9YQ-2200S型秸秆方捆打捆机设计与试验

Design and test of 9YQ-2200S crop straw square baler

摘要

目的 饲料化是我国主要农作物秸秆综合利用的重点发展方向，为提高田间饲用秸秆的回收效率和质量，解决常规小型饲草方捆机适用范围小、作业效率低、揉碎质量差和不能有效除尘的问题。 方法 基于秸秆切碎揉搓、压缩打捆基本理论，采用理论分析计算和SolidWorks三维设计方法，设计了1种适用于田间玉米、小麦、水稻、棉花等作物秸秆的9YQ-2200S型秸秆方捆打捆机，开展了样机试制与改进，并针对玉米秸秆进行了田间试验。 结果 样机的收净率为90.3%，成捆率为100%，规则草捆率为100%，抗摔率为91.66%，草捆密度为119.67 kg/m³，作业小时生产率为3.36 t/h，各项作业指标均符合相关标准要求，作业性能良好。 结论 该机可实现作物秸秆自动捡拾（切割）、粉碎、揉丝、除尘、高密度压缩和自动绳打捆一体化作业。本研究可为秸秆方捆打捆机的设计与改进提供参考。

Abstract

Objective Feed utilization is a main direction of the comprehensive utilization for major crop straw in China，and this study aimed to enhance the recovery efficiency and quality of straw and address the limitations of conventional forage square baling machines，which included a restricted application range，low operational efficiency，subpar crushing quality，and ineffective dust removal. Method Drawing upon the fundamental principles of straw shredding，kneading，and compression baling，a 9YQ-2200S square baling machine was developed through theoretical analysis，calculations，and SolidWorks three-dimensional design techniques.This machine was tailored for use in fields cultivating crops such as corn，wheat，rice，and cotton.Following the design phase，a prototype was manufactured，tested，and refined.Field trials were conducted specifically using corn straw. Result The field test outcomes demonstrated that the prototype achieved a 90.3% net collection rate，100% baling rate，100% regular baling rate，91.66% fall resistance rate，bale density of 119.67 kg/m³，and productivity of 3.36 t/h.All operational parameters met relevant standards，affirming the superior performance of the square bale baler. Conclusion This machine excels at automatically gathering crop straws，chopping，silk kneading，dust removal，high-density compression，and automatic rope binding.The findings of this study offer valuable insights for the design and enhancement of straw square baling machines.

Graphical abstract

关键词

畜牧机械 / 作物秸秆 / 饲料化 / 秸秆揉丝 / 方捆打捆

Key words

animal husbandry machinery / crop straw / straw feed / rubbing straw / square bundle bundling

Author summay

沈从举，博士生，研究员，研究生导师，主要从事农业机械设计与研究。Email：[e-mail]

我国农业生产中每年产生超8亿t秸秆^［1］，玉米、小麦、水稻等主要粮食秸秆是营养丰富的畜牧饲料^［2-3］。传统的田间秸秆焚烧处理方式，既造成了资源浪费，又加剧了环境污染^［4-5］。近年来，我国明令禁止农村秸秆焚烧，秸秆多元化利用得以快速发展。随着畜牧业的不断发展，饲料短缺问题日益凸显，尤其是新疆地区尤为突出，亟需充分利用主要农作物秸秆资源，高效清洁回收和饲料化利用。因此，田间秸秆高效除尘打捆机成为研究热点，其机型多样化和规模化应用已成为必然趋势。

方捆打捆机是一种秸秆回收装备，相比人工回收秸秆具有效率高、成本低的优点，成为牧草与秸秆打捆的重要机具。方捆机的草捆密度要求一般在100 kg/m³以上^［6］，而且形状规则，便于运输。目前我国牧草方捆机技术成熟，国产化程度高，但是适用于作物秸秆的高效除尘和切碎揉丝方捆机依然缺乏。欧美等国的方捆机研究较早、技术成熟，已形成系列化机型。自20世纪80年代后，国外方捆机开始向多功能化、智能化、节能化、高生产率等方面发展^［7］。在国内市面上常见的有德国科乐收推出的QUADRANT方捆打捆机、法国库恩LSB系列以及美国纽荷兰BIGBALER系列方捆打捆机^［8-10］，其价格相对较高，不能满足秸秆饲料化除尘回收的要求。近年来，国内有关单位在对国外成熟打捆机技术引进和研学的基础上，结合我国不同地区不同秸秆的打捆回收要求，研发了相应的配套机型，推动了我国秸秆方捆机的应用与发展^［11-14］。廖培旺等^［15］设计了一种自走式棉秆联合收获打捆机，采用理论、仿真和试验分析相结合的方法，对关键部件滚筒式铡切机构、拨禾轮、螺旋输送辊和曲柄滑块压缩机构进行了改进，提高了棉秆回收率、压缩打捆效率和打捆质量。常明清等^［16］针对芦苇压缩打包效率低、芦苇捆包物料松散、容积密度低等问题，设计一种芦苇自动打包机，采用了液压传动实现物料的精准压缩。徐志杰等^［17］设计了一种牵引式液压打包机，可一次性完成秸秆捡拾、粉碎揉搓、除尘和高密度打捆，除尘方式采用带网孔的滚筒筛，网孔的大小影响除尘率和秸秆损失率。苏晨等^［18］针对国内青贮饲料收获设备作业方式单一、工作效率低等突出问题，开展了基于QFD和FKM的自走式青贮饲料收获机设计研究和整机优化，实现了青贮饲料秸秆切碎收获、打圆捆一体化作业。

为提高田间饲用秸秆的回收效率和质量，解决常规小型饲草方捆机适用范围小、作业效率低、揉碎质量差和不能有效除尘的问题，本文在前人研究基础上，基于秸秆切碎揉搓、压缩打捆基本理论，采用理论分析计算和SolidWorks三维设计方法，设计了一种能够适用于田间直立、铺放、散状的玉米、小麦、水稻和棉花等作物秸秆的9YQ-2200S型秸秆方捆打捆机，开展了样机试制与改进，并针对玉米秸秆进行了田间试验，旨在提高样机作业性能，为秸秆方捆打捆机的设计与改进提供参考。

1 整机结构与工作原理

1.1 整机结构

9YQ-2200S型秸秆方捆打捆机根据主要农作物秸秆特性及收获作业要求设计。由图1-A~B所示，该机主要由牵引架、切割揉搓装置、粉碎揉丝箱、除尘装置、螺旋输送器、曲柄喂入机构、活塞、压捆室、成捆室、打结机构、密度调节装置和传动系统等组成。其主要性能参数如表1所示。

1.2 工作原理

9YQ-2200S型秸秆方捆打捆机为牵引式，与轮式拖拉机配套使用，由拖拉机驾驶员操作。该机主要用于田间农作物秸秆回收，能一次性完成田间直立、铺放或散状秸秆的破节揉碎、输送喂入、压缩成形、打结捆扎等作业工序，把草捆扎成外形整齐规则的长方形草捆。

作业时，切割揉碎装置的旋转刀轴上安装的锤爪与箱体上固定安装的定刀共同作用将直立、铺放或散状的秸秆进行切割破节揉碎；经揉碎后的物料被抛向两侧粉碎揉丝箱进一步粉碎揉丝；通过两侧风机将物料抛送到除尘筒内，经除尘后的物料螺旋输送器送到压捆室入口；通过喂入拨叉将堆积在喂入口的物料拨入到压捆室，在活塞的往复运动的作用下，物料在压捆室内逐渐被压实；当草捆长度达到调定长度时，打捆机构启动打结器将捆扎物料的两道捆绳打成绳结。捆扎好的物料捆在后续物料的推动下逐渐移动到压捆室出口，经草捆台跌落到地面，即完成一次打捆作业。

2 关键部件设计

2.1 牵引架设计

该机牵引架主要由挂接架、齿轮箱安装座、支腿、梁架、吊耳和连接板等组成，如图2所示。牵引架可沿x轴和z轴自由转动，沿x轴的转动保证机具前进过程中随地形的左右扭动，避免与拖拉机刚性连接引起挂接架损坏；沿z轴的转动保证拖拉机可牵引机具掉头，同时对z轴转动限位，避免转弯半径过小时，损坏传动轴。在牵引架前端设有支腿安装座，机具停放时安装支腿，便于稳定放置。吊耳位于牵引架后端，用于连接切割揉碎装置^［8-9］。连接板将牵引架安装固定在主机上。

2.2 切割揉碎装置设计

由图3所示，切割揉碎装置的作用是将直立、铺放或散状秸秆切割揉碎并抛送到喂入机构。它与牵引架通过吊杆焊合连接，并用浮动弹簧组悬挂。切割揉碎装置的切断、揉碎及吹送性能直接影响整机可靠性，且其功耗较大。

切割揉碎装置采用锤爪式捡拾结构（图4），在旋转刀轴上的排布方式为对称螺旋线排列方式，可降低旋转刀轴作业时的冲击载荷，减小旋转刀轴作业产生的振动，有助于降低整机能耗。锤爪高度可通过吊杆焊合和浮动机构上的调节螺母实现位置调整。

根据机具空间结构，旋转刀轴作业时的最大回转直径为530 mm，由切割机理可得，锤爪线速度需达到8~20 m/s^［6］，故由式（1）可计算出旋转刀轴转速n = 290~722 r/min。

n=\frac{\mathrm{60}v}{\pi d}（1）

式中：n为旋转刀轴转速（r/min）；v为旋转刀线速度（m/s）；d为旋转刀最大回转直径（mm）。

切割揉碎装置中，锤爪与刀轴架上的定刀对秸秆进行一次切碎后，经过绞龙输送到两侧粉碎揉丝箱，粉碎揉丝装置对秸秆二次切碎、揉丝，并将切割揉碎后的秸秆通过绞龙输送到喂入机构。如图5所示，包括输送秸秆的绞龙、绞龙轴，动刀片、左风扇及右风扇等构成。左右风扇起秸秆除尘作用。

2.3 输送喂入机构设计

输送喂入机构的是将物料横向收集并喂入到压捆室。输送喂入机构由螺旋输送器和喂入机构组成。如图6所示，螺旋输送器结构简单，其主体是由绞龙叶片与管轴焊合。螺旋输送器安装在捡拾器后方的机架上，右侧布置，并由链传动驱动。

根据试验结果，结合方捆打捆机空间结构，绞龙叶片大径设为350 mm，螺距为380 mm^［6］，绞龙中心轴小径为150 mm，绞龙长度为900 mm。该尺寸下绞龙叶片中径D₁为250 mm。

D_{\mathrm{1}}=\frac{D+d}{\mathrm{2}}（2）

式中：D为绞龙叶片大径（mm）；d为绞龙叶片小径（mm）。

绞龙每周输送物料质量M_V 可按式（3）获得

M_V=\rho P^{\mathrm{2}}\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{t}\phi (D-d)（3）

式中：P为绞龙叶片螺距（mm）；中ρ为秸秆在绞龙中的平均密度，ρ = 40 kg/m³，则M_V =2.05 kg/r。

另，绞龙叶片螺旋升角φ = arctan［P/（πD₁）］=0.484。

作业过程中，螺旋输送器并不会满载运行，且螺旋输送器运输效率并非100%，因此取修正系数K=0.5来计算绞龙每转运输的秸秆质量M_{n=KMV =1.02 kg/r。}

根据生产率要求，压捆室喂入量2.6 kg/次，活塞和喂入叉频率100次/min，为了满足喂入系统和压捆室要求，按公式（4）计算，绞龙最小转速n为288 r/min。

n=\mathrm{250}/M_n（4）

设计中，为保证绞龙输送能力有一定盈余，设计输送绞龙转速为290 r/min。

如图7所示，喂入机构主要由左右曲柄、揺杆、喂入拨叉和链轮组成。工作过程中，在揺杆的控制下喂入拨叉按预定轨迹运行，并将堆积在喂入口的物料从压捆室下方的喂入室输送喂入到压捆室。

2.4 压缩打捆装置设计

压缩打捆装置设计依据现有方捆打捆机的压捆技术^［6，19］，功能是将喂入到压捆室内的物料压缩成形。压捆室由若干个钢板焊合而成的长方形腔体。压捆室截面尺寸（高×宽）是压缩打捆装置的重要参数，该参数决定草捆外形尺寸^［20］。根据GB/T 25423-2010，压捆室截面尺寸（高×宽）可选为360 mm×460 mm^［6］，草捆长度300~1300可调，该尺寸草捆质量适中，便于搬运。为得到预定的草捆形状与密度，其运动机构采用曲柄滑块机构，是压缩机构的核心部件^［20］，压缩机构的活塞行程设计为550 mm，活塞频次为100次/min。在活塞工作行程时，动、定切草刀片相互配合，切断堆积在压捆室喂入腔口的物料。在压捆室左右侧板和打结器底板上装有限草器，其作用是在活塞回程时，防止被压缩的物料反弹。草捆密度可通过弹簧加载方式调节。

2.5 打结机构设计

打结机构又称打结器，是打（压）捆机的核心工作部件^［21］。它的功能是用捆绳将被压实的物料捆扎成整齐规则的草捆。如图8所示，打结器主要由架体、打结钳轴小锥齿轮、夹绳器、夹绳器驱动蜗轮、蜗杆、蜗杆小锥齿轮、齿盘、拨绳板等零部件组成。能模仿人手打结的动作，可实现机械式自动打结，具有操作灵活，协调性好的特点^［22］。该机采用自动绳打捆方式，草捆通过两道绳捆扎，为提高成（结）捆率（≥99%为正常）^［23］，设计选用D型打结器，数量为2个，打结器轴径为35 mm，额定转速为100 r/min，确保对玉米秸秆打捆作业时的可靠性和打结器的使用寿命。

打结器的工作原理为，作业前，打捆针处于起始位置。捆绳按规定的穿绳路线穿过导绳器、打捆针针孔等各个环节，被牢牢地夹持在夹绳器内机器。开始作业后，活塞在每次压缩行程中压实喂入压捆室内的物料，同时使捆绳逐渐包络草捆。当草捆达到预先设定的长度时，打结机构离合器将自动接合，使打捆机构开始工作。首先，打捆针从它的起始位置向上摆动，将捆绳的另一端引向打结器夹绳器缺口。紧接着拨绳板将打捆针送上来的捆绳拨向打结钳。随着夹绳盘的转动捆绳被夹持在夹绳盘与清绳片之间。打结钳开始旋转，并“抓住”靠紧它的两股捆绳绕成绳结，然后打结钳上卡爪逐渐张开，此时夹绳盘即将停止运转。随着打结钳的旋转，打结钳上卡爪闭合而“咬住”捆绳。此刻夹绳盘已停止转动，而被夹绳盘夹持的捆绳到达割绳位置，同时打捆针己由行程上死点开始向下运动，并逐渐运行至起始位置。在此过程中，捆绳被引入夹绳盘下一个缺口。随着脱绳杆的运行，割绳刀割断两根捆绳，脱绳杆的半圆形缺口紧贴着打结钳嘴下鄂擦过，把套在打结钳上的绳结脱下来。至此，打结机构完成了一个完整的打结循环。

3 试验与分析

根据DG/T 043-2019《打（压）捆机》的有关试验方法，对成捆率、规则草捆率和抗摔率等主要作业性能指标进行检测^［24］。根据新疆农业机械学会团体标准T/XNJ-1-2017自走式秸秆收获方捆机的有关试验方法，对收净率、草捆密度和作业小时生产率等主要作业性能指标进行检测。项目组于2021年10月28日在新疆石河子农试场进行了田间试验（图9）。试验田为玉米秸秆地块，地形平坦，玉米秸秆含水率22.3%，作业时环境湿度50%~60%，作业时环境温度10~17 ℃。为了保证试验可靠性，工作前20 min作为机具适应期，所打捆不作为统计范畴，待进入稳定作业状态后开始测定作业时间。

试验材料：天津天拖TNG2104拖拉机1台；5 m尺1卷；150 m超长卷尺1卷；电子秤1台，精度为0.01 kg；风向风速表，量程1~30 m/s，精度0.1 m/s；点温计0~150 ℃，精度0.5 ℃；9YQ-2200S型秸秆方捆打捆机1台，由新疆农垦科学院和黑龙江德沃科技开发有限公司联合研发，黑龙江德沃科技开发有限公司制造。

3.1 收净率

测定前将9YQ-2200S型秸秆方捆打捆机上的碎秸秆清理干净，待机组通过后，将测定区内割台或捡拾器漏割、漏拾及打结器地板和放捆板上的秸秆和收割后掉落在测区内的秸秆，收集并称其质量。在不同区域测5组，每组测定区长度应不少于5 m，且测3次求均值。按式（5）、（6）计算收净率，其值为90.3%。

W(\mathrm{\%})=\frac{M_j+M_d}{M_y+M_j+M_d}\times \mathrm{100}\mathrm{\%}（5）

S=\mathrm{1}-W（6）

式中：W为未收净秸秆占测区秸秆总质量的百分比（%）；M_j 为测区内机具上掉落的秸秆当量质量（g）；M_d 为测区内掉落的秸秆当量质量（g）；M_y 为测区内收获的秸秆当量质量（g）；S为收净率（%）。

3.2 成捆率

成捆率是9YQ-2200S型秸秆方捆打捆机的主要性能指标之一。在作业2 h后，累积完成打捆420捆，其中散捆0捆。成捆率按公式（7）计算，值为100%。

S_k(\mathrm{\%})=\frac{I_d-I_s}{I_d}\times \mathrm{100}\mathrm{\%}（7）

式中：S_k 为成捆率（%）；I_d 为累计打捆数（捆）；I_s 为累计散捆数（捆）。

3.3 规则草捆率

在规定的样本地块中随机抽取20个草捆，测定草捆四个长边的边长尺寸，当其最大值与最小值之差不大于平均值的10%时，为规则草捆，否则为不规则草捆。经测定不规则草捆为0捆，规则草捆率按式（8）计算，值为100%。

S_g(\mathrm{\%})=\frac{I_{gc}-I_{gb}}{I_{gc}}\times \mathrm{100}\mathrm{\%}（8）

式中：S_g 为规则草捆率（%）；I_gc 为被测草捆数（捆）；I_gb 为不规则草捆数（捆）。

3.4 抗摔率

从试验地块随机取4个行程，每个行程中取2个草捆，自5 m高度自由下落，每捆连续摔3次，记录摔散的草捆数，按式（9）计算得，草捆抗摔率为91.66%。

S_{ks}(\mathrm{\%})=\frac{I_{kc}-I_{ks}}{I_{kc}}\times \mathrm{100}\mathrm{\%}（9）

式中：S_ks 为抗摔率（%）；I_kc 为被测草捆数（捆）；I_ks 为摔散草捆数（捆）。

3.5 草捆密度

随机选取10捆作为待测对象，并统一编号，进行测量，测量结果如表2所示。草捆密度按公式（10）计算，其平均密度为119.67 kg/m³。

P_d(\mathrm{\%})=\frac{W_d}{V_k}\times \mathrm{100}\mathrm{\%}（10）

式中：P_d 为草捆当量密度（kg/m³）；W_d 为草捆当量质量（kg）；V_k 为草捆体积（m³）。

3.6 作业小时生产率

机组工作稳定后，连续作业2h，从试验区内任选工作时段内的10个草捆称其质量，取其平均值，并统计作业时间内累计打捆数和散捆数，作业小时生产率按式（11）计算，其平均生产率为3.36 t/h。

E_z=\frac{Q_b}{T_z}（11）

式中：E_z 为作业小时生产率（kg/h）；Q_b 为生产考核期间班次作业量（总捆数与每捆平均质量之积）（kg）；T_z为生产考核期间班次作业时间（h）。

4 结论

基于秸秆切碎揉搓、压缩打捆基本理论，研制出了能够适用于田间直立、铺放、散状的玉米、小麦、水稻和棉花等作物秸秆的9YQ-2200S型秸秆方捆打捆机，克服了传统小型饲草方捆机的缺点，提高了秸秆打捆的作业效率、质量和适用性，同时实现了高效除尘，捆包秸秆更清洁，改善了适口性，减少了饲用秸秆资源浪费，有利于健康养殖和畜牧业可持续发展。

开展了样机田间试验，结果表明9YQ-2200S型秸秆方捆打捆机的收净率为90.3%，成捆率为100%，规则草捆率为100%，抗摔率为91.66%，草捆密度为119.67 kg/m³，作业小时生产率为3.36 t/h，各项作业指标均符合相关标准要求，作业性能良好。

参考文献

[1] 中国农业机械化协会 ．饲草（草）料收获机械行业发展报告［M］．北京：中国农业出版社，2018．

[2] 许梦婷.不同化学处理对小麦秸秆营养成分及消化率的影响［J］.中国饲料，2022，704（12）：110-113.

[3] 马彩龙，王丽娟，王保爱，等.新型玉米秸秆揉丝机的设计与试验［J］.甘肃农业大学学报，2019，54（4）：216-222.

[4] 周颖，张钰蓥，邢晓帆，等.河北秸秆露天焚烧排放及其对京津冀地区空气质量影响［J］.北京工业大学学报，2022，48（10）： 1056-1068.

[5] 郑曼迪，李佳辉，刘忠.Android用户端东北地区秸秆焚烧点监测系统开发与应用［J］.农业工程学报，2022，38（14）： 146-153.

[6] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会. GB/T 25423-2010 方草捆打捆机 ［S］.北京：中国标准出版社，2011.

[7] 郭博，贺敬良，王德成，等.秸秆打捆机研究现状及发展趋势［J］.农机化研究，2018，40（1）：264-268．

[8] 刘佳妮.科乐收推出QUADRANT系列方捆机进阶款［J］.当代农机，2021（12）：9.

[9] 祁晓敏，张立新，张翔，等.粗纤维粉碎机核心机构的模态分析［J］.中国农机化报，2016，37（7）：89-92.

[10] 关群.纽荷兰产品获工业设计大奖［J］.农机市场，2021（2）：49.

[11] 华德牧机 9 YJS-2.2型双刀轴秸秆切割揉碎方捆压捆机［J］.农机导购，2016（8）：14.

[12] 顺邦秸秆饲料打捆和收集两种明星产品热销［J］.农业机械，2019（6）：128-129．

[13] 董佳佳，王强，杨莉，等.牵引式玉米秸秆切割揉碎方捆打捆机设计与试验［J］.农业工程，2021，11（3）：113-118.

[14] 郭忠羽，马娟，帕合尔鼎，等.9YFL-10型秸秆饲草方捆机的研究［J］.农村科技，2015（10）：62-63.

[15] 廖培旺，禚冬玲，付春香，等.自走式棉秆联合收获打捆机改进设计与试验［J］.中国农机化学报，2021，42（7）：19-25.

[16] 常明清，张立新，李继霞，等.芦苇自动打包机液压控制系统设计［J］.甘肃农业大学学报，2017，52（5）：158-163.

[17] 徐志杰，陈林，张亚振，等.牵引式液压打包机除尘系统设计与试验［J］.河北农机，2021（11）：20-21.

[18] 苏晨，曹剑，贺成柱，等.基于QFD和FKM 的自走式青贮饲料收获机设计研究［J］.甘肃农业大学学报，2020，55（6）：184-192.

[19] 吴鸿欣 ．玉米秸秆收获关键技术与装备研究及数字化仿真分析［D］.北京：中国农业机械化科学研究院，2013.

[20] 张伏，娄立民，钱丹，等.大方捆打捆机压缩机构优化设计及试验［J］.吉林大学学报（工学版），2024，54（4）：1166-1174.

[21] 尹建军，张万庆，陈亚明，等.打结器夹绳-绕扣-钳咬动作参数分析与打结试验［J］.农业机械学报，2015，46（9）：135-143.

[22] 马赛，李凤鸣，钱旺.基于TRIZ理论的D型打结器设计与试验［J］.农业机械学报，2018，49（S1）：327-331.

[23] JB/T 11200-2011 方草捆压捆机打结器 可靠性考核方法 ［S］.

[24] 中华人民共和国农业农村部·DG/T 043-2019 打（压）捆机 ［S］ .北京：中国标准出版社，2020.

基金资助

兵团科技创新人才计划-中青年科技创新领军人才(2020CB013)