小型履带自走式拔棉秆机的研制

2015-04-25代振维全腊珍邹运梅姚祖玉尹益文李健

山西农业大学学报（自然科学版） 2015年5期

代振维，全腊珍，邹运梅，姚祖玉，尹益文，李健

（1.湖南农业大学工学院，湖南长沙410128；2.湖南机电职业技术学院，湖南长沙410151；3.湖南省现代农业装备工程技术研究中心，湖南长沙410128）

棉秆是棉花收获之后留在田间的茎秆，棉秆的根茎较硬不易腐烂，能保存在土壤中较长时间，且易造成病虫害的传播，对后茬作业生产不利，故棉秆必须拔除干净。据统计，我国棉花种植面积为600万hm2，每年棉秆的产量约为3 000万t，若将这些棉秆用于制造纸张，每年可以节省林木资源12万m3，与此同时，每100万t棉秆，产生的经济效益为10亿元。我国传统的拔棉秆方式是通过人力进行拔取，每0.06hm2用工0.5个，不仅费时费力，而且效率低下，若采用机械拔取棉秆，在减轻棉农劳动强度的同时，也可增加一定的经济收入，研究机械化拔棉秆技术成为近年来棉花收获全程机械化技术的重点之一［1～4］。

我国棉花种植品种较多，各个地区的土壤、气候差异性较大，另外棉田的行距、株距也不尽相同，南北地势的不同，机械制造以及维修价格等问题，导致了南北方的拔棉秆机并不能通用［5］。为了解决现有的问题，农机研究人员做了大量的研究试验。郭振华等［6］根据北方地区土壤的坚实度以及含水量研制了碎土角度为15°的人字型铲刀式拔棉秆机，配套拖拉机功率为68kW，该机的特点是无需对行拔取，拔净率高，但功率消耗大，棉秆拔断率高，对土壤层结构破坏较大，并不适用于南方农艺条件下的棉田耕作要求；贾健［7］研制了V型齿盘式拔棉秆机，该机采用弹性浮动装置将棉秆夹持后向上方拔出，拖拉机配套功率为18kW，该机功耗低，对土壤层破坏较小，但拔断率、漏拔率高，且需对行拔取，并不适用于南方地区多种多样的行距；花俊国［8］改进设计了浮压双链夹式拔棉杆机，该机双链条在压链装置的压力作用下，将棉秆夹持向上拔出，拖拉机配套功率为13kW，该机相比齿盘式拔棉杆机作业效果有所提高，但仍存在拔断率高，需对行拔取的缺点；唐遵峰等［9］针对棉花种植行距的不同，设计了不对行棉杆拔取收获台，该机构结合铲切式和提拔式两种原理，拔秆时无需对行，拔秆功耗小，但仍缺乏棉秆根部泥土分离和棉秆压缩机构，将导致棉杆在输送过程中出现易卡易堵的现象。从上述文献看来，我国目前拔棉秆机存在对土壤结构破坏大、拔净率低、功耗较大、不对行等问题。

由于南方地区地势较北方地区更为复杂，种植行距存在差异，北方大型棉秆收获机并不适用，为了解决广大南方棉农的拔秆问题，且满足农艺上的要求，一次入田完成拔秆打捆，笔者设计并制造了小型履带自走式拔棉秆机，并对该机进行了试验。

1 整机结构和工作原理

1.1 整机结构

小型履带自走式拔棉秆机主要由履带自走式底盘、前置悬挂机架、旋转刀辊、钉齿输送装置、输送滚筒装置、压缩滚筒装置以及压缩打捆装置等部分组成，该机拔秆部分前置悬挂于履带自走式底盘前端，底盘上端可额外设有压缩打捆装置，作业时根据南方地区的种植垄宽拔秆为一垄两行，可一次入棉田完成两行棉秆拔秆、输送、清土、预压、压缩打捆等作业，如图1所示。

图1 拔棉秆机整机结构图Fig.1 Machine structure sketch of cotton stalk pulling machine注：1.棉杆打捆装置；2.棉杆输送通道；3.压缩滚筒装置；4.输送滚筒装置；5.变速箱；6.钉齿输送装置；7.扶禾器；8.旋转刀辊；9.挡棉板；10.限深轮；11.履带自走式底盘Note：1.Cotton baling device；2.Cotton conveying channel；3.Compression roller device； 4.Conveyor roller device；5.Transmission；6.Spike－tooth conveyer；7.Taking grain device；8.Rotating knife roller；9.Block wool board；10.Limit depth wheel；11.Crawler self－propelled chassis

1.2 工作原理

工作时，由柴油机输出动力，一部分动力通过带传动驱动履带自走式底盘向前运动；另一部分动力通过带传动连接二级变速箱，二级变速箱通过链传动将动力传输到旋转刀辊，旋转刀辊逆时针旋转时，辊刀入土将棉秆的侧根铲断，同时对棉秆进行提拔从而拔出棉秆，随后旋转刀辊逆时针旋转把棉秆从根部向后抛送到钉齿输送装置，由钉齿卡住棉秆向后输送至棉秆压缩部分（由输送滚筒装置与压缩滚筒装置配合组成）；与此同时，二级变速箱通过链传动将动力传递到输送滚筒装置，输送滚筒装置将棉秆上残留的泥土进行梳刷再向后输送，压缩滚筒装置在输送滚筒装置上方，反向旋转对棉秆进行初步压缩，这样可以防止棉秆在输送过道中出现卡堵的现象，经过初步压缩的棉秆由输送棉秆通道送至压缩打捆装置中进行压缩和打捆。

1.3 技术参数

南方地区棉花种植以个体家庭承包制为主，面积偏小，分散而不集中。种植一般以一垄两行为主，棉秆株距约90cm，行距约50cm。针对南方地区的种植特点，设计并确定了拔棉秆机的主要技术参数，如表1所示。

2 关键部件的设计

2.1 旋转刀辊

2.1.1 旋转刀辊的结构参数

棉秆拔秆机的最关键部分在于拔秆部件，该拔秆机拔秆部件的设计利用逆向旋耕的原理，同时在拔棉秆的基础上结合农艺的要求，浅土旋耕将有利于棉秆收获后其他农作物的种植［10］。其关键部分旋转刀辊由动力输出轴、旋转轮圈、辊刀等组成，如图2所示。为了减小拔秆所需功耗，克服拔秆不对行的要求，旋转刀辊采用提辊式拔秆，其原理是先铲断棉秆根部侧根再通过V型齿将棉秆向上拔出。旋转刀辊呈28°的V型排齿状，向上拔秆时V型齿板将与水平呈30°夹角，所需拉拔力最小，有利于减小整机的功率消耗；由于V型齿板磨损较大需经常更换，可将其优化改为螺栓连接，易于更换。

表1 主要技术参数Table 1 Main technical parameters of the prototype

图2 旋转刀辊结构示意图Fig.2 Structure sketch of rotating knife roller device注：1.旋转轮圈；2.动力输出轴；3.辊刀Note：1.Rotating wheels；2.The power output shaft；3.Roller blade

2.1.2 旋转刀辊的转速

旋转刀辊工作时拔秆的速度由旋转刀辊自身的旋转速度VR和机具的牵连速度Vm复合而成，其运动分析图如图3所示。相对运动和牵连运动的不同速比λ＝Vm·V－1R，确定工作部件的运动轨迹［11］，假定刀刃端点A沿余摆线运动，其运动方程为：

式中：Vm为刀辊前进速度；ω为刀辊角速度；R为刀辊直径；t为时间。

图3 旋转刀辊的运动分析图Fig.3 Motion analysis sketch of rotating knife roller

旋转刀辊悬挂于履带底盘之上，逆转时入土深度10～15cm内可调。由图3可见，旋转刀辊的运动轨迹为余摆线，余摆线的形状由速比λ＝ Vm·V－1R决定，同时其速比也将决定拔秆的效果，仅当机具前进速度和牵引速度的比值为一定值且协调时，拔秆效果最佳。一方面机具的前进速度不能过小，否则将会影响拔秆机的工作效率；另一方面，旋转刀辊的旋转速度不能过快，否则较易折断棉秆，影响拔秆的拔净率。试验结果表明，初步设定机具前进速度为0.6m·s－1时，旋转刀辊的转速过低（小于320r·min－1）时棉秆拔净率明显下降，若旋转刀辊转速过高则易导致折断棉秆，并且消耗功率较大，故此处初步设定其转速为380r·min－1。

2.2 钉齿输送装置

钉齿输送装置是拔棉秆机的关键部件。该装置包括钉齿输送轴、钉齿输送滚筒、钉齿输送带、输送钉齿等，如图4所示。当拔秆机旋转刀辊拔出棉秆后逆向抛送，将棉秆由根部向上抛送到钉齿输送装置上，棉秆根部被抛送到输送带上具有一定的冲击力，该冲击力对根部泥块碎土具有一定的效果；同时，输送钉齿卡住棉秆向上输送，棉秆能够稳定的被输送到下一工序，当棉秆脱离钉齿输送装置时，输送带翻滚后泥土也随之洒落到地面。该装置旋转输送速度应大于旋转刀辊的旋转速度，才能保证输送带能及时输送棉秆而不发生堆积现象。

图4 钉齿输送装置结构示意图Fig.4 Structure sketch of nail dentate conveyer device注：1.输送钉齿；2.钉齿输送轴；3.钉齿输送带；4.钉齿输送滚筒；5.棉秆Note：1.Conveying screw tooth；2.Pin gear transmission shaft；3.Nail tooth conveyor belt；4.Pin tooth transmission drum；5.Cotton stalk

拔棉机运动时，旋转刀辊拔取棉秆向后抛送至钉齿输送装置，钉齿输送装置卡住棉秆侧枝向后输送，其运动如图5所示。其中旋转刀辊的角速度为ω1，钉齿输送装置的角速度为ω2，可求得两角速度的关系：

式中：V1，V2为棉秆在旋转刀辊和钉齿输送装置上的速度；V1x，V2x为棉秆在旋转刀辊和钉齿输送装置上的前进速度；R1，R2为旋转滚筒和钉齿输送滚筒的半径。

图5 钉齿输送装置运动示意图Fig.5 Sketch of the movement of nail dentate conveyer device

若要棉秆输送流畅，则棉秆在钉齿输送装置上的前进速度V2x必须大于其在旋转刀辊上的前进速度V1x，则：

由于α＞β可得V2＞V1，则：

由于R2＜R1，可得：

在棉秆运动过程中，当钉齿输送装置的角速度ω2大于旋转刀辊的角速度ω1时，棉秆向后的输送速度大于拔取速度，才能保证钉齿输送带及时输送棉秆而不出现堆积现象。

2.3 输送滚筒装置

输送滚筒装置包括输送滚筒轴、输送滚筒、弧形钉齿等，如图6所示。输送滚筒装置一方面可将钉齿输送装置输送过来的棉秆进一步向后输送，另一方面其弧形钉齿在设定合理的间距后可将棉秆根部的泥土进一步梳刷掉。该装置旋转速度与钉齿输送装置旋转速度同步。

图6 输送滚筒装置结构示意图Fig.6 Structure sketch of conveyor roller device注：1.输送滚筒轴；2.输送滚筒；3.弧形钉齿Note：1.Conveyor roller shaft；2.Conveyor roller；3.Arc spike－tooth

2.4 压缩滚筒装置

压缩滚筒装置包括压缩滚筒轴、压缩滚筒、压秆凸板等，如图7所示。压缩滚筒装置的作用主要是对向后输送的棉秆进行一次压缩，防止棉秆在输棉通道中出现堵卡想象。

图7 压缩滚筒装置结构示意图Fig.7 Structure sketch of compression roller device注：1.压缩滚筒轴；2.压缩滚筒；3.压秆凸板Note：1.Compression roller shaft；2.Compression roller；3.Press stem protruding board

压缩滚筒装置与输送滚筒装置的滚筒半径R相同，旋转角速度ω相同，两者同步运动，配合使用，如图8所示。建立压缩滚筒的动力学方程：

式中：Fn为压缩滚筒装置运动时径向力；R为压缩滚筒装置的半径；ω为压缩滚筒的角速度。

由于压缩滚筒装置为匀速圆周运动，可知其角加速度α＝0，则切向加速度，从而得到压缩滚筒运动时的切向力Ft＝＝0，则可得出压缩滚筒运动时对棉秆的压缩力为：

根据式（11），可知当压缩滚筒装置的质量m以及其半径R一定时，压缩滚筒对棉秆的压缩力f仅与压缩滚筒的角速度ω有关，且呈正相关函数关系。由此可得，可以改变压缩滚筒的角速度ω起到调节棉秆压缩力f的作用。

3 田间试验

3.1 田间试验条件

小型履带自走式拔棉秆机研制设计完成后，于2014年9月16日，在湖南农业大学棉花实验基地进行了试验。该实验基地棉秆行距约为50cm，株距约为90cm，垄宽约为150cm，垄深约为20cm，棉秆高度为135～205cm。于此同时，测得实验基地的土壤含水率为19.2%，土壤坚实度为984kPa。

图8 压缩滚筒装置运动示意图Fig.8 Sketch of the movement of compression roller device

一般评价棉秆拔秆质量指标有拔断率、拔净率、漏拔率等等，该实验仅将拔出棉秆的拔净率作为唯一的评价指标，当拔净率大于95%时，评价指标才表示所研制的机型收获质量较好［12］。

3.2 试验方法

影响棉秆拔净率的因素是多方面的，而主要因素为机具的前进速度Vm和刀辊转速VR，故考查因素为前进速度和刀辊转速，评价指标为棉秆的拔净率。根据该拔棉秆机的技术参数，设定其前进速度分别为0.70、0.80、0.90m·s－1；根据旋转刀辊转速的初步试验，设定其转速分别为375、415、455 r·min－1，在保证刀辊转速不变的情况下，依次改变机具的前进速度进行试验，得出不同参数下的棉秆拔净率。按照以上方法重复测量5次，计算取其平均值作为试验结果。

3.3 试验结果

经田间试验测得试验结果如表2所示。拔棉秆机运行过程中，两地轮行走于垄沟之内，旋转刀辊在土壤中旋耕碎土，随后将棉秆拔出向后抛送，旋转刀辊入土深度为12cm左右，整机运行较为平稳，棉秆拔秆输送等流程相当流畅，特别是输送部分对棉秆根部泥土的清理效果以及对棉秆的压缩效果均非常显著。由表2可知，当旋转刀辊的转速设定为415r·min－1，前进速度为0.81m·s－1时，棉秆拔净率最高为96.4%，在这其中未拔净的棉秆中漏拔率较高，整机工作效果较为理想，能够满足农户的要求。

4 结论与讨论

该小型履带自走式拔棉秆机采用逆向旋转拔秆，安全可靠，工作性能稳定，对土壤层破坏较小，各项技术参数均能达标。其优势是能够较好的满足不对行的要求，适应各种复杂地势；且对棉秆根部泥土的清理与分离有较好的效果，能将泥土中的养分保留在土壤中；同时在棉秆输送过程中对其采取压缩处理，能防止棉秆的卡堵现象，有利于棉秆输送。