1、秸秆打捆机研究现状及发展趋势 郭博 贺敬良 王德成 赵建柱 李伟 刘全攀 北京信息科技大学机电工程学院 中国农业大学工学院 新疆天山职业技术学院工程学院 摘 要： 结合国内外各类秸秆打捆机的工作原理及应用现状, 对打捆机的性能进行对比分析。分析表明:割捆机价格低、适用性强, 便于小地块秸秆收割;圆捆打捆机价格适中、可与包膜机配套使用, 在小型农场秸秆收割中广泛使用;方捆打捆机所打的秸秆捆密度高、可连续作业, 用于大中型农场收割。同时, 根据不同打捆机性能特点, 总结了发展趋势。关键词： 秸秆; 打捆机; 应用现状; 发展趋势; 作者简介：郭博 (1991-) , 男, 河南开封人, 硕士研究生
2、, (E-mail) 。作者简介：王德成 (1965-) , 男, 吉林吉林人, 教授, 博士生导师, (E-mail) 。收稿日期：2016-11-08基金：公益性行业 (农业) 科研专项 (201203024) The Research Situation and Development Tendency of Straw Baling MachineGuo Bo He Jinglang Wang Decheng Zhao Jianzhu Li Wei Liu Quanpan College of Electrical and Mechanical, Beijing Information
3、 Science and Technology University; College of Engineering, China Agricultural University; College of Engineering, Xinjiang Tianshan Vocational and Technical College; Abstract： This paper combines the working principle and application in domestic and foreign straw baler machine, and analyzed the per
4、formance of the straw baler machine.For the reason of low price and strong applicability, sheaf binder applied to small fields.Circular baler can be matched with wrapping machine and the price is moderate, which is widely used in small farms.Rectangular baler is used to large and medium farms, becau
5、se it can work continuously, and the density of straw bale is higher than other bale.According to the performance characteristics of different straw bale machine, we elaborated the development trend.Keyword： straw; baling machine; application status; development trend; Received： 2016-11-080 引言中国的秸秆资
6、源非常丰富、数量巨大、种类繁多。据农业部统计数据显示:2015年, 我国秸秆总量达 9 亿 t 多。其中, 水稻秸秆、玉米秸秆、小麦秸秆分别占全国秸秆总量的 25%、24%、12.73%;长江中下游区、黄淮海区、东北区、西南区秸秆总量分别占全国秸秆总量的 25.63%、23.48%、17.19%、13.74%1, 秸秆是 21 世纪具有潜力的可再生生物质资源。秸秆可用于喂养牲畜、焚烧发电等, 但存在密度比较松散、受作物收获时间限制、贮存运输困难等问题, 因此有效解决这些矛盾, 是提高秸秆的综合利用率的关键环节。在田间, 秸秆直接被打捆, 不仅解决秸秆浪费和就地焚烧难等问题, 且可推动秸秆资源规
7、模化、工业化使用, 提高了秸秆资源的综合利用率, 具有显著的经济和社会效益。据中国农业大学成套设备所的实验统计得出:秸秆经过打捆机压缩成型后平均密度增大 10 倍, 存储空间减少了 90%, 运输成本降低 70%2。图1 为当前主要打捆机分类。1 割捆式打捆机1.1 割捆机工作原理割捆机按工作形式分为侧面形、后面形、后侧面形及回转形。其中, 侧面形和后侧面形主要应用于水稻、小麦打捆, 后面形主要应用于芦苇打捆。这几种割捆机虽然工作形式不同, 但工作原理基本一致。该机型由行走机构、动力传动机构、切割机构、秸秆输送机构、操纵机构和打捆机构等组成3-5, 如图 2 所示。图 1 打捆机分类 Fig.
8、1Classification of straw baler 下载原图工作原理:割捆机工作时, 倒伏的秸秆被扶禾器扶起, 分禾器将秸秆分开;扶禾器把待割的秸秆向切割器方向引导并在切割时扶持, 经割刀割断后推向割台输送装置, 通过链传动送至打捆装置处;当秸秆进入打捆装置后, 可以摆动的压紧杆使秸秆集中在打捆绳一侧, 并暂时停靠在离合器控制杆上, 此时秸秆被挤压在压紧杆和离合器控制杆之间;当受到压紧杆挤压的秸秆压力达到预设值时, 离合器接通, 打捆机构开始工作;完成打结后秸秆捆被放出杆抛送出割捆机, 同时捆绳被压绳板上的割刀切断, 打捆完成3-5。图 2 割捆机结构示意图 Fig.2 Sheaf
9、baler structure 下载原图1.操纵杆 2.发动机 3.传动箱 4.行走系统 5.传动链 6.分配箱 7.打捆机构 8.副箱 9.割刀组 10.链盒 11.分禾器1.2 国外水稻割捆机发展现状随着美国摇臂收割机的推广使用, 1850 年许多科研机构和公司开始研究设计打捆机构, 之后欧美等国家陆续研制出手动打捆机、自动打捆机、铁丝割捆机和麻绳割捆机等。1880-1900 年期间, 麻绳割捆机在市场上的占有率逐年增加;1900 年以后英国、加拿大、前苏联、德国等国家也开始在小麦地里使用麻绳割捆, 机割捆机得到飞速发展;进入 1930 年以后, 联合收割机在欧美等国逐渐替代了麻绳割捆机。
10、日本相对欧美国家在割捆机运用方面晚了大约 100 年, 但日本根据本国农业机械化特点设计并生产了小型割捆机3;1950 年左右, 打捆装置可以稳定工作的人力割捆机研制成功;1960 年, 日本发明了动力连续的割捆机并在 1965 年推广使用, 这种割捆机是当今亚洲等地割捆机的研究和设计的基础。近年来由割捆机打捆的水稻秸秆只占机器收获的 15%, 但割捆机研制水平仍处于世界前列。1.3 国内水稻割捆机发展现状国内于 1990 开始研究割捆机。黑龙江八一农垦大学对进口割捆机的各个工作机构进行了深入研究;同期, 黑龙江省水田机械化研究所研制出 4GK-90 型水稻割捆机, 并将其投入市场;2005
11、年, 李保成等人对割捆机打捆机构各部件的相位变化规律做出详细分析;2009 年, 张洪山等人提出采用水稻、小麦等农作的秸秆代替原有割捆机的捆绳, 根据现有割捆机的结构与工作原理, 研制出一种水稻本禾割捆机。该割捆机不仅解决了水稻、小麦等秸秆晾干后体积缩小产生捆绳脱落的问题, 而且打捆后的秸秆能及时晾晒, 农作物的籽粒继续吸收茎秆的营养, 增加产量。2014 年, 杨垆昱分析研究了割捆机的往复式切割机构, 通过实验得出:切割机构的刀片采用削切的方式后, 切削载荷与切削功率分别降低60%及 30%。我国的一些农机企业如浙江挺能胜机械有限公司、鑫绿金机械有限责任公司对割捆机也进行了探索研究并生产了一
12、批割捆机。通过调研发现, 多数产品存在一些问题, 如打结器工作不稳定及成捆率低等。2 圆捆机打捆机2.1 圆捆打捆机工作原理圆捆打捆机主要由捡拾粉粹机构、捆绳机构、成捆室、链传动机构、卸捆机构和密度调节机构等组成, 能完成秸秆的收集、运送、打捆、绕绳、割绳和开关仓门等一系列动作8-10, 如图 3 所示。图 3 圆捆打捆机结构示意图 Fig.3Circular baler structure 下载原图1.车轮 2.钢辊 3.后门 4.液压系统 5.喂入钢辊 6.链条 7.机架工作原理:圆捆打捆机一般和拖拉机配套使用, 其动力由拖拉机提供并传递到各工作部件;由喂入机构把秸秆送进四周布满不停转动钢
13、锟的成捆室内, 秸秆在成捆室内不断翻滚积累扩大;当秸秆捆最外围与成捆室内的钢锟完全接触并达到预设密度时, 控制器发出信号使绕绳机构的电磁离合器接通, 夹绳辊开始转动, 对圆秸秆捆进行绕绳, 同时喂入机构的电磁离合器分离, 喂入机构停止输送秸秆;绕绳结束时, 在割刀割断麻绳的同时蜂鸣器接通, 驾驶员操纵液压油缸打开仓门进行卸捆;仓门关闭后, 控制器发出信号接通喂入机构的电磁离合器, 再次喂料重复下一个循环8-10。2.2 国外圆捆打捆机发展现状国外于 1960 年后开始研究圆捆机。1961 年, 前苏联科研人员开始研究圆捆机, 并在 1963 年成功研制出具有捡拾功能的圆捆打捆机, 虽然该机器的
14、结构相对简单, 但打捆后的圆秸秆捆重高到 400kg;之后, 德国 Vermeer 公司研制出长胶带内缠绕式圆捆机, 该机型在市场上拥有较高的占有率, 不仅提高了整机的操作性能, 而且具有较高的工作效率。欧美等国家的农机公司通过分析、研究长胶带内缠绕式圆捆机的工作原理, 成功研制了链式圆捆机和固定圆捆机。1974 年, 德国 Weiger 公司成功研制出成捆室外径固定的外缠绕式圆捆机, 该机型所打的秸秆捆密度外紧内松, 具有良好的透气性8。20 世纪 90 年代后, 为了符合市场的需求, 开始研究包捆方面的技术, 为秸秆的青贮提供便利, 而且圆捆机的结构、性能不断地改进和完善以适应不同种类的物
15、料。2.3 国内圆捆打捆机发展现状我国在 1975 年开始对圆捆机进行研究。辽宁省鞍山农机厂成功研制出短皮带外卷式的 9JY-1.8 型圆捆机, 虽然圆捆机的生产率、可靠性高;但存在动力消耗大、皮带磨损严重等问题。2007 年, 王春光等人成功研制出 9YG-1.2 型钢辑外卷式圆捆机和 9YD-1.2 型短胶带式圆捆机, 并详细分析了这两种机型工作原理、性能参数;同期, 王德福等人为了提高青贮圆捆机的适用性, 改进了打捆机的成捆室, 该成捆室的入口采用 2 组短胶带式, 解决了秸秆堵塞的问题, 同时在成捆室的入口添加喷嘴, 在秸秆打捆过程中添加各种添加剂, 为后续的青贮作业提供便利。2008
16、 年, 王琛等人合理改进了圆捆机的机架及捡拾机构等, 并研制出工作稳定、操纵便利的 9YY-550 型捡拾圆捆机, 该机可实现固定打捆和行走打捆。2009 年, 丛宏斌等人对圆捆机的自动控制系统进行设计, 可实现自动送料、绕绳、割绳及开闭仓门等功能, 并通过实验验证控制系统的可行性。2010 年, 王德福等人在钢辊式圆捆机的成捆室内增设了喂入对辊, 并通过仿真、试验分析得出喂入对辊的详细参数, 增加喂入对辊后的圆捆机可以有效地解决秸草打捆时的堵塞问题。中机美诺科技股份有限公司研制的 5120 圆捆机可以打捆多种软秆作物, 该机型具有打捆直径可调、秸秆捆密度高及可实现自动卸捆等特点。2011 年
17、, 金诚谦、唐宗义等人成功研制出国内第一台实现秸秆收割、打捆一体化的联合收割打捆机, 不仅增加牵引机构、喂入软管等, 而且改进了圆捆机的部分工作机构, 虽然联合收割打捆机的打捆机构需要单独提供动力, 但是第一次实现秸秆不落地打捆;同期, 王春光等人设计一种成捆室具有预压缩功能的钢辊式圆捆机, 其所打的圆秸秆捆圆周密度更紧, 实用性更强。2012 年, 徐鹏云等人设计一种由三相交流电机作为动力的打捆机, 该机可以满足不同秸秆湿度及打捆密度的要求。2015 年, 雷军乐等人对圆捆机旋转草芯的形成过程进行深入地研究分析, 通过试验优化了钢辊材料、捡拾器弹齿端点线速度等参数, 保证了圆捆机打捆的顺利工
18、作;同期, 高东明等人设计了对数螺线式的成捆室, 改进后的圆捆机, 不仅解决了青贮作业时秸秆在成捆室内堵塞的问题、降低了圆捆机的共振现象, 而且避免了圆秸秆捆离开成捆室时出现打滑的现象。2016 年, 王德福等人通过仿真试验, 优化改进了圆捆机的捆绳机构, 秸秆捆膨胀率和捆绳消耗量有所降低。近些年, 我国通过引进国外圆捆打捆机先进生产技术并在自主圆捆机型上加以改进并利用, 取得了较大进步, 产品品种不断增加、性能也不断改进。我国部分农机企业在产品开发过程中为降低成本, 缩短了样机试验周期, 造成整机可靠性偏差、秸秆成捆率偏低等方面问题。3 方捆机打捆机3.1 方捆打捆机工作原理方草捆打捆机由捡
19、拾机构、喂入输送机构、压捆室、打捆机构、草捆长度控制装置、曲柄连杆机构、传动机构和牵引装置等组成22-24, 如图 4 所示。图 4 方捆打捆机捆示意图 Fig.4Rectangular baler structur 下载原图1.飞轮 2.齿轮箱 3.捡拾机构 4.拨叉 5.油缸 6.活塞 7.打结器 8.行走机构 9.草捆计量机构 10.打捆针 11.压缩室 12.草捆密度调节机构 13.草捆放出架工作原理:由拖拉机给方捆打捆机提供动力, 通过方捆机的传动系统将动力传递到各个工作部件;经捡拾机构拾取后的秸秆在喂入拨叉的驱动下被送进喂入机构, 在活塞推程时喂入机构将秸秆送入压捆室内, 活塞回程
20、时压捆室内的止回机构防止秸秆层的松回;作往复运动的活塞在曲柄连杆机构的带动下将秸秆压缩成方捆;当秸秆捆长度达到预设值后, 打捆机构开始工作并自动完成打结, 秸秆捆在后续秸秆不断推送下, 从压捆室出口滑落。方捆打捆机的重要特点是不停机连续作业, 所以生产率高, 经济效益显著22-24。3.2 国外方捆打捆机发展现状1930 年, 欧美等国在成功研制出了小型方捆机, 这个时期的方捆机可以自动完成秸秆的捡拾、输送、喂入和压缩等工序;但关键的打捆工序需由人工完成。1976 年, 美国惠斯顿公司成功研制出大型方捆机, 该机型改进了喂入机构、打结器等工作部件, 在工作效率、成捆率、草捆密度等方面有大幅度提
21、高;同时推出 4600 型方捆机, 该机采用正牵引、跨行作业方式, 相比传统 L 型方捆机可以保留大部分秸秆的枝叶, 提高秸秆捆的营养价值。德国的克拉斯公司在方捆机捡拾机构后面添加割刀组, 提高打捆机对物料的适应性。20 世纪 80 年代后, 欧美等国的农机公司开始向方捆机多功能化、智能化、节能化、高生产率等方面发展;美国纽荷兰、约翰迪尔等著名的农机公司经过几十年发展, 其生产的方捆机在机械结构、动力配套及控制系统等方面取得了较大的成就。3.3 国内方捆打捆机发展现状我国在 20 世纪 70 年代末开始研究捡拾方捆机但主要集中在小型方捆机的研究上。1980 年, 我国成功研制出捡拾方捆机并将其
22、进行推广使用。2006 年, 我国制出结构紧凑的 9YFQ-1.9 型跨行式捡拾方捆机, 该机釆用了一体机架、正牵引、跨行式的工作方式, 在整个打捆过程中, 秸秆的运动更加顺畅, 生产率得到进一步提高。2009 年, 4ZSK-2000 型自走式方捆机在西新城农机厂成功研制, 此机自带动力, 只需一个人操作就可完成秸秆收集、打捆、放出等工序。2009 年, 王风德等人通过实验分析, 不仅改进了捡拾喂入机构的参数与控制系统, 而且采用二级预压缩技术, 提高秸秆捆的密度与成捆率, 增加了方捆机的适用性;同期, 万其号等人建立了四杆穿针机构的三维模型, 通过仿真分析得到关键位置的运动参数, 完善了方
23、捆机打捆机构的机理。2012 年, 刘祥鹏等人利用建模仿真软件, 设计并优化了方捆机的压缩机构, 通过仿真分析确定活塞的最大压缩力及曲柄最大转矩等参数。2014 年, 刘军等人通过仿真分析与试验, 优化改进了 9YFQ-1.8 型方捆机的捡拾传动机构, 解决了方捆机在田间作业时出现传动皮带打滑、停滞等问题, 在提高整机生产效率、可靠性的同时也增加了方捆机对田地的适用性。2015 年, 刘绿朋研制出一种自走式方捆打捆机, 初步实现了方捆机与农用机械的联合作业, 相比传统牵引式方捆机有较高的生产效率, 但样机的稳定性还须进一步提高。科研人员经过几十年的不断努力, 成功研制出可打高密度秸秆捆的方捆机
24、, 但是产品的质量不稳定, 机具部件的可靠性还需进一步提高。4 性能对比1) 割捆机相对方捆机和圆捆机具有整机尺寸小、价格低、适用性强及能整颗秸秆收割的特点, 但整颗秸秆收割过程中需要人工干预, 所以存在工作效率低及秸秆密度低等缺点, 故只适用于小地块秸秆收割。2) 圆捆打捆机主要用来捡拾打捆田地里粉碎后的农作物秸秆, 没有打结器, 故采用间歇打捆方式。其价格适中、结构紧凑且相对简单、动力性好、适用性较强, 可与包膜机配套使用, 方便秸秆的贮存。但圆秸秆捆存在内松外紧、密度不均、存储空间大等问题, 且圆秸秆捆不适用于长时间储存、长距离运输, 故在小型农场秸秆收割中广泛使用。3) 方捆打捆机所打
25、的秸秆捆密度最高, 具有可连续工作、生产效率高及秸秆损失率小等优点;但整套方捆打捆机价格昂贵, 适用于大中型农场收割。5 发展趋势1) 多年来, 我国在农业方面投入的科研经费不足, 致使打捆机机理的研究不够深入, 造成产品质量不稳定, 在动力消耗、成捆率、草捆密度等方面存在一些问题。针对这些现状, 不仅需要深入研究相关机理, 优化打捆机和打结器结构, 而且需要加强打捆机实地试验与改进工作。2) 充分吸收国外的先进设计技术与经验, 提高自主研发能力, 在打捆机满足各项要求的前提下, 降低机器的制造成本。3) 针对我国田间地形多变的国情, 打捆机应向标准化、多功能化、小型化、节能化、智能化与高适应
26、性方向发展。3) 结合现有的打捆机理论和各个部件的作用及工作特点, 将打捆机与其它农业机械相互配合, 实现联合作业也是未来发展的趋势。参考文献1李大鹏, 刘向阳.饲草产业化与饲草打捆机的开发J.饲料广角, 2002 (15) :10-12. 2郜楠.割捆机打捆机构分析与动力学优化设计研究D.长春:吉林大学, 2015. 3郭占斌, 汪春.小型手扶水稻割捆机的研究J.农业机械学报, 2005, 36 (3) :64-66. 4郭占斌, 衣淑娟.小型手扶水稻割捆机总体设计J.农机化研究, 2000 (2) :59-62. 5李宝成, 王秀英.水稻割捆机打捆机构的运动分析J.农机化研究, 2005 (5) :281. 6张洪山, 陈淑梅.水稻本禾割捆机的研究J.农机使用与维修, 2009 (5) :124-127.
