草帘自动布草机的研制与试验_邓春岩.pdf

p草帘自动布草机的研制与试验邓春岩1，杨 阳1，程 辉1，李彤宇2，杨志刚3，陈立东1，曹宏伟3 1． 河北科技师范学院 机电工程学院，河北 秦皇岛 066004; 2． 清华大学 深圳研究生院，广东 深圳518055;3． 滦南县万盛机械制造有限公司，河北 滦南 063500摘 要 针对草帘编织行业人工铺草用工量大、工作环境恶劣、生产的草帘一致性差等问题，研制了一种草帘自动布草机。该机采用电动机和气动驱动，主要由小车总成、分草机构、压草机构和 6 个喂料斗组成，可以完成自动布草作业。现场生产试验表明生产幅宽 1 600mm 的草帘，其厚度的均匀性≤18． 87，一致性好，表面平整，优于人工布草;生产速度达到了 180m /h，减少用工 4 ～ 6 人，改善了工作环境，降低了劳动强度，对植物秸秆的再利用有积极的推动作用。关键词 草帘; 布草机; 设施农业中图分类号 S625．3; TH6 文献标识码 A 文章编号 1003 －188X201904 －0112 －040 引言水稻秸秆是我国第一大作物的秸秆。据估算，2010 年我国水稻秸秆的总量为1． 9 亿 t［1］，其主要用于造纸、还田、饲料、肥料、生物质能源及加工成草制品等［2 －4］;但是，也有相当一部分没有得到利用，甚至被焚烧达到0． 44 亿 t［1］，占总量的23以上，既污染了大气，也违反中华人民共和国大气污染防治法。因此，加大水稻秸秆的综合利用，变废为宝，其发展空间还非常巨大。设施农业现已成为我国农业的一个重要支柱，发展非常迅猛。到 2015 年，我国设施蔬菜规模超过333． 3 万hm2［5］，其越冬保温的主体材料为水稻编织的草帘。虽然有保温被等替代草帘的产品，但由于价格较高、吸水率高、保温性能较差，尚难以广泛应用。因此，草帘的市场需求空间巨大。目前，我国草帘编织机生产厂家分布比较分散，规模较小，主要分布在河北、山东、河南及辽宁等，且产品技术一致性较强，虽然实现了编织环节的自动化，但是铺草环节仍需人工操作，用工量大，生产的草帘一致性差。因此，亟需研发出自动化程度更高的草帘编织设备。收稿日期 2017 －11 －06基金项目 河北省创新引导计划科技型中小企业成长工程项目16C1303151010;河北省科技计划项目17227206D作者简介 邓春岩1966 －，男，河北唐山人，副教授，硕士， E － maildcyqhd126． com。通讯作者 陈立东 1973 －，男，河北唐山人，教授，硕士， E － mailchentian －940308163． com。1 总体结构与工作原理1．1 总体结构草帘自动布草机的总体结构如图1 所示。1．编织机 2．布草机机架 3．链轮链条 4．布草机驱动电机减速器5．小车总成 6．喂料斗 7．压草机构总成8．分草机构总成 9．理草板机构总成图1 草帘布草机示意图Fig．1 Straw Auto － place Machine Layout布草机由机架、两组驱动链轮链条、驱动电机减速器、小车总成、6 个喂料斗、6 组压草机构总成、6 组分草机构总成及两组理草板机构总成等组成。工作时，小车在链轮链条带动下，在布草机内部做往复运动;小车上设有 3 个抓草手和 3 个抓草手上板，每个抓草手由两个气缸协同推动，做往复摆动，摆动角度为180;分草总成由3 颗针组成，第1 颗针为托草针，第2 颗针为分草针，第3 颗针为压草针，压草针隐藏2112019 年4 月 农 机 化 研 究 第4 期DOI10.13427/ki.njyi.2019.04.021在分草针内，托草针与分草针之间有一定距离，此距离为每次分草厚度;压草针有独立的气缸驱动，达到规定位置时向下移动或向上移动;理草板是用来整理布放到编织机上的稻草秸秆，使其更加整齐，在气缸的驱动下做往复运动;压草总成做圆弧摆动，在分草时向喂料斗内部摆动，压紧喂料斗下部物料，保证物料密实度的一致性;抓草时，向喂料斗外部摆动，使抓草手抽取物料时省力，降低功耗。1．2 工作原理工作时，两侧的喂料斗中水平放置适量的水稻秸秆，当小车总成移动到左侧极限抓取到物料时，右侧的压草爪总成动作，把喂料斗下部物料向下压实，右侧的分草针总成动作，分出一定量物料，理草板总成在外部位置，等待小车总成放草;小车总成开始向右侧移动，当移动到放草位置时，松开抓取的物料，布放到编织机的右侧，理草板迅速内移，把布放的物料拍齐，迅速回撤，等待下一次放草。当小车总成到达右测极限时，从右侧喂料斗中抓取物料，左侧的压草爪总成动作，把喂料斗下部物料压实，左侧的分草针总成动作，分出一定量物料，理草板总成在外部位置，等待小车总成放草;小车总成开始向左侧移动，当移动到放草位置时，松开抓取的物料，布放到编织机的左侧，理草板迅速内移，把布放的物料拍齐，迅速回撤，等待下一次放草;小车总成继续向左移动，到达极限时，从左侧喂料斗中抓取物料，右侧压草总成、分草总成、理草板总成做好准备。如此循环，实现机器布草替代人工布草。2 主要工作部件的设计2．1 小车总成的设计小车总成是从布草机两侧的喂料斗中抓取一定量的物料，然后按要求布放到编织机的指定位置，其工作原理如图 2 所示。根据布草的方法和抓放草的需要，抓草手2 需做180的摆动且有4 个停留位置。当小车总成从左侧喂料斗抓取物料后向右运动到达右侧放草位置时，抓草手下摆到如图2 a 所示位置，放下稻草秸秆，继续右移;当抓草手上板进入到料斗时，抓草手开始上摆，小车总成运动到右极限位置时，抓草手摆动到图 2 b 所示位置，抓紧稻草秸秆;小车总成左移，从料斗中抽出物料，到达左侧放草位置时，抓草手下摆到如图 2 c 所示位置，放下物料，继续左移;当抓草手上板进入到左侧料斗时，抓草手开始上摆，小车总成运动到左极限位置，抓草手摆动到图2 d所示位置，抓紧稻草秸秆，然后回移。1．抓草手上板2．抓草手3．气缸A 4．气缸B 5．偏置摆臂图2 抓草手工作原理图Fig．2 Mechanical Arm Functional Diagram小车总成由3 组抓草手组成，其结构布置如图3所示。工作时，中间的抓草手放草时间比两侧的抓草手放草时间提前。1．气缸安装支架 2．抓草手驱动气缸 3．电磁控制阀4．小车支架 5．抓草手 6．抓草手上板图3 小车总成示意图Fig．3 Transport Machine System Layout2．2 分草机构的设计分草机构是从喂料斗中分出一定量的物料，以便于抓草手抓取物料，其结构如图4 所示。1．分草总成导轨支撑轴 2．气缸A 3．托草针 4．分草针 5．气缸B6．分草针总成导轨移动组件 7．分草针总成导向件 8．压草针图4 分草机构示意图Fig．4 Straw － Separate Component Layout3112019 年4 月 农 机 化 研 究 第4 期2．3 压草机构的设计压草机构是为了保证分草机构分草的量保持一致，由驱动轴、摆臂、连杆和压草爪组成，如图5 所示。1．喂料斗 2．摆臂 3．驱动轴 4．连杆 5．压草爪图5 压草机构示意图Fig．5 Straw － compress component layout压草机构的工作在分草机构工作之前，电机通过曲柄摆杆机构带动摆臂做一定角度的摆动，摆臂通过连杆推动压草爪进行摆动;1 个喂料斗需要两个压草爪，连杆向上移动时，压草爪向喂料斗内部摆动，压下喂料斗下部的物料;当分草针插入到喂料斗时，压草爪向外摆动，完全退出喂料斗。3 气动系统设计布草机气动系统主要由抓草手气动回路、压草针与理草板气动回路、分草针气动回路、气源及气源处理回路组成，如图6 所示。1．抓草手气动回路 2．压草针与理草板气动回路3．分草针气动回路 4．气源及气源处理回路图6 气动系统原理图Fig．6 Pneumatic Component Drive Functional Diagram每个抓草手由两个气缸驱动，在五位三通电磁阀控制下，实现抓草手向左或向右摆动，完成抓取或放草动作;两侧分草针驱动缸分别由两位三通电磁阀控制，带动分草针机构沿机架前后移动;两侧压草针驱动气缸和理草板驱动气缸分别由两位三通电磁阀控制，同时控制3 个压草驱动气缸与理草板驱动气缸，配合分草针驱动气缸，实现稻草的分出与整理动作。4 生产试验4．1 试验条件NBJ －1． 6 草帘自动布草机由滦南县万盛机械制造有限公司生产，样机配套电动机功率为2． 0kW、外形尺寸为 3 100mm 3 200mm 1 900mm 长 宽 高。该样机于2017 年4 月在该厂的车间进行了生产试验，生产草帘240m;于2017 年9 月在现场进行了生产试验，生产草帘5 400m，如图7 所示。图7 生产试验图Fig．7 Commissioning现场试验条件如表 1 所示。表1 试验条件Table 1 Condition of experiment项目 单位 描述稻草秸秆长度 mm 450 ～800温度 ℃ 5 ～23湿度 31 ～69风力 1 ～3 级4．2 试验方法根据滦南县万盛机械制造有限公司企业标准 Q/WSJ01 －2015 B/13021393 －4913 －2015，对自动布草机的布草速度、布草量及生产的草帘的技术指标进行检测，同时考察布草机的工作性能及与编织机的匹配程度。4．3 试验的结果与分析生产车间的试验表明布草机能够较好地完成机器布草，布草速度在12 ～16 次/min 之间可调;调整分草针的高度实现布草量的调节，调整范围在 15 ～65mm范围内，从而实现草帘的厚度的调整。现场试验时，布草速度采用15 次/min，分草针的高度分别调4112019 年4 月 农 机 化 研 究 第4 期整为35、45、30mm，草帘的宽度为1 600mm，平均厚度34． 6mm，生产速度达到 180m/h，生产的草帘的均匀性、平整度均优于人工铺草生产的草帘。该机在现场试验时，主要存在以下问题①布草机在布草时，稻草秸秆在运送过程中发生倾斜。原因可能是由于稻草的根部与顶部质量不同，轻的部分速度较快，同时由于理草板在整理过程中与稻草秸秆根部有摩擦，造成根部运送速度较慢。后期将对理草板的结构、运动和编织机运送机构进行研究改进，以进一步提高整机的性能。②布草机与编织机的匹配调整需要停机，未能实现智能化匹配。5 结论1研制了草帘自动布草机，由小车总成机构、分草机构、压草机构联动配合，实现了稻草秸秆的自动布草，可以代替人工布草。生产试验表明该机生产幅宽1 600mm 的草帘，厚度的均匀性≤18． 87，一致性好，表面平整，优于人工布草。其生产速度达到了180m/h，减少用工4 ～6 人，改善了工作环境，降低了劳动强度，在国内外属于首创。参考文献［1］ 李飞跃，汪建飞．中国粮食作物秸秆焚烧排碳量及转化生物炭固碳量的估算［J］． 农业工程学报，2013，29 141－7．［2］ 卜毓坚，屠乃美，刘文，等． 我国农作物秸秆综合利用现状及其技术进展［J］．作物研究，20065526 －529．［3］ 朱岱力，任东，罗永新，等．水稻秸秆综合利用与收获机械发展关系的思考［J］．中国农机化，2011228 －33．［4］ 石磊，赵由才，柴晓利． 我国农作物秸秆的综合利用技术进展［J］．中国沼气，2005，23211 －14，19．Development and Test of Straw Auto － place Machine for Grass Felt MakingDeng Chunyan1，Yang Yang1，Cheng Hui1，Li Tongyu2，Yang Zhigang3，Chen Lidong1，Cao Hongwei31． Hebei Normal University Science ＆ Technology，Qinhuangdao 066004，China;2． Graduate School at Shenzhen，Ts-inghua University，Shenzhen 518055，China; 3． Luannan Wansheng Machinery Manufacturing Co． Ltd．，Luannan063500，ChinaAbstract Straw Auto － place Machine consists of transport machine system，straw － separate component，straw － handlecomponent and six feeding hoppers． This machine can achieve auto － placing straw，so it provides an efficient opportunityto solve the problem of shortage in manpower，high cost and product quality． It’s powered by motor and pneumatic com-ponent drive． The width of straw curtain will be 1600mm． The production capacity can reach 180m/h and the qualitywill be much better than man － made． The application of the Straw Curtain Auto － place Machine will surely improve theenvironment and reduce the strength of working and play a positive role in recycling of straws．Key words grass felt; straw auto － place machine; facility agriculture5112019 年4 月 农 机 化 研 究 第4 期/p