康建明,陳學(xué)庚,溫浩軍,王士國

(1石河子大學(xué)機械電氣工程學(xué)院,石河子832003;2新疆農(nóng)墾科學(xué)院機械裝備研究所,石河子832000)

梳齒式采棉機籽棉清理裝置的設(shè)計與性能試驗

康建明1,陳學(xué)庚2,溫浩軍2,王士國2

(1石河子大學(xué)機械電氣工程學(xué)院,石河子832003;2新疆農(nóng)墾科學(xué)院機械裝備研究所,石河子832000)

籽棉清理裝置是梳齒式采棉機的關(guān)鍵部件之一,針對目前梳齒式采棉機工作性能不穩(wěn)定,清雜后籽棉含雜率高等問題,設(shè)計了一種與梳齒式采棉機配套使用的籽棉清理裝置,分析了該裝置的結(jié)構(gòu)和工作原理,進行了參數(shù)優(yōu)選的田間性能試驗,得出影響籽棉清理裝置性能指標(biāo)的主次因素為:鋸齒輥轉(zhuǎn)速>刷棉輥轉(zhuǎn)速>刺釘輥轉(zhuǎn)速2>刺釘輥轉(zhuǎn)速1,各參數(shù)最優(yōu)組合為:刺釘輥1轉(zhuǎn)速 393 r/min,刺釘輥2轉(zhuǎn)速365 r/min,鋸齒輥轉(zhuǎn)速328 r/min,刷棉輥轉(zhuǎn)速668 r/min,在此條件下籽棉含雜率降低至12.8%。

梳齒;采棉機;清理裝置;設(shè)計;性能

Abstract:Seed cotton cleaning device is a comb-type cotton picker one of the key components for the current performance of comb-type cotton picker job instability,impurity of seed cotton,after the Qing high rate of complex problems,design of a comb-type cotton picker with supporting the use of seed cotton cleaning up test equipment,analysis of the device structure and principle,the parameters of the device for optimal field performance test results,the performance impact of seed cotton cleaning unit primary and secondary factors:serrated roller speed>Brush Cotton roller speed>Barbed nail roller speed 2>Barbed nail roller speed 1,the optimal combination of parameters:the speed of barbed nail roller 1 is 393r/min,that of barbed nail roller 2 is 365r/min,that of serrated roller is 328r/min,that of brush cotton roller is 668r/min,impurity of seed cotton in this condition,the rate decreased to 12.8%.

Key words:comb;cotton-picker;cleaning device;design;performance

我國是世界棉花主產(chǎn)國之一,目前我國棉花收獲機械化的整體水平仍較低,棉花收獲機械是最近十幾年才開始推廣應(yīng)用的收獲機械,與其它收獲機械相比起步較晚[1-3]。棉花收獲機械按收獲方式的不同分為摘棉鈴機、采棉機、其他類型棉花收獲機械三大類型[4-5]。傳統(tǒng)的采棉、清棉機械設(shè)備一次性投資過大,農(nóng)民難以接受。梳齒式采棉機屬于摘棉鈴機,該機機構(gòu)簡單、作業(yè)成本較低,但由于不能分次采棉,采摘后的籽棉中含有大量的鈴殼、斷果枝、碎葉片等雜質(zhì),因此該機配有專門的清理設(shè)備。

本文通過對梳齒式采棉機籽棉清理裝置結(jié)構(gòu)和工作參數(shù)的研究,旨在得出刺釘輥轉(zhuǎn)速、鋸齒輥轉(zhuǎn)速、刷棉輥轉(zhuǎn)速對籽棉含雜率的影響規(guī)律,為今后梳齒式采棉機的研制提供理論依據(jù)與科學(xué)指導(dǎo)。

1 總體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 總體結(jié)構(gòu)

梳齒式采棉機籽棉清理裝置主要由刺釘輥1、刺釘輥2、除雜篩網(wǎng)、隔板、鋸齒滾筒、刷棉輥、回收滾筒、格條柵2、機架等組成,其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 籽棉清理裝置結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Seed cotton cleaning device structure indicate

表1 各種除雜篩網(wǎng)的篩孔規(guī)格和清理系數(shù)Tab.1 Specifications of various impurities and clean screen mesh sieve coefficient

1.2 工作原理

籽棉由喂棉裝置進入清理裝置后,通過刺釘滾筒1的打擊松懈,將混雜在其中的線繩、滴灌帶清除。隨后籽棉通過刺釘輥2均勻地喂給鋸齒滾筒,被鋸齒鉤拉的籽棉隨鋸齒滾筒一起向前運動。在運動過程中,鋼絲刷將籽棉均勻刷附在鋸齒滾筒表面,在刷附時部分重雜物及僵瓣棉首先分離,其余雜質(zhì)隨鋸齒滾筒旋轉(zhuǎn)進入格條柵區(qū),在格條柵的多次沖擊下,大量的重雜物及僵瓣棉都被排落,并且少量的細小雜質(zhì)也被排落。經(jīng)過清雜的籽棉繼續(xù)隨滾筒轉(zhuǎn)動,當(dāng)轉(zhuǎn)動至與毛刷接觸時,在毛刷輥的高速旋轉(zhuǎn)下,鉤拉在鋸齒上的籽棉被強制脫下,而后籽棉經(jīng)攪輪運送至出棉口,由風(fēng)機吹入集棉箱。

2 梳齒式采棉機籽棉清理裝置的設(shè)計

2.1 喂棉裝置的設(shè)計

2.1.1 喂棉裝置的總體結(jié)構(gòu)

喂棉裝置主要由刺釘1、刺釘滾筒2和3、除雜篩網(wǎng)4等組成,結(jié)構(gòu)如圖2所示。

工作時刺釘滾筒將籽棉打松并將籽棉送到除雜篩網(wǎng)表面。籽棉在除雜篩網(wǎng)表面滾動并與網(wǎng)面發(fā)生摩擦,部分截面面積小或粒徑小的雜質(zhì)穿過篩網(wǎng)孔脫離籽棉。

圖2 喂棉裝置示意Fig.2 Schematic of feeding cotton

2.1.2 刺釘滾筒直徑、數(shù)量的確定

一般情況下,刺釘滾筒的直徑與數(shù)量成反比。實踐表明[6-7],當(dāng)刺釘滾筒與除雜篩網(wǎng)配合作用的面積、刺釘滾筒表面的線速度一定時,滾筒直徑大小、數(shù)量對清雜、松棉效果幾乎沒有影響。但從安裝、維護的角度考慮,本裝置刺釘滾筒的直徑為160 mm,數(shù)量為2個。

2.1.3 除雜篩網(wǎng)的選擇

根據(jù)文獻8,各種除雜篩網(wǎng)的篩孔規(guī)格和清理系數(shù)見表1。

由表1可以看出,矩形編織篩網(wǎng)的清理系數(shù)最大,鋼板沖孔篩網(wǎng)的清理系數(shù)最小。盡管格條篩網(wǎng)的清理系數(shù)略小于編織篩網(wǎng),但實踐證明其清雜效果卻優(yōu)于編織篩網(wǎng)[8],故本裝置采用圓鋼除雜篩網(wǎng)。

除雜篩網(wǎng)的清雜效率與篩孔的有效面積、篩孔的排列、篩孔的形狀及篩網(wǎng)表面積等有關(guān)。篩孔有效面積(S0)與篩網(wǎng)表面積(Sf)之比為篩網(wǎng)的清理系數(shù)(μ),即 :

一般篩網(wǎng)的清理系數(shù)越大,篩網(wǎng)的清除效率越高。

2.2 清雜裝置的設(shè)計

2.2.1 清雜裝置的總體結(jié)構(gòu)

清雜裝置主要由鋸齒條1、鋸齒輥(清雜輥2、回收輥4)、刷棉輥3、起棉板5、格條柵6等組成,其結(jié)構(gòu)如圖3所示。工作時利用籽棉與雜質(zhì)在鋸齒滾筒上的反彈性能不同,以及兩者在鋸齒滾筒上的附著力不同,使雜質(zhì)在慣性離心力的作用下拋離鋸齒滾筒,與籽棉分離。

圖3 清雜裝置示意Fig.3 Schematic of the Qing Miscellaneous

2.2.2 鋸齒

籽棉在進入鋸片時,鋸齒把籽棉卷中尚未從棉籽上拉脫的纖維鉤住,并使之隨鋸齒滾筒運動。由于摩擦力的作用,處在鋸齒之間凹口內(nèi)的纖維開始從凹口離開,凡分布在與摩擦力作用方向成β角的BD線右方的所有纖維都離開了凹口,只有在內(nèi)的纖維可以留住不動。如圖4所示。

圖4 鋸齒鉤纖示意Fig.4 Schematic diagram of sawtooth hook fiber

2.2.3 刷棉輥

刷棉輥的作用是將鋸齒輥上的籽棉刷撥下來,保證鋸齒輥的順暢,其結(jié)構(gòu)如圖5所示。由于刷棉輥的線速度大于鋸齒輥的線速度,加之橡膠與纖維間的摩擦系數(shù)大于鋸齒之間的摩擦系數(shù),故刷棉輥的作用足以克服鋸齒的阻力,將纖維從鋸齒上刷下。

圖5 刷棉輥結(jié)構(gòu)示意Fig.5 Schematic diagram of roller brush cotton

毛刷刷力的作用主要是靠毛刷條對鋸齒上纖維的連續(xù)作用來保證。依據(jù)連續(xù)作用原理[7-8]:

式(1)中:i為刷棉輥與鋸齒輥的表面線速度比;φ0為相鄰兩根毛刷條對應(yīng)毛刷滾筒的中心角;φ0=360°/N,N是毛刷條數(shù);Dm為毛刷滾筒直徑(mm);Dj為鋸片滾筒直徑(mm)。

由式(1)可知:刷棉輥與鋸齒輥的表面線速度必須大于某個值,以保證毛刷刷力的作用。本裝置Dm=300 mm,Dj=350 mm,φ0=30°,代入(1)式得 i=2.5。調(diào)高刷棉輥的轉(zhuǎn)速,可以使鋸齒輥上的棉層變薄,有利于雜質(zhì)的排除。

3 田間性能試驗

3.1 試驗設(shè)備及原料

試驗對象為新疆兵團農(nóng)八師132團11連試驗田中覆膜播種的棉花。棉花品種為新陸早33,棉花平均株高 70 cm,棉鈴最低 12 cm,棉花脫葉率82%、吐絮率85%,籽棉含水率10%,測產(chǎn)后該棉田畝產(chǎn)300 kg。

本試驗中所選用的試驗設(shè)備見表1。

表2 試驗設(shè)備Tab.2 Experimental equipments

3.2 試驗指標(biāo)及影響因素

性能指標(biāo):含雜率。參照農(nóng)業(yè)部頒發(fā)的《中華人民共和國農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)—棉花收獲機作業(yè)質(zhì)量》(GB/T21397-2008)[9]。

影響試驗的主要因素為:刺釘輥(1和2)轉(zhuǎn)速、鋸齒輥轉(zhuǎn)速、刷棉輥轉(zhuǎn)速。

3.3 試驗方案

試驗前對棉花生長情況進行測定,依據(jù)清理裝置設(shè)計的最大工作能力,確定拖拉機前進的速度為2.1 km/h。

梳齒式采棉機籽棉清理裝置參數(shù)優(yōu)選試驗的試驗因素與水平如表3所示,各因素分別為,A:刺釘輥1,B:刺釘輥2,C:鋸齒輥,D:刷棉輥。

選用L16(45)正交表進行試驗[10-12],每個試驗重復(fù)3次,取平均值。主要參數(shù)對含雜率的影響結(jié)果見表4。

表3 試驗因素與水平 r/minTab.3 Experimental factors and levels

表4 試驗方案與試驗結(jié)果Tab.4 Test programs and test results

3.4 結(jié)果與分析

3.4.1 性能參數(shù)與試驗指標(biāo)的關(guān)系

梳齒式采棉機籽棉清理試驗裝置的刺釘輥轉(zhuǎn)速、鋸齒輥轉(zhuǎn)速、刷棉輥轉(zhuǎn)速各水平對試驗裝置性能指標(biāo)的影響如圖6所示。

圖6 各水平對采凈率指標(biāo)的影響Fig.6 the net rate of all levels on the index of mining

3.4.2 方差分析與組合條件優(yōu)化

清雜裝置性能指標(biāo)的方差分析結(jié)果見表5。

由表5可知,刺釘輥1轉(zhuǎn)速、刺釘輥2轉(zhuǎn)速、鋸齒輥轉(zhuǎn)速、刷棉輥轉(zhuǎn)速四因素對清理裝置性能指標(biāo)的影響是不同的。

表5 清雜裝置性能指標(biāo)方差分析Tab.5 Miscellaneous equipment performance clear analysis of variance

由表5、圖6可知,在95%的置信度下,各因素對籽棉含雜率影響的主次順序為:鋸齒輥轉(zhuǎn)速>刷棉輥轉(zhuǎn)速>刺釘輥2轉(zhuǎn)速>刺釘輥1轉(zhuǎn)速。

各水平的較優(yōu)組合為,刺釘輥1轉(zhuǎn)速:A4>A3>A2>A1;刺釘輥2轉(zhuǎn)速:B3>B4>B2>B1;鋸齒輥轉(zhuǎn)速:C4>C3>C2>C1;刷棉輥轉(zhuǎn)速:D3>D4>D2>D1。結(jié)合因素影響的主次關(guān)系可知,籽棉含雜率最低的生產(chǎn)條件組合為C4D3B3A4。

3.4.3 優(yōu)選組合性能驗證試驗

梳齒式采棉機籽棉清理試驗裝置的最優(yōu)組合在試驗優(yōu)選方案中沒有出現(xiàn),為確保優(yōu)選前后的籽棉含雜率有可比性,進行二次試驗,選取的主要參數(shù)為:刺釘輥1轉(zhuǎn)速393 r/min,刺釘輥2轉(zhuǎn)速365 r/min,鋸齒輥轉(zhuǎn)速 328 r/min,刷棉輥轉(zhuǎn)速 668 r/min。試驗結(jié)果表明,優(yōu)選后的籽棉清理試驗裝置能使籽棉的含雜率降低到12.8%,優(yōu)選后的梳齒式采棉機籽棉清理試驗裝置綜合指標(biāo)優(yōu)于其他參數(shù)組合下的機械性能。

4 結(jié)論

1)進行了梳齒式采棉機籽棉清理裝置關(guān)鍵部件的設(shè)計,得出了各部件的最佳結(jié)構(gòu)與數(shù)量。

2)經(jīng)方差檢驗,在95%置信度下,各因素對籽棉清理試驗裝置的性能指標(biāo)影響的主次順序為:鋸齒輥轉(zhuǎn)速>刷棉輥轉(zhuǎn)速>刺釘輥轉(zhuǎn)速2>刺釘輥轉(zhuǎn)速1,最優(yōu)組合為C4D3B3A4。

3)梳齒式采棉機籽棉清理裝置在取最優(yōu)水平組合時,籽棉的含雜率降低到12.8%,達到《中華人民共和國農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)—棉花收獲機作業(yè)質(zhì)量》)的要求。

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Comb-type Cotton Picker Seed Cotton Cleaning Device Design and Performance Test

KANGJianming1,CHEN Xuegeng2,WEN Haojun2,WANG Shiguo2
(1 College of Mechanical and Electrical Engineering,Shihezi University,Shihezi 832003,China;2 Xinjiang Academy of Land Reclamation Institute of machinery and equipment,Shihezi 832000,China)

S225.911

A

1007-7383(2010)05-0631-05

2010-05-27

農(nóng)業(yè)部引進國際先進農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)計劃(948)項目(2009-Z15)。

康建明(1984-),男,碩士研究生,專業(yè)方向為農(nóng)業(yè)機械設(shè)計與性能試驗;e-mail:kjm531@sina.com。

陳學(xué)庚(1947-),男,研究員,從事農(nóng)業(yè)機械設(shè)計研究;e-mail:chenxg130@263.net。