棉稈拔稈機拔稈裝置的設(shè)計與試驗

代振維，全臘珍,2*，鄒運梅,2，姚祖玉，尹益文，李健

(1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，湖南 長沙 410128；2.湖南省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備工程技術(shù)研究中心，湖南 長沙 410128)

據(jù)統(tǒng)計，中國棉花種植面積為6×106hm2，每年產(chǎn)生棉稈約3×107t[1–5]。由于棉稈在土壤中的留存時間長，根莖部不易腐爛，易造成病蟲害的傳播，且對后茬生產(chǎn)作業(yè)不利，應(yīng)在田間拔除棉稈[6–7]。傳統(tǒng)上通過人力拔除棉稈，勞動強度大，效率低。采用機械拔取棉稈，是實現(xiàn)棉花收獲全程機械化的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)。

棉花種植品種繁多，不同地區(qū)土壤、氣候的差異，栽培種植規(guī)模的差異及地勢的差異等，使得拔棉機械的研制需針對這些特點來進行。郭振華等[8]根據(jù)北方地區(qū)土壤的堅實度以及含水量，研制了碎土角度為15°的人字型鏟刀式拔棉稈機，配套拖拉機功率為68 kW，該機無需對行拔取，拔凈率高，但功耗大，棉稈拔斷率高，對土壤層結(jié)構(gòu)破壞較大；賈健等[9]研制了V 型齒盤式拔棉稈機，采用彈性浮動裝置將棉稈夾持后向上方拔出，拖拉機配套功率為18 kW，功耗較低，對土壤層破壞較小，但拔斷率、漏拔率高，且需對行拔取，并不適用于南方地區(qū)栽培行距多樣的特點；花俊國等[10]改進設(shè)計了浮壓雙鏈夾式拔棉稈機，該機雙鏈條在壓鏈裝置的壓力作用下，將棉稈夾持向上拔出，拖拉機配套功率為13 kW，比齒盤式拔棉稈機作業(yè)效果有所改善，但仍存在拔斷率高，需對行拔取的缺點；唐遵峰等[11]針對棉花種植行距的不同，設(shè)計了不對行棉稈拔取收獲臺，該機構(gòu)拔稈時無需對行，拔稈功耗小，但仍缺乏棉稈根部泥土分離和棉稈壓縮機構(gòu)，導(dǎo)致棉稈在輸送過程中易卡易堵。說明目前拔棉稈機仍存在對土壤結(jié)構(gòu)破壞較大、拔凈率低、功耗較大、不對行等缺陷。

筆者為一種履帶自走式拔稈打捆機設(shè)計了拔稈裝置，該裝置由旋轉(zhuǎn)刀輥、輥刀、輸送釘齒、壓縮滾筒、清理滾筒等部件組成，前置懸掛于臺車之上，由臺車驅(qū)動前進。主要針對南方棉花種植行距不一所設(shè)計，依據(jù)逆向旋耕的原理，旋轉(zhuǎn)刀輥逆向旋耕土壤的同時將棉稈向上拔出，既能減小對土壤的破壞程度，降低動力消耗，又能不對行拔取，且不易拔斷棉稈。

1 棉稈拔稈機的結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 棉稈拔稈機結(jié)構(gòu)

棉稈拔稈機由履帶底盤、壓縮滾筒裝置、輸送滾筒裝置、二級變速箱、釘齒輸送裝置、扶禾器、旋轉(zhuǎn)刀輥、擋棉板、限深輪、棉稈打捆裝置等組成(圖1)。棉稈拔稈裝置前置懸掛于履帶自走式底盤前端，底盤上端設(shè)有動力裝置柴油機和操作室，棉稈經(jīng)過棉稈輸送通道輸送至壓縮打捆裝置處進行處理，作業(yè)時根據(jù)南方地區(qū)的種植壟寬拔稈為1 壟2行，可一次完成2 行棉稈拔稈、輸送、清土、預(yù)壓等作業(yè)。

圖1 棉稈拔稈機 Fig.1 Machine structure sketch of cotton stalk pulling machine

1.2 工作原理

棉稈拔稈機工作時，由柴油機輸出動力，一方面通過帶傳動驅(qū)動履帶自走式底盤向前運動；另一方面通過帶傳動連接二級變速箱。二級變速箱通過鏈傳動將動力傳輸?shù)叫D(zhuǎn)刀輥，旋轉(zhuǎn)刀輥逆時針旋轉(zhuǎn)時，輥刀入土將棉稈的側(cè)根鏟斷，同時對棉稈進行提拔從而拔出棉稈，隨后旋轉(zhuǎn)刀輥逆時針旋轉(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，二級變速箱通過鏈傳動將動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行梳刷再向后輸送，而壓縮滾筒裝置在輸送滾筒裝置上方，反向旋轉(zhuǎn)對棉稈進行初步壓縮，這樣可以防止棉稈在輸送過道中出現(xiàn)卡堵，經(jīng)過初步壓縮的棉稈由輸送棉稈通道送至下一道工序中進行壓縮和打捆。

2 棉稈拔稈機構(gòu)結(jié)構(gòu)和工作原理

2.1 棉稈拔稈機構(gòu)結(jié)構(gòu)

棉稈拔稈機構(gòu)主要由壓縮滾筒裝置、輸送滾筒裝置、釘齒輸送裝置、扶禾器、旋轉(zhuǎn)刀輥、輥刀、擋棉板、限深輪、電動機、臺車組成(圖2)。該機構(gòu)前置懸掛于臺車之上，由臺車推動向前運動，棉稈拔稈裝置則由電動機帶動拔取棉稈。

圖2 棉稈拔稈裝置 Fig.2 Structure sketch of cotton stalk pulling institutions

2.2 工作原理

棉稈拔稈機構(gòu)工作時，由臺車驅(qū)動該機構(gòu)向前運動，同時通過電動機驅(qū)動整個機構(gòu)的拔稈過程。電動機通過鏈傳動將動力傳輸?shù)叫D(zhuǎn)刀輥，旋轉(zhuǎn)刀輥逆向旋轉(zhuǎn)拔取棉稈，隨后將棉稈向后拋送，由釘齒輸送裝置向后輸送到對輥壓縮部分，對棉稈進行初步壓縮以及泥土清理，完成機構(gòu)工作。

3 技術(shù)參數(shù)

南方地區(qū)棉花種植以個體家庭承包制為主，面積偏小，分散。種植一般以1 壟2 行為主，棉稈株距約為90 cm，棉稈行距約為50 cm。針對這些種植特點，設(shè)計并確定了拔棉稈機的主要技術(shù)參數(shù)。拔稈機外形尺寸設(shè)計為2 015 mm×1 400 mm×1 137 mm，柴油機配套功率為12.13 kW，工作幅寬為1 000 mm，拔稈機構(gòu)外形尺寸為1 042 mm×1 400 mm×1 137 mm，電動機功率為5.5 kW，工作幅寬為1 000 mm。根據(jù)淺層耕作的原則設(shè)定其耕作深度為5 ～25 cm，根據(jù)旋轉(zhuǎn)刀輥的切向速度設(shè)定機組前進速度為0.6 ～ 1.0 m/s，生產(chǎn)效率為0.22 ～0.36 hm2/h。

4 棉稈拔稈試驗

4.1 試驗材料

選擇棉花品種JX013 棉稈，株高為1 m 左右，棉稈基部(土壤表層的棉稈莖稈)直徑為8.6 ～13.8 mm。

4.2 試驗設(shè)計及評價指標

采用單因素和多因素正交試驗。試驗因素為機具前進速度、刀輥旋轉(zhuǎn)速度、輥刀入土深度，評價指標為棉稈拔凈率和棉稈拔斷率。棉稈拔凈率為試驗中實際拔出的棉稈根數(shù)與所拔棉稈根數(shù)的比值；棉稈拔斷率為機具拔斷棉稈的根數(shù)和刀輥絞斷棉稈的根數(shù)之和與所拔棉稈根數(shù)的比值。根據(jù)棉柴收獲機械要求規(guī)定[12]，當拔凈率大于95%時，拔斷率應(yīng)小于10%。

4.2.1 單因素試驗

為了考查機具前進速度、刀輥旋轉(zhuǎn)速度、輥刀入土深度對棉稈拔凈率和拔斷率的影響，分別對這3個因素進行單因素試驗。設(shè)定輥刀入土深度為15 cm，保持刀輥旋轉(zhuǎn)速度為415 r/min，根據(jù)機具初步試驗得出前進速度在0.8 m/s 左右時拔凈率較高，故機具前進速度分別選取0.6、0.7、0.8、0.9、1.0 m/s進行進一步試驗，記錄棉稈的拔凈率和拔斷率。保持不變的機具前進速度0.8 m/s，輥刀入土深度設(shè)定為15 cm，根據(jù)初步試驗，試驗測得旋轉(zhuǎn)刀輥的旋轉(zhuǎn)速度小于320 r/min 時，拔凈率小于60%，故依次改變刀輥旋轉(zhuǎn)速度355、385、415、445、475 r/min，考查機具前進速度對棉稈拔稈的影響。保持機具的前進速度為0.8 m/s，設(shè)定刀輥旋轉(zhuǎn)速度為415 r/min，依據(jù)功率消耗計算結(jié)果以及淺層耕作的原則，依次改變輥刀入土深度5、10、15、20、25 cm，記錄棉稈的拔凈率和拔斷率。

4.2.2 多因素試驗

考慮到各參數(shù)的相互影響，根據(jù)單因素的試驗結(jié)果，對機具前進速度(A)、刀輥旋轉(zhuǎn)速度(B)、輥刀入土深度(C)進行多因素正交試驗，每組試驗進行5次，結(jié)果取平均值[13]。試驗設(shè)計如表1 所示。

表1 正交試驗因素及水平 Table 1 Influence factors and levels for the test

5 結(jié)果與分析

5.1 單因素試驗結(jié)果

5.1.1 機具前進速度對拔凈率和拔斷率的影響

如圖3 所示，當機具前進速度為0.6 ～0.8 m/s 時，棉稈拔凈率呈上升趨勢；機具前進速度為0.8 ～1.0 m/s時，棉稈拔凈率具有下降的趨勢。隨著機具前進速度的增加，棉稈的拔斷率不斷上升。單因素方差分析表明，機具前進速度對棉稈拔稈率和拔凈率的影響顯著，選擇較合適的機具前進速度為0.8 m/s。

圖3 不同機具前進速度下的棉稈拔凈率和拔斷率 Fig.3 Pull out rate and pull off rate with different movement speed of machine

5.1.2 刀輥旋轉(zhuǎn)速度對拔凈率和拔斷率的影響

如圖4 所示，當?shù)遁佇D(zhuǎn)速度為355 ～415 r/min時，棉稈拔凈率上升較快；當?shù)遁佇D(zhuǎn)速度為415 ～475 r/min 時，棉稈拔凈率呈現(xiàn)緩慢下降趨勢。當?shù)遁佇D(zhuǎn)速度為355 ～385 r/min 時，棉稈拔斷率出現(xiàn)下降趨勢，當?shù)遁佇D(zhuǎn)速度為385 ～475 r/min 時，棉稈拔斷率不斷上升，表明了刀輥旋轉(zhuǎn)速度過快或過慢將會導(dǎo)致拔斷率上升。單因素方差分析表明，刀輥旋轉(zhuǎn)速度對棉稈拔稈率和拔凈率的影響極顯著。綜合比較，選擇刀輥旋轉(zhuǎn)速度385 ～445 r/min 為宜。

圖4 不同刀輥旋轉(zhuǎn)速度下的棉稈拔凈率和拔斷率 Fig.4 Pull out rate and pull off rate with different rotation speed of knife roller

5.1.3 輥刀入土深度對拔凈率和拔斷率的影響

如圖5 所示，隨著輥刀入土深度的增加，棉稈拔凈率不斷上升，棉稈拔斷率呈現(xiàn)不斷下降的趨勢。隨著入土深度的增加，整機的功耗也不斷加大。單因素方差分析表明，輥刀入土深度對棉稈拔稈率和拔凈率的影響極顯著。選擇合適的輥刀入土深度25 cm 為宜。

圖5 不同輥刀入土深度下的棉稈拔凈率和拔斷率 Fig.5 Pull out rate and pull off rate with different depth of roller blade into soil

5.2 正交試驗結(jié)果

對棉稈拔凈率和拔斷率的極差分析結(jié)果(表2)表明，影響棉稈拔凈率的因素大小依次是輥刀入土深度、刀輥旋轉(zhuǎn)速度、機具前進速度；影響棉稈拔斷率的因素大小依次是輥刀入土深度、機具前進速度、刀輥旋轉(zhuǎn)速度。拔凈率高、拔斷率小的較優(yōu)組合為A2B2C3，即機具前進速度為0.8 m/s，刀輥旋轉(zhuǎn)速度為415 r/min，輥刀入土深度為25 cm。

根據(jù)單因素試驗和多因素正交試驗的結(jié)果差異，選取單因素較優(yōu)試驗組合A2B2C2與多因素較優(yōu)試驗組合A2B2C3進行對比試驗，每組試驗5次，結(jié)果取平均值。結(jié)果表明，改變輥刀入土深度試驗參數(shù)，輥刀入土深度25 cm 相比15 cm，功率消耗過大，兩者的棉稈拔凈率和拔斷率差別并不大，而選擇輥刀入土深度為15 cm 更符合實際生產(chǎn)需求，因此試驗最優(yōu)組合為A2B2C2，即機具前進速度為0.8 m/s，刀輥旋轉(zhuǎn)速度為415 r/min，輥刀入土深度為15 cm，棉稈拔凈率為95.8%，棉稈拔斷率為9.6%。

表2 正交試驗結(jié)果 Table 2 Result of orthogonal tests

表2 (續(xù))

6 討論

本試驗結(jié)果表明，影響棉稈拔凈率的主次因素依次是輥刀入土深度、刀輥旋轉(zhuǎn)速度、機具前進速度；影響棉稈拔斷率的主次因素依次是輥刀入土深度、機具前進速度、刀輥旋轉(zhuǎn)速度。由于評價機具的主要參數(shù)為棉稈拔凈率，通過綜合分析及功率消耗比較得出最優(yōu)參數(shù)組合：機具前進速度為0.8 m/s，刀輥旋轉(zhuǎn)速度為415 r/min，輥刀入土深度為15 cm。

輥刀入土深度是影響棉稈拔凈率和拔斷率的關(guān)鍵因素，由于入土深度越大，整機功耗會越大，振動越大，從減少功耗、延長機具壽命方面考慮，可進一步優(yōu)化拔稈裝置，適當減小入土深度。

輥刀拔稈齒的入土角度也是影響棉稈拔凈率和拔斷率的主要因素之一，由于受試驗條件的限制，本次試驗未將其作為試驗因素進行試驗得出最優(yōu)值，而是取理論計算值。后續(xù)試驗研究中，可將拔稈齒的傾斜角度設(shè)計為可調(diào)角度，以期得出拔稈齒的最優(yōu)入土角度。

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