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摘 要： 摘要:為研究在開式壓縮過程中，棉稈物理特征參數(棉稈含水率、棉稈切斷長度)和壓捆機構的工藝參數(棉稈喂入量、壓縮活塞頻率)與棉稈壓捆時的功率消耗、壓縮活塞拉壓力、壓縮室壓力和壓捆密度的關系，設計了一種基于側喂入打捆機的壓捆試驗平臺及其測試系統。
摘要:為研究在開式壓縮過程中，棉稈物理特征參數(棉稈含水率、棉稈切斷長度)和壓捆機構的工藝參數(棉稈喂入量、壓縮活塞頻率)與棉稈壓捆時的功率消耗、壓縮活塞拉壓力、壓縮室壓力和壓捆密度的關系，設計了一種基于側喂入打捆機的壓捆試驗平臺及其測試系統。通過對打捆機的改造，在主軸處添加扭矩傳感器、曲柄滑塊機構的連桿處添加拉壓傳感器、壓縮室處添加壓力傳感器，使其能夠一次性實時檢測棉稈在開式壓縮過程中打捆機主要零部件的運動學及動力學參數，并通過數據采集系統將試驗數據以Excel表格和波形圖的形式保存下來。分別進行單因素和多因素正交試驗，單因素試驗結果表明:棉稈切斷長度為25cm、喂入量為3.5kg/s、壓縮頻率為90Hz、含水率為30%時，壓捆功率消耗、壓縮活塞拉壓力和壓縮室壓力相對較小，且壓捆密度相對較大。多因素正交試驗結果表明:各因素對壓縮活塞拉壓力和壓縮室壓力影響最大的是棉稈切斷長度，其次為含水率，喂入量和壓縮頻率對其的影響差不多;各因素對壓捆密度影響程度從大到小依次為含水率、棉稈切斷長度、壓縮頻率、喂入量，且當含水率為30%、喂入量為2.5kg/s、壓縮頻率為90Hz、棉稈切斷長度為20cm時，棉稈壓捆密度最好。
關鍵詞:棉稈;壓捆;壓捆試驗平臺;力學特性;運動學參數;測試系統
引言
農作物秸稈壓捆作業是打捆機具田間作業的一項重要工序，它與農作物秸稈物理特征參數和壓捆機構工藝參數的關系直接影響秸稈收獲的效率和收儲運成本。農作物秸稈壓捆試驗參數是衡量秸稈壓捆作業的重要指標，但采用打捆機直接進行田間作業獲取壓捆試驗參數時，存在收獲季節性強、田間種植情況差異大、試驗重復性大和采集的數據精度不高等問題[1-2]。因此，為獲得高精度的秸稈壓捆試驗參數，一些學者研制了壓捆試驗平臺及其測試系統，并對稻麥、牧草等作物秸稈進行了壓捆試驗研究[3-6]，得出了影響該物料的影響機理。
目前，研究農作物秸稈物理特征參數和壓捆機構的工藝參數與壓捆時的運動學和動力學參數的關系的方式主要分為“閉式壓縮”和“開式壓縮”[7]。國內外學者大多采用“閉式壓縮”方式研究牧草等的壓縮特性，得出了部分經驗公式及結論[8-11]。但是，農作物實際壓捆作業中采用的是“開式壓縮”方式，“閉式壓縮”與實際生產過程有較大差異。因此，內蒙古農業大學楊明韶等將苜蓿、稻麥、牧草等作為研究對象開展了一系列的“開式壓縮”試驗研究，并得出了開式壓縮的壓縮力-密度數學模型、牧草在壓縮室內不同位置的壓縮力與壓縮時間之間的關系，以及草片在壓縮全過程承受最大壓縮力的變化規律等[12-16]。以上研究多數采用桶式壓縮室或液壓驅動的活塞，而實際打捆機采用的是方形壓縮室和機械驅動的活塞，因此研究結論與實際生產存在一定偏差;研究對象為苜蓿、稻麥、牧草等軟質農作物秸稈[17-18]，而棉稈作為一種木質素含量較高的硬質農作物秸稈，力學性能不同于軟質農作物秸稈，硬度和剛度均比稻麥和牧草大[19]。
為此，設計了一種基于側喂入打捆機的壓捆試驗平臺及其測試系統，通過采集棉稈在實際壓捆過程中的功率消耗、壓縮活塞拉壓力和壓縮室壓力，開展棉稈壓捆機理的基礎性研究，綜合分析影響棉稈壓捆質量的影響機理，為棉稈壓捆作業和棉稈壓捆新機具的研發提供理論支持。
1試驗平臺整體結構及工作原理
1.1整體結構
壓捆試驗平臺及其測試系統主要由物料輸送裝置、動力機架、液壓升降系統、側喂入打捆機及測試系統等組成，如圖1所示。壓捆試驗平臺基于常用的側喂入打捆機，其試驗數據更接近實際的壓捆作業，對棉稈實際壓捆作業更有指導意義。
為了能夠獲取不同棉稈喂入量和壓縮頻率，物料輸送裝置和側喂入打捆機由不同的變頻電機驅動。測試系統主要包括扭矩傳感器、拉壓傳感器、壓縮室壓力傳感器和采集軟件等，可一次性實時采集棉稈壓捆過程的主軸扭矩和轉速、曲柄滑塊機構的拉壓力(壓縮棉稈的壓力)及壓縮室四周的壓力信號，并將試驗數據以Excel表格和波形圖的形式保存下來，便于數據處理和分析。
為了消除棉稈壓捆過程由于側牽引打捆機的振動對試驗數據的影響，在進行試驗之前采用液壓升降系統將動力機架和側喂入打捆機升到同一高度。液壓升降系統主要包括雙作用液壓缸、手動分配閥和電動液壓站。壓捆試驗平臺及其測試系統的主要技術參數，如表1所示。
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1.2工作原理
將預處理的棉稈平鋪到物料輸送裝置上;啟動電動液壓站，控制手動分配閥給雙作用液壓缸供油使其動作將動力機架和側牽引打捆機升到距離地面12cm處;啟動主變頻器，根據所需活塞壓縮頻率設定頻率，啟動輸送變頻器，根據喂入量設定頻率;啟動數據采集軟件，根據采集需要設定參數;啟動主電機和輸送電機，達到規定壓縮頻率和喂入量后，開始采集數據;按數據采集要求采集完數據，先關閉輸送電機，再關閉主電機;最后，將采集的數據進行保存，并統計壓捆密度。壓捆試驗平臺工作流程如圖2所示。
2.2壓縮活塞頻率
側喂入打捆機通過曲柄滑塊機構(見圖3)對棉稈進行壓縮，其壓縮頻率是影響棉稈壓捆質量的另一個重要因素。本研究通過改變主變頻器的頻率改變曲柄滑塊機構的壓縮頻率。根據變頻電機頻率、轉速、主電機主軸與曲柄的轉速比，得出曲柄滑塊機構壓縮頻率與主變頻器頻率之間的關系為
2關鍵參數設計
2.1棉稈喂入量
棉稈喂入量是影響棉稈壓捆質量的一個重要因素，本研究主要通過改變輸送變頻器的頻率改變棉稈喂入量，從而研究棉稈喂入量與壓捆質量之間的關系。根據變頻電機頻率、轉速、輸送輥線速度之間的關系，得出棉稈喂入量與輸送變頻器頻率之間的關系為
2.2壓縮活塞頻率
側喂入打捆機通過曲柄滑塊機構(見圖3)對棉稈進行壓縮，其壓縮頻率是影響棉稈壓捆質量的另一個重要因素。本研究通過改變主變頻器的頻率改變曲柄滑塊機構的壓縮頻率。根據變頻電機頻率、轉速、主電機主軸與曲柄的轉速比，得出曲柄滑塊機構壓縮頻率與主變頻器頻率之間的關系為
3測試系統
由于傳感器輸出的是4～20mA的電流信號，數據采集卡采集模擬電壓信號，之后將其轉變為數字信號輸送給安裝在PC機上的數據采集軟件，實現信號的實時采集。因此，在傳感器和數據采集卡之間并聯100Ω精密電阻，將電流信號轉變為電壓信號。
3.1電機控制系統
電機控制系統主要包括主電機控制和輸送電機控制:主電機控制用來為打捆機主軸提供動力，使打捆機按照指定壓縮頻率完成壓捆作業;輸送電機控制用來為輸送帶提供動力，使輸送帶按照指定線速度將物料輸送到打捆機的喂入口，確保打捆機按指定喂入量進行壓捆作業。電機控制系統箱內安裝有24V直流電源，為傳感器提供激勵電源，確保傳感器能夠正常工作。電機控制系統電控箱如圖5所示。
3.2數據采集系統
數據采集系統主要包括數據采集卡及數據采集軟件:數據采集卡采集傳感器信號，將傳感器的電壓信號轉換成數字信號，便于傳感器信號的可視化顯示;數據采集軟件將采集的數據實現可視化，并自動保存為EXCEL表格，便于數據的后續分析處理，可同時采集15路信號，每路信號可根據采集需要(扭矩、轉速、拉壓力、壓力)進行設置。數據采集軟件界面如圖6所示。
1)扭矩傳感器。為了保證數據采集精度，扭矩傳感器通過彈性聯軸器安裝在主電機主軸上，且同軸度≤0.05mm。根據試驗需要，試驗平臺使用的主電機功率為55kW，主軸轉速最小為300r/min，根據式(3)計算得主軸的最大轉矩為1750.8N·m。因此，選擇量程0～±2000N·m的扭矩傳感器。有
2)拉壓傳感器。本研究將拉壓傳感器安裝在連桿和軸承座之間(見圖3)，用來測量棉稈在壓捆過程中連桿力的變化。為正確選擇拉壓傳感器的量程，本研究采用Adams動力學仿真軟件對曲柄滑塊機構進行動力學仿真[20-22]，得出主電機在額定轉速時，連稈作用力的變化曲線，如圖7所示。為確保拉壓傳感器工作時的安全性，連桿最大作用力為18750N(安全系數1.5)，因此選擇量程0～±2.0T的拉壓傳感器。
3)壓縮室壓力傳感器。為能正確采集棉稈壓捆過程中，壓縮室三維應力變化情況，在壓縮室左右側板對稱安裝3組壓力傳感器(稱為側板壓力傳感器);
上下壓板對稱安裝2組壓力傳感器(稱為壓板壓力傳感器)，且中心線與安裝在側板上的后2組壓力傳感器的中心線位于同一平面內。壓縮室壓力傳感器如圖8所示。
4.1試驗方案
為研究棉稈物理特征參數(棉稈含水率、棉稈切斷長度)和壓捆機構的工藝參數(棉稈喂入量、壓縮活塞頻率)與棉稈壓捆時的運動學和動力學參數的關系，選取棉稈含水率、棉稈切斷長度、棉稈喂入量和壓縮活塞頻率作為試驗變量;將棉稈壓捆密度、消耗功率、壓縮活塞拉壓力和壓板(側板)壓力作為試驗指標，每個試驗變量選取4個試驗水平(見表2)[23]，進行棉稈壓捆的單因素和多因素試驗[24]。試驗時，每組試驗連續壓10個捆，每個捆的數據單獨采集，壓每個捆時的力值取最大值作為壓這個捆時的最終值;最后，取10個捆的平均值作為這組試驗的力值和密度的最終值。
4.2試驗結果與分析
設定上面的壓板為上壓板，在下的壓板為下壓板，面向打捆機分為左右兩側，按照物料沿壓縮室流動的反向分為前后，如圖11所示。因此，壓板壓力傳感器分為上前、上后、下前及下后4個壓板壓力傳感器;側板壓力傳感器分為右前、右中、右后、左前、左中及左后6個壓板壓力傳感器。
4.2.1單因素試驗
采用控制變量法進行單因素試驗時，固定含水率(15%)、喂入量(2.5kg/s)、壓縮頻率(80Hz)、切斷長度(20cm)的其中3個及另一個在確定的試驗水平中變化。
1)含水率15%、喂入量2.5kg/s、壓縮頻率80Hz時，棉稈切斷長度變化時的試驗結果如圖12所示。
分析可知:棉稈在壓捆過程中，棉稈捆對上壓板和下壓板的壓力均由前向后增大;對右側板的壓力均為前面最大，中間最小;對左側板的壓力均由前向后逐漸減小;壓捆密度與消耗功率成正相關，且在棉稈切斷長度為30cm時最大;棉稈切斷長度≤25cm時，壓捆密度、消耗功率與棉稈切斷長度成負相關。
由于棉稈切斷長度為25cm時，在壓捆過程中，壓縮室整體壓力、壓縮活塞拉壓力、消耗功率均最小，且壓捆密度相差不大。因此，在其他條件不變時，進行棉稈壓捆，棉稈切斷長度為25cm是比較理想的。
2)含水率15%、壓縮頻率80Hz和切斷長度為20cm時，棉稈喂入量變化時的試驗結果如圖13所示。
分析可知:棉稈在壓捆過程中，棉稈捆對上壓板和下壓板的壓力均由前向后增大;對右側板的壓力均為前面最大，中間最小;對左側板的壓力均由前向后逐漸減小;壓捆密度與消耗功率成正相關，與喂入量成反相關，且在喂入量為1.5kg/s時最大;消耗功率與喂入量成負相關。
由于棉稈喂入量為3.5kg/s時，在壓捆過程中，壓縮室整體壓力、消耗功率均最小，且壓縮活塞拉壓力也比較小，壓捆密度相差不大。因此，在其他條件不變時，進行棉稈壓捆，棉稈喂入量為3.5kg/s是比較理想的。
3)含水率15%、喂入量2.5kg/s和切斷長度為20cm時，壓縮頻率變化時的試驗結果如圖14所示。
分析可知:棉稈在壓捆過程中，棉稈捆對上壓板和下壓板的壓力均由前向后增大;對右側板的壓力均為前面最大，中間最小;對左側板的壓力均由前向后逐漸減小;壓捆密度與消耗功率、喂入量均成反相關，且在壓縮頻率為80Hz時最大;消耗功率與壓縮頻率成正相關。
由于壓縮頻率為90Hz時，在壓捆過程中，消耗功率最小、壓捆密度最大，且壓縮室壓力、壓縮活塞拉壓力也較小。因此，在其他條件不變時，進行棉稈壓捆，壓縮頻率為90Hz是比較理想的。
4)喂入量2.5kg/s、壓縮頻率80Hz和切斷長度為20cm時，含水率變化時的試驗結果如圖15所示
分析可知:棉稈在壓捆過程中，棉稈捆對上壓板和下壓板的壓力均由前向后增大;對右側板的壓力均為前面最大，中間最小;對左側板的壓力均由前向后逐漸減小;壓捆密度與含水率成正相關相關，且在含水率為30%時最大;棉稈含水率≤25%時，壓捆密度與消耗功率成正相關、消耗功率與含水率成正相關;壓縮活塞拉壓力與含水率成正相關。
由于含水率為30%時，在壓捆過程中，消耗功率最小、壓捆密度最大，且壓縮室整體壓力、壓縮活塞拉壓力相差不大。因此，在其他條件不變時，進行棉稈壓捆，含水率為30%是比較理想的。
分析圖12～圖15可知:不管在何種工況條件下，棉稈壓捆過程中，壓縮室左右兩側板前端所受的壓力遠大于中部和后面的壓力。因此，為延長側喂入打捆機的使用壽命，壓縮室左右側板的前端必須使用加強筋進行加強。壓縮室壓力由前向后的變化趨勢與棉稈的切斷長度、喂入量、含水率和壓縮活塞的壓縮頻率無關。
4.2.2多因素試驗
試驗選取了4個因素，每個因素又選取了4個水平(見表2)，如果采用全面試驗法進行試驗，則需要進行256次試驗，將使試驗的工作量很大。因此，為保證多因素試驗的高效性、全面性及準確性，本研究采用4因素4水平的正交試驗設計進行多因素試驗[25]，僅需進行16次試驗。正交試驗設計如表3所示。
根據表3中的試驗因素、水平組合進行多因素正交試驗，得到壓縮活塞拉壓力、壓縮室壓力和壓捆密度的試驗結果，對試驗結果進行極差分析(見表4)，比較各因素對各試驗指標的影響程度(見表5)[26]。
分析表5可知:棉稈壓捆過程中，各因素對壓縮活塞拉壓力和壓縮室壓力影響最大的是棉稈切斷長度，其次為含水率，喂入量和壓縮頻率對其影響差不多;各因素對壓捆密度影響程度從大到小依次為含水率、棉稈切斷長度、壓縮頻率、喂入量。
由于棉稈壓捆密度是衡量棉稈壓捆質量最重要的指標，有必要確定各因素影響棉稈壓捆密度的優組合。
通過計算每個因素的第j個水平的均值[27]，得出:當含水率為30%、喂入量為2.5kg/s、壓縮頻率為90Hz、棉稈切斷長度為20cm時棉稈壓捆密度最好。
5結論
1)設計的壓捆試驗平臺及其測試系統基于常見的側喂入打捆機，可一次性實時采集棉稈壓捆過程的主軸扭矩和轉速、曲柄滑塊機構的拉壓力(壓縮棉稈的壓力)及壓縮室四周的壓力信號，并將試驗數據以Excel表格和波形圖的形式保存下來，便于數據的處理和分析。
2)單因素試驗結果表明:棉稈切斷長度為25cm、喂入量為3.5kg/s、壓縮頻率為90Hz、含水率為30%時，棉稈進行壓捆作業時，功率消耗、壓縮活塞拉壓力和壓縮室壓力相對較小，且壓捆密度相對較大。
3)多因素正交試驗結果表明:各因素對壓縮活塞拉壓力和壓縮室壓力影響最大的是棉稈切斷長度，其次為含水率，喂入量和壓縮頻率對其影響差不多。各因素對壓捆密度影響程度從大到小依次為:含水率、棉稈切斷長度、壓縮頻率、喂入量。
4)試驗結果表明:當含水率為30%、喂入量為2.5kg/s、壓縮頻率為90Hz、棉稈切斷長度為20cm時，棉稈壓捆密度最好。