采棉機(jī)單摘錠試驗(yàn)臺(tái)采摘過(guò)程試驗(yàn)分析

齊　偉，張宏文，張新建

（1.石河子貴航農(nóng)機(jī)裝備有限責(zé)任公司，新疆　石河子　832000；2.石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院）

采棉機(jī)單摘錠試驗(yàn)臺(tái)采摘過(guò)程試驗(yàn)分析

齊偉1，張宏文2※，張新建2

（1.石河子貴航農(nóng)機(jī)裝備有限責(zé)任公司，新疆石河子832000；2.石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院）

摘要：利用單摘錠試驗(yàn)臺(tái)和高速攝像系統(tǒng)，對(duì)摘錠的整個(gè)采摘過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)拍攝，研究分析影響采棉機(jī)采凈率的主要因素有：水平摘錠轉(zhuǎn)速、棉花進(jìn)給速度、水平摘錠本身的材料和制造工藝、棉花開(kāi)放狀態(tài)、摘錠工作時(shí)和棉花之間的角度、棉絨含水率等。但每個(gè)因素作用的程度不同，在試驗(yàn)過(guò)程中不可能對(duì)每個(gè)因素都進(jìn)行試驗(yàn)分析，所以把摘錠轉(zhuǎn)速和棉花開(kāi)放狀態(tài)作為試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，采取單因素法進(jìn)行研究。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)握V；采凈率；摘錠轉(zhuǎn)速

目前，國(guó)內(nèi)相關(guān)單位和學(xué)者對(duì)水平摘錠采棉機(jī)摘錠的采摘特性展開(kāi)了多方面的研究[1]，大部分研究集中在摘錠的三維設(shè)計(jì)、采摘頭重要部件的仿真分析和相關(guān)參數(shù)的研究方面，并沒(méi)有針對(duì)采棉機(jī)實(shí)際采摘機(jī)理的研究[2～3]。對(duì)于農(nóng)業(yè)機(jī)械的相關(guān)研究，設(shè)計(jì)試驗(yàn)臺(tái)是一種有效的試驗(yàn)方法[4～6]，如果直接進(jìn)行田間作業(yè)試驗(yàn)，季節(jié)局限性大，田間實(shí)際情況復(fù)雜，試驗(yàn)的可行性和準(zhǔn)確性很難保證。利用設(shè)計(jì)的試驗(yàn)臺(tái)對(duì)采棉機(jī)進(jìn)行關(guān)鍵部件的研究，能夠很好的避免實(shí)際作業(yè)時(shí)不確定因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，實(shí)現(xiàn)采摘頭采摘效果的定量研究分析[7]。

1　試驗(yàn)與方法

1.1試驗(yàn)材料

棉花取自石河子146團(tuán)6分場(chǎng)7連當(dāng)年種植的棉花，品種為新陸中棉66號(hào)（此品種棉花種植面積占7連棉花種植面積的85%以上），此棉田采用機(jī)采棉種植模式（66 cm+10 cm）于2014年9月18號(hào)噴灑脫葉劑，10月4日～10月10日采樣進(jìn)行測(cè)試，采樣時(shí)棉田中棉鈴的吐絮率大于94%，脫葉率大于90%，棉絮含水率小于10%[8]。此地塊于10月11日進(jìn)行棉花采收，籽棉產(chǎn)量360 kg/667m2。吐絮率、脫葉率、開(kāi)裂棉鈴等相關(guān)參數(shù)符合采棉機(jī)作業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（NY/T1133-2006），棉花采摘后立即運(yùn)回試驗(yàn)室，為了保證供試籽棉的含水率不因環(huán)境濕度、溫度而發(fā)生顯著變化，影響試驗(yàn)準(zhǔn)確性，宜在棉花運(yùn)回后4小時(shí)內(nèi)完成測(cè)試[9]。

1.2試驗(yàn)設(shè)備

CPL-MS70K CMOS高速攝像機(jī)，SPS402F電子天平（量程400 g，精度0.01 g，上海右一儀器有限公司，上海），單摘錠試驗(yàn)臺(tái)。

1.3試驗(yàn)方法

試驗(yàn)因素水平如表1。為了明確開(kāi)放狀態(tài)對(duì)棉花采凈率的影響，按照采棉機(jī)實(shí)際采摘過(guò)程中的工作參數(shù)，在試驗(yàn)時(shí)為了更好的模擬真實(shí)的采摘條件，籽棉的進(jìn)給速度設(shè)定為1.8 m/s，摘錠的轉(zhuǎn)速設(shè)定為4 000 r/min，。選出不同開(kāi)放狀態(tài)（半開(kāi)，全開(kāi)，過(guò)開(kāi)）的棉花，每50朵為一組，每種狀態(tài)進(jìn)行5組試驗(yàn)，分別計(jì)算采凈率進(jìn)行研究分析。

表1　試驗(yàn)因素水平表

為了進(jìn)一步研究摘錠轉(zhuǎn)速對(duì)棉花采凈率的作用，一般情況下采棉機(jī)收獲時(shí)棉花基本上為全開(kāi)狀態(tài)（全開(kāi)率大于85%），所以只選用全開(kāi)狀態(tài)的棉花進(jìn)行試驗(yàn)，在試驗(yàn)時(shí)籽棉的進(jìn)給速度設(shè)定為1.8 m/s，摘錠轉(zhuǎn)速分別設(shè)定為2 000 r/min、2 500r/min、3 000 r/min、3 500 r/min、4 000 r/min、4 500 r/min、5 000 r/min、5 500 r/min。將選出的全開(kāi)棉花每50朵為一組，分別進(jìn)行5組試驗(yàn)，逐一計(jì)算采凈率用于分析（表2）。

表2　試驗(yàn)因素水平表

為了確定棉花的采摘時(shí)間，采用高速攝像機(jī)對(duì)采摘過(guò)程進(jìn)行攝像，拍攝速度為1 200 fps，用MAS Blasters運(yùn)動(dòng)分析軟件對(duì)拍攝過(guò)程進(jìn)行分析。

1.4測(cè)試指標(biāo)

以采凈率作為測(cè)試指標(biāo)，測(cè)定方法及計(jì)算方法參考文獻(xiàn)10?？紤]到試驗(yàn)在室內(nèi)進(jìn)行，不存在掛枝棉，所以將文獻(xiàn)中采凈率的計(jì)算方法改為：

式中J—采凈率，%；W1—遺留在鈴殼內(nèi)未被采收的開(kāi)裂籽棉質(zhì)量，g；W2—撞落在地的籽棉質(zhì)量，g；W—開(kāi)裂棉鈴的籽棉總質(zhì)量，g。

2　數(shù)據(jù)分析

由圖1可知，不同開(kāi)放狀態(tài)棉花的采凈率中，全開(kāi)狀態(tài)棉花的采凈率比半開(kāi)和過(guò)開(kāi)棉花的高，并且差異顯著，半開(kāi)狀態(tài)與過(guò)開(kāi)狀態(tài)的采凈率間差異不顯著，全開(kāi)狀態(tài)時(shí)采凈率最高達(dá)到94.98%，是最適宜的采摘狀態(tài)。

圖1　不同開(kāi)放狀態(tài)棉花的采凈率

圖2　不同轉(zhuǎn)速下全開(kāi)棉的采凈率

摘錠轉(zhuǎn)速對(duì)全開(kāi)棉采凈率的影響，由圖2可知，摘錠轉(zhuǎn)速在3 000 r/min時(shí)，采凈率為90%，達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的采凈率[9]。隨著摘錠轉(zhuǎn)速的提高，采凈率也在繼續(xù)提高，當(dāng)轉(zhuǎn)速為4 000～4 500 r/min時(shí)，采凈率達(dá)到最高，為95.82%；但當(dāng)轉(zhuǎn)速繼續(xù)增大時(shí)，采凈率會(huì)下降，造成這種現(xiàn)象的主要原因是摘錠轉(zhuǎn)速過(guò)大，導(dǎo)致纏繞的籽棉拋散到地上，形成掛枝棉或者落地棉。

圖3　不同轉(zhuǎn)速采摘力的變化曲線

摘錠和籽棉的鉤掛過(guò)程是動(dòng)態(tài)過(guò)程，由圖3可知，摘錠的轉(zhuǎn)速過(guò)大時(shí)，摘錠與籽棉之間的鉤掛力大于籽棉纖維的靜態(tài)扯斷力，將棉纖維拉斷，棉花留在棉桃上成為遺留棉，是造成采摘率下降的原因之一。

3　采摘過(guò)程分析

籽棉與鈴殼分離的過(guò)程中，籽棉在摘錠上的纏繞時(shí)間以及在摘錠上的纏繞圈數(shù)是采棉機(jī)采摘過(guò)程中的關(guān)鍵指標(biāo)。在單摘錠試驗(yàn)臺(tái)工作過(guò)程中，利用高速攝像機(jī)對(duì)籽棉采摘過(guò)程實(shí)時(shí)拍攝及采摘過(guò)程中相關(guān)試驗(yàn)參數(shù)的采集，通過(guò)對(duì)籽棉與鈴殼分離的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行分析，研究摘錠采摘棉花時(shí)所用的時(shí)間和圈數(shù)。圖4為摘錠采摘籽棉的過(guò)程。

（1）分析圖4（a～h）：按照籽棉外形的形變程度，可將整個(gè)采摘過(guò)程分為5個(gè)階段。

①接觸階段

在進(jìn)給裝置作用下，棉花沿著運(yùn)動(dòng)方向，不斷向自轉(zhuǎn)的摘錠移動(dòng)，籽棉與摘錠由有間距到和摘錠無(wú)縫接觸，此過(guò)程稱(chēng)為接觸過(guò)程（圖4a、b）。

②鉤掛過(guò)程

因?yàn)檎V的外表面設(shè)有鉤齒，當(dāng)摘錠和籽棉接觸過(guò)程完成后，一定速度旋轉(zhuǎn)的摘錠通過(guò)其外表面設(shè)置的鉤齒與籽棉接觸，將籽棉鉤掛在摘錠上，此過(guò)程稱(chēng)為鉤掛過(guò)程（圖4c、d）。

③纏繞過(guò)程

當(dāng)摘錠鉤齒鉤掛籽棉后，摘錠持續(xù)旋轉(zhuǎn)，籽棉纖維的形變量逐漸增大；利用摘錠與籽棉纖維之間的摩擦力作用，摘錠與籽棉纖維接觸面不斷增加，摩擦力不斷增大，這樣籽棉逐漸被纏繞在摘錠的外表面上，此過(guò)程稱(chēng)為纏繞過(guò)程（圖4e、f）。

④分離過(guò)程

隨著籽棉纖維形變量的增大，并在摘錠表面上持續(xù)纏繞，當(dāng)籽棉纖維的扯斷力超過(guò)籽棉與鈴殼之間的分離力時(shí)，籽棉與鈴殼就實(shí)現(xiàn)了分離，此時(shí)籽棉纖維全部在摘錠上纏繞，此過(guò)程稱(chēng)為分離過(guò)程（圖4 g）。

⑤脫離過(guò)程

當(dāng)纏繞著籽棉纖維的摘錠與鈴殼分離后，進(jìn)給裝置繼續(xù)向后移動(dòng)，最后與摘錠的距離越來(lái)越遠(yuǎn)，此過(guò)程稱(chēng)為脫離過(guò)程（圖4h）。

圖4　摘錠采摘過(guò)程

（2）利用高速攝像機(jī)對(duì)籽棉與鈴殼整個(gè)分離過(guò)程實(shí)時(shí)拍攝，再利用Blaster軟件對(duì)籽棉與摘錠的分離過(guò)程進(jìn)行捕捉。

通過(guò)Blaster軟件的捕捉功能對(duì)高速攝像機(jī)拍攝的每一幀圖像視屏文件進(jìn)行分析，選取摘錠上的一點(diǎn)作為標(biāo)記點(diǎn)，并對(duì)捕捉到標(biāo)記點(diǎn)的變化進(jìn)行連線，由此標(biāo)記點(diǎn)分析摘錠從接觸棉花到籽棉從鈴殼中分離出來(lái)摘錠旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)為7.939～9.087圈，經(jīng)歷的時(shí)間為0.1198 s～0.1208 s。

4　結(jié)論

（1）棉鈴不同的開(kāi)放狀態(tài)對(duì)棉花的采凈率影響顯著，全開(kāi)狀態(tài)最適宜采摘。

（2）采凈率隨著摘錠轉(zhuǎn)度的增大會(huì)提高，轉(zhuǎn)速為4 000～4 500 r/min時(shí)，采凈率達(dá)到最高，為95.82%，轉(zhuǎn)速繼續(xù)增大，采凈率會(huì)下降。采摘過(guò)程中的鉤掛力大于籽棉靜態(tài)棉花纖維的扯斷力是造成采凈率下降的主要原因。

（3）摘錠采摘棉花的圈數(shù)為7.939～9.087圈，采摘時(shí)間為0.1198 s～0.1208 s。

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Test Bench test analysis ingot process of picking cotton picker single pick

Qi Wei1, Zhang Hongwen2,Zhang Xinjian2
（1. Shihezi Guihang Agricultural Machinery Epuipment Co.,Ltd,Shihezi 832000,China；2.Machinery and Electricity Engineering College,Shihezi University）

Abstract：The use of single spindle test bench and a high- speed camera system, real- time shooting on the spindle of the whole picking process, root cause study on effect of cotton picker picking rate of operation. By repeating the test analysis, the main factors influencing the picking rate are: between horizontal spindle speed, feed rate, cotton picking itself materials and manufacturing process, cotton open state, spindle work and cotton lint angle, moisture content. Effect of each factor to different degrees, test process, impossible to each factor test analysis, so the picking rate as testing objects, using single factor method to study.

Key Words：single spindle; picking rate; spindle speed

通訊作者：張宏文

基金項(xiàng)目：新疆兵團(tuán)科技型中小企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新資金專(zhuān)項(xiàng)（2014BD005）

收稿日期：2015-05-15

文章編號(hào)：1007-7782（2015）04-0026-04

中圖分類(lèi)號(hào):S225.91+1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi:10.13620/j.cnki.issn1007-7782.2015.04.011