張治國(guó)，朱浩，于革

（黑龍江省科學(xué)院大慶分院，黑龍江大慶163318）

近年來(lái)全球漢麻種植面積穩(wěn)步增長(zhǎng)，漢麻產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，黑龍江省漢麻的種植面積不斷擴(kuò)大，2017年黑龍江省漢麻種植面積達(dá)到3萬(wàn)公頃［1］，種植面積已占全國(guó)的60%以上，是重要的漢麻生產(chǎn)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(jìn)行雨露脫膠，曬干后打捆收集到原料加工車間進(jìn)行纖維加工，但目前漢麻割曬雨露之后仍依靠人工進(jìn)行打捆收獲，導(dǎo)致收獲成本高。對(duì)于大面積種植戶來(lái)說(shuō)，人工打捆收獲不僅耽誤生產(chǎn)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(jī)研制與設(shè)計(jì)是十分必要的。

1 總體方案設(shè)計(jì)

自走式漢麻打捆機(jī)整機(jī)由底盤行車系統(tǒng)、撿拾機(jī)構(gòu)、輸送機(jī)構(gòu)、打結(jié)機(jī)構(gòu)及送繩機(jī)構(gòu)等幾部分組成［3］。在整機(jī)的設(shè)計(jì)中，行車底盤的設(shè)計(jì)要考慮到機(jī)器的工作環(huán)境，確保機(jī)器可適應(yīng)各種惡劣的工作環(huán)境。撿拾機(jī)構(gòu)和輸送機(jī)構(gòu)要保證麻桿的有效撿拾和避免麻桿纏繞問(wèn)題，同時(shí)要使撿拾和輸送的麻桿相對(duì)整齊，為后續(xù)的麻桿打捆、運(yùn)輸及初加工奠定基礎(chǔ)。打結(jié)機(jī)構(gòu)選用禾桿打結(jié)技術(shù)成熟且市場(chǎng)應(yīng)用廣泛的D型打結(jié)器，送繩機(jī)構(gòu)應(yīng)保證捆繩的松緊張力，這樣可保證麻桿打結(jié)工作的順利進(jìn)行。打捆機(jī)的工作流程設(shè)計(jì)見圖2。

圖1 打捆機(jī)Fig.1 Balingmachine

圖2 工作流程圖Fig.2 Working flowchart

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 撿拾器的底盤設(shè)計(jì)

漢麻打捆機(jī)設(shè)計(jì)采用自行走式底盤設(shè)計(jì)，田間的工作環(huán)境惡劣，打捆機(jī)的設(shè)計(jì)為四驅(qū)行車系統(tǒng)，可有效保證在打捆時(shí)機(jī)器的行走能力，打捆機(jī)的輪胎采用八字形農(nóng)用車輪胎，提升抓地力，以適應(yīng)田間惡劣的作業(yè)環(huán)境。機(jī)器工作時(shí)需將割曬平鋪的漢麻桿撿拾并輸送到打捆平臺(tái)上，故底盤的設(shè)計(jì)不能過(guò)高，平臺(tái)高低應(yīng)在80～100 cm為佳，輪胎高度應(yīng)在65 cm左右，最小離地間隙應(yīng)大于20 cm，以此適應(yīng)田間各種工作狀況。機(jī)器底盤的設(shè)計(jì)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(jī)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(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)為液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，對(duì)比傳統(tǒng)的機(jī)械式轉(zhuǎn)向，使用戶操作更加省力與精準(zhǔn)。變速箱應(yīng)有前進(jìn)和后退檔位，并有快慢速變換來(lái)適應(yīng)不同地形條件的工作速度，與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速相匹配，工作速度設(shè)計(jì)為6～10 km／h。

漢麻打捆機(jī)的底盤框架長(zhǎng)寬設(shè)計(jì)為：300 cm×310 cm，框架使用5 cm×10 cm標(biāo)準(zhǔn)槽鋼進(jìn)行焊接，保證底盤框架的強(qiáng)度，框架設(shè)計(jì)可載重量為1.5 t?？蚣艿闹黧w劃分為兩個(gè)區(qū)域，即安裝操作區(qū)和打捆輸送區(qū)，將發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、液壓泵等部件放置在一側(cè)，放置安裝的位置占用平臺(tái)寬度100 cm，平臺(tái)的其余空間設(shè)計(jì)為麻桿的輸送平臺(tái)，來(lái)完成打結(jié)器等打捆部件的安裝及動(dòng)作。

圖3 底盤示意圖Fig.3 Chassis schemati

圖4 輸送平臺(tái)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(tái)

漢麻桿中含有大量纖維，且韌性較高，對(duì)于轉(zhuǎn)動(dòng)的部件機(jī)構(gòu)極容易造成纏繞，所以撿拾器的設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮到麻桿纏繞問(wèn)題。撿拾器是漢麻打捆機(jī)最為關(guān)鍵的部件之一，其撿拾性能直接影響打捆機(jī)的撿拾質(zhì)量，對(duì)打捆機(jī)的打捆性能也有較大影響。

目前市場(chǎng)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(cè)壁有間隙的存在，麻桿很容易進(jìn)入撿拾器內(nèi)部發(fā)生纏繞，不能順利的輸送到打結(jié)平臺(tái)上，并且纏繞的麻桿難以脫離出來(lái)，越積越多，最終造成撿拾器不能轉(zhuǎn)動(dòng)，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(zhǎng)短限制和底盤高度的影響，麻桿平鋪的厚度不一，打捆機(jī)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(tái)之間，會(huì)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(wèn)題，而且坡度可控，能將平鋪的麻桿較好地?fù)焓暗捷斔推脚_(tái)，且撿起的麻桿非常整齊，經(jīng)多次試驗(yàn)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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝維修成本低且簡(jiǎn)單方便等優(yōu)點(diǎn)［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(jī)的帶式撿拾器長(zhǎng)度為200 cm，安裝到100 cm高的平臺(tái)上，工作時(shí)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(shè)計(jì)為170 cm，來(lái)適應(yīng)較高的麻桿撿拾。

輸送平臺(tái)也采用履帶傳送方式，并在輸送平臺(tái)上方安裝了滾筒撥禾器，以輔助麻桿的輸送，可保證麻桿進(jìn)入平臺(tái)后依然整齊，為后續(xù)麻捆打結(jié)做準(zhǔn)備。輸送平臺(tái)采用兩段式，中間預(yù)留出打結(jié)器送繩大針擺動(dòng)的空間，從兩段履帶的中間穿過(guò)，將麻捆縮緊并進(jìn)行打結(jié)工作。

2.3 打捆機(jī)的打結(jié)器設(shè)計(jì)

近年來(lái)打結(jié)器在牧草、作物秸稈收獲方面得到廣泛應(yīng)用。打結(jié)器作為打捆機(jī)的核心部件，其空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜，關(guān)鍵零部件的制造難度大，致使目前國(guó)內(nèi)的打捆機(jī)上應(yīng)用的打結(jié)器普遍依賴進(jìn)口。雖然國(guó)內(nèi)很多廠家進(jìn)行了打結(jié)器的仿制，但因打結(jié)器制造精度、疲勞強(qiáng)度難以保證，致使打結(jié)器快速失效，達(dá)不到進(jìn)口打結(jié)器工作壽命要求?，F(xiàn)在國(guó)際上較為流行的打結(jié)器是由德國(guó)生產(chǎn)的D型打結(jié)器［7］，在歐美技術(shù)成熟，應(yīng)用普遍，效果良好。

打結(jié)器是漢麻打捆機(jī)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(jié)，D型打結(jié)器是一種結(jié)構(gòu)復(fù)雜、傳動(dòng)靈活、工作協(xié)調(diào)性好且完全依靠機(jī)械傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)其功能的機(jī)構(gòu)。結(jié)構(gòu)主要包括打結(jié)器架體、夾繩器、打結(jié)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(jié)的動(dòng)作，具有傳動(dòng)性好、工作靈活、協(xié)調(diào)性好等優(yōu)點(diǎn)［7］，適宜漢麻麻桿的打結(jié)。但在工作時(shí)，打結(jié)器的每個(gè)部件幾乎都要承受壓、剪、扭轉(zhuǎn)等較為復(fù)雜的作用力，加之露天工作，環(huán)境惡劣，致使打結(jié)器極易損壞。根據(jù)方草捆機(jī)作業(yè)統(tǒng)計(jì)，打結(jié)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(jié)器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.7 Structure composition of knotter

打結(jié)器的安裝方式是側(cè)壁安裝，懸空并平行于麻桿輸送平臺(tái)，與平臺(tái)距離大約在25～30 cm，距離打結(jié)器20 cm左右，這樣可保證捆好的麻捆直徑在30 cm左右。打結(jié)器后方安裝擋板，擋板與打結(jié)器設(shè)計(jì)為工位工作方式，擋板動(dòng)作與打結(jié)器大針動(dòng)作相匹配，擋板擋住足量的麻桿后，達(dá)到一定的壓力后觸動(dòng)開關(guān)，打結(jié)器結(jié)合工作，打捆大針向上擺動(dòng)，當(dāng)大針上升到打結(jié)器底板上方時(shí)，撥繩板將捆繩撥向鉗嘴表面，為打結(jié)做好準(zhǔn)備，當(dāng)大針上升到夾繩盤時(shí)，夾繩盤將捆繩夾住，當(dāng)大針上升到極限位置時(shí)，鉗嘴開始工作，將兩股捆繩進(jìn)行繞繩打結(jié)，鉗嘴工作完成，割繩刀片及撥繩板進(jìn)行割繩并將系好的繩結(jié)從鉗嘴上脫離開，同時(shí)擋板脫離，麻捆從平臺(tái)上輸送到后方并落地，所有打結(jié)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(jié)器安裝示意圖Fig.8 Knotter installation position

2.4 送繩機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

漢麻打捆機(jī)的繩箱設(shè)計(jì)在機(jī)器的尾部，應(yīng)盡量與送繩大針在同一垂面的位置，距離送繩大針不宜過(guò)遠(yuǎn)并且方便更換、加裝繩捆；捆繩經(jīng)過(guò)若干個(gè)導(dǎo)向環(huán)到送繩大針上，導(dǎo)向環(huán)不宜過(guò)多，表面要光滑，摩擦系數(shù)越小，對(duì)捆繩的松緊張力控制越容易。送繩機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)為彈片夾繩結(jié)構(gòu)，彈片的彈力可調(diào)并有鎖死結(jié)構(gòu)，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(jié)器的打捆成功率，捆繩過(guò)松會(huì)導(dǎo)致打好的繩結(jié)不能從鉗嘴上脫離下來(lái)；捆繩過(guò)緊會(huì)出現(xiàn)捆繩斷裂的情況。適宜的捆繩張力對(duì)打結(jié)器成結(jié)非常重要，在打結(jié)器應(yīng)用中不容忽視。

3 打捆機(jī)的動(dòng)力設(shè)計(jì)

整個(gè)打捆機(jī)的動(dòng)力來(lái)源是一臺(tái)30馬力的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，其功率是22 kW，發(fā)動(dòng)機(jī)為行車、撿拾、輸送、轉(zhuǎn)向、打結(jié)等提供動(dòng)力，發(fā)動(dòng)機(jī)皮帶帶動(dòng)液壓泵、發(fā)電機(jī)、轉(zhuǎn)向泵、變速箱及啟機(jī)電瓶充電機(jī)。撿拾器的傳動(dòng)方式為液壓馬達(dá)傳動(dòng)，液壓馬達(dá)傳動(dòng)可通過(guò)液壓流量閥門的控制，實(shí)時(shí)精準(zhǔn)的控制撿拾器的轉(zhuǎn)速。輸送平臺(tái)由于對(duì)動(dòng)力的需求較多，采用電機(jī)傳動(dòng)方式，電機(jī)為4 kW變頻電動(dòng)機(jī)，經(jīng)變頻器和減速機(jī)輸出適宜的轉(zhuǎn)速，充足的動(dòng)力能保證麻桿在平臺(tái)上不斷的縮緊，保證打結(jié)系統(tǒng)的有效打捆工作。打結(jié)器的動(dòng)力來(lái)源為發(fā)電機(jī)，由變頻器控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，變頻電機(jī)的功率為2.2 kW，系統(tǒng)設(shè)計(jì)安裝可編程控制器PLC，通過(guò)開關(guān)量信號(hào)來(lái)自動(dòng)控制打結(jié)器的動(dòng)作，可根據(jù)打捆機(jī)的工作速度，實(shí)時(shí)調(diào)整打結(jié)器工作頻率，電氣的引入及控制可使打結(jié)器工作狀態(tài)更加合理化，同時(shí)還可避免機(jī)械控制的結(jié)構(gòu)復(fù)雜問(wèn)題。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)功率分配表Tab.1 Engine power distribution kw

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

自走式漢麻打捆機(jī)樣機(jī)研究與試驗(yàn)經(jīng)過(guò)兩年時(shí)間完成，研制過(guò)程中先后對(duì)樣機(jī)的撿拾器與輸送平臺(tái)等部件進(jìn)行了多次改進(jìn)，并于2016年在齊齊哈爾克山縣進(jìn)行了樣機(jī)性能測(cè)試。機(jī)器撿拾機(jī)構(gòu)為彈出式撿拾器，在試驗(yàn)過(guò)程中，機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)數(shù)分鐘后，彈齒撿拾器內(nèi)部被麻桿纖維纏繞無(wú)法轉(zhuǎn)動(dòng)，并且樣機(jī)沒有主動(dòng)輸送平臺(tái)，麻桿很難被輸送到打結(jié)器下方進(jìn)行打結(jié)工作，導(dǎo)致試驗(yàn)無(wú)法進(jìn)行，不能達(dá)到設(shè)計(jì)的要求。2017年在樣機(jī)的撿拾、輸送等方面做了較大的改進(jìn)，使用帶式撿拾器，并加裝了帶式輸送平臺(tái)、滾筒撥禾器，試驗(yàn)仍然在克山縣進(jìn)行。結(jié)果表明，帶式撿拾器與輸送平臺(tái)可將麻桿較整齊地輸送到打結(jié)器下方，并進(jìn)行打結(jié)工作，試驗(yàn)有了較大的突破，基本實(shí)現(xiàn)打捆機(jī)的功能設(shè)計(jì)。

撿拾器的速度、輸送平臺(tái)的速度與打捆機(jī)的行車速度是樣機(jī)的主要參數(shù)，3者之間的匹配關(guān)系到麻桿能否整齊的進(jìn)入輸送平臺(tái)，關(guān)系到樣機(jī)能否正常作業(yè)。經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)與數(shù)據(jù)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(guān)系表Tab.2 Velocitymatching relation km／h

經(jīng)過(guò)兩年的研究改進(jìn)與試驗(yàn)，樣機(jī)可良好的完成撿拾、輸送、打捆及脫捆動(dòng)作，達(dá)到設(shè)計(jì)要求并可滿足生產(chǎn)需求。在作業(yè)試驗(yàn)中，雖然樣機(jī)的基本功能可良好實(shí)現(xiàn)，但仍然存在諸多問(wèn)題：

（1）盡管應(yīng)用了帶式撿拾器，但仍然會(huì)有麻桿纖維纏繞問(wèn)題出現(xiàn)。

（2）樣機(jī)各個(gè)零部件的安裝公差配合度不好，安裝會(huì)有過(guò)緊或過(guò)松現(xiàn)象，機(jī)器運(yùn)行的可靠性得不到保證。

（3）液壓閥門型號(hào)選擇有差異，不能精準(zhǔn)的控制液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速。

（4）單缸柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的噪音較大，作業(yè)人員在工作中會(huì)有不適的感覺。

（5）樣機(jī)的部件安裝及整體布局還需進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

5 展望

目前，麻類作物是黑龍江省的特色經(jīng)濟(jì)作物，黑龍江省漢麻纖維的產(chǎn)量和品質(zhì)居國(guó)內(nèi)領(lǐng)先地位［10］，漢麻種植面積逐年增加。在漢麻種植的主要生產(chǎn)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(yùn)到剝麻［10］，大部分環(huán)節(jié)還需人工作業(yè)，機(jī)械設(shè)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(chǎn)業(yè)的發(fā)展；漢麻收割期短，如延長(zhǎng)收割期將影響麻纖維質(zhì)量；由于沒有專用的漢麻打捆機(jī)，導(dǎo)致雇工量非常大，種植戶每年不得不支付高額的雇工費(fèi)用，大大增加了漢麻種植的成本。

就漢麻生產(chǎn)過(guò)程各個(gè)環(huán)節(jié)機(jī)械化水平而言，我國(guó)與國(guó)外存在著較大的差距，主要表現(xiàn)為種植與初加工機(jī)械設(shè)備比較落后，沒有專用的配套設(shè)備。在漢麻漚麻與打捆裝卸方面，目前國(guó)內(nèi)均采用人工打捆，沒有配套的機(jī)器設(shè)備，人工打捆、撿捆、裝運(yùn)，成本高且效率低，專用漢麻機(jī)械化水平較低，制約著漢麻產(chǎn)業(yè)發(fā)展的步伐。

依據(jù)目前我國(guó)大麻產(chǎn)業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)，漢麻種植與初級(jí)工機(jī)械設(shè)備的市場(chǎng)需求非常迫切。種植600 hm2漢麻最低需要配備2套打捆機(jī)械。黑龍江省發(fā)展種植面積6萬(wàn)公頃，配備200套，全國(guó)將有上千臺(tái)需求。故專用漢麻機(jī)械設(shè)備經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益分析可觀，產(chǎn)業(yè)前景非常廣闊。

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