夾持輸送式棉花拔稈機的設計與試驗

葉爾波拉提·鐵木爾，張佳喜，蔡佳麟，王毅超，郜周明，芮照鈺

(新疆農業大學機電工程學院，新疆 烏魯木齊 830052)

棉花是我國非常重要的經濟作物，2019年全國棉花種植面積333.92萬hm2，其中新疆維吾爾自治區棉花種植面積254.05萬hm2[1].棉稈根部長時間留存在土壤中，根系不易腐爛，容易造成病蟲害的傳播，且后續生產作業不利，拔除棉稈有利于減輕病蟲害[2-3].夾持輸送式拔棉稈方式可以將棉稈整根拔出，棉稈拔除之后有利于地膜回收，其次有松土的效果.棉秸稈資源如果實現循環利用，將產生巨大的經濟效益[4-8].

在六十年代中期，國內就開始了對棉稈收獲機械的研制[9].其中主要分為鏟切式、滾切式、提拔式、聯合作業方式四種.如河北農哈哈的4MJ-2型齒盤式棉花秸稈收獲機[10-11]，該機具適合內地單行種植模式，不適于機采棉窄雙行種植模式；武漢市農業機械化研究所的4MC-6型拔棉稈機[12-13]，該機利用對輥圓錐拔棉稈，因螺紋間隙，漏拔率較高.由于關鍵部件使用剛性材料，棉稈容易扯、折斷等問題.國外棉稈收獲機械按照收獲原理歸納為3種，拔取式、刨切式與鏟切式.如澳大利亞的Muti和美國的ADAMAS[14-15]拔稈裝置主要是膠輥和一對輪胎為主.國外收獲機械主要使用于大單行種植，很難適應國內一膜四行種植模式.

本文提出采用夾持輸送式結構將棉稈整株回收[16]，采用柔性雙皮帶夾持，對棉秸稈起到一定的保護作用，從而可以降低夾斷率，有效拔稈區域加長，不易造成棉稈堵塞，拔取率高，適合機采棉種植模式的棉稈整稈拔取收獲機.可完成機采棉種植模式下的棉稈整稈回收，以漏拔率與拔斷率為目標參數，研究不同的機具參數對棉花拔稈機的影響，找出最優工作參數，為棉花拔稈機的研發與設計提供理論參考.

1 總體結構和工作原理

1.1 總體結構

夾持輸送式棉花拔稈機主要由分禾器、張緊裝置、焊合機架、液壓馬達、油箱、從動輪張緊、從動輪、主動輪和液壓泵等組成.總體結構如圖1所示.

1.2 工作原理及技術參數

收獲機工作時，棉花拔稈機通過三點懸掛掛接于拖拉機后方，拖拉機后輸出軸與液壓泵傳動軸通過萬向節連接，液壓泵通過液壓帶動兩個液壓馬達轉動，液壓馬達通過聯軸器帶動主動輪旋轉，同時主動輪通過皮帶帶動從動小輪旋轉，主、副皮帶做相對旋轉運動，分禾器將棉秸稈引導進入拔稈區域，在機具前進推力及其皮帶夾持起拔力作用下，完成棉稈起拔并將其輸送于機具后方.技術參數如表1所示.

1：分禾器；2：張緊裝置；3：機架；4：液壓馬達；5：油箱；6：從動輪張緊；7：從動輪；8：主動輪；9：液壓泵.1：Divider；2：Tensioning device；3：Frame；4：Hydraulic motor；5：Tank；6：Driven wheel tension；7：Driven wheel；8：Driving wheel；9：Hydraulic pump.圖1 夾持輸送式棉花拔稈機的結構示意圖Figure 1 Schematic diagram of the structure of the clamping and conveying cotton stalk harvester

1.3 傳動系統

為了工作時主動輪轉速可調，夾持輸送式棉花拔稈機采用串聯液壓方式，拖拉機后置動力輸出軸帶動齒輪泵，液壓油在齒輪泵的作用下通過調速閥控制2個串聯液壓馬達轉動并滿足提供主動輥所需的轉速.液壓傳動示意圖如圖2所示.

表1 夾持輸送式棉稈收獲機的工作參數Table 1 Working parameters of the gripping and conveying cotton straw harvester

1：油箱；2：液壓泵；3：手動二位四通換向閥；4：液壓馬達；5：調速閥；6：溢流閥.1：Tank；2：Hydraulic pump；3：Manual two position four way directional valve；4：Hydraulic motor；5：Governor valve；6：Relief Valve.圖2 液壓傳動示意圖Figure 2 Transmission system diagram of the hydraulic pressure

2 關鍵部件設計與分析

2.1 引稈裝置的設計

引稈裝置主要由掛架與分禾器焊接組成，分禾器安裝到拔稈裝置前方，機具前進時對錯行棉稈及倒伏起到扶正并導向拔稈裝置，將兩行的棉稈向中央集中.為降低棉稈指標來設計，其中主要參數是分禾器與地表之間高度H與分禾器尖銳部分的角度β，如圖3所示.

圖3中，ABC為分禾器底部平面；H為分禾器離地高度，mm；v0為機具前進方向；β為分禾器尖銳部分的夾角，(°)；δ為棉稈與分禾器平面ABC的夾角，(°)；K為分禾器寬度，mm；W為分禾器對棉稈的作用力，N；f為棉稈與分禾器之間的摩擦力，N；N為靜摩擦力，N.

圖3 分禾器幾何分析圖Figure 3 Geometric analysis diagram of divider

尖銳部分的夾角β的大小影響分禾器扶正棉稈導向拔稈裝置，假設當β=180°時，棉稈無法被送到拔稈區域；當β=0°時，分禾器與機具前進方向相同，無法扶正倒伏的棉稈，將順利的送入拔稈區域，故存在一定的夾角β′，當β=β′時，棉稈與分禾器產生相互的作用力，則有：

(1)

(2)

f=μW

(3)

式中：μ為棉稈與分禾器側面之間的摩擦因數.

查閱資料木材與金屬之間的摩擦因數，取棉稈與分禾器側面之間的摩擦因數為0.2～0.6，由式(1)～(3)得30°≤β≤40°，經計算取分禾器尖銳部分的夾角35°.

機具前進時，分禾器與地面的高度H越低，越有利于將棉稈扶正.考慮到棉稈抗彎角度δ，來確定分禾器的寬度K，假如機具前進時，棉稈抗彎角度δ大于工作時棉稈角度δ，則能將棉稈順利的送入拔稈區域，得：

(4)

機具工作時，考慮到田間地不平等因素分禾器離地高度最高300 mm，故H≤300 mm，根據測量田間棉稈抗彎角度δ，取值30°～40°.由式(4)得K≤350 mm，取分禾器寬度K為350 mm.

上述分析可知，機具工作時，分禾器越低越好，降低折斷率，分禾器于地面的高度不超過300 mm，則分禾器寬度K取350 mm，分禾器尖銳部分的夾角取35°.

2.2 拔稈裝置的設計

拔稈裝置的結構如圖4所示，該裝置具有調節皮帶松緊方便、棉稈拔凈率高、結構簡單等優點；該拔稈裝置主要由1個主動輪、2個皮帶1、2個皮帶2和3個從動輪等組成.通過支撐架安裝在機架上，拔稈有效長度400 mm，調節皮帶松緊裝置左右移動距離在250 mm，調控拔稈裝置與地面間的距離，以適應田間實際作業情況；皮帶采用天然橡膠，具有較好的韌性和耐磨性，主動輪與從動輪的的半徑r1、r2、r3和r4分別為320 mm、120 mm、250 mm和120 mm，主動輥上的皮帶寬度為100 mm，厚度為10 mm，長度為1 500 mm，共2個，2個從動輪上的皮帶寬度為100 mm，厚度為10 mm，長度為1 600 mm.

1：張緊裝置；2：從動大帶輪；3：皮帶1；4：從動小帶輪；5：主動輪；6：皮帶2；7：從動小帶輪1：Tensioning device；2：Driven pulley；3：Belt 1；4：Driven small pulley；5：Driving wheel；6：Belt 2；7：Driven small pulley.圖4 拔稈裝置結構示意圖Figure 4 Structure diagram of stalk pulling device

為獲得較優的拔稈角度α，對棉稈受力分析，如圖5所示，棉稈拔稈過程主要分為3個階段，包括喂入階段、夾持起拔階段以及輸送階段.

圖5 棉稈受力過程Table 5 Stress process of cotton stalk

圖5中，A為喂入階段、B為夾持起拔階段、B為輸送階段.F1為機具前進對棉稈的推力，N；FJ為雙皮帶對棉稈的夾持力，N；G為棉稈重力，N；FL為雙皮帶與棉稈夾持產生的摩擦力，N；FK為土壤粘結力，N；L為工作行程，mm.

喂入階段：機具作業時，棉稈經過分禾器的扶正進入拔稈區，此時機具對棉稈產生推力F1，力學分析如圖5-A所示.

夾持起拔階段：棉稈受到雙皮帶的夾持力、棉稈本身的重力和土壤對棉稈的粘結力，如圖5-B所示.機具前進對棉稈產生了向前的推力F1，雙皮帶通過夾緊棉稈而產生棉稈起拔所需摩擦力FL.F1、FL的合力F為對棉稈的起拔力，FK為土壤粘結力.當FK>F時，棉稈不能被拔出；當FK

F1+FL=F

(5)

F>FK

(6)

棉稈被雙皮帶夾持拔起的主要條件為：棉稈受到雙皮帶產生的摩擦力FL和機具前進推力F1，此時主根系向地表發生位移，并且此距離大于主根系在地表的深度[17-18]，拔稈裝置對棉稈起拔做功不小于棉稈被拔起所需的功，則需滿足式(7)：

(7)

式中：t1為棉稈起拔完成時間，s，；h為棉稈根系位移，m；W為拔棉稈所需的功N·m；t0為棉稈起始時間，s.

進入棉稈夾持區域后，棉稈需要保持一定的夾持力，以防止棉稈無法拔出，棉稈受力分析圖6所示.

圖6 棉花受力圖Figure 6 Stress diagram in the process of stem pulling

圖6中，F1為機具前進對棉稈的推力，N；FJ為雙皮帶對棉稈的夾持力，N；G為棉稈重力，N；FL為雙皮帶與棉稈夾持產生的摩擦力，N；FK為土壤粘結力，N.

雙皮帶夾持棉稈產生的摩擦力決定能否拔除棉稈，以此作為計算條件.圖6為棉花受力分析圖，建立坐標軸，以摩擦水平分力為x軸，垂直分力為y軸，受力方程為：

(8)

起拔力與夾持力之間的關系及土壤阻力為：

FL=2μFJ

(9)

(10)

聯立式(4)～(5)得：

(11)

(12)

(13)

由公式(10)～(13)得：

(14)

式中：α為拔稈角度，(°)；μ為皮帶與棉稈之間的摩擦系數；F1為機具前進對棉稈的推力，N；FJ為雙皮帶對棉稈的夾持力，N；G為棉稈重力，N；d為棉稈直徑，m；η為土壤與棉稈根部之間的最大靜摩擦因數；γ為土壤重度，N/m2；K為側向土壓力系數；H為夾持棉稈部位距地面高度，m；J為棉花莖稈長度，m；FL為雙皮帶與棉稈夾持產生的摩擦力，N；FK為土壤粘結力，N.

夾持帶拔稈角度大小影響拔稈效果，當拔稈角度α為鈍角時，夾持帶速度與前進速度方向一致，很難完成拔稈作業，故本文設計拔稈角度α為銳角，若拔稈角度過大，夾持帶速度沿x軸的分量會變小，棉稈被向后拋擲的速度會變小.結合自制的拉拔力試驗裝置測試結果，拔稈角度α在45°左右，作業效果較好.

輸送階段：如圖5-C所示，此時棉稈被拔出地表，僅受重力G、夾持力FJ和摩擦力FL的作用，隨雙皮帶轉動向機具后方輸送，最終拋至機具后方地表.

上述分析，確定了棉稈被順利拔起的重要因素起拔角度.起拔角度決定著夾持過程中的大小.降低拔斷率和漏拔率，優化拔稈部件最為關鍵.

3 試驗與分析

3.1 試驗條件

試驗于2019年11月1日在新疆巴音郭楞蒙古自治州尉犁縣達西村進行，此地屬暖溫帶大陸性干旱氣候，日照時間長，晝夜溫差大，空氣干燥，光照充足，試驗地棉花品種為新陸早45，棉花種植行距(660+100) mm，株距50 mm，試驗地土壤類型為沙土，土壤緊實度平均為425.6 kPa，土壤含水率為12%～20%，棉稈平均高度為700 mm，平均直徑為12 mm，含水率為40～50%.試驗設備：常發CFD554拖拉機(發動機標定功率44.4 kW，動力輸出軸轉速540/760 r/min)、TJSD-750-Ⅱ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.圖7為田間試驗現場.

圖7 田間試驗現場Figure 7 Field test site

3.2 試驗方法

本文參照《收獲機械聯合收割機試驗方法 GB/T8097-2008》，棉花拔稈機進行雙行作業，田間試驗分為3部分：為減小誤差、保證機具穩定運行，機具進入棉稈試驗區之前有10 m穩定區用來調節機具工況；在試驗區域(長度為30 m)按照試驗參數來進行試驗并記錄數據，每組試驗重復3次；更換試驗參數，記錄棉稈漏拔數和拔斷數.

通過預試驗得知，前進速度、拔稈角度、主動輪轉速對性能指標影響較大，所以前進速度、拔稈角度、主動輪轉速為影響因素，漏拔率和拔斷率作為評價指標開展三因素三水平二次回歸試驗.通過田間試驗找出最優結構與工作參數組合.

3.3 試驗指標與因素

以前進速度、拔稈角度、主動輪轉速為因素，以棉秸稈漏拔率S1和拔斷率S2作為評價機具收獲效果的主要指標，進行三因素三水平二次回歸試驗，試驗指標的計算如下：

(15)

(16)

式中：S1為棉稈拔斷率，%；S2為棉稈漏拔率，%；C1為每10 m內的棉稈拔斷數，C2為每10 m內的棉稈漏拔數，C為沒10 m內的棉稈總數.

1)前進速度對拔稈效果的影響 前進速度是影響性能指標的重要因素，針對前進速度對性能的影響做單因素試驗，當拔稈角度為45°，主動輥轉速為300 r/min，前進速度為1～5 km/h，結果如圖8所示，隨著前進速度的增大，漏拔率和拔斷率逐漸增加，前進速度從4 km/h增加到5 km/h時，漏拔率明顯增加，考慮作業效率，因此選取2、3、4 km/h作為前進速度的因素水平.

圖8 前進速度對拔稈效果的影響Figure 8 Simulation result of the pneumatic device

2)拔稈角度對拔稈效果的影響 拔稈角度是影響性能指標的重要因素，針對拔稈角度對性能的影響做單因素試驗，隨著拔稈角度的增加，拔斷率隨著減小，漏拔率隨著增大，當前進速度為2 km/h，主動輥轉速為300 r/min，拔稈角度為20°～70°，結果如圖9所示，當拔稈角度為20°時，漏拔率低，拔斷率高，拔稈角度為70°時，拔斷率最小，漏拔率最高，因此選取30°、45°、60°作為拔稈角度的因素水平.

圖9 拔稈角度對拔稈效果的影響Figure 9 Simulation result of the pneumatic device

3)主動輥轉速對拔稈效果的影響 主動輥轉速是影響性能指標的重要因素，針對主動輥轉速對性能的影響做單因素試驗，結果如圖10所示，隨著主動輥轉速的增大，拔斷率隨著增大，漏拔率隨著減小，當主動輥轉速在200 r/min時，拔斷率最高，漏拔率最小，主動輥轉速400 r/min時，拔斷率明顯增加，漏拔率明顯減小，因此，選取250、300、350 r/min作為主動輥轉速的因素水平.

圖10 主動輥轉速對拔稈效果的影響Figure 10 Simulation result of the pneumatic device

表2 試驗因素水平

3.4 試驗結果與分析

3.4.1 試驗結果 根據因素呈現非線性關系，一般用兩個或兩個以上模型來逼近響應[19-20].根據Design-Expert軟件設計的三因素三水平試驗，試驗方案及結果如表3所示.

根據表3中的方案及結果，建立拔斷率S1和拔斷率S2對前進速度、拔稈角度、主動輪轉速的3個自變量二次多項式響應面回歸模型，如式(17)～(18)所示，并對進行方差分析.

表3 試驗方案及結果Table 3 Test plan and results

S1=10.22+1.49V-2.38Φ+1.64Z-2.38Vφ+0.13ΦZ-0.19V2+0.96Φ2+2.94Z2+1.75V2Φ

(17)

S2=9.87+2.24V-0.45Φ-1.44Z-1.75Vφ-0.27VZ-1.95ΦZ-0.27Φ2+1.40Φ2+0.63Z2-1.55V2Φ

(18)

由表4可知，增加模型A2B時，失擬項Pr>F值<0.05為顯著，且絕對系數R2提高了0.4，其絕對系數R2值分別為0.90、0.92，表明這2個模型與實際情況具有非常好的擬合度.因此，試驗具有研究意義.

表4 試驗結果的方差分析Table 4 Analysis of variance of test results

3.4.2 響應曲面分析 采用Design-Export軟件生成3D響應面圖，根據響應面分析前進速度、拔稈角度、主動輪轉速的交互因素對響應值S1、S2的影響.

關于前進速度V、拔稈角度Φ、主動輪轉速Z對棉稈拔斷率S1的響應面如圖11-A～C所示.觀察圖11-A得知，將主動輥轉速Z固定在300 r/min(中心水平)時，拔稈角度Φ與機具前進速度V的交互影響規律表明：棉稈拔斷率隨拔稈角度增大先減后增，隨機具前進速度逐漸增大，前進速度對棉稈拔斷率的影響比拔稈角度的影響更為顯著；觀察圖11-B得知，將拔稈角度Φ固定在45 °(中心水平)時，主動輥轉速Z與機具前進速度V的交互影響規律表明：當主動輥轉速Z與前進速度V分別增加時，棉稈拔斷率隨著主動輥轉速和前進速度增加，均為明顯逐漸增加，響應面曲線主動輥轉速比前進速度方向的變化幅度更為明顯，主動輥轉速對棉稈拔斷率的影響比前進速度的影響更為顯著；觀察圖11-C得知，將前進速度V固定在3 km/h(中心水平)時，主動輥轉速Z與拔稈角度Φ的交互影響規律表明：棉稈的拔斷率隨主動輥轉速Z增大先減后增，隨拔稈角度Φ增大逐漸降低，主動輥轉速對棉稈拔稈率的影響比拔稈角度的影響更為顯著.由表4中的數據樣本可知，試驗3個因素影響棉稈拔斷率S1的顯著順序為：主動輪轉速>拔稈角度>前進速度.

關于前進速度V、拔稈角度Φ、主動輪轉速Z對棉稈漏拔率S2的響應面如圖11-D～F所示.觀察圖11-D得知，將主動輥轉速Z固定在300 r/min(中心水平)時，拔稈角度Φ與機具前進速度V的交互影響規律表明：棉稈漏拔率隨拔稈角度的增大先減小后增大，隨前進速度增大逐漸增加，前進速度對棉稈漏拔率的影響比拔稈角度的影響更為顯著；觀察圖11-E得知，將拔稈角度Φ固定在45 °(中心水平)時，主動輥轉速Z與機具前進速度V的交互影響規律表明：棉稈漏拔率隨主動輥轉速的增大逐漸降低，隨前進速度的增加逐漸增大，前進速度對棉稈漏拔率的影響比主動輥轉速的影響更為顯著；觀察圖11-F得知，將前進速度V固定在3 km/h(中心水平)時，主動輥轉速Z與拔稈角度Φ的交互影響規律表明：當拔稈角度和主動輪轉速增加時，棉稈漏拔率隨著主動輥轉速和拔稈角度增加，均為明顯逐漸增加，但拔稈角度方向的變化幅度更大，拔稈角度對棉稈漏拔率的影響比主動輪轉速的影響更為顯著.

圖11 交互因素對拔斷率、漏拔率的影響響應曲面圖Figure 11 Response surface graph of the influence of interaction factors on pull-out rate and miss pull-out rate

由表4中的數據樣本可知，試驗3個因素影響漏拔率S2的順序為：前進速度>主動輪轉速>拔稈角度.

3.5 參數優化與驗證

借助拔斷率、漏拔率的回歸方程式(17)～(18)，以減小拔斷率跟漏拔率為目標，利用軟件Optimization的Numerical優化分析，得到最優 3個因素水平分別為：前進速度為2.0 km/h，拔稈角度為38.99°，主動輪轉速281.24 r/min時，響應值選擇最大，試驗因素選擇最低，此時棉稈拔斷率為7.50%，棉稈漏拔率為7.92%.

為了檢驗優化參數的預測可靠性，2019年11月6日，選用優化參數在新疆巴音郭楞蒙古自治州尉犁縣達西村進行了三組驗證試驗.由于田間實際情況，將機具工作參數設置為前進速度為2.0 km/h，拔稈角度為40°，主動輪轉速為280 r/min，進行田間試驗，結果如表5所示.

表5 驗證試驗數據

由表5的試驗結果可得，驗證試驗均值與參數優化值比較接近，試驗結果與優化參數的相對誤差小于5%，參數優化模型合理.當夾持輸送式棉花拔稈機作業時，采用前進速度為2.0 km/h、拔稈角度為40°、主動輪轉速為280 r/min的參數組合，驗證試驗效果如圖12所示，此時棉稈的拔斷率為8.14%，棉稈漏拔率為8.02%.

圖12 田間試驗Figure 12 Field experiment

4 結論

1) 本文針對機采棉種植模式設計了一種夾持輸送式棉花拔稈機，該機采用雙皮帶式機構一次性完成喂入、夾持、輸送，為棉稈整株拔取收獲提供了一種新的解決途徑.

2) 開展田間試驗分析研究，選擇機具的前進速度、拔稈角度、主動輪轉速作為試驗因素研究其對棉稈拔斷率、漏拔率的影響，通過Design-Expert軟件對試驗結果進行響應面分析，得到了各因素對棉稈拔斷率的影響顯著順序為主動輪轉速>拔稈角度>前進速度；各因素對棉稈漏拔率的影響顯著順序為前進速度>主動輪轉速>拔稈角度.

3) 采用Design-Expert軟件中的Box-Benhnken中心組合試驗方法對前進速度、拔稈角度、主動輪轉速對棉稈拔斷率和棉稈漏拔率影響程度分析，得到夾持輸送式棉花拔稈機工作最優組合為：前進速度為2.0 km/h、拔稈角度為38.0°、主動輪轉速277.96 r/min；此時棉稈拔斷率達到7.78%，棉稈漏拔率達到7.65%.選擇工作參數：前進速度為2.0 km/h，拔稈角度為40°，主動輪轉速為280 r/min時，棉稈的拔斷率為8.14%，棉稈漏拔率為8.02%.此時拔稈設備作業效果良好，整機還需要進一步優化，后續增加作業寬度，降低拔斷率，提高作業效率.該結果可為后續研制棉花拔稈機提供參考，滿足棉稈收獲作業要求.