刷輥式采棉機采摘裝置結構設計與動力學分析

魏 俊，欒玖華

(江蘇聯合職業技術學院 泰州機電分院，江蘇 泰州 225300)

0 引言

我國是一個農業大國，也是世界上最大的棉花生產和消費國。棉花是棉農的主要經濟作物和國民經濟戰略物資，也是我國傳統行業——紡織業的基礎。棉花生產作為農業支柱型產業，其收成的好壞對國民經濟和社會發展有重要影響。從我國三大棉區的機械化水平來看，新疆機采棉率只有8%，黃河中下游不到1%，長江中下游基本為0，所以全國大部分地區棉花采摘仍然以手工為主，效率低,機收率低限制我國棉花生產作業與發展，所以實行全面的機械化采棉已是必然趨勢[1]。

采棉機根據采摘原理不同可分為兩大類，分別為選收式采棉機和統收式采棉機[2-3]。統收式采棉機又稱經濟型采棉機，有復指桿式、刮板毛刷式、刷輥式和梳齒式等幾種機型。統收式采棉機具有適用范圍廣、結構簡單、摘凈率高、成本低等特點，能夠滿足我國多樣化種植模式的采收，該機型的缺點是含雜率較高，需要配備籽棉預清理裝置。

4MSG-3型刷輥式采棉機是農業部南京農業機械化研究所研制的一種統收式采棉機。目前，該機型處于后期改進設計階段。本文主要研究刷輥式采棉機采摘裝置的結構設計，然后建立棉稈的柔性體模型，并導入虛擬仿真軟件ADAMS中，分析棉稈在縱向刷板擊打下的形態變化過程，為其改進設計提供一定的理論依據。

1 刷輥式采棉機采摘裝置結構設計

刷輥式采棉機主要是由采摘裝置、一清二回收式機載籽棉預清理裝置、輸棉風機、駕駛室、集棉箱和棉桃分離裝置等部件組成。其中，采摘裝置是采棉機中的核心部件，其性能好壞對于采棉的質量有著很大影響，而其結構特征和材料的選用對采棉機工作效率、可靠性、整機成本、能耗等產生直接影響，對于整機制造工藝和造價也會產生重要影響[4]。

1.1 刷棉輥結構參數設計

采摘裝置主要由刷棉輥、防拔輥、輸棉攪龍、傳動裝置和機架等部件組成，其結構如圖1所示。刷輥式采棉機共安裝有3 組相同的采摘部件，各組間的間距布置與當前等行距棉花種植間距相對應。刷棉輥、攪龍、防拔輥與地面之間的角度為30°。刷棉輥由縱向刷板、軸管、刷板加強筋組成，刷棉輥軸管上均布有6條縱向刷板，結構如圖2所示。

采棉機在工作時，刷棉輥邊繞其中心軸自轉，邊隨著采棉機向前運動。在采棉機前進速度一定的情況下，刷棉輥轉速的變化會導致擠壓和擊打力也隨之變化，刷棉輥轉速過大，采摘力也會隨之增大，棉稈容易被拔起且含雜率也會提升，直接影響采棉機的采摘效率。綜合考慮以上因素及田間試驗，確定采棉機的作業速度為1.8 km·h-1，刷棉輥的轉速在200 r·min-1時采摘力較為合適。

1.2 防拔輥結構設計

防拔輥的作用主要是防止采棉機在收獲時經常將棉稈整體拔起，從而造成收獲臺堵塞等問題。防拔輥位于刷棉輥的正下方，與刷棉輥平行布置，防拔輥是由一對標準直齒圓柱齒輪帶動繞其軸心旋轉。防拔輥的轉向與刷棉輥的轉向相反，從而產生向下的力，防止棉株被連根拔起，提高機采棉的采摘效率。防拔輥的結構如圖3所示，防拔輥主要由橡膠撥體和防拔輥軸組成。

1.防拔輥軸;2.橡膠撥體

1.3 側斜輸棉攪龍結構設計

棉株上綻放的棉花經過刷棉輥擠壓剝離與沖擊相結合方式脫落，被甩到輸棉攪龍中，在氣力輸棉部件和攪龍自身旋轉的共同作用下，棉花在料槽中進行復合運動。在沿著軸向移動的同時繞徑向作旋轉運動，棉花被傳輸落入橫向輸棉攪龍中，橫向輸棉攪龍將兩端的棉花向中間聚攏，挑棉輥將棉花挑落到風機的入口，風機將棉花吸入到籽棉預清理裝置中。側斜輸棉攪龍主要由軸管、攪龍葉片和攪龍打板組成，其結構如圖4所示。

1.軸管;2.攪龍葉片;3.攪龍打板

1.4 挑棉輥結構設計

挑棉輥的主要作用是將橫向輸棉攪龍輸送來的棉花挑到風機的入口，經過籽棉預清理裝置的清理后，棉花最終被吹入棉箱。挑棉輥的結構如圖5所示，主要由挑棉輥主軸和挑棉桿組成，其中挑棉桿的數量為44個，共分為11組，每組4個，徑向均布于主軸上，每組之間的間距為20 mm。

1.挑棉輥主軸；2.挑棉桿

2 采摘裝置的動力學分析

采棉機對棉花進行采摘過程是通過縱向刷棉板的擠壓剝離和擊打相結合的過程實現的。在采摘過程中刷棉輥與棉株相互作用，棉株在采摘區域的形態發生變化，棉株形狀和位置變化對棉花的摘凈率和損失率都產生一定的影響。因此，通過虛擬仿真，分析了棉株在縱向刷板作用下的形態。

2.1 棉稈柔性體模型建立

以中棉6913品種作為參考，在Pro/E中建立棉稈的三維實體模型。取棉稈的高度為900 mm，棉稈的直徑為10 mm，使之與棉稈的實際幾何外形基本一致。將其保存成parasolid(.x_t)格式，再導入有限元分析軟件ANSYS中，設定相關的材料特性后，進行離散網格的劃分，結果如圖6所示[5]。

圖6 棉稈的網格劃分圖

2.2 約束添加

在得到有限元模型后，利用ANSYS到ADAMS的接口，直接從ANSYS中輸出.mnf文件，選擇幾個節點作為外連點，再將計算出的.mnf文件導入到ADAMS中，設置好棉稈的位置，使其處于一對刷棉輥的中間位置。然后對部件施加運動約束和驅動,刷棉輥與機架之間添加旋轉副，棉稈與地面之間添加固定副，機架與地面之間添加移動副[6]；驅動為采摘機構在作業方向前進速度500 mm·s-1，刷棉輥轉速200 r·min-1。其仿真模型如圖7所示。

圖7 仿真模型圖

2.3 仿真結果與分析

仿真時間設定為3 s，仿真步數設定為1 000步。通過仿真可以觀察縱向刷板對棉稈的擠壓和擊打，并得到棉稈相對于地面的位移圖和速度圖。位移圖如圖8、圖9和圖10所示，速度圖如圖11、圖12和圖13所示，從而分析出棉稈的形態位置變化。

圖8 棉稈X方向位移圖

圖9 棉稈Y方向位移圖

圖10 棉稈Z方向位移圖

圖11 棉稈X方向速度圖

圖12 棉稈Y方向速度圖

圖13 棉稈Z方向速度圖

從棉稈X方向位移圖中可以得出：棉稈首先與分禾器發生碰撞和接觸，從A點開始，縱向刷板開始對棉稈進行擊打，到B點結束。棉稈在X方向上發生較大的位移，有助于將脫落的棉花順利地拋到攪龍中去，提高了采凈率。

從棉稈Y方向位移圖中可以得出：縱向刷板在擠壓和擊打棉稈的過程中，棉稈在Y軸的位移波動較大，不利于縱向刷板對棉鈴的擊打，棉花不易從棉鈴中脫落，從而造成采凈率降低，同時也會產生棉稈連根拔起的現象，所以需要利用防拔輥的功能，減少棉稈在上下方向的波動。

從棉稈Z方向位移圖中可以得出：Z軸方向是采棉機的前進方向，棉稈首先與分禾器接觸導致棉稈在Z軸方向位移的變化。進入采摘區域后，由于縱向刷板對棉稈的反復碰撞和擊打，導致棉稈在前后方向的不平穩，脫落的籽棉易從刷板的縫隙中落下，造成采凈率的降低。

從上述的速度圖中可以看出：棉稈首先與分禾器相接觸，使棉稈在X、Y、Z方向速度產生波動；進入采摘區域后，棉稈在3個方向的速度變化呈現一定的規律性，與縱向刷板頂端速度變化的運動規律相吻合，使棉花能夠順利從棉鈴中脫落，減少漏采現象。

3 結論

本文通過對刷輥式采棉機采摘裝置進行參數化建模，結合ADAMS軟件對采摘裝置中刷棉輥的運動軌跡進行仿真分析，獲得了部分相關運動圖譜，研究刷棉輥的運動特性，主要結論如下：

1)刷輥式采棉機對棉花進行采摘過程是將縱向刷棉板擠壓剝離和擊打相結合的過程。首先通過Pro/E三維建模軟件建立棉稈的實體模型，然后利用有限元分析軟件將構件離散成細小網格，導入到ADAMS中建立柔性體仿真模型，為后續的動力學分析打下基礎。

2)仿真分析得到棉稈被采摘時位移及速度變化的運動圖譜，分析了棉稈形態及位置的變化，驗證了刷輥式采棉機是擠壓和剝離相結合的工作原理。

3)通過對刷輥式采棉機采摘裝置的動力學分析，為后續的改進設計提供理論支持。