董云哲 耿欣 譚杰 徐慧磊 周建宇 李君興

(吉林省農(nóng)業(yè)機(jī)械研究院，吉林 長(zhǎng)春 130022)

引言

我國(guó)秸稈年產(chǎn)量約為8.65億t[1]，預(yù)計(jì)2025年僅玉米秸稈理論資源量為2.53億t左右[2]。巨量的秸稈處理一直是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的難題，秸稈飼料化是處理秸稈且提升秸稈價(jià)值的重要手段之一[3，4]，秸稈飼料打捆機(jī)是能夠直接將機(jī)收后田地上的秸稈進(jìn)行撿拾、粉碎、除塵、壓縮成可直接作為粗飼料的設(shè)備，近年來(lái)發(fā)展迅猛[5]。相比于傳統(tǒng)的打捆機(jī)，通過(guò)秸稈飼料壓縮使松散的秸稈飼料壓縮成具有一定密度的方捆，大大減少了所占空間，降低了運(yùn)輸和存儲(chǔ)成本[6，7]；同時(shí)還通過(guò)除塵工作，使得撿拾的秸稈更潔凈，適口性更好。市場(chǎng)常用的小型秸稈飼料打捆機(jī)秸稈壓縮大多數(shù)采用液壓驅(qū)動(dòng)壓縮，而大多數(shù)秸稈飼料打捆機(jī)生產(chǎn)廠家通常根據(jù)同類產(chǎn)品或經(jīng)驗(yàn)對(duì)打捆機(jī)液壓系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，往往忽略秸稈飼料的壓縮特性，常常出現(xiàn)配套動(dòng)力不合理，壓縮設(shè)備功率消耗大等問(wèn)題，針對(duì)這種情況，根據(jù)秸稈壓縮理論和液壓理論公式對(duì)秸稈飼料壓縮系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算和設(shè)計(jì)，并對(duì)設(shè)計(jì)的秸稈飼料打捆機(jī)的壓縮性能進(jìn)行了使用試驗(yàn)，以期為打捆機(jī)廠家提供借鑒。

1 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 秸稈壓縮理論

由于秸稈類物料屬于粘彈性體，自身具有復(fù)雜的物理特性[8]，許多學(xué)者都做了大量的秸稈壓縮研究。1938年德國(guó)學(xué)者卡維特(Skalweit)[9]首次開始研究纖維物料的壓縮機(jī)理，其通過(guò)在密閉容器內(nèi)以低速壓縮牧草，得出了壓縮力和壓縮后物料容積密度之間的關(guān)系式：

P=Cγm

式中，P為秸稈壓縮壓強(qiáng)，MPa；C為試驗(yàn)常數(shù)；γ為壓縮后秸稈捆密度，kg·m-3；m為試驗(yàn)系數(shù)。

1959年德國(guó)學(xué)者麥威斯(Mewes)[10]對(duì)上述公式進(jìn)行了完善，認(rèn)為纖維物料在壓縮過(guò)程中壓縮力還與物料的初始密度有關(guān)，并給出了不同壓縮條件下壓縮力與物料密度之間的數(shù)學(xué)模型：

P=C(γ-γ0)m

式中，P為秸稈壓縮壓強(qiáng)，MPa；C為試驗(yàn)常數(shù)；γ為壓縮后秸稈捆密度，kg·m-3；γ0為物料初始密度，kg·m-3；m為試驗(yàn)系數(shù)。

1964年德國(guó)學(xué)者莎哈特(Sacht)[11]通過(guò)試驗(yàn)認(rèn)為，物料濕度對(duì)秸稈壓縮過(guò)程有很大影響。水在秸稈壓縮過(guò)程中起到粘合劑的作業(yè)，一些研究證明，適度的含水率可提高秸稈塊的耐久性[12]，當(dāng)然秸稈含水率對(duì)壓縮能耗影響顯著[13]。20世紀(jì)60年代蘇聯(lián)學(xué)者赫達(dá)帕奇(Hulapaqi)[14]研究認(rèn)為，纖維物料在壓縮過(guò)程中壓縮力不僅與壓縮后密度、物料濕度有關(guān)，還與壓縮速度有關(guān)，經(jīng)過(guò)大量試驗(yàn)提出了包含含水率、壓縮速度等參數(shù)新的壓縮公式。此外，我國(guó)學(xué)者楊明韶[15]進(jìn)行了牧草壓縮試驗(yàn)研究，山東農(nóng)業(yè)大學(xué)趙何[16]進(jìn)行了碎玉米秸稈壓縮試驗(yàn)并得到了碎玉米秸稈壓縮應(yīng)力和壓縮密度的數(shù)學(xué)模型?？v觀國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究和理論分析，秸稈壓縮是一個(gè)復(fù)雜彈塑性過(guò)程，在壓縮過(guò)程中會(huì)受到秸稈類型、含水率、壓縮力、粒徑、壓縮量、溫度、壓縮速率、壓縮室尺寸、震動(dòng)、壓縮頻率等諸多因數(shù)影響，為了便于分析計(jì)算，本文采用蘇聯(lián)學(xué)者赫達(dá)帕奇的植物纖維壓縮公式作為秸稈壓縮理論公式。

1.2 秸稈飼料打捆機(jī)壓捆裝置結(jié)構(gòu)

1.2.1 壓捆裝置結(jié)構(gòu)

具有撿拾、揉搓粉碎、除塵、壓捆和纏網(wǎng)或裝袋(包括人工)功能的秸稈收獲機(jī)械，稱之為撿拾秸稈飼料打捆機(jī)。小型秸稈飼料打捆機(jī)壓捆機(jī)構(gòu)一般由送料機(jī)構(gòu)、壓縮機(jī)構(gòu)和推捆機(jī)構(gòu)3部分組成，如圖1所示。

1.機(jī)架；2.推料缸；3.壓縮室；4.纏網(wǎng)裝置；5.推送缸；6.壓縮缸；7.料倉(cāng)圖1 秸稈飼料打捆機(jī)壓捆裝置

1.2.2 秸稈飼料打捆機(jī)工作過(guò)程

耕地上的秸稈被撿拾揉搓裝置撿拾揉搓成粉碎秸稈，通過(guò)風(fēng)機(jī)輸送裝置，輸送到壓縮室內(nèi)，當(dāng)壓縮室中秸稈質(zhì)量達(dá)到規(guī)定重量時(shí)，稱重傳感器發(fā)出信號(hào)，推送缸帶動(dòng)推料活塞進(jìn)行推料動(dòng)作，將落在壓縮腔內(nèi)的秸稈飼料進(jìn)行初步壓縮，當(dāng)推料活塞到達(dá)到指定位置后，推送缸保持靜止，同時(shí)壓縮缸進(jìn)行壓縮動(dòng)作，將秸稈飼料由上而下進(jìn)行壓縮，壓縮活塞到指定位置時(shí)，推料缸、壓縮缸都保持靜止，推送缸進(jìn)行推送草捆動(dòng)作，本次草捆將上一次含在壓縮腔的草捆擠出出料口，同時(shí)纏網(wǎng)機(jī)構(gòu)工作，將上一次的草捆進(jìn)行纏網(wǎng)包裹，當(dāng)本次草捆位置達(dá)到上一次草捆位置時(shí)，纏網(wǎng)馬達(dá)停止工作，同時(shí)切網(wǎng)液壓缸工作，將網(wǎng)切斷，同時(shí)推送缸開始復(fù)位，推送缸復(fù)位后，壓縮缸再?gòu)?fù)位，壓縮缸復(fù)位后，推料缸最后復(fù)位。待料倉(cāng)秸稈達(dá)到規(guī)定重量后再進(jìn)行下一個(gè)工作循環(huán)。

1.2.3 設(shè)計(jì)參數(shù)

結(jié)合市場(chǎng)需求和企業(yè)生產(chǎn)實(shí)際確定小型秸稈飼料打捆機(jī)主要技術(shù)參數(shù)，如表1所示。

表1 小型秸稈飼料打捆機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

根據(jù)小型秸稈飼料打捆機(jī)壓縮工藝，其壓縮液壓工作原理圖如圖2所示。

1.推料缸；2.三位四通閥；3.油泵；4.油箱；5.過(guò)濾器；6.安全閥；7.壓縮缸；8.推送缸圖2 液壓原理圖

由于秸稈飼料壓縮過(guò)程中，壓縮缸工作時(shí)系統(tǒng)所受負(fù)載最大，為此選擇壓縮缸工作對(duì)秸稈飼料進(jìn)行力學(xué)計(jì)算。壓縮裝置結(jié)構(gòu)如圖3所示。

1.細(xì)限位桿；2.位置傳感器；3.壓縮缸；4.粗限位桿；5.壓縮活塞圖3 壓縮裝置

圖4 試驗(yàn)場(chǎng)景

1.3 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.3.1 壓縮缸壓強(qiáng)計(jì)算

1.3.1.1 秸稈壓縮壓強(qiáng)理論計(jì)算

秸稈壓縮壓力不僅與草捆密度有關(guān)，還與壓縮速度、秸稈含水率有關(guān)[17]，根據(jù)蘇聯(lián)學(xué)者赫拉帕奇提出的公式進(jìn)行計(jì)算。

P=CαβKγm

式中，P為秸稈壓縮壓強(qiáng)，MPa；α為秸稈的濕度系數(shù)；β為壓縮過(guò)程中壓縮速度系數(shù)；K為物流硬度系數(shù)，取1.0；γ為壓縮后秸稈捆密度，kg·m-3，根據(jù)JB/T 12442-2015，γ取200kg·m-3；C和m均為試驗(yàn)系數(shù)，C取1.92×10-5，m取2.178。

α=[1-0.02×(W-15.3)]

式中，W為秸稈的含水率，根據(jù)東北秋季打捆時(shí)間和打捆機(jī)對(duì)含水率要求[18]，W取20%。

式中，V為壓縮速度，m·s-1，為滿足打捆機(jī)生產(chǎn)率要求，設(shè)定壓縮速度為0.2m·s-1。

經(jīng)計(jì)算，P=0.85MPa。

F=P×S活塞

式中，S活塞為壓捆活塞面積，m2。

壓捆活塞長(zhǎng)為742mm，寬為310mm，面積為0.23m2；所以最大壓縮力為195kN。

1.3.1.2 壓縮缸徑計(jì)算

公式：

式中，D為壓縮缸徑，mm；F為最大壓縮力，N；η為液壓缸機(jī)械效率，取0.93；P1為進(jìn)油路初選壓力，取18MPa；P2為油路背壓，取0.3MPa；φ為桿徑比，取0.707。

經(jīng)計(jì)算，D=142mm。

考慮到安全系數(shù)和參照GB/T 321-2005行程第1系列，選擇相應(yīng)液壓缸行程，考慮到推送缸壓力小于液壓缸，由于送料缸負(fù)載小于推送缸，并根據(jù)小型打捆機(jī)性能要求，確定各缸體參數(shù)，具體參數(shù)如表2所示。

表2 液壓缸參數(shù)

1.3.2 液壓泵的參數(shù)計(jì)算及選型

在打捆機(jī)工作過(guò)程中，由于三缸為順序工作，因此流量按壓縮缸所需流量計(jì)算即可。

公式：

Q=60A×V

式中，Q為壓縮缸流量，L·min-1；A為壓縮缸橫截面積，m2。

經(jīng)計(jì)算，Q=243L·min-1。

式中，q為泵排量，L·min-1；n為泵轉(zhuǎn)數(shù)，r·min-1。根據(jù)拖拉機(jī)后輸出軸最高轉(zhuǎn)數(shù)760r·min-1和選取的變速箱傳動(dòng)比2.55∶1，則泵的轉(zhuǎn)數(shù)為1938r·min-1。

經(jīng)計(jì)算泵排量為125mL·r-1。考慮到打捆機(jī)的工作特點(diǎn)及成本，所以選用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小，工況穩(wěn)定可靠的齒輪泵，泵體流量需大于125mL·r-1，壓力大于18MPa，故選擇型號(hào)為IPV7-160齒輪泵。

2 性能試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證秸稈飼料壓縮機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)性能，對(duì)小型秸稈飼料打捆機(jī)做了使用試驗(yàn)。試驗(yàn)材料選用玉米收獲機(jī)工作后晾曬30d的玉米秸稈(含水率16%)，工作0.5h，打捆20包，草捆尺寸及質(zhì)量如表3所示。

表3 草捆尺寸及質(zhì)量

除第1個(gè)草捆不成型外，剩余19個(gè)草捆平均體積0.11m3，草捆平均質(zhì)量20.8kg。根據(jù)捆包密度公式[19]：

式中，Pd為草捆密度，kg·m-3；mk為被測(cè)捆包實(shí)際平均質(zhì)量，kg；Hc為被測(cè)秸稈含水率；Vk為草捆體積，m3。

經(jīng)計(jì)算，草捆密度為198kg·m-3，達(dá)到JB/T 12442-2015標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.2 結(jié)果分析

由于壓縮室出料口為開口，在推料缸工作時(shí)，第1個(gè)草捆出料方向無(wú)背壓，所以第1草捆很難成形；由于地面上秸稈分布不均，使得單位時(shí)間秸稈撿拾量不同，所以落入壓縮室的秸稈量也不同，同時(shí)地面上秸稈含水率略有差異，如向陽(yáng)迎風(fēng)的秸稈含水率低而壟溝處的秸稈含水率略高，使得秸稈密度有差異，上述2點(diǎn)原因使得方捆尺寸、重量有所偏差。

3 結(jié)論

介紹了秸稈壓縮理論的發(fā)展和影響秸稈壓縮的主要因素；根據(jù)蘇聯(lián)學(xué)者赫拉帕奇提出秸稈壓縮理論和秸稈飼料壓縮工藝，設(shè)計(jì)了小型秸稈飼料打捆機(jī)壓縮液壓系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了草捆密度達(dá)到150kg·m-3以上，滿足了JB/T 12442-2015秸稈方捆(壓)機(jī)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)草捆密度的技術(shù)要求；秸稈飼料打捆機(jī)工作過(guò)程中，第1草捆不成型，后續(xù)生產(chǎn)的草捆尺寸重量略有偏差。