草簾自動(dòng)布草機(jī)的研制與試驗(yàn)

鄧春巖，楊 陽(yáng)，程 輝，李彤宇，楊志剛，陳立東，曹宏偉

(1.河北科技師范學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，河北 秦皇島 066004；2.清華大學(xué) 深圳研究生院，廣東 深圳 518055；3.灤南縣萬(wàn)盛機(jī)械制造有限公司，河北 灤南 063500)

0 引言

水稻秸稈是我國(guó)第一大作物的秸稈。據(jù)估算，2010年我國(guó)水稻秸稈的總量為1.9億t[1]，其主要用于造紙、還田、飼料、肥料、生物質(zhì)能源及加工成草制品等[2-4]；但是，也有相當(dāng)一部分沒(méi)有得到利用，甚至被焚燒(達(dá)到0.44億t[1])，占總量的23%以上，既污染了大氣，也違反《中華人民共和國(guó)大氣污染防治法》。因此，加大水稻秸稈的綜合利用，變廢為寶，其發(fā)展空間還非常巨大。

設(shè)施農(nóng)業(yè)現(xiàn)已成為我國(guó)農(nóng)業(yè)的一個(gè)重要支柱，發(fā)展非常迅猛。到2015年，我國(guó)設(shè)施蔬菜規(guī)模超過(guò)333.3萬(wàn)hm2[5]，其越冬保溫的主體材料為水稻編織的草簾。雖然有保溫被等替代草簾的產(chǎn)品，但由于價(jià)格較高、吸水率高、保溫性能較差，尚難以廣泛應(yīng)用。因此，草簾的市場(chǎng)需求空間巨大。

目前，我國(guó)草簾編織機(jī)生產(chǎn)廠家分布比較分散，規(guī)模較小，主要分布在河北、山東、河南及遼寧等，且產(chǎn)品技術(shù)一致性較強(qiáng)，雖然實(shí)現(xiàn)了編織環(huán)節(jié)的自動(dòng)化，但是鋪草環(huán)節(jié)仍需人工操作，用工量大，生產(chǎn)的草簾一致性差。因此，亟需研發(fā)出自動(dòng)化程度更高的草簾編織設(shè)備。

1 總體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 總體結(jié)構(gòu)

草簾自動(dòng)布草機(jī)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.編織機(jī) 2.布草機(jī)機(jī)架 3.鏈輪鏈條 4.布草機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)減速器 5.小車總成 6.喂料斗 7.壓草機(jī)構(gòu)總成 8.分草機(jī)構(gòu)總成 9.理草板機(jī)構(gòu)總成

布草機(jī)由機(jī)架、兩組驅(qū)動(dòng)鏈輪鏈條、驅(qū)動(dòng)電機(jī)減速器、小車總成、6個(gè)喂料斗、6組壓草機(jī)構(gòu)總成、6組分草機(jī)構(gòu)總成及兩組理草板機(jī)構(gòu)總成等組成。工作時(shí)，小車在鏈輪鏈條帶動(dòng)下，在布草機(jī)內(nèi)部做往復(fù)運(yùn)動(dòng)；小車上設(shè)有3個(gè)抓草手和3個(gè)抓草手上板，每個(gè)抓草手由兩個(gè)氣缸協(xié)同推動(dòng)，做往復(fù)擺動(dòng)，擺動(dòng)角度為180°；分草總成由3顆針組成，第1顆針為托草針，第2顆針為分草針，第3顆針為壓草針，壓草針隱藏在分草針內(nèi)，托草針與分草針之間有一定距離，此距離為每次分草厚度；壓草針有獨(dú)立的氣缸驅(qū)動(dòng)，達(dá)到規(guī)定位置時(shí)向下移動(dòng)或向上移動(dòng)；理草板是用來(lái)整理布放到編織機(jī)上的稻草秸稈，使其更加整齊，在氣缸的驅(qū)動(dòng)下做往復(fù)運(yùn)動(dòng)；壓草總成做圓弧擺動(dòng)，在分草時(shí)向喂料斗內(nèi)部擺動(dòng)，壓緊喂料斗下部物料，保證物料密實(shí)度的一致性；抓草時(shí)，向喂料斗外部擺動(dòng)，使抓草手抽取物料時(shí)省力，降低功耗。

1.2 工作原理

工作時(shí)，兩側(cè)的喂料斗中水平放置適量的水稻秸稈，當(dāng)小車總成移動(dòng)到左側(cè)極限抓取到物料時(shí)，右側(cè)的壓草爪總成動(dòng)作，把喂料斗下部物料向下壓實(shí)，右側(cè)的分草針總成動(dòng)作，分出一定量物料，理草板總成在外部位置，等待小車總成放草；小車總成開(kāi)始向右側(cè)移動(dòng)，當(dāng)移動(dòng)到放草位置時(shí)，松開(kāi)抓取的物料，布放到編織機(jī)的右側(cè)，理草板迅速內(nèi)移，把布放的物料拍齊，迅速回撤，等待下一次放草。當(dāng)小車總成到達(dá)右測(cè)極限時(shí)，從右側(cè)喂料斗中抓取物料，左側(cè)的壓草爪總成動(dòng)作，把喂料斗下部物料壓實(shí)，左側(cè)的分草針總成動(dòng)作，分出一定量物料，理草板總成在外部位置，等待小車總成放草；小車總成開(kāi)始向左側(cè)移動(dòng)，當(dāng)移動(dòng)到放草位置時(shí)，松開(kāi)抓取的物料，布放到編織機(jī)的左側(cè)，理草板迅速內(nèi)移，把布放的物料拍齊，迅速回撤，等待下一次放草；小車總成繼續(xù)向左移動(dòng)，到達(dá)極限時(shí)，從左側(cè)喂料斗中抓取物料，右側(cè)壓草總成、分草總成、理草板總成做好準(zhǔn)備。如此循環(huán)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器布草替代人工布草。

2 主要工作部件的設(shè)計(jì)

2.1 小車總成的設(shè)計(jì)

小車總成是從布草機(jī)兩側(cè)的喂料斗中抓取一定量的物料，然后按要求布放到編織機(jī)的指定位置，其工作原理如圖2所示。根據(jù)布草的方法和抓放草的需要，抓草手2需做180°的擺動(dòng)且有4個(gè)停留位置。

當(dāng)小車總成從左側(cè)喂料斗抓取物料后向右運(yùn)動(dòng)到達(dá)右側(cè)放草位置時(shí)，抓草手下擺到如圖2(a)所示位置，放下稻草秸稈，繼續(xù)右移；當(dāng)抓草手上板進(jìn)入到料斗時(shí)，抓草手開(kāi)始上擺，小車總成運(yùn)動(dòng)到右極限位置時(shí)，抓草手?jǐn)[動(dòng)到圖2(b)所示位置，抓緊稻草秸稈；小車總成左移，從料斗中抽出物料，到達(dá)左側(cè)放草位置時(shí)，抓草手下擺到如圖2(c)所示位置，放下物料，繼續(xù)左移；當(dāng)抓草手上板進(jìn)入到左側(cè)料斗時(shí)，抓草手開(kāi)始上擺，小車總成運(yùn)動(dòng)到左極限位置，抓草手?jǐn)[動(dòng)到圖2(d)所示位置，抓緊稻草秸稈，然后回移。

1.抓草手上板 2.抓草手 3.氣缸A 4.氣缸B 5.偏置擺臂

小車總成由3組抓草手組成，其結(jié)構(gòu)布置如圖3所示。工作時(shí)，中間的抓草手放草時(shí)間比兩側(cè)的抓草手放草時(shí)間提前。

1.氣缸安裝支架 2.抓草手驅(qū)動(dòng)氣缸 3.電磁控制閥 4.小車支架 5.抓草手 6.抓草手上板

2.2 分草機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

分草機(jī)構(gòu)是從喂料斗中分出一定量的物料，以便于抓草手抓取物料，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

1.分草總成導(dǎo)軌支撐軸 2.氣缸A 3.托草針 4.分草針 5.氣缸B 6.分草針總成導(dǎo)軌移動(dòng)組件 7.分草針總成導(dǎo)向件 8.壓草針

2.3 壓草機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

壓草機(jī)構(gòu)是為了保證分草機(jī)構(gòu)分草的量保持一致，由驅(qū)動(dòng)軸、擺臂、連桿和壓草爪組成，如圖5所示。

1.喂料斗 2.擺臂 3.驅(qū)動(dòng)軸 4.連桿 5.壓草爪

壓草機(jī)構(gòu)的工作在分草機(jī)構(gòu)工作之前，電機(jī)通過(guò)曲柄擺桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)擺臂做一定角度的擺動(dòng)，擺臂通過(guò)連桿推動(dòng)壓草爪進(jìn)行擺動(dòng)；1個(gè)喂料斗需要兩個(gè)壓草爪，連桿向上移動(dòng)時(shí)，壓草爪向喂料斗內(nèi)部擺動(dòng)，壓下喂料斗下部的物料；當(dāng)分草針插入到喂料斗時(shí)，壓草爪向外擺動(dòng)，完全退出喂料斗。

3 氣動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

布草機(jī)氣動(dòng)系統(tǒng)主要由抓草手氣動(dòng)回路、壓草針與理草板氣動(dòng)回路、分草針氣動(dòng)回路、氣源及氣源處理回路組成，如圖6所示。

1.抓草手氣動(dòng)回路 2.壓草針與理草板氣動(dòng)回路 3.分草針氣動(dòng)回路 4.氣源及氣源處理回路

每個(gè)抓草手由兩個(gè)氣缸驅(qū)動(dòng)，在五位三通電磁閥控制下，實(shí)現(xiàn)抓草手向左或向右擺動(dòng)，完成抓取或放草動(dòng)作；兩側(cè)分草針驅(qū)動(dòng)缸分別由兩位三通電磁閥控制，帶動(dòng)分草針機(jī)構(gòu)沿機(jī)架前后移動(dòng)；兩側(cè)壓草針驅(qū)動(dòng)氣缸和理草板驅(qū)動(dòng)氣缸分別由兩位三通電磁閥控制，同時(shí)控制3個(gè)壓草驅(qū)動(dòng)氣缸與理草板驅(qū)動(dòng)氣缸，配合分草針驅(qū)動(dòng)氣缸，實(shí)現(xiàn)稻草的分出與整理動(dòng)作。

4 生產(chǎn)試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)條件

NBJ-1.6草簾自動(dòng)布草機(jī)由灤南縣萬(wàn)盛機(jī)械制造有限公司生產(chǎn)，樣機(jī)配套電動(dòng)機(jī)功率為2.0kW、外形尺寸為 3 100mm×3 200mm×1 900mm(長(zhǎng)×寬×高)。該樣機(jī)于2017年4月在該廠的車間進(jìn)行了生產(chǎn)試驗(yàn)，生產(chǎn)草簾240m；于2017年9月在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了生產(chǎn)試驗(yàn)，生產(chǎn)草簾5 400m，如圖7所示。

圖7 生產(chǎn)試驗(yàn)圖Fig.7 Commissioning

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)條件如表 1所示。

表1 試驗(yàn)條件Table 1 Condition of experiment

4.2 試驗(yàn)方法

根據(jù)灤南縣萬(wàn)盛機(jī)械制造有限公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/WSJ01-2015(B/13021393-4913-2015)，對(duì)自動(dòng)布草機(jī)的布草速度、布草量及生產(chǎn)的草簾的技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，同時(shí)考察布草機(jī)的工作性能及與編織機(jī)的匹配程度。

4.3 試驗(yàn)的結(jié)果與分析

生產(chǎn)車間的試驗(yàn)表明：布草機(jī)能夠較好地完成機(jī)器布草，布草速度在12～16次/min之間可調(diào)；調(diào)整分草針的高度實(shí)現(xiàn)布草量的調(diào)節(jié)，調(diào)整范圍在15～65mm范圍內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)草簾的厚度的調(diào)整?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)，布草速度采用15次/min，分草針的高度分別調(diào)整為35、45、30mm，草簾的寬度為1 600mm，平均厚度34.6mm，生產(chǎn)速度達(dá)到180m/h，生產(chǎn)的草簾的均勻性、平整度均優(yōu)于人工鋪草生產(chǎn)的草簾。

該機(jī)在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)，主要存在以下問(wèn)題：①布草機(jī)在布草時(shí)，稻草秸稈在運(yùn)送過(guò)程中發(fā)生傾斜。原因可能是由于稻草的根部與頂部質(zhì)量不同，輕的部分速度較快，同時(shí)由于理草板在整理過(guò)程中與稻草秸稈根部有摩擦，造成根部運(yùn)送速度較慢。后期將對(duì)理草板的結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)和編織機(jī)運(yùn)送機(jī)構(gòu)進(jìn)行研究改進(jìn)，以進(jìn)一步提高整機(jī)的性能。②布草機(jī)與編織機(jī)的匹配調(diào)整需要停機(jī)，未能實(shí)現(xiàn)智能化匹配。

5 結(jié)論

1)研制了草簾自動(dòng)布草機(jī)，由小車總成機(jī)構(gòu)、分草機(jī)構(gòu)、壓草機(jī)構(gòu)聯(lián)動(dòng)配合，實(shí)現(xiàn)了稻草秸稈的自動(dòng)布草，可以代替人工布草。

生產(chǎn)試驗(yàn)表明：該機(jī)生產(chǎn)幅寬1 600mm的草簾，厚度的均勻性≤18.87%，一致性好，表面平整，優(yōu)于人工布草。其生產(chǎn)速度達(dá)到了180m/h，減少用工4～6人，改善了工作環(huán)境，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，在國(guó)內(nèi)外屬于首創(chuàng)。