張愛民，劉凱凱，王振偉，劉玉京，王歡成

(1.濱州市農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究所，山東 濱州　256616；2.農(nóng)業(yè)部 南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，南京　210014)

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多輥式棉稈收獲臺的研究與試驗

張愛民1，劉凱凱1，王振偉2，劉玉京1，王歡成1

(1.濱州市農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究所，山東 濱州256616；2.農(nóng)業(yè)部 南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，南京210014)

摘要：棉花秸稈是重要的可再生生物質(zhì)能源，其收獲技術(shù)的滯后嚴(yán)重制約了棉稈的資源化利用。針對棉花種植行距不一致，以及棉稈收獲機(jī)作業(yè)中常出現(xiàn)的適用范圍小、拔斷率高、功率消耗大等問題，創(chuàng)新研制了多輥式棉稈收獲臺。同時，介紹了收獲臺的工作原理以及關(guān)鍵部件的設(shè)計分析，對主要性能指標(biāo)進(jìn)行了田間試驗。試驗結(jié)果表明：各項指標(biāo)達(dá)到了設(shè)計要求。

關(guān)鍵詞：棉稈收獲臺；多輥式；不對行；V 形齒板

0引言

棉稈是棉花生產(chǎn)過程中的副產(chǎn)物，同樣是重要的可再生生物質(zhì)資源。我國作為世界上植棉大國，形成了長江流域、黃河流域和西北內(nèi)陸三大棉花主要生產(chǎn)區(qū)，帶來儲量豐富的秸稈資源[1]。據(jù)國家統(tǒng)計局?jǐn)?shù)據(jù)顯示，2014年我國棉花種植面積近422萬hm2[2]，約產(chǎn)棉花秸稈2 000萬t。伴隨工業(yè)技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步，棉稈在焚燒發(fā)電、造紙、生物利用以及板材制造等方面的應(yīng)用越發(fā)廣泛[3]。將豐富的棉花秸稈資源由傳統(tǒng)的焚燒和掩埋轉(zhuǎn)化為有效利用，增加其價值，將產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會價值。正確地處理棉花秸稈，變廢為寶，可實現(xiàn)供電、供氣，緩解農(nóng)村能源緊缺現(xiàn)狀，防止由于焚燒秸稈所產(chǎn)生的大量有害氣體，改善農(nóng)民的生活環(huán)境。

國外棉花秸稈收獲設(shè)備技術(shù)主要針對等行距標(biāo)準(zhǔn)化種植農(nóng)藝，基本采用對行收獲方式，以對輥式拔棉稈機(jī)為主，棉稈拔出直接切斷還田，無法解決我國棉花種植行距不統(tǒng)一的問題，很難適應(yīng)國內(nèi)復(fù)雜的農(nóng)藝要求。我國棉稈收獲機(jī)械的研制工作起步于20世紀(jì)60年代中期[4]，根據(jù)拔取原理不同，分為鏟切式、提拔式、刀輥式等,代表機(jī)型有中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院生產(chǎn)的4MG-275型自走式棉稈聯(lián)合收割機(jī)、天津農(nóng)機(jī)推廣總站的4MG-2型水平齒盤式棉稈拔除機(jī)[5]。雖然機(jī)型眾多，但鏟切式、圓盤式都需對行收獲，對棉花種植模式多樣化的適應(yīng)能力差；而剪切式、刀輥式雖可以實現(xiàn)棉稈的不對行收獲，但其都存在刀片容易磨損且能耗大，很難達(dá)到棉稈收獲低成本的要求。

因此，研制一種不對行棉稈收獲臺，實現(xiàn)棉稈的高效率、低成本收獲，對于降低棉農(nóng)的勞動強(qiáng)度、提高棉稈收獲機(jī)械化水平、適應(yīng)棉花復(fù)雜的種植模式、減輕環(huán)境的污染，具有重要的意義。

1收獲臺的研究與分析

1.1整機(jī)結(jié)構(gòu)

綜合國內(nèi)、外棉稈收獲機(jī)的結(jié)構(gòu)和各自的優(yōu)缺點，創(chuàng)新研制了多輥式棉稈收獲臺。采用拔稈輥、清理輥、強(qiáng)制輸送輥、撥禾輪及螺旋輸送器的方案[6]：拔稈輥與撥禾輪組成拔取結(jié)構(gòu)提拔棉稈，清理輥用于清理棉稈、纏草、殘膜，強(qiáng)制輸送輥則向后撥送棉稈到收獲臺上，再由螺旋輸送器將棉稈聚攏、輸送。在多輥式棉稈收獲臺的基礎(chǔ)上，濱州市農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究所進(jìn)一步研發(fā)設(shè)計，研制出自走式不對行棉稈聯(lián)合收獲打捆機(jī)，可一次完成棉花秸稈的拔取、清土、切斷及打捆等作業(yè)，如圖1所示。

1.2工作原理

棉花秸稈屬于直根系作物，根系分布在耕作層內(nèi)，生長發(fā)達(dá)[7]。不對行棉稈收獲臺的研究就是通過工作部件完成棉根與土壤的分離，將棉稈整株拔取，如圖2所示。

棉稈在被拔起的瞬間受到拔稈輥對棉稈的推力、拔稈輥上布置的V形齒板對棉稈的靜摩擦力及棉稈被V形齒板前推變形產(chǎn)生的彈力的合力構(gòu)成的棉稈綜合拔取力[8]。在棉稈拔取過程中，土壤要發(fā)生變形，還需克服根系與土壤的黏著力和摩擦力等，這些阻力綜合為拉拔阻力。研究表明：棉稈在松軟的土壤中，從拉拔開始至阻力基本解除對應(yīng)的位移可達(dá)140mm ；拉拔阻力與棉稈根部直徑成正比；土壤越黏重，土壤含水量越小，土壤堅實度也越高，拉拔阻力也增大[9]。通過性能試驗可知，棉花秸稈的最優(yōu)起拔角度為30°，最優(yōu)起拔線速度為6.28mm/s[10]。同時，對收獲期棉花秸稈的形態(tài)進(jìn)行研究，并結(jié)合已有的起拔阻力測試，建立棉稈形態(tài)三維模型，為多輥式棉稈收獲臺結(jié)構(gòu)設(shè)計提供依據(jù)。

1.不對行棉稈拔稈臺　2.溜板輸送裝置　3.打捆裝置　4.切斷裝置

圖2　V形齒板夾持棉稈工作原理

多輥式棉稈收獲臺的工作原理：撥禾輪外圍橫桿撥在棉稈的2/3處向后撥送，旋轉(zhuǎn)拔稈輥上的 V 形齒板夾住棉稈靠近地面根部，在撥禾輪的共同作用下，將棉稈向上提拔；棉稈被提拔出來后，拔稈輥的運動 使棉稈向后傾倒，并從 V 形齒板的齒槽中脫出。若有棉稈因為夾持力過大而未能及時從 V 形齒槽中脫出，則當(dāng) V 形齒板轉(zhuǎn)到后上方與清理齒交匯時，由清理齒將棉稈從 V 形齒板齒槽中強(qiáng)制清理出來，并落入位于其后旋轉(zhuǎn)的強(qiáng)制輸送輥，再繼續(xù)向后撥送到螺旋輸送器上，由螺旋輸送器完成棉稈的聚攏、輸送。多輥式棉稈收獲臺的結(jié)構(gòu)圖，如圖3所示。

圖3　多輥式棉稈收獲臺結(jié)構(gòu)圖

多輥式棉稈收獲臺的主要技術(shù)參數(shù)，如表1所示。

表1　主要技術(shù)參數(shù)

2主要工作部件的設(shè)計分析

2.1拔稈輥的工作原理和基本結(jié)構(gòu)

拔稈輥結(jié)構(gòu)為橫向臥輥式，主要由拔輥軸和 V 形齒板組成。在拔稈輥軸的圓周切向均布3排 V形齒板，軸線方向上錯位布置，以減小棉稈拔取過程的沖擊和振動。為了提高齒板對棉稈的抓取效果，齒板一側(cè)開有鋸齒形齒槽，一側(cè)固定連接到拔輥軸。拔稈輥在鏈輪的驅(qū)動下轉(zhuǎn)動，V形齒板完成對棉稈的抓取，在撥禾輪的共同作用下，隨著機(jī)組的前進(jìn)和拔稈輥自轉(zhuǎn)的共同作用，實現(xiàn)棉稈的拔取。V 形齒板是拔稈輥的關(guān)鍵工作元件，最主要的結(jié)構(gòu)參數(shù)就是齒寬L和齒形角A。為保證V 形齒板能夠抓取棉稈并減少與棉稈間的相對滑移[9]，應(yīng)至少滿足

L≥M, A≤A0

式中L—V形齒板拔稈齒齒寬(mm)；

M—棉花秸稈主干直徑(mm)；

A—齒刀的齒形角(°)；

A0—棉稈和鋼材間摩擦角(°)。

V 形齒板的齒形角不宜過小，否則會切斷棉稈或者棉稈卡入齒槽不易清理，造成纏繞。經(jīng)測定棉稈與鋼材間的摩擦角A0=29.1°。根據(jù)濱州市棉田實地調(diào)研，棉花秸稈地表截面直徑范圍為12～30mm，大部分在20mm左右。因此，本設(shè)計V 形齒板齒寬L=23mm,齒形角A=25°。設(shè)計加工完的拔稈輥部件在田間進(jìn)行拔除性能試驗，如圖4所示。

圖4　拔稈輥的田間性能試驗

2.2清理輥設(shè)計

清理輥布置于拔稈輥的后方，轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)速與拔稈輥相同。其功能是強(qiáng)制將棉稈從齒槽中清理出來，清除纏繞在拔稈輥上的雜草和殘膜，并將橫跨于 V 形齒板上的棉稈切斷，防止 V 形齒板齒槽被異物纏繞阻塞而造成的棉稈拔凈率下降；同時還可以將棉稈根部黏附的泥土震落。要使清理輥每次都能較好地清理掉拔稈輥上的棉稈、雜草和殘膜則必須保證清理齒和 V 形齒板每次交匯時的位置不變。V 形齒板和清理齒都是采用在圓周方向上均勻布置3排的形式，并且需要清理輥和拔稈輥的轉(zhuǎn)速相同。經(jīng)過試驗得知 ：V 形齒板在轉(zhuǎn)到拔稈輥的后上方與水平面的夾角在45°～60°時與清理輥交匯，可以取得比較理想的清理效果。

2.3強(qiáng)制輸送輥設(shè)計

由于拔稈輥和棉稈輸送裝置結(jié)構(gòu)的限制，導(dǎo)致棉稈脫離拔稈輥時會出現(xiàn)少許棉稈不能落在輸送裝置的作用范圍，進(jìn)而堵塞后續(xù)棉稈，因而在拔稈輥和棉稈輸送裝置間添加強(qiáng)制輸送輥。在結(jié)構(gòu)上，這種裝置采用在軸的圓周上焊接矩形鐵板葉片，而且其轉(zhuǎn)速偏高于拔稈輥，保證有更多的機(jī)會撥動棉稈。

2.4收獲臺機(jī)架和螺旋輸送器的設(shè)計

棉稈經(jīng)拔稈輥拔出后，通過清理輥和強(qiáng)制輸送輥作用到達(dá)棉稈收獲臺，再由螺旋輸送器將棉稈向中間聚攏，并依靠伸縮扒爪將其運至鏈板輸送器，進(jìn)行后續(xù)作業(yè)。為避免棉稈上部抵在后壁上形成懸空，使螺旋輸送葉片有效波動，降低棉稈收獲臺后壁高度，加大螺旋輸送器的直徑，提升螺旋輸送器對棉稈波動的穩(wěn)定性。

3性能試驗

針對新研制的多輥式棉稈收獲臺的主要性能指標(biāo)[6]，在山東濱州的棉花試驗示范基地進(jìn)行大田試驗，如圖5所示。

圖5　多輥式棉稈收獲臺的田間試驗

3.1拔稈輥轉(zhuǎn)速對拔凈率、拔斷率、漏拔率的影響

當(dāng)拔稈輥轉(zhuǎn)速在350～600r/min 時，棉稈的拔凈率可以達(dá)到 90%以上。轉(zhuǎn)速改變，棉稈的拔凈率、漏拔率和拔斷率也隨之變化。拔稈輥在200r/min 低速運轉(zhuǎn)時，棉稈的拔凈率顯然較低，棉稈的漏拔率很高，拔斷率較低；伴隨轉(zhuǎn)速的提升，棉稈的拔凈率逐漸升高，棉稈的漏拔率逐漸減少，但是并未消除。在拔稈輥貼近地表作業(yè)時，棉稈拔凈率最高為95%，此時拔稈輥的轉(zhuǎn)速約為460r/min。不同轉(zhuǎn)速下的棉稈拔凈率如表2所示。

表2不同轉(zhuǎn)速下的棉稈拔凈率統(tǒng)計

Table 2Statistics of pulling rate on cotton stalk in different speed

%

3.2拔稈輥離地間隙對拔凈率的影響

當(dāng)拔稈輥轉(zhuǎn)速一定時，拔稈輥作業(yè)高度越低，棉稈越容易抓取，棉稈的拔凈率也越高。入土10～20mm時棉稈的拔凈率最高，但相應(yīng)的功耗也提高較大。當(dāng)拔稈輥貼近地表，拔稈輥轉(zhuǎn)速分別固定在380r/min和 460r/min時，其對應(yīng)的棉稈的拔凈率可以達(dá)到92%和 95%。當(dāng)拔稈輥的 V 形齒板入土作業(yè)時，棉稈的拔凈率繼續(xù)升高，可以達(dá)到 96%左右。拔稈輥不同高度時棉稈的拔凈率如表3所示。

表3　拔稈輥不同高度時棉稈的拔凈率統(tǒng)計

3.3棉稈直徑的大小對拔凈率的影響

通過對不同直徑的棉稈拔除作業(yè)分析，拔稈輥對直徑 21～30mm 棉稈的拔凈率始終高于直徑 13～20mm 棉稈的拔凈率。對于直徑13～20mm 的棉稈，隨著拔稈輥作業(yè)高度的降低，拔稈輥的拔凈率提升效果明顯。棉稈直徑在 21～30mm 之間時，拔稈輥的高度對拔稈輥拔凈率的影響比較小。通過此試驗可以得出一個規(guī)律：在拔稈輥的轉(zhuǎn)速相同、與地面的距離不變的情況下，棉稈的直徑越粗，越有利于棉稈的拔出。棉稈直徑對拔凈率的影響如表4所示。

表4棉稈直徑對拔凈率的影響

Table 4Influences of the diameter of cotton stalk for pulling rate

%

3.4棉稈收獲臺對春秋季棉稈收獲的適應(yīng)性

通過試驗發(fā)現(xiàn)：在春季拔棉稈時，棉稈的拔凈率平均為 96%，在年前秋季拔棉稈時棉稈的拔凈率平均為 93%。由于春季收獲棉稈時，較年前相比，土壤土質(zhì)疏松，棉稈根部腐爛等因素的影響，導(dǎo)致棉稈的抓地力減小，棉稈更容易被拔出，所以在春季時拔棉稈時拔凈率要明顯高于年前秋季拔棉稈。秋季與春季，棉稈拔凈率如表5所示。

表5　秋季與春季，棉稈拔凈率的數(shù)據(jù)統(tǒng)計

4結(jié)論

1)通過對多輥式棉稈收獲臺的研究與分析，建立棉稈拔取的力學(xué)模型，對影響棉稈拔凈率和生產(chǎn)效率的因素進(jìn)行對比分析，確定各參數(shù)的取值范圍。同時，對主要工作部件進(jìn)行性能試驗，確保完成不對行棉稈收獲的可行性；結(jié)合整機(jī)的結(jié)構(gòu)和功能，優(yōu)化提升匹配自走式平臺的多輥式棉稈收獲臺。

2)在山東濱州的棉花生產(chǎn)試驗示范基地進(jìn)行了大田作業(yè)，結(jié)果表明：當(dāng)拔稈輥處于適宜轉(zhuǎn)速350～600r/min、拔稈輥與地面的合適間隙為-20～10mm、作業(yè)速度為1m/s 時，該機(jī)的拔棉稈生產(chǎn)率可達(dá)到0.8hm2/h，拔凈率可達(dá)96%。表明該機(jī)在完成不對行收獲的前提下，具有拔凈率好及拔棉效率高的特點，主要性能指標(biāo)達(dá)到設(shè)計要求。

3)由于前期主要針對性能檢測，多輥式棉稈收獲臺在結(jié)構(gòu)的空間布置、動力輸出方式等方面還有待進(jìn)一步優(yōu)化。

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Design and Trial on Cotton Stalk Pulling Head with Multi-roller

Zhang Aimin1, Liu Kaikai1, Wang Zhenwei2, Liu Yujing1, Wang Huancheng1

(1.Binzhou Research Institute for Agricultural Mechanization,Binzhou 256616,China; 2.Nanjing Research Institute for Agricultural Mechanization, Ministry of Agriculture,Nanjing 210014,China)

Abstract：Cotton stalk is an important renewable biomass energy source，however, the exploitation of which is restricted for the lag of cotton stalk harvesting technologies. Because of variety of cotton row spacing, there were some problems on cotton stalk pulling machine ,such as smaller using scope, higher pulled break rate and higher energy consumption etc. In order to solve these problems, We developed a new cotton stalk pulling head with multi-roller. The operating principles of the pulling head were introduced, and the critical components were designed. The main performance indexes of the pulling head were measured by field tests. The results indicated all parameter indexes reached the design requirements.

Key words：cotton stalk pulling head; multi-roller; regardless of row; the V-shaped tooth plate

文章編號：1003-188X(2016)03-0091-05

中圖分類號：S225.91+2

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

作者簡介：張愛民(1976 -)，男，山東惠民人，高級工程師，(E-mail)bzzam@163.com。

基金項目：“十二五”國家科技支撐計劃項目(2013BAD08B02)

收稿日期：2015-03-12