棉花撿拾收獲機(jī)的研究與試驗(yàn)

吳偉成，袁鵬飛，韓靜鴿

（1.河南豪久科技有限公司，河南 許昌 461103；2.許昌職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 許昌 461103）

我國(guó)是世界重要的棉花生產(chǎn)國(guó)，據(jù)統(tǒng)計(jì)2021年棉花總產(chǎn)量573萬(wàn)噸，位居世界第二。同時(shí)，我國(guó)還是用棉大國(guó)。棉花是紡織工業(yè)的主要原料，也是重要的油料作物，是我國(guó)產(chǎn)棉區(qū)的重要經(jīng)濟(jì)作物之一，在我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占據(jù)重要地位，是國(guó)家的重要戰(zhàn)略物資[1]。機(jī)采籽棉面積逐年擴(kuò)大，由于天氣原因及不同棉花品種種植農(nóng)藝要求不同，機(jī)采籽棉的采凈率在93%左右[2]，落在地表和殘留棉株上的棉花較多，丟棄則浪費(fèi)嚴(yán)重，手工收獲不僅勞動(dòng)強(qiáng)度大，且生產(chǎn)成本高，棉農(nóng)迫切渴求能有一種在機(jī)采籽棉收獲后能快速將散落在地表及殘留在棉稈上的棉花撿拾收獲的機(jī)具[3-6]。針對(duì)這種情況，河南豪久科技有限公司經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)論證，研制開(kāi)發(fā)了一款可以有效撿拾遺落在地表和棉株上棉花的棉花撿拾收獲機(jī)，不僅可以增加農(nóng)戶經(jīng)濟(jì)收入，而且節(jié)約了人工成本，降低了棉農(nóng)勞動(dòng)強(qiáng)度。

1 總體結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

根據(jù)新疆棉花主產(chǎn)區(qū)的棉花種植規(guī)模與生長(zhǎng)高度、土壤特性、土壤承載能力、田塊的大小及形狀、道路狀況等，確定棉花撿拾收獲機(jī)為自走式，主要由擊打撿拾機(jī)構(gòu)、輸送攪龍、過(guò)橋、駕駛室、發(fā)動(dòng)機(jī)、底盤(pán)、分離滾筒、送棉風(fēng)筒、集棉箱等組成[7-8]，如圖1所示。

圖1 棉花撿拾收獲機(jī)總體結(jié)構(gòu)圖

為了盡可能提高棉花撿拾率，減輕駕駛員的勞動(dòng)強(qiáng)度，延長(zhǎng)機(jī)具的使用壽命，作業(yè)速度不宜過(guò)高。根據(jù)棉花的畝產(chǎn)量、田地大小與平整度確定棉花撿拾收獲機(jī)的作業(yè)速度為2.0 km/h～5.0 km/h。根據(jù)各個(gè)部件的試驗(yàn)數(shù)據(jù)確定各個(gè)部件的所需功率，實(shí)踐證明，擊打撿拾機(jī)構(gòu)所需的功率占總功率的30%～40%，啟動(dòng)時(shí)的瞬間功率最大值相當(dāng)于平均功率的1.5～2倍，其他工作部件的所需功率則變化不大。

行走部分所用的功率（P）與機(jī)具前進(jìn)速度、機(jī)具重量以及土壤狀況有關(guān)，行走部分所需功率的計(jì)算公式如下：

式中，m為機(jī)具滿載時(shí)的質(zhì)量（kg）；g為重力加速度，9.8 m/s2；v為機(jī)具的作業(yè)速度（m/s）；f為滾動(dòng)阻力系數(shù)，取0.15；μ為行走部分的傳動(dòng)效率系數(shù)，取0.9。

為了使機(jī)具具有足夠的儲(chǔ)備功率，以保證各種情況下都可以順利工作，發(fā)動(dòng)機(jī)的功率按照計(jì)算值的1.3倍取值，確定為117.7 kW。

1.2 棉花撿拾收獲機(jī)的總體配置

撿拾臺(tái)位于機(jī)具的正前方，盡可能對(duì)稱(chēng)于機(jī)具的中心線，使撿拾臺(tái)保持左右平衡，便于棉花能被均勻地送入輸送裝置內(nèi)。同時(shí)撿拾臺(tái)靠近驅(qū)動(dòng)輪，以減少機(jī)具的整體長(zhǎng)度。分離滾筒是機(jī)具上體積和重量都較大的部分，會(huì)對(duì)機(jī)具的重心造成很大的影響，所以配置時(shí)將其靠近驅(qū)動(dòng)輪，增加機(jī)具的穩(wěn)定性。駕駛室位于中間輸送裝置的正上方，方便駕駛員看清楚作物和田面情況，同時(shí)能夠觀察撿拾臺(tái)及其傳動(dòng)部件的工作情況。機(jī)具的操縱手柄、調(diào)節(jié)手柄、監(jiān)視儀表等位于駕駛員的身前和兩側(cè)。棉花撿拾收獲機(jī)主要參數(shù)如表1 所示。

表1 棉花撿拾收獲機(jī)主要參數(shù)表

1.3 工作原理

該棉花撿拾收獲機(jī)主要由動(dòng)力系統(tǒng)、行走系統(tǒng)、操縱系統(tǒng)、作業(yè)系統(tǒng)四大部分構(gòu)成。

1）動(dòng)力系統(tǒng)由柴油發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，經(jīng)傳動(dòng)系統(tǒng)給各個(gè)做工部分提供動(dòng)力。

2）行走系統(tǒng)由機(jī)架、行走機(jī)構(gòu)、操縱系統(tǒng)、變速箱組成。機(jī)架是整機(jī)的主要骨架，承接機(jī)器各個(gè)部分的主載體；行走機(jī)構(gòu)包括機(jī)架下兩端前橋、后橋，發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)前橋變速箱，帶動(dòng)前輪行走；變速箱有4個(gè)檔位（3個(gè)前進(jìn)檔，1個(gè)倒檔，操縱無(wú)級(jí)變速可在檔位內(nèi)獲得多個(gè)速度）。

3）操縱系統(tǒng)位于駕駛臺(tái)上，由行走離合踏板、變檔桿、剎車(chē)制動(dòng)踏板、方向機(jī)組成，主離合液壓操作桿、集棉箱側(cè)翻液壓操縱桿、無(wú)級(jí)變速操作桿、撿拾器升降操縱桿、風(fēng)扇開(kāi)關(guān)、前后燈光開(kāi)關(guān)、手油門(mén)、腳油門(mén)、工作儀表顯示器和手制動(dòng)機(jī)構(gòu)是全車(chē)的控制中心。

4）作業(yè)系統(tǒng)即工作組件，由擊打撿拾滾筒、輸送攪龍、輸送鏈、分離滾筒、風(fēng)運(yùn)儲(chǔ)存、集棉箱等構(gòu)成。①擊打撿拾滾筒又稱(chēng)撿拾器。撿拾器將散落在地表或殘留在棉稈上的棉花從地上撿起，在攪龍作用下將棉花及少量棉稈等雜物集中至撿拾臺(tái)中部輸送器入口，再由輸送器帶動(dòng)棉花及少量棉稈等雜物向后輸送進(jìn)入分離滾筒內(nèi)。②分離滾筒工作原理。分離滾筒是該機(jī)一個(gè)重要組成部分。其作用是將棉花與棉稈、棉葉分離。撿拾的棉花與稈、葉經(jīng)輸送裝置輸送到分離滾筒內(nèi)，在高速旋轉(zhuǎn)的分離滾筒撥刷作用下，棉花及莖葉隨滾筒做高速旋轉(zhuǎn)滾動(dòng)，在離心力作用下，大部分莖葉與棉花分離，并經(jīng)凹板上的孔排在地表，實(shí)現(xiàn)棉花與稈、葉分離。

1.4 工作原理綜述

收獲機(jī)大油門(mén)勻速前進(jìn)，擊打撿拾滾筒在高速旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，擊打爪將殘留在棉稈上的棉花擊落，與其同步運(yùn)轉(zhuǎn)的板帶式撿拾爪，依靠高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的氣流將含有棉稈、棉葉的棉花從地面撿起，經(jīng)攪龍、輸送裝置輸送至分離滾筒內(nèi)，棉花于分離滾筒內(nèi)在分離爪撥動(dòng)下，隨著滾筒旋轉(zhuǎn)的離心力與棉稈、棉葉分離開(kāi)，棉稈、棉葉及其他碎雜物落到地面上；收獲棉花由機(jī)械風(fēng)力輸送到集棉箱內(nèi)儲(chǔ)存；風(fēng)力向集棉箱輸送棉花的同時(shí)又可分離出棉花中所夾帶的雜質(zhì)；集棉箱積滿后停車(chē)，分別操縱液壓手柄將棉花卸出，這樣就完成了全部作業(yè)程序[9]。

2 主要工作部件

2.1 擊打撿拾滾筒（撿拾器）

在擊打撿拾滾筒上，設(shè)置有交錯(cuò)排列的直齒式擊打爪，以及和擊打爪相匹配的板帶式撿拾爪。在同一撿拾器上相鄰兩排的擊打爪和相鄰兩排的撿拾爪同屬交叉排列，同排的擊打爪與撿拾爪屬交替排列。作業(yè)時(shí)，撿拾器在高速旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，擊打爪將殘留在棉稈上的棉花擊落在地，與擊打爪同步運(yùn)轉(zhuǎn)的撿拾爪，依靠自身高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的氣流將散落在地表上的棉花從地上撿起。考慮到擊打爪應(yīng)具備較強(qiáng)的耐磨性、韌性和抗沖擊力，經(jīng)研究試驗(yàn)，擊打爪采用彈性好的65Mn鋼材制造，并對(duì)其實(shí)施淬火處理；撿拾爪是靠旋轉(zhuǎn)時(shí)自身產(chǎn)生的氣流將散落在地表的棉花從地面撿拾起的，而撿拾爪運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生氣流的大小取決于：1）每個(gè)撿拾爪的寬；2）撿拾爪工作狀態(tài)的回轉(zhuǎn)直徑、工作轉(zhuǎn)速等。撿拾爪與擊打爪在滾筒上屬交替排列，撿拾爪的寬度應(yīng)與相鄰左右兩個(gè)擊打爪的間隔距離相適應(yīng)，裝配后，擊打爪與撿拾爪既不應(yīng)相互干涉，也不應(yīng)留有較大間隙。研究小組首先將擊打撿拾爪的工作寬度定為50 mm，經(jīng)過(guò)多次研究試驗(yàn)和科學(xué)計(jì)算，撿拾爪工作狀態(tài)的回轉(zhuǎn)直徑、工作轉(zhuǎn)速分別確定為1 220 mm和400 r/min。嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)試驗(yàn)表明，確定的撿拾爪寬度、撿拾爪工作狀態(tài)回轉(zhuǎn)直徑及工作轉(zhuǎn)速是切實(shí)可行的。

2.2 分離輸送裝置

擊打撿拾滾筒將棉花撿拾向后拋送至螺旋輸送裝置內(nèi)，螺旋滾筒將棉花向中部集中經(jīng)二級(jí)輸送裝置輸送至分離滾筒；螺旋滾筒底部采用柵格設(shè)計(jì)，在集中輸送過(guò)程中將棉花中夾雜的土及一部分秸稈從柵格中落在地面。

2.3 分離滾筒

分離滾筒是由帶螺旋分離爪的滾筒和柵格瓦板組成，是撿拾機(jī)的一個(gè)重要組成部分。其作用是將撿拾的棉花與棉稈、棉葉等雜物分離。作業(yè)時(shí)，分離滾筒在高速旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，棉花及雜物在分離爪的撥動(dòng)作用下，棉花及莖葉隨滾筒做高速旋轉(zhuǎn)滾動(dòng)，在離心力作用下，大部分莖葉等雜質(zhì)與棉花分離后被拋出，并經(jīng)瓦板上的柵格落在地表，實(shí)現(xiàn)棉花與稈、葉分離。質(zhì)量較輕的棉花則在風(fēng)力作用下進(jìn)入集棉箱。

該分離滾筒研究設(shè)計(jì)的技術(shù)關(guān)鍵在于：分離滾筒的回轉(zhuǎn)直徑、工作長(zhǎng)度、工作轉(zhuǎn)速、分離爪的排列方式、滾筒與瓦板的間隙及瓦板上柵格的大小等。分離滾筒直徑越大，棉花在分離滾筒內(nèi)有良好的翻動(dòng)空間，有利于分離棉花中夾雜的稈和葉，但分離滾筒直徑過(guò)大，會(huì)造成棉花撿拾收獲機(jī)體積龐大，成本增高；分離滾筒長(zhǎng)度決定了軸流喂入的棉花通過(guò)滾筒路徑的時(shí)間，滾筒越長(zhǎng)棉花通過(guò)滾筒分選時(shí)間長(zhǎng)，雜質(zhì)分離效果越好，但也會(huì)使棉絨的損傷越大[10]。分離爪的排列方式及螺旋導(dǎo)程決定了棉花及所含雜物在滾筒內(nèi)行進(jìn)路線、速度，及對(duì)含雜棉花的損傷程度。因此，經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)計(jì)算，在有限的空間內(nèi)選用合理分離滾筒的長(zhǎng)度、直徑與轉(zhuǎn)速，最終確定為滾筒直徑為710 mm，轉(zhuǎn)速為480 r/min，轉(zhuǎn)動(dòng)線速度5 m/s，長(zhǎng)度為2 000 mm。研究小組將分離爪排列設(shè)計(jì)為多頭螺旋線弧形。采用低轉(zhuǎn)速及柵格式瓦板結(jié)構(gòu)。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，在機(jī)具作業(yè)前進(jìn)速度范圍2.0 km/h～5.0 km/h時(shí)，機(jī)具分離效果好，棉絨損傷率低，能完全滿足用戶的使用需求。

3 試驗(yàn)效果

3.1 作業(yè)速度

4MJ-6型棉花撿拾收獲機(jī)研制完成后，于2021年10月依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)Q/HNHJ—2021《棉花撿拾收獲機(jī)》在新疆棉花主產(chǎn)區(qū)進(jìn)行作業(yè)試驗(yàn)。試驗(yàn)地塊平坦、無(wú)溝渠；機(jī)播種植方式、行距66 cm、株距40 cm。采籽棉機(jī)作業(yè)后，對(duì)20 m測(cè)區(qū)進(jìn)行5次試驗(yàn)，結(jié)果如表2所示。根據(jù)表2計(jì)算出平均作業(yè)速度為2.96 km/h，符合設(shè)計(jì)要求。

表2 作業(yè)速度檢測(cè)結(jié)果

3.2 撿凈率

4MJ-6型棉花撿拾收獲機(jī)作業(yè)后，在各測(cè)區(qū)內(nèi)分別收集田間遺留的籽棉，除雜并稱(chēng)重計(jì)量，結(jié)果如表3所示。根據(jù)表3計(jì)算平均撿凈率為95.62%，符合設(shè)計(jì)要求。

表3 撿凈率檢測(cè)結(jié)果

3.3 籽棉含雜率

為測(cè)籽棉含雜率，從撿拾收獲機(jī)棉箱分層分區(qū)中分5次取不少于1 000 g籽棉樣，計(jì)量結(jié)果如表4所示。根據(jù)表4計(jì)算籽棉平均含雜率為12.98%，符合設(shè)計(jì)要求。

表4 含雜率檢測(cè)結(jié)果

棉花撿拾收獲機(jī)作業(yè)前后效果如圖2、圖3所示，從圖3中可以看出作業(yè)性能良好，并獲得了棉花種植用戶的肯定。

4 結(jié)語(yǔ)

棉花撿拾收獲機(jī)采用擊打式撿拾滾筒收獲，不對(duì)行作業(yè)可適應(yīng)不同棉花種植模式，既能對(duì)棉株殘留棉花進(jìn)行收獲，還能對(duì)遺落地表的棉花進(jìn)行撿拾，撿拾效率高，減少棉花浪費(fèi)，增加農(nóng)戶收入。該機(jī)目前生產(chǎn)樣機(jī)已小批量投放市場(chǎng)交棉農(nóng)試用，反映良好，表明本機(jī)具有良好的適應(yīng)性和較強(qiáng)的可靠性，其作業(yè)指標(biāo)已滿足農(nóng)藝要求，具有良好的市場(chǎng)前景，批量投入市場(chǎng)后其經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益會(huì)十分明顯。