小型履帶自走式拔棉稈機(jī)的研制

代振維，全臘珍，鄒運(yùn)梅，姚祖玉，尹益文，李健

（1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙410128；2.湖南機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙410151；3.湖南省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備工程技術(shù)研究中心，湖南 長(zhǎng)沙410128）

棉稈是棉花收獲之后留在田間的莖稈，棉稈的根莖較硬不易腐爛，能保存在土壤中較長(zhǎng)時(shí)間，且易造成病蟲害的傳播，對(duì)后茬作業(yè)生產(chǎn)不利，故棉稈必須拔除干凈。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)棉花種植面積為600萬hm2，每年棉稈的產(chǎn)量約為3 000萬t，若將這些棉稈用于制造紙張，每年可以節(jié)省林木資源12萬m3，與此同時(shí)，每100萬t棉稈，產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益為10億元。我國(guó)傳統(tǒng)的拔棉稈方式是通過人力進(jìn)行拔取，每0.06hm2用工0.5個(gè)，不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且效率低下，若采用機(jī)械拔取棉稈，在減輕棉農(nóng)勞動(dòng)強(qiáng)度的同時(shí)，也可增加一定的經(jīng)濟(jì)收入，研究機(jī)械化拔棉稈技術(shù)成為近年來棉花收獲全程機(jī)械化技術(shù)的重點(diǎn)之一［1～4］。

我國(guó)棉花種植品種較多，各個(gè)地區(qū)的土壤、氣候差異性較大，另外棉田的行距、株距也不盡相同，南北地勢(shì)的不同，機(jī)械制造以及維修價(jià)格等問題，導(dǎo)致了南北方的拔棉稈機(jī)并不能通用［5］。為了解決現(xiàn)有的問題，農(nóng)機(jī)研究人員做了大量的研究試驗(yàn)。郭振華等［6］根據(jù)北方地區(qū)土壤的堅(jiān)實(shí)度以及含水量研制了碎土角度為15°的人字型鏟刀式拔棉稈機(jī)，配套拖拉機(jī)功率為68kW，該機(jī)的特點(diǎn)是無需對(duì)行拔取，拔凈率高，但功率消耗大，棉稈拔斷率高，對(duì)土壤層結(jié)構(gòu)破壞較大，并不適用于南方農(nóng)藝條件下的棉田耕作要求；賈健［7］研制了V型齒盤式拔棉稈機(jī)，該機(jī)采用彈性浮動(dòng)裝置將棉稈夾持后向上方拔出，拖拉機(jī)配套功率為18kW，該機(jī)功耗低，對(duì)土壤層破壞較小，但拔斷率、漏拔率高，且需對(duì)行拔取，并不適用于南方地區(qū)多種多樣的行距；花俊國(guó)［8］改進(jìn)設(shè)計(jì)了浮壓雙鏈夾式拔棉桿機(jī)，該機(jī)雙鏈條在壓鏈裝置的壓力作用下，將棉稈夾持向上拔出，拖拉機(jī)配套功率為13kW，該機(jī)相比齒盤式拔棉桿機(jī)作業(yè)效果有所提高，但仍存在拔斷率高，需對(duì)行拔取的缺點(diǎn)；唐遵峰等［9］針對(duì)棉花種植行距的不同，設(shè)計(jì)了不對(duì)行棉桿拔取收獲臺(tái)，該機(jī)構(gòu)結(jié)合鏟切式和提拔式兩種原理，拔稈時(shí)無需對(duì)行，拔稈功耗小，但仍缺乏棉稈根部泥土分離和棉稈壓縮機(jī)構(gòu)，將導(dǎo)致棉桿在輸送過程中出現(xiàn)易卡易堵的現(xiàn)象。從上述文獻(xiàn)看來，我國(guó)目前拔棉稈機(jī)存在對(duì)土壤結(jié)構(gòu)破壞大、拔凈率低、功耗較大、不對(duì)行等問題。

由于南方地區(qū)地勢(shì)較北方地區(qū)更為復(fù)雜，種植行距存在差異，北方大型棉稈收獲機(jī)并不適用，為了解決廣大南方棉農(nóng)的拔稈問題，且滿足農(nóng)藝上的要求，一次入田完成拔稈打捆，筆者設(shè)計(jì)并制造了小型履帶自走式拔棉稈機(jī)，并對(duì)該機(jī)進(jìn)行了試驗(yàn)。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

小型履帶自走式拔棉稈機(jī)主要由履帶自走式底盤、前置懸掛機(jī)架、旋轉(zhuǎn)刀輥、釘齒輸送裝置、輸送滾筒裝置、壓縮滾筒裝置以及壓縮打捆裝置等部分組成，該機(jī)拔稈部分前置懸掛于履帶自走式底盤前端，底盤上端可額外設(shè)有壓縮打捆裝置，作業(yè)時(shí)根據(jù)南方地區(qū)的種植壟寬拔稈為一壟兩行，可一次入棉田完成兩行棉稈拔稈、輸送、清土、預(yù)壓、壓縮打捆等作業(yè)，如圖1所示。

圖1 拔棉稈機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Machine structure sketch of cotton stalk pulling machine注：1.棉桿打捆裝置；2.棉桿輸送通道；3.壓縮滾筒裝置；4.輸送滾筒裝置；5.變速箱；6.釘齒輸送裝置；7.扶禾器；8.旋轉(zhuǎn)刀輥；9.擋棉板；10.限深輪；11.履帶自走式底盤Note：1.Cotton baling device；2.Cotton conveying channel；3.Compression roller device； 4.Conveyor roller device；5.Transmission；6.Spike－tooth conveyer；7.Taking grain device；8.Rotating knife roller；9.Block wool board；10.Limit depth wheel；11.Crawler self－propelled chassis

1.2 工作原理

工作時(shí)，由柴油機(jī)輸出動(dòng)力，一部分動(dòng)力通過帶傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)履帶自走式底盤向前運(yùn)動(dòng)；另一部分動(dòng)力通過帶傳動(dòng)連接二級(jí)變速箱，二級(jí)變速箱通過鏈傳動(dòng)將動(dòng)力傳輸?shù)叫D(zhuǎn)刀輥，旋轉(zhuǎn)刀輥逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，輥刀入土將棉稈的側(cè)根鏟斷，同時(shí)對(duì)棉稈進(jìn)行提拔從而拔出棉稈，隨后旋轉(zhuǎn)刀輥逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)把棉稈從根部向后拋送到釘齒輸送裝置，由釘齒卡住棉稈向后輸送至棉稈壓縮部分（由輸送滾筒裝置與壓縮滾筒裝置配合組成）；與此同時(shí)，二級(jí)變速箱通過鏈傳動(dòng)將動(dòng)力傳遞到輸送滾筒裝置，輸送滾筒裝置將棉稈上殘留的泥土進(jìn)行梳刷再向后輸送，壓縮滾筒裝置在輸送滾筒裝置上方，反向旋轉(zhuǎn)對(duì)棉稈進(jìn)行初步壓縮，這樣可以防止棉稈在輸送過道中出現(xiàn)卡堵的現(xiàn)象，經(jīng)過初步壓縮的棉稈由輸送棉稈通道送至壓縮打捆裝置中進(jìn)行壓縮和打捆。

1.3 技術(shù)參數(shù)

南方地區(qū)棉花種植以個(gè)體家庭承包制為主，面積偏小，分散而不集中。種植一般以一壟兩行為主，棉稈株距約90cm，行距約50cm。針對(duì)南方地區(qū)的種植特點(diǎn)，設(shè)計(jì)并確定了拔棉稈機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)，如表1所示。

2 關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)

2.1 旋轉(zhuǎn)刀輥

2.1.1 旋轉(zhuǎn)刀輥的結(jié)構(gòu)參數(shù)

棉稈拔稈機(jī)的最關(guān)鍵部分在于拔稈部件，該拔稈機(jī)拔稈部件的設(shè)計(jì)利用逆向旋耕的原理，同時(shí)在拔棉稈的基礎(chǔ)上結(jié)合農(nóng)藝的要求，淺土旋耕將有利于棉稈收獲后其他農(nóng)作物的種植［10］。其關(guān)鍵部分旋轉(zhuǎn)刀輥由動(dòng)力輸出軸、旋轉(zhuǎn)輪圈、輥刀等組成，如圖2所示。為了減小拔稈所需功耗，克服拔稈不對(duì)行的要求，旋轉(zhuǎn)刀輥采用提輥式拔稈，其原理是先鏟斷棉稈根部側(cè)根再通過V型齒將棉稈向上拔出。旋轉(zhuǎn)刀輥呈28°的V型排齒狀，向上拔稈時(shí)V型齒板將與水平呈30°夾角，所需拉拔力最小，有利于減小整機(jī)的功率消耗；由于V型齒板磨損較大需經(jīng)常更換，可將其優(yōu)化改為螺栓連接，易于更換。

表1 主要技術(shù)參數(shù)Table 1 Main technical parameters of the prototype

圖2 旋轉(zhuǎn)刀輥結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure sketch of rotating knife roller device注：1.旋轉(zhuǎn)輪圈；2.動(dòng)力輸出軸；3.輥刀Note：1.Rotating wheels；2.The power output shaft；3.Roller blade

2.1.2 旋轉(zhuǎn)刀輥的轉(zhuǎn)速

旋轉(zhuǎn)刀輥工作時(shí)拔稈的速度由旋轉(zhuǎn)刀輥?zhàn)陨淼男D(zhuǎn)速度VR和機(jī)具的牽連速度Vm復(fù)合而成，其運(yùn)動(dòng)分析圖如圖3所示。相對(duì)運(yùn)動(dòng)和牽連運(yùn)動(dòng)的不同速比λ＝Vm·V－1R，確定工作部件的運(yùn)動(dòng)軌跡［11］，假定刀刃端點(diǎn)A沿余擺線運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)方程為：

式中：Vm為刀輥前進(jìn)速度；ω為刀輥角速度；R為刀輥直徑；t為時(shí)間。

圖3 旋轉(zhuǎn)刀輥的運(yùn)動(dòng)分析圖Fig.3 Motion analysis sketch of rotating knife roller

旋轉(zhuǎn)刀輥懸掛于履帶底盤之上，逆轉(zhuǎn)時(shí)入土深度10～15cm內(nèi)可調(diào)。由圖3可見，旋轉(zhuǎn)刀輥的運(yùn)動(dòng)軌跡為余擺線，余擺線的形狀由速比λ＝ Vm·V－1R決定，同時(shí)其速比也將決定拔稈的效果，僅當(dāng)機(jī)具前進(jìn)速度和牽引速度的比值為一定值且協(xié)調(diào)時(shí)，拔稈效果最佳。一方面機(jī)具的前進(jìn)速度不能過小，否則將會(huì)影響拔稈機(jī)的工作效率；另一方面，旋轉(zhuǎn)刀輥的旋轉(zhuǎn)速度不能過快，否則較易折斷棉稈，影響拔稈的拔凈率。試驗(yàn)結(jié)果表明，初步設(shè)定機(jī)具前進(jìn)速度為0.6m·s－1時(shí)，旋轉(zhuǎn)刀輥的轉(zhuǎn)速過低（小于320r·min－1）時(shí)棉稈拔凈率明顯下降，若旋轉(zhuǎn)刀輥轉(zhuǎn)速過高則易導(dǎo)致折斷棉稈，并且消耗功率較大，故此處初步設(shè)定其轉(zhuǎn)速為380r·min－1。

2.2 釘齒輸送裝置

釘齒輸送裝置是拔棉稈機(jī)的關(guān)鍵部件。該裝置包括釘齒輸送軸、釘齒輸送滾筒、釘齒輸送帶、輸送釘齒等，如圖4所示。當(dāng)拔稈機(jī)旋轉(zhuǎn)刀輥拔出棉稈后逆向拋送，將棉稈由根部向上拋送到釘齒輸送裝置上，棉稈根部被拋送到輸送帶上具有一定的沖擊力，該沖擊力對(duì)根部泥塊碎土具有一定的效果；同時(shí)，輸送釘齒卡住棉稈向上輸送，棉稈能夠穩(wěn)定的被輸送到下一工序，當(dāng)棉稈脫離釘齒輸送裝置時(shí)，輸送帶翻滾后泥土也隨之灑落到地面。該裝置旋轉(zhuǎn)輸送速度應(yīng)大于旋轉(zhuǎn)刀輥的旋轉(zhuǎn)速度，才能保證輸送帶能及時(shí)輸送棉稈而不發(fā)生堆積現(xiàn)象。

圖4 釘齒輸送裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Structure sketch of nail dentate conveyer device注：1.輸送釘齒；2.釘齒輸送軸；3.釘齒輸送帶；4.釘齒輸送滾筒；5.棉稈Note：1.Conveying screw tooth；2.Pin gear transmission shaft；3.Nail tooth conveyor belt；4.Pin tooth transmission drum；5.Cotton stalk

拔棉機(jī)運(yùn)動(dòng)時(shí)，旋轉(zhuǎn)刀輥拔取棉稈向后拋送至釘齒輸送裝置，釘齒輸送裝置卡住棉稈側(cè)枝向后輸送，其運(yùn)動(dòng)如圖5所示。其中旋轉(zhuǎn)刀輥的角速度為ω1，釘齒輸送裝置的角速度為ω2，可求得兩角速度的關(guān)系：

式中：V1，V2為棉稈在旋轉(zhuǎn)刀輥和釘齒輸送裝置上的速度；V1x，V2x為棉稈在旋轉(zhuǎn)刀輥和釘齒輸送裝置上的前進(jìn)速度；R1，R2為旋轉(zhuǎn)滾筒和釘齒輸送滾筒的半徑。

圖5 釘齒輸送裝置運(yùn)動(dòng)示意圖Fig.5 Sketch of the movement of nail dentate conveyer device

若要棉稈輸送流暢，則棉稈在釘齒輸送裝置上的前進(jìn)速度V2x必須大于其在旋轉(zhuǎn)刀輥上的前進(jìn)速度V1x，則：

由于α＞β可得V2＞V1，則：

由于R2＜R1，可得：

在棉稈運(yùn)動(dòng)過程中，當(dāng)釘齒輸送裝置的角速度ω2大于旋轉(zhuǎn)刀輥的角速度ω1時(shí)，棉稈向后的輸送速度大于拔取速度，才能保證釘齒輸送帶及時(shí)輸送棉稈而不出現(xiàn)堆積現(xiàn)象。

2.3 輸送滾筒裝置

輸送滾筒裝置包括輸送滾筒軸、輸送滾筒、弧形釘齒等，如圖6所示。輸送滾筒裝置一方面可將釘齒輸送裝置輸送過來的棉稈進(jìn)一步向后輸送，另一方面其弧形釘齒在設(shè)定合理的間距后可將棉稈根部的泥土進(jìn)一步梳刷掉。該裝置旋轉(zhuǎn)速度與釘齒輸送裝置旋轉(zhuǎn)速度同步。

圖6 輸送滾筒裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 Structure sketch of conveyor roller device注：1.輸送滾筒軸；2.輸送滾筒；3.弧形釘齒Note：1.Conveyor roller shaft；2.Conveyor roller；3.Arc spike－tooth

2.4 壓縮滾筒裝置

壓縮滾筒裝置包括壓縮滾筒軸、壓縮滾筒、壓稈凸板等，如圖7所示。壓縮滾筒裝置的作用主要是對(duì)向后輸送的棉稈進(jìn)行一次壓縮，防止棉稈在輸棉通道中出現(xiàn)堵卡想象。

圖7 壓縮滾筒裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.7 Structure sketch of compression roller device注：1.壓縮滾筒軸；2.壓縮滾筒；3.壓稈凸板Note：1.Compression roller shaft；2.Compression roller；3.Press stem protruding board

壓縮滾筒裝置與輸送滾筒裝置的滾筒半徑R相同，旋轉(zhuǎn)角速度ω相同，兩者同步運(yùn)動(dòng)，配合使用，如圖8所示。建立壓縮滾筒的動(dòng)力學(xué)方程：

式中：Fn為壓縮滾筒裝置運(yùn)動(dòng)時(shí)徑向力；R為壓縮滾筒裝置的半徑；ω為壓縮滾筒的角速度。

由于壓縮滾筒裝置為勻速圓周運(yùn)動(dòng)，可知其角加速度α＝0，則切向加速度，從而得到壓縮滾筒運(yùn)動(dòng)時(shí)的切向力Ft＝＝0，則可得出壓縮滾筒運(yùn)動(dòng)時(shí)對(duì)棉稈的壓縮力為：

根據(jù)式（11），可知當(dāng)壓縮滾筒裝置的質(zhì)量m以及其半徑R一定時(shí)，壓縮滾筒對(duì)棉稈的壓縮力f僅與壓縮滾筒的角速度ω有關(guān)，且呈正相關(guān)函數(shù)關(guān)系。由此可得，可以改變壓縮滾筒的角速度ω起到調(diào)節(jié)棉稈壓縮力f的作用。

3 田間試驗(yàn)

3.1 田間試驗(yàn)條件

小型履帶自走式拔棉稈機(jī)研制設(shè)計(jì)完成后，于2014年9月16日，在湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)棉花實(shí)驗(yàn)基地進(jìn)行了試驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)基地棉稈行距約為50cm，株距約為90cm，壟寬約為150cm，壟深約為20cm，棉稈高度為135～205cm。于此同時(shí)，測(cè)得實(shí)驗(yàn)基地的土壤含水率為19.2%，土壤堅(jiān)實(shí)度為984kPa。

圖8 壓縮滾筒裝置運(yùn)動(dòng)示意圖Fig.8 Sketch of the movement of compression roller device

一般評(píng)價(jià)棉稈拔稈質(zhì)量指標(biāo)有拔斷率、拔凈率、漏拔率等等，該實(shí)驗(yàn)僅將拔出棉稈的拔凈率作為唯一的評(píng)價(jià)指標(biāo)，當(dāng)拔凈率大于95%時(shí)，評(píng)價(jià)指標(biāo)才表示所研制的機(jī)型收獲質(zhì)量較好［12］。

3.2 試驗(yàn)方法

影響棉稈拔凈率的因素是多方面的，而主要因素為機(jī)具的前進(jìn)速度Vm和刀輥轉(zhuǎn)速VR，故考查因素為前進(jìn)速度和刀輥轉(zhuǎn)速，評(píng)價(jià)指標(biāo)為棉稈的拔凈率。根據(jù)該拔棉稈機(jī)的技術(shù)參數(shù)，設(shè)定其前進(jìn)速度分別為0.70、0.80、0.90m·s－1；根據(jù)旋轉(zhuǎn)刀輥轉(zhuǎn)速的初步試驗(yàn)，設(shè)定其轉(zhuǎn)速分別為375、415、455 r·min－1，在保證刀輥轉(zhuǎn)速不變的情況下，依次改變機(jī)具的前進(jìn)速度進(jìn)行試驗(yàn)，得出不同參數(shù)下的棉稈拔凈率。按照以上方法重復(fù)測(cè)量5次，計(jì)算取其平均值作為試驗(yàn)結(jié)果。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)田間試驗(yàn)測(cè)得試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。拔棉稈機(jī)運(yùn)行過程中，兩地輪行走于壟溝之內(nèi)，旋轉(zhuǎn)刀輥在土壤中旋耕碎土，隨后將棉稈拔出向后拋送，旋轉(zhuǎn)刀輥入土深度為12cm左右，整機(jī)運(yùn)行較為平穩(wěn)，棉稈拔稈輸送等流程相當(dāng)流暢，特別是輸送部分對(duì)棉稈根部泥土的清理效果以及對(duì)棉稈的壓縮效果均非常顯著。由表2可知，當(dāng)旋轉(zhuǎn)刀輥的轉(zhuǎn)速設(shè)定為415r·min－1，前進(jìn)速度為0.81m·s－1時(shí)，棉稈拔凈率最高為96.4%，在這其中未拔凈的棉稈中漏拔率較高，整機(jī)工作效果較為理想，能夠滿足農(nóng)戶的要求。

4 結(jié)論與討論

該小型履帶自走式拔棉稈機(jī)采用逆向旋轉(zhuǎn)拔稈，安全可靠，工作性能穩(wěn)定，對(duì)土壤層破壞較小，各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)均能達(dá)標(biāo)。其優(yōu)勢(shì)是能夠較好的滿足不對(duì)行的要求，適應(yīng)各種復(fù)雜地勢(shì)；且對(duì)棉稈根部泥土的清理與分離有較好的效果，能將泥土中的養(yǎng)分保留在土壤中；同時(shí)在棉稈輸送過程中對(duì)其采取壓縮處理，能防止棉稈的卡堵現(xiàn)象，有利于棉稈輸送。

表2 試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果Table 2 Result of field tests experiment

對(duì)該拔棉稈機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)得：當(dāng)設(shè)定旋轉(zhuǎn)刀輥的轉(zhuǎn)速為415r·min－1，前進(jìn)速度為0.80m·s－1時(shí)，棉稈拔凈率最高為95.2%，生產(chǎn)效率為0.29hm2·h－1，是人力拔稈效率的10倍，省時(shí)省力，綜合其拔凈率與生產(chǎn)率能較好的滿足棉農(nóng)們的要求。

由于棉稈直徑尺寸差異較大，但V型齒的角度是按照棉桿平均直徑尺寸而設(shè)計(jì)，當(dāng)旋轉(zhuǎn)刀輥V型齒入土拔取棉稈時(shí)，較易對(duì)直徑較小的棉稈造成漏拔現(xiàn)象；另外部分棉稈根部較深，V型齒入土較淺難以拔取，故旋轉(zhuǎn)刀輥V型齒的形狀、角度以及入土深度等問題都尚待進(jìn)一步的研究。

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