草簾自動布草機的研制與試驗鄧春巖1，楊 陽1，程 輝1，李彤宇2，楊志剛3，陳立東1，曹宏偉3( 1 河北科技師范學院 機電工程學院，河北 秦皇島 066004; 2 清華大學 深圳研究生院，廣東 深圳518055;3 灤南縣萬盛機械制造有限公司，河北 灤南 063500)摘 要: 針對草簾編織行業(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題，研制了一種草簾自動布草機。該機采用電動機和氣動驅(qū)動，主要由小車總成、分草機構(gòu)、壓草機構(gòu)和 6 個喂料斗組成，可以完成自動布草作業(yè)?，F(xiàn)場生產(chǎn)試驗表明: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)速度達到了 180m /h，減少用工 4 6 人，改善了工作環(huán)境，降低了勞動強度，對植物秸稈的再利用有積極的推動作用。關(guān)鍵詞: 草簾; 布草機; 設(shè)施農(nóng)業(yè)中圖分類號: S6253; TH6 文獻標識碼: A 文章編號: 1003 188X(2019)04 0112 040 引言水稻秸稈是我國第一大作物的秸稈。據(jù)估算，2010 年我國水稻秸稈的總量為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，也有相當一部分沒有得到利用，甚至被焚燒(達到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)已成為我國農(nóng)業(yè)的一個重要支柱，發(fā)展非常迅猛。到 2015 年，我國設(shè)施蔬菜規(guī)模超過333 3 萬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，但由于價格較高、吸水率高、保溫性能較差，尚難以廣泛應用。因此，草簾的市場需求空間巨大。目前，我國草簾編織機生產(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，雖然實現(xiàn)了編織環(huán)節(jié)的自動化，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)出自動化程度更高的草簾編織設(shè)備。收稿日期: 2017 11 06基金項目: 河北省創(chuàng)新引導計劃科技型中小企業(yè)成長工程項目(16C1303151010);河北省科技計劃項目(17227206D)作者簡介: 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)草簾自動布草機的總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。1編織機 2布草機機架 3鏈輪鏈條 4布草機驅(qū)動電機減速器5小車總成 6喂料斗 7壓草機構(gòu)總成8分草機構(gòu)總成 9理草板機構(gòu)總成圖1 草簾布草機示意圖Fig1 Straw Auto place Machine Layout布草機由機架、兩組驅(qū)動鏈輪鏈條、驅(qū)動電機減速器、小車總成、6 個喂料斗、6 組壓草機構(gòu)總成、6 組分草機構(gòu)總成及兩組理草板機構(gòu)總成等組成。工作時，小車在鏈輪鏈條帶動下，在布草機內(nèi)部做往復運動;小車上設(shè)有 3 個抓草手和 3 個抓草手上板，每個抓草手由兩個氣缸協(xié)同推動，做往復擺動，擺動角度為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2112019 年4 月 農(nóng) 機 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;壓草針有獨立的氣缸驅(qū)動，達到規(guī)定位置時向下移動或向上移動;理草板是用來整理布放到編織機上的稻草秸稈，使其更加整齊，在氣缸的驅(qū)動下做往復運動;壓草總成做圓弧擺動，在分草時向喂料斗內(nèi)部擺動，壓緊喂料斗下部物料，保證物料密實度的一致性;抓草時，向喂料斗外部擺動，使抓草手抽取物料時省力，降低功耗。12 工作原理工作時，兩側(cè)的喂料斗中水平放置適量的水稻秸稈，當小車總成移動到左側(cè)極限抓取到物料時，右側(cè)的壓草爪總成動作，把喂料斗下部物料向下壓實，右側(cè)的分草針總成動作，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;小車總成開始向右側(cè)移動，當移動到放草位置時，松開抓取的物料，布放到編織機的右側(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。當小車總成到達右測極限時，從右側(cè)喂料斗中抓取物料，左側(cè)的壓草爪總成動作，把喂料斗下部物料壓實，左側(cè)的分草針總成動作，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;小車總成開始向左側(cè)移動，當移動到放草位置時，松開抓取的物料，布放到編織機的左側(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，到達極限時，從左側(cè)喂料斗中抓取物料，右側(cè)壓草總成、分草總成、理草板總成做好準備。如此循環(huán)，實現(xiàn)機器布草替代人工布草。2 主要工作部件的設(shè)計21 小車總成的設(shè)計小車總成是從布草機兩側(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的擺動且有4 個停留位置。當小車總成從左側(cè)喂料斗抓取物料后向右運動到達右側(cè)放草位置時，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;當抓草手上板進入到料斗時，抓草手開始上擺，小車總成運動到右極限位置時，抓草手擺動到圖 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，到達左側(cè)放草位置時，抓草手下擺到如圖 2( c) 所示位置，放下物料，繼續(xù)左移;當抓草手上板進入到左側(cè)料斗時，抓草手開始上擺，小車總成運動到左極限位置，抓草手擺動到圖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，中間的抓草手放草時間比兩側(cè)的抓草手放草時間提前。1氣缸安裝支架 2抓草手驅(qū)動氣缸 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 分草機構(gòu)的設(shè)計分草機構(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分草針總成導軌移動組件 7分草針總成導向件 8壓草針圖4 分草機構(gòu)示意圖Fig4 Straw Separate Component Layout3112019 年4 月 農(nóng) 機 化 研 究 第4 期23 壓草機構(gòu)的設(shè)計壓草機構(gòu)是為了保證分草機構(gòu)分草的量保持一致，由驅(qū)動軸、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)動軸 4連桿 5壓草爪圖5 壓草機構(gòu)示意圖Fig5 Straw compress component layout壓草機構(gòu)的工作在分草機構(gòu)工作之前，電機通過曲柄擺桿機構(gòu)帶動擺臂做一定角度的擺動，擺臂通過連桿推動壓草爪進行擺動;1 個喂料斗需要兩個壓草爪，連桿向上移動時，壓草爪向喂料斗內(nèi)部擺動，壓下喂料斗下部的物料;當分草針插入到喂料斗時，壓草爪向外擺動，完全退出喂料斗。3 氣動系統(tǒng)設(shè)計布草機氣動系統(tǒng)主要由抓草手氣動回路、壓草針與理草板氣動回路、分草針氣動回路、氣源及氣源處理回路組成，如圖6 所示。1抓草手氣動回路 2壓草針與理草板氣動回路3分草針氣動回路 4氣源及氣源處理回路圖6 氣動系統(tǒng)原理圖Fig6 Pneumatic Component Drive Functional Diagram每個抓草手由兩個氣缸驅(qū)動，在五位三通電磁閥控制下，實現(xiàn)抓草手向左或向右擺動，完成抓取或放草動作;兩側(cè)分草針驅(qū)動缸分別由兩位三通電磁閥控制，帶動分草針機構(gòu)沿機架前后移動;兩側(cè)壓草針驅(qū)動氣缸和理草板驅(qū)動氣缸分別由兩位三通電磁閥控制，同時控制3 個壓草驅(qū)動氣缸與理草板驅(qū)動氣缸，配合分草針驅(qū)動氣缸，實現(xiàn)稻草的分出與整理動作。4 生產(chǎn)試驗41 試驗條件NBJ 1 6 草簾自動布草機由灤南縣萬盛機械制造有限公司生產(chǎn)，樣機配套電動機功率為2 0kW、外形尺寸為 3 100mm 3 200mm 1 900mm( 長 寬 高)。該樣機于2017 年4 月在該廠的車間進行了生產(chǎn)試驗，生產(chǎn)草簾240m;于2017 年9 月在現(xiàn)場進行了生產(chǎn)試驗，生產(chǎn)草簾5 400m，如圖7 所示。圖7 生產(chǎn)試驗圖Fig7 Commissioning現(xiàn)場試驗條件如表 1 所示。表1 試驗條件Table 1 Condition of experiment項目 單位 描述稻草秸稈長度 mm 450 800溫度 5 23濕度 % 31 69風力 1 3 級42 試驗方法根據(jù)灤南縣萬盛機械制造有限公司企業(yè)標準 Q/WSJ01 2015( B/13021393 4913 2015)，對自動布草機的布草速度、布草量及生產(chǎn)的草簾的技術(shù)指標進行檢測，同時考察布草機的工作性能及與編織機的匹配程度。43 試驗的結(jié)果與分析生產(chǎn)車間的試驗表明:布草機能夠較好地完成機器布草，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)，從而實現(xiàn)草簾的厚度的調(diào)整?，F(xiàn)場試驗時，布草速度采用15 次/min，分草針的高度分別調(diào)4112019 年4 月 農(nóng) 機 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。該機在現(xiàn)場試驗時，主要存在以下問題:布草機在布草時，稻草秸稈在運送過程中發(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，同時由于理草板在整理過程中與稻草秸稈根部有摩擦，造成根部運送速度較慢。后期將對理草板的結(jié)構(gòu)、運動和編織機運送機構(gòu)進行研究改進，以進一步提高整機的性能。布草機與編織機的匹配調(diào)整需要停機，未能實現(xiàn)智能化匹配。5 結(jié)論1)研制了草簾自動布草機，由小車總成機構(gòu)、分草機構(gòu)、壓草機構(gòu)聯(lián)動配合，實現(xiàn)了稻草秸稈的自動布草，可以代替人工布草。生產(chǎn)試驗表明:該機生產(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)速度達到了180m/h，減少用工4 6 人，改善了工作環(huán)境，降低了勞動強度，在國內(nèi)外屬于首創(chuàng)。參考文獻:1 李飛躍，汪建飛中國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)工程學報，2013，29( 14):172 卜毓堅，屠乃美，劉文，等 我國農(nóng)作物秸稈綜合利用現(xiàn)狀及其技術(shù)進展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械發(fā)展關(guān)系的思考J中國農(nóng)機化，2011(2):28 334 石磊，趙由才，柴曉利 我國農(nóng)作物秸稈的綜合利用技術(shù)進展J中國沼氣，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 agriculture5112019 年4 月 農(nóng) 機 化 研 究 第4 期