玉米茎秆成捆直径与捆绳张力关系试验分析

2015年3月农机化研究第3期

玉米茎秆成捆直径与捆绳张力关系试验分析

杨廷文，张道林，卜令昕，崔

萌，王立兴

255049）

（山东理工大学农业工程与食品科学学院，山东淄博

摘

要：玉米茎秆打成圆捆后直径与捆绳张力的关系对打捆质量具有较大影响。为此，通过对打捆后的玉米茎

秆进行模拟简化，引入基本假设并进行理论分析，建立了成捆直径与捆绳张力的定量关系。同时，选取完熟承玉18号玉米茎秆作为试验材料，对捆扎后不同直径的圆捆进行试验，测量捆绳张力。试验结果表明，随着圆捆直径的增加，捆绳张力呈非线形增大。本试验对玉米秸秆的切断、铺放及捡拾打捆等技术具有现实意义和理论参考价值。

关键词：玉米茎秆；张紧力；圆捆直径中图分类号：S121文献标识码：ADOI:10.13427/j.cnki.njyi.2015.03.054

文章编号：1003－188X（2015）03－0219－03

0引言

秸秆资源丰富，其中玉米作为我国是农业大国，

此，为了对打捆后的玉米秸秆进行简化模拟，取玉米秸秆之茎秆作为研究对象，并引入如下基本假设：

1）把每根秸秆看作完全相同的圆柱形刚体。2）认为秸秆按照如图1所示的方式进行摆放，形当捆直径很大时近似认为圆捆成六边形捆，

［3］

［1］

我国第三大种植作物，每年秸秆产量约2．2亿t。

2006年，玉山东玉米秸秆的产量已经超过2000万t，米的种植面积整体呈增长趋势；玉米秸秆资源量也整体呈增长趋势，目前玉米秸秆资源量基本保持在2400万t左右。

随着传统农业向现代农业不断发展转变，秸秆的利用方式也从传统的作为农村生活能源和牲畜饲料转变为利用秸秆还田、饲料加工、原料深加工、生物质能源利用等技术的秸秆利用方式

［2］

。

。除秸秆还田外，

其它的利用方式都需要对玉米秸秆进行收集，尤其是铺放式玉米收获机的研制成功和推广，对玉米秸秆收集、打捆的机器需求增大。目前，稻麦秸秆田间捡拾、收集打捆技术及设备比较成熟，而适用于玉米秸秆的类似机械相对缺乏。然而，针对影响玉米秸秆打捆质量因素的试验与研究还鲜有报道，因此对玉米秸秆打成圆捆后直径与捆绳张力的关系进行试验与研究具有现实意义。

图1

茎秆理论摆放方式

2理论分析

对一根茎秆进行捆扎是茎秆打捆的最小极限。对

一根捆扎的茎秆进行受力分析（如图2所示），截取任一位置处的微量长度的捆绳为分离体，由受力平衡得

［4］

1基本假设

玉米秸秆打成圆捆后的力学特征比较复杂，很难

dN=2Fsin

d2

（1）（2）

对所有秸秆的实际状态进行精确的模拟和分析。因

收稿日期：2014－03－17

基金项目：公益性行业（农业）科研专项（200903059－04）

（E－mail）作者简介：杨廷文（1987－），男，山东枣庄人，硕士研究生，

no．1ytw@163．com。

（E－通讯作者：张道林（1957－），男，山东淄博人，教授，硕士生导师，

mail）zdlzb@sdut．edu．cn。

∫

2π

μ1dN=G+g

dN为分离体随θ变化的支反力函数；F为其中，

捆绳张力；dθ为分离体的夹角；μ1为捆绳和茎秆间的摩擦因数；G为砝码的重力；g为茎秆自身重力。

式（1）、式（2）中，因dθ很小，可取sin

dθdθ

≈，22

·219·

2015年3月于是由式（1）得

dN=Fdθ

将式（3）带入式（2）可得

μ1

农机化研究

由式（6）、式（7）解得

（3）

F=

G+g

6μ2

第3期

（8）

∫

2π0

Fdθ=G+g（4）

能成捆的捆绳张力最小应把圆捆看成一个整体，满足式（5），所以可得

F≥

G+7g2πμ1

（9）

对式（4）左边积分得

2πFμ1=G+gF=

G+g2πμ1

（5

）

F为捆绳张力；g为茎秆自身重力；μ1为捆其中，

绳和茎秆间的摩擦因数。

打捆时捆绳张力应同时满足当茎秆数n≥7时，式（8）和式（10），则有

F≥

G+ng

2πμ1

（10）

F为捆绳张力；n为茎秆根数

。其中，

图2单茎秆受力分析图

对7根茎秆进行打捆时，圆捆中心茎秆A受到周围对称的6根茎秆的大小相等、方向经过中心茎秆中心的力，如图3所示

。

图4B的受力受中心茎秆A、

3

3．1

玉米茎秆成捆直径与捆绳张力关系试验

试验材料与工具

选择完熟的承玉18号玉米茎秆作为试验材料，试

验工具包括捆绳、测力计、尺子、切割器等。紧线装置、3．2

图3

中心茎秆A径向受力

试验方法与装置

基于以上试验基本假设，不考虑茎秆切断长度和

如图4所示，对其中一根茎秆B和中心茎秆A进行受力分析：

1）茎秆B受两侧捆绳张力分别记为F1、F2，则F1=F2；F1、F2的合力F=F1=F2，方向指向茎秆B的中心。

2）茎秆A受到茎秆B的压力F'=F，方向指向茎秆A的中心。同理，其余5根茎秆对茎秆A的压力大小均等于F，方向指向茎秆A的中心。由牛顿第三定律和力的平衡得

N=F

'

捆绳匝数等其它因素的影响，为便于分析和可重复试验，现将玉米秸秆剥皮只剩茎秆，再将茎秆切断成20cm。

目前，小型圆捆打捆机的成捆直径大多为500mm，由于试验条件的限制，现按茎秆摆成圆捆的直径大小的不同，从1根茎秆到圆捆直径为400mm分成9组；对每组捆扎的茎秆称重并测量捆的直径，记录数据，然后圆捆竖直放在一个可以抽走的平板上（抽走平板来检验扎成的圆捆是否结实）；捆绳的一端固定，

另一端连接测力计和紧线装置，圆捆中心茎秆上固定砝码，重力为15N。

张紧捆绳两端，用捆绳捆住所有茎秆并保证砝码不下落，再调节紧线装置，当张力小到使圆捆中心的茎秆和砝码刚好滑落时，拉力计上的值记为该组茎秆

（6）（7）

6μ2N=G+g

N为茎秆A的支反力；F'为茎秆A对茎秆其中，

B的压力；μ2为茎秆间的摩擦因数；G为砝码的重力；g为茎秆自身重力。

·220·

2015年3月

的实际捆绳张力。试验装置如图5所示

。

农机化研究第3期

在一定偏差，主要原因包括：①实际每根玉米茎秆的含水率和直径是不相同的；②在成捆过程中，各玉米茎秆排列是随机的，不完全成正六边形；③玉米茎秆是非刚体，捆扎过程必然存在形变，这也是导致捆绳理论张力和实际张力有较大偏差的最主要原因。

用origin软件进行指数函数拟合，得出如图7所示的拟合曲线图

。

1．可抽动平板2．砝码3．圆捆4．测力计5．紧线装置6．捆绳

图5

试验装置示意图

4数据分析

对9组茎秆进行试验，测得玉米茎依据试验方法，

秆含水率为48．5%，得出如表1所示数据。

表1

序号123456789

质量/g25625937124516142035289637944323

试验数据

实际张力

/N9．6921．3330．1239．4950．9663．1295．21147．56196．25

理论张力

/N9．7113．5215．5217．4819．8322．5228．0033．7237．09

图7

圆捆直径与实际捆绳张力拟合曲线

圆捆直径/cm21720222426303538

圆捆直径D与捆绳张力F的回归方程为

F=AeD/t+F0

式中

F—捆绳实际张力（N）；D—圆捆直径（cm）；Ｒ—判定系数。

A=5．00986，t=10．33204，F0=－0．682其中，28，Ｒ2=0．9975。

5结果与讨论

若圆捆直径D为因变根据对试验数据的分析，

得出圆捆直径与理论捆绳张根据表1试验数据，

力和实际捆绳张力的关系如图6所示

。

量，捆绳实际张力F为自变量，则两者成指数函数关系。根据拟合得到的指数函数曲线可估算圆捆直径为50cm时，捆绳实际张力需要达到439．9N才能保证成捆后圆捆结实；圆捆直径为100cm时，捆绳实际张力需要达到2370N才能保证成捆后圆捆结实，这种估算的精度可达到0．9975。

6结论与建议

玉米茎秆成捆直径对捆绳张力有直接影响，圆捆

直径越大，所需张力呈近似指数关系增大。当圆捆直径较大时，捆绳张力很大，对捆绳和机器的要求会很高，所以在设计和制造打捆机时要综合实际需要、捆

图6

圆捆直径与理论捆绳张力和实际捆绳张力的关系

绳承受力、机器强度等条件合理设定圆捆直径这一关键因素。

（下转第242页）

捆绳理论张力和实际张力存由表1和图6可知，

·221·

2015年3月农机化研究第3期

DesignandFeasibilityAnalysisofBiomassHeatOutsidethe

ContinuousCarbonizationFurnace

LiangHuachao，WangWeixin，YangYuanqi，LiXia，ZhangWei，ZhaoQing

（CollegeofMachineryandElectricityEngineering，ShiheziUniversity，Shihezi832000，China）

Abstract：ncreasingdepletionoffossilfuelstoday，insteadofthetraditionaluseofbiomassenergyresearchhasbecomeahotinternationalresearch，Xinjiangisrichincottonstalksresources，rationaluseofbiomassresourcesverymeaning-ful．Inthispaper，cottonstalksastheexperimentalsample，simultaneousanalysisofexistingcarbonizationprocess，inaccordancewiththeprincipleofenergysavingdesignofabiomassheatoutsidethecontinuouscarbonizationfurnace，in-troducestheoverallstructuraldesignofcarbonizationfurnace，adetaileddescriptionofitsmaincomponentsdesignandparameterselection．Andthedesignofcarbonizationfurnaceheatbalancecalculation，thegasproducedbyincompletecombustionofcarbonizationreactionheatis727MJ，carbonizationchamberheatlossis501．23MJ．Validatethetheoryofrationalcarbonizationfurnacestructure，productionprocesssimple，easytooperate，reliable，havegoodmarketpros-pects．

Keywords：biomass；externalthermal；continuouscarbonizationfurnace；structuraldesign；heatbalancecalculation（上接第221页）

参考文献：

［1］王敬昌，杜运科．玉米秸秆综合利用现状及发展策略

［J］．农业科技通讯，2012（11）：95－98．

［2］吴鸿欣，韩增德，等．中国玉米秸秆综合利用技曹洪国，J］．农业工程，2011（3）：10－12．术介绍与探讨［［3］李军，裴忠才，等．钢材捆扎机械手的理论分析付永领，J］．机器人，2003，25（4）：349－352．与设计［．［4］刘海江，周浩升．钢板包装中捆带的力学性能分析［J］2011，32（17）：44－46．包装工程，

AbstractID：1003－188X（2015）03－0219－EA

EffectofCornStalkIntoBundleDiameterontheＲopeTension

YangTingwen，ZhangDaolin，BuLingxin，CuiMeng，WangLixing

（CollegeofAgriculturalEngineeringandFoodScience，ShandongUniversityofTechnology，Zibo255049，China）Abstract：Labeledforcornstalkdiameterroundbalesaftertherelationshipwiththebalertwinetension，throughthestud-yofthesimulationofbalingafterthecornstalkstosimplify，introducingthebasichypothesisandtheoryanalysis，estab-lishedabundleofropetensionandthediameterofbundles；SelectfullripenessChengyu18cornstalksastestmaterials，designtestmethod，afterthestrappingroundbundleofexperimentofdifferentdiameter，measuringacordtension；Ontheanalysisofexperimentaldataprocessingresultsshowthatwiththeincreaseofroundbundleofdiameter，cordtensionisnonlinear．Thetestofcornstrawcutting，layingandcollectingbalingtechnologyhaspracticalsignificanceandtheoreti-calreferencevalue．

Keywords：cornstalks；tension；roundbundleofdiameter

·242·