草帘自动布草机的研制与试验

邓春岩，杨 阳，程 辉，李彤宇，杨志刚，陈立东，曹宏伟

(1.河北科技师范学院 机电工程学院，河北 秦皇岛 066004；2.清华大学 深圳研究生院，广东 深圳 518055；3.滦南县万盛机械制造有限公司，河北 滦南 063500)

0 引言

水稻秸秆是我国第一大作物的秸秆。据估算，2010年我国水稻秸秆的总量为1.9亿t[1]，其主要用于造纸、还田、饲料、肥料、生物质能源及加工成草制品等[2-4]；但是，也有相当一部分没有得到利用，甚至被焚烧(达到0.44亿t[1])，占总量的23%以上，既污染了大气，也违反《中华人民共和国大气污染防治法》。因此，加大水稻秸秆的综合利用，变废为宝，其发展空间还非常巨大。

设施农业现已成为我国农业的一个重要支柱，发展非常迅猛。到2015年，我国设施蔬菜规模超过333.3万hm2[5]，其越冬保温的主体材料为水稻编织的草帘。虽然有保温被等替代草帘的产品，但由于价格较高、吸水率高、保温性能较差，尚难以广泛应用。因此，草帘的市场需求空间巨大。

目前，我国草帘编织机生产厂家分布比较分散，规模较小，主要分布在河北、山东、河南及辽宁等，且产品技术一致性较强，虽然实现了编织环节的自动化，但是铺草环节仍需人工操作，用工量大，生产的草帘一致性差。因此，亟需研发出自动化程度更高的草帘编织设备。

1 总体结构与工作原理

1.1 总体结构

草帘自动布草机的总体结构如图1所示。

1.编织机 2.布草机机架 3.链轮链条 4.布草机驱动电机减速器 5.小车总成 6.喂料斗 7.压草机构总成 8.分草机构总成 9.理草板机构总成

布草机由机架、两组驱动链轮链条、驱动电机减速器、小车总成、6个喂料斗、6组压草机构总成、6组分草机构总成及两组理草板机构总成等组成。工作时，小车在链轮链条带动下，在布草机内部做往复运动；小车上设有3个抓草手和3个抓草手上板，每个抓草手由两个气缸协同推动，做往复摆动，摆动角度为180°；分草总成由3颗针组成，第1颗针为托草针，第2颗针为分草针，第3颗针为压草针，压草针隐藏在分草针内，托草针与分草针之间有一定距离，此距离为每次分草厚度；压草针有独立的气缸驱动，达到规定位置时向下移动或向上移动；理草板是用来整理布放到编织机上的稻草秸秆，使其更加整齐，在气缸的驱动下做往复运动；压草总成做圆弧摆动，在分草时向喂料斗内部摆动，压紧喂料斗下部物料，保证物料密实度的一致性；抓草时，向喂料斗外部摆动，使抓草手抽取物料时省力，降低功耗。

1.2 工作原理

工作时，两侧的喂料斗中水平放置适量的水稻秸秆，当小车总成移动到左侧极限抓取到物料时，右侧的压草爪总成动作，把喂料斗下部物料向下压实，右侧的分草针总成动作，分出一定量物料，理草板总成在外部位置，等待小车总成放草；小车总成开始向右侧移动，当移动到放草位置时，松开抓取的物料，布放到编织机的右侧，理草板迅速内移，把布放的物料拍齐，迅速回撤，等待下一次放草。当小车总成到达右测极限时，从右侧喂料斗中抓取物料，左侧的压草爪总成动作，把喂料斗下部物料压实，左侧的分草针总成动作，分出一定量物料，理草板总成在外部位置，等待小车总成放草；小车总成开始向左侧移动，当移动到放草位置时，松开抓取的物料，布放到编织机的左侧，理草板迅速内移，把布放的物料拍齐，迅速回撤，等待下一次放草；小车总成继续向左移动，到达极限时，从左侧喂料斗中抓取物料，右侧压草总成、分草总成、理草板总成做好准备。如此循环，实现机器布草替代人工布草。

2 主要工作部件的设计

2.1 小车总成的设计

小车总成是从布草机两侧的喂料斗中抓取一定量的物料，然后按要求布放到编织机的指定位置，其工作原理如图2所示。根据布草的方法和抓放草的需要，抓草手2需做180°的摆动且有4个停留位置。

当小车总成从左侧喂料斗抓取物料后向右运动到达右侧放草位置时，抓草手下摆到如图2(a)所示位置，放下稻草秸秆，继续右移；当抓草手上板进入到料斗时，抓草手开始上摆，小车总成运动到右极限位置时，抓草手摆动到图2(b)所示位置，抓紧稻草秸秆；小车总成左移，从料斗中抽出物料，到达左侧放草位置时，抓草手下摆到如图2(c)所示位置，放下物料，继续左移；当抓草手上板进入到左侧料斗时，抓草手开始上摆，小车总成运动到左极限位置，抓草手摆动到图2(d)所示位置，抓紧稻草秸秆，然后回移。

1.抓草手上板 2.抓草手 3.气缸A 4.气缸B 5.偏置摆臂

小车总成由3组抓草手组成，其结构布置如图3所示。工作时，中间的抓草手放草时间比两侧的抓草手放草时间提前。

1.气缸安装支架 2.抓草手驱动气缸 3.电磁控制阀 4.小车支架 5.抓草手 6.抓草手上板

2.2 分草机构的设计

分草机构是从喂料斗中分出一定量的物料，以便于抓草手抓取物料，其结构如图4所示。

1.分草总成导轨支撑轴 2.气缸A 3.托草针 4.分草针 5.气缸B 6.分草针总成导轨移动组件 7.分草针总成导向件 8.压草针

2.3 压草机构的设计

压草机构是为了保证分草机构分草的量保持一致，由驱动轴、摆臂、连杆和压草爪组成，如图5所示。

1.喂料斗 2.摆臂 3.驱动轴 4.连杆 5.压草爪

压草机构的工作在分草机构工作之前，电机通过曲柄摆杆机构带动摆臂做一定角度的摆动，摆臂通过连杆推动压草爪进行摆动；1个喂料斗需要两个压草爪，连杆向上移动时，压草爪向喂料斗内部摆动，压下喂料斗下部的物料；当分草针插入到喂料斗时，压草爪向外摆动，完全退出喂料斗。

3 气动系统设计

布草机气动系统主要由抓草手气动回路、压草针与理草板气动回路、分草针气动回路、气源及气源处理回路组成，如图6所示。

1.抓草手气动回路 2.压草针与理草板气动回路 3.分草针气动回路 4.气源及气源处理回路

每个抓草手由两个气缸驱动，在五位三通电磁阀控制下，实现抓草手向左或向右摆动，完成抓取或放草动作；两侧分草针驱动缸分别由两位三通电磁阀控制，带动分草针机构沿机架前后移动；两侧压草针驱动气缸和理草板驱动气缸分别由两位三通电磁阀控制，同时控制3个压草驱动气缸与理草板驱动气缸，配合分草针驱动气缸，实现稻草的分出与整理动作。

4 生产试验

4.1 试验条件

NBJ-1.6草帘自动布草机由滦南县万盛机械制造有限公司生产，样机配套电动机功率为2.0kW、外形尺寸为 3 100mm×3 200mm×1 900mm(长×宽×高)。该样机于2017年4月在该厂的车间进行了生产试验，生产草帘240m；于2017年9月在现场进行了生产试验，生产草帘5 400m，如图7所示。

图7 生产试验图Fig.7 Commissioning

现场试验条件如表 1所示。

表1 试验条件Table 1 Condition of experiment

4.2 试验方法

根据滦南县万盛机械制造有限公司企业标准Q/WSJ01-2015(B/13021393-4913-2015)，对自动布草机的布草速度、布草量及生产的草帘的技术指标进行检测，同时考察布草机的工作性能及与编织机的匹配程度。

4.3 试验的结果与分析

生产车间的试验表明：布草机能够较好地完成机器布草，布草速度在12～16次/min之间可调；调整分草针的高度实现布草量的调节，调整范围在15～65mm范围内，从而实现草帘的厚度的调整。现场试验时，布草速度采用15次/min，分草针的高度分别调整为35、45、30mm，草帘的宽度为1 600mm，平均厚度34.6mm，生产速度达到180m/h，生产的草帘的均匀性、平整度均优于人工铺草生产的草帘。

该机在现场试验时，主要存在以下问题：①布草机在布草时，稻草秸秆在运送过程中发生倾斜。原因可能是由于稻草的根部与顶部质量不同，轻的部分速度较快，同时由于理草板在整理过程中与稻草秸秆根部有摩擦，造成根部运送速度较慢。后期将对理草板的结构、运动和编织机运送机构进行研究改进，以进一步提高整机的性能。②布草机与编织机的匹配调整需要停机，未能实现智能化匹配。

5 结论

1)研制了草帘自动布草机，由小车总成机构、分草机构、压草机构联动配合，实现了稻草秸秆的自动布草，可以代替人工布草。

生产试验表明：该机生产幅宽1 600mm的草帘，厚度的均匀性≤18.87%，一致性好，表面平整，优于人工布草。其生产速度达到了180m/h，减少用工4～6人，改善了工作环境，降低了劳动强度，在国内外属于首创。