夾持帶式棉稈收獲機設計與試驗

蔡佳麟 張佳喜 葉爾波拉提·鐵木爾 郜周明 芮照鈺 劉 雄

(新疆農業大學機電工程學院， 烏魯木齊 830052)

0 引言

隨著棉花種植面積的逐年增加，棉稈機械化整稈起拔收獲越來越受到重視。2018年，我國棉花種植面積為33.54萬hm2，年產秸稈1 400萬噸以上[1]。棉稈根茬與根部遺留在大田難以腐爛，影響了下茬耕整地和播種以及棉花作物的生長，同時可能導致當年病蟲害的再次爆發[2]。為了提高棉稈資源的有效利用率，降低殘留根茬對殘膜回收的影響，推動棉花產業向精耕細作生產模式發展，提升棉稈的經濟價值，迫切需要研發起拔效果良好的棉稈收獲機[3]。

國外棉稈整稈起拔收獲機械多數以對輥式起拔機械為主，其代表性機具有澳大利亞的MUTI收獲機和美國的AMADAS收獲機，拔稈部件以對輥運動的輪胎或膠輥為主，適用于大單行種植模式，較難適應機采棉作業行距。國內主要有對輥式、鏈夾式和齒盤式收獲機3種，如4MC-6型對輥起拔收獲機，該機具利用圓錐對輥起拔棉稈，因存在螺紋間隙，故容易導致漏拔[2,4]；江蘇東臺弶港農機廠制造的鏈夾式拔取收獲機與農業農村部南京農業機械化研究所研制的齒盤式棉稈收獲機[5]，拔取部件采用剛性材料，秸稈容易被碾斷或打斷，使拔斷率增大。

本文提出一種整稈起拔收獲方式，使用雙柔性帶裹夾曲線式連續拉拔秸稈，設計并進行正交試驗和驗證試驗，以期在現有棉稈起拔收獲方式基礎上，探索新的收獲方式。

1 機具結構與收獲原理

1.1 機具結構

夾持帶式棉稈收獲機主要包括液壓傳動系統、分禾器、夾持帶式拉拔裝置、張緊裝置和后置式三點懸掛裝置，作業行數為兩壟4行，機具結構如圖1所示。

圖1 夾持帶式棉稈收獲機結構示意圖Fig.1 Schematic of belt cotton straw harvester1.張緊輪 2.液壓馬達 3.鏈條 4.帶輪4 5.帶輪1 6.柔性傳動帶 7.帶輪3 8.帶輪2 9.分禾器 10.伸縮調節器 11.齒輪泵 12.動力輸入軸軸頭 13.液壓油箱

1.2 收獲原理

夾持帶式棉稈收獲機通過三點懸掛于拖拉機后方，依靠拖拉機帶動前進工作。拖拉機后置動力輸出軸通過轉動軸、萬向節與機具動力輸入軸軸頭連接，通過鏈條帶動齒輪泵工作；在齒輪泵作用下，液壓馬達帶動帶輪1旋轉[6]；主傳動帶隨著帶輪1運動，在摩擦力作用下帶動帶輪3上的副傳動帶進行反方向運動。柔性夾持帶轉速由液壓系統中的節流閥和溢流閥調節。棉稈經分禾器集禾后，在雙柔性帶夾持力和機具前進動力作用下被拉拔出地表并拋送至機具后方地面。

2 關鍵部件設計

棉稈收獲機關鍵部件是夾持帶式拔稈部件，通過對拔稈部件工作過程與秸稈受力分析，獲得拔稈部件關鍵工作參數。

2.1 拔稈部件工作過程

夾持帶式拔稈部件是拉拔部件，通過帶輪的交叉放置，實現柔性帶夾持棉稈并完成曲線式連續收獲。將帶夾部件的工作區間分為3段，分界點分別是帶輪2與帶輪3、帶輪3與主傳動帶、副傳動帶與帶輪1的公法線與夾持帶運動軌跡的交點OB、OC和OD，在這3個點上，柔性帶對棉稈的壓力最大。如圖1和圖2所示，拔稈部件主要由兩組夾持帶組成，每一組都由主柔性帶、副柔性帶、液壓馬達、帶輪1、帶輪2、帶輪3、帶輪4和分禾器等構成，安裝在機架下方，4個帶輪交錯放置，柔性帶呈“S”形拔送棉稈。帶輪1帶動主傳動帶運動，副傳動帶在主傳動帶摩擦力作用下進行反方向運動。拔稈部件通過分禾器分開、收集和扶起棉稈[7]，在拖拉機的前進帶動下，棉稈送入雙柔性帶。在帶輪2和帶輪3相對運動下，棉稈被柔性帶夾持進行連續拉拔，最終被整株拔起，離開地表，拋送至機具前進方向的側后方地面上，完成收獲作業。

圖2 秸稈運動過程示意圖Fig.2 Schematic of straw movement process1.帶輪4 2.傳動帶 3.帶輪1 4.帶輪3 5.副傳動帶 6.帶輪2

2.2 漏拔分析

根據田間試驗，主要有兩方面原因導致棉稈漏拔：采棉機采摘過后，秸稈散亂，分禾器較難收集秸稈，導致漏拔；拔稈機構拉拔時，力不足或打滑，導致漏拔[8]。為避免因拔稈機構問題導致的漏拔，設計了夾持帶式拔稈機構來分析其拔稈過程。

建立夾持帶在第1、2、3個拉拔點的靜止參考系O1X1Y1Z1、O2X2Y2Z2和O3X3Y3Z3。靜止參考系O1X1Y1Z1中通過主、副傳動帶在第一段拉拔的切點O1與帶輪2運動方向平行的平面X1O1Y1稱之為基面1；與主、副傳動帶在第一段拉拔的法線相切且垂直于基面的平面X1O1Z1稱之為帶夾平面1；與主、副傳動帶在第一段拉拔的切線相切且垂直于基面的平面Y1O1Z1稱之為正交平面1；靜止參考系O2X2Y2Z2和O3X3Y3Z3與此同理，如圖3所示[9-10]。

圖3 夾持帶靜止參考坐標系Fig.3 Static reference frame of stalk pulling parts

由于棉稈的主要受力集中于正交平面，為簡化運動分析過程，在正交平面內分析夾持帶的運動過程，并將其分為5個工作區間：帶夾區間、一次拉拔區間(區間1)、二次拉拔區間(區間2)、三次拉拔區間(區間3)和空行程區間，如圖2和圖4所示。因棉稈自身重力對拉拔區間的運動無太大影響，故在此區間的分析不計入重力。

圖4 收獲過程示意圖Fig.4 Diagram of harvesting process

點OA到點OB為帶夾區間，拖拉機帶動夾持帶前進工作，在分禾器作用下，棉稈在點OB被柔性帶夾持。

一次拉拔區間：點OB為第一次拉拔區間的著力點，拖拉機的前進運動，在水平面上給予了棉稈一定的加速度a1；并受到雙柔性帶對棉稈的摩擦合力F2和土壤粘結對棉稈的拉力F；F的大小由土壤粘結力決定，土壤粘結力大，會導致起拔時間長和難度大[11-12]。

此時的拉拔運動是由部件的前進運動和雙柔性帶的夾持運動復合而成。此區間分兩種情況討論：前進速度大于夾持帶水平分速度，則棉稈會因為被夾持而有被往前拉拔的趨勢；前進速度小于夾持帶水平分速度，則棉稈會因為被夾持而有被往后拉拔的趨勢。

帶輪1轉速n1為250～350 r/min、拉拔角γ為30°～60°，因此由公式

(1)

式中v——夾持帶運動速度，km/h

vs——夾持帶水平分速度，km/h

r1——主傳輸帶在點OD的運動半徑，mm

求得夾持帶水平分速度vs區間為6.41～15.59 km/h。由于前進速度為2.5～4.5 km/h，可知夾持帶水平分速度最小值大于前進速度最大值，第2種情況成立，棉稈將被夾持而有被往后拉拔的趨勢。

二次拉拔區間：點OC為二次拉拔區間的著力點，用于避免一次拉拔區間夾持帶打滑導致漏拔和輸送棉稈到三次拉拔區間OD。

此區間分兩種情況考慮：一次拉拔區間未能拔出棉稈，此時二次拉拔區間雙柔性帶作用在秸稈上的摩擦合力F′2存在。因有了一次拉拔區間拔稈部件的拉拔，部分棉根已被拔出，所以此時土壤粘結對秸稈拉力F′小于F，二次拉拔區間的棉稈將比較容易被拉拔出地表。第2種情況是一次拉拔區間已拔出棉稈，此時力F消失。

三次拉拔區間：點OD為三次拉拔區間的著力點，用于避免二次拉拔區間夾持帶打滑和拋送棉稈。

通過拔稈部件的曲線式連續拉拔，能夠較好地避免拉拔過程中拉拔力不足或打滑，同時增加拉拔力的持續時間，提高拉拔效果。

2.3 拔斷分析

經過觀察與試驗，棉稈斷裂形式主要有折、軋、扯、碾、切和搓斷等，原因是秸稈在剛性部件作用下形變量過大。為盡可能讓棉稈不被拉斷，拔稈部件通過柔性帶夾持作業收獲，減小秸稈的形變量，以此來降低拔斷率。并通過一次拉拔區間基面上的受力情況分析秸稈形變情況。

圖5所示為3個拉拔區間棉稈受力情況。棉稈在3個拉拔區間均發生相應形變。在一次拉拔區間，棉稈點B、B1受力F4、F3作用；在二次拉拔區間，棉稈點B2、B3受力F6、F5作用；在三次拉拔區間，棉稈點B4、B5受力F8、F7作用。

圖5 棉稈受力分析示意圖Fig.5 Schematic of cotton straw stress analysis

圖6 棉稈局部受力示意圖Fig.6 Schematic of local stress on cotton stalks

以圖5b中的面ABC做形變分析[13-14]。由圖5、6可知，點A和點C作用力F9、F10為

(2)

由平衡方程可求點B的反作用力

(3)

故棉稈彎矩為

(4)

棉稈兩邊彎矩相同，對其中一段進行積分

(5)

可求撓曲線方程

(6)

由于x=L1=L2，故棉稈基面截面在被夾持后的變形撓度Δy為

(7)

式中E——彈性模量

J——轉動慣量

L——AC長度，mm

L1——AB長度，mm

L2——BC長度，mm

若棉稈的變形撓度Δy過大，容易碾斷秸稈纖維層，導致拔斷率過高。公式(7)中，棉稈的變形撓度Δy由彈性模量決定，由于棉稈的彈性模量一定，為了減小棉稈的變形撓度，使用彈性系數較小的夾持帶，將棉稈的一部分形變轉移到了夾持帶上。由于夾持帶的彈性系數較小，在夾持過程中，柔性帶自身也有了一定形變。由于有了夾持帶的變形緩沖，棉稈在面ABC和A1B1C1上的形變長度L有了一定量的減小，變形撓度也隨之減小，對棉稈起到了一定的防斷作用。

2.4 拔稈機理分析

棉稈拉拔作業最終只有3個結果：拔出、漏拔和拔斷，通過參考相關文獻與試驗得知棉稈收獲傾角β與拉拔力是影響收獲作業效果的關鍵因素。收獲傾角β影響棉稈的拉拔抗力，即棉稈的收獲難易程度與拔斷率；拉拔力影響棉稈漏拔率。

為獲得較優的棉稈收獲傾角β與拉拔力，作以下分析。在靜止參考系正交平面上可以看出，隨著棉稈被夾入，收獲傾角β減小，被夾部分稈長ΔL逐漸增大，拉拔力也隨著增加。由圖7可知，拉拔作業時，收獲傾角使機具拉拔力主要集中于前進方向一側的棉稈根系上，隨著拉拔力的增大，受拉一方的根系先出地表，最后整株秸稈被拔起[15]。收獲傾角β小于90°時，根系被分段拔出，棉稈拉拔抗力小，棉花莖稈不易被拔斷；β等于90°時，根系被一次性拔出，拉拔抗力大，容易扯斷莖稈。即當收獲傾角小時，所需拉拔力隨之減小，但當收獲傾角過小時，水平方向上的阻力增加。由于收獲傾角是動態變化的，為獲得較好的收獲傾角β，需設置好前進速度、拉拔角和帶夾速度3個因素[16]。

圖7 拔稈受力分析示意圖Fig.7 Schematic of stalk pulling force analysis

2.4.1帶夾速度與前進速度

為實現柔性帶抓取棉稈，現進行以下分析，確定帶輪直徑、帶夾速度與前進速度。

如圖8a所示，當棉稈與夾持帶接觸時，單夾持帶對棉稈端部產生支反力N和抓取力T，夾持帶能抓取到棉稈的條件是

圖8 夾持帶工作分析示意圖Fig.8 Schematic of clamping work analysis

Tx>Nx

(8)

即

Tcosα>Nsinα

(9)

因

T=μN

(10)

代入得

μ>tanα

(11)

式中μ——摩擦因數

α——對棉稈的起始抓取角，(°)

即抓取角的正切值應小于摩擦因數。按照夾持帶能抓取棉稈的要求確定帶輪直徑。由圖8b可以得到

(12)

式中D——帶輪2的直徑，mm

d——棉稈直徑，mm

由公式(12)可以看出，當直徑D增大時，棉稈起始抓取角變小，棉稈抓取力提高。因

(13)

由公式(11)有

(14)

由公式(14)可知，拔稈機構對帶輪直徑有一定要求。為滿足夾持帶能夠抓取棉稈和被帶輪張緊，將帶輪2和帶輪3的直徑設置為140 mm和330 mm。并為降低棉稈拉拔抗力，獲取最佳收獲傾角，對拔稈機構的帶夾速度和前進速度進行分析。

當棉稈進入一次拉拔區間后，秸稈受到主、副柔性帶的單向壓力F3、F4。

如圖8c所示，在一次拉拔區間的基面上，棉稈受到的向心合力Fx使其繞帶輪3的圓心做曲線運動，把秸稈當作質點，則有

(15)

式中r3——帶輪3半徑，mm

拔稈部件依靠夾持帶對棉稈的摩擦力進行拉拔作業，分兩種情況討論：拉拔過程中夾持帶與秸稈接觸面打滑，此時秸稈受到動摩擦力；夾持帶能夠順利拔出秸稈，即不打滑，此時秸稈受到靜摩擦力。由于靜摩擦力F2大小是變化的，由土壤粘結對棉稈拉力F的分力f決定，故本文探討秸稈受到的最大靜摩擦力fmax。若拉分力f大于最大靜摩擦力，則會出現第1種情況，打滑；為使得秸稈能夠順利拔出，需保證最大靜摩擦力大于拉分力f。由最大靜摩擦力公式可求得

fmax=μF3+μF4=μ(F3+F4)

(16)

化簡公式(15)并代入式(16)可得

(17)

由公式(17)可以看出，柔性帶的帶夾速度v一方面影響著最大靜摩擦力，一方面影響著拉拔效果。較大的帶夾速度v可以提高最大靜摩擦力，從而提高機具拉拔力；但帶夾速度過大，拉拔時間短，容易拔斷棉稈；過小的帶夾速度使最大靜摩擦力相應降低，容易出現打滑，從而漏拔[17]。

設棉稈經歷點OB到點OE的工作路程所需時間為T1；拔稈部件走完一個棉稈株距所需時間為t，棉稈被拔出地表所需時間為t1。此時分兩種情況討論：

T1

T1≥t1：此時繼續細分為兩種情況討論，若時間t≥t1，即拔稈部件拔出一根棉稈后再拔第2根，此時的最大靜摩擦力fmax只需大于拉分力f即可，可確定帶夾速度v的下限值；若時間t

2.4.2拉拔角

為得到合適的收獲傾角β，還需要考慮第3個因素：拉拔角γ。本文通過正交平面上點OB的前進速度與帶夾速度的夾角關系分析拉拔角，如圖9所示。

圖9 速度夾角關系示意圖Fig.9 Schematic of speed angle relationship

由余弦定理可求得

(18)

由正弦定理可知，對于三角形△HOBJ，有

vsin(β-γ)=U

(19)

對于三角形△GHJ，有

v0sinβ=U

(20)

由公式(19)、(20)可得

(21)

式中k——比例系數

v——帶夾速度，km/h

vh——夾持帶速度和前進速度合速度，km/h

分析可知，當合速度夾角，即棉稈收獲傾角β大于90°時，即機具前進速度v0大于帶夾速度v，夾持帶較難完成拉拔作業，故本文設置的合速度夾角β小于90°。根據自制拉拔力試驗裝置測試結果，合速度夾角β在45°左右，作業效果較好。由式(21)可知，夾持帶拉拔速度與水平面夾角，即拉拔角γ與合速度夾角β呈一定比例關系。

由于夾持帶運動速度較難測算，使用帶輪1的轉速n1作為試驗因素，即

(22)

式中r1——帶輪1半徑，mm

3 田間試驗

3.1 試驗材料與設備

試驗品種：新陸早45號。試驗地點為新疆維吾爾自治區庫爾勒市尉犁縣達西村三隊，試驗時間為2019年10月24日。

試驗田土壤緊實度：入土深度100 mm，緊實度均值3 MPa；入土深度150 mm，緊實度均值3.8 MPa；入土深度200 mm，緊實度均值4.5 MPa。試驗田土壤含水率：入土深度50 mm，含水率為15%～20%。棉稈高度和根部長度均值分別為750 mm和200 mm，帶夾部位橫截面直徑均值為15 mm，前后株距均值為100 mm，左右行距均值為(660+100) mm，種植密度均值為34株/m2。

試驗儀器設備有：夾持帶式棉稈收獲機、常發CFD604A型拖拉機(發動機標定功率44.2 kW，動力輸出軸轉速540、760 r/min)、TJSD-750-Ⅱ型數顯式土壤緊實度測定儀、QS-WT型土壤水分溫度測定儀、轉速儀、皮尺和工具套裝等。夾持帶式棉稈收獲機田間試驗現場如圖10所示。

3.2 試驗方法

在帶夾棉稈運動過程和拔稈機理分析基礎上，通過田間試驗進一步確定機具前進速度、拉拔角度和帶輪1轉速對拔稈效果影響的最佳水平組合。

本文參照GB/T 8097—2008《收獲機械 聯合收割機試驗方法》進行試驗。田間試驗步驟為：調整機具作業幅寬以適應棉稈的株距，調整各試驗參數；在正式進入試驗區域前，預留15 m的距離用于穩定拖拉機和拔稈部件的工作狀態，以減小誤差；試驗區域長度定為45 m，每15 m為1小組試驗并記錄棉稈漏拔和拔斷數目，共3小組；變換工作參數，繼續重復前面的步驟并記錄數據[20]。

以前進速度、拉拔角和帶輪1轉速為影響因素，漏拔率和拔斷率作為評價指標開展多因素試驗。

3.3 評價指標

以棉稈漏拔率S1和拔斷率S2作為評價機具收獲效果的主要指標，各指標數據均為多次試驗的均值。

(23)

式中Z1——單位區域內棉稈漏拔數

Z2——單位區域內棉稈拔斷數

Z——單位區域內棉稈總數

按本文拔稈分析結果，最終選取機具前進速度、拉拔角和帶輪1轉速作為試驗因素，棉稈漏拔率S1和拔斷率S2作為響應值進行三因素三水平二次回歸正交試驗，如表1所示。

表1 試驗因素水平Tab.1 Factors and levels of response surface test

3.4 結果與分析

3.4.1試驗結果

根據Box-Behnken試驗原理設計的三因素三水平試驗結果如表2所示。

表2 試驗方案與結果Tab.2 Response surface analysis plan and test results

3.4.2回歸模型建立與顯著性分析

對表2的試驗數據進行多元線性回歸和二項式擬合，得到漏拔率S1和拔斷率S2的多元二次回歸響應面模型。

圖11 交互因素對拔稈效果影響的響應面Fig.11 Three-dimensional space diagram of influence of interactive factors on pulling effect

由表3分析可知，響應面模型中的棉稈漏拔率S1和拔斷率S2的P值分別為0.039 1和0.041 4，均小于0.05，說明回歸方程在0.05的水平顯著，表明試驗設計可靠。

表3 回歸方程方差分析Tab.3 Variance analysis of regression equations

根據方差分析可知，因素對棉稈漏拔率影響的顯著性主次順序為：機具前進速度A、帶輪1轉速C、拉拔角B；對棉稈拔斷率影響的顯著性主次順序為：帶輪1轉速C、拉拔角B、機具前進速度A。

通過響應值對應因素A、B、C構成的可視化三維空間圖和二維平面上的等高線圖，分析前進速度、拉拔角和帶輪1轉速對S1和S2的影響。圖11a為機具前進速度位于中心水平(3.5 km/h)時，拉拔角B和帶輪1轉速C對棉稈漏拔率交互作用的響應面圖，與B比較，C響應面曲線較陡，C等高線密度高于沿B移動的密度，說明此時B對棉稈漏拔率的影響較C更為顯著。

圖11b為帶輪1轉速位于中心水平時(300 r/min)，前進速度A和拉拔角B對棉稈拔斷率交互作用的響應面圖，與A比較，B響應面曲線較陡，B等高線密度高于沿A移動的密度，說明此時B對棉稈拔斷率的影響較A更為顯著。

3.5 參數優化與驗證

為了使夾持帶式棉稈收獲機發揮較好的收獲性能，本文在試驗的基礎上，利用Design-Expert軟件的數值優化功能模塊對試驗因素參數進行優化。在Optimization模塊中選擇Numerical Criteria，將響應值S1和S2設置為minimize模式，并調大Lower和Upper的區間，給予響應值較大的自由度。軟件優化結果分別是機具前進速度2.5 km/h、拉拔角38.65°、帶輪1轉速272.3 r/min，在此參數下，棉稈漏拔率為1.85%，棉稈拔斷率為7.72%。

響應面分析得到的優化結果是一個預測結果，需要做試驗加以驗證。驗證試驗品種：新陸早45號；地點：庫爾勒市尉犁縣達西村三隊；時間：2019年10月30日。試驗參數分別定為前進速度2.5 km/h、拉拔角40°和帶輪1轉速270 r/min。驗證試驗結果如表4所示。

表4 驗證試驗結果Tab.4 Verification test data %

分析表4的驗證試驗數據可知，棉稈漏拔率和拔斷率預測值與驗證試驗結果基本一致，相對誤差均不超過5%，說明本文選擇的試驗因素和水平是合理的，進行的響應面優化分析是成功的。驗證試驗效果如圖12所示。

圖12 驗證試驗效果圖Fig.12 Verification test effect diagram

3.6 討論

本文機具作業前進速度優化后為2.5 km/h，速度較慢。主要原因有：

(1)該機需要嚴格對行作業，對駕駛員要求高，作業速度若過快，容易導致漏拔率的增加。

(2)由于該機的液壓傳動系統中的油路采取并聯方式連接，只要一組夾持帶發生堵塞，該組的帶夾速度會降低，另一組帶夾速度增大。這時，機具需要一定的緩沖時間，兩組部件的帶夾速度才能回到初始狀態，故作業速度不宜過快。

(3)機采棉后，棉稈呈四方散開狀態，較難收集，加大了收獲難度，作業速度無法提高。

4 結論

(1)針對收獲機進行棉稈拉拔作業時，棉稈因折斷、軋斷、扯斷、碾斷、切斷和搓斷而導致拔斷率高的問題，設計了夾持帶式棉稈收獲機，使用雙柔性帶包裹、夾持棉稈，降低了拔斷率；采用夾持帶式拉拔機構，曲線式連續拉拔，降低了漏拔率。

(2)通過響應面試驗分析了機具各因素對棉稈收獲效果的影響，建立了以漏拔率和拔斷率為響應值的多元二次回歸模型。得出對棉稈漏拔率影響顯著性主次順序為：機具前進速度、帶輪1轉速、拉拔角；對棉稈拔斷率影響顯著性主次順序為：帶輪1轉速、拉拔角、機具前進速度。

(3)采用響應面組合試驗法對夾持帶式棉稈收獲機的工作參數進行優化，結果表明，當前進速度2.5 km/h、拉拔角38.65°、帶輪1轉速272.3 r/min時，模型得到的棉稈漏拔率為1.85%、拔斷率為7.72%。驗證試驗表明，在前進速度2.5 km/h、拉拔角40°和帶輪1轉速270 r/min時，棉稈漏拔率為6.84%、拔斷率為9.98%，與預測值相近，說明所建模型合理。