4YF-1300型大方捆打捆机设计与试验(1)
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Ａｂｓｔｒａｃｔ
Ｔｈｅ ｂａｓｉｃ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｗｏｒｋ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｌａｒｇｅ ｒｅｃｔａｎｇｕｌａｒ ｂａｌｅｒ ｗｅｒｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｔｏ ｓａｔｉｓｆｙ ｔｈｅ ｂｕｎｄｌｉｎｇ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ ｐｒｏｐｅｒｔｙ ｏｆ ｍａｉｚｅ ｓｔｒａｗ ａｎｄ ｔｈｅ ｌｏａｄ ｓｙｓｔｅｍ ｒｅｑｕｉｒｅ ｏｆ ｂｕｒｎｉｎｇ ｓｔｒａｗ ｇｅｎｅｒａｔｅ ｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙ，ｇｅａｒｂｏｘ，ｍａｔｅｒｉｅｌ ｃｏｌｌｅｃｔ ａｎｄ ｆｅｅｄ ｓｙｓｔｅｍ，ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｅ—ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｎｇ ｕｎｉｔ，ｂａｌｅｒ ｐｌｕｎｇｅｒ ａｎｄ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｗｅｒｅ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｃｏｍｐｕｔｅｄ．Ｃｏｌｌｅｃｔ ａｎｄ ｆｅｅｄ ｐａｒａｍｅｔｅｒ，ｓｅｃｏｎｄ ｐｒｅ— ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｎｇ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ａｎｄ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｗｅｒｅ ｒｅａｓｏｎａｂｌｙ ａｄｏｐｔｅｄ ｔｏ ｅｎｓｕｒｅ ｔｈｅ ｗｏｒｋ ｄｅｐｅｎｄａｂｉｌｉｔｙ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔ ｉｎｄｉｃａｔｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｆｕｌｌｙ ｂａｌｅ ｒａｔｅ ｏｆ ４ＹＦ一１３００ ｌａｒｇｅ ｒｅｃｔａｎｇｕｌａｒ ｂａｌｅｒ ｃａｎ ａｃｈｉｅｖｅ ９７．２％，ｔｈｅ ｒｅｇｕｌａｒ ｂａｌｅ ｐｅｒｃｅｎｔ ｉｓ ９４．４％，ａｎｄ ｂａｌｅ ｄｅｎｓｉｔｙ ｃａｎ ａｃｈｉｅｖｅ １９０～２１０ ｋｇ／ｍ３， ｗｈｉｃｈ ｃａｎ ｓａｔｉｓｆｙ ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｒｅｑｕｅｓｔ ｏｆ ｌａｒｇｅ ｒｅｃｔａｎｇｕｌａｒ ｂａｌｅｒ．
２．２物料捡拾、喂人机构
（１）捡拾工作幅宽 捡拾器工作幅宽应与田间铺放的物料宽度相匹
配。对于大型方捆打捆机需要适用于多种物料，对
于玉米秸秆物料等高秆作物，其捡拾幅宽要求较之
其他物料要大，所以本机选择捡拾幅宽为２．１ ｍ，这 样就大大降低了物料在捡拾器两侧的漏捡率。提高
了捡拾器的适用范围。
（２）捡拾器滚筒转速
高。所以本设计采用偏置式曲柄滑块机构［１２－１３】。
由于压缩机构受到整个机架及压缩室结构的限
制。一些参数为既定值。由压捆密度与有效行程关
系分析可知，密度随有效行程的增大而增大，当有效 行程达到一定值时，密度随有效行程增大基本维持
在一个水平。一般大方捆打捆机的有效行程为
６３０～８００ ｍｍ，本设计选择有效行程ｓ＝７８０ ｍｍ，极
Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｏｆ ４ＹＦ—。１ ３００ Ｌａｒｇｅ Ｒｅｃｔａｎｇｕｌａｒ Ｂａｌｅｒ
Ｗａｎｇ Ｆｅｎｇｄｅ Ｃｈｅｎ Ｚｈｉ Ｗａｎｇ Ｊｕｎｙｏｕ Ｗａｎｇ Ｘｉｏｎｇｗｅｉ Ｃｈｅｎ Ｆｅｎｇ （Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｚａｔｉｏｎ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８３，Ｃｈｉｎａ）
缩室中的物料密度达到预定值时，机械式压力传感 器发出指令，驱动位于填料叉后方、预压缩室上方的 拨料叉，拨料叉通过与压缩活塞的正时传动，开始将 预压成型的物料喂入压缩室内，完成了大方捆预压 成型过程。物料的压实过程主要在压缩室内进行， 压缩机构由曲柄、连杆和活塞组成，活塞将进入压缩 室内的预压成型的捆片推送至活塞的前极点位置。 随着活塞的推进，物料与压缩室壁的摩擦力随之增 加，活塞的压缩力也随之增大，压缩捆片受压密度增 大。压缩活塞不断地往复运动，随着下一捆片的推 进，前一压缩捆片被不断向前推进。秸秆捆长度不断 增加。当达到设定的捆长时，双结打结系统动作，进 行穿针打结，完成第１捆的打结和开始第２捆打结， 前捆被推出压缩室，形成了一个成品捆。
过高，一般为２０～４０次／ｒａｉｎ为宜。参考国外大方
捆打捆机频率设置和动力减速装置合理设计值［１ ｏｌ， 本设计采用的活塞压缩频率为３０次／ｍｉｎ［１１】。
（２）压缩活塞（曲柄滑块） 曲柄滑块机构一般有对心式和偏置式２种。在
相同结构参数的情况下。偏置式曲柄滑块结构较对
心式结构滑块行程小，并且具有急回特性，效率较
经设计计算得到减速装置的参数如表１所示，
图２变速箱结构示意图 Ｆｉｇ．２ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｇｅａｒｂｏｘ
表１减速装置的参数
Ｔａｂ．１ Ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｏｆ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｇｅａｒｂｏｘ
表２动力传动轴的动力参数
Ｔａｂ．２ Ｐｏｗｅｒ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｏｆ ｐｏｗｅｒ ｓｈａｆｔｓ
器的转速ｎ
ｒ／ｍｉｎ，经过圆
整后，捡抬器转速取８２ ｒ／ｒａｉｎ。
２．３机械式预压缩室
大方捆打捆机预压系统如图３所示。为了解决 大捆型打捆机密实成捆规整问题，采用机械式预压
缩技术进行了预压缩室的设计。预压缩室位于打捆 机压缩室前端，如图３ａ所示。预压缩室顶端设有与 拨料叉（图３ｃ）联动的预压缩密度调整机构。捡拾 器捡起的秸秆物料经喂入搅龙强制引导至填料口， 由填料叉（图３ｂ）连续喂入到预压缩室。预压缩室 物料密度达到预定值时，压力传感器发出指令，驱动 位于填料叉后方的拨料叉。拨料叉通过与压缩活塞 的正时传动，将预压成型的物料喂入压缩室内，完成 了大方捆预压成型过程。通过先预压、再机械压实 的两级压缩过程，不仅解决了秸秆类松散物料规整 成型、密度均匀一致性的问题，同时提高了打捆机适 应性和可靠性。
图３预压缩系统 Ｆｉｇ，３ Ｐｒｅ－ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｎｇ ｕｎｉｔ （ａ）预压缩室 （ｂ）填料叉（ｃ）拨料叉
２．４压缩机构 压缩机构是打捆机直接进行压缩工作的运动部
件，压缩机构的设计很大程度决定了打捆机的性能 以及最终产品的成捆密度。压缩活塞的功能性要求 压缩机构能够提供足够的压缩力，使压捆产品达到 所需的密度。根据活塞比压与物料容积密度的关 系，压捆工作压力一般为０．５ ＭＰａ以下，此时压缩产 品的最终密度理论上能够达到３００～４００ ｋｇ／ｍ３№Ｊ。 此时压缩活塞至少能够保证为压缩物料提供最大 ０．５ ＭＰａ的压力。在本设计中依据捆型截面尺寸为 １．２ ＩＴＩ×１．３ ＩＴＩ，设定压缩机构需要提供最大压缩力 不小于７。８×１０５ Ｎ。
ｒｌ——滚筒半径
万方数据
农业机械学报
２ ０ ０ ９经
＾——捡拾幅宽
Ｐｏ——物料堆积密度，玉米秸秆取５０ ｋｇ／ｍ３ 愚——捡拾器的充满系数，取０．０８。 由式（１）、（２）计算得出：Ｖ＝０．５６９ ７ ｍ３，优＝
２．８４８ ５ ｋｇｏ
７＝署＝勰＝８１．９ 捡拾器设计捡拾量为Ｑ＝１５ ０００ ｋｇ／ｈ，则捡拾
社会效益［卜２｜。４ＹＦ一１３００型大方捆打捆机是在 充分调研、分析国内外方型打捆机结构特点的基础 上，结合玉米秸秆的打捆压缩特性和直燃发电对秸 秆燃料规则捆型上料系统的要求而设计的【３－－４］。
１ 大方捆打捆机基本结构及工作原理
４ＹＦ一１３００型大方捆打捆机主要由牵引装置、 捡拾系统、喂料预压系统、压缩系统、打结系统和液 压密度控制系统组成，如图１所示［５】。
（１）压缩频率 由开式压缩理论分析可知［９］，当活塞压力从零 到最大时，草捆密度也从最小值达到最大值；当活塞 回行时，压缩物料由于物料特性先保持此密度一段 时间，然后由于物料的应力松弛开始膨胀。若压缩 活塞在物料还未进行膨胀时，进行第２次压缩则物 料可能得到更高的密度，所以对于曲柄活塞的设计 频率。既要满足打捆机的穿针打结动作所需的时间， 又要使得第２次压缩与第１次压缩之间压缩物料膨 胀变形尽可能小。但由于大方捆打捆机质量和机构 庞大，惯性力也比较大，高压缩频率对机器设备的稳 定性提出了更高的要求，所以大方捆压缩频率不宜
位夹角０＝３。，减速箱输出轴与滑道偏置距离ｅ＝
ｌ
８５ ｍｍｏ
图４为偏置式曲柄滑块两极点位置几何关系
图。由图可知，Ａｌ、Ａ２为滑块的两极限位置，Ｏ为
曲柄的回转中心，ＡｌＡ２到０的距离为偏心距Ｐ，过
Ａ１、Ａ ２、０ ３点作外接圆，圆心为０ｌ，半径为Ｒ，作
Ａ，Biblioteka Baidu垂直于Ａ１Ａ２，点Ｃ在该外接圆上【６｜。其几何
２关键部件的设计及参数的计算
２．１传动系统 打捆机由拖拉机提供动力，实现移动式自动捡
拾打捆。参考国外大方捆机机型的动力配套，以及 与我国国产拖拉机动力匹配，该大方捆打捆机动力 选择为１１８ ｋＷ拖拉机，实际动力输出为１０６ ｋｗ。 根据输出的动力设计初步确定传动系统的总体方 案：减速箱采用３级减速，第１级减速采用锥齿轮， 第２、３级采用直齿轮，如图２所示。
２ ０ ０ ９年１１月
农业机械学报
第４０卷第１１期
４ＹＦ一１３００型大方捆打捆机设计与试验＊
王锋德 陈 志 王俊友 汪雄伟 陈 峰
（ｅｅ国农业机械化科学研究院。北京１０００８３）
【摘要】 针对玉米秸秆的打捆压缩特性和直燃发电对秸秆燃料规则捆型上料系统的要求，对打捆机的传动系
统、物料捡拾和喂入系统、机械式预压缩室、压缩机构以及液压密度控制系统进行了设计和参数计算。采用合理的
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ Ｓｔｒａｗｓ，Ｌａｒｇｅ ｒｅｃｔａｎｇｕｌａｒ ｂａｌｅｒ，Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｅ－ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ，Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ
引言
我国农作物秸秆资源丰富，是最具潜力的生物 质原料之一，但是秸秆松散、密度小，收集、运输困 难，实现商品化转化和工业化利用的原料集储较难。 根据实际需要，把秸秆打成高密度的捆后再储存或 运输，是降低秸秆原料收集储运成本、促进秸秆生物 质资源规模化工业利用的关键。针对现有打捆设备 应用于秸秆打捆中出现故障率高、生产效率低的问 题，研制开发大方捆打捆机将填补国内相关领域的 空白，提升我国大方捆打捆机科技水平和国际竞争 力。为我国正在蓬勃发展的秸秆生物质规模化工业 利用提供关键技术和配套设备。具有重大的经济和
拖拉机输出转速为疗。＝１ ０００ ｒ／ｍｉｎ，最终压缩 机构转速ｎ ｍ＝２５．４ ｒ／ｍｉｎ，总传动比为３９．４。对于 ３级圆锥一圆柱齿轮减速总传动比ｉ＝４０时，第１级 传动比一般选择为３左右［６］。由于在本机构中第１级 输出为捡拾机构的动力输入，为了提高捡拾的可选 范围，初步确定速比分配为：第１级２．５、第２级 ４．０、第３级３．９４。
捡拾器工作时为保证将物料捡拾干净，需要有
一定离地高度。参照文献［７］，选择弹齿长度 １８０ ｍｍ，滚筒半径１５０ ｍｍ，滚筒转速通过整机生产
率确定。
捡拾弹齿的旋转一周近似认为是圆柱形喂入． 其喂入体积为
Ｖ＝，ｃｒｉｈ一尢ｒｆ，ｌ
（１）
则捡拾器旋转一周的填料量为
ｍ＝ｐｏｋＶ
（２）
式中 ｒ２——捡拾半径
捡拾喂入参数、二级预压缩原理和双液压油缸及其反馈控制系统保证了机器作业的可靠性。试验结果表明：４ＹＦ一
１３００型大方捆打捆机样机的打捆率达到了９７．２％，规则捆包率为９４．４％，捆包密度达到了１９０～２１０ ｋｇ／ｍｓ。 关键词：秸秆大方捆打捆机机械式预压缩试验
中图分类号：￥８１７．１１＋５
文献标识码：Ａ
万方数据
第１１期
王锋德等：４ＹＦ一１３００型大方捆打捆机设计与试验
３７
由动力参数计算得出３个轴的转速、转矩和功率，如
表２所示。
Ｉ
１Ｉ
Ⅲ
２ｌ
２０ １９ １８ １７ １６ １５
１４
１３
图ｌ ４ＹＦ一１３００型大方捆打捆机结构示意图
Ｆｉｇ．１ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ４ＹＦ一１３００ ｌａｒｇｅ ｒｅｃｔａｎｇｕｌａｒ ｂａｌｅｒ １．牵引架２．支架３．飞轮４．变速箱５．连杆６．机架 ７．传动链 ８，活塞 ９．打结机构 １０．草捆长度控制机构 １１．压紧调节装置１２．压缩室１３．打结针１４．行走轮１５．预 压缩室１６．压力传感器 １７．拨料机构 １８．填料机构 １９．捡 抬器升降控制装置２０．捡拾器２１．主传动轴
打捆机作业时，物料被捡拾器捡起，由捡拾器两 侧的喂入搅龙强制引导物料进入填料１３，进入填料 口的物料被一组相位相差１２０。的３个填料叉连续不 断地喂入预压缩室。随着物料的不断喂入。当预压
收稿日期：２００８—１２—０２修回日期：２００９—０２—１０ ＊“十一五”国家科技支撑计划资助项目（２００６ＢＡＤｌｌＡｌｌ） 作者简介：王锋德．博士生．主要从事农业工程装备技术研究，Ｅ．ｍａｉｌ：ｆｅｎｇｄｅｗａｎｇ＠１６３．ｔｏｍ
Ｔｈｅ ｂａｓｉｃ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｗｏｒｋ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｌａｒｇｅ ｒｅｃｔａｎｇｕｌａｒ ｂａｌｅｒ ｗｅｒｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｔｏ ｓａｔｉｓｆｙ ｔｈｅ ｂｕｎｄｌｉｎｇ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ ｐｒｏｐｅｒｔｙ ｏｆ ｍａｉｚｅ ｓｔｒａｗ ａｎｄ ｔｈｅ ｌｏａｄ ｓｙｓｔｅｍ ｒｅｑｕｉｒｅ ｏｆ ｂｕｒｎｉｎｇ ｓｔｒａｗ ｇｅｎｅｒａｔｅ ｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙ，ｇｅａｒｂｏｘ，ｍａｔｅｒｉｅｌ ｃｏｌｌｅｃｔ ａｎｄ ｆｅｅｄ ｓｙｓｔｅｍ，ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｅ—ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｎｇ ｕｎｉｔ，ｂａｌｅｒ ｐｌｕｎｇｅｒ ａｎｄ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｗｅｒｅ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｃｏｍｐｕｔｅｄ．Ｃｏｌｌｅｃｔ ａｎｄ ｆｅｅｄ ｐａｒａｍｅｔｅｒ，ｓｅｃｏｎｄ ｐｒｅ— ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｎｇ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ａｎｄ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｗｅｒｅ ｒｅａｓｏｎａｂｌｙ ａｄｏｐｔｅｄ ｔｏ ｅｎｓｕｒｅ ｔｈｅ ｗｏｒｋ ｄｅｐｅｎｄａｂｉｌｉｔｙ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔ ｉｎｄｉｃａｔｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｆｕｌｌｙ ｂａｌｅ ｒａｔｅ ｏｆ ４ＹＦ一１３００ ｌａｒｇｅ ｒｅｃｔａｎｇｕｌａｒ ｂａｌｅｒ ｃａｎ ａｃｈｉｅｖｅ ９７．２％，ｔｈｅ ｒｅｇｕｌａｒ ｂａｌｅ ｐｅｒｃｅｎｔ ｉｓ ９４．４％，ａｎｄ ｂａｌｅ ｄｅｎｓｉｔｙ ｃａｎ ａｃｈｉｅｖｅ １９０～２１０ ｋｇ／ｍ３， ｗｈｉｃｈ ｃａｎ ｓａｔｉｓｆｙ ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｒｅｑｕｅｓｔ ｏｆ ｌａｒｇｅ ｒｅｃｔａｎｇｕｌａｒ ｂａｌｅｒ．
２．２物料捡拾、喂人机构
（１）捡拾工作幅宽 捡拾器工作幅宽应与田间铺放的物料宽度相匹
配。对于大型方捆打捆机需要适用于多种物料，对
于玉米秸秆物料等高秆作物，其捡拾幅宽要求较之
其他物料要大，所以本机选择捡拾幅宽为２．１ ｍ，这 样就大大降低了物料在捡拾器两侧的漏捡率。提高
了捡拾器的适用范围。
（２）捡拾器滚筒转速
高。所以本设计采用偏置式曲柄滑块机构［１２－１３】。
由于压缩机构受到整个机架及压缩室结构的限
制。一些参数为既定值。由压捆密度与有效行程关
系分析可知，密度随有效行程的增大而增大，当有效 行程达到一定值时，密度随有效行程增大基本维持
在一个水平。一般大方捆打捆机的有效行程为
６３０～８００ ｍｍ，本设计选择有效行程ｓ＝７８０ ｍｍ，极
Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｏｆ ４ＹＦ—。１ ３００ Ｌａｒｇｅ Ｒｅｃｔａｎｇｕｌａｒ Ｂａｌｅｒ
Ｗａｎｇ Ｆｅｎｇｄｅ Ｃｈｅｎ Ｚｈｉ Ｗａｎｇ Ｊｕｎｙｏｕ Ｗａｎｇ Ｘｉｏｎｇｗｅｉ Ｃｈｅｎ Ｆｅｎｇ （Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｚａｔｉｏｎ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８３，Ｃｈｉｎａ）
缩室中的物料密度达到预定值时，机械式压力传感 器发出指令，驱动位于填料叉后方、预压缩室上方的 拨料叉，拨料叉通过与压缩活塞的正时传动，开始将 预压成型的物料喂入压缩室内，完成了大方捆预压 成型过程。物料的压实过程主要在压缩室内进行， 压缩机构由曲柄、连杆和活塞组成，活塞将进入压缩 室内的预压成型的捆片推送至活塞的前极点位置。 随着活塞的推进，物料与压缩室壁的摩擦力随之增 加，活塞的压缩力也随之增大，压缩捆片受压密度增 大。压缩活塞不断地往复运动，随着下一捆片的推 进，前一压缩捆片被不断向前推进。秸秆捆长度不断 增加。当达到设定的捆长时，双结打结系统动作，进 行穿针打结，完成第１捆的打结和开始第２捆打结， 前捆被推出压缩室，形成了一个成品捆。
过高，一般为２０～４０次／ｒａｉｎ为宜。参考国外大方
捆打捆机频率设置和动力减速装置合理设计值［１ ｏｌ， 本设计采用的活塞压缩频率为３０次／ｍｉｎ［１１】。
（２）压缩活塞（曲柄滑块） 曲柄滑块机构一般有对心式和偏置式２种。在
相同结构参数的情况下。偏置式曲柄滑块结构较对
心式结构滑块行程小，并且具有急回特性，效率较
经设计计算得到减速装置的参数如表１所示，
图２变速箱结构示意图 Ｆｉｇ．２ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｇｅａｒｂｏｘ
表１减速装置的参数
Ｔａｂ．１ Ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｏｆ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｇｅａｒｂｏｘ
表２动力传动轴的动力参数
Ｔａｂ．２ Ｐｏｗｅｒ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｏｆ ｐｏｗｅｒ ｓｈａｆｔｓ
器的转速ｎ
ｒ／ｍｉｎ，经过圆
整后，捡抬器转速取８２ ｒ／ｒａｉｎ。
２．３机械式预压缩室
大方捆打捆机预压系统如图３所示。为了解决 大捆型打捆机密实成捆规整问题，采用机械式预压
缩技术进行了预压缩室的设计。预压缩室位于打捆 机压缩室前端，如图３ａ所示。预压缩室顶端设有与 拨料叉（图３ｃ）联动的预压缩密度调整机构。捡拾 器捡起的秸秆物料经喂入搅龙强制引导至填料口， 由填料叉（图３ｂ）连续喂入到预压缩室。预压缩室 物料密度达到预定值时，压力传感器发出指令，驱动 位于填料叉后方的拨料叉。拨料叉通过与压缩活塞 的正时传动，将预压成型的物料喂入压缩室内，完成 了大方捆预压成型过程。通过先预压、再机械压实 的两级压缩过程，不仅解决了秸秆类松散物料规整 成型、密度均匀一致性的问题，同时提高了打捆机适 应性和可靠性。
图３预压缩系统 Ｆｉｇ，３ Ｐｒｅ－ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｎｇ ｕｎｉｔ （ａ）预压缩室 （ｂ）填料叉（ｃ）拨料叉
２．４压缩机构 压缩机构是打捆机直接进行压缩工作的运动部
件，压缩机构的设计很大程度决定了打捆机的性能 以及最终产品的成捆密度。压缩活塞的功能性要求 压缩机构能够提供足够的压缩力，使压捆产品达到 所需的密度。根据活塞比压与物料容积密度的关 系，压捆工作压力一般为０．５ ＭＰａ以下，此时压缩产 品的最终密度理论上能够达到３００～４００ ｋｇ／ｍ３№Ｊ。 此时压缩活塞至少能够保证为压缩物料提供最大 ０．５ ＭＰａ的压力。在本设计中依据捆型截面尺寸为 １．２ ＩＴＩ×１．３ ＩＴＩ，设定压缩机构需要提供最大压缩力 不小于７。８×１０５ Ｎ。
ｒｌ——滚筒半径
万方数据
农业机械学报
２ ０ ０ ９经
＾——捡拾幅宽
Ｐｏ——物料堆积密度，玉米秸秆取５０ ｋｇ／ｍ３ 愚——捡拾器的充满系数，取０．０８。 由式（１）、（２）计算得出：Ｖ＝０．５６９ ７ ｍ３，优＝
２．８４８ ５ ｋｇｏ
７＝署＝勰＝８１．９ 捡拾器设计捡拾量为Ｑ＝１５ ０００ ｋｇ／ｈ，则捡拾
社会效益［卜２｜。４ＹＦ一１３００型大方捆打捆机是在 充分调研、分析国内外方型打捆机结构特点的基础 上，结合玉米秸秆的打捆压缩特性和直燃发电对秸 秆燃料规则捆型上料系统的要求而设计的【３－－４］。
１ 大方捆打捆机基本结构及工作原理
４ＹＦ一１３００型大方捆打捆机主要由牵引装置、 捡拾系统、喂料预压系统、压缩系统、打结系统和液 压密度控制系统组成，如图１所示［５】。
（１）压缩频率 由开式压缩理论分析可知［９］，当活塞压力从零 到最大时，草捆密度也从最小值达到最大值；当活塞 回行时，压缩物料由于物料特性先保持此密度一段 时间，然后由于物料的应力松弛开始膨胀。若压缩 活塞在物料还未进行膨胀时，进行第２次压缩则物 料可能得到更高的密度，所以对于曲柄活塞的设计 频率。既要满足打捆机的穿针打结动作所需的时间， 又要使得第２次压缩与第１次压缩之间压缩物料膨 胀变形尽可能小。但由于大方捆打捆机质量和机构 庞大，惯性力也比较大，高压缩频率对机器设备的稳 定性提出了更高的要求，所以大方捆压缩频率不宜
位夹角０＝３。，减速箱输出轴与滑道偏置距离ｅ＝
ｌ
８５ ｍｍｏ
图４为偏置式曲柄滑块两极点位置几何关系
图。由图可知，Ａｌ、Ａ２为滑块的两极限位置，Ｏ为
曲柄的回转中心，ＡｌＡ２到０的距离为偏心距Ｐ，过
Ａ１、Ａ ２、０ ３点作外接圆，圆心为０ｌ，半径为Ｒ，作
Ａ，Biblioteka Baidu垂直于Ａ１Ａ２，点Ｃ在该外接圆上【６｜。其几何
２关键部件的设计及参数的计算
２．１传动系统 打捆机由拖拉机提供动力，实现移动式自动捡
拾打捆。参考国外大方捆机机型的动力配套，以及 与我国国产拖拉机动力匹配，该大方捆打捆机动力 选择为１１８ ｋＷ拖拉机，实际动力输出为１０６ ｋｗ。 根据输出的动力设计初步确定传动系统的总体方 案：减速箱采用３级减速，第１级减速采用锥齿轮， 第２、３级采用直齿轮，如图２所示。
２ ０ ０ ９年１１月
农业机械学报
第４０卷第１１期
４ＹＦ一１３００型大方捆打捆机设计与试验＊
王锋德 陈 志 王俊友 汪雄伟 陈 峰
（ｅｅ国农业机械化科学研究院。北京１０００８３）
【摘要】 针对玉米秸秆的打捆压缩特性和直燃发电对秸秆燃料规则捆型上料系统的要求，对打捆机的传动系
统、物料捡拾和喂入系统、机械式预压缩室、压缩机构以及液压密度控制系统进行了设计和参数计算。采用合理的
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ Ｓｔｒａｗｓ，Ｌａｒｇｅ ｒｅｃｔａｎｇｕｌａｒ ｂａｌｅｒ，Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｅ－ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ，Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ
引言
我国农作物秸秆资源丰富，是最具潜力的生物 质原料之一，但是秸秆松散、密度小，收集、运输困 难，实现商品化转化和工业化利用的原料集储较难。 根据实际需要，把秸秆打成高密度的捆后再储存或 运输，是降低秸秆原料收集储运成本、促进秸秆生物 质资源规模化工业利用的关键。针对现有打捆设备 应用于秸秆打捆中出现故障率高、生产效率低的问 题，研制开发大方捆打捆机将填补国内相关领域的 空白，提升我国大方捆打捆机科技水平和国际竞争 力。为我国正在蓬勃发展的秸秆生物质规模化工业 利用提供关键技术和配套设备。具有重大的经济和
拖拉机输出转速为疗。＝１ ０００ ｒ／ｍｉｎ，最终压缩 机构转速ｎ ｍ＝２５．４ ｒ／ｍｉｎ，总传动比为３９．４。对于 ３级圆锥一圆柱齿轮减速总传动比ｉ＝４０时，第１级 传动比一般选择为３左右［６］。由于在本机构中第１级 输出为捡拾机构的动力输入，为了提高捡拾的可选 范围，初步确定速比分配为：第１级２．５、第２级 ４．０、第３级３．９４。
捡拾器工作时为保证将物料捡拾干净，需要有
一定离地高度。参照文献［７］，选择弹齿长度 １８０ ｍｍ，滚筒半径１５０ ｍｍ，滚筒转速通过整机生产
率确定。
捡拾弹齿的旋转一周近似认为是圆柱形喂入． 其喂入体积为
Ｖ＝，ｃｒｉｈ一尢ｒｆ，ｌ
（１）
则捡拾器旋转一周的填料量为
ｍ＝ｐｏｋＶ
（２）
式中 ｒ２——捡拾半径
捡拾喂入参数、二级预压缩原理和双液压油缸及其反馈控制系统保证了机器作业的可靠性。试验结果表明：４ＹＦ一
１３００型大方捆打捆机样机的打捆率达到了９７．２％，规则捆包率为９４．４％，捆包密度达到了１９０～２１０ ｋｇ／ｍｓ。 关键词：秸秆大方捆打捆机机械式预压缩试验
中图分类号：￥８１７．１１＋５
文献标识码：Ａ
万方数据
第１１期
王锋德等：４ＹＦ一１３００型大方捆打捆机设计与试验
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由动力参数计算得出３个轴的转速、转矩和功率，如
表２所示。
Ｉ
１Ｉ
Ⅲ
２ｌ
２０ １９ １８ １７ １６ １５
１４
１３
图ｌ ４ＹＦ一１３００型大方捆打捆机结构示意图
Ｆｉｇ．１ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ４ＹＦ一１３００ ｌａｒｇｅ ｒｅｃｔａｎｇｕｌａｒ ｂａｌｅｒ １．牵引架２．支架３．飞轮４．变速箱５．连杆６．机架 ７．传动链 ８，活塞 ９．打结机构 １０．草捆长度控制机构 １１．压紧调节装置１２．压缩室１３．打结针１４．行走轮１５．预 压缩室１６．压力传感器 １７．拨料机构 １８．填料机构 １９．捡 抬器升降控制装置２０．捡拾器２１．主传动轴
打捆机作业时，物料被捡拾器捡起，由捡拾器两 侧的喂入搅龙强制引导物料进入填料１３，进入填料 口的物料被一组相位相差１２０。的３个填料叉连续不 断地喂入预压缩室。随着物料的不断喂入。当预压
收稿日期：２００８—１２—０２修回日期：２００９—０２—１０ ＊“十一五”国家科技支撑计划资助项目（２００６ＢＡＤｌｌＡｌｌ） 作者简介：王锋德．博士生．主要从事农业工程装备技术研究，Ｅ．ｍａｉｌ：ｆｅｎｇｄｅｗａｎｇ＠１６３．ｔｏｍ