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(jī)械化研究所， 南京 210014； 2.濱州市農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究所， 濱州 256601)

0 引言

中國(guó)棉稈年產(chǎn)量約3.15×107t，資源量十分豐富，可用作造紙?jiān)?、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(guó)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(jià)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(jī)械的核心部件，對(duì)整機(jī)作業(yè)性能影響顯著。國(guó)內(nèi)外學(xué)者在棉稈起拔特性和拔棉稈機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)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(shí)間和不同含水率對(duì)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(shí)易切割，12月中下旬為棉稈最佳收獲時(shí)間。陳明江等[8-9]研究了較長(zhǎng)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(xiàn)[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(jì)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(jī)構(gòu)方面，文獻(xiàn)[14-16]研究了對(duì)輥式拔稈機(jī)構(gòu)拔稈輥傾角和轉(zhuǎn)速對(duì)拔稈效果的影響。王小瑜等[17]對(duì)齒盤式拔棉稈機(jī)進(jìn)行了仿真分析，模擬了齒盤水平時(shí)單點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡，但未對(duì)齒盤傾斜時(shí)運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行研究。文獻(xiàn)[18-19]設(shè)計(jì)了不對(duì)行棉稈拔取收獲整機(jī)，并對(duì)棉稈粉碎及泥土分離等裝置進(jìn)行了研究。馬繼春等[20]對(duì)齒盤式拔棉稈機(jī)構(gòu)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)分析，闡述了不同速比時(shí)棉稈夾持點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)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(jī)設(shè)計(jì)等方面，但在齒盤式拔棉稈運(yùn)動(dòng)過程和拔稈機(jī)理方面缺乏理論分析，齒盤前進(jìn)速度和轉(zhuǎn)速等參數(shù)對(duì)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(jī)多為機(jī)械傳動(dòng)，速比(齒盤圓周線速度與拖拉機(jī)前進(jìn)速度之比)無法調(diào)節(jié)。為探明速比對(duì)拔棉稈效果影響規(guī)律，采用電液控制技術(shù)設(shè)計(jì)齒盤式多行拔棉稈裝置試驗(yàn)臺(tái)架，對(duì)齒盤式拔棉稈裝置進(jìn)行運(yùn)動(dòng)過程和拔稈機(jī)理分析，并對(duì)該臺(tái)架關(guān)鍵機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。在理論和仿真基礎(chǔ)上進(jìn)行田間試驗(yàn)，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(jī)前進(jìn)速度對(duì)拔稈效果的影響，為優(yōu)化拔棉稈機(jī)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(jī)采用地輪驅(qū)動(dòng)，依靠地輪與地面摩擦實(shí)現(xiàn)動(dòng)力傳遞，在高速作業(yè)時(shí)，地輪打滑和傳動(dòng)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(jī)地輪與齒盤的傳動(dòng)比為定值，機(jī)構(gòu)工作參數(shù)無法根據(jù)棉稈收獲時(shí)期的變化做出相應(yīng)的調(diào)整，極大限制了拔稈機(jī)械的適用范圍。

本文設(shè)計(jì)的齒盤式多行拔棉稈裝置主要由平行四邊形掛接機(jī)構(gòu)、機(jī)架、液壓馬達(dá)及轉(zhuǎn)速傳感器、扶稈器、齒盤、折疊機(jī)構(gòu)等部件組成，如圖1所示。側(cè)邊機(jī)架在運(yùn)輸時(shí)可實(shí)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€(gè)齒盤實(shí)現(xiàn)單獨(dú)控制，齒盤旋向、轉(zhuǎn)速可調(diào)。

工作原理：工作時(shí)，拔稈齒盤在液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)下以一定速度旋轉(zhuǎn)，拖拉機(jī)向前行駛將棉稈喂入齒盤上的V型齒槽，在齒盤平動(dòng)及轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 齒盤式多行拔棉稈臺(tái)架整體設(shè)計(jì)

圖2 齒盤式多行拔棉稈臺(tái)架Fig.2 Dentate disc multi-row cotton-stalk uprooting bench1.散熱風(fēng)扇 2.液壓油箱 3.負(fù)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(cè)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(tái)架整體結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由負(fù)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(jī)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(duì)齒盤轉(zhuǎn)速、扭矩等關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控和實(shí)時(shí)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(jī)構(gòu)懸掛在拖拉機(jī)前端，拖拉機(jī)后動(dòng)力輸出軸通過聯(lián)軸器連接負(fù)載敏感泵為拔稈齒盤提供動(dòng)力，每個(gè)拔稈齒盤均由液壓馬達(dá)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)。齒盤式多行拔棉稈裝置臺(tái)架幅寬為2 400 mm，可以2行或4行同時(shí)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(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)作業(yè)時(shí)速比可調(diào)，齒盤式多行拔棉稈臺(tái)架采用電液控制，如圖3所示。拖拉機(jī)動(dòng)力輸出裝置(Power-take-off，PTO)驅(qū)動(dòng)負(fù)載敏感泵工作，負(fù)載敏感泵驅(qū)動(dòng)液壓油依次經(jīng)過電液比例閥、測(cè)壓閥塊至液壓馬達(dá)，馬達(dá)驅(qū)動(dòng)拔稈齒盤旋轉(zhuǎn)，拖拉機(jī)向前行駛實(shí)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(hào)傳輸給控制器，控制系統(tǒng)CPU結(jié)合拖拉機(jī)行駛速度信號(hào)并根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定將控制信號(hào)反饋給電液比例閥，電液比例閥系統(tǒng)依據(jù)信號(hào)控制馬達(dá)轉(zhuǎn)速。

根據(jù)圖3電液控制原理，選定丹佛斯JR-L系列負(fù)載敏感泵、PVG16-4型電液比例閥、OMP系列液壓馬達(dá)及轉(zhuǎn)速傳感器、HFBG-NN-0101型測(cè)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(dá)等模塊數(shù)值范圍。

根據(jù)文獻(xiàn)[9]棉稈拉拔阻力的研究結(jié)果，單個(gè)齒盤拔稈扭矩為

M=NL

(1)

式中M——單個(gè)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(zhǎng)度，取0.25 m

計(jì)算得出單個(gè)齒盤拔稈扭矩平均值125 N·m，最大值250 N·m，考慮20%儲(chǔ)備扭矩，單個(gè)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(shí)，轉(zhuǎn)速理論值為0～229 r/min。根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，選取OMP 200型液壓馬達(dá)和JR-L-S75C-LS型負(fù)載敏感泵，主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 負(fù)載敏感泵及液壓馬達(dá)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(jì)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(jī)前進(jìn)速度或齒盤轉(zhuǎn)速如何變化，齒盤圓周線速度與拖拉機(jī)前進(jìn)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(jī)前進(jìn)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(shí)讀取拖拉機(jī)前進(jìn)速度，根據(jù)設(shè)定的速比計(jì)算出理論齒盤轉(zhuǎn)速，系統(tǒng)讀取齒盤實(shí)際轉(zhuǎn)速后對(duì)理論轉(zhuǎn)速和實(shí)際轉(zhuǎn)速進(jìn)行比較并補(bǔ)償修正，然后將信號(hào)輸出給電液比例閥驅(qū)動(dòng)馬達(dá)旋轉(zhuǎn)。模式2時(shí)系統(tǒng)讀取齒盤設(shè)定轉(zhuǎn)速和實(shí)際轉(zhuǎn)速，進(jìn)行比較和補(bǔ)償后將信號(hào)輸出給電液比例閥，進(jìn)而在馬達(dá)驅(qū)動(dòng)下控制齒盤以設(shè)定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。

2.3 齒盤及退稈機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

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(qiáng)度，而且影響棉稈起拔行程的長(zhǎng)短。齒型設(shè)計(jì)為V型齒槽，V型齒槽對(duì)棉稈直徑粗細(xì)適應(yīng)性強(qiáng)、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(yàn)臺(tái)架通用性，設(shè)計(jì)齒盤半徑r為250 mm[22]。齒盤太薄強(qiáng)度不足，太厚增加能耗和成本，設(shè)計(jì)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(xì)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(shí)需滿足

圖5 齒盤及退稈機(jī)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(huì)影響夾持效果[23]，綜合考慮取齒角為35°，計(jì)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(dòng)下繼續(xù)旋轉(zhuǎn)。根據(jù)棉稈被拔出時(shí)運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)設(shè)計(jì)了退稈機(jī)構(gòu)，如圖5所示。四邊形ABCD區(qū)域?yàn)橥硕拝^(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(gè)齒。退稈機(jī)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(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

平行四邊形掛接機(jī)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(jī)構(gòu)將拔棉稈裝置與拖拉機(jī)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(zhǎng)度大于下拉桿長(zhǎng)度時(shí)，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(jī)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(yùn)動(dòng)過程及機(jī)理分析

3.1 拔棉稈運(yùn)動(dòng)過程分析

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

夾持階段，棉稈進(jìn)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(diǎn)a和點(diǎn)b)逐漸形成對(duì)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(duì)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(duì)棉稈拉拔力大小和方向隨棉稈位置變化呈動(dòng)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(jìn)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(jī)構(gòu)接觸，棉稈在一側(cè)刃推力Fa和退稈機(jī)構(gòu)推力Fc作用下沿退稈機(jī)構(gòu)滑脫；拉拔力F1消失時(shí)表明棉稈脫離齒盤，一個(gè)拔稈周期結(jié)束，該V型齒槽進(jìn)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(shí)有

F0=Fa+Fb

(5)

F1=F0+F

(6)

圖7 棉稈運(yùn)動(dòng)過程和受力分析簡(jiǎn)圖Fig.7 Brief diagrams of cotton-stalk movement and force analysis

(7)

式中F——齒盤對(duì)棉稈的摩擦力，N

N——土壤對(duì)棉稈的阻力，N

棉稈退稈前運(yùn)動(dòng)軌跡與齒盤對(duì)應(yīng)夾持點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡重合，推力F0方向?yàn)檐壽E曲線法線方向，摩擦力F方向?yàn)槊薅捙c齒盤相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)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(duì)棉稈阻力N，當(dāng)拉拔力F1小于土壤阻力N時(shí)，棉稈不能被拔起。因棉稈重力遠(yuǎn)小于土壤對(duì)棉稈的阻力，拔棉稈的實(shí)質(zhì)為拉拔力F1克服土壤對(duì)棉稈根系阻力N對(duì)棉稈做功的過程。且棉稈能否被拔起還與拉拔力作用時(shí)間長(zhǎng)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(duì)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(shí)間，s

t1——棉稈起拔完成時(shí)間，s

ω——齒盤旋轉(zhuǎn)角速度，rad/s

t——運(yùn)動(dòng)時(shí)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(shí)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(shí)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(shí)間合適。拉拔力由齒盤運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生，齒盤結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)參數(shù)是影響拉拔力和拉拔時(shí)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(jī)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(yùn)動(dòng)參數(shù)是影響拔稈效果的直接因素。速比決定了棉稈的運(yùn)動(dòng)軌跡及起拔時(shí)間。以齒盤V型齒槽上H點(diǎn)為研究對(duì)象，從H點(diǎn)接觸棉稈至脫離棉稈過程的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖8所示，P點(diǎn)為極大值點(diǎn)，在P點(diǎn)之前棉稈沿y軸正向運(yùn)動(dòng)，到達(dá)極值點(diǎn)P后運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生改變，向y軸反方向移動(dòng)。P點(diǎn)出現(xiàn)之前齒盤夾持棉稈呈向前推拉運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，超過P點(diǎn)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(diǎn)P之前，應(yīng)對(duì)PH段棉稈運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)一步探討。

圖8 齒盤運(yùn)動(dòng)分析簡(jiǎn)圖Fig.8 Motion analysis sketch of dentate disc

由運(yùn)動(dòng)學(xué)分析[24]可得H點(diǎn)的絕對(duì)速度、齒盤圓周線速度及H點(diǎn)沿x、y方向的位移、絕對(duì)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(diǎn)絕對(duì)速度，m/s

Vm——拖拉機(jī)前進(jìn)速度，m/s

VH——H點(diǎn)圓周線速度，m/s

n——齒盤轉(zhuǎn)速，r/s

X——H點(diǎn)沿x方向位移，m

Y——H點(diǎn)沿y方向位移，m

Vx——H點(diǎn)沿x方向絕對(duì)速度，m/s

Vy——H點(diǎn)沿y方向絕對(duì)速度，m/s

由式(9)～(14)可知，當(dāng)拖拉機(jī)前進(jìn)速度Vm一定時(shí)，齒盤轉(zhuǎn)速n增大，齒盤圓周線速度VH隨之增大，H點(diǎn)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(shí)間，起拔時(shí)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(shí)，齒盤對(duì)棉稈的起拔和輸送速度較快，棉稈起拔作用時(shí)間短，有助于提高拔稈效率，單位時(shí)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(shí)，棉稈在y方向達(dá)到最大位移所需時(shí)間遠(yuǎn)小于棉稈完全起拔所需最短時(shí)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(yùn)動(dòng)軌跡由速比λ決定；棉稈的運(yùn)動(dòng)軌跡復(fù)雜且不規(guī)則，但速比一定時(shí)齒盤運(yùn)動(dòng)是確定的，運(yùn)用ADAMS軟件對(duì)拔棉稈裝置單個(gè)齒盤進(jìn)行運(yùn)動(dòng)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(jī)理。齒盤與地面水平時(shí)，不同速比λ條件下H點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡如圖9所示。

圖9 不同速比時(shí)齒盤H點(diǎn)運(yùn)動(dòng)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(diǎn)軌跡均為余擺線。當(dāng)拖拉機(jī)速度一定時(shí)，隨著速比λ的增大，在x方向上，H點(diǎn)行程由長(zhǎng)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(shí)，棉稈起拔趨勢(shì)較為顯著，此時(shí)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(shí)，棉稈退稈趨勢(shì)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(shí)間過短和動(dòng)載荷較大易加劇棉稈斷裂。

文獻(xiàn)[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(jìn)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(shí)齒盤H點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡曲線，如圖10所示。

圖10 齒盤多工況運(yùn)動(dòng)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(shí)，H點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡為平面曲線，齒盤起拔傾角θ為6°和12°時(shí)，其運(yùn)動(dòng)軌跡為空間曲線，棉稈在平面擺線運(yùn)動(dòng)基礎(chǔ)上有向上提拔運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，且傾角越大向上位移越大，此時(shí)棉稈呈斜向上絕對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，因此，齒盤向前傾斜一定角度較齒盤平行地面時(shí)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(shì)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(gè)階段，速比大小決定拔稈周期長(zhǎng)短，速比大則拔稈周期短，速比小則拔稈周期長(zhǎng)；齒盤對(duì)棉稈的拉拔力沿一定角度作用一段時(shí)間后將棉稈拔出，起拔時(shí)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(yùn)動(dòng)為最優(yōu)起拔姿勢(shì)，齒盤傾斜起拔效果優(yōu)于水平起拔效果。

4 田間試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)材料與設(shè)備

試驗(yàn)地點(diǎn)為山東省濱州市無棣縣棉花新品種K836輕簡(jiǎn)化豐產(chǎn)栽培示范基地，試驗(yàn)時(shí)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(zhǎng)勢(shì)良好。牽引拖拉機(jī)為福田雷沃歐豹FT620，發(fā)動(dòng)機(jī)功率60.3 kW，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖11所示。

圖11 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖Fig.11 Picture of test site

4.2 試驗(yàn)方法

基于齒盤拔棉稈運(yùn)動(dòng)過程和拔棉稈機(jī)理分析可知，需通過田間試驗(yàn)進(jìn)一步確定速比、齒盤圓周線速度和拖拉機(jī)前進(jìn)速度對(duì)拔棉稈效果的影響及最佳水平組合。

試驗(yàn)參考GB/T 8097—2008《收獲機(jī)械 聯(lián)合收割機(jī)試驗(yàn)方法》及DB37/T 1856—2011《齒盤式拔棉稈機(jī)通用技術(shù)條件》開展。試驗(yàn)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(shí)V型齒槽形態(tài)變化對(duì)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(jī)穩(wěn)定運(yùn)行、減小誤差，拖拉機(jī)進(jìn)入棉稈區(qū)之前有20 m穩(wěn)定區(qū)用來調(diào)節(jié)拖拉機(jī)工況，使其達(dá)到試驗(yàn)設(shè)計(jì)參數(shù)并穩(wěn)定運(yùn)行后記錄數(shù)據(jù)。測(cè)試區(qū)長(zhǎng)度為30 m，記錄棉稈漏拔數(shù)和拔斷數(shù)，每組試驗(yàn)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(yàn)。在單因素研究基礎(chǔ)上，引入影響因素——拖拉機(jī)前進(jìn)速度，探究拖拉機(jī)前進(jìn)速度對(duì)拔棉稈效果的影響，開展速比和拖拉機(jī)前進(jìn)速度多因素試驗(yàn)。

4.3 評(píng)價(jià)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(jì)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(yàn)結(jié)果與分析

5.1 單因素試驗(yàn)

(1)速比對(duì)拔棉稈效果的影響

文獻(xiàn)[20]對(duì)0.5～3內(nèi)6個(gè)水平(0.5、0.8、1、1.5、2、3)條件下棉稈夾持點(diǎn)軌跡進(jìn)行了理論分析，表明λ為1時(shí)是軌跡形狀變化轉(zhuǎn)折點(diǎn)，λ>1時(shí)為余擺線，λ<1時(shí)為短擺線，經(jīng)市場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)目前常用齒盤式拔棉稈機(jī)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(yàn)水平。試驗(yàn)在調(diào)速比模式下進(jìn)行，該模式下系統(tǒng)可根據(jù)實(shí)時(shí)反饋回來的拖拉機(jī)前進(jìn)速度調(diào)整齒盤轉(zhuǎn)速，保證試驗(yàn)在設(shè)定的速比下開展。PTO轉(zhuǎn)速為1 000 r/min，每次試驗(yàn)重復(fù)3次。

用F檢驗(yàn)在顯著性水平α=0.05條件下對(duì)速比因素進(jìn)行檢驗(yàn)，由SPSS 22.0軟件計(jì)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(duì)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(yàn)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(shì)。速比為0.40、0.50、0.60和0.75時(shí)，拔斷率小于10%，在速比為1時(shí)拔斷率突增，達(dá)到最高值21.04%，考慮原因?yàn)樵撍俦认旅薅掃\(yùn)動(dòng)至軌跡中P點(diǎn)時(shí)，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(dá)到1.25時(shí)，拔斷率突然降低至8%以下，漏拔率突增，超過25%，速比較大時(shí)齒盤轉(zhuǎn)動(dòng)趨勢(shì)大于前進(jìn)趨勢(shì)，此時(shí)棉稈剛被夾持即發(fā)生較大轉(zhuǎn)動(dòng)，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(shì)，大于80%；在速比為0.75時(shí)，拔凈率最高，為94.75%；速比大于1時(shí)拔凈率小于75%。

圖12 速比對(duì)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(jī)平均前進(jìn)速度約0.85 m/s條件下，速比小于1時(shí)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(dòng)變化，拔凈率呈遞增趨勢(shì)；速比為1和1.25時(shí)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(shí)拔凈率大于90%，滿足設(shè)計(jì)要求。

(2)齒盤圓周線速度對(duì)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(shí)，齒盤轉(zhuǎn)速與拖拉機(jī)前進(jìn)速度成正比。拔棉稈機(jī)實(shí)際工作時(shí)速比為定值，拖拉機(jī)前進(jìn)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(jī)前進(jìn)速度變化而變化。考慮齒盤高轉(zhuǎn)速運(yùn)動(dòng)時(shí)切割特性明顯[26-28]，有必要研究齒盤圓周線速度對(duì)拔棉稈效果的影響。

以速比λ為0.5及拖拉機(jī)中等前進(jìn)速度為基準(zhǔn)，結(jié)合前期試驗(yàn)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(yàn)在調(diào)轉(zhuǎn)速模式下進(jìn)行，該模式下齒盤轉(zhuǎn)速不受拖拉機(jī)前進(jìn)速度影響，拖拉機(jī)前進(jìn)速度工作范圍為0.5～1.8 m/s，每次試驗(yàn)重復(fù)3次，取平均值，試驗(yàn)結(jié)果如圖13所示。由SPSS 22.0軟件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)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(duì)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(shí)，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(shì)，棉稈漏拔率及拔斷率同樣呈波動(dòng)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(shí)，齒盤轉(zhuǎn)速較低，相比較而言，拖拉機(jī)前進(jìn)速度較快，已拔出棉稈未能及時(shí)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(dòng)下將后續(xù)棉稈“掛扯”帶出土壤，此現(xiàn)象與上述運(yùn)動(dòng)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(jī)不能長(zhǎng)時(shí)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(shí)，拖拉機(jī)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(shì)，棉稈漏拔率和拔斷率呈先減后增趨勢(shì)。齒盤圓周線速度為0.96 m/s時(shí)，棉稈拔凈率最高。

圖13 齒盤圓周線速度對(duì)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(shí)況圖Fig.14 Cotton-stalk clogged

5.2 多因素試驗(yàn)

為了研究速比和拖拉機(jī)前進(jìn)速度對(duì)拔棉稈效果的影響規(guī)律，以速比和拖拉機(jī)前進(jìn)速度為影響因子開展了多因素試驗(yàn)。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(jī)前進(jìn)速度分別取拖拉機(jī)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(yàn)重復(fù)3次，試驗(yàn)方案和結(jié)果如表4所示，由SPSS 22.0軟件計(jì)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(shí)，棉稈拔凈率平均值較高，分別為91.97%和89.06%。拖拉機(jī)前進(jìn)速度為0.85 m/s，速比為0.75時(shí)，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(duì)各考核指標(biāo)的影響主次順序?yàn)椋喊蝺袈?、拔斷率、漏拔率，速比?duì)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(jī)前進(jìn)速度對(duì)拔斷率和漏拔率影響P值均小于0.01，具有極顯著影響，對(duì)拔凈率影響P值為0.019，小于0.05，表明拖拉機(jī)前進(jìn)速度對(duì)棉稈拔凈率具有顯著影響。拖拉機(jī)前進(jìn)速度對(duì)各考核指標(biāo)的影響主次順序?yàn)椋郝┌温?、拔斷率、拔凈率，說明影響棉稈漏拔的主要因素是拖拉機(jī)的前進(jìn)速度，速比對(duì)棉稈拔凈率的影響大于拖拉機(jī)前進(jìn)速度的影響。速比和前進(jìn)速度兩個(gè)因子之間對(duì)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(jìn)速度對(duì)棉稈拔除效果影響的試驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Effect of speed ratio and tractor forward speed on cotton-stalk uprooting

注：括號(hào)內(nèi)數(shù)值為標(biāo)準(zhǔn)差。

表5 多因素試驗(yàn)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(duì)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(jìn)一步分析速比和拖拉機(jī)前進(jìn)速度交互作用對(duì)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(yàn)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(jìn)速度和大速比、低前進(jìn)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(jī)高擋位作業(yè)時(shí)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(shí)，拖拉機(jī)前進(jìn)速度較大容易導(dǎo)致棉稈漏拔率增加，速比增大時(shí)可適當(dāng)降低拖拉機(jī)前進(jìn)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(shí)能夠獲得較高拔凈率，且λ為0.70時(shí)能夠滿足不同前進(jìn)速度作業(yè)要求；速比λ為0.65～0.70，拖拉機(jī)前進(jìn)速度較大時(shí)，棉稈拔凈率較高；速比λ為0.70～0.80，拖拉機(jī)前進(jìn)速度較慢時(shí)，棉稈拔凈率較高。

6 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)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(jī)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(jī)理分析，將棉稈拔除周期分為夾持、起拔、輸送和退稈4個(gè)工作階段。運(yùn)用ADAMS運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真軟件研究不同速比及齒盤傾角對(duì)拔稈效果的影響規(guī)律，結(jié)果表明：拖拉機(jī)前進(jìn)速度一定時(shí)，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(shí)棉稈退稈速度慢，易導(dǎo)致棉稈擁堵；速比過大時(shí)，齒盤夾持棉稈時(shí)間遠(yuǎn)小于起拔時(shí)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(shí)齒盤對(duì)棉稈起拔力大小、方向及夾持時(shí)間需滿足一定要求。

(3)單因素試驗(yàn)結(jié)果表明，速比對(duì)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(duì)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(shí)拔凈率較高，但易導(dǎo)致拖拉機(jī)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(shì)。

(4)多因素試驗(yàn)結(jié)果表明：速比對(duì)各考核指標(biāo)的影響主次順序?yàn)椋喊蝺袈?、拔斷率、漏拔率；前進(jìn)速度對(duì)各考核指標(biāo)的影響主次順序?yàn)椋郝┌温?、拔斷率、拔凈率；最佳組合為：拖拉機(jī)前進(jìn)速度0.85 m/s、速比0.75，此時(shí)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%。