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摘要 针对我国现有圆草捆包膜机无法针对不同规格圆捆机所打圆草捆进行调节作业且调节范围小等问题，设计了转臂式圆草捆包膜机。依据二次回归正交旋转组合试验设计理论，以影响其工作性能的主要因素转臂转速、转臂与托辊速比和拉伸膜预紧力为试验因素，以包膜时间、拉伸膜消耗量作为评价指标，进行了试验研究。结果表明，当转臂转速为32.4 r/min、转臂与托辊速比为2.6、拉伸膜预紧力为23 N时，包膜时间为34 s/捆、拉伸膜消耗量为3.1 kg/t。该研究结果可为圆草捆包膜机的研发提供参考。
关键词 圆草捆；包膜机；转臂
中图分类号 S225.4 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2018）04-0144-02
Abstract Because the existing round bale coated machine can′t be suitable to different specifications of the baler，the jib type coated machine for round bale is designed.Based on the theory of quadratic regression orthogonal rotation combination test design，the main factors of the turning arm speed，speed ratio of the turning arm to the roller and stretch film pre-tightening force were selected as test factors，with coated time and stretch film as evaluation indexes，then the experiment was carried out. Experimental results showed that when turning arm speed was 32.4 r/min，derrick and roll speed ratio was 2.6，stretch film pre-tightening force was 23 N，the coated time could reach 34 s/bale，and stretch film consumption was 3.1 kg/t.The research results can provide references for round bale coated machine research.
Key words round bale；coated machine；jib arm
我国现有圆捆机所收获的草捆尺寸主要为直径0.5～1.0 m、长度0.75～1.00 m，但国内现有圆捆包膜设备不能完全满足其包膜作业。因此，研究适于我国需要的包膜设备非常必要。
畜牧业发达的国家于20世纪80年代中期开始发展圆草捆包膜机，现已形成系列化产品，并已趋向大型化、自动化、打捆包膜一体化。我国对圆捆包膜机的研究起步相对较晚，目前国内学者对圆捆包膜机做了大量应用研究，如李传峰等[1]对圆草捆包膜机进行了设计及性能试验，杜 韧等[2]对圆草捆包膜机进行了设计与研究，但主要是针对转台式圆捆包膜机进行的研究。
为此，本文设计了转臂式圆草捆包膜机，并对此种包膜机进行试验研究，以期为圆草捆包膜机的研发提供参考。
1 转臂式圆草捆包膜机总体结构
转臂式圆草捆包膜机主要由主机架、托辊机构、转臂包膜机构、传动机构等组成，整机尺寸为1 900 mm×1 100 mm×2 000 mm，适于直径0.5 m～1.0 m、长度0.5 m～1.0 m的圆草捆包膜，其结构如图1所示。
包膜时，托辊机构利用托辊与圆草捆之间的摩擦力带动圆草捆转动，同时转臂包膜机构带动供膜装置绕圆草捆进行旋转，上述2个机构的复合运动使拉伸膜均匀缠绕在圆草捆上，当达到预定包膜层数后，切断拉伸膜。
2 转臂式圆草捆包膜机试验
2.1 试验材料
本文选Φ500 mm×750 mm的圆草捆作为试验材料[21]，在含水量为14%时的质量为24 kg。拉伸膜采用专用塑料拉伸膜，厚为0.025 mm、宽为250 mm，经万能试验机拉伸试验测得其承受最大拉伸力為32 N。
2.2 试验因素及评价指标分析
2.2.1 试验因素及其取值范围。根据上述分析和预试验，本文选取转臂转速（A）、转臂与托辊速比（B）、拉伸膜预紧力（C）作为试验因素。
由前期试验和分析可知，当转臂转速高于35 r/min时，会出现包膜过程不稳定现象；拉伸膜易损坏，当转臂转速低于8 r/min时，生产率极低。因此，将转臂转速的取值范围设为8～35 r/min。当转臂与托辊速比低于1.3时，包裹在圆草捆上的2圈拉伸膜之间不能重叠，包膜完成后易出现包膜厚度不均匀、密封性差的现象；当转臂与托辊速比大于4.7时，拉伸膜的重叠率会达到60%，此时包膜密封性好，但会造成拉伸膜的浪费。因此，将转臂与托辊速比的取值范围设为1.3～4.7。当拉伸膜预紧力超过23 N时，在包膜过程中容易出现断膜现象，并考虑包膜紧实度和圆草捆稳定性[3]。因此，将拉伸膜预紧力的取值范围设为6～23 N。
2.2.2 评价指标及测试方法。通过预试验，确定本文试验评价指标如下。
（1）包膜时间（T）。试验过程中测得并记录圆草捆完成包膜所需时间（按4层计算）。
（2）拉伸膜消耗量（G）。拉伸膜消耗量是完成一次包膜（按4层计算）所需拉伸膜的质量与圆草捆的实际质量之间的比值。拉伸膜消耗量计算公式为： G=■（1）
式中：G为拉伸膜消耗量，kg/t；G1为拉伸膜质量，kg；G2为被测圆草捆质量，t。
2.3 试验方案
依据二次回归正交旋转组合设计理论，以转臂转速（A）、转臂与托辊速比（B）、拉伸膜预紧力（C）为试验因素，以包膜时间（T）、拉伸膜消耗量（G）为评价指标。试验因素水平编码见表1。
2.4 结果与分析
2.4.1 试验结果。将试验方案中23组试验各重复5次，结果取其平均值，运用Design-Expert軟件进行分析，得出转臂速度（A）、转臂与托辊速比（B）、拉伸膜预紧力（C）的回归模型。基于各指标回归模型显著性分析结果，剔除不显著项，获取各因素编码值与包膜时间（T）、拉伸膜消耗量（G）的回归模型，分别如式（2）、（3）所示。
T=51.03-19.9A 14.82B-6.41AB 6.96A2（2）
G=4.41-0.2A 1.26B-0.37C-0.21BC-0.16B2（3）
2.4.2 响应曲面分析。由具体试验结果可以看出，转臂转速（A）和转臂与托辊速比（B）对包膜时间的影响显著，转臂与托辊速比（B）与拉伸膜预紧力（C）对拉伸膜消耗量的影响显著，运用Design-Expert软件得出响应曲面图，具体如图2所示。
图2（a）为转臂转速和转臂与托辊速比交互作用对包膜时间的响应曲面图。可知，增加转臂转速和减小转臂与托辊速比有助于降低包膜时间。主要原因为转臂转速增大，包膜效率提高，包膜时间减小；转臂与托辊速比减小，包膜重叠率变小，圆草捆单层包膜所需时间减小，造成包膜时间降低。在试验范围内，当转臂转速取最大值、转臂与托辊速比取最小值时，包膜时间达到最小值[4-5]。
图2（b）为拉伸膜预紧力和转臂与托辊速比交互作用对拉伸膜消耗量的响应曲面图。可知，减小转臂与托辊速比和增加拉伸膜预紧力有助于降低拉伸膜消耗量；主要原因为：转臂与托辊速比减小，包膜重叠率变小，圆草捆包单层所需的拉伸膜降低，包膜层数不变时，拉伸膜消耗量降低；拉伸膜预紧力增加，包膜时拉伸膜形变越大，紧实度也越高，重叠率和包膜层数不变时，拉伸膜消耗量降低。在试验范围内，当转臂与托辊速比取最小值、拉伸膜预紧力取最大值时，拉伸膜消耗量达到最小值[6]。
2.5 参数优化
根据预试验可知，当圆草捆包膜重叠率为30%～50%时，包裹密封性能达到很好的效果，其对应的转臂与托辊速比为2.6～3.6。借助优化回归模型，以转臂转速（A）、转臂与托辊速比（B）、拉伸膜预紧力（C）的取值范围为约束条件，以包膜时间（T）最少、拉伸膜消耗量（G）最少为优化目标，进行包膜机参数优化，其目标函数如式（4）所示。
F=[min（T），min（G）]（4）
优化条件：8 3 结论
（1）本文设计的转臂式包膜机能有效完成圆草捆包膜作业。
（2）利用转臂式圆草捆包膜机进行试验，以转臂转速、转臂与托辊速比、拉伸膜预紧力为试验因素，以包膜时间、拉伸膜消耗量为评价指标，确定了转臂式圆草捆包膜机的最优参数组合：转臂转速为32.4 r/min，转臂与托辊速比为2.6，拉伸膜预紧力为23 N。按此参数组合测得的包膜时间为34 s/捆，拉伸膜消耗量3.1 kg/t。
4 参考文献
[1] 李传峰，周岭，王红飙.青饲料贮存工艺及草捆打包机的设计[J].农机化研究，2012，5（6）：73-76.
[2] 杜韧，马秋生，潘艳波，等.圆草捆缠膜机的设计与研究[J].华北航天工业学院学报，2005，15（2）：1-2.
[3] 沙文峰，朱娟，姜慧峰.稻草拉伸膜裹包青贮效果分析[J].饲草业机械化，2015，4（119）：16-18.
[4] 白春生，玉柱，薛艳林，等.裹包层数对苜蓿拉伸膜裹包青贮品质的影响[J].草地学报，2007，15（1）： 39-42.
[5] 梁欢，左福元，袁扬，等.拉伸膜裹包青贮技术研究进展[J].草地学报，2014，22（1）：16-21.
[6] 刘晓，侯加林，李文，等.青贮圆捆包膜机的设计[J].中国农机化学报，2017，38（8）：34-38.
关键词 圆草捆；包膜机；转臂
中图分类号 S225.4 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2018）04-0144-02
Abstract Because the existing round bale coated machine can′t be suitable to different specifications of the baler，the jib type coated machine for round bale is designed.Based on the theory of quadratic regression orthogonal rotation combination test design，the main factors of the turning arm speed，speed ratio of the turning arm to the roller and stretch film pre-tightening force were selected as test factors，with coated time and stretch film as evaluation indexes，then the experiment was carried out. Experimental results showed that when turning arm speed was 32.4 r/min，derrick and roll speed ratio was 2.6，stretch film pre-tightening force was 23 N，the coated time could reach 34 s/bale，and stretch film consumption was 3.1 kg/t.The research results can provide references for round bale coated machine research.
Key words round bale；coated machine；jib arm
我国现有圆捆机所收获的草捆尺寸主要为直径0.5～1.0 m、长度0.75～1.00 m，但国内现有圆捆包膜设备不能完全满足其包膜作业。因此，研究适于我国需要的包膜设备非常必要。
畜牧业发达的国家于20世纪80年代中期开始发展圆草捆包膜机，现已形成系列化产品，并已趋向大型化、自动化、打捆包膜一体化。我国对圆捆包膜机的研究起步相对较晚，目前国内学者对圆捆包膜机做了大量应用研究，如李传峰等[1]对圆草捆包膜机进行了设计及性能试验，杜 韧等[2]对圆草捆包膜机进行了设计与研究，但主要是针对转台式圆捆包膜机进行的研究。
为此，本文设计了转臂式圆草捆包膜机，并对此种包膜机进行试验研究，以期为圆草捆包膜机的研发提供参考。
1 转臂式圆草捆包膜机总体结构
转臂式圆草捆包膜机主要由主机架、托辊机构、转臂包膜机构、传动机构等组成，整机尺寸为1 900 mm×1 100 mm×2 000 mm，适于直径0.5 m～1.0 m、长度0.5 m～1.0 m的圆草捆包膜，其结构如图1所示。
包膜时，托辊机构利用托辊与圆草捆之间的摩擦力带动圆草捆转动，同时转臂包膜机构带动供膜装置绕圆草捆进行旋转，上述2个机构的复合运动使拉伸膜均匀缠绕在圆草捆上，当达到预定包膜层数后，切断拉伸膜。
2 转臂式圆草捆包膜机试验
2.1 试验材料
本文选Φ500 mm×750 mm的圆草捆作为试验材料[21]，在含水量为14%时的质量为24 kg。拉伸膜采用专用塑料拉伸膜，厚为0.025 mm、宽为250 mm，经万能试验机拉伸试验测得其承受最大拉伸力為32 N。
2.2 试验因素及评价指标分析
2.2.1 试验因素及其取值范围。根据上述分析和预试验，本文选取转臂转速（A）、转臂与托辊速比（B）、拉伸膜预紧力（C）作为试验因素。
由前期试验和分析可知，当转臂转速高于35 r/min时，会出现包膜过程不稳定现象；拉伸膜易损坏，当转臂转速低于8 r/min时，生产率极低。因此，将转臂转速的取值范围设为8～35 r/min。当转臂与托辊速比低于1.3时，包裹在圆草捆上的2圈拉伸膜之间不能重叠，包膜完成后易出现包膜厚度不均匀、密封性差的现象；当转臂与托辊速比大于4.7时，拉伸膜的重叠率会达到60%，此时包膜密封性好，但会造成拉伸膜的浪费。因此，将转臂与托辊速比的取值范围设为1.3～4.7。当拉伸膜预紧力超过23 N时，在包膜过程中容易出现断膜现象，并考虑包膜紧实度和圆草捆稳定性[3]。因此，将拉伸膜预紧力的取值范围设为6～23 N。
2.2.2 评价指标及测试方法。通过预试验，确定本文试验评价指标如下。
（1）包膜时间（T）。试验过程中测得并记录圆草捆完成包膜所需时间（按4层计算）。
（2）拉伸膜消耗量（G）。拉伸膜消耗量是完成一次包膜（按4层计算）所需拉伸膜的质量与圆草捆的实际质量之间的比值。拉伸膜消耗量计算公式为： G=■（1）
式中：G为拉伸膜消耗量，kg/t；G1为拉伸膜质量，kg；G2为被测圆草捆质量，t。
2.3 试验方案
依据二次回归正交旋转组合设计理论，以转臂转速（A）、转臂与托辊速比（B）、拉伸膜预紧力（C）为试验因素，以包膜时间（T）、拉伸膜消耗量（G）为评价指标。试验因素水平编码见表1。
2.4 结果与分析
2.4.1 试验结果。将试验方案中23组试验各重复5次，结果取其平均值，运用Design-Expert軟件进行分析，得出转臂速度（A）、转臂与托辊速比（B）、拉伸膜预紧力（C）的回归模型。基于各指标回归模型显著性分析结果，剔除不显著项，获取各因素编码值与包膜时间（T）、拉伸膜消耗量（G）的回归模型，分别如式（2）、（3）所示。
T=51.03-19.9A 14.82B-6.41AB 6.96A2（2）
G=4.41-0.2A 1.26B-0.37C-0.21BC-0.16B2（3）
2.4.2 响应曲面分析。由具体试验结果可以看出，转臂转速（A）和转臂与托辊速比（B）对包膜时间的影响显著，转臂与托辊速比（B）与拉伸膜预紧力（C）对拉伸膜消耗量的影响显著，运用Design-Expert软件得出响应曲面图，具体如图2所示。
图2（a）为转臂转速和转臂与托辊速比交互作用对包膜时间的响应曲面图。可知，增加转臂转速和减小转臂与托辊速比有助于降低包膜时间。主要原因为转臂转速增大，包膜效率提高，包膜时间减小；转臂与托辊速比减小，包膜重叠率变小，圆草捆单层包膜所需时间减小，造成包膜时间降低。在试验范围内，当转臂转速取最大值、转臂与托辊速比取最小值时，包膜时间达到最小值[4-5]。
图2（b）为拉伸膜预紧力和转臂与托辊速比交互作用对拉伸膜消耗量的响应曲面图。可知，减小转臂与托辊速比和增加拉伸膜预紧力有助于降低拉伸膜消耗量；主要原因为：转臂与托辊速比减小，包膜重叠率变小，圆草捆包单层所需的拉伸膜降低，包膜层数不变时，拉伸膜消耗量降低；拉伸膜预紧力增加，包膜时拉伸膜形变越大，紧实度也越高，重叠率和包膜层数不变时，拉伸膜消耗量降低。在试验范围内，当转臂与托辊速比取最小值、拉伸膜预紧力取最大值时，拉伸膜消耗量达到最小值[6]。
2.5 参数优化
根据预试验可知，当圆草捆包膜重叠率为30%～50%时，包裹密封性能达到很好的效果，其对应的转臂与托辊速比为2.6～3.6。借助优化回归模型，以转臂转速（A）、转臂与托辊速比（B）、拉伸膜预紧力（C）的取值范围为约束条件，以包膜时间（T）最少、拉伸膜消耗量（G）最少为优化目标，进行包膜机参数优化，其目标函数如式（4）所示。
F=[min（T），min（G）]（4）
优化条件：8
（1）本文设计的转臂式包膜机能有效完成圆草捆包膜作业。
（2）利用转臂式圆草捆包膜机进行试验，以转臂转速、转臂与托辊速比、拉伸膜预紧力为试验因素，以包膜时间、拉伸膜消耗量为评价指标，确定了转臂式圆草捆包膜机的最优参数组合：转臂转速为32.4 r/min，转臂与托辊速比为2.6，拉伸膜预紧力为23 N。按此参数组合测得的包膜时间为34 s/捆，拉伸膜消耗量3.1 kg/t。
4 参考文献
[1] 李传峰，周岭，王红飙.青饲料贮存工艺及草捆打包机的设计[J].农机化研究，2012，5（6）：73-76.
[2] 杜韧，马秋生，潘艳波，等.圆草捆缠膜机的设计与研究[J].华北航天工业学院学报，2005，15（2）：1-2.
[3] 沙文峰，朱娟，姜慧峰.稻草拉伸膜裹包青贮效果分析[J].饲草业机械化，2015，4（119）：16-18.
[4] 白春生，玉柱，薛艳林，等.裹包层数对苜蓿拉伸膜裹包青贮品质的影响[J].草地学报，2007，15（1）： 39-42.
[5] 梁欢，左福元，袁扬，等.拉伸膜裹包青贮技术研究进展[J].草地学报，2014，22（1）：16-21.
[6] 刘晓，侯加林，李文，等.青贮圆捆包膜机的设计[J].中国农机化学报，2017，38（8）：34-38.