耗由圓捆機空轉(zhuǎn)功耗﹑草捆克服卷捆室側(cè)壁摩擦阻力而損失的功耗及草捆本身動能構(gòu)成，為此將輥盤式圓捆機從單捆卷捆開始到單捆卷捆結(jié)束過程中所消耗的總功耗定義為卷捆功耗，并以此為評價指標。

式中為卷捆功耗，kJ/捆；1圓盤所耗功耗，kJ/捆；2為圓捆機所耗功耗，kJ/捆。

因圓盤直徑較小時會出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象，堵塞嚴重時無法完成卷捆過程，輕微堵塞會延長卷捆時間，導致卷捆過程功耗異常，故試驗中發(fā)生以上2種現(xiàn)象時的卷捆功耗不作為試驗數(shù)據(jù)（剔除），卷捆功耗值取順利卷捆5次的平均值。

4 結(jié)果與分析

4.1 試驗結(jié)果

試驗結(jié)果如表2所示。

表2 試驗方案及結(jié)果

4.2 回歸模型與方差分

根據(jù)表2的試驗結(jié)果，利用Design Expert軟件分別對草捆形成率、卷捆功耗回歸模型進行方差分析，結(jié)果如式（30）﹑式（31）及表3所示。

表3 評價指標回歸模型方差分析

注：*(<0.05) 為顯著，**(<0.01) 為極顯著；模型1為草捆形成率回歸模型方差分析，模型2為卷捆功耗回歸模型方差分析。

Note: *(<0.05) means significant; **(<0.01 )means highly significant; Model 1 is variance analysis of regression model for formation rate of straw bales; Model 2 is variance analysis of regression model for baling power consumption.

=84.17+12.92+3.75+7.08?2.92?1.88?

5.63+1.87-0.63+1.87+3.12?

2.42+1.352+0.12+2.62（30）

=71.97?3.78+7.76?11.17+7.11?0.23?

1.79?1.46+2.07+0.99?2.08+

0.832+1.812+4.282+2.592（31）

式中分別為圓盤直徑、鋼輥轉(zhuǎn)速、喂入量、長寬比編碼值；為草捆形成率，%；為卷捆功耗，kJ/捆。

由表3兩評價指標的方差分析可知，2個模型的值均極顯著、失擬項均不顯著，說明各因素對各試驗指標的影響極顯著且模型是合適的。由Design Expert軟件還可獲得模型決定系數(shù)分別為12=0.94，22=0.96，說明回歸模型與試驗結(jié)果擬合程度較好，可分別用于預測完整稻稈卷捆過程草捆形成率、卷捆功耗的變化情況。

4.3 各因素對評價指標的貢獻率

由表3的一次項值可判斷各因素對各評價指標的貢獻率，從中可見，各因素影響草捆形成率的主次順序為圓盤直徑>喂入量>鋼輥轉(zhuǎn)速>長寬比；影響卷捆功耗的主次順序為喂入量>鋼輥轉(zhuǎn)速>長寬比>圓盤直徑。

4.4 各因素對草捆形成率的影響

將鋼輥轉(zhuǎn)速及長寬比固定在0水平上，得到喂入量和圓盤直徑對草捆形成率的影響規(guī)律，如圖3a所示，草捆形成率隨圓盤直徑的增大而增加，且效果明顯，說明圓盤直徑越大側(cè)摩擦阻力越小，促進旋轉(zhuǎn)草芯快速形成的1越大越易形成旋轉(zhuǎn)草芯，與由式（7）～（14）所推斷結(jié)論相符；當圓盤直徑小于300 mm時，草捆形成率隨喂入量的增大有明顯增加趨勢，當圓盤直徑大于300 mm時，草捆形成率隨喂入量增大而增加的趨勢變緩或無變化，其原因是當圓盤直徑較小時，1相對較小而2相對較大，其促進旋轉(zhuǎn)草芯形成的效果不明顯，故草捆形成率較低，而喂入量的增大致使后續(xù)稻稈對卷捆室內(nèi)累積稻稈的作用加強，故導致草捆形成率隨喂入量的增大有明顯增加趨勢，從而證實后續(xù)稻稈作用力t對促進旋轉(zhuǎn)草心的形成有一定效果，并且在機器喂入能力范圍內(nèi)喂入量越大效果越明顯，而當圓盤直徑較大時，1相對較大而2相對較小，其促進旋轉(zhuǎn)草芯形成效果明顯，導致草捆形成率已經(jīng)較高，故隨喂入量的增大草捆形成率增加趨勢變緩。

將圓盤直徑和鋼輥轉(zhuǎn)速固定在0水平，得到長寬比和喂入量對草捆形成率的影響規(guī)律，如圖3b所示，長寬比小于1時，草捆形成率隨喂入量的增大變化并不明顯，其原因主要是長寬比小于1時卷捆室側(cè)壁對稻稈摩擦阻力相對較小，300 mm圓盤對旋轉(zhuǎn)草芯的形成已經(jīng)具有明顯促進作用，在喂入量較低時已經(jīng)具備較高的草捆形成率，故隨喂入量的增大草捆形成率并無明顯變化；在長寬比大于1時，草捆形成率隨喂入量的增大有一定增加趨勢，其原因是長寬比大于1時，卷捆室側(cè)壁對稻稈摩擦阻力相對較大， 300 mm圓盤促進旋轉(zhuǎn)草芯形成的效果有所下降，導致草捆形成率變低，故如前所述，草捆形成率隨喂入量的增大而增加。

在喂入量較低情況下，草捆形成率隨長寬比的增大而降低，反映出長寬比的增大導致稻稈受卷捆室側(cè)壁的摩擦阻力增加，從而加大了草芯旋轉(zhuǎn)的阻力；而在喂入量較大時，隨長寬比的增加草捆形成率并無明顯變化，其原因主要是由長寬比增大所致增加的摩擦阻力被由喂入量增大所致增加的后續(xù)稻稈作用力抵消一部分，加之300 mm圓盤的作用使草捆形成率始終維持在較高水平上。

由上述分析可見，試驗結(jié)果驗證了文中草芯累積過程中的力學模型的合理性，該模型能夠表達旋轉(zhuǎn)草芯形成的臨界條件。

4.5 各因素對卷捆功耗的影響

將圓盤直徑及長寬比固定在0水平上，得到喂入量和鋼輥轉(zhuǎn)速對卷捆功耗的影響規(guī)律，如圖3c所示，卷捆功耗隨鋼輥轉(zhuǎn)速的增大而增加，隨喂入量的增大而減少，原因主要是鋼輥轉(zhuǎn)速的增大導致圓捆機空轉(zhuǎn)功耗和草捆動能增大，故卷捆功耗隨鋼輥轉(zhuǎn)速的增大而增加；而喂入量的增大致使卷捆時間1變短，由式（20）～（25）可知，圓捆機空轉(zhuǎn)功耗﹑草捆克服卷捆室側(cè)壁摩擦阻力而損失的功耗及草捆本身動能都是卷捆時間1的增函數(shù)，故卷捆功耗隨喂入量的增大而減少。

將圓盤直徑及鋼輥轉(zhuǎn)速固定在0水平上，得到喂入量和長寬比對卷捆功耗的影響規(guī)律，如圖3d所示，卷捆功耗隨喂入量增大而降低，其原因如前所述；卷捆功耗隨長寬比的增大而增加，原因是長寬比越大稻稈對卷捆室側(cè)壁的壓力越大，導致其側(cè)摩擦功耗W越大，故卷捆功耗呈現(xiàn)隨長寬比的增大而增加的趨勢。

由上述分析可見，試驗結(jié)果中卷捆功耗的變化規(guī)律符合文中所構(gòu)建的卷捆功耗模型的函數(shù)特點，故該模型可以用來分析圓捆機卷捆功耗。

5 試驗參數(shù)優(yōu)化及驗證

綜合上述分析可知，輥盤式卷捆機構(gòu)中圓盤對消除堵塞現(xiàn)象、降低卷捆功耗有明顯效果。在圓盤直徑220～380 mm、鋼輥轉(zhuǎn)速180～356 r/min、喂入量0.5～2.5 kg/s、長寬比0.6～1.4試驗因素范圍內(nèi)，利用Design-expert軟件將草捆形成率目標函數(shù)設(shè)為最大值、卷捆功耗目標函數(shù)設(shè)為最小值，尋找同時接近以上2個目標函數(shù)條件下的最優(yōu)參數(shù)組合，并結(jié)合機器實際作業(yè)條件，最終確定本文的最優(yōu)結(jié)果如下：圓盤直徑380 mm，鋼輥轉(zhuǎn)速247 r/min、喂入量1.7 kg/s、長寬比0.75。為進一步驗證優(yōu)化結(jié)果的可靠性，本文在上述最優(yōu)試驗因素組合下進行了驗證試驗，并與鋼輥式卷捆機構(gòu)（試驗表明鋼輥式圓捆機在鋼輥轉(zhuǎn)速247 r/min、長寬比0.75條件下打捆完整稻桿時，其喂入能力小于1.5 kg/s，喂入量過高會發(fā)生嚴重堵塞無法完成卷捆過程）進行對比。

考慮到田間稻稈鋪放具有一定的雜亂性及不均勻性，在驗證試驗中模擬上述特點進行稻稈鋪放，因稻稈采用非均勻鋪放方式，故喂入量通過帶式輸送機上每米平均稻稈量進行計算，2組試驗各重復10次，功耗數(shù)據(jù)取草捆順利形成時各組功耗的平均值，同時記錄草捆順利形成次數(shù)。試驗結(jié)果：鋼輥式卷捆機構(gòu)（長寬比0.75，鋼輥轉(zhuǎn)247 r/min，喂入量1.5 kg/s），草捆形成率為60%，卷捆功耗為76.1 kJ/捆；輥盤式卷捆機構(gòu)（長寬比0.75，鋼輥轉(zhuǎn)247 r/min，喂入量1.7 kg/s），草捆形成率為100%，卷捆功耗為62.7 kJ/捆。

驗證效果相比表2中14號試驗結(jié)果，卷捆功耗略有提高，原因是14號試驗中稻稈是均勻鋪放，而實際作業(yè)過程中稻稈鋪放具有一定的雜亂性及不均勻性，故在選取最優(yōu)參數(shù)時，對喂入量進行適當調(diào)節(jié)，取喂入量為1.7 kg/s，鋼輥轉(zhuǎn)速也略有提高，最終導致卷捆功耗略有增加。

由驗證試驗結(jié)果可見，輥盤式卷捆機構(gòu)相比鋼輥式卷捆機構(gòu)，卷捆過程中無堵塞現(xiàn)象發(fā)生，喂入能力得到顯著提升，卷捆功耗明顯降低，說明優(yōu)化結(jié)果具有較高的可信度，且本研究模型是可靠的。

6 結(jié) 論

1）通過對鋼輥式圓捆機收獲完整稻稈時稻稈累積過程中草芯受力情況分析，推導出旋轉(zhuǎn)草芯形成的臨界方程，通過對臨界方程的分析，得出利用旋轉(zhuǎn)圓盤代替單側(cè)卷捆室側(cè)壁，可增加旋轉(zhuǎn)草芯形成動力并降低卷捆室側(cè)壁摩擦阻力，進而促進旋轉(zhuǎn)草芯及時形成以避免堵塞現(xiàn)象發(fā)生。為此，設(shè)計了一種輥盤式卷捆機構(gòu)。試驗表明，該卷捆機構(gòu)可提高喂入能力（鋼輥式卷捆機構(gòu)喂入能力小于1.5 kg/s，而輥盤式卷捆機構(gòu)可提升至1.7 kg/s）并降低草捆與卷捆室側(cè)壁間摩擦阻力，從而降低卷捆功耗和提高卷捆效率。

2）對輥盤式圓捆機卷捆過程中所耗功耗的構(gòu)成進行了理論分析，推導出影響輥盤式圓捆機卷捆功耗的主要因素為圓盤直徑、鋼輥（圓盤）轉(zhuǎn)速、稻稈喂入量及長寬比。試驗表明，在本試驗范圍內(nèi)試驗因素對草捆形成率影響主次順序為圓盤直徑>喂入量>鋼輥轉(zhuǎn)速>長寬比；對卷捆功耗影響主次順序為喂入量>鋼輥轉(zhuǎn)速>長寬比>圓盤直徑；最優(yōu)參數(shù)組合為圓盤直徑380 mm、鋼輥轉(zhuǎn)速247 r/min、喂入量1.7 kg/s、長寬比0.75，此時草捆形成率100%，卷捆功耗為62.7 kJ/捆，相比鋼輥式圓捆機無堵塞現(xiàn)象發(fā)生，卷捆功耗降低。

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Design and parameters optimization of roll-disk baling mechanism for rice straw round baler

Li Yelong1,2, Wang Defu1※, Wang Mo1, Li Donghong1, Zhang Quanchao1, Lei Junle1

(1.150030,;2.527200,)

For efficient use of rice straw feed resources, rice straw bale silage technique has been developed in some countries like Japan and Korea. In China, rice straw silage is used very little, and rice straw is usually used as poor quality feed because of loose outdoor stacking, which leads to lower nutrient composition and poor palatability. In recent years, rice straw bale silage is being emphasized with the development of animal husbandry, rice combines and round balers. But small and medium-sized steel-roll round balers are main round balers developed in China, and it is easy to result in blocking in the head-feed rice combine (applied widely in rice harvesting) when round baler bales the intact rice straw. When harvesting intact rice straw using domestic small and medium-sized steel-roll round balers, in order to eliminate the blocking problem and reduce the baling power consumption, a baling mechanism which combined steel rolls and side disk was designed (called roll-disk baling mechanism for short). Then, the baling process of the roll-disk baling mechanism was analyzed from the aspects of mechanical and power consumption characteristics. Through mechanical analysis, the friction resistance of rice straw in baling process could be reduced, and the advance movement of rice straw in baling process could be boosted with the side disk, which would be beneficial to boost the formation of rotating straw bale core (the key of forming straw bale). Through power consumption analysis and pre-experiment, major factors influencing the baling performance of the roll-disk baling mechanism was decided as follows: disk diameter > rotational speed of steel roll > feeding quantity > length-width ratio (the ratio of straw length to width of baling chamber). These factors were also selected as the experimental factors, the straw baling formation rate (the ratio of number of straw baling formation to total number of experiment) and baling power consumption were used as the evaluation indices, and 4-factor and 5-level orthogonal rotational combinatorial experiment was conducted with the experimental equipment of the roll-disk baling mechanism. By the above experiments, the regression model for formation rate of straw bales and the regression model for baling power consumption were obtained, which could be used to forecast the formation rate of straw bales and the baling power consumption for the steel-roll baler according to the results of variance analysis. Experimental results showed that major factors influencing baling formation rate could be ranked as round disk diameter, feeding quantity, steel roll rotational speed, and length-width ratio in a descending order, round disk diameter had the greatest influence among these factors, and bigger round disk diameter was beneficial to rapid formation of rotating straw bale core, which then helped to increase the baling formation rate; major factors influencing baling power consumption could be ranked as feeding quantity, rotational speed of steel roll, length-width ratio, and disk diameter in a descending order, and feeding quantity had the greatest influence among these factors. By this experiment, the optimized combination of parameters was decided as follows: Disk diameter of 380 mm, rotational speed of steel roll of 247 r/min, feeding quantity of 1.7 kg/s, and length-width ratio of 0.75. With the optimal combination of parameters, the straw baling formation rate and the baling power consumption were 100% and 62.7 kJ per bale respectively through the verification test of the roll-disk baling mechanism. Compared with the steel-roll round baler, there was no blocking and the baling power consumption reduced, and the roll-disk baling mechanism showed a better performance. These findings can provide theoretical and technical basis for optimization of structure and operation parameters of the roll-disk roundbaler.

parameters; optimization; experiments; round baler; baling mechanism; steel roll; side disk; power consumption

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.06.004

S225.4

A

1002-6819(2017)-06-0027-08

2016-08-09

2017-03-12

國家自然科學基金資助項目（51405076）；高等學校博士學科點專項科研基金資助項目（20124105110004）；黑龍江科技攻關(guān)項目（GC13B604）

李葉龍，博士生，講師，主要從事畜牧機械研究。哈爾濱 東北農(nóng)業(yè)大學工程學院，150030。Email：335906710@163.com

王德福，教授，博士生導師，主要從事畜牧機械方面的教學和研究工作。哈爾濱，東北農(nóng)業(yè)大學工程學院，150030。Email：dfwang640203@sohu.com