《Agriculture》：Design and Applications of a Novel Performance Test Bench for a Single-Knot Knotter
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打结器的成结运动难以直接观察，且打结试验劳动强度大、耗时长。针对这些问题，提出了一种模拟草捆捆扎过程的新型试验台运动方案，并在可控室内条件下研制出一种单结打结器性能试验台。该试验台可验证不同打结器的工作原理，并评估打结成功率。为满足长期连续打结试验对无人值守和
打结器的成结运动难以直接观察，且打结试验劳动强度大、耗时长。针对这些问题，提出了一种模拟草捆捆扎过程的新型试验台运动方案，并在可控室内条件下研制出一种单结打结器性能试验台。该试验台可验证不同打结器的工作原理，并评估打结成功率。为满足长期连续打结试验对无人值守和安全操作的要求，构建了试验台的自动控制流程，通过监测模拟草捆压力来识别脱扣失败和捆绳断裂故障。通过建立打结动作与图像状态之间的对应关系，开发了一种检测打结器运动时序的试验分析方法，从而获得了打结器的运动时序图，为其逆向设计或性能评价提供参考。连续打结试验结果表明，被测打结器的打结成功率为99.57%，该试验台能够满足打结器的性能测试要求。
近年来，随着秸秆储存和饲草生产对打捆作业要求的提高，方捆打捆机中打结器的性能直接影响作业质量和效率。打结器需要在极短的周期内完成送绳、夹绳、绕绳、钩绳、切绳和脱扣等任务，各执行机构的时序配合要求极为精确。然而，田间作业时饲草含水率、草屑量、草捆密度、捆绳预紧力及作业速度等因素不断变化，给打结器载荷边界的维持、故障定位和动作相位追踪带来了困难。由于田间环境复杂，新研制的打结器通常不能在打捆机上直接测试，而是先在打结器试验台上完成性能验证，再安装到打捆机上依据测试标准进行可靠性试验。现有试验台存在成结效率低、缺少无人值守和故障监控功能、无法获取运动时序图以及使用寿命不足等问题，且尚无商业化产品可购买。因此，研制一种能够在可控室内条件下模拟草捆形成过程、支持长期连续打结测试并具备故障自动判别功能的单结打结器性能试验台具有重要意义。
针对上述问题，研究人员提出了一种模拟草捆压缩-回弹特性的新型试验台运动方案，设计了试验台的机械结构、测量与控制系统，并研制出单结打结器性能试验台。该试验台能够验证不同打结器的工作原理，评估打结成功率。通过构建自动控制流程，基于模拟草捆压力监测识别脱扣失败和捆绳断裂故障，满足了长期连续打结试验无人值守和安全操作的要求。同时，通过建立打结动作与图像状态的对应关系，开发了检测打结器运动时序的试验分析方法，获得了运动时序图，为打结器的逆向设计或性能评价提供了参考。连续打结试验结果显示，被测打结器的打结成功率为99.57%，试验台满足性能测试要求。该研究成果发表在《Agriculture》。
研究人员采用的主要技术方法包括：设计了一种上中下三层布局的试验台，包括上层的打结器主轴系统、中层的两个滑动平台和下层的两个捆绳预紧调节装置；滑动平台上的推绳块通过拉伸弹簧模拟草捆的压缩-回弹特性；测控系统以工业计算机和可编程逻辑控制器为核心，通过TCP Socket协议通信，实现运动控制、数据采集和故障判别；采用编码器输出主轴转角，扭矩传感器测量打结扭矩，压力传感器测量捆绳张力；高速相机由编码器脉冲触发，同步采集打结动作视频帧，以主轴转角为统一相位坐标，建立动作时序图。试验对象为黑龙江德沃科技开发有限公司提供的商用单结打结器，捆绳为直径3 mm的聚丙烯绳，断裂强力为1076 N，测试方法符合GB/T 8834标准。
3.1 试验台工作原理验证试验：研究人员通过高速相机记录试验台连续打结过程，观察到送绳针、夹绳盘、打结嘴、钩绳嘴和刀臂依次完成送绳、夹绳、绕绳、钩绳、切绳和脱扣动作，并在主轴旋转一周内形成绳环，单次打结耗时随主轴转速为10~12秒，验证了试验台各机构的功能和运动协调性。
3.2 单结打结器运动时序可视化测试与分析：利用同步视频和编码器信号，以主轴转角θ为统一相位坐标，通过多次打结测试从打结器背面、正面和侧面采集视频，建立了运动时序图。结果表明：送绳针在0°~175°进行送绳，175°~360°复位；夹绳盘在140°~215.5°工作；打结嘴在151.7°~207.2°进行绕圈；钩绳嘴在178.9°~208°进行钩绳；刀臂在203.3°~230°切绳，230°~253.4°脱扣，253.4°~296.5°返回。受编码器分辨率、高速相机帧率和信号采集频率限制，动作时序测量精度为0.1°。
3.3 连续打结试验测定打结成功率：将主轴转速30、60、90 r/min与捆绳预紧力50、80 N组合成6种工况，每组进行500次循环试验。统计结果为平均打结成功率99.57%。试验中出现的脱扣失败和捆绳断裂两类故障中，捆绳断裂源于送绳过程中的不可控摩擦，而非打结器本身缺陷，故不计入打结成功率。脱扣失败主要取决于脱扣机构在捆绳保持合适张力时的稳定性。较高预紧力有利于绳结释放，但过大预紧力可能导致送绳过载和断绳。打结器的扭矩响应数据可为后续动力学、强度和磨损分析提供依据。
3.4 基于模拟草捆压力监测的连续打结模式故障判别：通过分析模拟草捆上压力传感器测得的捆绳张力水平分量特征，研究人员发现了正常打结、脱扣失败和捆绳断裂三种状态的典型差异。正常打结时，张力在140°~175°持续上升，约217°主峰前出现骤降，成功脱扣后张力约在296.5°归零；捆绳断裂时，主轴转角在175°~296°内压力传感器无载荷；脱扣失败时，刀臂返回后绳结仍留在打结嘴上，296.5°后存在残余压力。据此，在试验台控制流程中加入了相应的故障识别准则，实现了故障自动报警和停机。
讨论部分指出，所提出的试验台通过拉伸弹簧近似模拟草捆压缩-回弹特性，在无物料条件下实现了草捆形成的连续再现；运动时序图的建立为打结器逆向设计和优化提供了依据。但测量精度受到编码器分辨率、高速相机帧率和信号采集频率的限制。此外，试验台设计寿命满足至少100万次打结，首次机械故障间隔大于10万次。本研究为打结器性能评估和可靠性研究提供了有效手段。
本研究提出了一种模拟草捆捆扎过程的新型试验台运动方案，并研制了单结打结器性能试验台，以满足可控室内条件下长期连续打结试验的无人值守和安全操作要求。该试验台可进行单循环或连续快速打结试验，验证不同打结器的工作原理，并评估打结成功率。通过建立打结动作与图像状态之间的对应关系，开发了一种检测打结器运动时序的试验分析方法，获得了打结器的运动时序图，可为打结器的逆向设计或性能评价提供参考。连续打结试验结果表明，该试验台能够满足打结器的性能测试要求。
