摘 要：针对汉麻植株高、纤维多、茎秆韧性强，导致现有打捆设备易出现捡拾堵塞、茎秆缠绕的问题，研发全封闭式伸缩扒齿汉麻捆麻机捡拾装置。该装置由滚筒、偏心连杆及捡拾齿等构成，捡拾齿呈螺旋线排列，通过偏心连杆机构将滚筒旋转转化为捡拾齿周期性伸缩以实现高效抓取输送。基于汉麻麻铺厚度、安全间隙等确定偏心距≥80mm,结合输送装置倾角设偏心角40°，并明确滚筒、捡拾齿关键参数及转速范围。经Solidworks分析，捡拾齿从4排优化为6排后漏拾率降低，核心部件力学性能达标。田间试验结果显示，不同行走速度下捡拾率95.80%~97.52%、损伤率1.29%~2.20%，符合设计要求，可为汉麻产业机械化升级提供技术参考。
关键词：汉麻捆麻机；汉麻；茎秆；捡拾装置；捡拾齿；损伤率
汉麻作为一种极具经济价值的特色经济作物，在高端纺织、造纸、制药等多个领域中占据着重要地位[1-2]。黑龙江省凭借其适宜汉麻生长的气候优势，汉麻相关产业得到政府部门高度重视，在相关政策推动下，汉麻种植面积已超过1.79万hm²，占全国汉麻种植总面积的65%以上，成为国内规模最大的汉麻种植基地[3-4]。然而，汉麻种植领域机械化水平相对较低，在捆麻环节仍大量依赖人工操作。这一现象主要源于汉麻自身的特性：茎秆纤维含量35%~45%，植株高度达2~3m，部分长势旺盛的植株甚至能突破6m，远超普通秸秆作物[5-7]。当使用常见的秸秆、牧草、芦苇打捆机械作业时，在捡拾环节极易出现堵塞、茎秆缠绕滚筒的问题，同时设备的捡拾宽度与汉麻的高度也不匹配[8-10]。因此，研发适配汉麻特性的专用打捆机，以满足规模化生产的需求，已成为推动汉麻产业升级的关键突破口。捆麻机作为汉麻收获后必不可少的处理设备，其作业质量直接关系到汉麻纤维的后续加工品质。尤其捆麻机捡拾装置，既需要保证较高的捡拾率、较低的故障率，又要避免在作业中对汉麻纤维造成损伤。
1 整体结构与工作原理
1.1 整机结构
鉴于汉麻存在植株过高、种植密度大，并且茎秆韧性强易缠绕的特性，为解决现有捡拾设备在作业中易出现的堵塞、捡拾不彻底等问题，对现有打捆类产品所采用的弹齿式捡拾、指盘式捡拾、链齿式捡拾和滚筒式捡拾等捡拾方式深入调研与分析，结合实际设计需求，最终选定全封闭式伸缩捡拾齿捡拾器。该类型捡拾器具有捡拾效率高、防缠绕性能突出、对麻秆纤维伤害小及地形适应性强等显著优势[6,11-13]。
汉麻捆麻机捡拾装置主要由滚筒、偏心连杆、捡拾齿、捡拾齿座、偏心轴和尼龙套等部件构成，具体结构如图1所示。参考同类设备的理论计算结果，捡拾齿采用螺旋线方式排列，相邻两捡拾齿之间夹角90°，并通过捡拾齿座依次安装在偏心轴上；偏心轴两端分别与偏心连杆一端相连，而偏心连杆另一端则安装于滚筒端盖的同心轴上；滚筒端盖与滚筒采用固定安装方式连接。
图1 捡拾装置结构
1.2 工作原理
捡拾装置安装在汉麻捆麻机最前端，如图2所示。当汉麻捆麻机以设定行进速度前进时，液压马达将动力传递至滚筒，使滚筒绕同心轴做反向回转运动，通过滚筒表面安装的尼龙套推动捡拾齿绕偏心轴摆动。当捡拾齿随滚筒旋转至下方区域时向外伸展，齿尖挑起汉麻茎秆并保持伸出状态，随滚筒转动将茎秆由下至上输送至上方的输送装置入口。在此过程中，捡拾齿逐渐缩回滚筒，在接近输送装置时与汉麻茎秆脱离，完成捡拾作业[14-17]。
图2 汉麻捆麻机结构示意
2 关键部件设计
2.1 偏心连杆
偏心连杆是捡拾装置实现捡拾连贯动作的核心部件，通过连接同心轴与偏心轴，将滚筒的旋转运动转化为捡拾齿的周期性伸缩运动，通过偏心距与偏心角的协同作用，实现捡拾齿高效抓取-低损输送-精准卸料的作业目标，如图3所示。
图3 偏心连杆安装结构
2.1.1 偏心距
偏心连杆偏心距是指捡拾装置的滚筒中心与偏心轴中心之间的径向距离，如图4所示。
图4 偏心连杆偏心距
该参数是决定捡拾齿工作长度和运动轨迹的关键因素。当滚筒旋转时，偏心安装的捡拾齿在滚筒外表面做伸出--提升--缩回连续圆周摆动。设滚筒旋转中心到捡拾齿顶端的距离为工作长度，当捡拾齿伸出滚筒以外时，偏心距所在线段与捡拾齿轴线平行时，捡拾齿伸出滚筒外的距离达到最大值，此时捡拾齿插入物料层的深度最深，抓取能力最强；而当捡拾齿缩回滚筒后，偏心距所在线段与捡拾齿轴线再次平行时，捡拾齿缩回至最小工作长度。捡拾齿工作长度计算公式为
式中Lmax——捡拾齿最大工作长度，mm
L——捡拾齿长度，mm
e——偏心距，mm
Lmin——捡拾齿最小工作长度，mm
当最小伸出量为0时，捡拾齿最大工作长度与最小工作长度的差值，为捡拾齿最大伸出量，其值需不小于麻铺厚度与安全间隙之和，防止因振动或麻铺不均匀而漏捡底层茎秆。偏心距计算公式为
式中h——麻铺厚度，mm
△h——安全间隙量，mm
根据田间实际测量，汉麻茎秆在田间沤制过程中麻铺厚度≤110mm。安全间隙量不超过麻铺厚度的一半,取值50mm,因此,偏心距取值应≥80mm。
2.1.2 偏心角
偏心角是指滚筒旋转中心与偏心轴中心的连线与铅垂方向的夹角，其决定捡拾齿工作的起始位置和卸料点。综合考虑茎秆输送流畅性与输送距离，输送装置与地面夹角预设30°。为使捡拾齿在卸料时与输送装置入口平稳衔接，偏心角需补偿5°~10°的安全角度余量以抵消茎秆脱离时的惯性偏移。偏心角与输送装置同地面夹角的关系为
式中α——偏心角，(°)
θ——输送装置与地面夹角，(°)
△θ——物料可以滑落的安全角度余量，(°)
当输送装置与地面夹角θ=30°时，偏心角取值范围35°~40°，在不影响捡拾作业前提下，为了保证与输送装置的可靠衔接，偏心角取最大值，α=40°。
2.2 滚筒设计与捡拾齿长度确定
捡拾装置滚筒为空心筒状，长度选定为2.8m以适应汉麻高度。滚筒表面设有按螺旋线排列的尼龙套安装孔，圆周方向相邻两孔夹角为90°，如图5所示。
图5 捡拾装置滚筒
滚筒直径的选择对捡拾效果影响较大。在恒定作业速度下，较大的滚筒直径可增强抓取能力，但会增加捡拾坡度，导致汉麻茎秆托举难度增大；反之，较小的滚筒直径需要更高的转速，会增加茎秆断裂风险。
根据偏心距推导过程可知，滚筒半径需大于偏心距，同时要小于最大伸出量，所以滚筒半径的取值范围在80~160mm。综合考虑捡拾齿座的回转空间，最终选定滚筒的半径为125mm。
当最小伸出距离为零时，捡拾齿长度与滚筒半径的关系式为
式中L——捡拾齿长度，mm
r——滚筒半径，mm
e——偏心距，mm
将滚筒半径r=125mm、偏心距e=80mm代入关系式（6），计算得捡拾齿长度为205mm。
2.3 滚筒转速
捡拾齿端线速度必须与行走速度相匹配，以确保捡拾齿主动拾取物料并兼顾捡拾效率和损伤率。捡拾齿端线速度与行走速度关系式为
捡拾齿端线速度与滚筒转速的换算公式为
整理得
式中vc——捡拾齿端线速度，m/s
k——速度系数
v——整机作业行走速度，m/s
D——滚筒直径，m
n——滚筒转速，r/min
为保证较高的捡拾效率，捡拾齿端线速度与行走速度比值取k=1.3，是基于主动拾取避免漏捡的实际工作经验值；整机作业行走速度预设6.0~8.0km/h，代入式（9）计算滚筒转速范围165.64~220.78r/min，并且转速随作业行走速度呈线性递增。
2.4 捡拾齿运动轨迹分析
利用Solidworks Motion进行运动轨迹分析,观察捡拾装置工作过程中动态特性，为优化设计提供理论依据。考虑平衡计算效率与模型真实性，将实际的4排捡拾齿简化为4个单齿结构，按1：1实物尺寸进行三维建模，利用Motion进行分析。为滚筒添加旋转马达，运动方式为等速，转速165r/min(由滚筒转速165.64r/min换算所得);为整体添加线性马达,运动方式为等速，移动速度为1667mm/s(由整机作业行走速度6.0km/h换算所得)，设置分析时间1.2s。通过轨迹追踪功能，记录捡拾齿顶端的运动轨迹，并生成线性位移曲线图，如图6所示。
图6 捡拾齿运动轨迹
同时生成捡拾齿端线性位移与时间的关系曲线，如图7所示。
通过分析齿端轨迹与轨迹曲线图发现，相邻两齿在前进方向存在约150mm的轨迹间隙，高度约10mm，导致该区域的汉麻茎秆无法被捡拾，形成汉麻茎秆的地面残留区。
图7 线性位移曲线
2.5 改进设计
解决捡拾装置地面残留区域过大一般有两种解决方法。一是减小离地间隙使捡拾齿切入土壤，消除地面残留区；二是减小相邻捡拾齿夹角，提升轨迹重叠率，缩小残留区。
综合对比发现，捡拾齿为硬指杆，无缓冲设计，在复杂土壤环境下易损坏且功耗高。因此，在维持核心结构参数不变前提下，提出如图8所示的减小相邻捡拾齿夹角设计方案：将周向角度间隔90°优化为60°，圆周齿排数由4排增至6排，在偏心轴两端各增设1个捡拾齿，总数从40个增至42个，单排齿数量从10个调整为7个。该设计在减小齿间夹角的同时，确保每排齿工作数量满足捡拾要求，保证茎秆捡拾整齐度。
此改进使相邻齿工作区域的残留间距由150mm缩短至100mm，高度由10mm降低到5mm，小于汉麻茎秆直径，有效减少了地面残留区域。
3 结构力学分析
为验证捡拾装置在额定工况下结构安全性与可靠性,采用Solidworks Simulation模块开展力学性能评估，通过精准的参数设定与分组分析，系统验证各关键部件的应力与位移特性。
在分析模型处理中，为简化计算流程并聚焦核心受力部件，导入三维模型时剔除非关键特征，确保分析效率的同时不影响关键数据的准确性。材料选择严格依据实际工况需求：滚筒及滚筒端盖采用Q235碳素结构钢,其屈服强度235MPa、弹性模量206GPa，适配主体承载需求；捡拾齿选用20Cr合金钢，屈服强度达540MPa、弹性模量205GPa，满足高频接触与耐磨要求；偏心轴、偏心连杆及同心轴则采用Q355碳素结构钢,屈服强度355MPa、弹性模量206GPa，适配传动系统的高强度受力场景。
图8 6排捡拾齿结构
为更清晰地显示应力分布区域与位移变化规律，将捡拾装置核心部件划分为两组进行针对性分析：第1组包含偏心曲柄、偏心轴、捡拾齿座和捡拾齿，重点评估传动与接触部件的力学性能；第2组涵盖滚筒、滚简端盖、同心轴和尼龙套，聚焦主体承载部件的受力特性。
约束条件与载荷设定严格模拟实际工作状态：对于第1组，以偏心连杆的同心轴孔和各排捡拾齿与尼龙套的接触面为固定几何体约束，确保边界条件稳定；通过接合方式连接偏心轴与偏心连杆、捡拾齿与捡拾齿座，以无穿透方式连接偏心轴与捡拾齿座，模拟部件间的刚性传动关系；基于麻铺阻力测试数据，在捡拾齿各排伸出部分与汉麻茎秆的接触面施加相应垂直载荷，等效模拟茎秆对捡拾齿的反作用力。对于第2组，将同心轴及工作时尼龙套与捡拾齿的接触面设为固定几何体；同心轴与滚筒端盖采用无穿透接触方式，滚筒与滚筒端盖、滚筒与尼龙套则以接合方式连接，还原实际装配关系；根据液压马达输出功率，对滚筒施加10kN·m的扭矩载荷，模拟高速旋转时的驱动力矩。
图9 捡拾装置力学分析云图
由图9可知，应力方面，第1组中，捡拾齿最大伸出量时的根部应力达53.40MPa，仅为20Cr合金钢屈服强度(540MPa)的9.89%，安全系数高达10.11;第2组中，滚筒两端尼龙套安装孔与捡拾齿接触面的最大应力44.21MPa,仅占Q235钢屈服强度(235MPa)的18.81%，安全系数5.32。两组部件的应力峰值均远低于材料极限值，并且应力分布呈现接触部位集中、主体区域均匀的特征，说明结构载荷传递路径合理，高应力区未超出材料安全阈值。
位移方面，第1组中，捡拾齿尖在最大伸出状态下位移量0.1785mm，主要由齿部悬臂结构在接触载荷下的弹性变形产生，并且变形量随捡拾齿伸出量的增加呈线性递增，符合材料力学悬臂梁变形规律；第2组中，滚筒壁最大位移出现在尼龙套安装孔螺旋线始末两端，仅0.01438mm，源于滚筒在扭矩作用下的整体微量扭转，位移分布呈现两端略大、中部平稳的特点。两组位移量远低于材料的许用位移上限，表明结构刚度储备充足。
应变方面，第1组捡拾齿根部应变约1.703×10-4，第2组滚筒接触面应变约1.648×10-4，均处于材料弹性应变范围。应变分布与应力分布趋势一致，高应变区集中在捡拾齿根部、滚筒上尼龙套安装孔等部位，但整体应变水平远低于各材料弹性极限，证明各部件在额定工况下完全处于弹性工作状态，无塑性变形风险。
综上所述，捡拾装置各部件在应力、位移和应变3个维度均表现出优异的力学性能，不仅满足安全系数与刚度设计要求，更通过合理的应力传递与变形控制，确保结构在长期作业中的稳定性与可靠性。
4 田间试验
4.1 试验条件
为研究汉麻捆麻机捡拾装置的作业性能，2024年9月在黑龙江省青冈县进行田间试验，如图10所示。试验品种为纤维用工业大麻，试验器材有皮尺、TCS电子秤、游标卡尺及科学函数计算器等。
4.2 试验因素与评价指标
图10 田间性能试验
将捡拾装置搭载于4KM-280型自走式工业大麻捆麻机,开展汉麻茎秆捡拾试验。参考DB2312/T 101—2024《工业大麻(纤维)捆麻机作业质量》中测定打捆机指标的方法与要求，以捡拾装置滚筒转速、作业行走速度、捡拾率和损伤率为试验指标，设计试验方法，通过多因素交互作用分析，确定捡拾装置的较优参数组合。捡拾率和损伤率计算式为
式中Y——试验区汉麻茎秆捡拾率，%
m1——试验区捡拾汉麻茎秆质量，kg
m2——试验区残留汉麻茎秆质量，kg
R——试验区汉麻茎秆损伤率，%
N——试验区汉麻茎秆损伤质量，kg
4.3 试验方案与结果分析
为评价捡拾装置捡拾效果，以捡拾率、损伤率为核心评价指标。试验设定作业幅宽2.8m，单次试验前进距离20m，共设计5组不同参数组合试验，每组试验重复3次，以消除田间地面高低起伏、汉麻茎秆铺放密度差异等随机因素对结果的影响。试验结果如表1所示，采用平均值±标准差表示，其中标准差反映3次重复试验的离散程度。
由表1可知，各组试验的标准差均较小(捡拾率标准差≤0.35%，损伤率标准差≤0.16%)，表明3次重复试验的数据一致性良好，随机误差对结果的影响较小，试验稳定性较高。
田间试验结果显示，最佳作业质量参数组合为行走速度6.0km/h、滚筒转速165.64r/min时，捡拾率达97.52%、损伤率1.29%；高效作业参数组合为行走速度7.0~8.0km/h、滚筒转速193~220r/min时,捡拾率达95%以上、损伤率控制在2.2%以下。
表1 田间试验结果
5 结束语
本研究设计了全封闭伸缩捡拾齿捡拾装置，并确定滚筒直径、偏心角、偏心距和排列方式等关键参数，对捡拾齿的运动轨迹进行分析，通过理论分析，确定调整齿间夹角的方式，以减少地面汉麻茎秆残留。
利用Solidworks Simulation模块,对捡拾装置关键部件进行静力学分析。结果显示，捡拾齿、滚筒、偏心轴在模拟工况下的最大应力均远低于对应材料的屈服强度。最大位移量0.1785mm,符合设计标准要求。最大应变远低于材料弹性极限，无塑性变形风险。
田间试验表明，在行走速度6.0~8.0km/h作业时，捡拾率稳定在95.80%~97.52%，损伤率1.29%~2.20%,作业性能指标符合捡拾器设计要求。
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文章摘自：刘伟光，曹海峰，徐宏扬，等。汉麻捆麻机捡拾装置设计与试验[J].农业工程，2026，16(5):78-84.DOI:10.19998/j.cnki.2095-1795.202509013.
