刷輥式采棉機的改進設(shè)計與試驗

黃銘森，石 磊，張玉同，陳長林，孫勇飛，謝 慶，孔凡婷，吳崇友

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刷輥式采棉機的改進設(shè)計與試驗

黃銘森，石 磊※，張玉同，陳長林，孫勇飛，謝 慶，孔凡婷，吳崇友

（農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機械化研究所，農(nóng)業(yè)部現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備重點實驗室，南京 210014）

為提高刷輥式采棉機作業(yè)質(zhì)量，滿足軋花廠對統(tǒng)收式采棉機采獲籽棉的進廠要求，該文在已有4MZ-3B型刷輥式采棉機工作時存在問題基礎(chǔ)上優(yōu)化刷輥工作參數(shù)并增加與刷輥配套使用的回流結(jié)構(gòu)提升了采凈率，降低了落地損失率、掛枝棉率、漏采率；改進挑棉輥形式，避免該部件因纏繞造成棉桃分離氣力輸送管道入口堵塞的現(xiàn)象，降低整機故障率；將棉桃分離氣力輸棉管道由氣吹式改進為氣吸式，提高棉桃回收率；將氣棉分離裝置由網(wǎng)孔式改進為切線導(dǎo)流式，解決了棉桃分離氣力輸棉管道與機載預(yù)處理裝置過渡問題，在排出氣流的同時保證物料運動順暢；將機載預(yù)處理裝置由“一清一回收”式改進為“一清二回收”式，降低籽棉含雜率及清雜損失率。設(shè)計改進及優(yōu)化后形成4MZ-3C型刷輥式采棉機，并進行對比試驗。與4MZ-3B型刷輥式采棉機相比，采凈率提高了3.42%、落地損失率降低了0.85%、掛枝棉率降低了0.89%、漏采率降低了1.05%、棉桃回收率提升了74.57%、清雜損失率降低了0.63%、籽棉含雜率降低了3.71%。將4MZ-3C型刷輥式采棉機各項指標均優(yōu)于采棉機作業(yè)標準，在獲取高采凈率的同時，保證籽棉的低含雜率，可充分滿足中國棉花生產(chǎn)機械化需求。

機械化；優(yōu)化；設(shè)計；刷輥式采棉機；籽棉

0 引 言

棉花是中國重要經(jīng)濟作物，是紡織業(yè)重要原材料。據(jù)統(tǒng)計，中國2015年棉花產(chǎn)量達560萬t，種植面積3 796 690 hm2，機收面積為704 620 hm2，而機械化采收率僅為18.56%[1]。中國棉花收獲大部分仍依靠人工采收方式，耗時耗力，近年來中國勞動力短缺問題日益突出，嚴重限制了中國棉花產(chǎn)業(yè)發(fā)展，故推進采棉機械化是實現(xiàn)中國棉花產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必然趨勢[2-5]。

根據(jù)采摘對象的不同，目前國內(nèi)外采棉機可分為僅采摘籽棉的選收式采棉機以及將籽棉、雜質(zhì)（枝桿、鈴殼、碎葉等）一同采收的統(tǒng)收式采棉機[6-8]。美國、以色列、澳大利亞是世界上實現(xiàn)全機械化采棉的國家，使用的主要機型為水平摘錠式采棉機，在阿根廷、美國德州等地區(qū)亦有少量采用統(tǒng)收式采棉機[9]。目前，美國約翰迪爾、凱斯公司生產(chǎn)的水平摘錠式采棉機機械結(jié)構(gòu)已相當(dāng)成熟，具備智能化、大型化、長工作時間等特點，其部分機型已配備自動打垛功能，大大提高了采棉機的工作效率。近幾年，國外的研究重心已轉(zhuǎn)向精準農(nóng)業(yè)系統(tǒng)、采棉機與土壤相互作用（土壤壓實效應(yīng)），及其對社會經(jīng)濟影響管理辦法等方面的研究[10-12]。

中國采棉機研究起步較晚，且深受國外采棉機技術(shù)影響。1997年，中國成功研制出第一臺4MZ-3型自走式采棉機。2007年，“平水”牌水平摘錠式4MZ-5型自走式采棉機問世，打破了國外采棉機在中國的壟斷局面[13]。無論是進口還是國產(chǎn)水平摘錠式采棉機，其售價皆過于昂貴、維護成本高，中小型棉戶無力承擔(dān)，且其體積龐大，無法適用于中國黃河、長江流域的中小型棉田[14-19]。為突破這一困境，近年來中國農(nóng)機專家提出了各種解決方案。農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機械化研究所引進阿根廷Auros公司研制的EMA-SA-0030型指桿式采棉機，通過消化吸收及改進，成功研制復(fù)指桿式采棉機，該機型采用梳脫原理，但是存在棉株易被拔起造成頻繁停機的問題；游圖明提出一種手持式采棉機，該采棉機體積小巧，一定程度上減輕了采棉工的勞動強度，但是采摘效率較低[20]；劉坤等提出采棉機器人的構(gòu)想，并對棉花采摘機械手及棉花圖像識別開展研究[21-23]；農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機械化研究所與新疆勝凱采棉機有限公司聯(lián)合研制成功指刷式采棉機，該機型采用“抽打梳刷”原理，適宜于雙行種植模式，采收的籽棉含雜偏高[24-25]；農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機械化研究所成功開發(fā)刷輥式采棉機[26-29]，該機型具有適應(yīng)范圍廣、結(jié)構(gòu)簡單、采凈率高等特點，表現(xiàn)出極大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

通過篩選適合的機采棉品種，結(jié)合機采棉種植模式，在分析4MZ-3B型刷輥式采棉機工作時存在的問題基礎(chǔ)上，本文進行優(yōu)化設(shè)計和部件改造，如優(yōu)化刷輥工作參數(shù)并增加其配套使用的回流結(jié)構(gòu)，改進挑棉輥、棉桃分離氣力輸棉管道、氣棉分離裝置、機載預(yù)處理裝置，形成新型的4MZ-3C型刷輥式采棉機。

1 總體結(jié)構(gòu)

4MZ-3C型刷輥式采棉機基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由刷輥式采摘頭、駕駛室、挑棉輥、氣吸式棉桃分離氣力輸棉管道、加速風(fēng)口、集桃裝置、風(fēng)機、切線導(dǎo)流式氣棉分離裝置、“一清二回收”式機載預(yù)處理裝置、棉箱、底盤等部件組成。采棉機長、寬、高分別為7.8、2.2、3.95 m，其主要參數(shù)如表1所示。

1.刷輥式采摘頭 2.駕駛室 3.挑棉輥 4.氣吸式棉桃分離氣力輸棉管道 5.加速風(fēng)口 6.集桃裝置 7.風(fēng)機 8.切線導(dǎo)流式氣棉分離裝置 9.“一清二回收”式機載預(yù)處理裝置 10.棉箱 11.底盤

表1 4MZ-3C型刷輥式采棉機主要參數(shù)

工作時，刷輥式采摘頭將籽棉、棉桃、大雜（枝干、鈴殼）、小雜（碎葉、灰塵）形成的棉雜混合物一次性采收，在挑棉輥推動作用下棉雜混合物沿棉桃分離氣力輸棉管道運動，風(fēng)機及加速風(fēng)口輸出的高速氣流在棉桃分離氣力輸棉管道入口處形成負壓，牽引棉雜混合物繼續(xù)沿管道運動并實現(xiàn)棉桃分離，混合物隨后進入氣棉分離輸送裝置，氣流脫出后，混合物進入機載預(yù)處理裝置進行清雜，清理完畢的籽棉被送入棉箱儲存。

中國長江、黃河流域兩大棉區(qū)以及新疆地方棉農(nóng)眾多、田間作業(yè)條件差異大且種植地塊相對分散，水平摘錠式采棉難以在中國大面積推廣，而具有體積適中、價格低廉、結(jié)構(gòu)簡單、易于操作、使用和維護成本低、適應(yīng)性強、采摘效率高、含雜率低等特點的刷輥式采棉機，能夠很好的適應(yīng)這些地區(qū)，尤為適合在中國推廣應(yīng)用。

2 部件裝置的優(yōu)化與改進設(shè)計

2.1 優(yōu)化刷輥工作參數(shù)及增加回流結(jié)構(gòu)

刷輥式采棉機作業(yè)時，旋轉(zhuǎn)的刷輥將籽棉從棉株上刷下。若刷輥轉(zhuǎn)速過低，則無法將籽棉采下，造成漏采、掛枝棉；若轉(zhuǎn)速過高，則易產(chǎn)生過多雜質(zhì)，影響籽棉品級[30]。為獲取較優(yōu)參數(shù)，測取在不同刷輥轉(zhuǎn)速下采摘頭的采凈率及采獲籽棉含雜率，確定刷輥轉(zhuǎn)速在310 r/min時，可取得較高采凈率及較低含雜率。

采摘頭采獲的大部分籽棉在刷輥葉片打擊作用下被拋送至輸棉攪龍，然而有部分籽棉未被及時拋送，這一部分籽棉被限制在刷輥葉片間隙中，隨著刷輥繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，籽棉從刷輥正下方脫離，造成損失。為解決這一問題，4MZ-3C刷輥式采棉機增設(shè)了回流結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)由回流弧形板、支撐組件構(gòu)成，如圖2所示，回流弧形板與刷輥同心，且回流板內(nèi)側(cè)半徑略大于刷輥最大圓周半徑（約5 mm）。

1.輸棉攪龍 2.支撐組件 3.回流弧形板 4.刷輥

工作時，未被及時拋送至輸棉攪龍的籽棉被限制在回流弧形板與刷輥葉片形成的扇形區(qū)域中，籽棉在刷輥葉片的推動作用下繼續(xù)運動，當(dāng)運動至采摘通道時，若有棉株阻擋，則籽棉隨刷輥繼續(xù)旋轉(zhuǎn)隨后被拋送至輸棉攪龍，若無棉株阻擋，籽棉則被拋送到另一側(cè)的刷輥，并被該刷輥拋送至另一側(cè)輸棉攪龍。該裝置將未被及時拋送至梳棉攪龍的籽棉重新回收，降低籽棉損失率。

2.2 改進挑棉輥

挑棉輥處于采棉機的“咽喉”部位，負責(zé)將采摘頭收獲的棉雜混合物挑送至輸棉管道中，直接影響采棉機工作效率、可靠性。

改進前挑棉輥由弧形刺釘、中心軸組成，如圖3a所示，弧形刺釘均布在中心軸的四周，棉雜混合物在弧形刺釘?shù)膿軇酉逻M入輸棉管道，但是在喂入量較大、棉田中藤草較多時，該結(jié)構(gòu)易形成纏繞，嚴重時造成堵塞。4MZ-3C刷輥式采棉機采用的挑棉輥由釘齒、多邊形筒、側(cè)壁、中心軸組成，如圖3b所示，該結(jié)構(gòu)采用短直型釘齒，釘齒均布在多邊形筒四周，疏密間隔排布，該結(jié)構(gòu)減少了釘齒與物料的徑向接觸面積，大大減小了刺釘纏繞的概率。

1.弧形釘齒 2.中心軸 3.釘齒 4.多邊形筒中心軸 5.側(cè)支撐

2.3 棉桃分離氣力輸棉管道改進

如圖4a所示，氣吹式棉桃分離氣力輸棉管道加速風(fēng)口位于輸棉管道入口處，棉雜混合物在挑棉輥及出風(fēng)口高速射流的推送作用下沿輸送管道運動，越過排桃口后，懸浮速度較大的棉桃在自身重力作用下開始下墜并落入排桃口，但是在試驗過程中發(fā)現(xiàn)，由于輸棉管道較長，若出風(fēng)口風(fēng)速低于棉桃懸浮速度則籽棉無法通過后續(xù)管道，進而造成輸棉管道堵塞，若大于棉桃懸浮速度則無法分離實現(xiàn)棉桃分離，影響清雜效果及籽棉品級。為解決這一問題，改進棉桃分離氣力輸棉管道如圖4b所示，出風(fēng)口位于輸棉管道入口右上側(cè)，出風(fēng)口輸出的高速射流在輸棉管道入口形成負壓，棉雜混合物在挑棉輥推力及負壓區(qū)氣流牽引作用下沿輸棉管道運動，越過排桃口后，懸浮速度最大的棉桃克服氣流作用并落入排桃口。該裝置利用負壓風(fēng)速低于棉桃懸浮速度的特性實現(xiàn)棉桃分離，使棉桃無法進入后續(xù)清雜裝置，從而保證籽棉品級。

1.加速風(fēng)管 2.輸棉管道 3.挑棉輥

4MZ-3C型將棉桃分離氣力輸棉管道由氣吹式改進為氣吸式，其各位置風(fēng)壓、風(fēng)速如表2所示。

2.4 氣棉分離裝置改進

改進前氣棉分離裝置采用長方體結(jié)構(gòu)網(wǎng)孔箱，如圖5a所示，其相鄰兩面均呈直角，棉雜混合物進入該裝置后易在其直角邊處滯留，隨著棉雜混合物不斷的進入最終形成網(wǎng)孔面大面積氣閉并形成渦流，使混合物無法順暢進入機載預(yù)處理裝置。當(dāng)堆積在網(wǎng)孔面的混合物累積到一定量時，將克服氣流作用，落入機載預(yù)處理裝置，使處理量瞬時提升；且因間歇性氣閉現(xiàn)象，進入機載預(yù)處理機中的氣流紊亂，籽棉預(yù)處理效果下降，嚴重時造成機載預(yù)處理裝置堵塞。

表2 氣吹式、氣吸式棉桃分離氣力輸送管道風(fēng)壓風(fēng)速測試值

注：A、B、C、D具體位置見圖4。

Note: Specific positions of A, B, C and D are shown in the Fig.4.

改進后的氣棉分離裝置由導(dǎo)向板I、導(dǎo)向板II、導(dǎo)流排氣梳、通道底板及側(cè)板組成，如圖5b所示，其中導(dǎo)向板I、三組導(dǎo)流排氣梳及導(dǎo)向板2首尾相接，依次布置在一定半徑的導(dǎo)向弧的切線上，通道底板與上述導(dǎo)向板、排梳形成輸棉通道，起到收束氣流及物料的作用。該裝置采用切線導(dǎo)流原理，工作時，混合物從E口（棉桃分離氣力輸送管道出口）進入切線導(dǎo)流式氣棉分離輸送裝置，被導(dǎo)向板I導(dǎo)流至三組連續(xù)設(shè)置的排梳，混合物在氣流作用下沿排梳形成的切線路徑快速運動，同時氣流攜帶大量細雜不斷從排梳的間隙中脫出，當(dāng)混合物運動至最后一組排梳時失去氣流作用，在重力作用下落入F區(qū)（機載籽棉預(yù)處理裝置入口）進行清雜。該裝置實現(xiàn)了輸送管道與預(yù)處理裝置的平滑過渡，在排出氣流的同時排出大量細雜，不僅避免了氣流進入預(yù)處理裝置后對清雜效果的影響，同時降低了籽棉中細雜含量。

1.導(dǎo)流板 2.網(wǎng)板 3.框架 4.側(cè)板 5.通道底板 6.導(dǎo)向板I 7.導(dǎo)流排氣梳 8.導(dǎo)向板II

2.5 機載預(yù)處理裝置改進

棉雜混合物與氣流分離后進入機載預(yù)處理裝置清理枝干、鈴殼等大雜，其工作性能直接影響籽棉品級及收購價格，是統(tǒng)收式采棉機的重要組成部件。機載預(yù)處理裝置由數(shù)組清雜單元組成，清雜單元的基本構(gòu)成為鋼絲刷、鋸齒輥、排雜組件、刷棉輥。通過布置數(shù)個清雜單元的相對位置，對進入機載預(yù)處理裝置的棉雜混合物進行逐級處理，實現(xiàn)清理、回收清理的功能。

4MZ-3B型刷輥式采棉機采用的“一清一回收”式機載預(yù)處理裝置、4MZ-3C型刷輥式采棉機采用的“一清二回收”式機載處理裝置結(jié)構(gòu)分別如圖6所示?！耙磺逡换厥铡笔讲捎脙山M清雜單元，即清雜單元I承擔(dān)棉雜混合物的第一道清理，清雜單元II處理其第一級清雜單元掉落的棉雜混合物；“一清二回收”式采用三組清雜單元，即清雜單元I承擔(dān)棉雜混合物的第一道清理，清雜單元II、III分別處理其上一級清雜單元掉落的棉雜混合物，同時為了充分利用3個清雜單元的清雜能力，從上至下各鋸齒輥對應(yīng)的排雜棒組件間隔角應(yīng)有從大到小的變化，、和角之間的關(guān)系為>>?！耙磺逡换厥铡笔捷^“一清二回收”式清雜單元少，處理量?。弧耙磺宥厥铡笔筋A(yù)處理裝置實現(xiàn)了籽棉的深度清理、充分回收，降低籽棉含雜率及清雜損失率[31]。

1.風(fēng)道組件I 2.鋼絲刷 3.鋸齒輥I 4.排雜棒組件 5.淌雜板 6.刷棉輥 7.鋸齒輥II 8.排雜鏟 9.排雜格柵 10.排雜攪龍 11.風(fēng)機組件 12. 風(fēng)道組件II 13.刷棉輥側(cè)弧板

1.Air ducting module I 2.Steel wire brush 3.Jagged roller I 4.Cleaning bars module 5.Flow plate 6.Brush roller 7.Jagged roller II 8.Cleaning shovel 9.Cleaning grid 10.Impurity outputting auger 11.Blower module 12. Air ducting module II 13. Side arcs board of brush roller

注：,,分別為各級清雜單元排雜棒組件中相鄰排雜棒的夾角，(°)。

Note:,and γ respectively represent the angles between the adjacent bar of cleaning bars module of impurity cleaning unit in each level, (°).

圖6 機載預(yù)處理裝置改進前后結(jié)構(gòu)圖

Fig.6 Structure diagram of machine-mounted cotton pretreating apparatus before and after improvement

3 改進前后采棉機性能對比

3.1 試驗條件與方法

試驗采用4MZ-3B刷輥式采棉機和4MZ-3C刷輥式采棉機2種采棉機，其中：4MZ-3B刷輥式采棉機采用氣吹式輸棉管道、網(wǎng)孔式氣棉分離裝置、“一清一回收”式機載預(yù)處理裝置；4MZ-3C刷輥式采棉機優(yōu)化了刷輥工作參數(shù)、增加了刷輥回流結(jié)構(gòu)，改進挑棉輥結(jié)構(gòu)，采用氣吸式輸棉管道、切線導(dǎo)流式氣棉分離裝置、“一清二回收”式機載處理裝置。其關(guān)鍵部件工作參數(shù)如表3所示。

試驗均在濱州市沾化縣進行，4MZ-3B刷輥式采棉機于2015年10月30日進行采收試驗，棉花品種為中棉所60-3，試驗時棉花物理參數(shù)為：棉株平均高度77.6 cm，最低棉鈴高度16.3 cm，吐絮率94.1%，脫葉率86.2%，籽棉含水率8.9%，產(chǎn)量為4 400 kg/hm2；4MZ-3C刷輥式采棉機于2016年11月2日進行采收試驗，棉花品種為中棉所60-3，試驗時棉花物理參數(shù)為：棉株平均高度74.6 cm，最低棉鈴高度18.8 cm，吐絮率95.3%，脫葉率88.3%，籽棉含水率8.5%，產(chǎn)量為4 300 kg/hm2。采收地為同一塊試驗地，田間沒有障礙物，收割時均為晴天，棉花長勢基本相同。4MZ-3C型刷輥式采棉機試驗現(xiàn)場及采獲籽棉效果如圖7所示。

表3 關(guān)鍵部件工作參數(shù)

a. 4MZ-3C型刷輥式采棉機試驗現(xiàn)場

a. Field test of 4MZ-3C brush-rolling cotton harvester

b. 采獲籽棉效果圖

各項性能指標參照NY/T1133-2006中華人民共和國農(nóng)業(yè)行業(yè)標準《采棉機作業(yè)質(zhì)量》進行，分別以3次重復(fù)的均值為測試結(jié)果。

3.2 試驗指標檢測方法

1）采凈率、落地損失率、掛枝棉率、漏采率、棉桃回收率測定。采收前在檢測樣本（地塊）內(nèi)臨近測點的區(qū)域內(nèi)選取5點，每點不少于2 m2，測定該區(qū)域內(nèi)所有的棉株數(shù)及各開裂棉鈴數(shù)，手工采摘開裂棉鈴并稱取其質(zhì)量，計算出開裂棉鈴單鈴質(zhì)量。求5點平均值，得出檢測地開裂棉鈴的平均單鈴質(zhì)量W。

沿前進的行程劃出一定長度，使檢測面積大于5 m2。在采收前測定該區(qū)域的棉株數(shù)、開裂棉鈴總數(shù)及棉桃總數(shù)1。按式（1）計算出開裂棉鈴的籽棉總質(zhì)量。

式中為開裂棉鈴的籽棉總質(zhì)量，g；d為開裂棉鈴的平均單鈴質(zhì)量，g；為開裂棉鈴總數(shù)。

采收前，清理自然落地棉及地上枯葉。采收后收集落地棉、掛枝棉、漏采棉，分別稱取其質(zhì)量；清點集桃裝置中的棉桃數(shù)量，分別按式（2）～（6）計算。

式中為采凈率，%；為撞落棉質(zhì)量，g；為漏采棉質(zhì)量，g；為掛枝棉質(zhì)量，g；S為落地棉率，%；z為落地棉質(zhì)量，g；S為掛枝棉率，%；為掛枝棉質(zhì)量，g；S為漏采棉率，%；為棉桃回收率，%；2為集桃裝置中棉桃數(shù)量，個；1為棉桃總數(shù)，個。

2）清雜損失率測定

收集由機載清雜裝置排出的雜質(zhì)并隨機取樣品5份，每份不少于2 000 g，充分混合后從該5份樣品中取樣，每份不少于1 000 g。用手將樣品中的棉花揀出。

按式（7）計算

式中為清雜損失率，%；1為從樣品中揀出的棉花質(zhì)量，g；2為樣品質(zhì)量，g。

3）籽棉含雜率測定

從采棉機棉箱中隨機抽取5份籽棉樣品，每份不少于2 000 g，集中并充分混合，從中取出樣品5份，每份1 000 g。用手將樣品中的枝干、鈴殼、碎葉等雜質(zhì)揀出。用試軋機分離出皮棉，同時收集試軋機粗雜。再在皮棉中抽取50 g小樣通過棉花雜質(zhì)分離機分離出雜質(zhì)及棉花，共分析兩次同時收集兩次的細雜（以50 g小樣中的細雜推算皮棉中的細雜）。所有雜質(zhì)的總和為樣品中的雜質(zhì)含量。

按式（8）計算

式中為籽棉含雜率，%；為樣品中用手揀出的枝干、鈴殼、碎葉等雜質(zhì)質(zhì)量，g；為樣品通過試軋機的雜質(zhì)質(zhì)量，g；為樣品中皮棉所含雜質(zhì)質(zhì)量，g；為樣品質(zhì)量，g。

3.3 試驗結(jié)果與分析

測定采棉機采凈率、落地損失率、掛枝棉率、漏采率結(jié)果如表4所示。相對于4MZ-3B機型，4MZ-3C機型的采凈率提高了3.42%，落地損失率降低了0.85%，掛枝棉率降低了0.89%，漏采率降低了1.05%，這與優(yōu)化了刷輥轉(zhuǎn)速、增加了刷輥回流裝置有關(guān)。刷輥式采棉機是采用具有6片葉片的刷輥進行采摘，刷輥葉片間存在較大間隙，采摘下的籽棉若未被及時拋送至輸棉攪龍則易被限制在刷輥葉片間隙中并隨刷輥繼續(xù)旋轉(zhuǎn)造成落地損失，4MZ-3B機型無刷輥回流結(jié)構(gòu)，故易造成落地損失。

表4 改進前后采棉機性能對比

與4MZ-3B機型相比，4MZ-3C機型的棉桃回收率提高了74.57%，其原因是將棉桃分離氣力輸送管道由氣吹式改進為氣吸式，使輸送管道入口處風(fēng)速低于棉桃懸浮速度，實現(xiàn)棉桃的分離回收；4MZ-3C機型的清雜損失率、籽棉含雜率分別降低了0.63%、3.71%，其原因是機載預(yù)處理裝置增加了一級清雜單元并優(yōu)化了其各級處理量，實現(xiàn)籽棉的逐級清理、充分回收；4MZ-3C機型故障率大大降低，基本不再出現(xiàn)挑棉輥、棉桃分離氣力輸送管道、氣棉分離裝置處堵塞現(xiàn)象，這與挑棉輥、棉桃分離氣力輸送管道、氣棉分離裝置的改進有關(guān)。

4 結(jié) 論

該文在已有4MZ-3B型刷輥式采棉機的基礎(chǔ)上進行了如下改進：優(yōu)化了刷輥工作參數(shù)并增加了與刷輥配套使用的回流結(jié)構(gòu)，改進了挑棉輥、棉桃分離氣力輸棉管道、氣棉分離裝置、機載預(yù)處理裝置。結(jié)果表明：相對于4MZ-3B型刷輥式采棉機，4MZ-3C型刷輥式采棉機的采凈率提高了3.42%、落地損失率降低了0.85%、掛枝棉率降低了0.89%、漏采率降低了1.05%、棉桃回收率提升了74.57%、清雜損失率降低了0.63%、籽棉含雜率降低了3.71%。4MZ-3C型刷輥式采棉機各項指標均優(yōu)于采棉機作業(yè)標準，在獲取高采凈率的同時，保證了籽棉的低含雜率，可充分滿足中國棉花生產(chǎn)需求。

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design and experiments on brush-rolling cotton harvester

Huang Mingsen, Shi Lei※, Zhang Yutong, Chen Changlin, Sun Yongfei, Xie Qing, Kong Fanting, Wu Chongyou

(Nanjing Research Institute for Agricultural Mechanization, Ministry of Agriculture; Key Laboratory of Modern Agricultural Equipment, Ministry of Agriculture, Nanjing 210014, China)

To improve the working quality of the brush-rolling cotton harvester and to meet the requirement of the ginnery of the seed cotton picked by stripping-type cotton harvester, the article optimized the working parameters of the brush roller and added the recycling structure matched with the brush roller, based on the problem in the trials of the 4MZ-3B brush-rolling cotton harvester. Also, the improvements included the structure of the cotton pushing roller, the cotton-boll separating and cotton conveying pipe, the airflow-cotton separating apparatus and the machine-mounted pretreating apparatus. Based on these the new 4MZ-3C brush-rolling cotton harvester was formed and the comparative trials were conducted in Anyang, Henan. Compared with 4MZ-3B brush-rollingcotton harvester, the 4MZ-3C type raised the picking rate and the recycling rate of cotton boll by 3.42% and 74.57%, respectively, and lowered the loss rate from falling of cotton, the rate of hanging cotton, the missing rate of cotton, the loss rate from cleaning impurities, and the impurity rate by 0.85%, 0.89%, 1.05%, 0.63% and 3.71%, respectively. The optimization of the working parameter, which was mainly the revolution speed of the brush roller, and the installation of the recycling structure directly optimized the picking rate and lowered the loss rate from falling of cotton, the rate of hanging cotton, and the missing rate of cotton, due to the enhancement of the picking ability and the efficient recycling mechanism. By reducing the contact area of the roller at the radial direction, the modified cotton pushing roller could avoid the blocking of the inlet of the air conveying pipe for cotton boll separation, which was caused by vine plants collected in the field twining with the roller, reducing the chance of the machine halt. The improvement of the cotton-boll separating and cotton conveying pipe from air-blowing type to air-suction type could form an appropriate negative pressure area at the inlet of the pipe to pull seed cotton and separate cotton-boll form it, and effectively increase the recycling rate of cotton boll and avoid cotton bolls to enter the machine-mounted pretreating apparatus, which would cause adverse influence on cleaning performance and the rank of seed cotton. The improvement of the airflow-cotton separating apparatus from mesh box type to tangent-guided type could perfectly separate air flow from seed cotton, and make sure that seed cotton could enter the cotton cleaner mounted on machine smoothly and with little airflow, and at the same time, solve the problem of transition between the air conveying pipe for cotton boll separation and the cotton cleaner mounted on machine. The machine-mounted pretreating apparatus was modified as one-cleaning and two-recycling type from one-cleaning and one-recycling type, the new type had 3 cleaning units, and a new configuration of them was made to make the best use of its cleaning ability to reduce the impurity rate and the loss rate of cleaning. China had a planting area of 3 796 690 hm2in 2015, while the mechanized harvesting area was only 704 620 hm2, accounting for 18.56%, which urgently needs change. The new 4MZ-3C brush-rolling cotton harvester has the advantage such as low price, friendly maintainability and wide adaptability, and every index of it is better than the operation standard of cotton harvester, which can perfectly meet the requirement of cotton harvesting mechanization.

mechanization; optimization; design; brush-rolling cotton harvester; seed cotton

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.20.005

S225.91+1

A

1002-6819(2017)-20-0041-07

2017-05-12

2017-08-12

經(jīng)濟作物農(nóng)機農(nóng)藝關(guān)鍵技術(shù)集成研究與示范（2013BAD08B02）；中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院創(chuàng)新工程-莖稈類收獲機械

黃銘森，助理研究員，主要從事農(nóng)業(yè)裝備工程與技術(shù)研究。 Email：hms_212@126.com

※通信作者：石 磊，研究員，主要從事農(nóng)業(yè)裝備工程與技術(shù)研究。Email：shileijsnj@126.com

黃銘森，石 磊，張玉同，陳長林，孫勇飛，謝 慶，孔凡婷，吳崇友. 刷輥式采棉機的改進設(shè)計與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2017，33(20)：41－47. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.20.005 http://www.tcsae.org

Huang Mingsen, Shi Lei, Zhang Yutong, Chen Changlin, Sun Yongfei, Xie Qing, Kong Fanting, Wu Chongyou. Revised design and experiments on brush-rolling cotton harvester[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(20): 41－47. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.20.005 http://www.tcsae.org