4MZ-3指刷式采棉機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

孫勇飛，吳崇友,，薛 臻，石 磊，張玉同，黃銘森

(1.農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，南京 210014；2.泰州常發(fā)農(nóng)業(yè)工程技術(shù)有限公司，江蘇 泰州 225300)

0 引言

我國2014年全國棉花播種面積為422萬hm2，機(jī)收面積為66萬hm2，機(jī)械化采收率為15.7%。棉花主產(chǎn)區(qū)的新疆，2014年棉花種植面積約160萬 hm2，機(jī)械化采收率最高的新疆兵團(tuán)，棉花種植面積約58.7萬 hm2，43.3萬hm2實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化采收，機(jī)械化采收率為70%[1-3]。目前，棉田耕整、播種、植保、灌溉等環(huán)節(jié)已基本實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化，棉花機(jī)械化采收成為制約我國棉花產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[4-6]。

國外自走式采棉機(jī)的發(fā)展方向?yàn)榇笮突?、高?jí)化、智能化及充分利用機(jī)電液計(jì)算機(jī)一體化技術(shù)，完善自動(dòng)檢測(cè)和控制系統(tǒng)。采棉機(jī)性能向提高采凈率、減少損失率及降低機(jī)采籽棉含雜率，增大棉箱裝載量、裝載密度及機(jī)載壓制棉模以減少人工作業(yè)量，以及機(jī)器操作更加智能化、人性化的趨勢(shì)發(fā)展[7-8]。按照我國對(duì)發(fā)展高端智能農(nóng)機(jī)、實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的要求，研究開發(fā)新型的棉花采收機(jī)理和裝備，打破目前棉花機(jī)械化收獲機(jī)型單一的狀況，實(shí)現(xiàn)采棉機(jī)市場(chǎng)多機(jī)型、多品種的競(jìng)爭(zhēng)性發(fā)展，提高棉花機(jī)械化水平、節(jié)本增效，促進(jìn)我國棉花產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)發(fā)展，研發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高端智能采棉機(jī)成為當(dāng)務(wù)之急[9]。

1 采棉機(jī)的基本結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 指刷式采棉機(jī)的基本結(jié)構(gòu)

1.采摘臺(tái) 2.輸棉通道 3.駕駛室 4.發(fā)動(dòng)機(jī) 5.氣棉分離裝置 6.清棉裝置 7.棉箱 8.柴油箱 9.集桃箱 10.風(fēng)力輸送裝置

Fig.1 Structure diagram of the 4MZ-3 finger-brushing cotton picker

1.2 指刷式采棉機(jī)的基本原理

指刷式采棉機(jī)工作原理：指刷式采摘臺(tái)將籽棉采下，棉雜混合物首先進(jìn)入棉桃分離輸送裝置并在該裝置中分離出未成熟的棉桃送至集桃箱儲(chǔ)存；分離出的籽棉隨風(fēng)力作用進(jìn)入氣壓回流除碎葉裝置，大部分風(fēng)力及碎葉等小雜在該裝置中被排出，最終籽棉進(jìn)入棉纖抑損高效清雜裝置進(jìn)行清雜，清雜完畢的籽棉被送入棉箱儲(chǔ)存[15-16]。

1.3 指刷式采棉機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

機(jī)采棉因加工清理籽棉道數(shù)多，重復(fù)清理加工，造成棉花品質(zhì)下降。為縮小機(jī)采棉與手采棉的差距，提高棉花采收機(jī)械化水平，研制了三行自走式4MZ-3指刷式采棉機(jī)。該機(jī)型無需使用清洗液及潤滑脂，性能良好、造價(jià)低、實(shí)用性強(qiáng)，其主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 主要技術(shù)參數(shù)

2 指刷式采棉機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)組成

2.1 液壓系統(tǒng)的組成及原理

采摘臺(tái)是指刷式采棉機(jī)進(jìn)行棉花采收的關(guān)鍵部件，位于整機(jī)前端，工作時(shí)需要根據(jù)棉花生長狀況等條件即時(shí)調(diào)整其采摘高度。為此，研究設(shè)計(jì)了一套采摘臺(tái)仿形系統(tǒng)，該系統(tǒng)具備手控和自動(dòng)仿行控制功能。手動(dòng)控制時(shí)，駕駛員可根據(jù)田間實(shí)際棉花生長狀況，判斷采摘臺(tái)應(yīng)離地高度；自動(dòng)仿形時(shí)，該系統(tǒng)可根據(jù)棉田實(shí)際情況，利用采收的地形數(shù)據(jù)，通過電磁比例換向閥實(shí)時(shí)調(diào)整采摘臺(tái)離地高度，實(shí)現(xiàn)采摘臺(tái)的自動(dòng)升降，確保采摘效果[17-18]。采摘臺(tái)仿形控制系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 采摘臺(tái)仿形控制系統(tǒng)框圖

采摘臺(tái)及棉箱的升降具由液壓油缸控制，采摘臺(tái)設(shè)計(jì)的液壓仿形機(jī)構(gòu)，可以使采摘臺(tái)在工作過程中實(shí)現(xiàn)地面仿形和障礙物自動(dòng)避讓，保證了采棉機(jī)的采摘臺(tái)動(dòng)態(tài)保持在設(shè)定作業(yè)高度。當(dāng)?shù)孛嬗懈叩推鸱兓瘯r(shí)，仿形控制系統(tǒng)將地面變化情況轉(zhuǎn)換為電信號(hào)反饋給控制器，控制器根據(jù)接收的信號(hào)判斷是否需要仿形動(dòng)作。如需動(dòng)作時(shí)，控制器驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，完成采摘臺(tái)的升降動(dòng)作，達(dá)到自動(dòng)仿形的目的。采摘臺(tái)采收輥、挑棉輥、壓實(shí)攪龍及卸棉組件的運(yùn)轉(zhuǎn)分別由對(duì)應(yīng)的液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，當(dāng)采摘過程中出現(xiàn)堵塞時(shí)，系統(tǒng)中安裝的壓力繼電器會(huì)將信號(hào)反饋至PLC，切斷各工作回路，同時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)提醒駕駛員及時(shí)排除故障[19]。根據(jù)采棉機(jī)驅(qū)動(dòng)要求，設(shè)計(jì)的液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)工作原理如圖3所示。

2.2 液壓系統(tǒng)主要元件與參數(shù)分析

參考農(nóng)業(yè)機(jī)械常用的系統(tǒng)工作壓力，初選系統(tǒng)壓力為18MPa。系統(tǒng)選用的主要元件及其參數(shù)如表2所示。

2.2.1 液壓缸參數(shù)分析

液壓缸流量計(jì)算，即

預(yù)計(jì)11月底，尿素市場(chǎng)將進(jìn)入銷售的小旺季，但是復(fù)合肥情況則不太樂觀。唐小琳說，由于目前氮磷鉀等原料市場(chǎng)價(jià)格上漲，復(fù)合肥出廠價(jià)格走到了歷史最高點(diǎn)。所以，今年的冬儲(chǔ)估計(jì)要用“平淡”兩個(gè)字來總結(jié)。但是化肥對(duì)農(nóng)民來說屬于剛性需求，唐小琳表示，預(yù)計(jì)經(jīng)銷商完成備貨以后，尿素是市場(chǎng)價(jià)格或?qū)⒒貧w“理性”。

A=πD2/4

(1)

V=L/t

(2)

Q=VA

(3)

其中，A為液壓缸充液面積；D為無桿腔直徑；L為行程；t為動(dòng)作時(shí)間；Q為流量。

采摘臺(tái)液壓缸D為50mm，L為300mm，t為5s，單個(gè)液壓缸流量Q為7.1L/min，則采摘臺(tái)兩個(gè)液壓缸所需流量Q為14.2L/min。其中，集棉箱液壓缸D為50mm，L為860mm，t為7s，單個(gè)液壓缸流量Q為14.5L/min，則采摘臺(tái)兩個(gè)液壓缸所需流量Q為29.0L/min。

1.液壓源 2.溢流閥 3.手動(dòng)換向閥 4.比例換向閥 5、10、11.液控單向閥 6、12..單向節(jié)流閥 7、8.單向液壓缸

元件型號(hào)額定壓力/MPa排量/mL·r-1額定轉(zhuǎn)速/r·min-1轉(zhuǎn)速范圍/r·min-1數(shù)量采摘臺(tái)液壓缸?50×300----2集棉箱液壓缸?50×860----2采摘臺(tái)馬達(dá)BM3-200162003556～3751挑棉輥馬達(dá)BMR-315163151655～1901壓實(shí)攪龍馬達(dá)BMR-315163151655～1901卸棉馬達(dá)BMR-315163151655～1901

2.2.2 液壓馬達(dá)參數(shù)分析

液壓馬達(dá)流量計(jì)算，即

Qm=qmnm/ηV

(4)

其中，Qm為液壓馬達(dá)輸入流量；qm為馬達(dá)排量；nm為馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)速；ηV為容積效率，ηV=0.94。

已知采摘臺(tái)馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)速nm為150r/min，則采摘臺(tái)Qm為56.6L/min；已知挑棉輥馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)速nm為80r/min，則挑棉輥Qm為26.8L/min；已知壓實(shí)攪龍馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)速nm為60r/min，則壓實(shí)攪龍Qm為20.1L/min；已知卸棉馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)速nm為90 r/min，則卸棉攪龍Qm為30.2L/min。

2.2.3 液壓泵參數(shù)確定

液壓泵的最大工作壓力Ppmax應(yīng)滿足

Ppmax≥P1max+∑ΔP

(5)

其中，Ppmax為液壓執(zhí)行元件最大工作壓力；P1max=16MPa；∑ΔP為管路損失，按經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)選取∑ΔP=1.0MPa[20]，則液壓泵的最大工作壓力Ppmax為17MPa。

液壓泵最大輸出流量為

qp≥K(∑qmax)

(6)

其中，∑qmax為同時(shí)動(dòng)作的各液壓執(zhí)行元件的最大總流量；K為系統(tǒng)泄漏系數(shù)，一般取K=1.2。

液壓執(zhí)行元件使用流量最多是棉花采收過程中，同時(shí)工作的有采摘臺(tái)液壓缸q1=14.2 L/min，采摘臺(tái)馬達(dá)q2=56.6L/min，挑棉輥馬達(dá)q3=26.8L/min，壓實(shí)攪龍馬達(dá)q4=20.1L/min，因此液壓泵最大輸出流量qp≥=141.2L/min。

2.3 PLC控制系統(tǒng)硬件選項(xiàng)與I/O分配

根據(jù)指刷式采棉機(jī)液壓系統(tǒng)的工作原理，考慮輸入/輸出點(diǎn)數(shù)的備用余量，選用三菱FX2N-64MR可編程序控制器，其輸入、輸出點(diǎn)數(shù)均為32個(gè)，其對(duì)應(yīng)的輸入輸出端口分配如圖4所示。

圖4 采棉機(jī)I/O端子分配圖

2.4 PLC控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

PLC控制程序設(shè)計(jì)是系統(tǒng)功能的實(shí)施流程，采用三菱PLC編程軟件GX-developer，梯形圖語言進(jìn)行編寫，并利用GX Simulator軟件進(jìn)行了仿真調(diào)試。根據(jù)4MZ-3指刷式采棉機(jī)液壓系統(tǒng)工作過程編寫出控制系統(tǒng)梯形圖，如圖5所示。

3 田間收獲試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)條件與設(shè)備

2016年9月29日，在新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第八師一三四團(tuán)進(jìn)行田間試驗(yàn)，測(cè)試品種新50(短枝干)，種植模式(66+10)cm，種植密度180 000株/hm2，平均株高70cm，最低棉鈴高度18cm，吐絮率>92%，脫葉率>88%，籽棉含水量8%，產(chǎn)量5 250kg/hm2。

試驗(yàn)所需設(shè)備及儀器有：4MZ-3指刷式采棉機(jī)、AT-8型光電轉(zhuǎn)速表、風(fēng)速儀、快速水分測(cè)試儀、DL-17型電子稱、秒表、皮尺，以及標(biāo)桿等。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

選取同一塊地5塊不同試驗(yàn)區(qū)，采摘作業(yè)前清理自然落地棉。采棉機(jī)行走速度1.7km/h，采摘臺(tái)馬達(dá)轉(zhuǎn)速158r/min(采摘輥轉(zhuǎn)速316r/min)，挑棉輥馬達(dá)轉(zhuǎn)速82r/min(挑棉輥轉(zhuǎn)速164r/min)，壓實(shí)攪龍馬達(dá)轉(zhuǎn)速58r/min(壓實(shí)攪龍轉(zhuǎn)速58r/min)，在5個(gè)試驗(yàn)區(qū)分別進(jìn)行測(cè)試，取均值。 4MZ-3指刷式采棉機(jī)性能指標(biāo)平均值為采凈率96.84%，撞落棉損失率1.86%，含雜率6.52%。

圖5 控制程序梯形圖

4 結(jié)論

1) 以4MZ-3指刷式采棉機(jī)液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為研究對(duì)象，介紹了采棉機(jī)的結(jié)構(gòu)與工作原理，分析了液壓系統(tǒng)的組成及各個(gè)功能的控制原理，提出了整機(jī)的液壓系統(tǒng)配置方案,并對(duì)液壓元件的選型、液壓系統(tǒng)主要參數(shù)的確定等方面進(jìn)行了研究。液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)工作壓力為18MPa，輸出流量應(yīng)大于141.2L/min。

2) 選用三菱FX2N-64MR可編程控制器對(duì)采棉機(jī)進(jìn)行控制，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試與應(yīng)用，該控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)采棉機(jī)的各種功能，實(shí)現(xiàn)了采摘臺(tái)自動(dòng)仿形及關(guān)鍵工作部件故障報(bào)警功能，達(dá)到了預(yù)定的控制要求。

3)田間試驗(yàn)結(jié)果表明：4MZ-3指刷式采棉機(jī)采凈率為96.84%，撞落棉損失率1.86%，含雜率6.52%，主要性能指標(biāo)達(dá)到國家采棉機(jī)作業(yè)性能指標(biāo)要求。該液壓控制系統(tǒng)運(yùn)行可靠、實(shí)用性強(qiáng)、穩(wěn)定性好，能夠很好滿足棉花收獲的要求，對(duì)采棉機(jī)液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和配置具有參考價(jià)值。