齒盤式多行拔棉稈裝置拔稈過程分析與參數(shù)優(yōu)化

陳明江 趙維松 王振偉 劉凱凱 陳永生 胡志超

(1.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機械化研究所， 南京 210014； 2.濱州市農(nóng)業(yè)機械化科學(xué)研究所， 濱州 256601)

0 引言

中國棉稈年產(chǎn)量約3.15×107t，資源量十分豐富，可用作造紙原料、飼料及燃料等，是一種重要的可再生生物質(zhì)資源[1-4]。由于棉稈收獲技術(shù)較為落后，缺乏成熟棉稈收獲裝備，中國棉稈資源化利用率極低，以新疆為例，其棉稈利用量不足總產(chǎn)量的1/10，還存在巨大開發(fā)價值[5]。棉稈起拔是棉稈收獲的首道工序和關(guān)鍵技術(shù)，因此，為提高棉稈資源化利用率，突破棉稈起拔技術(shù)瓶頸，亟需開展棉稈拔稈技術(shù)和裝備研究。

拔棉稈裝置是棉稈收獲機械的核心部件，對整機作業(yè)性能影響顯著。國內(nèi)外學(xué)者在棉稈起拔特性和拔棉稈機構(gòu)設(shè)計等方面已取得一定研究成果。在棉稈力學(xué)特性方面，李玉道和杜現(xiàn)軍等[6-7]研究了不同時間和不同含水率對棉稈剪切力學(xué)性能的影響，結(jié)果表明棉稈含水率在30%～50%時易切割，12月中下旬為棉稈最佳收獲時間。陳明江等[8-9]研究了較長跨度內(nèi)棉稈力學(xué)特性變化規(guī)律，并得出棉稈最大拉伸破壞載荷為4 245.1 N。文獻[10-12]研究表明一定范圍內(nèi)棉稈被拔起越高所需拉拔力越大。何學(xué)迎[13]設(shè)計了不同拉拔式拔棉稈裝置，并開展了拉拔力的研究。在拔棉稈機構(gòu)方面，文獻[14-16]研究了對輥式拔稈機構(gòu)拔稈輥傾角和轉(zhuǎn)速對拔稈效果的影響。王小瑜等[17]對齒盤式拔棉稈機進行了仿真分析，模擬了齒盤水平時單點運動軌跡，但未對齒盤傾斜時運動規(guī)律進行研究。文獻[18-19]設(shè)計了不對行棉稈拔取收獲整機，并對棉稈粉碎及泥土分離等裝置進行了研究。馬繼春等[20]對齒盤式拔棉稈機構(gòu)進行了運動分析，闡述了不同速比時棉稈夾持點的運動特征。綜上可知，目前研究方向多集中于棉稈物理特性、棉稈起拔力和棉稈收獲整機設(shè)計等方面，但在齒盤式拔棉稈運動過程和拔稈機理方面缺乏理論分析，齒盤前進速度和轉(zhuǎn)速等參數(shù)對拔棉稈效果影響規(guī)律不明晰，有待深入研究。

現(xiàn)有齒盤式拔棉稈機多為機械傳動，速比(齒盤圓周線速度與拖拉機前進速度之比)無法調(diào)節(jié)。為探明速比對拔棉稈效果影響規(guī)律，采用電液控制技術(shù)設(shè)計齒盤式多行拔棉稈裝置試驗臺架，對齒盤式拔棉稈裝置進行運動過程和拔稈機理分析，并對該臺架關(guān)鍵機構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計。在理論和仿真基礎(chǔ)上進行田間試驗，基于調(diào)速比和調(diào)轉(zhuǎn)速2種模式研究齒盤速比、齒盤圓周線速度、拖拉機前進速度對拔稈效果的影響，為優(yōu)化拔棉稈機結(jié)構(gòu)與性能提供理論基礎(chǔ)。

1 齒盤式拔棉稈裝置結(jié)構(gòu)與工作原理

傳統(tǒng)齒盤式拔棉稈機采用地輪驅(qū)動，依靠地輪與地面摩擦實現(xiàn)動力傳遞，在高速作業(yè)時，地輪打滑和傳動不穩(wěn)定導(dǎo)致拔稈效果變差、拔凈率顯著降低。傳統(tǒng)齒盤式拔棉稈機地輪與齒盤的傳動比為定值，機構(gòu)工作參數(shù)無法根據(jù)棉稈收獲時期的變化做出相應(yīng)的調(diào)整，極大限制了拔稈機械的適用范圍。

本文設(shè)計的齒盤式多行拔棉稈裝置主要由平行四邊形掛接機構(gòu)、機架、液壓馬達及轉(zhuǎn)速傳感器、扶稈器、齒盤、折疊機構(gòu)等部件組成，如圖1所示。側(cè)邊機架在運輸時可實現(xiàn)折疊，組裝和拆卸較為方便，能夠?qū)崿F(xiàn)兩行或四行作業(yè)，相鄰齒盤間距可調(diào)，能滿足不同行距棉稈收獲要求。采用電液控制技術(shù)能夠?qū)γ總€齒盤實現(xiàn)單獨控制，齒盤旋向、轉(zhuǎn)速可調(diào)。

工作原理：工作時，拔稈齒盤在液壓馬達驅(qū)動下以一定速度旋轉(zhuǎn)，拖拉機向前行駛將棉稈喂入齒盤上的V型齒槽，在齒盤平動及轉(zhuǎn)動共同作用下將棉稈從土壤中拔出。

2 關(guān)鍵部件及液壓傳動系統(tǒng)設(shè)計

2.1 齒盤式多行拔棉稈臺架整體設(shè)計

圖2 齒盤式多行拔棉稈臺架Fig.2 Dentate disc multi-row cotton-stalk uprooting bench1.散熱風(fēng)扇 2.液壓油箱 3.負載敏感泵 4.液壓油管 5.車速傳感器 6.拔棉稈裝置 7.顯示器 8.測壓閥塊 9.電液比例閥

圖3 電液控制系統(tǒng)原理圖Fig.3 Diagram of electro-hydraulic control system

齒盤式多行拔棉稈臺架整體結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由負載敏感泵、電液比例閥、顯示器、車速傳感器、拔棉稈裝置、拖拉機等部分組成，齒盤轉(zhuǎn)速和速比可控、可調(diào)，并通過傳感器對齒盤轉(zhuǎn)速、扭矩等關(guān)鍵運行參數(shù)進行監(jiān)控和實時記錄，便于后續(xù)數(shù)據(jù)挖掘與分析。

拔棉稈裝置通過平行四邊形機構(gòu)懸掛在拖拉機前端，拖拉機后動力輸出軸通過聯(lián)軸器連接負載敏感泵為拔稈齒盤提供動力，每個拔稈齒盤均由液壓馬達獨立驅(qū)動。齒盤式多行拔棉稈裝置臺架幅寬為2 400 mm，可以2行或4行同時作業(yè)，齒盤間距可調(diào)，棉稈行距大于500 mm情況下均可作業(yè)，能夠適應(yīng)大部分棉花種植模式。主要技術(shù)參數(shù)為作業(yè)速度不小于2 km/h，作業(yè)行數(shù)為4行，棉稈拔凈率不小于90%[21]。

2.2 液壓傳動系統(tǒng)設(shè)計

為實現(xiàn)作業(yè)時速比可調(diào)，齒盤式多行拔棉稈臺架采用電液控制，如圖3所示。拖拉機動力輸出裝置(Power-take-off，PTO)驅(qū)動負載敏感泵工作，負載敏感泵驅(qū)動液壓油依次經(jīng)過電液比例閥、測壓閥塊至液壓馬達，馬達驅(qū)動拔稈齒盤旋轉(zhuǎn)，拖拉機向前行駛實現(xiàn)拔棉稈作業(yè)功能。轉(zhuǎn)速傳感器可將齒盤轉(zhuǎn)速信號傳輸給控制器，控制系統(tǒng)CPU結(jié)合拖拉機行駛速度信號并根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定將控制信號反饋給電液比例閥，電液比例閥系統(tǒng)依據(jù)信號控制馬達轉(zhuǎn)速。

根據(jù)圖3電液控制原理，選定丹佛斯JR-L系列負載敏感泵、PVG16-4型電液比例閥、OMP系列液壓馬達及轉(zhuǎn)速傳感器、HFBG-NN-0101型測壓閥塊、MC024-110型控制器、DP570型顯示器。依據(jù)拔稈扭矩確定液壓馬達等模塊數(shù)值范圍。

根據(jù)文獻[9]棉稈拉拔阻力的研究結(jié)果，單個齒盤拔稈扭矩為

M=NL

(1)

式中M——單個齒盤拔稈扭矩，N·m

N——單株棉稈拉拔阻力，平均值取500 N，最大值取1 000 N

L——拔稈力臂長度，取0.25 m

計算得出單個齒盤拔稈扭矩平均值125 N·m，最大值250 N·m，考慮20%儲備扭矩，單個齒盤最大扭矩為300 N·m。齒盤圓周線速度范圍為0～6 m/s時，轉(zhuǎn)速理論值為0～229 r/min。根據(jù)以上計算結(jié)果，選取OMP 200型液壓馬達和JR-L-S75C-LS型負載敏感泵，主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 負載敏感泵及液壓馬達技術(shù)參數(shù)Tab.1 Technical parameters of load-sensing pump and hydraulic motor

圖4 液壓系統(tǒng)工作流程圖Fig.4 Flow chart of hydraulic system

為便于開展系統(tǒng)研究，該裝置設(shè)計有2種工作模式：模式1為調(diào)速比模式，模式2為調(diào)轉(zhuǎn)速模式。模式1工況下速比可調(diào)，速比設(shè)定后，無論拖拉機前進速度或齒盤轉(zhuǎn)速如何變化，齒盤圓周線速度與拖拉機前進速度之比保持恒定；模式2工況下僅齒盤轉(zhuǎn)速可調(diào)，齒盤轉(zhuǎn)速設(shè)定后，無論拖拉機前進速度如何變化，齒盤轉(zhuǎn)速保持恒定。速比及齒盤轉(zhuǎn)速可通過顯示器設(shè)置和查看。液壓系統(tǒng)工作流程如圖4所示：通電后，首先通過顯示器選擇工作模式，模式1時讀取拖拉機前進速度，根據(jù)設(shè)定的速比計算出理論齒盤轉(zhuǎn)速，系統(tǒng)讀取齒盤實際轉(zhuǎn)速后對理論轉(zhuǎn)速和實際轉(zhuǎn)速進行比較并補償修正，然后將信號輸出給電液比例閥驅(qū)動馬達旋轉(zhuǎn)。模式2時系統(tǒng)讀取齒盤設(shè)定轉(zhuǎn)速和實際轉(zhuǎn)速，進行比較和補償后將信號輸出給電液比例閥，進而在馬達驅(qū)動下控制齒盤以設(shè)定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。

2.3 齒盤及退稈機構(gòu)設(shè)計

齒盤是夾持、拔取棉稈的重要部件，其主要參數(shù)有齒盤直徑、齒型及齒角。齒盤直徑不僅影響其結(jié)構(gòu)強度，而且影響棉稈起拔行程的長短。齒型設(shè)計為V型齒槽，V型齒槽對棉稈直徑粗細適應(yīng)性強、拔稈效果好。山東地區(qū)棉花種植模式主要有760 mm等行距種植和寬窄行種植，窄行行距一般為500～600 mm，考慮試驗臺架通用性，設(shè)計齒盤半徑r為250 mm[22]。齒盤太薄強度不足，太厚增加能耗和成本，設(shè)計齒盤厚度為5 mm。棉稈直徑(根部)在12～15 mm之間居多，部分在15～25 mm，根莖越細越容易漏拔和拔斷，越粗拔凈率越高。根據(jù)圖5幾何關(guān)系可知，V型齒槽能夠夾持棉稈時需滿足

圖5 齒盤及退稈機構(gòu)示意圖Fig.5 Sketch of dentate disc and stalk removal mechanism

(2)

lQF≥dmax

(3)

(4)

式中l(wèi)EG——齒寬，mm

dmax——棉稈根部直徑，取25 mm

lQF——齒深，mm

α——齒角，(°)

齒寬大適宜粗棉稈的起拔，但齒寬大則齒數(shù)少，易導(dǎo)致漏拔。根據(jù)式(2)～(4)，取齒寬lEG為35 mm，齒角過小容易將棉稈剪斷，過大會影響夾持效果[23]，綜合考慮取齒角為35°，計算得齒深lQF為35 mm，大于棉稈最大直徑，如圖5所示，該齒盤能夠滿足不同根徑棉稈的起拔。

棉稈被拔出后，因離心力作用自行脫離齒盤，部分不能自行脫離的棉稈在齒盤帶動下繼續(xù)旋轉(zhuǎn)。根據(jù)棉稈被拔出時運動特點設(shè)計了退稈機構(gòu)，如圖5所示。四邊形ABCD區(qū)域為退稈區(qū)，未自行脫離的棉稈在此區(qū)域內(nèi)受沿光滑退稈板圓弧CD段作用逐步脫離齒盤。取弧CD所在半徑r1為245 mm，由齒根到齒頂跨度4個齒。退稈機構(gòu)還具有扶稈作用，使得棉稈拔出后依次鋪放在齒盤側(cè)邊。

2.4 齒盤傾角調(diào)節(jié)機構(gòu)設(shè)計

平行四邊形掛接機構(gòu)主要由掛接板、可調(diào)上拉桿、下拉桿、頂升油缸等組成，如圖6所示。平行四邊形掛接機構(gòu)將拔棉稈裝置與拖拉機相連接，還可調(diào)節(jié)拔棉稈裝置的離地高度、齒盤傾角等。齒盤與地面的傾角通過可調(diào)上拉桿調(diào)節(jié)，當(dāng)其長度大于下拉桿長度時，齒盤形成向下的傾角，最大可調(diào)節(jié)傾角為20°。

圖6 齒盤傾角調(diào)節(jié)機構(gòu)三維圖Fig.6 3D diagrams of dentate disc inclination adjustment mechanism1.掛接板 2.可調(diào)上拉桿 3.頂升油缸 4.下拉桿

3 拔棉稈運動過程及機理分析

3.1 拔棉稈運動過程分析

以齒盤正前方沿x軸正向重合處棉稈為研究對象，從棉稈接觸齒盤到被拔起為一個完整拔稈周期，包含夾持、起拔、輸送和退稈4個階段，如圖7a所示。

夾持階段，棉稈進入齒盤V型齒槽并逐漸被齒槽夾緊，齒盤V型齒槽側(cè)刃(接觸點a和點b)逐漸形成對棉稈的推力Fa和Fb。起拔階段，棉稈主要受齒盤推力F0(Fa和Fb的合力)和摩擦力F，齒盤對棉稈所有作用力的合力F1為棉稈的拉拔力。夾持階段的棉稈可視為懸臂梁，齒盤對棉稈拉拔力大小和方向隨棉稈位置變化呈動態(tài)變化。棉稈被拔起瞬間視為懸臂梁固定端約束被破壞，棉稈脫離土壤約束進入輸送階段。輸送階段推力Fa和Fb變小，無固定約束的棉稈在慣性作用下逐漸脫離齒盤，推力F0消失；若棉稈不能自行脫離齒盤，則棉稈和退稈機構(gòu)接觸，棉稈在一側(cè)刃推力Fa和退稈機構(gòu)推力Fc作用下沿退稈機構(gòu)滑脫；拉拔力F1消失時表明棉稈脫離齒盤，一個拔稈周期結(jié)束，該V型齒槽進入空行程階段直至再次夾持棉稈。

棉稈被拔起瞬間受力情況如圖7b所示，此時有

F0=Fa+Fb

(5)

F1=F0+F

(6)

圖7 棉稈運動過程和受力分析簡圖Fig.7 Brief diagrams of cotton-stalk movement and force analysis

(7)

式中F——齒盤對棉稈的摩擦力，N

N——土壤對棉稈的阻力，N

棉稈退稈前運動軌跡與齒盤對應(yīng)夾持點運動軌跡重合，推力F0方向為軌跡曲線法線方向，摩擦力F方向為棉稈與齒盤相對運動趨勢反方向，拉拔力F1方向過棉稈軸線斜向上，大小不斷變化。拉拔力最大值影響棉稈起拔結(jié)果，棉稈被拔起瞬間拉拔力F1等于土壤對棉稈阻力N，當(dāng)拉拔力F1小于土壤阻力N時，棉稈不能被拔起。因棉稈重力遠小于土壤對棉稈的阻力，拔棉稈的實質(zhì)為拉拔力F1克服土壤對棉稈根系阻力N對棉稈做功的過程。且棉稈能否被拔起還與拉拔力作用時間長短有關(guān)，棉稈被拔起的必要條件為：棉稈受齒盤拉拔力作用使得棉稈主根系向上產(chǎn)生位移，且該距離不小于棉稈主根系距離地面的深度，齒盤對棉稈所作有效功應(yīng)不小于棉稈被拔起所需的最小能量，即

(8)

式中W——棉稈被拔起所需要的功，N·m

h——棉稈起拔完成后主根系位移，m

t0——棉稈起拔開始時間，s

t1——棉稈起拔完成時間，s

ω——齒盤旋轉(zhuǎn)角速度，rad/s

t——運動時間，s

r——齒盤半徑，m

m——棉稈質(zhì)量

由式(8)可知，棉稈被拔起時不僅要求拉拔力不小于土壤阻力，最大拉拔力還需持續(xù)作用一定時間，使得棉稈主根系產(chǎn)生足夠位移方可將棉稈拔起。

綜上可知，棉稈被順利拔除的條件是棉稈拉拔力大小、方向及起拔時間合適。拉拔力由齒盤運動產(chǎn)生，齒盤結(jié)構(gòu)和運動參數(shù)是影響拉拔力和拉拔時間的關(guān)鍵因素。因此，為提高棉稈拔凈率，優(yōu)化拔稈部件極為關(guān)鍵。

3.2 拔棉稈機理分析

棉稈起拔結(jié)果存在拔起、漏拔和拔斷3種情況，主要工作部件齒盤的結(jié)構(gòu)參數(shù)及運動參數(shù)是影響拔稈效果的直接因素。速比決定了棉稈的運動軌跡及起拔時間。以齒盤V型齒槽上H點為研究對象，從H點接觸棉稈至脫離棉稈過程的運動軌跡如圖8所示，P點為極大值點，在P點之前棉稈沿y軸正向運動，到達極值點P后運動方向發(fā)生改變，向y軸反方向移動。P點出現(xiàn)之前齒盤夾持棉稈呈向前推拉運動趨勢，超過P點棉稈開始脫離齒盤，因此棉稈起拔過程主要發(fā)生在轉(zhuǎn)折點P之前，應(yīng)對PH段棉稈運動規(guī)律進一步探討。

圖8 齒盤運動分析簡圖Fig.8 Motion analysis sketch of dentate disc

由運動學(xué)分析[24]可得H點的絕對速度、齒盤圓周線速度及H點沿x、y方向的位移、絕對速度

(9)

VH=2πnr

(10)

X=rcos(ωt)+Vmt

(11)

Y=rsin(ωt)

(12)

Vx=Vm-rωsin(ωt)

(13)

Vy=rωcos(ωt)

(14)

式中V——H點絕對速度，m/s

Vm——拖拉機前進速度，m/s

VH——H點圓周線速度，m/s

n——齒盤轉(zhuǎn)速，r/s

X——H點沿x方向位移，m

Y——H點沿y方向位移，m

Vx——H點沿x方向絕對速度，m/s

Vy——H點沿y方向絕對速度，m/s

由式(9)～(14)可知，當(dāng)拖拉機前進速度Vm一定時，齒盤轉(zhuǎn)速n增大，齒盤圓周線速度VH隨之增大，H點在y方向上分速度Vy增加。棉稈起拔成功為棉稈主根系完全脫離土壤，該過程的完成需要一段時間，起拔時間過短不能完全拔出棉稈，因此，起拔速度不宜過快[25]。Vy增大時，齒盤對棉稈的起拔和輸送速度較快，棉稈起拔作用時間短，有助于提高拔稈效率，單位時間內(nèi)夾持更多棉稈可減少漏拔現(xiàn)象，反之則造成棉稈漏拔；當(dāng)齒盤轉(zhuǎn)速n過大時，棉稈在y方向達到最大位移所需時間遠小于棉稈完全起拔所需最短時間，導(dǎo)致棉稈尚未拔起就已斷裂。

速比λ=VH/Vm，可知齒盤的運動軌跡由速比λ決定；棉稈的運動軌跡復(fù)雜且不規(guī)則，但速比一定時齒盤運動是確定的，運用ADAMS軟件對拔棉稈裝置單個齒盤進行運動仿真，從速比角度分析棉稈拔起、漏拔和拔斷現(xiàn)象的形成機理。齒盤與地面水平時，不同速比λ條件下H點運動軌跡如圖9所示。

圖9 不同速比時齒盤H點運動軌跡Fig.9 Locus motion of point H at different speed ratios

由圖9可知，不同速比條件下H點軌跡均為余擺線。當(dāng)拖拉機速度一定時，隨著速比λ的增大，在x方向上，H點行程由長變短；在y方向峰值出現(xiàn)前的曲線斜率不斷增大，表明棉稈拔稈周期變短。λ<1時，棉稈起拔趨勢較為顯著，此時棉稈易被拔出但退稈較慢，退稈速度過慢易導(dǎo)致棉稈擁堵。λ≥1時，棉稈退稈趨勢較為顯著，棉稈與齒盤短暫接觸后即被推送至退稈區(qū)域，有利于退稈，但齒盤轉(zhuǎn)速過高產(chǎn)生棉稈起拔時間過短和動載荷較大易加劇棉稈斷裂。

文獻[25]表明起拔角度θ也是影響拔棉稈效果的因素之一，利用ADAMS軟件進行齒盤拔稈多工況作業(yè)仿真分析，得到起拔傾角θ(齒盤與地表平面夾角)為0°、6°、12°，速比λ為0.5、1.0、1.5時齒盤H點運動軌跡曲線，如圖10所示。

圖10 齒盤多工況運動軌跡曲線Fig.10 Motion curves of dentate disc under multiple conditions

由圖10可以看出，齒盤起拔傾角θ為0°時，H點運動軌跡為平面曲線，齒盤起拔傾角θ為6°和12°時，其運動軌跡為空間曲線，棉稈在平面擺線運動基礎(chǔ)上有向上提拔運動趨勢，且傾角越大向上位移越大，此時棉稈呈斜向上絕對運動趨勢，因此，齒盤向前傾斜一定角度較齒盤平行地面時更有利于將棉稈拔出，且在一定范圍內(nèi)，齒盤傾斜角度越大，棉稈被斜向上提拉趨勢越明顯。

綜上可知，棉稈順利拔出包含夾持、起拔、輸送和退稈4個階段，速比大小決定拔稈周期長短，速比大則拔稈周期短，速比小則拔稈周期長；齒盤對棉稈的拉拔力沿一定角度作用一段時間后將棉稈拔出，起拔時間過短易造成漏拔或拔斷，齒盤轉(zhuǎn)速過高易導(dǎo)致棉稈斷裂。棉稈呈斜向上運動為最優(yōu)起拔姿勢，齒盤傾斜起拔效果優(yōu)于水平起拔效果。

4 田間試驗

4.1 試驗材料與設(shè)備

試驗地點為山東省濱州市無棣縣棉花新品種K836輕簡化豐產(chǎn)栽培示范基地，試驗時間為2018年3月23—27日，天氣晴。距地表8 cm處土壤硬度為31.2 kg/cm2，10 cm處硬度為38.67 kg/cm2，12 cm處硬度為41.1 kg/cm2。棉花株高(地上部位)約1 040 mm，根部直徑約13 mm，株距約300 mm、行距為760 mm，長勢良好。牽引拖拉機為福田雷沃歐豹FT620，發(fā)動機功率60.3 kW，試驗現(xiàn)場如圖11所示。

圖11 試驗現(xiàn)場圖Fig.11 Picture of test site

4.2 試驗方法

基于齒盤拔棉稈運動過程和拔棉稈機理分析可知，需通過田間試驗進一步確定速比、齒盤圓周線速度和拖拉機前進速度對拔棉稈效果的影響及最佳水平組合。

試驗參考GB/T 8097—2008《收獲機械 聯(lián)合收割機試驗方法》及DB37/T 1856—2011《齒盤式拔棉稈機通用技術(shù)條件》開展。試驗前根據(jù)棉花種植行距，調(diào)整齒盤間距為760 mm；齒盤為平面齒盤，考慮齒盤傾斜時V型齒槽形態(tài)變化對棉稈夾持效果的影響，結(jié)合上文仿真分析結(jié)果，齒盤傾角選取中間水平6°，并通過調(diào)節(jié)上拉桿使齒盤與地面夾角呈6°；記錄每行有效棉稈總數(shù)。為保證拖拉機穩(wěn)定運行、減小誤差，拖拉機進入棉稈區(qū)之前有20 m穩(wěn)定區(qū)用來調(diào)節(jié)拖拉機工況，使其達到試驗設(shè)計參數(shù)并穩(wěn)定運行后記錄數(shù)據(jù)。測試區(qū)長度為30 m，記錄棉稈漏拔數(shù)和拔斷數(shù)，每組試驗重復(fù)3次。

以速比和齒盤圓周線速度為影響因素，棉稈拔斷率、漏拔率和拔凈率為考核指標(biāo)，先開展單因素試驗。在單因素研究基礎(chǔ)上，引入影響因素——拖拉機前進速度，探究拖拉機前進速度對拔棉稈效果的影響，開展速比和拖拉機前進速度多因素試驗。

4.3 評價指標(biāo)

取棉稈拔凈率為主要考核指標(biāo)，漏拔率和拔斷率為輔助考核指標(biāo)，計算公式為

(15)

(16)

S=1-S1-S2

(17)

式中Md——棉稈拔斷數(shù)

Ml——棉稈漏拔數(shù)

Mz——棉稈總數(shù)S1——棉稈漏拔率

S2——棉稈拔斷率S——棉稈拔凈率

5 試驗結(jié)果與分析

5.1 單因素試驗

(1)速比對拔棉稈效果的影響

文獻[20]對0.5～3內(nèi)6個水平(0.5、0.8、1、1.5、2、3)條件下棉稈夾持點軌跡進行了理論分析，表明λ為1時是軌跡形狀變化轉(zhuǎn)折點，λ>1時為余擺線，λ<1時為短擺線，經(jīng)市場調(diào)研發(fā)現(xiàn)目前常用齒盤式拔棉稈機速比λ多為0.5，依此選取速比λ分別為0.40、0.50、0.60、0.75、1.00和1.25作為單因素試驗水平。試驗在調(diào)速比模式下進行，該模式下系統(tǒng)可根據(jù)實時反饋回來的拖拉機前進速度調(diào)整齒盤轉(zhuǎn)速，保證試驗在設(shè)定的速比下開展。PTO轉(zhuǎn)速為1 000 r/min，每次試驗重復(fù)3次。

用F檢驗在顯著性水平α=0.05條件下對速比因素進行檢驗，由SPSS 22.0軟件計算得出方差分析結(jié)果如表3所示。從表3可知，漏拔率F=488.82，拔斷率F=618.741，P值均小于0.01，表明速比對棉稈漏拔率和拔斷率具有極顯著影響。

表3 速比單因素試驗方差分析Tab.3 Variance analysis of speed ratio test

注：** 表示影響極顯著(P<0.01)。下同。

如圖12所示，隨著速比的增加，棉稈拔凈率呈先增后減趨勢。速比為0.40、0.50、0.60和0.75時，拔斷率小于10%，在速比為1時拔斷率突增，達到最高值21.04%，考慮原因為該速比下棉稈運動至軌跡中P點時，如圖10所示，棉稈因突然變向受到較大剪切和彎矩作用被切斷。當(dāng)速比達到1.25時，拔斷率突然降低至8%以下，漏拔率突增，超過25%，速比較大時齒盤轉(zhuǎn)動趨勢大于前進趨勢，此時棉稈剛被夾持即發(fā)生較大轉(zhuǎn)動，夾持效果差，因此造成漏拔率增加。從拔凈率上看，速比從0.40至0.75過程中拔凈率呈遞增趨勢，大于80%；在速比為0.75時，拔凈率最高，為94.75%；速比大于1時拔凈率小于75%。

圖12 速比對拔棉稈效果的影響Fig.12 Effect of speed ratio on cotton-stalk uprooting

綜上可知，在拖拉機平均前進速度約0.85 m/s條件下，速比小于1時漏拔率變化范圍不大，均小于10%，棉稈拔斷率在小范圍內(nèi)波動變化，拔凈率呈遞增趨勢；速比為1和1.25時因拔斷率和漏拔率突增導(dǎo)致拔凈率較低，拔稈效果差；速比較適宜范圍為0.5～0.8，此時拔凈率大于90%，滿足設(shè)計要求。

(2)齒盤圓周線速度對拔棉稈效果的影響

齒盤圓周線速度與齒盤轉(zhuǎn)速及齒盤直徑成正比，當(dāng)速比一定時，齒盤轉(zhuǎn)速與拖拉機前進速度成正比。拔棉稈機實際工作時速比為定值，拖拉機前進速度是變量，因此，在同一速比條件下，齒盤圓周線速度隨拖拉機前進速度變化而變化。考慮齒盤高轉(zhuǎn)速運動時切割特性明顯[26-28]，有必要研究齒盤圓周線速度對拔棉稈效果的影響。

以速比λ為0.5及拖拉機中等前進速度為基準(zhǔn)，結(jié)合前期試驗基礎(chǔ)，選取齒盤圓周線速度分別為0.24、0.48、0.72、0.96、1.20 m/s，齒盤圓周線速度大小通過齒盤轉(zhuǎn)速控制。試驗在調(diào)轉(zhuǎn)速模式下進行，該模式下齒盤轉(zhuǎn)速不受拖拉機前進速度影響，拖拉機前進速度工作范圍為0.5～1.8 m/s，每次試驗重復(fù)3次，取平均值，試驗結(jié)果如圖13所示。由SPSS 22.0軟件對試驗結(jié)果進行方差分析可知，齒盤圓周線速度影響棉稈漏拔率、拔斷率和拔凈率F值分別為17.527、54.577和40.998，P值均小于0.01，表明齒盤圓周線速度對棉稈漏拔率、拔斷率和拔凈率均具有極顯著影響。由圖13可以看出，在齒盤圓周線速度為0.24 m/s時，棉稈拔凈率最高，棉稈拔斷率和漏拔率最低；隨著齒盤圓周線速度增加，棉稈拔凈率呈先降低后增加再降低趨勢，棉稈漏拔率及拔斷率同樣呈波動式變化規(guī)律。產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因是當(dāng)齒盤圓周線速度為0.24 m/s時，齒盤轉(zhuǎn)速較低，相比較而言，拖拉機前進速度較快，已拔出棉稈未能及時脫離齒盤造成大量棉稈堵塞，多數(shù)棉稈為非正常拔除，如圖14所示，大量堆積的棉稈在齒盤推動下將后續(xù)棉稈“掛扯”帶出土壤，此現(xiàn)象與上述運動學(xué)理論分析結(jié)果一致。該工況下棉稈拔凈率很高，但因齒盤堵塞導(dǎo)致拖拉機不能長時間工作，屬非正常工況。當(dāng)齒盤圓周線速度大于等于0.24 m/s時，拖拉機未出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象，屬于正常工況，且隨線速度的增加棉稈拔凈率呈先增后減趨勢，棉稈漏拔率和拔斷率呈先減后增趨勢。齒盤圓周線速度為0.96 m/s時，棉稈拔凈率最高。

圖13 齒盤圓周線速度對拔棉稈效果影響Fig.13 Effect of dentate disc circumference speed on cotton-stalk uprooting

圖14 棉稈堵塞實況圖Fig.14 Cotton-stalk clogged

5.2 多因素試驗

為了研究速比和拖拉機前進速度對拔棉稈效果的影響規(guī)律，以速比和拖拉機前進速度為影響因子開展了多因素試驗。齒盤傾角固定在中間水平6°，速比λ分別取0.50、0.60、0.75和1.00，拖拉機前進速度分別取拖拉機的2擋(平均速度約0.85 m/s)、3擋(平均速度約1.20 m/s)和4擋(平均速度約1.60 m/s)，PTO轉(zhuǎn)速固定在1 000 r/min，每組試驗重復(fù)3次，試驗方案和結(jié)果如表4所示，由SPSS 22.0軟件計算得出方差分析結(jié)果，如表5所示。

由表4可以看出，當(dāng)速比為0.60和0.75時，棉稈拔凈率平均值較高，分別為91.97%和89.06%。拖拉機前進速度為0.85 m/s，速比為0.75時，棉稈拔凈率最高，為93.89%，拔斷率4.43%，漏拔率1.68%。由表5方差分析結(jié)果可以看出，速比對各考核指標(biāo)的影響主次順序為：拔凈率、拔斷率、漏拔率，速比對拔凈率影響F值最大，為68.12，表明速比是造成棉稈拔斷的最主要影響因素。拖拉機前進速度對拔斷率和漏拔率影響P值均小于0.01，具有極顯著影響，對拔凈率影響P值為0.019，小于0.05，表明拖拉機前進速度對棉稈拔凈率具有顯著影響。拖拉機前進速度對各考核指標(biāo)的影響主次順序為：漏拔率、拔斷率、拔凈率，說明影響棉稈漏拔的主要因素是拖拉機的前進速度，速比對棉稈拔凈率的影響大于拖拉機前進速度的影響。速比和前進速度兩個因子之間對考核指標(biāo)具有交互作用，其影響P值均小于0.01，具有極顯著影響。

表4 速比和前進速度對棉稈拔除效果影響的試驗結(jié)果Tab.4 Effect of speed ratio and tractor forward speed on cotton-stalk uprooting

注：括號內(nèi)數(shù)值為標(biāo)準(zhǔn)差。

表5 多因素試驗方差分析Tab.5 Variance analysis of multivariate test

注：a表示R2=0.939(調(diào)整后R2=0.911)；b表示R2=0.907(調(diào)整后R2=0.865)；c表示R2=0.955(調(diào)整后R2=0.934)。*表示影響顯著(P<0.05)。

圖15 多因素對拔稈效果影響的等高線圖Fig.15 Contour plots of influence of multiple factors on cotton-stalk uprooting

為進一步分析速比和拖拉機前進速度交互作用對棉稈拔斷率、漏拔率和拔凈率的影響規(guī)律，根據(jù)多因素試驗結(jié)果，利用Origin 9.0軟件繪制了等高線圖，如圖15所示。由圖15a可以看出，棉稈拔斷率最大值出現(xiàn)在小速比、高前進速度和大速比、低前進速度條件下，曲線a和曲線b之間的區(qū)域棉稈拔斷率均較低，拖拉機高擋位作業(yè)時可通過提高速比將棉稈拔斷率控制在較小范圍內(nèi)。

由圖15b可以看出，在(x,y)為(0.5±0.05,1.2±0.1)和(0.8±0.05,1.6±0.1)兩處區(qū)域棉稈漏拔率最大，曲線c和曲線d之間區(qū)域棉稈漏拔率較低。表明當(dāng)速比較小(λ<0.55)或較大(λ>0.8)時，拖拉機前進速度較大容易導(dǎo)致棉稈漏拔率增加，速比增大時可適當(dāng)降低拖拉機前進速度以保證較低的棉稈漏拔率。

由圖15c可以看出，棉稈拔凈率最大值出現(xiàn)在曲線e和曲線f之間的紅色區(qū)域內(nèi)。綜上可得：速比λ在0.65～0.80時能夠獲得較高拔凈率，且λ為0.70時能夠滿足不同前進速度作業(yè)要求；速比λ為0.65～0.70，拖拉機前進速度較大時，棉稈拔凈率較高；速比λ為0.70～0.80，拖拉機前進速度較慢時，棉稈拔凈率較高。

6 結(jié)論

(1)設(shè)計了適應(yīng)于多種棉花種植行距的齒盤式多行拔棉稈裝置，整機采用電液控制，具有調(diào)速比和調(diào)轉(zhuǎn)速2種工作模式，能夠?qū)崿F(xiàn)棉稈收獲行距可調(diào)、齒盤傾斜角度可調(diào)。

(2)開展了齒盤拔稈的過程分析和機理分析，將棉稈拔除周期分為夾持、起拔、輸送和退稈4個工作階段。運用ADAMS運動學(xué)仿真軟件研究不同速比及齒盤傾角對拔稈效果的影響規(guī)律，結(jié)果表明：拖拉機前進速度一定時，齒盤線速度增大有助于提高拔稈效率，減少漏拔；過大易導(dǎo)致棉稈斷裂。速比過小時棉稈退稈速度慢，易導(dǎo)致棉稈擁堵；速比過大時，齒盤夾持棉稈時間遠小于起拔時間，導(dǎo)致棉稈被拔斷，速比是影響拔稈效果的關(guān)鍵因素。棉稈順利拔起時齒盤對棉稈起拔力大小、方向及夾持時間需滿足一定要求。

(3)單因素試驗結(jié)果表明，速比對漏拔率和拔斷率具有極顯著影響，速比最佳范圍為0.55～0.80。齒盤圓周線速度對棉稈拔凈率、漏拔率和拔斷率具有極顯著影響，齒盤圓周線速度小于0.24 m/s時拔凈率較高，但易導(dǎo)致拖拉機堵塞，0.24～1.10 m/s為齒盤圓周線速度適宜范圍，該區(qū)間內(nèi)，棉稈拔凈率呈先增后減變化趨勢。

(4)多因素試驗結(jié)果表明：速比對各考核指標(biāo)的影響主次順序為：拔凈率、拔斷率、漏拔率；前進速度對各考核指標(biāo)的影響主次順序為：漏拔率、拔斷率、拔凈率；最佳組合為：拖拉機前進速度0.85 m/s、速比0.75，此時棉稈拔凈率最高，為93.89%，拔斷率和漏拔率分別為4.43%和1.68%。