王冬冬，朱德文，谢 虎，赵维松，韩柏和，曹 杰

(1.安徽农业大学 工学院，合肥 230036； 2.农业部南京农业机械化研究所，南京 210014)

0 引言

我国秸秆资源特点为量大、种类多，其中玉米、水稻和小麦秸秆约占农作物秸秆总量的 90%。据调查统计，2010年全国秸秆理论资源量为8.4亿t，可收集资源量约为7亿t。随着农村城镇化推进、农村人口不断减少及劳动力成本提高等，秸秆呈现出区域性、季节性、结构性过剩，前几年每年都有近2亿t秸秆被焚烧、丢弃，对环境、财产与人身安全已构成巨大的风险[1-6]。秸秆作为一种散抛型、低容重的资源，具有分散、季节性、能量密度低及储运不方便等特点，严重地制约了其大规模应用。利用打捆机对秸秆打捆收集，可以提高秸秆收集的效率，真正把秸秆变为可利用资源。有些畜牧业发达的国家，作物秸秆青贮的转化率已达到90%，而秸秆打捆机扮演了主要的角色，发挥了重要的作用。

本文针对目前玉米秸秆打捆收集效率低的问题，在玉米穗茎兼收与秸秆打捆一体机的基础上，对联合打捆机进行分析研究。该打捆机为机械式固定喂入方捆打捆机，与联合收割机同步使用，采用固定连接方式，不设秸秆捡拾机构，打捆机的进料口与联合收割机的秸秆抛送口对接。其中，柱塞驱动机构为重要部件之一，其工作可靠性关系到整机运行的安全及打捆作业效果能否满足技术要求，需对打捆机柱塞驱动机构进行结构设计与参数优化。该机边收割边打捆，收割完成的同时，秸秆打捆工作随之结束，避免二次下地，节省人力、物力、财力，可为用户提供方便合理的秸秆处理方案，解决秸秆焚烧的社会难题。

1 打捆装置整体结构及工作原理

1.1 打捆机整体结构

方捆秸秆打捆机整体结构主要由进料口、出料口、秸秆喂入滚筒、箱体、压缩柱塞、柱塞驱动机构、打结器、穿绳机构、成型捆长度控制机构和密度控制机构等部分组成，如图1所示。

1.密度控制机构 2.长度控制机构 3.打结器 4. 秸秆喂入滚筒 5.进料口 6.减速器 7.柱塞驱动机构 8.压缩活塞 9.穿绳机构 10.出料口 图1 打捆机整体结构图Fig.1 The overall structure diagram of baling machine

1.2 工作原理

工作时，破碎后的玉米秸秆经风机抛送至打捆机进料口，由秸秆喂入滚筒将其拨入压缩室，发动机动力经减速器传递到柱塞驱动机构(见图2)；曲柄连接驱动连杆推动压缩活塞进行往复运动，当压缩活塞推动草捆达到设定长度时，穿绳机构向上运动，配合打结器对草捆打结，完成一次打捆作业。

1.压缩活塞 2.驱动连杆 3.驱动曲柄圆盘 图2 柱塞驱动机构结构示意图Fig.2 Plunger drive mechanism structure diagram

压缩室采用活塞推进，压缩比小，效率高。打结器是打捆机的核心部件，其可靠性决定了打捆机的经济效益；打结器为德国进口，采用耐磨铸铁件，加工成本低、质量轻，可有效增加打结器的耐用性。秸秆喂入装置是打捆机的一个重要组成部分，由于配套打捆机没有捡拾机构，秸秆的喂入仅依靠联合收割机上风机的力量是远远不够的；设置秸秆喂入滚筒避免了大量秸秆在打捆机入料口处堆积及堵塞，保证活塞的正常往复运动。打捆机与联合收割机联合使用，秸秆打捆机的动力由联合收割机发动机提供，在发动机动力输出端加装动力传动带轮，通过带传动，将发动机输出动力传送至打捆机的减速机。这样的安装连接和动力配备方式能够使配套后的整机结构紧凑，并降低打捆机的制造成本。

2 结构参数计算

2.1 柱塞驱动机构结构尺寸计算

考虑到结构布置紧凑有利于提高机构工作可靠性，选择对心式曲柄连杆机构作为打捆机柱塞驱动机构[7]，柱塞驱动机构结构尺寸图如图3所示。

图3 柱塞驱动机构结构尺寸图Fig.3 Motion analysis of Plunger drive mechanism

任意时刻滑块运行距离S为

S=R(1-cosα)-L(1-cosβ)=

R[(1-cosα)+λ(1-cos2α)]/4

(1)

其中，R为曲柄长度；L为连杆长度；λ=R/L。

已知活塞行程S=600～720mm、偏心距e=0，计算并设定了适于方捆打捆机的压缩活塞结构参数，曲柄长R=300～360mm，连杆长L=720～780mm。

在上述范围内分别取3组结构尺寸数据，如表1所示，进行有限元仿真分析，如表1所示。

表1柱塞驱动机构尺寸参数Table 1 Dimension parameters of plunger drive mechanism

2.2 柱塞驱动机构受力分析

对柱塞驱动机构做受力分析，在任一时刻滑块、压杆受力情况如图4所示。

图4 柱塞驱动机构受力分析图Fig.4 Stress analysis of plunger drive mechanism

对滑块做力平衡分析：σ1=σ/cosβ；曲柄处转矩M=σ1·l。

其中，力臂l=Rsin(α+β)，所以得

M=σ·Rsin(α+β)/cosβ

(2)

其中，σ为打捆工作压力，σ1为连杆压力。

由式(2)可得：当α+β=90°曲柄处转矩达到最大，MMAX=281.08kN·m。

曲柄转速ω=90r/min，打捆机所需功率为P=35kW,功率与转矩、转速之间的关系为

P=Mω/9550

(3)

由式(3)可得极限转矩Mm

Mm=3713.9kN·m≫MMAX

由相关文献[8]和[9]可知：打捆机柱塞驱动机构的功能性要求压缩机构能够提供足够的压缩力，使打捆产品达到所需的密度。根据活塞比压与物料容积密度的关系，打捆工作压力一般为0.5MPa以下，见图4中所示σ为0.5MPa，该打捆机草捆截面大小为300mm×450mm,在设计中近似转换为曲柄连杆需要对压缩活塞水平方向提供最大推力不小于780kN。经上文计算可知：在正常范围以内，可正常工作，此时压缩产品的最终密度理论上能够达到160～200kg/m3。

3 有限元仿真分析

ANSYS作为世界上应用最为广泛的有限元分析软件之一，可与各种CAD软件共享数据并利用，实现有限元协同仿真，使工作效率得到提升。ANSYS Workbench不仅具有传统分析软件的各个模块和功能，还将各个分析模块融合在一起，为综合应用各种CAD和CAE软件提供了一个仿真平台[10]。

3.1 仿真分析前处理

在SolidWorks中打捆机柱塞驱动机构进行三维实体建模，将建好的实体模型导入ANSYS Workbench中进行分析求解。

柱塞驱动机构属于三维实体结构，所以，在ANSYS前处理器PREP7中，单元类型选择为Solid92单元，此单元由10个点定义，每个节点有3个自由度：即节点x、y和z方向位移。同时，单元有可塑性、蠕动、膨胀、应力强化、大变形和大应变的能力[11]。

由于柱塞驱动机构的材料是刚性材料，属于各向同性的线弹性材料，查阅机械设计手册得到，驱动连杆选用钢管Q235A。钢管外径48mm，壁厚8mm，抗拉强度σb≥375MPa。在材料属性定义中定义材料的弹性模量EX=2.1e11，泊松比PRXY=0.3。同时，定义柱塞驱动机构材料密度DENS=7 800。

网格数量的多少将影响计算结果的精度和计算规模的大小。本文采用全局网格控制，网格尺寸控制在10mm，采用自由网格划分的形式。网格划分后的柱塞驱动机构几何模型如图5所示，22 957个节点数，8 678个单元体。

图5 驱动连杆网格划分图Fig.5 Mesh automatic generation of driven connecting rod

3.2 加载求解

柱塞驱动连杆曲柄端和曲柄相连，在工作过程中只存在相对转动，假定在整个压缩过程中，不会发生任何方向的位置移动，在ANSYS中限制此端全约束，约束限制与实际工况条件相符合。

打捆机在工作过程中驱动连杆受到曲柄与已压缩成型的草物料的相互压力，驱动连杆压力分布情况：打捆机对松散秸秆进行挤压，要排出其中的空气，使之产生变形。在这个过程中，随着草片逐渐压缩，驱动连杆曲柄端至柱塞端沿压缩方向正压力也越来越大，最终呈梯度的变化趋势，且当连杆压缩至水平位置时压力达到最大值；压缩过程中，连杆柱塞端转矩在曲柄运行至上方与连杆成90°时达到最大值。

考虑到结构设计的安全系数，对实际测得的数据进行适当的放大处理，设定柱塞端内壁均布荷载为0.5MPa,转矩为281.08kN·m,将所得的数据施加到有限元模型上进行求解[12]。

3.3 查看求解结果

在求解完成后的驱动连杆几何模型中，可以查看变形后的几何形状图、位移等值线图、等效应力等值线图及等效应变等值线图[13-15]。

有限元求解后3组不同长度驱动连杆节点总位移变化的等值线图如图6所示。图6(a)、(b)、(c)中驱动连杆长度分别为720、750、 780mm。从图6中可以看出:在实际打捆工作过程中，驱动连杆节点总位移变化最大处发生在驱动连杆柱塞端固定支撑部位的正上方附近，并且图6(c)中连杆长度最大，其位移变化最大值也最大，图6(a)、(b)中连杆位移变化最大值有所减小。驱动连杆柱塞端与驱动连杆连接处并不是处于对称中心，上下端相当于力臂不等的杠杆，由于受到不均匀的载荷作用，在柱塞端远离驱动连杆的区域附近位移变化比较大，而驱动连杆曲柄端在工作过程中此处有固定支撑，不会发生大的位移变化。此种现象和打捆机工作过程中驱动连杆变形情况相符。

(a)

(b)

(c) 图6 不同长度驱动连杆节点总位移变化的等值线图Fig.6 Contour diagram of total deformation of driving connecting rod of

different lengths

从图6中还可以看出：驱动连杆节点位移的变化沿着压缩方向逐渐增大。在压缩过程中，压缩活塞受到已压缩成型的秸秆正压力与压缩室各侧壁摩擦力所造成的阻力作用，驱动连杆推动活塞向前运动需要克服上述所需作用力，此过程中秸秆向压缩活塞的作用力逐渐增大而导致驱动连杆节点位移逐渐增大。当压缩活塞作用力大于等于已成型的草物料与各侧壁的摩擦阻力作用时，压缩成型后的草物料才表现为沿压缩方向推移。

有限元求解后不同长度驱动连杆节点等效应力等值线图如图7所示。从图7中可以看出：驱动连杆与柱塞端相连接处受力较大，且图7(c)中等效应力最大值也最大，但图7(a)、(b)、(c)三者之间差别较小。由于在打捆机实际工作过程中，曲柄端被限制了全约束，驱动连杆受到活塞传导过来的新喂入的秸秆在压缩过程中克服成型所需的作用力的反作用力作用，导致固定连接处受力较大。

从图7中还可以看出：在驱动连杆偏向柱塞端远端一侧处节点等效应力值较大，而偏向柱塞端近端一侧处节点等效应力值很小，甚至外侧近乎为零。由于此处呈力臂不等的杠杆，压缩成型后的秸秆通过活塞作用在驱动连杆上的荷载不均匀，随着时间的延续表现为明显的应力集中现象，这与上文中节点位移变化相一致。因此，为提高驱动连杆的安全可靠性，应在此处提出改进措施以提高其强度。

(a)

(b)

(c) 图7 不同长度驱动连杆节点等效应力等值线图Fig.7 Equivalent stress contours of the driving connecting rod of different lengths

有限元求解后不同长度驱动连杆节点等效应变等值线图如图8所示。从图8中可以看出：驱动连杆偏向柱塞端远端处的节点等效应变值较大，中间位置节点等效应变值呈线性变化趋势，偏向柱塞端近端处的节点等效应力值较小。由于在高密度打捆工作过程中，压缩活塞的冲击力的作用及不对称的杠杆作用导致了在柱塞端处驱动连杆上端节点等效应变值较大。

3组结构尺寸的驱动连杆机构的应力、应变均在合理范围内，但仍希望节点位移变化值能缩小一些以保证结构更加安全。综合上述，并考虑到空间布置与结构稳定性，B组结构尺寸参数更为合理、可靠。

(a)

(b)

(c) 图8 不同长度驱动连杆节点等效应变等值线图Fig.8 Equivalent elastic strain of driving connecting rod of different lengths

3.4 改进后驱动连杆分析

由于驱动连杆应力、应变及最大位移均集中在柱塞连接端,所以在该处添加一副加强筋,如图9所示。

图9 改进后驱动连杆Fig.9 The improved driving connecting rod

改进后的驱动连杆节点位移变化最大值缩小为1.255 4mm，与改进前相比，降低了2/3；且驱动连杆柱塞端位移变化的等值线近似直线，避免了某一端变形量过大，提高了驱动连杆柱塞端抗弯曲能力。同时，改进后驱动连杆的等效应力与等效应变也呈现较大程度的缩小，表明添加加强筋对驱动连杆整体结构可靠性及安全性具有较大的提升，如图10～图12所示。

图10 改进后驱动连杆节点位移变化的等值线图Fig.10 Contour diagram of total deformation of the improved driving connecting rod

图11 改进后驱动连杆节点等效应力等值线图Fig.11 Equivalent stress contours of the improved driving connecting rod

图12 改进后驱动连杆节点等效应变等值线图Fig.12 Equivalent elastic strain of the improved driving connecting rod

4 试验结果与分析

本文在玉米穗茎兼收一体机样机整机田间试验的基础上，对联合打捆机作业效果进行了试验研究。试验物料为当季9月份玉米秸秆，含水率为70%，样机田间试验现场如图13所示，玉米作物特征如表2所示。

图13 一体机样机田间试验现场Fig.13 Field test site of all-in-one prototype machine表2 田间玉米作物特征测定 Table 2 Determination of corn crop characteristics in field mm

性能试验主要进行了成捆率、规则捆率及捆包密度的测试，并对试验指标测定结果进行分析。

1)成捆率。取20min连续作业的纯工作时间内累积打捆数与散捆数，重复3次，其值分别为101与2、95与2、99与1，则成捆率为98.3%。

2)规则捆率。任意选取在20min内连续作业的纯工作时间内累积打捆数与规则捆数(秸秆捆的最大长度与最小长度之差小于最大长度的10%)，重复3次，其值分别为100与3、95与2、98与2，则成捆率为97.7%。

3)成型捆密度。选取5个行程，每个行程测量2个成型捆的长、宽、高、质量，计算成型捆体积并求出其密度平均值，如表3所示，成型捆包平均密度为173.9kg/m3。

在试验作业期间，机器在不影响果穗收获的条件下，该机器成捆率、规则草捆率、草捆密度均大于质量指标要求的最低值，即打捆作业相关技术指标符合国家规定的技术要求[16]，如表4所示。

表3 玉米秸秆成型捆包密度Table 3 The density of corn straw bales kg/m3

表4 方捆打捆机作业质量指标Table 4 Quality index of bundle binding machine

该机器与现有机型相比，作业速度1.84～4.42km/h，与现有机型3～5km/h相差较小；由于穗茎兼收的原因，该机器生产率为0.35hm2/h，与现有机型单独收获秸秆的生产率0.51hm2/h的差距也在合理范围之内，如表5所示。

结果表明：该机器作业效率与性能可以满足市场需求，作业效率较高，大大节约了劳动力和劳动时间。

表5 现有机型作业参数对比Table 5 Comparison of operating parameters of common model

5 结论与讨论

1)确定了柱塞驱动机构采用对心式空间布置，通过设计计算与三维建模，并采用有限元仿真分析，最终设定曲柄、连杆长度分别为330mm与750mm。

2)试验验证表明：机器运行安全、可靠、性能优良，成捆率达到98.3%，规则草捆率达到97.7%，草捆密度达到了165～180kg/m3，能够满足玉米秸秆打捆作业工艺要求。

3)田间作业过程中出现的打捆机秸秆进料口堵塞问题，是由于机器行走速度过快，秸秆进料不均匀导致的，下一步将针对这一问题对进料装置进行优化与改进。

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