<p>草簾自動(dòng)布草機(jī)的研制與試驗(yàn)鄧春巖1，楊 陽(yáng)1，程 輝1，李彤宇2，楊志剛3，陳立東1，曹宏偉3( 1 河北科技師范學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，河北 秦皇島 066004; 2 清華大學(xué) 深圳研究生院，廣東 深圳518055;3 灤南縣萬(wàn)盛機(jī)械制造有限公司，河北 灤南 063500)摘 要: 針對(duì)草簾編織行業(yè)人工鋪草用工量大、工作環(huán)境惡劣、生產(chǎn)的草簾一致性差等問(wèn)題，研制了一種草簾自動(dòng)布草機(jī)。該機(jī)采用電動(dòng)機(jī)和氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)，主要由小車總成、分草機(jī)構(gòu)、壓草機(jī)構(gòu)和 6 個(gè)喂料斗組成，可以完成自動(dòng)布草作業(yè)。現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)試驗(yàn)表明:生產(chǎn)幅寬 1 600mm 的草簾，其厚度的均勻性18 87%，一致性好，表面平整，優(yōu)于人工布草;生產(chǎn)速度達(dá)到了 180m /h，減少用工 4 6 人，改善了工作環(huán)境，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，對(duì)植物秸稈的再利用有積極的推動(dòng)作用。關(guān)鍵詞: 草簾; 布草機(jī); 設(shè)施農(nóng)業(yè)中圖分類號(hào): S6253; TH6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A 文章編號(hào): 1003 188X(2019)04 0112 040 引言水稻秸稈是我國(guó)第一大作物的秸稈。據(jù)估算，2010 年我國(guó)水稻秸稈的總量為1 9 億 t1，其主要用于造紙、還田、飼料、肥料、生物質(zhì)能源及加工成草制品等2 4;但是，也有相當(dāng)一部分沒(méi)有得到利用，甚至被焚燒(達(dá)到0 44 億 t1)，占總量的23%以上，既污染了大氣，也違反中華人民共和國(guó)大氣污染防治法。因此，加大水稻秸稈的綜合利用，變廢為寶，其發(fā)展空間還非常巨大。設(shè)施農(nóng)業(yè)現(xiàn)已成為我國(guó)農(nóng)業(yè)的一個(gè)重要支柱，發(fā)展非常迅猛。到 2015 年，我國(guó)設(shè)施蔬菜規(guī)模超過(guò)333 3 萬(wàn)hm25，其越冬保溫的主體材料為水稻編織的草簾。雖然有保溫被等替代草簾的產(chǎn)品，但由于價(jià)格較高、吸水率高、保溫性能較差，尚難以廣泛應(yīng)用。因此，草簾的市場(chǎng)需求空間巨大。目前，我國(guó)草簾編織機(jī)生產(chǎn)廠家分布比較分散，規(guī)模較小，主要分布在河北、山東、河南及遼寧等，且產(chǎn)品技術(shù)一致性較強(qiáng)，雖然實(shí)現(xiàn)了編織環(huán)節(jié)的自動(dòng)化，但是鋪草環(huán)節(jié)仍需人工操作，用工量大，生產(chǎn)的草簾一致性差。因此，亟需研發(fā)出自動(dòng)化程度更高的草簾編織設(shè)備。收稿日期: 2017 11 06基金項(xiàng)目: 河北省創(chuàng)新引導(dǎo)計(jì)劃科技型中小企業(yè)成長(zhǎng)工程項(xiàng)目(16C1303151010);河北省科技計(jì)劃項(xiàng)目(17227206D)作者簡(jiǎn)介: 鄧春巖(1966 )，男，河北唐山人，副教授，碩士，( E mail)dcyqhd126 com。通訊作者: 陳立東( 1973 )，男，河北唐山人，教授，碩士，( E mail)chentian 940308163 com。1 總體結(jié)構(gòu)與工作原理11 總體結(jié)構(gòu)草簾自動(dòng)布草機(jī)的總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。1編織機(jī) 2布草機(jī)機(jī)架 3鏈輪鏈條 4布草機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)減速器5小車總成 6喂料斗 7壓草機(jī)構(gòu)總成8分草機(jī)構(gòu)總成 9理草板機(jī)構(gòu)總成圖1 草簾布草機(jī)示意圖Fig1 Straw Auto place Machine Layout布草機(jī)由機(jī)架、兩組驅(qū)動(dòng)鏈輪鏈條、驅(qū)動(dòng)電機(jī)減速器、小車總成、6 個(gè)喂料斗、6 組壓草機(jī)構(gòu)總成、6 組分草機(jī)構(gòu)總成及兩組理草板機(jī)構(gòu)總成等組成。工作時(shí)，小車在鏈輪鏈條帶動(dòng)下，在布草機(jī)內(nèi)部做往復(fù)運(yùn)動(dòng);小車上設(shè)有 3 個(gè)抓草手和 3 個(gè)抓草手上板，每個(gè)抓草手由兩個(gè)氣缸協(xié)同推動(dòng)，做往復(fù)擺動(dòng)，擺動(dòng)角度為180°分草總成由3 顆針組成，第1 顆針為托草針，第2 顆針為分草針，第3 顆針為壓草針，壓草針隱藏·211·2019 年4 月 農(nóng) 機(jī) 化 研 究 第4 期DOI:10.13427/j.cnki.njyi.2019.04.021在分草針內(nèi)，托草針與分草針之間有一定距離，此距離為每次分草厚度;壓草針有獨(dú)立的氣缸驅(qū)動(dòng)，達(dá)到規(guī)定位置時(shí)向下移動(dòng)或向上移動(dòng);理草板是用來(lái)整理布放到編織機(jī)上的稻草秸稈，使其更加整齊，在氣缸的驅(qū)動(dòng)下做往復(fù)運(yùn)動(dòng);壓草總成做圓弧擺動(dòng)，在分草時(shí)向喂料斗內(nèi)部擺動(dòng)，壓緊喂料斗下部物料，保證物料密實(shí)度的一致性;抓草時(shí)，向喂料斗外部擺動(dòng)，使抓草手抽取物料時(shí)省力，降低功耗。12 工作原理工作時(shí)，兩側(cè)的喂料斗中水平放置適量的水稻秸稈，當(dāng)小車總成移動(dòng)到左側(cè)極限抓取到物料時(shí)，右側(cè)的壓草爪總成動(dòng)作，把喂料斗下部物料向下壓實(shí)，右側(cè)的分草針總成動(dòng)作，分出一定量物料，理草板總成在外部位置，等待小車總成放草;小車總成開(kāi)始向右側(cè)移動(dòng)，當(dāng)移動(dòng)到放草位置時(shí)，松開(kāi)抓取的物料，布放到編織機(jī)的右側(cè)，理草板迅速內(nèi)移，把布放的物料拍齊，迅速回撤，等待下一次放草。當(dāng)小車總成到達(dá)右測(cè)極限時(shí)，從右側(cè)喂料斗中抓取物料，左側(cè)的壓草爪總成動(dòng)作，把喂料斗下部物料壓實(shí)，左側(cè)的分草針總成動(dòng)作，分出一定量物料，理草板總成在外部位置，等待小車總成放草;小車總成開(kāi)始向左側(cè)移動(dòng)，當(dāng)移動(dòng)到放草位置時(shí)，松開(kāi)抓取的物料，布放到編織機(jī)的左側(cè)，理草板迅速內(nèi)移，把布放的物料拍齊，迅速回撤，等待下一次放草;小車總成繼續(xù)向左移動(dòng)，到達(dá)極限時(shí)，從左側(cè)喂料斗中抓取物料，右側(cè)壓草總成、分草總成、理草板總成做好準(zhǔn)備。如此循環(huán)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器布草替代人工布草。2 主要工作部件的設(shè)計(jì)21 小車總成的設(shè)計(jì)小車總成是從布草機(jī)兩側(cè)的喂料斗中抓取一定量的物料，然后按要求布放到編織機(jī)的指定位置，其工作原理如圖 2 所示。根據(jù)布草的方法和抓放草的需要，抓草手2 需做180°的擺動(dòng)且有4 個(gè)停留位置。當(dāng)小車總成從左側(cè)喂料斗抓取物料后向右運(yùn)動(dòng)到達(dá)右側(cè)放草位置時(shí)，抓草手下擺到如圖2( a) 所示位置，放下稻草秸稈，繼續(xù)右移;當(dāng)抓草手上板進(jìn)入到料斗時(shí)，抓草手開(kāi)始上擺，小車總成運(yùn)動(dòng)到右極限位置時(shí)，抓草手?jǐn)[動(dòng)到圖 2( b) 所示位置，抓緊稻草秸稈;小車總成左移，從料斗中抽出物料，到達(dá)左側(cè)放草位置時(shí)，抓草手下擺到如圖 2( c) 所示位置，放下物料，繼續(xù)左移;當(dāng)抓草手上板進(jìn)入到左側(cè)料斗時(shí)，抓草手開(kāi)始上擺，小車總成運(yùn)動(dòng)到左極限位置，抓草手?jǐn)[動(dòng)到圖2( d)所示位置，抓緊稻草秸稈，然后回移。1抓草手上板2抓草手3氣缸A 4氣缸B 5偏置擺臂圖2 抓草手工作原理圖Fig2 Mechanical Arm Functional Diagram小車總成由3 組抓草手組成，其結(jié)構(gòu)布置如圖3所示。工作時(shí)，中間的抓草手放草時(shí)間比兩側(cè)的抓草手放草時(shí)間提前。1氣缸安裝支架 2抓草手驅(qū)動(dòng)氣缸 3電磁控制閥4小車支架 5抓草手 6抓草手上板圖3 小車總成示意圖Fig3 Transport Machine System Layout22 分草機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)分草機(jī)構(gòu)是從喂料斗中分出一定量的物料，以便于抓草手抓取物料，其結(jié)構(gòu)如圖4 所示。1分草總成導(dǎo)軌支撐軸 2氣缸A 3托草針 4分草針 5氣缸B6分草針總成導(dǎo)軌移動(dòng)組件 7分草針總成導(dǎo)向件 8壓草針圖4 分草機(jī)構(gòu)示意圖Fig4 Straw Separate Component Layout·311·2019 年4 月 農(nóng) 機(jī) 化 研 究 第4 期23 壓草機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)壓草機(jī)構(gòu)是為了保證分草機(jī)構(gòu)分草的量保持一致，由驅(qū)動(dòng)軸、擺臂、連桿和壓草爪組成，如圖5 所示。1喂料斗 2擺臂 3驅(qū)動(dòng)軸 4連桿 5壓草爪圖5 壓草機(jī)構(gòu)示意圖Fig5 Straw compress component layout壓草機(jī)構(gòu)的工作在分草機(jī)構(gòu)工作之前，電機(jī)通過(guò)曲柄擺桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)擺臂做一定角度的擺動(dòng)，擺臂通過(guò)連桿推動(dòng)壓草爪進(jìn)行擺動(dòng);1 個(gè)喂料斗需要兩個(gè)壓草爪，連桿向上移動(dòng)時(shí)，壓草爪向喂料斗內(nèi)部擺動(dòng)，壓下喂料斗下部的物料;當(dāng)分草針插入到喂料斗時(shí)，壓草爪向外擺動(dòng)，完全退出喂料斗。3 氣動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)布草機(jī)氣動(dòng)系統(tǒng)主要由抓草手氣動(dòng)回路、壓草針與理草板氣動(dòng)回路、分草針氣動(dòng)回路、氣源及氣源處理回路組成，如圖6 所示。1抓草手氣動(dòng)回路 2壓草針與理草板氣動(dòng)回路3分草針氣動(dòng)回路 4氣源及氣源處理回路圖6 氣動(dòng)系統(tǒng)原理圖Fig6 Pneumatic Component Drive Functional Diagram每個(gè)抓草手由兩個(gè)氣缸驅(qū)動(dòng)，在五位三通電磁閥控制下，實(shí)現(xiàn)抓草手向左或向右擺動(dòng)，完成抓取或放草動(dòng)作;兩側(cè)分草針驅(qū)動(dòng)缸分別由兩位三通電磁閥控制，帶動(dòng)分草針機(jī)構(gòu)沿機(jī)架前后移動(dòng);兩側(cè)壓草針驅(qū)動(dòng)氣缸和理草板驅(qū)動(dòng)氣缸分別由兩位三通電磁閥控制，同時(shí)控制3 個(gè)壓草驅(qū)動(dòng)氣缸與理草板驅(qū)動(dòng)氣缸，配合分草針驅(qū)動(dòng)氣缸，實(shí)現(xiàn)稻草的分出與整理動(dòng)作。4 生產(chǎn)試驗(yàn)41 試驗(yàn)條件NBJ 1 6 草簾自動(dòng)布草機(jī)由灤南縣萬(wàn)盛機(jī)械制造有限公司生產(chǎn)，樣機(jī)配套電動(dòng)機(jī)功率為2 0kW、外形尺寸為 3 100mm × 3 200mm × 1 900mm( 長(zhǎng) × 寬 ×高)。該樣機(jī)于2017 年4 月在該廠的車間進(jìn)行了生產(chǎn)試驗(yàn)，生產(chǎn)草簾240m;于2017 年9 月在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了生產(chǎn)試驗(yàn)，生產(chǎn)草簾5 400m，如圖7 所示。圖7 生產(chǎn)試驗(yàn)圖Fig7 Commissioning現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)條件如表 1 所示。表1 試驗(yàn)條件Table 1 Condition of experiment項(xiàng)目 單位 描述稻草秸稈長(zhǎng)度 mm 450 800溫度 5 23濕度 % 31 69風(fēng)力 1 3 級(jí)42 試驗(yàn)方法根據(jù)灤南縣萬(wàn)盛機(jī)械制造有限公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn) Q/WSJ01 2015( B/13021393 4913 2015)，對(duì)自動(dòng)布草機(jī)的布草速度、布草量及生產(chǎn)的草簾的技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，同時(shí)考察布草機(jī)的工作性能及與編織機(jī)的匹配程度。43 試驗(yàn)的結(jié)果與分析生產(chǎn)車間的試驗(yàn)表明:布草機(jī)能夠較好地完成機(jī)器布草，布草速度在12 16 次/min 之間可調(diào);調(diào)整分草針的高度實(shí)現(xiàn)布草量的調(diào)節(jié)，調(diào)整范圍在 15 65mm范圍內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)草簾的厚度的調(diào)整。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)，布草速度采用15 次/min，分草針的高度分別調(diào)·411·2019 年4 月 農(nóng) 機(jī) 化 研 究 第4 期整為35、45、30mm，草簾的寬度為1 600mm，平均厚度34 6mm，生產(chǎn)速度達(dá)到 180m/h，生產(chǎn)的草簾的均勻性、平整度均優(yōu)于人工鋪草生產(chǎn)的草簾。該機(jī)在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)，主要存在以下問(wèn)題:布草機(jī)在布草時(shí)，稻草秸稈在運(yùn)送過(guò)程中發(fā)生傾斜。原因可能是由于稻草的根部與頂部質(zhì)量不同，輕的部分速度較快，同時(shí)由于理草板在整理過(guò)程中與稻草秸稈根部有摩擦，造成根部運(yùn)送速度較慢。后期將對(duì)理草板的結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)和編織機(jī)運(yùn)送機(jī)構(gòu)進(jìn)行研究改進(jìn)，以進(jìn)一步提高整機(jī)的性能。布草機(jī)與編織機(jī)的匹配調(diào)整需要停機(jī)，未能實(shí)現(xiàn)智能化匹配。5 結(jié)論1)研制了草簾自動(dòng)布草機(jī)，由小車總成機(jī)構(gòu)、分草機(jī)構(gòu)、壓草機(jī)構(gòu)聯(lián)動(dòng)配合，實(shí)現(xiàn)了稻草秸稈的自動(dòng)布草，可以代替人工布草。生產(chǎn)試驗(yàn)表明:該機(jī)生產(chǎn)幅寬1 600mm 的草簾，厚度的均勻性18 87%，一致性好，表面平整，優(yōu)于人工布草。其生產(chǎn)速度達(dá)到了180m/h，減少用工4 6 人，改善了工作環(huán)境，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，在國(guó)內(nèi)外屬于首創(chuàng)。參考文獻(xiàn):1 李飛躍，汪建飛中國(guó)糧食作物秸稈焚燒排碳量及轉(zhuǎn)化生物炭固碳量的估算J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2013，29( 14):172 卜毓堅(jiān)，屠乃美，劉文，等 我國(guó)農(nóng)作物秸稈綜合利用現(xiàn)狀及其技術(shù)進(jìn)展J作物研究，2006(5):526 5293 朱岱力，任東，羅永新，等水稻秸稈綜合利用與收獲機(jī)械發(fā)展關(guān)系的思考J中國(guó)農(nóng)機(jī)化，2011(2):28 334 石磊，趙由才，柴曉利 我國(guó)農(nóng)作物秸稈的綜合利用技術(shù)進(jìn)展J中國(guó)沼氣，2005，23(2):11 14，19Development and Test of Straw Auto place Machine for Grass Felt MakingDeng Chunyan1，Yang Yang1，Cheng Hui1，Li Tongyu2，Yang Zhigang3，Chen Lidong1，Cao Hongwei3(1 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，China)Abstract: 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 Its 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 strawsKey words: grass felt; straw auto place machine; facility agriculture·511·2019 年4 月 農(nóng) 機(jī) 化 研 究 第4 期</p>