4MZD-6采棉打包機的研制及試驗

楊瀟

（鐵建重工新疆有限公司，新疆 烏魯木齊 830026）

0 引言

棉花是國家經濟戰略性物資，棉花收成對國民經濟和社會發展有重要影響。隨著經濟發展，人工采棉雇工越來越難，用工成本逐年增高，在采棉季節各棉區都出現了勞力不足的情況，導致棉花采摘進度和收成受到影響。機械化采棉能節省大量勞動力，緩解勞動力緊缺現狀，縮短采收時間，達到節本增效的效果，成為解決大面積植棉采收的有效途徑。當前，新疆生產建設兵團已經規模化使用采棉機，北疆機采棉占比達到80%以上，南疆機采棉占40%。隨著機采棉的不斷推廣，對采棉機的需求也不斷增加[1-3]。在機采棉技術不斷規模化的同時，機采棉的貯存和加工之間的矛盾也日益凸顯。目前大多數采棉機都是箱式采棉機[4]，散裝籽棉不便運輸和田間堆放，也不利于棉花機械化生產的規模化應用，而采棉機與棉模成套設備的田間作業需要配備至少2臺拖拉機，1輛田間轉運車，1臺籽棉打垛機以及相應的輔助人員，配套設備投入成本高，棉花在轉運過程中會有損失且易混入雜質和污染物[5]。

集棉花采收和打包于一體的棉花收獲機可有效解決人工與機力投入過高的難題，它不但能實現棉花采收還能直接將采收的棉花打包成型并在田間卸包，避免了棉花轉運這一中間環節出現的損失和污染并提升了作業速度，大大提高了采棉效率，減少了棉田用工，機械化程度更高，采收成本更低[6]。

現有的打包式采棉機都源于國外進口，國內采棉機都為箱式采棉機，打包式采棉機還處于研發階段。進口采棉機價格高、維修困難、機采成本高，不少農戶難以承擔[7-9]。

為解決上述問題，我公司研發設計了4MZD-6型采棉打包機，該機適用于機采棉標準化、規模化生產，具有多功能、易操作、靈活、經濟價值高、適用范圍廣等特點。

1 結構及工作原理

1.1 結構

4MZD-6型采棉打包機主要由駕駛室、采摘系統、懸掛架系統、風送系統、集棉箱喂入系統、打包系統、覆膜系統、托棉架、底盤行走系統、動力傳動系統、液壓潤滑系統和電氣系統等組成，整機結構如圖1。

圖1 4MZD-6采棉打包機結構示意

1.2 工作原理

本機具有6個采棉頭，可同時采收6行棉花，適用于目前主流的76 cm（66+10 cm或68+8 cm）種植模式棉田的棉花采收。在采收作業時，棉株經分禾器分行后進入采摘室，采棉滾筒中高速旋轉的摘錠將棉花從棉株上摘下，后經脫棉盤將采摘的棉花從摘錠上反向脫下，再通過風力輸送系統將棉花送至集棉箱內。當集棉量達到設定容量值時，棉花被喂入系統送入打包系統內，經打包系統壓實成型及覆膜系統覆上打包膜后，棉包自動滾落到托棉架，駕駛員可在合適的位置將成型的棉包放下，以便轉場運輸[10]。

2 主要技術參數

3 關鍵部件技術分析

如何實現棉包在不斷壓實成形過程中保持密實度和均勻度是4MZD-6采棉打包機的關鍵技術。

3.1 打包皮帶張力控制技術

棉花通過輸送喂入系統喂入打包室內后在打包箱體內通過壓緊旋轉形成圓形棉包。打包成形過程中打包皮帶張力的精準控制對棉包的密實度與均勻度具有關鍵影響。打包皮帶的控制需具備以下3點：

（1）張緊力隨棉包直徑動態精準調節。皮帶張緊力需要無級可調并根據棉包實時直徑大小進行調節，棉包當前直徑越大，張緊力越大，以保證棉花內外的整體密實度一致。若張緊力不能無級精準可調，成形后的棉包會出現內緊外松或密實度不一致的情況。

（2）快速張緊。棉包在打包箱體內成形后，打包箱體開箱逐包過程及逐包完成后箱體從打開至關閉的過程中皮帶會出現松弛，該階段需要快速張緊皮帶，避免出現皮帶松弛脫槽現象，且在皮帶張緊后不能對皮帶造成沖擊過載。

（3）熄火保壓張緊。發動機熄火后，液壓系統在無壓力油源時可能存在打包箱體中仍有棉花的情況，此情況下需要長時間保持當前打包皮帶張力的大小，維持棉包的密實度，避免棉包密實度降低或散花。

打包皮帶張緊由搖臂油缸回縮拉動搖臂張緊機構，調節油缸拉力實現對打包皮帶張力大小的控制。棉包直徑的大小主要通過搖臂張緊機構根部的角度傳感器檢測搖臂當前位置，以搖臂角度變化值通過算法得到當前棉包直徑尺寸。

圖2 打包皮帶張緊控制結構

3.2 打包皮帶張緊力控制步驟

（1）將角度傳感器檢測信號值換算成棉包直徑尺寸。

（2）設計一種非線性棉包直徑尺寸與棉包密度自適應的智能算法，通過棉包直徑大小確定搖臂油缸目標張緊力大小（即搖臂油缸有桿腔壓力）。

（3）調節電比例減壓溢流閥使搖臂油缸有桿腔壓力達到目標壓力。搖臂油缸有桿腔裝有壓力傳感器，通過比較實測壓力與目標壓力對電比例溢流閥的電流進行控制，形成閉環控制，實現皮帶張緊力的精準調節。

圖3 搖臂油缸張緊壓力控制流程

4 主要技術特點

（1）經過大量的數據采集分析，運用程序算法得到了采棉機最優的控制參數和控制邏輯，形成了采棉頭電子仿形控制系統。

（2）采用流體仿真和實際測試相結合的方式優化了大功率離心風機和風道結構，形成自有的風機與離合控制技術。

（3）通過試驗驗證完成了換檔邏輯的優化控制，實現了整機行走無頓挫換檔，并首次完成了600hp以上動力換檔變速箱的應用。

（4）運用理論力學分析計算結合動力學仿真分析，通過研究壓縮特性與打包功率的關系及打包覆膜邏輯算法控制完成了皮帶式圓形打包覆膜裝置的設計。

（5）設計的旋轉除塵及引射裝置解決了采棉機處于多塵、多棉絮的工作環境中雜物易被進氣系統吸入的問題，保證了發動機的長時間高可靠性工作。

（6）采用集成閥組、閉式油路系統和電液聯合控制實現了更高程度的自動控制過程，提高多點、多缸同步控制精度，而且可以實現遙控。

（7）采用多檢測點傳感器+CAN總線分布式控制的整機電控方式實現了集多功能監測、信息采集、顯示器處理等的整機智能化電控系統的搭建。

5 試驗情況

為驗證4MZD-6型采棉打包機作業效果開展了田間試驗，試驗棉花品種：新陸早57號，行距95mm，株距10mm，棉株平均高度848mm，籽棉產量6669kg/hm2，籽棉平均含水率8.3%，環境溫度19～21℃，環境濕度29～31%。地表平坦、無溝渠，試驗地塊300×180（長×寬，m），棉鈴吐絮率90%，棉株脫葉率89%。試驗結果見表1。

表1 試驗結果

試驗數據表明，4MZD-6型采棉打包機各項指標符合設計要求，相較于進口采棉機，在采凈率和棉包密度方面略有優勢，但進口采棉機打包成型和覆膜技術的綜合性能更突出，可靠性高、穩定性好、采收速度更快，目前4MZD-6型采棉打包機在采收速度以及圓包成型和覆膜技術的可靠性和穩定性方面與之還存在一定差距。

6 結論

為實現國產化自走式采棉機的田間連續作業和打包，我公司研發設計了4MZD-6采棉打包機，該機適用于6行棉花采摘，含雜率≤11%，采凈率≥93%，棉包密度≥200 kg/m3，通過試驗對比進口機器，4MZD-6采棉打包機在采凈率和棉包密度方面較優，但進口采棉機打包成型和覆膜技術以及采收速度方面更具優勢，本文通過以上介紹為后續國產化采棉打包機的改進提供參考。