自走式漢麻打捆機的設計與試驗

張治國，朱浩，于革

（黑龍江省科學院大慶分院，黑龍江大慶163318）

近年來全球漢麻種植面積穩(wěn)步增長，漢麻產業(yè)發(fā)展迅速，黑龍江省漢麻的種植面積不斷擴大，2017年黑龍江省漢麻種植面積達到3萬公頃［1］，種植面積已占全國的60%以上，是重要的漢麻生產與初加工基地［2］。

在黑龍江地區(qū)，漢麻收割后鋪放在田間進行雨露脫膠，曬干后打捆收集到原料加工車間進行纖維加工，但目前漢麻割曬雨露之后仍依靠人工進行打捆收獲，導致收獲成本高。對于大面積種植戶來說，人工打捆收獲不僅耽誤生產周期，而且收獲成本高，雇傭大量人工較為困難。因此專用漢麻打捆機研制與設計是十分必要的。

1 總體方案設計

自走式漢麻打捆機整機由底盤行車系統(tǒng)、撿拾機構、輸送機構、打結機構及送繩機構等幾部分組成［3］。在整機的設計中，行車底盤的設計要考慮到機器的工作環(huán)境，確保機器可適應各種惡劣的工作環(huán)境。撿拾機構和輸送機構要保證麻桿的有效撿拾和避免麻桿纏繞問題，同時要使撿拾和輸送的麻桿相對整齊，為后續(xù)的麻桿打捆、運輸及初加工奠定基礎。打結機構選用禾桿打結技術成熟且市場應用廣泛的D型打結器，送繩機構應保證捆繩的松緊張力，這樣可保證麻桿打結工作的順利進行。打捆機的工作流程設計見圖2。

圖1 打捆機Fig.1 Balingmachine

圖2 工作流程圖Fig.2 Working flowchart

2 關鍵部件設計

2.1 撿拾器的底盤設計

漢麻打捆機設計采用自行走式底盤設計，田間的工作環(huán)境惡劣，打捆機的設計為四驅行車系統(tǒng)，可有效保證在打捆時機器的行走能力，打捆機的輪胎采用八字形農用車輪胎，提升抓地力，以適應田間惡劣的作業(yè)環(huán)境。機器工作時需將割曬平鋪的漢麻桿撿拾并輸送到打捆平臺上，故底盤的設計不能過高，平臺高低應在80～100 cm為佳，輪胎高度應在65 cm左右，最小離地間隙應大于20 cm，以此適應田間各種工作狀況。機器底盤的設計采用北京吉普20的前后橋，有效的保證了底盤的穩(wěn)定性能和可靠性能，機器后橋可采用搖擺軸懸掛，前橋保持與地面平行，提高撿拾器與地面的仿形能力。轉向系統(tǒng)設計為液壓助力轉向系統(tǒng)，對比傳統(tǒng)的機械式轉向，使用戶操作更加省力與精準。變速箱應有前進和后退檔位，并有快慢速變換來適應不同地形條件的工作速度，與發(fā)動機轉速相匹配，工作速度設計為6～10 km／h。

漢麻打捆機的底盤框架長寬設計為：300 cm×310 cm，框架使用5 cm×10 cm標準槽鋼進行焊接，保證底盤框架的強度，框架設計可載重量為1.5 t?？蚣艿闹黧w劃分為兩個區(qū)域，即安裝操作區(qū)和打捆輸送區(qū)，將發(fā)動機、發(fā)電機、液壓泵等部件放置在一側，放置安裝的位置占用平臺寬度100 cm，平臺的其余空間設計為麻桿的輸送平臺，來完成打結器等打捆部件的安裝及動作。

圖3 底盤示意圖Fig.3 Chassis schemati

圖4 輸送平臺和安裝區(qū)示意圖Fig.4 Conveying platform and installation area schematic

2.2 撿拾器與輸送平臺

漢麻桿中含有大量纖維，且韌性較高，對于轉動的部件機構極容易造成纏繞，所以撿拾器的設計應充分考慮到麻桿纏繞問題。撿拾器是漢麻打捆機最為關鍵的部件之一，其撿拾性能直接影響打捆機的撿拾質量，對打捆機的打捆性能也有較大影響。

目前市場上常見的禾桿撿拾器可分為彈齒式撿拾器、滾筒式撿拾器和帶式撿拾器，彈齒撿拾器由于彈齒與側壁有間隙的存在，麻桿很容易進入撿拾器內部發(fā)生纏繞，不能順利的輸送到打結平臺上，并且纏繞的麻桿難以脫離出來，越積越多，最終造成撿拾器不能轉動，故彈齒撿拾器并不適合漢麻桿的撿拾［4］。

滾筒式撿拾器的大小受擺齒長短限制和底盤高度的影響，麻桿平鋪的厚度不一，打捆機若使用滾筒撿拾器，需較大的直徑，撿拾的坡度也隨之增大，安裝后與平鋪的麻桿之間和麻桿輸送平臺之間，會有很大空隙，不適合漢麻桿的撿拾［5］。

帶式撿拾器沒有縫隙，能有效避開纏麻問題，而且坡度可控，能將平鋪的麻桿較好地撿拾到輸送平臺，且撿起的麻桿非常整齊，經多次試驗撿拾效果良好［6］。

帶式拾禾器與彈齒滾筒式拾禾器相比，還具有結構簡單，安裝維修成本低且簡單方便等優(yōu)點［6］。

圖5 滾筒撿拾器Fig.5 Roller pick－up

圖6 帶式撿拾器Fig.6 Belt Pick－up

打捆機的帶式撿拾器長度為200 cm，安裝到100 cm高的平臺上，工作時與地面的夾角為26.5°，漢麻的高度一般在150～200 cm之間，故帶式撿拾器的寬度設計為170 cm，來適應較高的麻桿撿拾。

輸送平臺也采用履帶傳送方式，并在輸送平臺上方安裝了滾筒撥禾器，以輔助麻桿的輸送，可保證麻桿進入平臺后依然整齊，為后續(xù)麻捆打結做準備。輸送平臺采用兩段式，中間預留出打結器送繩大針擺動的空間，從兩段履帶的中間穿過，將麻捆縮緊并進行打結工作。

2.3 打捆機的打結器設計

近年來打結器在牧草、作物秸稈收獲方面得到廣泛應用。打結器作為打捆機的核心部件，其空間結構復雜，關鍵零部件的制造難度大，致使目前國內的打捆機上應用的打結器普遍依賴進口。雖然國內很多廠家進行了打結器的仿制，但因打結器制造精度、疲勞強度難以保證，致使打結器快速失效，達不到進口打結器工作壽命要求?，F(xiàn)在國際上較為流行的打結器是由德國生產的D型打結器［7］，在歐美技術成熟，應用普遍，效果良好。

打結器是漢麻打捆機的核心部件［8］，它的作用是將麻捆的捆繩打成牢固可靠的繩結，D型打結器是一種結構復雜、傳動靈活、工作協(xié)調性好且完全依靠機械傳動實現(xiàn)其功能的機構。結構主要包括打結器架體、夾繩器、打結鉗嘴、小錐齒輪、撥繩板、割繩刀片、脫繩桿和齒盤等［9］。其原理為模仿人手打結的動作，具有傳動性好、工作靈活、協(xié)調性好等優(yōu)點［7］，適宜漢麻麻桿的打結。但在工作時，打結器的每個部件幾乎都要承受壓、剪、扭轉等較為復雜的作用力，加之露天工作，環(huán)境惡劣，致使打結器極易損壞。根據方草捆機作業(yè)統(tǒng)計，打結器易損件主要有齒盤、架體、脫繩桿、鉗嘴、錐齒輪等［9］。

圖7 打結器結構示意圖Fig.7 Structure composition of knotter

打結器的安裝方式是側壁安裝，懸空并平行于麻桿輸送平臺，與平臺距離大約在25～30 cm，距離打結器20 cm左右，這樣可保證捆好的麻捆直徑在30 cm左右。打結器后方安裝擋板，擋板與打結器設計為工位工作方式，擋板動作與打結器大針動作相匹配，擋板擋住足量的麻桿后，達到一定的壓力后觸動開關，打結器結合工作，打捆大針向上擺動，當大針上升到打結器底板上方時，撥繩板將捆繩撥向鉗嘴表面，為打結做好準備，當大針上升到夾繩盤時，夾繩盤將捆繩夾住，當大針上升到極限位置時，鉗嘴開始工作，將兩股捆繩進行繞繩打結，鉗嘴工作完成，割繩刀片及撥繩板進行割繩并將系好的繩結從鉗嘴上脫離開，同時擋板脫離，麻捆從平臺上輸送到后方并落地，所有打結系統(tǒng)的部件處于初始工作位置，等待下一捆工作。

圖8 打結器安裝示意圖Fig.8 Knotter installation position

2.4 送繩機構設計

漢麻打捆機的繩箱設計在機器的尾部，應盡量與送繩大針在同一垂面的位置，距離送繩大針不宜過遠并且方便更換、加裝繩捆；捆繩經過若干個導向環(huán)到送繩大針上，導向環(huán)不宜過多，表面要光滑，摩擦系數(shù)越小，對捆繩的松緊張力控制越容易。送繩機構設計為彈片夾繩結構，彈片的彈力可調并有鎖死結構，彈片的彈力控制捆繩的松緊度。捆繩的松緊張力直接影響到打結器的打捆成功率，捆繩過松會導致打好的繩結不能從鉗嘴上脫離下來；捆繩過緊會出現(xiàn)捆繩斷裂的情況。適宜的捆繩張力對打結器成結非常重要，在打結器應用中不容忽視。

3 打捆機的動力設計

整個打捆機的動力來源是一臺30馬力的柴油發(fā)動機，其功率是22 kW，發(fā)動機為行車、撿拾、輸送、轉向、打結等提供動力，發(fā)動機皮帶帶動液壓泵、發(fā)電機、轉向泵、變速箱及啟機電瓶充電機。撿拾器的傳動方式為液壓馬達傳動，液壓馬達傳動可通過液壓流量閥門的控制，實時精準的控制撿拾器的轉速。輸送平臺由于對動力的需求較多，采用電機傳動方式，電機為4 kW變頻電動機，經變頻器和減速機輸出適宜的轉速，充足的動力能保證麻桿在平臺上不斷的縮緊，保證打結系統(tǒng)的有效打捆工作。打結器的動力來源為發(fā)電機，由變頻器控制電機轉動，變頻電機的功率為2.2 kW，系統(tǒng)設計安裝可編程控制器PLC，通過開關量信號來自動控制打結器的動作，可根據打捆機的工作速度，實時調整打結器工作頻率，電氣的引入及控制可使打結器工作狀態(tài)更加合理化，同時還可避免機械控制的結構復雜問題。

表1 發(fā)動機功率分配表Tab.1 Engine power distribution kw

4 試驗結果與分析

自走式漢麻打捆機樣機研究與試驗經過兩年時間完成，研制過程中先后對樣機的撿拾器與輸送平臺等部件進行了多次改進，并于2016年在齊齊哈爾克山縣進行了樣機性能測試。機器撿拾機構為彈出式撿拾器，在試驗過程中，機器運轉數(shù)分鐘后，彈齒撿拾器內部被麻桿纖維纏繞無法轉動，并且樣機沒有主動輸送平臺，麻桿很難被輸送到打結器下方進行打結工作，導致試驗無法進行，不能達到設計的要求。2017年在樣機的撿拾、輸送等方面做了較大的改進，使用帶式撿拾器，并加裝了帶式輸送平臺、滾筒撥禾器，試驗仍然在克山縣進行。結果表明，帶式撿拾器與輸送平臺可將麻桿較整齊地輸送到打結器下方，并進行打結工作，試驗有了較大的突破，基本實現(xiàn)打捆機的功能設計。

撿拾器的速度、輸送平臺的速度與打捆機的行車速度是樣機的主要參數(shù)，3者之間的匹配關系到麻桿能否整齊的進入輸送平臺，關系到樣機能否正常作業(yè)。經過多次試驗與數(shù)據優(yōu)化，確定了3者之間匹配參數(shù)（見表2）。

表2 速度匹配關系表Tab.2 Velocitymatching relation km／h

經過兩年的研究改進與試驗，樣機可良好的完成撿拾、輸送、打捆及脫捆動作，達到設計要求并可滿足生產需求。在作業(yè)試驗中，雖然樣機的基本功能可良好實現(xiàn)，但仍然存在諸多問題：

（1）盡管應用了帶式撿拾器，但仍然會有麻桿纖維纏繞問題出現(xiàn)。

（2）樣機各個零部件的安裝公差配合度不好，安裝會有過緊或過松現(xiàn)象，機器運行的可靠性得不到保證。

（3）液壓閥門型號選擇有差異，不能精準的控制液壓馬達的轉速。

（4）單缸柴油發(fā)動機的噪音較大，作業(yè)人員在工作中會有不適的感覺。

（5）樣機的部件安裝及整體布局還需進一步的優(yōu)化設計。

5 展望

目前，麻類作物是黑龍江省的特色經濟作物，黑龍江省漢麻纖維的產量和品質居國內領先地位［10］，漢麻種植面積逐年增加。在漢麻種植的主要生產環(huán)節(jié)中，從種植、割曬、種子收獲、雨露脫膠、桿莖打捆、撿拾裝運到剝麻［10］，大部分環(huán)節(jié)還需人工作業(yè)，機械設備配套一直沒有發(fā)展，直接影響著種麻效益的提高；麻桿人工收割打捆效率低，成本居高不下，不能增收，制約漢麻產業(yè)的發(fā)展；漢麻收割期短，如延長收割期將影響麻纖維質量；由于沒有專用的漢麻打捆機，導致雇工量非常大，種植戶每年不得不支付高額的雇工費用，大大增加了漢麻種植的成本。

就漢麻生產過程各個環(huán)節(jié)機械化水平而言，我國與國外存在著較大的差距，主要表現(xiàn)為種植與初加工機械設備比較落后，沒有專用的配套設備。在漢麻漚麻與打捆裝卸方面，目前國內均采用人工打捆，沒有配套的機器設備，人工打捆、撿捆、裝運，成本高且效率低，專用漢麻機械化水平較低，制約著漢麻產業(yè)發(fā)展的步伐。

依據目前我國大麻產業(yè)發(fā)展的趨勢，漢麻種植與初級工機械設備的市場需求非常迫切。種植600 hm2漢麻最低需要配備2套打捆機械。黑龍江省發(fā)展種植面積6萬公頃，配備200套，全國將有上千臺需求。故專用漢麻機械設備經濟和社會效益分析可觀，產業(yè)前景非常廣闊。

參考文獻：

［1］張桂英，吳利紅.“2017年漢麻·哈爾濱論壇”召開［N］.黑龍江日報，2017－11－24（002）.

［2］王彥.龍江漢麻期待產業(yè)化［N］.黑龍江日報，2017－08－07（002）.

［3］周瑩.方草捆打捆機發(fā)展現(xiàn)狀分析［J］.南方農機，2016，47（5）：11＋13.

［4］郁志宏，王文明，莫日根畢力格，等.彈齒滾筒式撿拾器撿拾性能試驗［J］.農業(yè)機械學報，2017，48（3）：106－112.

［5］烏吉斯古楞，劉偉峰，包那日那.滾筒式撿拾器的運動仿真［J］.農機化研究，2010，32（9）：50－53.

［6］魯玲.帶式拾禾器在山丹馬場使用效果探討［J］.農機使用與維修，2014（10）：28－28.

［7］李鳳鳴，趙小娟，翟改霞.D型打結器關鍵部件及工作原理［C］／／2012中國農業(yè)機械學會國際學術年會.2012.

［8］尹建軍，張萬慶，陳亞明，等.打結器夾繩－繞扣－鉗咬動作參數(shù)分析與打結試驗［J］.農業(yè)機械學報，2015，46（9）：135－143.

［9］魏瑞濤，岑海堂，李沛文，等.D型打結器失效分析及研究進展［J］.中國農機化學報，2017，38（3）：14－18.

［10］肖湘.黑龍江省漢麻生產機械現(xiàn)狀與發(fā)展建議［J］.科學技術創(chuàng)新，2016（12）：150－150.