李叶龙，王德福，王 沫，李东红，张全超，雷军乐



稻秆圆捆机辊盘式卷捆机构的设计及参数优化

李叶龙1,2，王德福1※，王 沫1，李东红1，张全超1，雷军乐1

（1. 东北农业大学工程学院，哈尔滨 150030； 2. 罗定职业技术学院机电工程系，罗定 527200）

为消除中小型钢辊式圆捆机收获完整稻秆时出现的堵塞现象及降低其卷捆功耗，设计了一种钢辊与侧圆盘组合式卷捆机构（简称辊盘式卷捆机构），并以此为基础自制了辊盘式卷捆机构试验装置且进行试验。选择影响辊盘式卷捆机构卷捆性能的主要因素：圆盘直径、钢辊转速、喂入量、长宽比（稻秆长度与卷捆室宽度的比值）为试验因素，以草捆形成率（草捆顺利形成次数与总试验次数的比值）和卷捆功耗为评价指标进行四因素五水平正交旋转组合试验。试验表明各因素影响草捆形成率的主次顺序为圆盘直径>喂入量>钢辊转速>长宽比；影响卷捆功耗的主次顺序为喂入量>钢辊转速>长宽比>圆盘直径；在试验范围内最优参数组合为圆盘直径380 mm、钢辊转速247 r/min、喂入量1.7 kg/s、长宽比0.75，此时草捆形成率为100%，卷捆功耗为62.7 kJ/捆，相比钢辊式圆捆机无堵塞现象发生，卷捆功耗降低。研究结果可为辊盘式圆捆机的结构及作业参数优化提供参考依据。

参数；优化；试验；圆捆机；卷捆机构；钢辊；侧圆盘；功耗

0 引 言

随着中国社会经济的发展，各行业对能源的需求不断增大，促进了生物质资源的开发利用[1-6]。由于稻秆疏松的结构特点导致在收贮运过程中成本较高，为此对稻秆进行打捆收获是降低其利用成本的重要手段[7-9]。

近年来随着农业机械化的快速发展，半喂入式水稻收获机被广泛应用，由其获得的完整稻秆资源越来越丰富[10-12]，而现有国产中小型钢辊式圆捆机的研发主要是以牧草为打捆对象[13-20]，在利用其收获完整稻秆时易于出现堵塞现象，雷军乐等[21]研究表明，钢辊式圆捆机收获完整稻秆时无法及时形成旋转草芯是造成其出现堵塞现象的主要原因。同时，国内外关于稻秆收获圆捆机卷捆功耗方面的研究报道[22-29]很少。

为此，本研究为促进钢辊式圆捆机收获秸秆时及时形成旋转草芯，针对其卷捆核心机构——卷捆机构，设计了一种钢辊与侧圆盘组合式卷捆机构（简称辊盘式卷捆机构），并利用自制辊盘式卷捆机构试验装置对其结构及运动参数进行优化。

1 辊盘式卷捆机构的设计

1.1 总体结构及工作原理

辊盘式卷捆机构由钢辊和圆盘组成，如图1所示，其中10根钢辊沿圆周方向布置，并与两侧壁形成圆柱形卷捆室，卷捆室450 mm，卷捆室宽度720 mm，卷捆室分前室与后室，后室包括3～7号钢辊，前室包括1、2、8～10号钢辊及卷捆室入口，前室与后室通过8号钢辊端轴铰接，卷捆室中心位于卷捆室前室，圆盘安装在卷捆室单侧侧壁中心处，取代原卷捆室侧壁。

工作时钢辊和圆盘以一定转速比相向转动，稻秆自喂入口进入卷捆室后，在钢辊对稻秆输送力及圆盘对稻秆导引力的组合作用下产生环绕卷捆室中心的旋转运动，并与后续喂入稻秆形成旋转草芯，进而完成卷捆过程，而后通过后室绕8号钢辊向后旋转而放出草捆。

1.2 草芯累积过程力学分析

试验表明，稻秆进入钢辊式圆捆机卷捆室后需要一个累积过程才可形成旋转草芯。而稻秆在卷捆室内累积时间过长是造成其出现堵塞现象的主要原因[21]，为此对卷捆室内处于累积状态的草芯进行力学分析（见图2a﹑2b）。以圆柱形草芯为研究对象，将钢辊对草芯作用力、草芯重力在速度方向的分力及后续稻秆推力投影到草芯端，因草芯刚刚形成较为松散，故假定草芯对卷捆室侧壁压力沿径向恒定，由图2a﹑2b可见，草芯在累积过程中受到钢辊对其作用力、后续稻秆推力、自身重力及卷捆室两侧壁对其摩擦阻力的作用，旋转草芯形成的动力为钢辊对草芯作用力及后续稻秆推力，阻力为草芯重力在速度方向上的分力及卷捆室两侧壁对其摩擦阻力，因卷捆之初卷捆室内稻秆量较少，无法对钢辊产生足够张力，导致钢辊对草芯作用力不足以克服阻力，故卷捆室内草芯需要累积一段时间（草芯对钢辊产生足够张力）才可形成旋转草芯，将图中钢辊对草芯作用力1的作用效果等效为力矩1(N·m)；后续稻秆对草芯推力2的作用效果等效为力矩2(N·m)；草芯重力在速度方向上的分力的作用效果等效为力矩3(N·m)；单侧卷捆室侧壁对草芯摩擦阻力的作用效果等效为力矩4(N·m)，故其形成旋转草芯的临界方程如式（1）－（6）所示。

（2）

（3）

（5）

1+2≥3+24（6）

式中Δ为任意小角度，(°)；Δα为Δ角内钢辊对草芯作用力，N；Δα为角内草芯对钢辊的张力，N；cosΔα为草芯重力在Δ角内沿径向分力，N；为钢辊与稻秆间的摩擦因数；sinΔα为草芯重力在Δ角内沿速度方向（切向）分力，N；为卷捆室半径，m；为草芯对卷捆室侧壁压力，N；1为草芯与卷捆室侧壁间摩擦因数。

1.带式输送机 2.输送电机 3.弹齿捡拾器 4.卷捆室入口 5.导入辊 6.两室贴合处 7.钢辊 8.圆盘电机 9.后室 10.圆盘 11.液压缸 12.捆绳装置 13.前室 14.扭矩传感器 15.圆捆机电机

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：图1中钢辊编号为①～⑩。

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

图1 稻秆圆捆机辊盘式卷捆机构试验装置示意图

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

由式（6）可见，可通过增加旋转草芯形成动力及降低卷捆室侧壁对草芯摩擦阻力来缩短稻秆在卷捆室内的累积时间。为此，本研究拟采用旋转圆盘代替单侧卷捆室侧壁，由钢辊和旋转圆盘（简称辊盘式卷捆机构）组合作用实现卷捆过程，其草芯累积过程受力情况如图2c、2d所示，圆盘表面对草芯摩擦带动力1的作用效果等效为力矩5(N·m)，圆盘侧卷捆室侧壁对草芯摩擦阻力2的作用效果等效为力矩6(N·m)，故其形成旋转草芯的临界方程如式（7）－式（14）所示。

（8）

（9）

（11）

（12）

1+2+5≥3+4+6（14）

式中3为圆盘半径，m。

为便于分析，文中分析仍采用“力”的表述方式，对比式（6）及式（14）可见，用旋转圆盘取代单侧卷捆室侧壁后，旋转圆盘将原一侧卷捆室侧壁对草芯的摩擦阻力中1部分转变为促进旋转草芯形成的动力，并且圆盘直径越大1越大，故从理论上可推断出利用旋转圆盘代替单侧卷捆室侧壁可缩短稻秆在卷捆室内的累积过程，缩短旋转草芯的形成时间，从而消除卷捆过程中的缠辊现象。

1.3 圆盘设计

圆盘安装在卷捆室单侧侧壁中心处，取代原卷捆室侧壁，工作时绕其中心旋转，如图1所示，根据预试验及辊盘式的结构特点，圆盘最大直径宜在卷捆室直径的85%～90%范围内选取（保证钢辊与圆盘不干涉），最小值宜在卷捆室直径的40%～50%范围内选取（保证圆盘的有效性），为此，本研究圆盘直径设计范围为220～380 mm，圆盘采用7 mm钢板制成，传动轴一端通过轴承座固定在卷捆室侧壁中心处，圆盘通过传动轴安装在卷捆室侧壁内侧，由圆盘电机进行驱动。

为消除圆盘与转动草捆间的摩擦阻力，圆盘需与草捆保持同步转动，草捆形成后其边缘线速度与钢辊边缘线速度相近（按相等进行计算），故一旦钢辊转速确定，圆盘转速亦确定，为此圆盘转速需按式（15）～式（19）进行计算。

（16）

（17）

（19）

式中1为钢辊边缘线速度，m/s；2为草捆边缘线速度，m/s；2为钢辊转速，r/min；1为钢辊半径，m；2为草捆半径，m；3为草捆转速，r/min；4为圆盘转速，r/min。

1.4 钢辊设计

钢辊采用冷轧普通碳素钢板材料制成，为增大钢辊对稻秆的作用力，其表面采用凸棱形结构设计，工作时各钢辊同步转动，钢辊之间需保持合理间隙，同时棱形凸起部分不能互相干扰，为此钢辊间棱形凸起相互错开布置，钢辊直径150 mm，由3 mm厚钢板围成，凸棱高度6 mm，沿钢辊周向均布6条，钢辊间配合间隙11 mm。

2 卷捆过程功耗分析

辊盘式圆捆机卷捆过程中所需功耗主要由圆捆机空转功耗﹑草捆克服卷捆室侧壁摩擦阻力而损失的功耗及草捆本身动能构成，草捆与卷捆室侧壁间摩擦阻力与草捆对卷捆室侧壁压力成正比，卷捆功耗方程如式（20）～式（25）所示。

（21）

（22）

（24）

（25）

式中1为非圆盘侧草捆克服卷捆室侧壁摩擦阻力而损失的功耗，kJ/捆；2为圆盘侧草捆克服卷捆室侧壁摩擦阻力而损失的功耗，kJ/捆；为某一半径，m；t为某一时刻卷捆室内稻秆质量，kg；1为稻秆与卷捆室侧壁间的摩擦系数；(mr)为某一时刻某一半径处稻秆对卷捆室侧壁压力，N；为喂入量，kg/s；1为单捆卷捆过程所需时间，s；为草捆动能，kJ/捆；W为圆捆机空转功耗，kJ/捆；为圆捆机空转功率，kW；W为草捆克服卷捆室侧壁摩擦阻力而损失的总功耗，kJ/捆；为卷捆功耗，kJ/捆。

由式（20）～式（25）可见，辊盘式圆捆机的卷捆功耗主要受圆盘半径、草捆转速、圆捆机空转功率、稻秆对卷捆室侧壁压力、卷捆时间5个因素的影响，其中草捆转速、圆捆机空转功率取决于钢辊转速，卷捆时间取决于喂入量，稻秆对卷捆室侧壁压力取决于长宽比（稻秆长度与卷捆室长度的比值）和钢辊对草捆的压力，故可得出对卷捆功耗有影响的因素为圆盘直径、钢辊转速、喂入量、长宽比。

3 试验研究

3.1 试验装置与仪器设备

为对辊盘式卷捆机构进行试验研究，制作了辊盘式卷捆机构试验装置，如图1所示，主要由辊盘式圆捆机（卷捆室450 mm，卷捆室宽度720 mm）和带式输送机组成。用 3台电机（型号为Y132M2-6﹑Y112M-6﹑XWD2-11-0.75）分别驱动圆捆机﹑输送机﹑圆盘，另配2台FR-F740- 45K-CHT1型变频器和1台MICROMASTER440型变频器分别控制钢辊转速﹑稻秆喂入速度﹑圆盘转速。

其他仪器主要有2台扭矩传感器（型号为AKC-215、量程800 N·m，中国航天空气动力技术研究院生产），2台TS-5F智能测试仪，2台PC机，用来测定和记录卷捆过程中圆捆机及圆盘功耗。

3.2 数据采集及处理

本研究中功耗值通过采集扭矩间接获得，试验中利用东北农业大学自行开发的FTNS-2014数据采集软件实时记录卷捆过程中圆捆机电机及圆盘电机扭矩，因采集到的数据为离散数据，故卷捆功耗通过式（26）﹑式（27）计算获得。

（27）

式中为第次采集到的瞬时扭矩，N·m；为电机转速，r/min；为第次采集到的瞬时功率，kW；为某一过程功耗，kJ；为某一过程扭矩采集次数；Δ为扭矩采集间隔时间，Δ=0.06 s。

3.3 试验材料及方法

采用半喂入式水稻收获机获得的完整稻秆，平均长度950 mm，含水率12%。

将称量好的稻秆均匀铺放在带式输送机上并以一定喂入量送入圆捆机，草捆质量16 kg[30]，草捆形成率每组试验重复10次，记录草捆顺利形成次数，扭矩传感器对单次卷捆过程进行数据采集，利用式（26）﹑式（27）计算出卷捆功耗，卷捆功耗每组试验重复5次，试验结果取其平均值。

3.4 试验因素与评价指标

3.4.1 试验因素与水平

由上述卷捆过程中的力学及功耗分析可知，圆盘直径﹑钢辊转速﹑喂入量及长宽比对旋转草芯的快速形成及卷捆功耗都有较大影响，故选取此4因素进行研究。

本试验采用四因素五水平正交旋转组合试验方法，各因素水平如表1所示，试验方案设计及结果分析应用Design-Expert软件完成。

表1 试验因素编码表

注：长宽比为稻秆长度与卷捆室宽度的比值。

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

3.4.2 评价指标

辊盘式卷捆机构中圆盘具有促进旋转草芯快速形成和降低侧摩擦阻力的作用，为此，采用草捆形成率和卷捆功耗作为评价指标。

1）草捆形成率

卷捆过程中无堵塞现象发生视为草捆顺利形成，将草捆顺利形成次数与总试验次数的比值定义为草捆形成率，并以此为评价指标。

式中为草捆形成率，%；1为草捆顺利形成次数；2为总试验次数，2=10。

2）卷捆功耗

由上述卷捆过程功耗分析可知，圆捆机卷捆过程中所耗功耗由圆捆机空转功耗﹑草捆克服卷捆室侧壁摩擦阻力而损失的功耗及草捆本身动能构成，为此将辊盘式圆捆机从单捆卷捆开始到单捆卷捆结束过程中所消耗的总功耗定义为卷捆功耗，并以此为评价指标。

式中为卷捆功耗，kJ/捆；1圆盘所耗功耗，kJ/捆；2为圆捆机所耗功耗，kJ/捆。

因圆盘直径较小时会出现堵塞现象，堵塞严重时无法完成卷捆过程，轻微堵塞会延长卷捆时间，导致卷捆过程功耗异常，故试验中发生以上2种现象时的卷捆功耗不作为试验数据（剔除），卷捆功耗值取顺利卷捆5次的平均值。

4 结果与分析

4.1 试验结果

试验结果如表2所示。

表2 试验方案及结果

4.2 回归模型与方差分

根据表2的试验结果，利用Design Expert软件分别对草捆形成率、卷捆功耗回归模型进行方差分析，结果如式（30）﹑式（31）及表3所示。

表3 评价指标回归模型方差分析

注：*(<0.05) 为显著，**(<0.01) 为极显著；模型1为草捆形成率回归模型方差分析，模型2为卷捆功耗回归模型方差分析。

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）

式中分别为圆盘直径、钢辊转速、喂入量、长宽比编码值；为草捆形成率，%；为卷捆功耗，kJ/捆。

由表3两评价指标的方差分析可知，2个模型的值均极显著、失拟项均不显著，说明各因素对各试验指标的影响极显著且模型是合适的。由Design Expert软件还可获得模型决定系数分别为12=0.94，22=0.96，说明回归模型与试验结果拟合程度较好，可分别用于预测完整稻秆卷捆过程草捆形成率、卷捆功耗的变化情况。

4.3 各因素对评价指标的贡献率

由表3的一次项值可判断各因素对各评价指标的贡献率，从中可见，各因素影响草捆形成率的主次顺序为圆盘直径>喂入量>钢辊转速>长宽比；影响卷捆功耗的主次顺序为喂入量>钢辊转速>长宽比>圆盘直径。

4.4 各因素对草捆形成率的影响

将钢辊转速及长宽比固定在0水平上，得到喂入量和圆盘直径对草捆形成率的影响规律，如图3a所示，草捆形成率随圆盘直径的增大而增加，且效果明显，说明圆盘直径越大侧摩擦阻力越小，促进旋转草芯快速形成的1越大越易形成旋转草芯，与由式（7）～（14）所推断结论相符；当圆盘直径小于300 mm时，草捆形成率随喂入量的增大有明显增加趋势，当圆盘直径大于300 mm时，草捆形成率随喂入量增大而增加的趋势变缓或无变化，其原因是当圆盘直径较小时，1相对较小而2相对较大，其促进旋转草芯形成的效果不明显，故草捆形成率较低，而喂入量的增大致使后续稻秆对卷捆室内累积稻秆的作用加强，故导致草捆形成率随喂入量的增大有明显增加趋势，从而证实后续稻秆作用力t对促进旋转草心的形成有一定效果，并且在机器喂入能力范围内喂入量越大效果越明显，而当圆盘直径较大时，1相对较大而2相对较小，其促进旋转草芯形成效果明显，导致草捆形成率已经较高，故随喂入量的增大草捆形成率增加趋势变缓。

将圆盘直径和钢辊转速固定在0水平，得到长宽比和喂入量对草捆形成率的影响规律，如图3b所示，长宽比小于1时，草捆形成率随喂入量的增大变化并不明显，其原因主要是长宽比小于1时卷捆室侧壁对稻秆摩擦阻力相对较小，300 mm圆盘对旋转草芯的形成已经具有明显促进作用，在喂入量较低时已经具备较高的草捆形成率，故随喂入量的增大草捆形成率并无明显变化；在长宽比大于1时，草捆形成率随喂入量的增大有一定增加趋势，其原因是长宽比大于1时，卷捆室侧壁对稻秆摩擦阻力相对较大， 300 mm圆盘促进旋转草芯形成的效果有所下降，导致草捆形成率变低，故如前所述，草捆形成率随喂入量的增大而增加。

在喂入量较低情况下，草捆形成率随长宽比的增大而降低，反映出长宽比的增大导致稻秆受卷捆室侧壁的摩擦阻力增加，从而加大了草芯旋转的阻力；而在喂入量较大时，随长宽比的增加草捆形成率并无明显变化，其原因主要是由长宽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续稻秆作用力抵消一部分，加之300 mm圆盘的作用使草捆形成率始终维持在较高水平上。

由上述分析可见，试验结果验证了文中草芯累积过程中的力学模型的合理性，该模型能够表达旋转草芯形成的临界条件。

4.5 各因素对卷捆功耗的影响

将圆盘直径及长宽比固定在0水平上，得到喂入量和钢辊转速对卷捆功耗的影响规律，如图3c所示，卷捆功耗随钢辊转速的增大而增加，随喂入量的增大而减少，原因主要是钢辊转速的增大导致圆捆机空转功耗和草捆动能增大，故卷捆功耗随钢辊转速的增大而增加；而喂入量的增大致使卷捆时间1变短，由式（20）～（25）可知，圆捆机空转功耗﹑草捆克服卷捆室侧壁摩擦阻力而损失的功耗及草捆本身动能都是卷捆时间1的增函数，故卷捆功耗随喂入量的增大而减少。

将圆盘直径及钢辊转速固定在0水平上，得到喂入量和长宽比对卷捆功耗的影响规律，如图3d所示，卷捆功耗随喂入量增大而降低，其原因如前所述；卷捆功耗随长宽比的增大而增加，原因是长宽比越大稻秆对卷捆室侧壁的压力越大，导致其侧摩擦功耗W越大，故卷捆功耗呈现随长宽比的增大而增加的趋势。

由上述分析可见，试验结果中卷捆功耗的变化规律符合文中所构建的卷捆功耗模型的函数特点，故该模型可以用来分析圆捆机卷捆功耗。

5 试验参数优化及验证

综合上述分析可知，辊盘式卷捆机构中圆盘对消除堵塞现象、降低卷捆功耗有明显效果。在圆盘直径220～380 mm、钢辊转速180～356 r/min、喂入量0.5～2.5 kg/s、长宽比0.6～1.4试验因素范围内，利用Design-expert软件将草捆形成率目标函数设为最大值、卷捆功耗目标函数设为最小值，寻找同时接近以上2个目标函数条件下的最优参数组合，并结合机器实际作业条件，最终确定本文的最优结果如下：圆盘直径380 mm，钢辊转速247 r/min、喂入量1.7 kg/s、长宽比0.75。为进一步验证优化结果的可靠性，本文在上述最优试验因素组合下进行了验证试验，并与钢辊式卷捆机构（试验表明钢辊式圆捆机在钢辊转速247 r/min、长宽比0.75条件下打捆完整稻杆时，其喂入能力小于1.5 kg/s，喂入量过高会发生严重堵塞无法完成卷捆过程）进行对比。

考虑到田间稻秆铺放具有一定的杂乱性及不均匀性，在验证试验中模拟上述特点进行稻秆铺放，因稻秆采用非均匀铺放方式，故喂入量通过带式输送机上每米平均稻秆量进行计算，2组试验各重复10次，功耗数据取草捆顺利形成时各组功耗的平均值，同时记录草捆顺利形成次数。试验结果：钢辊式卷捆机构（长宽比0.75，钢辊转247 r/min，喂入量1.5 kg/s），草捆形成率为60%，卷捆功耗为76.1 kJ/捆；辊盘式卷捆机构（长宽比0.75，钢辊转247 r/min，喂入量1.7 kg/s），草捆形成率为100%，卷捆功耗为62.7 kJ/捆。

验证效果相比表2中14号试验结果，卷捆功耗略有提高，原因是14号试验中稻秆是均匀铺放，而实际作业过程中稻秆铺放具有一定的杂乱性及不均匀性，故在选取最优参数时，对喂入量进行适当调节，取喂入量为1.7 kg/s，钢辊转速也略有提高，最终导致卷捆功耗略有增加。

由验证试验结果可见，辊盘式卷捆机构相比钢辊式卷捆机构，卷捆过程中无堵塞现象发生，喂入能力得到显著提升，卷捆功耗明显降低，说明优化结果具有较高的可信度，且本研究模型是可靠的。

6 结 论

1）通过对钢辊式圆捆机收获完整稻秆时稻秆累积过程中草芯受力情况分析，推导出旋转草芯形成的临界方程，通过对临界方程的分析，得出利用旋转圆盘代替单侧卷捆室侧壁，可增加旋转草芯形成动力并降低卷捆室侧壁摩擦阻力，进而促进旋转草芯及时形成以避免堵塞现象发生。为此，设计了一种辊盘式卷捆机构。试验表明，该卷捆机构可提高喂入能力（钢辊式卷捆机构喂入能力小于1.5 kg/s，而辊盘式卷捆机构可提升至1.7 kg/s）并降低草捆与卷捆室侧壁间摩擦阻力，从而降低卷捆功耗和提高卷捆效率。

2）对辊盘式圆捆机卷捆过程中所耗功耗的构成进行了理论分析，推导出影响辊盘式圆捆机卷捆功耗的主要因素为圆盘直径、钢辊（圆盘）转速、稻秆喂入量及长宽比。试验表明，在本试验范围内试验因素对草捆形成率影响主次顺序为圆盘直径>喂入量>钢辊转速>长宽比；对卷捆功耗影响主次顺序为喂入量>钢辊转速>长宽比>圆盘直径；最优参数组合为圆盘直径380 mm、钢辊转速247 r/min、喂入量1.7 kg/s、长宽比0.75，此时草捆形成率100%，卷捆功耗为62.7 kJ/捆，相比钢辊式圆捆机无堵塞现象发生，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

国家自然科学基金资助项目（51405076）；高等学校博士学科点专项科研基金资助项目（20124105110004）；黑龙江科技攻关项目（GC13B604）

李叶龙，博士生，讲师，主要从事畜牧机械研究。哈尔滨 东北农业大学工程学院，150030。Email：335906710@163.com

王德福，教授，博士生导师，主要从事畜牧机械方面的教学和研究工作。哈尔滨，东北农业大学工程学院，150030。Email：dfwang640203@sohu.com