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　　我国农作物秸秆年产约8亿吨以上，因分散、蓬松、秸秆特性差异大导致收贮运及利用困难，

　　秸秆打捆机用于将田间散落蓬松的秸秆压缩成具有较高密度的草捆，实现机械化打捆收获是促进

　　秸秆综合利用前提。而我国秸秆打捆机研究起步较晚，机械化打捆收获程度较低，年打捆能力远

　　低于秸秆年产量的10%。秸秆打捆机包括方捆机和圆捆机，圆捆机因结构简单、配套动力小、效

　　率高而得到快速发展。但针对我国农艺及秸秆特点的卷捆基础研究少，研制的秸秆圆捆机存在适

　　针对小型钢辊式圆捆机在作业过程中卷捆室易出现秸秆堵塞问题，本文以收获后小麦短秸秆

　　为研究对象，综合利用力学分析、DEM数值模拟、高速摄影技术和台架试验等研究方法，开展

　　小麦秸秆的基础特性参数测试，建立小麦秸秆离散元柔性模型；进行芯捆成型过程动力学分析，

　　解析卷捆室内小麦秸秆运移规律，确定芯捆成型条件下的卷捆机构最优工作与结构参数组合；依

　　此设计卷捆机构试验台架，进行高速摄像验证试验和完整打捆试验。研究成果为钢辊式圆捆机的

　　优化设计提供技术参考，对推动秸秆圆捆机自主创新、农机可持续发展、秸秆综合利用具有重要

　　（1）麦秆的基础特性参数测定。以小麦短秸秆为研究对象，通过试验测量法测定小麦秸秆

　　几何尺寸；采用PT-890万能试验机测定小麦秸秆力学特性参数；搭建摩擦特性测定试验台架，

　　借助高速摄影技术，测定小麦秸秆与原始钢辊表面、铝箔胶带表面、特氟龙胶带表面、水胶带表

　　面、PVC胶带表面、磨砂胶带表面、小麦秸秆间的静摩擦系数、滚动摩擦系数和碰撞恢复系数，

　　（2）钢辊式圆捆机芯捆成型过程理论分析。分析钢辊式圆捆机主要结构参数及工作原理，

　　得到产生堵塞问题的主要原因——难以形成旋转草芯；通过理论分析芯捆成型过程中小麦秸秆受

　　力作用情况，确定影响芯捆成型的主要因素，选取钢辊表面摩擦系数、钢辊转速、小麦秸秆喂入

　　建立小麦秸秆离散元模型，选择径向堆积角进行参数标定；建立钢辊式圆捆机离散元模型，针对

　　影响芯捆成型的关键因素实施单因素试验设计、多因素混合正交试验；对试验结果进行分析，获

　　取各因素对指标影响的主次顺序，并分析影响规律及原因，确定最佳组合方案为：a区钢辊材料

　　铝箔胶带、b区钢辊材料磨砂胶带、c区钢辊材料磨砂胶带、钢辊转速270r/min、小麦秸秆喂入

　　速度1kg/s，最佳回抛高度485mm；a区钢辊材料铝箔胶带、b区钢辊材料磨砂胶带、c区钢辊

　　材料磨砂胶带、钢辊转速270r/min，小麦秸秆喂入速度1.25kg/s，最佳回抛时间0.25s。

　　（4）钢辊式圆捆机卷捆机构的性能试验。设计卷捆机构试验台架模型，对关键部件设计、

　　选型后自主搭建卷捆机构试验台架；通过高速摄影技术解析麦秆运移规律及开展卷捆机构导送性

　　能台架试验，验证仿真试验与理论分析的可靠性；以最优工作参数进行完整打捆性能试验。结果

　　表明，未发生秸秆堵塞现象，较未优化打捆试验，减少了完整打捆时间11s，提升了打捆效率。

　　我国是世界农业大国之一，我国的秸秆资源异常丰富，年产量达到8.65亿吨以上，是世界上

　　秸秆产出量最大的国家，秸秆资源占全球秸秆资源量的近五分之一。我国秸秆的主要类型有小

　　麦、玉米、水稻三大类，其中玉米秸秆多产出于东北和华北地区；水稻秸秆资源则多分布在东北

　　地区和江南地区富集；而小麦秸秆资源主要分布在华北地区，其中河南省是小麦秸秆的产出“大

　　户人家”。我国小麦秸秆年产出量超1.50亿吨，占总秸秆资源的18%以上。秸秆是农作物生产

　　产生的主要的副产品，其有季节性过剩的问题，秸秆若不经处理弃置田中会耽误农时，这样不仅

　　浪费了可利用的农业废弃物资源，同时其焚烧会造成环境污染等问题。相较于已达到杜绝秸秆

　　丢弃与露天焚烧的发达国家，我国对秸秆的处理问题则层出不穷，如区域性过剩、焚烧难以控制

　　随着现代化农业进程的不断推进，传统农业正向着现代农业发生变革，国家对秸秆问题的不

　　断重视，不仅出台了相关的法律法规，同时，也对相关问题提出了对应的指导及实施方案[10-14]。

　　随着国家以及地方政府的支持，大大促进了我国秸秆利用的发展，由此产生了秸秆的综合利用技

　　术，并飞速发展。各类秸秆的综合利用率都达到80%以上。2021年中华人民共和国国家发展

　　和改革委员会提出：“大力推进秸秆综合利用，推动秸秆综合利用产业提质增效。”中国秸秆的

　　（1）还田肥料。处理过病虫卵的秸秆还田，在不引发病虫害的前提下，可以提高土壤有机

　　质含率，提高土壤肥沃度，进而达到增产的目的，是水稻与小麦作物的常用手段。此方面的利

　　用率占比达到53.93%，如今研究表明，熟腐剂的使用，可以大大提高秸秆微生物度，提高土壤养

　　（2）畜牧饲料。在农作物的光合作用中，绝大部分的产物都存于秸秆中，秸秆作为饲料，

　　可以很好地被羊、牛等牲畜吸收，然而，自然状态下的秸秆，纤维含量过高，影响着秸秆的饲料

　　（3）清洁能源。生物质能源作为如今世界第四大能源，一直以来是近几年学者、企业的热

　　门课题，也是我国绿色发展的重要途径，秸秆作为能源材料，不仅原材料成本低，运行成本同样

　　低于燃料。由于目前受到技术、设备、环境的影响，在我国，秸秆作为能源的利用受到较大程

　　（4）生物基料。秸秆作为生物基料，主要是将秸秆作为菌类的栽培基料，为菌类的生长提

　　供营养物质。秸秆作为基料使用后，营养价值仍可观，可作为饲料或化肥使用，有着不错的经济

　　（5）原料利用。此方面的利用率占比仅有3.40%，发展空间很大。秸秆有着大量纤维素，是

　　天然的造纸材料，中国拥有秸秆造纸的相关工艺与专利，是大力发展的保证。秸秆的木质素含

　　量与木材接近，是替代木材作建材的适合材料，中国绿色材料的发展，需要对秸秆建材进一步研

　　近年来，秸秆综合利用取得了很大的发展，但是整体的利用率还是较低，秸秆利用达不到产

　　业化以及规模化，这些问题的关键还是需要降低成本。降低秸秆利用成本是秸秆综合利用的关

　　键，秸秆的综合利用主要成本体现为秸秆收获成本，目前秸秆的收获主要分为人工收获与机械收

　　获，人工收获费时费力，而机械收获主要利用秸秆打捆机，机械化收获秸秆是降低收获成本的重

　　要手段，开展秸秆打捆收获机械的研究可为秸秆的综合利用提供保证。秸秆打捆机包括方捆打捆

　　机与圆捆打捆机，因结构简单，配套动力小，效率高，圆捆机得到快速发展。卷捆机构是圆捆机

　　的核心机构，分为径向变腔式和固定腔式，其中径向变腔式卷捆机构结构复杂，卷绕部件易磨损，

　　固定腔式卷捆机构，结构简单，耐用性好，钢辊式圆捆机是目前应用较为广泛的打捆机械。

　　钢辊式圆捆机所收获的秸秆捆，内松外紧，透气性好，不易积水，便于贮存，可以长时间露

　　天存放。但是钢辊式圆捆机在工作的过程中，易发生堵塞现象，研究表明，这是由于收获秸秆

　　时含水率高，可导送性能差，目前钢辊式圆捆机存在可适应性差与工作效率低等问题，无法满足

　　秸秆综合利用生产中对秸秆日益增大的需求量。圆捆机打捆的过程，是秸秆在卷捆室缠绕的过

　　程，其缠绕的时间，严重影响着打捆的效率，当迟迟不能完成缠绕，不仅浪费能源，且易发生堵

　　国外的圆捆机发展起步早，如今已有几十年的发展历程，大型机器发展迅速，在可靠性、适

　　应范围、自动化程度等方面发展相对成熟，国外对圆捆机的研制主要由企业进行，更注重于产品

　　应用。而我国的圆捆机研究起步较晚，研究的发展不够成熟，我国的钢辊式圆捆机大都是中小型

　　为主；由于我国土地的特殊性，土地较为分散，而且相邻地块的品种等大都不尽相同，因此秸秆

　　打捆收获时，对打捆机的适用性要求较高，所以研制适合我国国情的打捆机具有现实意义。

　　我国现有钢辊式圆捆机的关键部件是卷捆机构，周向围绕圆周方向布置的卷压辊与两侧侧板

　　组成了卷捆机构，卷压辊通常由钢板卷制而成，故称其为钢辊。钢辊在卷捆过程中，有着重要的

　　作用，其不仅需要传递动力，而且直接与秸秆接触，如出现细微的问题，都可能影响卷捆过程，

　　导致堵塞现象的发生；能否迅速形成旋转草芯是影响秸秆成捆的关键因素；因此需要对圆捆机的

　　秸秆卷绕过程进行分析，探究影响卷捆机构导送性能的关键因素，优化圆捆机结构，提高钢辊式

　　圆捆机在20世纪60年代首先在国外被研发制作。到21世纪开始，国外开始研发大型圆

　　捆机，不断地进行创新，推动着秸秆综合利用技术的发展，同时，国外秸秆综合利用技术的大力

　　国外圆捆机发展首先出现在德国，20世纪60年代德国Vermeer公司是最早的内缠绕式圆捆

　　机的研发制造者，其密度高，效率高，大大降低了人工劳动强度，作为胶带式圆捆机的鼻祖，圆

　　捆机开始发展推广。而在20世纪70年代，外缠绕式圆捆机问世，由德国的另一家公司Weiger

　　21世纪初，国外加大了对研发圆捆机新技术的投资，圆捆机进入飞速发展，各种创新性圆捆

　　机接踵而至。经过60多年的不断发展，国外的圆捆机新技术已十分成熟，已进入智能化阶段。

　　国外的圆捆机研发，主要由企业进行，这些企业大多是为解决实际问题，由于企业研发的保

　　密性，卷捆原理等基础性的研究鲜有报道。国际上著名的圆捆机制造商有约翰迪尔(JohnDeere)

　　爱尔兰麦克海尔公司(McHale)等公司。这些企业的圆捆机都有着完整而充实的配套设备，可以满

　　足各种用户的需求。如约翰迪尔(JohnDeere)公司的F440R圆捆机，如图1-2所示。有着大直径

　　喂入辊以及五个低齿杆，全新的捡拾系统，相较上代产品喂入量提升10%，捡拾器采用凸轮轨道

　　设计，整机配备有打捆过程监测和控制系统，可在驾驶室内进行信息监测，实时调控，快捷方便，

　　打捆过程更高效、准确。整机17个钢辊，草捆直径1.25-1.35m，宽度1.17m，适应不同作为使

　　纽荷兰(NewHolland)公司生产的BR6090圆捆机，整机15个钢辊，如图1-3所示。设计中采

　　用了纽荷兰Roll-Bar链辊成捆技术和一种可深入到草捆中心的旋转辊，辅助导送，适应不同作物

　　与密度的打捆。有着全新的捡拾器，更好捡拾能力的捡拾弹齿与浮动仿形轮，有着重载启动辊，

　　克罗尼(KRONE)公司生产的Ultima圆捆机，如图1-4所示。这款打捆机是克罗尼经历无数考

　　验与时间沉淀的经典产品，简洁的构造、整机坚实耐用、动力消耗小、维护保养成本小、机械可

　　靠性高。而且是目前真正意义上的不停机圆捆打捆作业机，大大提高了工作效率，田间应用表现

　　库恩(KUHN)公司的FB2135圆捆机，如图1-5所示。简易、快速、可靠是库恩FB2135不

　　变腔室圆捆机的关键词。其创新设计的IntergralRotor整体转子以及PowerTrack辊轴，让圆捆机

　　可以更出色地完成打捆任务，该机12个钢辊，草捆直径有1.25m，宽1.20m。整机操控由驾驶

　　室内的控制盒AutoPlus完成，且捆绳装置可以在驾驶室中清晰地观测[34-36]。

　　格兰(Kverneland)公司研发制造的6350SC14圆捆机，如图1-6所示。压捆室内有着17个重

　　载辊，保证压捆的密度，先进的Focus电子控制装置，可以让驾驶员在驾驶室内实时检测草捆密

　　度以及机具工作状态。14把喂入切刀，压出的草捆宽度1.20m，直径1.25m，还配备防堵塞功能

　　克拉斯(CLAAS)公司研发的VARIANT540RC圆捆打捆机，如图1-7所示。其是根据中国用

　　户需求，研发制造的全新一代打捆机，适应性更强，配备15个切刀和加强辊，捡拾宽度2.10m，

　　草捆直径可达1.25m，卷压时有着加压系统，加大草捆卷压，配备新型高强度卷压辊，可靠性更

　　高，实现更高的草捆密度，采用日本椿本Tsubaki11/4链条，该链条可中央自动润滑，特制张紧

　　爱尔兰麦克海尔公司(McHale)生产的Fusion3圆捆缠膜一体机，如图1-8所示。1.20m的捡

　　拾宽度，卷捆室内有18个驱动成型辊，驾驶室内配备ExpertPlus大图文显示操控面板，出现堵

　　塞现象，可在驾驶室进行解除卡草，更有全自动加压无间断润滑系统，保证整机的润滑。

　　国外学者对秸秆打捆的研究，NonaKD等人在2006年研究秸秆并建立了秸秆在特定密度

　　的压缩模型，可以获取达到所需密度的能量。AfzaliniaS等人于2008年建立了模拟卷压室，及

　　其压力分布的压力分析模型，这是针对方捆打捆机卷压室的压力分布。HuJJ等人在2009年研

　　究五种秸秆的模型，获取了其压缩成型的应力松弛模型。XuC[43,44]等人在2004年到2007研究了

　　坚实草捆的作用，坚实草捆可以有利于稻草的发酵处理，设计的圆捆机可以最大程度的提升草捆

　　的密度，可以提高效率、降低成本。BorreaniG同样在2006年研究了打捆机切割系统对苜蓿发

　　酵和损失的影响，通过对打捆机的切割系统研究，确定了草捆对发酵影响很大，需要提高切割系

　　统的效率。亚洲地区，日本与韩国的学者，同样研究了切割喂入机构的钢辊式打捆机的研究[46-48]。

　　学者TimoL在2013年研究了打捆压力与草捆密度的关系，想要取得高密度的草捆，需要

　　取决于打捆压力的调节。通过试验获取了干物质密度与草捆直径的关系图，如图1-9所示。

　　同样国外学者LacyNC于2016年研究了圆草捆的再压缩密度，得到结论：通常情况下，

　　圆捆的密度低于方捆，且在运输的过程中，存在未占用体积。秸秆压缩的过程，将已打捆为圆捆

　　的捆二次压缩成方捆增加密度，可以替代直接压缩为高密度大方捆。表明了圆捆的适用性。

　　TomL等人分析小麦秸秆弯曲时的力学行为，描述了一个力学模型，并且进行了验证，结

　　果表明这个力学模型符合了弯曲时的力学变化。把小麦秸秆弯曲，区分为两个连续的阶段：椭圆

　　化和屈曲化。分别研究椭圆化和屈曲化时力的变化，变化曲线所示。通过曲线分析得到

　　AaronP在2018年探讨了压实材料所需的压力和压缩后产生的反弹力压碎阀杆。对三种水

　　分含量（标称为10%，20%和45%）的柳枝稷散装样品和两种水分水平（标称10%和20%）的芒

　　草散装样品进行了单轴压缩测试，以评估破碎情况。将材料压缩至256kg/m所需的压力和材料

　　的应力松弛行为作为评估指标。研究压力随秸秆密度变化曲线所示。文章提出了破碎理

　　论，以降低散装压实所需的压力、使用单轴压缩检查压缩/松弛行为的变化、粉碎材料可将密度

　　为256kg/m时的峰值应力降低41-44%、应力松弛曲线受水分含量的影响，但不受压碎的影响、

　　我国从20世纪70年代开始，引进苏联与美国的打捆机，并成功仿制研发了圆捆机。直到

　　21世纪初，圆捆机也因为秸秆综合利用大力发展的需求开始飞速发展。起初圆捆机效率较低，没

　　有受到农民的欢迎重视，后来随着圆捆机的发展创新、国家层面的政策支持、农民环保意识的发

　　展、秸秆综合利用技术的发展等。秸秆的人工收获，已经不能满足日益增长的秸秆需求，需要更

　　目前，我国圆捆机的研发主要由企业与学者进行，企业方面对圆捆机的研发主要以实用性为

　　主，重应用；而学者们对圆捆机的研究不仅有对结构的改进优化，而且还有对卷捆过程与原理的

　　随着技术的发展，圆捆机的生产厂家越来越多，大多为中小型企业，其中比较有代表性的有

　　上海世达尔生产的9JYQ-1.2圆草捆打捆机，如图1-12所示。该机配备12个重型辊筒，可以打捆

　　生成高密度草捆，驾驶室有着卷捆监视系统，驾驶员可以听提示音放网。捡拾装置有着弹簧液压

　　平衡装置，保持捡拾的精确性，同时向下调整连接位置，优化了转弯半径，且转弯时，可连续作

　　业。成型后的草捆直径1.20m，草捆长度1.22m，单捆质量可达200-300kg。

　　呼伦贝尔蒙拓公司研制的9YG-1.3A2型圆草捆打捆机，如图1-13所示。该机器采用双压草

　　辊配合强制喂入，增加喂入量，提高捡拾效率，捡拾器为从动捡拾轮更能适应各种复杂地形，为

　　方便解决打捆时的堵塞问题，整机底仓可开启，便于解决堵草问题。整机有着14个钢辊，捡拾

　　黑龙江德沃公司的9YG-1900圆捆打捆机，如图1-14所示。配备18个卷压滚筒，17组切刀，

　　操作系统简单，人工模式，自动模式任意切换，打捆过程实时监测，整机驱动安装有万向传动轴

　　采用槽口离合器保护驱动系统，过载保护，过载后停机再启动即可工作，节约了更换部件的时间。

　　湖北星光玉龙公司研发的9YYD-1.25圆捆机，如图1-15所示。该机型采用了无凸轮盘、无

　　弹齿梁的捡拾系统，宽度达1.96m。18个强抓地力钢辊，该钢辊提高了压缩率，改善打捆成形旋

　　转效果，电子控制系统帮助更好地人机交互。成型后的圆捆直径1.25m，长度1.25m。

　　内蒙古瑞丰公司制造的优牧达6314（9YG-1.4D）圆捆机，如图1-16所示。18个旋转钢辊，

　　有更高的草捆密度，更强抗冲击能力的无护圈捡拾器，捡拾器跳动低、震动小，宽度有2.26m。

　　整机编程控制器，实现了全自动与半自动式操作。草捆成型后直径1.25m，长度达1.40m。

　　河南新乡的花溪机械制造有限公司研发的花溪玉田9YG-1.1圆捆机，如图1-17所示。该机

　　适用小麦、玉米、水稻、牧草等秸秆收获，同时适应青贮作业，16个卷压滚筒，新型喂入转子技

　　术，增加了喂入量，驾驶室配有终端控制器，可以控制整机，底板可开启，以解决堵塞问题。

　　上述为市场常见圆捆机，说明钢辊式圆捆机较为被大众所接受，企业研发也大都以钢辊式圆

　　捆机为主。而国内学者对钢辊式圆捆机的研究不仅有整机的设计研发，最近几年也开始了卷捆原

　　我国学者高玉瑟等人在1977年研究前苏联的圆捆机，介绍了其工作过程及机器工艺。之

　　后到21世纪初这段时间，学者王健等人提出研制圆捆机的需求。21世纪开始，我国学者对圆

　　捆机的研发进入快速发展阶段。2003年李湘萍等研制了4LSK-50型麦秸联合打捆机，如图1-18

　　所示。该机器是自主联合打捆机，针对长留茬的麦秸，收割打捆一体化完成，可以满足当时的农

　　1.拨禾轮2.皮带传动3.拖拉机4.操纵阀5.液压系统6.绕绳机构7.开箱装置8.成型室9.捡拾器

　　我国学者王德福等人于2010年，为解决小型钢辊式圆捆机打捆时的堵塞问题，进行了结

　　构改进试验，为打捆机增加了喂入对辊，其可以有效解决部分秸秆打捆时的堵塞问题，提高了圆

　　捆机工作时的可靠性与稳定性，其通过研究对比，确定增加的喂入对辊如图1-19所示。

　　学者王春光等人在2011年，设计了钢辊预压式圆捆机，并设计了其关键部件结构，阐述

　　了各构件的功能，分析了预压式圆捆机的特点，结果表明，钢辊预压式圆捆机比钢辊外卷式圆捆

　　机，短胶带外卷式圆捆机相比，可以提高30%的密度，整机实现了自动化，推广了圆草捆缠膜青

　　1.机架2.捡拾器3.喂入装置4.捆绳机构5.缠网机构6.自动控制系统7.活动辊组8.传动系统

　　2015年，高东明等人设计试验了青饲圆捆机对数螺线式成形装置，以现有青贮饲料打捆技

　　术的基础上，设计了对数螺线式圆草成捆装置，还对不同含水率的玉米秸秆进行了试验，以期达

　　到提高打捆成形效率以及作业质量的目的。结果表明该设备对高含水率的玉米秸秆有很好的适用

　　同期2015年，学者雷军乐等人对卷捆机理进行了研究，为了满足日益增长的秸秆打捆

　　的需求，设计了稻杆压缩试验装置，测量研究了完整稻秆的压缩特性以及滑动摩擦特性；对钢辊

　　式圆捆机卷压过程中的旋转草芯成型阶段和草捆卷压过程阶段，利用高速摄像与力学分析进行了

　　研究；并进行了旋转草芯成型试验、完整稻秆卷压过程应力松弛特性试验、完整稻秆卷压过程功

　　耗试验，优化试验结果，获取了较优工作方案。其通过应力松弛特性的研究，获取了完整稻秆的

　　2017年，学者李叶龙等人围绕国产钢辊式圆捆机易堵塞的问题，开展了一系列的研究与

　　试验。首先对稻秆的弯曲特性进行研究，得到了弯曲强度和刚度随含水率与直径变化的规律，研

　　究了卷压过程中稻杆力的传导规律、稻秆的摩擦特性以及圆草捆密度分布规律；其次，对卷捆过

　　程进行分析，得到旋转草芯形成是卷捆的关键，摩擦力是影响旋转草芯的直接原因；再利用了基

　　于TRIZ理论中的物-场模型法，设计了卷捆机结构和试验装置；最后研究了旋转草芯的形成机理，

　　使用高速摄像机台架试验等研究卷捆机理，以草芯形成率为指标，得到了优化的最优参数组合。

　　学者王国富等人在2019年为提高钢辊式圆捆机的可靠性和适用性，设计了青贮稻秆圆捆

　　打捆机。该款打捆机，可在打捆过程中向稻秆喷施青贮液体菌剂。其首先获取了稻秆与不同材料

　　间摩擦因素的影响值和变化规律；再利用搭建的台架试验台研究导送辊子表面材料对打捆成形与

　　导送性能的影响；最后优化设计了青贮稻秆圆捆打捆机，并仿真与田间试验验证了可靠性和适应

　　1.1号钢辊2.2号钢辊3.3号钢辊4.4号钢辊5.5号钢辊6.6号钢辊7.长方形耳板8.机架

　　9.卷捆机构侧壁10.圆环耳板11.上横梁12.三相异步电机13.输送装置

　　综上所述，21世纪开始，我国对圆捆机的研究逐渐增多，无论是机构还是原理的研究都有所

　　涉及，研究对象大都为钢辊式圆捆机，但研究的卷压对象皆为完整秸秆或牧草，针对小麦短秸秆

　　的卷捆研究较少，且目前还未出现利用仿真软件研究卷捆过程的研究报道。为促进钢辊式圆捆机

　　的发展，本研究针对小麦短秸秆，利用离散元仿真软件研究小麦短秸秆虚拟卷捆过程，与实际台

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　　根据对国内外研究现状的总结与分析，本文通过使用三维建模技术、力学理论分析、离散元

　　仿真分析、台架试验等方法，开展小麦秸秆物料特性和摩擦特性测定、芯捆成型过程理论分析、

　　小麦秸秆离散元模型建立、芯捆成型仿真试验研究、台架试验研究，通过仿真试验和台架试验对

　　钢辊式圆捆机工作参数优化，解决钢辊式圆捆机打捆堵塞等问题，研究的主要内容如下：

　　选取小麦短秸秆为研究对象，通过物理和力学特性测定获取小麦秸秆的物理和力学参数，自

　　制摩擦特性试验台架，通过单因素试验测定小麦秸秆和钢辊表面材料之间的静摩擦系数、滚动摩

　　分析卷捆易出现问题及原因，介绍钢辊式圆捆机主要结构和工作原理，将芯捆成型过程麦秆

　　层的运动分为初始进入阶段、水平运动阶段、向上运动阶段、回抛阶段四个阶段，分析小麦秸秆

　　借助Hertz-MindlinwithBonding接触模型建立小麦短秸秆离散元模型，使用径向堆积角仿真

　　试验和实际试验对比法标定该模型。设置钢辊式圆捆机离散元模型，进行钢辊表面材料仿真单因

　　素试验，确定具体试验因素及水平和评价指标，随后设计混合正交仿真试验，研究各试验因素对

　　设计卷捆机构试验台架，试制加工和搭建卷捆机构试验台架，以仿真最优参数组合为基础，

　　进行导送性能仿真验证试验，结合小麦秸秆运动轨迹运移规律分析，验证仿真试验的可行性和可

　　靠性。最后以最优参数组合进行完整打捆性能试验，选取合适测试指标，检验本文优化参数的合

　　本课题来源于国家自然科学基金项目（青年基金）“秸秆圆捆机轴向变腔式卷捆机构滚动成

　　农业物料的基础特性包括农业物料的基本物理特征、农业物料的散粒体力学特性、农业物料

　　的流变特性、农业物料的热学特性等。本研究针对国产中小型钢辊式圆捆机，目的是为减少打

　　捆堵塞现象，提升打捆成功率。根据本领域国内外学者的研究结论，影响打捆堵塞等问题的关键

　　因素是打捆初始阶段，在卷捆机构中小麦秸秆能否迅速形成旋转草芯。因此本研究针对打捆时的

　　芯捆成型阶段，计划通过改变钢辊表面材料，影响钢辊与麦秆作用时的摩擦因素，进而提升旋转

　　而在芯捆成型阶段，麦秆与钢辊及麦秆之间会相互摩擦、挤压，且此相互作用对旋转草芯成

　　型具有较大影响。为此，本章针对麦秆基础特性中的基本物理特性、力学特性、摩擦特性等进

　　我国秸秆产量较大，三大秸秆产出于不同地区，其中河南地区秸秆以小麦秸秆为主，结合小

　　麦生产收获过程，收获后秸秆以短秸秆为主，本研究即选择收获后小麦短秸秆为研究对象。小麦

　　秸秆的基础特性，与其品种及生长区域具有相关性，同一品种或不同品种在不同生长区域有着不

　　同的基础特性。本试验采用小麦秸秆品种为豫农804，种植地区为河南省安阳市滑县河南农业大

　　学试验田，选用的小麦秸秆为经全喂入式小麦联合收获机收获后，未进行任何处理的短秸秆。经

　　过运输和短暂储藏，在小麦秸秆到达实验室后，使用易士特ST-100A快速含水率测定仪，测得其

　　为提升旋转草芯成型效率，拟设计使用具有不同摩擦因素的材料覆盖钢辊，改变钢辊与小麦

　　秸秆间摩擦因数。通过试验测定小麦秸秆与不同材料摩擦因数，为后续试验提供参数支持。

　　钢辊表面不做任何处理时，材料为普通冷轧钢板，结合材料使用实用性，材料选定如下：

　　（1）铝箔胶带。本文所用铝箔为卷状铝箔，具有良好的可塑性，可通过粘贴方式，覆盖钢

　　（2）水胶带。以牛皮纸为基础，适量施水即可牢固粘贴，抗张力大，不易断裂。

　　（3）特氟龙胶带。以玻璃纤维为基布，覆盖铁氟龙乳液并烘干制成，耐高温，耐磨损，有

　　（4）PVC胶带。由多层橡胶和布制作而成，强度高，是短胶带式圆捆机的常用材料。

　　随机选取小麦秸秆10根，使用卷尺、电子数显游标卡尺、千分位电子天平秤、智能数据处理

　　设备等工具，对抽取小麦秸秆的质量、长度、壁厚、直径进行测量，并将数据汇总处理，其中小

　　麦秸秆质量测量示意图如图2-3所示。在后续仿真试验研究建立小麦秸秆离散元模型时，小麦秸

　　秆密度是尤为重要的参数，而由于小麦秸秆密度直接测量较为困难，因此本文设计通过计算得到

　　小麦秸秆密度，通过观察小麦秸秆形状，其形状为圆台或圆柱形，内部空心，具体计算方法为：

　　通过小麦秸秆两端外径及长度，计算得到整体小麦秸秆体积，后将两端外径减去小麦秸秆壁厚，

　　得到小麦秸秆空心部分上下直径，计算得到小麦秸秆内部空心体积，将两计算结果相减，得到小

　　麦秸秆净体积，最后通过计算得到小麦秸秆密度。测量计算结果如表2-1所示。

　　如表所示，小麦短秸秆平均质量0.164g，平均壁厚0.41mm，平均长度144.23mm，计算得

　　在打捆作业过程中，小麦秸秆全程在卷捆机构中卷压成型，小麦秸秆的弯曲、压缩等生物力

　　学特性影响着整机的作业过程。此外，在建立小麦秸秆离散元模型时，其力学特性也是影响建模

　　的重要因素，这些基本参数会影响到仿真时，颗粒与颗粒、颗粒与几何体之间的接触行为，进而

　　增大仿真试验与真实试验的相对误差。因此为提高仿真试验的准确性和可靠性，对小麦秸秆相关

　　测定试验使用东莞智取公司PT-890型号的万能试验机，获取小麦秸秆离散元模型基本参数

　　中的弹性模量（杨氏模量）、剪切模量，该试验机量程为0-1000N，测量精度0.5%，弹性模量

　　测量后求得小麦秸秆弹性模量为13.69MPa，查阅参考文献可得泊松比取0.35。计算得到

　　物料的摩擦特性，是农业物料研究中的重要环节。且根据本领域学者已做研究可知，卷捆

　　过程中，秸秆与钢辊的摩擦作用是草芯成型的主要动力，通过改变秸秆与钢辊间的摩擦系数，可

　　以影响钢辊式圆捆机的导送性能，故本研究计划改变钢辊表面材料，影响钢辊与小麦短秸秆的接

　　在利用离散元法研究虚拟芯捆成型试验时，需要小麦秸秆与钢辊间相关的静摩擦系数、滚动

　　摩擦系数以及碰撞恢复系数等参数。因此，设计试验研究小麦短秸秆与不同钢辊表面材料间的

　　摩擦特性，为后续钢辊式圆捆机芯捆成型仿真试验与台架试验提供设计参数和理论支撑。

　　为测量小麦秸秆接触参数，设计摩擦特性测定试验台架如图2-5所示。水平底板与落料装置

　　支架通过焊接固定，物料测试板通过一根可旋转轴与水平底板连接，确保物料测试板可绕水平底

　　板一端向上转动，两个落料装置支架竖直安置，可升降落料装置安装在支架上，确保其高度可调

　　试验设备还包括数显斜面仪、直尺、高速摄像仪等。为测量得到小麦短秸秆碰撞恢复系数，

　　需要利用到高速摄像仪，本试验采用FR-1000型数字式高速摄像仪（加拿大NORPIX公司），通

　　过慢速放映得到小麦秸秆碰撞后运动状况，进而计算得到小麦秸秆相关碰撞恢复系数。此外为得

　　到斜面倾斜角度，在物料测试板上，加装数显斜面仪，可得到物料测试板倾斜角度，进而计算小

　　试验测定静摩擦系数时，运用散粒体物料的摩擦学特性测试方法来进行试验。试验时，使

　　用自制摩擦特性测定试验台架，首先将水平底板及物料测试板放置水平，此时数显斜面仪检测角

　　度为0°，将小麦秸秆沿测试板长度方向静置在物料测试板上，缓慢抬升物料测试板一端，随着物

　　料测试板倾斜到一定角度，物料开始滑动，记录此时数显斜面仪的数值，为静摩擦临界角，记为

　　α，如图2-7(a)所示。按照公式(2-1)计算，得到小麦秸秆相关静摩擦系数μ。

　　试验测定滚动摩擦系数时，运用能量守恒原理进行试验。试验时，同样利用自制摩擦特

　　性测定试验台架，在数显斜面仪数值为0°时，将小麦秸秆沿测试板宽度方向静置在物料测试板上，

　　抬升物料测试板，当小麦秸秆发生滚动时，记录此时数显斜面仪数值，为滚动摩擦临界角，记为

　　β，如图2-5(b)所示。此时小麦秸秆只受重力作用，沿物料测试板滚落，此过程能量守恒定律得：

　　试验选取小麦秸秆滚动初始时刻内能量守恒进行计算，此时小麦秸秆受力分析如图2-8所示。

　　当小麦秸秆在重力G的作用下发生滚动，在物料测试板上滚过的距离为L，此时小麦秸秆对物料

　　测试板的正压力F为小麦秸秆重力在余弦上的分力（见式2-3），滚动摩擦力F为滚动摩擦系数

　　与正压力F的乘积（见式2-4），故滚动摩擦力所做的功W为滚动摩擦力F与小麦秸秆滚过的

　　距离L的乘积（见式2-5），此时重力势能E为重力G与小麦秸秆下降的竖直距离的乘积（见式

　　小麦秸秆在滚动的初始阶段，速度从零开始增加，变化极小，接近于零，此时小麦秸秆动能

　　碰撞恢复系数是指两物体在发生碰撞后，恢复到原来状态的能力，体现为被测物体碰撞前后

　　法向速度的比值[76-78]。试验采用自制摩擦特性测定试验台架，进行自由落体试验，使用高速摄像

　　仪记录小麦秸秆下落过程，试验时，将高速摄像仪安装在试验台架正前方，保证录像画面水平清

　　晰，此时高速摄像仪与试验台架距离为800mm，调整落料装置高度，保证小麦秸秆自由下落过

　　程中，减小空气阻力的影响并保持良好碰撞反弹效果，落料装置高度270mm，如图2-9所示。

　　设定小麦秸秆发生自由落体过程的下落高度为h，小麦秸秆接触物料测试板后弹起高度为h，

　　其测试原理图如图2-10所示。此时忽略影响极小的空气阻力，小麦秸秆只受到自身重力，由动能

　　定理得到小麦秸秆在发生碰撞前的法向速度v（见式2-8），及碰撞后回弹法向速度v（见式2-9）。

　　试验目的是获取不同钢辊表面材料对小麦秸秆接触参数的影响，选取影响效果较好的材料进

　　行后续试验，因此选择单因素试验，试验结果能够直接体现出试验因素对评价指标的影响规律。

　　本试验选取钢辊表面材料为试验因素，钢辊表面材料选取为：原始钢辊表面、铝箔胶带、特

　　氟龙胶带、水胶带、PVC胶带、磨砂胶带六个水平。试验主要目的是获取小麦秸秆与不同钢辊表

　　面材料的静摩擦系数、滚动摩擦系数、碰撞恢复系数，并研究试验因素对此三项系数的影响规律。

　　试验共进行7组试验，除6组钢辊表面材料的试验外，测定1组小麦秸秆间的相关接触参数，

　　规定原始钢辊表面、铝箔胶带、特氟龙胶带、水胶带、PVC胶带、磨砂胶带、小麦秸秆分别为1、

　　2、3、4、5、6、7。使用钢辊表面材料做试验时，将对应材料粘贴在物料测试板上，而在测定秸

　　秆间相关参数试验时，使用小麦秸秆制作小麦秸秆排，将小麦秸秆排粘贴在物料测试板上，以便

　　进行小麦秸秆间的相关试验，如图2-11所示。在测定碰撞恢复系数时，物料测试板粘贴材料后，

　　注意材料厚度，并调节落料装置，进行一定的高度补偿。每组试验，选取6根小麦秸秆，进行6

　　由表2-2可知，试验结果为7组相互独立的数据，为了比较数据的差异，首先检验数据是否

　　服从正态分布，服从正态分布的数据，采用单因素方差分析，而不服从正态分布的数据，则采用

　　多样本秩和检验。在表2-2数据中，静摩擦系数为连续型变量，使用IBMSPSSStatistics22软件

　　对数据进行正态性检验，在正态性检验时，假设“样本数据的总体分布与正态分布无显著性差异”，

　　使用非参数检验，确定出P值，当P0.05时，假设成立，即静摩擦系数数据符合正态分布。正

　　K-S检验适用于大样本数据，不仅可以用于正态性检验，还可以检验数据样本与理论分布整体拟

　　合程度；而S-W检验适用于小样本数据，对小于50个的数据值检验更有优势；正态性分析检验

　　后结果P0.05时，数据不符合正态性。本次分析数据共42组，故采用S-W检验，结果如表2-3

　　0.990均大于0.05，无统计学意义，7组数据均符合正态分布，采用方差分析进行后续处理。

　　利用IBMSPSSStatistics22软件对表2-2试验数据进行单因素方差分析，第一步是方差齐性

　　检验，检验结果P0.076，大于0.05，方差齐性，后续采用F检验。F检验方差分析结果如表2-4

　　所示，由方差分析结果可知：F值较大，说明组间方差为主要方差来源，同一材料的试验结果差

　　异较小，P值0.0001，说明摩擦材料对小麦秸秆静摩擦系数具有极显著的影响。

　　为建立拟合曲线方程，利用IBMSPSSStatistics22对表2-2试验数据进行处理分析，获取拟

　　合曲线，利用IBMSPSSStatistics22中回归分析选项中的曲线，获得静摩擦系数与摩擦材料之间

　　的回归模型，其中三次回归模型决定系数R最高，为0.981，拟合曲线.474

　　该方程决定系数R0.981，拟合效果较好，拟合方程可靠度高。将不同摩擦材料代入公式

　　(2-11)，得到小麦秸秆与原始钢辊表面、铝箔胶带表面、特氟龙胶带表面、水胶带表面、PVC胶

　　对表2-5数据进行分析处理，S-W正态性检验结果如表2-6所示，各摩擦材料的滚动摩擦系

　　利用IBMSPSSStatistics22软件对表2-5试验数据进行单因素方差分析，第一步是方差齐性

　　检验，检验结果P0.014，小于0.05，方差不齐，后续采用Welch检验。Welch检验为方差不齐

　　时的替代检验方法，结果如表2-7所示，由方差分析结果可知：P值0.0001，说明摩擦材料对小

　　为建立拟合曲线方程，利用IBMSPSSStatistics22对表2-4试验数据进行处理分析，获取拟

　　合曲线，利用IBMSPSSStatistics22回归分析选项中的曲线，获得静摩擦系数与摩擦材料之间的

　　回归模型，其中三次回归模型决定系数R最高，为0.969，拟合曲线x0.474

　　该方程决定系数R0.969，拟合效果较好，拟合方程可靠度高。将不同摩擦材料代入公式

　　(2-12)，得到小麦秸秆与原始钢辊表面、铝箔胶带表面、特氟龙胶带表面、水胶带表面、PVC胶

　　带表面、磨砂胶带表面、小麦秸秆的滚动摩擦系数分别为0.102、0.106、0.152、0.185、0.237、

　　对表2-8数据进行分析处理，S-W正态性检验结果如表2-9所示，各摩擦材料的滚动摩擦系

　　利用IBMSPSSStatistics22软件对表2-8试验数据进行单因素方差分析，第一步是方差齐性

　　检验，检验结果P0.350，大于0.05，方差齐性，后续采用F检验。F检验方差分析结果如表2-10

　　所示，由方差分析结果可知：F值较大，说明组间方差为主要方差来源，同一材料的试验结果差

　　异较小，P值0.0001，说明摩擦材料对小麦秸秆碰撞恢复系数具有极显著的影响。

　　为建立拟合曲线方程，利用IBMSPSSStatistics22对表2-6试验数据进行处理分析，获取拟

　　合曲线，利用IBMSPSSStatistics22回归分析选项中的曲线，获得静摩擦系数与摩擦材料之间的

　　回归模型，其中三次回归模型决定系数R最高，为0.965，拟合曲线.368

　　该方程决定系数R0.965，拟合效果较好，拟合方程可靠度高。将不同摩擦材料代入公式

　　(2-13)，得到小麦秸秆与原始钢辊表面、铝箔胶带表面、特氟龙胶带表面、水胶带表面、PVC胶

　　带表面、磨砂胶带表面、小麦秸秆的碰撞系数分别为0.24、0.17、0.13、0.13、0.13、0.11、0.08。

　　本章选取滑县种植的豫农804为试验对象，通过试验测定了小麦秸秆几何尺寸参数、含水率

　　等物理特性参数；使用东莞智取公司PT-890型号万能试验机测定了小麦秸秆力学特性参数，其

　　中小麦秸秆弹性模量为13.69MPa，小麦秸秆剪切模量为5.07MPa；在接触参数测定原理的基础

　　上，自制摩擦特性测定试验台架，并利用该装置测定了小麦秸秆与原始钢辊表面、铝箔胶带表面、

　　特氟龙胶带表面、水胶带表面、PVC胶带表面、磨砂胶带表面、小麦秸秆间的静摩擦系数、滚动

　　摩擦系数、碰撞恢复系数，为后续小麦秸秆仿真模型的建立、离散元仿真试验和台架试验提供了

　　我国小麦秸秆收获时，我国自主研发的中小型钢辊式圆捆机的使用越来越广泛，尤其是地块

　　较小的黄淮海地区，但目前的中小型钢辊式圆捆机还是存在工作效率低、能耗消耗大、喂入易堵

　　塞等问题。钢辊式圆捆机在工作的过程中，一旦发生堵塞，就会导致卷捆过程无法完成，徒增

　　功耗的同时，也会对圆捆机造成一定程度的损害。究其原因，通过对钢辊式圆捆机工作过程的

　　观察，堵塞现象发生在初始阶段，即小麦秸秆刚进入卷捆室内，随钢辊向上攀升的阶段，这一阶

　　段内，小麦秸秆如能顺利完成攀升，形成回抛，就会逐渐形成旋转草芯，在此情况下，几乎未发

　　生堵塞现象，而当小麦秸秆攀升力度不够，或回抛阶段时间过长，没能及时形成旋转草芯，就会

　　由此可见，钢辊式圆捆机在卷捆过程发生堵塞等现象的主要原因就是小麦秸秆在卷捆机构中

　　未能及时形成旋转草芯。所以对完整卷捆过程的初始阶段——芯捆成型过程进行研究分析，是解

　　决目前钢辊式圆捆机相关难题的关键。本章将介绍钢辊式圆捆机的主要结构及工作原理，并对芯

　　小型钢辊式圆捆机主要结构简图如图3-1所示。主要由动力输入轴、前机体、弹齿式捡拾机

　　构、传动链条、捆绳机构、行走轮、液压机构、卷捆室、钢辊、后机体等构成，其中动力输入轴、

　　锥齿轮传动减速器（减速比4：3）、弹齿式捡拾机构、捆绳机构、5个导送钢辊及2个张紧齿轮

　　安装在前机体上，这些部件通过机械配合安装，构成钢辊式圆捆机卷捆前室；后机体上主要安装

　　有6个导送钢辊及张紧齿轮，共同构成卷捆后室；前机体与后机体上安装有液压机构，活塞杆安

　　装在前机体上，液压缸体则安装在后机体上，液压机构通过液压动作作用于铰接前后机体的转动

　　1.动力输入轴2.前机体3.弹齿式捡拾机构4.传动链条5.捆绳机构6.行走轮7.液压机构8.卷捆室

　　该钢辊式圆捆机共有11个导送钢辊，钢辊直径150mm、长度为750mm，其中在卷捆室底

　　部有2个水平钢辊，在留有喂入口的前提下，其余钢辊等距分布，构成圆形卷捆室，卷捆室尺寸

　　为φ500mm×750mm。液压机构中，液压缸径40mm，液压杆径25mm，可产生推力为6500N，

　　钢辊式圆捆机工作过程主要分为旋转草芯形成、秸秆环层卷压、草捆缠绳打包（图中未表示）、

　　圆草捆卸出4个串联阶段，如图3-2所示。正常工作时，钢辊式圆捆机在拖拉机的牵引下，在田

　　间行走，拖拉机的动力输出轴通过万向联轴器驱动圆捆机动力输入轴，该动力通过锥齿轮传动减

　　速器、传动链条将传动力传递给钢辊和捡拾机构。捡拾机构将田间收获后的秸秆捡拾起来，将其

　　推送至卷捆室，初期进入卷捆室内的少量秸秆沿各旋转钢辊表面做周向爬升，上升到一定高度后

　　因自重回落而逐渐连续卷绕累积形成旋转草芯。随着后续秸秆不断喂入，秸秆群逐层由外向内缠

　　绕包裹旋转草芯，草捆密度不断增加，此时，旋转钢辊开始对圆草捆施加压力，秸秆环层卷压力

　　逐渐从外层传递至内层。当圆草捆密度达到预设值时，秸秆停止喂入，同时捆绳机构对旋转圆草

　　捆轴向长度完成捆绳动作，而后捆绳剪切单元快速将绳切断，完成捆绳作业。最后通过液压机构

　　驱动卷捆室后机体张开，有一定体积、外紧内松的圆草捆被卸出，完成整个打捆作业。

　　钢辊式圆捆机卷捆成型的关键是能否在卷捆室内快速形成旋转草芯，如不能及时形成草芯并

　　旋转，即使秸秆充满整个卷压室，也不能进一步的卷绕累积，只会造成秸秆堆积在喂入口，进而

　　出现堵塞等问题。因此本节对芯捆成型过程进行分析，探索影响旋转草芯成型的关键因素。

　　为便于分析研究，将芯捆成型过程麦秆层的运动分为初始进入阶段、水平运动阶段、向上运

　　在研究小麦秸秆芯捆成型过程时，为方便对整个过程进行后续分析，结合仿真预试验与台架

　　预试验，使用传送带代替捡拾装置，以一定的速度将小麦秸秆喂入卷捆机构。小麦秸秆由传送带

　　输送抵达卷捆室第一个钢辊时，麦秆层初始进入阶段的小麦秸秆受力示意图如图3-3所示。此阶

　　段小麦秸秆初步进入卷捆室，首次接触钢辊，小麦秸秆在滑动摩擦力F的作用下，以进入卷捆室

　　的初速度v向前运动，小麦秸秆之间的摩擦力较小，忽略不计，滑动摩擦力F计算公式为：

　　小麦秸秆在进入卷捆机构接触第1个钢辊的过程中，有着水平的向前动量，此时动量越大，

　　对公式(3-1)、(3-2)进行分析，增大小麦秸秆到达卷捆室时的初速度，可以增大小麦秸秆水平

　　向前动量，可以通过改变输送带与小麦秸秆的滑动摩擦因素，进而改变小麦秸秆进入卷捆室时的

　　接下来，小麦秸秆将沿着钢辊继续向前运动，图3-4是小麦秸秆在第1、2钢辊上水平运动时，

　　即水平运动阶段的小麦秸秆受力示意图。此时小麦秸秆主要受钢辊对小麦秸秆的滑动摩擦力及后

　　续秸秆推力，两者作用下，小麦秸秆在第1、2钢辊上以v、v的速度水平向前运动，通过查阅

　　大量相关文献可知，小麦秸秆的后续推力是后续运动所受到的合力之一，故假设秸秆后续推力为

　　F。此时分别对小麦秸秆在1号、2号钢辊时的受力进行分析，钢辊1、钢辊2滑动摩擦力F、

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