夾持輥式棉稈拔取裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

謝建華 吳仕花 曹肆林,3 張 毅 趙維松 周金豹

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院, 烏魯木齊 830052; 2.新疆智能農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 烏魯木齊 830052;3.新疆農(nóng)墾科學(xué)院機(jī)械裝備研究所, 石河子 832000)

0 引言

對(duì)棉稈進(jìn)行整稈收獲可改善由于棉稈粉碎還田造成的土壤環(huán)境問(wèn)題,也是棉稈資源規(guī)模化利用的一種重要方式[1-4]。整稈收獲的棉稈不僅可以增加棉花種植戶收入,還為棉稈的工業(yè)化利用提供了便利,在經(jīng)濟(jì)、能源方面具有多重效益[5-8]。

國(guó)外的棉稈收獲技術(shù)主要以對(duì)行收獲為主,難以適應(yīng)我國(guó)棉花種植行距不統(tǒng)一的復(fù)雜農(nóng)藝要求[9]。國(guó)內(nèi)棉稈收獲機(jī)械根據(jù)收獲原理可以分為鏟切式、齒盤式、帶夾式、齒輥式等幾種類型。賀小偉等[8,10]設(shè)計(jì)的鏟切式棉稈收獲機(jī)收獲棉稈時(shí)需要對(duì)行,鏟切后的棉稈需要推拔輥輔助完成棉稈整稈拔取,作業(yè)過(guò)程繁瑣。陳明江等[11]、張佳喜等[12]設(shè)計(jì)的齒盤式棉稈收獲機(jī)容易將棉稈切斷,而且需要對(duì)行拔取,不適用于新疆地區(qū)寬窄行的棉花種植模式。張佳喜團(tuán)隊(duì)[13-15]設(shè)計(jì)的帶夾式棉稈收獲機(jī)皮帶夾持張緊力不足會(huì)出現(xiàn)棉稈漏拔現(xiàn)象,作業(yè)過(guò)程中容易發(fā)生雍堵,影響作業(yè)效果。唐遵峰等[16]、張愛民等[17]設(shè)計(jì)的齒輥式棉稈收獲機(jī)在作業(yè)時(shí)容易纏繞地膜,機(jī)具拔稈輥容易被卡死,造成機(jī)具性能不穩(wěn)定,能量消耗增加。

為解決棉稈拔斷率、漏拔率高,機(jī)具在作業(yè)過(guò)程中需對(duì)行等問(wèn)題,根據(jù)新疆地區(qū)一膜六行棉花種植模式以及棉稈“矮、密、細(xì)”的特點(diǎn)[18],本文設(shè)計(jì)一種適用于自走式棉稈拔取與殘膜回收聯(lián)合作業(yè)機(jī)的夾持輥式棉稈拔取裝置,制作樣機(jī)并進(jìn)行田間試驗(yàn),驗(yàn)證機(jī)具作業(yè)性能。

1 夾持輥式棉稈拔取裝置結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 裝置結(jié)構(gòu)

夾持輥式棉稈拔取裝置工作部件主要由拔取機(jī)構(gòu)、輸送機(jī)構(gòu)和鏈傳動(dòng)系統(tǒng)組成,棉稈拔取機(jī)構(gòu)具體包括撥稈輪、上拔稈輥、下拔稈輥,輸送機(jī)構(gòu)主要由輸送鏈板、螺旋輸送器等組成,裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 夾持輥式棉稈拔取裝置結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 工作原理

夾持輥式棉稈拔取裝置懸掛在自走式棉稈拔取與殘膜回收聯(lián)合作業(yè)機(jī)前方,動(dòng)力經(jīng)自走式棉稈拔取粉碎與殘膜回收聯(lián)合作業(yè)機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)輸出軸傳遞給撥稈輪,安裝于撥稈輪上的撥稈桿將直立狀態(tài)下的棉稈進(jìn)行撥稈,當(dāng)撥稈輪轉(zhuǎn)動(dòng)到撥稈桿與上拔稈輥凹槽配合的位置時(shí),棉稈被夾持住,撥稈輪與上、下拔稈輥繼續(xù)旋轉(zhuǎn),棉稈在撥稈桿與上、下拔稈輥之間被夾緊并隨著機(jī)具前進(jìn)逐漸被拔出地面。棉稈拔出后經(jīng)棉稈輸送機(jī)構(gòu)喂入后方粉碎裝置進(jìn)行粉碎。

2 主要部件設(shè)計(jì)

2.1 棉稈拔取機(jī)構(gòu)

棉稈拔取機(jī)構(gòu)是夾持輥式棉稈拔取裝置的重要組成之一,作業(yè)性能將會(huì)影響棉稈整稈拔取收獲的效果,其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。棉稈拔取機(jī)構(gòu)主要由撥稈輪、上拔稈輥、下拔稈輥組成,撥稈輪由左右兩支撐板和周向均勻分布的撥稈桿組成。撥稈桿將待作業(yè)的棉稈撥向后方拔稈輥,上拔稈輥上均勻分布有凹槽,可與撥稈桿相互配合將棉稈夾持住,并隨著機(jī)具行走對(duì)棉稈進(jìn)行夾持拔取作業(yè)。

圖2 棉稈拔取機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

2.1.1撥稈過(guò)程分析

棉稈拔取機(jī)構(gòu)在進(jìn)行撥稈作業(yè)時(shí),通過(guò)撥稈輪的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)撥稈桿對(duì)棉稈進(jìn)行撥稈,撥稈輪的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)為機(jī)具的前進(jìn)運(yùn)動(dòng)與撥稈輪自身旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的合成,撥稈桿接觸棉稈時(shí)的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖3所示。

圖3 撥稈輪工作過(guò)程示意圖

以撥稈輪中心軸在地面上的投影點(diǎn)O為坐標(biāo)原點(diǎn),機(jī)具前進(jìn)方向?yàn)閤軸方向,豎直向上方向?yàn)閥軸方向,建立直角坐標(biāo)系,設(shè)當(dāng)撥稈桿隨著撥稈輪旋轉(zhuǎn)開始作業(yè)時(shí),棉稈與撥稈輪的運(yùn)動(dòng)軌跡相切于點(diǎn)P,棉稈在點(diǎn)P的速度v可以分解為一個(gè)水平分速度vx和一個(gè)豎直向下的分速度vy,則撥稈桿在點(diǎn)P接觸棉稈時(shí)的水平與豎直分速度方程為

(1)

式中vm——機(jī)具前進(jìn)速度,m/s

r1——撥稈桿軸心旋轉(zhuǎn)半徑,mm

ω1——撥稈輪勻速轉(zhuǎn)動(dòng)角速度,rad/s

t——撥桿輪勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間,s

設(shè)撥稈桿線速度v1與機(jī)具前進(jìn)速度vm之比為λ,則

(2)

從圖3中可以看到,撥稈桿的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)方向?yàn)檐壽E線的切線方向,當(dāng)λ≤1時(shí)撥稈桿的運(yùn)動(dòng)軌跡為不帶有環(huán)扣的擺線,絕對(duì)運(yùn)動(dòng)速度方向沒有水平向后的分速度,不能完成撥稈作業(yè);當(dāng)λ>1時(shí)撥稈桿的運(yùn)動(dòng)軌跡為余擺線,在余擺線環(huán)扣最長(zhǎng)水平橫弦下方時(shí),撥稈桿具有水平向后的分速度,對(duì)棉稈起到撥稈作用,當(dāng)棉稈撥送到上拔稈輥附近靠近上拔稈輥凹槽時(shí),棉稈在撥稈桿與上拔稈輥之間被夾持住,為后續(xù)進(jìn)行棉稈拔取作業(yè)提供基礎(chǔ)。因此要想撥稈桿能夠順利將棉稈撥向拔稈輥進(jìn)行拔取,撥稈桿的線速度v1與機(jī)具前進(jìn)速度vm之比λ應(yīng)大于1。

撥稈桿豎直插入棉田進(jìn)行撥桿作業(yè)時(shí),其水平方向的分速度為零,即

vx=vm-r1ω1sin(ω1t)=0

(3)

將式(2)代入式(3)有

(4)

從圖3中可以看到

L=H-r1sin(ω1t)

(5)

式中L——棉稈平均高度,mm

H——撥稈輪軸距離地面高度,mm

將式(4)代入式(5)有

(6)

為了使撥稈輪能夠完成撥稈與扶稈功能,撥稈桿在棉稈上的作用位置至關(guān)重要,撥稈桿作用于棉稈位置太低時(shí),會(huì)出現(xiàn)由于夾持點(diǎn)距離棉稈根部過(guò)近,根部還未完全拔出就拔斷現(xiàn)象;撥稈桿作用位置太高時(shí),會(huì)使棉稈漏拔數(shù)量增多,因此,取撥稈桿作用位置在棉稈的2/3處,則

(7)

式中h——棉稈初始夾持點(diǎn)離地高度,mm

將式(6)代入式(7)化簡(jiǎn)可得

(8)

新疆地區(qū)棉田采用“寬窄行”的一膜六行種植模式,且棉稈具有“矮、密、細(xì)”的特點(diǎn),根據(jù)田間實(shí)地調(diào)研,新疆地區(qū)棉稈高度平均值約為800 mm,在距離棉稈根部300 mm處將棉稈拔出作業(yè)效果好,查閱《農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》[19],選擇撥稈速比λ為1.6,將L、h、λ的值代入式(8)計(jì)算得出撥稈桿軸心旋轉(zhuǎn)半徑r1=444 mm。

將式(2)中的v1代入公式

(9)

計(jì)算出撥稈輪轉(zhuǎn)速n1為

(10)

由式(10)可知撥稈輪轉(zhuǎn)速與機(jī)具前進(jìn)速度有關(guān),撥稈輪轉(zhuǎn)速過(guò)快,單位時(shí)間內(nèi)撥向拔稈輥的棉稈數(shù)量過(guò)多,造成棉稈拔取機(jī)構(gòu)雍堵,使棉稈拔取裝置工作效率降低;撥稈輪轉(zhuǎn)速過(guò)慢,撥稈桿的線速度v1與機(jī)具前進(jìn)速度vm之比λ<1,撥稈桿不能將棉稈撥向后方拔稈輥,棉稈漏拔率增加,前期預(yù)試驗(yàn)時(shí)機(jī)具前進(jìn)速度vm為0.40～0.80 m/s,代入式(10)可計(jì)算出撥稈輪轉(zhuǎn)速n1為13.77～27.54 r/min。

2.1.2拔稈過(guò)程分析

棉稈拔取機(jī)構(gòu)工作過(guò)程具體可以分為4個(gè)階段:棉稈喂入階段、棉稈夾持階段、棉稈拔取階段、棉稈輸送階段,具體工作過(guò)程如圖4所示。

圖4 棉稈拔取機(jī)構(gòu)工作過(guò)程示意圖

2.1.2.1棉稈喂入階段

圖4a為棉稈喂入階段,機(jī)具在行走過(guò)程中,棉稈拔取裝置逐漸靠近棉稈,棉稈受到推力F向機(jī)具前進(jìn)方向彎曲,隨著棉稈拔取機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn),棉稈被喂入撥稈桿與上拔稈輥凹槽之間。

2.1.2.2棉稈夾持階段

圖4b為棉稈夾持階段,撥稈輪與上拔稈輥同方向旋轉(zhuǎn),當(dāng)撥稈桿轉(zhuǎn)動(dòng)到撥稈桿軸心與上拔稈輥凹槽中心位于同一條直線時(shí),撥稈桿與上拔稈輥凹槽配合將棉稈夾持住。假設(shè)棉稈被夾持部分受力集中于一點(diǎn),初始夾持角為α,當(dāng)

f1+f2cosα≥F2sinα

(11)

時(shí),棉稈可被夾持住,由圖4b可知

F1=F2cosα+f2sinα

(12)

將

(13)

代入式(11)、(12)可得

(14)

式中F1——上拔稈輥對(duì)棉稈的夾持力,N

F2——撥稈桿對(duì)棉稈的夾持力,N

f1——上拔稈輥對(duì)棉稈的摩擦力,N

f2——撥稈桿對(duì)棉稈的摩擦力,N

μ——棉稈與拔取機(jī)構(gòu)間的摩擦因數(shù)

ψ——摩擦角,(°)

由文獻(xiàn)[20]可知秸稈摩擦角ψ為17°～27°,因此α為28°～42°,初始夾持角α過(guò)大會(huì)使撥稈桿與上拔稈輥凹槽間隙過(guò)大不能夾持住棉稈,α過(guò)小會(huì)因?yàn)閵A持拔取棉稈時(shí)間過(guò)短導(dǎo)致棉稈不能從地面完全拔出,考慮到機(jī)具作業(yè)效果及安裝誤差等因素,確定初始夾持角α為30°。

2.1.2.3棉稈拔取階段

圖4c為棉稈拔取階段,撥稈桿做圓周運(yùn)動(dòng),棉稈在拔取過(guò)程中拔取力不斷變化,當(dāng)撥稈桿轉(zhuǎn)動(dòng)到圖示位置時(shí),棉稈被夾持住,通過(guò)撥稈桿與上、下拔稈輥相互配合將棉稈拔出地面。棉稈受到的拔取力F6即為向心力F4,則下拔稈輥對(duì)棉稈的夾持力F3為

(15)

式中m——棉稈質(zhì)量,g

棉稈拔出所需要的力來(lái)自于棉稈與拔取機(jī)構(gòu)之間的靜摩擦力,大小不斷變化,當(dāng)棉稈被拔出處于臨界狀態(tài),即土壤阻力在水平方向上的分力等于最大靜摩擦力時(shí),其水平方向受力為

fmax=μ(F2+F3)

(16)

式中fmax——棉稈與拔取機(jī)構(gòu)間最大靜摩擦力,N

聯(lián)立式(15)與式(16)有

(17)

由式(11)～(17)可知,當(dāng)撥稈桿與下拔稈輥間隙一定時(shí),棉稈拔取效果與機(jī)具前進(jìn)速度有關(guān),機(jī)具前進(jìn)速度越大,棉稈受到的向心力越大,棉稈更容易拔出地面,但當(dāng)機(jī)具前進(jìn)速度過(guò)大時(shí),易導(dǎo)致棉稈瞬時(shí)受力過(guò)大從而出現(xiàn)拔斷現(xiàn)象;機(jī)具前進(jìn)速度過(guò)小,最大靜摩擦力小于土壤阻力,棉稈漏拔數(shù)量增多,由前期預(yù)試驗(yàn)可得,機(jī)具前進(jìn)速度取值范圍為0.40～0.80 m/s。

設(shè)撥稈桿與下拔稈輥間的比壓為p,棉稈被拔出所經(jīng)過(guò)的長(zhǎng)度即棉稈根長(zhǎng)為K,則棉稈在拔取過(guò)程中受到的合力為N=pK,棉稈拔取過(guò)程中受到的土壤阻力為F5,則棉稈可以被拔出地面的條件為

F6=μN(yùn)=μpK>F5

(18)

當(dāng)棉稈拔取力F6大于土壤阻力F5時(shí),棉稈被拔起。棉稈拔取的實(shí)際過(guò)程為棉稈拔取力F6克服土壤阻力F5對(duì)棉稈做功的過(guò)程,拔取力作用時(shí)間長(zhǎng)短是棉稈能否被拔起的一個(gè)重要因素,當(dāng)棉稈被拔出地面所經(jīng)過(guò)的長(zhǎng)度大于等于棉稈受到拔稈輥與撥稈桿夾持作用所經(jīng)過(guò)的弧長(zhǎng),撥稈桿與拔稈輥對(duì)棉稈所做的功大于等于棉稈被從地面拔出所需要的功時(shí),可將棉稈從地面拔出,即

(19)

式中t0——開始拔取棉稈時(shí)刻,s

t1——拔出棉稈所需時(shí)間,s

ω2——上拔稈輥角速度,rad/s

r2——上拔稈輥半徑,mm

棉稈夾持拔取工作過(guò)程凹槽邊緣中心點(diǎn)軌跡如圖5所示,以上拔稈輥軸中心為坐標(biāo)原點(diǎn)O,豎直向上為y軸正方向,沿機(jī)具前進(jìn)方向?yàn)閤軸正方向,設(shè)棉稈在上拔稈輥凹槽內(nèi)的初始夾持點(diǎn)位于點(diǎn)A,點(diǎn)B為棉稈拔取完成點(diǎn)。

圖5 棉稈夾持拔取過(guò)程凹槽邊緣中心點(diǎn)軌跡

則棉稈夾持點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡為

(20)

式中r——棉稈夾持點(diǎn)旋轉(zhuǎn)半徑,mm

設(shè)棉稈被夾持住時(shí)上拔稈輥軸中心和點(diǎn)A連線OA與豎直方向的夾角,即初始夾持角為α,機(jī)具在作業(yè)過(guò)程中以一定速度勻速行走,不考慮其他因素的影響,棉稈根部完全拔出所用時(shí)間為t1,棉稈夾持點(diǎn)經(jīng)過(guò)的角度為2α。撥稈輪線速度v1與上拔稈輥線速度v2相等可保證棉稈在拔取過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生相對(duì)滑移,即

(21)

(22)

式中n2——上拔稈輥轉(zhuǎn)速,r/min

將式(21)代入式(22)可得

(23)

由式(23)可知,要想使棉稈能夠順利從地面拔出,拔稈效果較好,需要機(jī)具前進(jìn)速度與上拔稈輥轉(zhuǎn)速相互配合。機(jī)具前進(jìn)速度過(guò)小,則上拔稈輥轉(zhuǎn)速過(guò)小,棉稈夾持拔取部件之間不能相互配合拔取棉稈;上拔稈輥轉(zhuǎn)速過(guò)快,拔取時(shí)間過(guò)短,棉稈無(wú)法順利拔出,因此撥稈輪轉(zhuǎn)速不能過(guò)快。根據(jù)前期預(yù)試驗(yàn)及田間實(shí)地調(diào)研,棉稈根長(zhǎng)K平均為170 mm,將λ、vm等數(shù)據(jù)代入式(23)可以計(jì)算出上拔稈輥轉(zhuǎn)速n2為37.60～75.29 r/min。

機(jī)具走過(guò)一個(gè)棉稈株距所用的時(shí)間為t3,則t3=I/vm(I為株距),為了使棉稈根部能夠順利被拔出,減少拔斷根數(shù),應(yīng)滿足t1≤t3,即

(24)

(25)

將式(24)代入式(25)可得

(26)

將機(jī)具前進(jìn)速度vm、棉稈根長(zhǎng)K、上拔稈輥轉(zhuǎn)速n2、株距I代入式(26)可得上拔稈輥半徑r2為 225～451 mm。上拔稈輥半徑過(guò)小,則上拔稈輥上的凹槽尺寸過(guò)小,撥稈桿不能與上拔稈輥凹槽配合,棉稈拔取作業(yè)不能完成;上拔稈輥半徑過(guò)大,則推倒棉稈的趨勢(shì)增大,棉稈還未進(jìn)入上拔稈輥凹槽就隨著機(jī)具前進(jìn)作業(yè)被壓入輥下造成漏拔、擁堵,因此上拔稈輥半徑取280 mm。

設(shè)機(jī)具從上拔稈輥中心運(yùn)動(dòng)至O1經(jīng)過(guò)的時(shí)間,即將棉稈根部完全拔出所用時(shí)間為t1,從O運(yùn)動(dòng)到O2經(jīng)過(guò)的時(shí)間為t2,上拔稈輥上均勻分布有Z個(gè)凹槽,則相鄰兩個(gè)凹槽的夾角ξ為2π/Z,上拔稈輥每隔ξ夾持拔取棉稈一次,上一個(gè)上拔稈輥凹槽從夾持拔取棉稈結(jié)束后,經(jīng)過(guò)t2開始下一次棉稈夾持拔取工作,所以t2=2π/(Zω2),由圖5可知

(27)

式中δ——上拔稈輥凹槽與撥稈桿將棉稈夾持住后允許的間隙,mm

為減少機(jī)具在作業(yè)過(guò)程中漏拔棉稈,應(yīng)使下一個(gè)凹槽在夾持棉稈時(shí)上一個(gè)夾持棉稈的凹槽還未完全脫離棉稈,即存在重合區(qū)。當(dāng)點(diǎn)A與點(diǎn)D重合時(shí)達(dá)到臨界狀態(tài),此時(shí)棉稈不會(huì)出現(xiàn)漏拔現(xiàn)象,由此可以得到棉稈不漏拔條件為

LO1O2≥vmt2-vmt1

(28)

將式(27)代入式(28)化簡(jiǎn)有

(29)

即

(30)

將式(21)代入式(30)可得

(31)

設(shè)棉稈初始被夾持住時(shí),夾持棉稈可允許的間隙δ為20～35 mm,則根據(jù)式(27)可計(jì)算出棉稈夾持點(diǎn)處的半徑r為154～261 mm,為了使撥稈桿與上拔稈輥凹槽相互配合將棉稈夾持住,設(shè)定r為 230 mm,此時(shí)δ為30 mm,將r=230 mm、δ=30 mm、r2=280 mm代入式(31)可得Z≥3,即上拔稈輥上均勻分布有3個(gè)凹槽。

2.1.2.4棉稈輸送階段

圖4d為棉稈輸送階段,隨著棉稈拔取裝置繼續(xù)向前作業(yè),撥稈桿與上拔稈輥凹槽間的配合間隙變大,因棉稈自身具有彈性,隨著撥稈桿與上拔稈輥凹槽間的間隙變大,棉稈依靠自身彈性自動(dòng)脫離撥稈桿并受到來(lái)自上、下拔稈輥的夾持力F1、F3,摩擦力f1、f3,上、下拔稈輥的對(duì)輥?zhàn)饔脤⒚薅捿斔偷矫薅捿斔蜋C(jī)構(gòu),完成后續(xù)棉稈輸送作業(yè)。

棉稈在輸送過(guò)程的受力分析局部放大圖如圖6所示。

圖6 棉稈輸送過(guò)程受力分析

棉稈被輸送到鏈板式棉稈輸送機(jī)構(gòu)時(shí)需要滿足條件

f3cosβ+f1cosβ≥F3cosβ+F1cosβ

(32)

式中β——棉稈輸送角,(°)

將

f3=μF3

(33)

代入式(32)可得

μ≥tanβ

(34)

由圖6可知

(35)

式中LEF——EF長(zhǎng)度,mm

r4——棉稈半徑,mm

r3——下拔稈輥半徑,mm

將式(34)代入式(35)可得

(36)

棉秸稈與拔稈輥之間摩擦因數(shù)μ一般為0.3～0.7[21],新疆地區(qū)棉稈半徑為5 mm,將μ=0.41、r4=5 mm代入式(36)可得下拔稈輥半徑r3≥61 mm,從式(34)、(35)可以看出,當(dāng)下拔稈輥半徑r3增大時(shí),棉稈輸送角會(huì)減小,上、下拔稈輥輸送棉稈的能力增加,棉稈會(huì)更容易被輸送至后方棉稈輸送機(jī)構(gòu),因此下拔稈輥半徑設(shè)定為80 mm。

棉稈在上、下拔稈輥間輸送時(shí)受到壓縮,可用壓縮比η表示對(duì)棉稈的壓縮程度,即

(37)

式中D4——棉稈直徑,mm

h0——上、下拔稈輥間隙,mm

當(dāng)η過(guò)小即h0過(guò)大時(shí),棉稈與上、下拔稈輥間產(chǎn)生滑動(dòng),因此棉稈漏拔數(shù)量增多;η過(guò)大會(huì)使棉稈過(guò)度被擠壓從而導(dǎo)致棉稈被壓斷,造成擁堵,下拔稈輥由根圓半徑為80 mm的基軸與均布于其上的撥齒組成,為了使棉稈拔取裝置作業(yè)效果較好,降低漏拔率與拔斷率,結(jié)合機(jī)具實(shí)際安裝情況,設(shè)計(jì)上拔稈輥與下拔稈輥基圓柱之間間隙為10 mm,而位于此間隙之間的撥齒間隙小于棉稈最小直徑,可保證棉稈的有效運(yùn)輸。

2.2 鏈板式棉稈輸送機(jī)構(gòu)

鏈板式棉稈輸送機(jī)構(gòu)主要是將棉稈拔取機(jī)構(gòu)拔出的棉稈輸送至后方螺旋輸送器,其結(jié)構(gòu)示意圖如圖7所示,主要包括輸送鏈板、輸送鏈條、齒輪、固定板、螺紋緊固件等零部件。

圖7 鏈板式棉稈輸送機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

為了便于將棉稈輸送至螺旋輸送器,防止棉稈在輸送過(guò)程中從輸送鏈板滑落,增加對(duì)棉稈的輸送能力,固定板等間距交錯(cuò)安裝在輸送鏈板上。固定板安裝距離過(guò)大會(huì)降低棉稈輸送效率,過(guò)小會(huì)使安裝板的數(shù)量過(guò)多,造成資源浪費(fèi),成本增加,結(jié)合試驗(yàn)情況,固定板數(shù)量設(shè)定為20個(gè),排列間距為300 mm。

棉稈被拔取后,通過(guò)上下拔稈輥的對(duì)輥?zhàn)饔脤⒚薅捿斔椭撩薅捿斔玩湴?棉稈在輸送鏈板上的運(yùn)動(dòng)為復(fù)合運(yùn)動(dòng),速度分析如圖8所示,由圖8可知棉稈運(yùn)動(dòng)的絕對(duì)速度為機(jī)具前進(jìn)速度與鏈板式輸送速度的合速度,為了保證棉稈能夠輸送至螺旋輸送器不發(fā)生擁堵,需要滿足

圖8 棉稈在輸送機(jī)構(gòu)上速度分析

v3≥vm

(38)

式中v3——輸送鏈板線速度,m/s

由圖8可知

(39)

式中v4——機(jī)具前進(jìn)速度與輸送鏈板線速度的合速度,m/s

γ——輸送鏈板絕對(duì)速度與水平方向夾角,(°)

k——比例系數(shù)

由式(38)和式(39)可知輸送鏈板線速度v3與機(jī)具前進(jìn)速度vm具有一定的比例關(guān)系,棉稈與輸送鏈板間存在靜摩擦,輸送角度與摩擦阻力成比例關(guān)系,當(dāng)棉稈輸送速度與水平方向的夾角θ過(guò)大時(shí),棉稈輸送鏈板不能將棉稈輸送至后方螺旋輸送器,過(guò)小會(huì)使棉稈輸送時(shí)間過(guò)長(zhǎng),影響工作效率,根據(jù)文獻(xiàn)[22-24]可知,棉稈的動(dòng)態(tài)休止角范圍為17°～31°,為了使棉稈輸送效果較好,結(jié)合各零部件安裝及尺寸要求,設(shè)定鏈板式輸送機(jī)構(gòu)傾斜角θ為30°。將θ=30°代入式(39)并進(jìn)行化簡(jiǎn)有

(40)

將式(38)、(39)代入式(40)可得

γ≤75°

(41)

所以棉稈可以在輸送鏈板上被輸送至螺旋輸送器不發(fā)生滑落,不產(chǎn)生擁堵時(shí)輸送鏈板線速度與機(jī)具前進(jìn)速度的比值k需要滿足1≤k≤1.36,當(dāng)機(jī)具速度為0.40～0.80 m/s時(shí),鏈板輸送速度為0.40～1.08 m/s。

2.3 螺旋輸送器

為了將輸送鏈板上的棉稈輸送至后續(xù)棉稈粉碎裝置進(jìn)行粉碎,結(jié)合棉稈粉碎裝置結(jié)構(gòu)尺寸要求和棉稈物理特性,選用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)輸效果好的螺旋輸送器。螺旋輸送器主要由旋轉(zhuǎn)中心軸、螺旋葉片、罩殼組成,在滿足工作強(qiáng)度的情況下,考慮到輕量化和經(jīng)濟(jì)性要求,旋轉(zhuǎn)空心軸設(shè)計(jì)為空心管狀。為了防止棉稈在輸送過(guò)程中發(fā)生堵塞,螺旋輸送器棉稈輸出量應(yīng)大于輸送鏈板棉稈喂入量。螺旋輸送器棉稈輸送量公式為

(42)

式中Q——棉稈輸送量,t/h

D5——螺旋公稱直徑,mm

S——螺距,mm

n3——螺旋輸送器轉(zhuǎn)速,r/min

φ——填充系數(shù),取0.2

ρ——棉稈單位容積質(zhì)量,取0.4 t/m3

ζ——傾斜系數(shù),取1

根據(jù)前期田間調(diào)研,一膜六行種植模式下,5 m內(nèi)的棉稈總質(zhì)量平均為4.9 kg,因此棉稈在單位長(zhǎng)度上的質(zhì)量m1為0.98 kg/m,所以最大棉稈喂入量Qmax為

Qmax=m1vmax

(43)

則螺旋輸送器轉(zhuǎn)速為

(44)

根據(jù)農(nóng)業(yè)機(jī)械螺旋輸送標(biāo)準(zhǔn)及實(shí)際設(shè)計(jì)要求,確定螺旋葉片直徑為315 mm,螺距為315 mm,機(jī)具最大作業(yè)速度為0.80 m/s,則當(dāng)螺旋輸送器轉(zhuǎn)速大于等于90 r/min時(shí),可使棉稈輸送效果較好。

3 田間試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)條件

為驗(yàn)證夾持輥式棉稈拔取裝置工作的可靠性與作業(yè)性能,確定其最優(yōu)工作參數(shù),于2021年10月在新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)進(jìn)行田間試驗(yàn)。試驗(yàn)田長(zhǎng)度750 m,寬度50 m,采用寬窄行(660 mm+100 mm)平作種植模式,已經(jīng)完成棉花收獲、復(fù)采等作業(yè),試驗(yàn)田地勢(shì)平坦、無(wú)障礙物。試驗(yàn)田土壤類型為沙壤土,試驗(yàn)當(dāng)天環(huán)境溫度為13℃,空氣濕度為27%。測(cè)得試驗(yàn)田平均土壤緊實(shí)度為4 047.56 kPa,平均土壤含水率為19.8%。夾持輥式棉稈拔取裝置安裝在自走式棉稈拔取與殘膜回收聯(lián)合作業(yè)機(jī)上,試驗(yàn)儀器包括轉(zhuǎn)速儀、電子秤、皮尺、秒表、TZS-1K-G型土壤水分測(cè)試儀、TJSD-750-2型土壤緊實(shí)度測(cè)定儀等,田間試驗(yàn)如圖9所示。

圖9 田間試驗(yàn)

3.2 試驗(yàn)因素

通過(guò)對(duì)棉稈拔取裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工作原理分析,選取影響棉稈拔取效果的3個(gè)因素:機(jī)具前進(jìn)速度、上拔稈輥轉(zhuǎn)速、機(jī)具前進(jìn)速度與撥稈輪線速度比值(簡(jiǎn)稱速比)作為試驗(yàn)因素。

(1)機(jī)具前進(jìn)速度

進(jìn)行田間試驗(yàn)時(shí)駕駛員通過(guò)調(diào)節(jié)自走式棉稈拔取粉碎與殘膜回收聯(lián)合作業(yè)機(jī)擋位改變機(jī)具前進(jìn)速度,結(jié)合田間實(shí)際情況,選取機(jī)具前進(jìn)速度分別為0.47、0.60、0.73 m/s。

(2)上拔稈輥轉(zhuǎn)速

上拔稈輥轉(zhuǎn)速通過(guò)改變上拔稈輥軸上鏈輪大小實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)整,試驗(yàn)中保持機(jī)具發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速恒定,根據(jù)機(jī)具實(shí)際輸出轉(zhuǎn)速,實(shí)測(cè)經(jīng)鏈傳動(dòng)系統(tǒng)傳至上拔稈輥的轉(zhuǎn)速分別為40、48、56 r/min。

(3)速比

上拔稈輥轉(zhuǎn)速變化通過(guò)鏈傳動(dòng)引起撥稈輪轉(zhuǎn)速變化,進(jìn)而影響撥稈輪線速度,速比對(duì)棉稈拔取效果有重要影響,過(guò)大會(huì)使撥稈輪不能將棉稈撥向拔稈輥導(dǎo)致棉稈漏拔率增加,過(guò)小會(huì)導(dǎo)致棉稈根部還未被拔起就出現(xiàn)棉稈拔斷現(xiàn)象,因此選取速比為0.50、0.60、0.70。

試驗(yàn)因素編碼如表1所示。

表1 試驗(yàn)因素編碼

3.3 試驗(yàn)指標(biāo)

試驗(yàn)參照GB/T 8097—2008《收獲機(jī)械聯(lián)合收割機(jī)試驗(yàn)方法》與GB/T 5262—2008《農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)條件 測(cè)定方法的一般規(guī)定》規(guī)定的試驗(yàn)方法檢驗(yàn)夾持輥式棉稈拔取裝置的棉稈拔取效果。試驗(yàn)地測(cè)區(qū)長(zhǎng)度為50 m,測(cè)區(qū)前穩(wěn)定區(qū)為30 m,測(cè)區(qū)后停車區(qū)為20 m,寬度為拔稈裝置6倍工作幅寬,按照3個(gè)作業(yè)速度滿幅作業(yè),每一前進(jìn)速度為一個(gè)試驗(yàn)工況,共為3個(gè)試驗(yàn)工況,每個(gè)工況測(cè)定2個(gè)行程,測(cè)試3個(gè)往返行程。采用5點(diǎn)法測(cè)定:每點(diǎn)測(cè)定1 m×1 m區(qū)域內(nèi)棉稈總株數(shù),計(jì)算平均值,記為M0。選取拔斷率Y1、漏拔率Y2為指標(biāo),計(jì)算方式為

(45)

(46)

式中M1——機(jī)具作業(yè)后拔斷棉稈數(shù)量,株

M2——機(jī)具作業(yè)后漏拔棉稈數(shù)量,株

3.4 試驗(yàn)方案及結(jié)果

試驗(yàn)采用三因素三水平二次回歸響應(yīng)面試驗(yàn)[25],選擇Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法,試驗(yàn)結(jié)束后記錄測(cè)區(qū)內(nèi)棉稈漏拔的數(shù)量和拔斷的數(shù)量,根據(jù)式(45)和式(46)計(jì)算出棉稈拔斷率和棉稈漏拔率,結(jié)果如表2所示,X1、X2、X3為因素編碼值。

表2 試驗(yàn)方案與結(jié)果

3.5 試驗(yàn)結(jié)果分析及優(yōu)化

3.5.1回歸模型建立與檢驗(yàn)

利用Design-Expert軟件對(duì)表2數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理,得到棉稈拔斷率、漏拔率的回歸模型,其方差分析結(jié)果如表3所示。

表3 回歸模型方差分析

由表3可知,拔斷率Y1、漏拔率Y2的回歸模型P<0.01,說(shuō)明該模型極顯著;決定系數(shù)R2均大于0.97,說(shuō)明模型可靠,可對(duì)97%以上的試驗(yàn)指標(biāo)進(jìn)行擬合。

采用多元回歸擬合的方式對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行處理,得到機(jī)具前進(jìn)速度、上拔稈輥轉(zhuǎn)速、速比對(duì)棉稈拔斷率Y1、漏拔率Y2的回歸方程為

(47)

(48)

3.5.2因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)影響響應(yīng)面分析

為了解各因素間的交互作用對(duì)棉稈拔斷率Y1、漏拔率Y2的影響,采用Design-Expert得到各因素對(duì)拔斷率、漏拔率影響的響應(yīng)面,如圖10所示。

由圖10a可知,上拔稈輥轉(zhuǎn)速對(duì)棉稈拔斷率的影響比機(jī)具前進(jìn)速度更顯著。當(dāng)速比為0.60、上拔稈輥轉(zhuǎn)速固定為40 r/min時(shí),隨著機(jī)具前進(jìn)速度的增加,棉稈拔斷率Y1緩慢上升變化幅度較小,這是因?yàn)楫?dāng)機(jī)具前進(jìn)速度增加時(shí),走過(guò)一個(gè)棉稈株距所用時(shí)間減少,小于棉稈根部被拔出所用時(shí)間,棉稈拔斷率增加;當(dāng)機(jī)具前進(jìn)速度固定為0.47 m/s時(shí),隨著上拔稈輥轉(zhuǎn)速的增加,棉稈拔斷率增加幅度較大,這是因?yàn)楫?dāng)上拔稈輥轉(zhuǎn)速過(guò)快時(shí),會(huì)使棉稈拔取時(shí)間過(guò)短,大量棉稈不能被拔出地面,棉稈拔斷率增加。

由圖10b、10c可知,上拔稈輥轉(zhuǎn)速對(duì)棉稈拔斷率的影響比速比更顯著;速比對(duì)棉稈漏拔率的影響比上拔稈輥轉(zhuǎn)速更顯著。當(dāng)機(jī)具前進(jìn)速度為0.6 m/s、速比固定為0.50時(shí),隨著上拔稈輥轉(zhuǎn)速增加,棉稈拔斷率變化幅度較大,棉稈漏拔率變化幅度較小,這是因?yàn)樯习味捿佫D(zhuǎn)速過(guò)大會(huì)導(dǎo)致棉稈還未完全拔出地面機(jī)具就繼續(xù)向前作業(yè),棉稈拔斷數(shù)量增加,拔斷率增加,少量棉稈根部留在田間,棉稈漏拔率增加;當(dāng)上拔稈輥轉(zhuǎn)速固定為40 r/min時(shí),隨著速比增加,棉稈拔斷率變化幅度較小,棉稈漏拔率變化幅度較大,這是因?yàn)樗俦仍黾訒?huì)使拔取棉稈的時(shí)間變短,導(dǎo)致棉稈拔斷率增加,速比過(guò)大會(huì)導(dǎo)致棉稈拔取機(jī)構(gòu)作業(yè)過(guò)程中不能形成封閉環(huán)線,棉稈漏拔數(shù)量增加,棉稈漏拔率增加。

由圖10d可知,速比對(duì)棉稈漏拔率的影響比機(jī)具前進(jìn)速度更顯著。當(dāng)上拔稈輥轉(zhuǎn)速為48 r/min、速比固定為0.50時(shí),棉稈漏拔率Y2隨著機(jī)具前進(jìn)速度的增加緩慢上升,變化幅度較小,這是因?yàn)楫?dāng)機(jī)具前進(jìn)速度增加時(shí),撥稈輪撥向拔稈輥所用時(shí)間相對(duì)減少,棉稈被夾持住的數(shù)量減少,棉稈漏拔率增加;當(dāng)機(jī)具前進(jìn)速度固定為0.47 m/s時(shí),隨著速比的增加,棉稈漏拔率增加,變化幅度較大,這是因?yàn)楫?dāng)速比過(guò)大時(shí),撥稈輪的運(yùn)動(dòng)軌跡會(huì)變成沒有環(huán)扣的擺線,不能將棉稈撥向后方拔稈輥,棉稈漏拔率大大增加。

3.5.3參數(shù)優(yōu)化與試驗(yàn)驗(yàn)證

為獲得影響夾持輥式棉稈拔取裝置作業(yè)效果的最優(yōu)因素組合,利用Design-Expert軟件對(duì)建立的線性回歸模型進(jìn)行優(yōu)化,以降低棉稈拔斷率、漏拔率為目標(biāo),設(shè)置優(yōu)化模型為

(49)

得到的最優(yōu)因素組合為:機(jī)具前進(jìn)速度0.58 m/s、上拔稈輥轉(zhuǎn)速46 r/min、速比0.53,此時(shí)棉稈拔斷率為3.53%,漏拔率為4.74%。

為驗(yàn)證優(yōu)化后回歸模型的可靠性,考慮到試驗(yàn)可行性,將以上數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)整,以機(jī)具前進(jìn)速度0.60 m/s,上拔稈輥轉(zhuǎn)速46 r/min,速比0.50,在新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)進(jìn)行田間試驗(yàn)驗(yàn)證,試驗(yàn)重復(fù)3次,取平均值作為試驗(yàn)結(jié)果。

試驗(yàn)結(jié)果表明,采用以上參數(shù)進(jìn)行田間試驗(yàn)時(shí)的棉稈拔斷率為3.68%,漏拔率為5.19%,田間試驗(yàn)結(jié)果與模型優(yōu)化值相對(duì)誤差不超過(guò)5%,滿足設(shè)計(jì)要求,模型優(yōu)化可行。

4 結(jié)論

(1)針對(duì)現(xiàn)有棉稈收獲機(jī)械拔斷率、漏拔率高,作業(yè)時(shí)需對(duì)行等問(wèn)題,設(shè)計(jì)了一種夾持輥式棉稈拔取裝置。通過(guò)對(duì)棉稈拔取機(jī)構(gòu)作業(yè)過(guò)程進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)分析,確定了各部件的結(jié)構(gòu)參數(shù)與工作參數(shù)。

(2)制作了夾持輥式棉稈拔取裝置,以機(jī)具前進(jìn)速度、上拔稈輥轉(zhuǎn)速、機(jī)具前進(jìn)速度與撥稈輪線速度比值作為試驗(yàn)因素,棉稈拔斷率、漏拔率為試驗(yàn)指標(biāo)進(jìn)行田間試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果表明上拔稈輥轉(zhuǎn)速對(duì)棉稈拔斷率的影響比機(jī)具前進(jìn)速度、速比更顯著;速比對(duì)棉稈漏拔率的影響比機(jī)具前進(jìn)速度、上拔稈輥轉(zhuǎn)速更顯著。

(3)對(duì)建立的線性回歸模型進(jìn)行優(yōu)化,得到的最優(yōu)因素組合為:機(jī)具前進(jìn)速度0.58 m/s、上拔稈輥轉(zhuǎn)速46 r/min、速比0.53,此時(shí)棉稈拔斷率為3.53%,漏拔率為4.74%。以機(jī)具前進(jìn)速度0.60 m/s,上拔稈輥轉(zhuǎn)速46 r/min,機(jī)具前進(jìn)速度與撥稈輪速度比為0.50進(jìn)行田間試驗(yàn)驗(yàn)證,得到棉稈拔斷率為3.68%,漏拔率為5.19%,相對(duì)誤差不超過(guò)5%,模型優(yōu)化可靠。