一種共軸反轉(zhuǎn)橡膠輥棉稈起拔裝置的設(shè)計

摘要：棉稈處理是棉花生產(chǎn)全程機械化的重要環(huán)節(jié)之一。現(xiàn)有的棉稈粉碎方式還田容易成為病蟲害的載體，同時也是生物質(zhì)資源的浪費。拔稈收獲是最佳方式。在新疆地區(qū)（660+100）mm小雙行種植模式下，現(xiàn)有機具對棉稈的拔取十分困難。為此，設(shè)計一種共軸反轉(zhuǎn)橡膠輥棉稈起拔裝置。該裝置結(jié)構(gòu)簡單、可靠、操作難度低，為解決新疆棉田棉稈拔除回收難題提供了新穎的解決思路。

關(guān)鍵詞：新疆；棉稈收獲；共軸反轉(zhuǎn)；整株拔起

中圖分類號：S225.1" " "文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A" " 文章編號：1674-1161（2023）05-0031-06

棉花是世界上最重要的紡織品原料之一，其廣泛種植于我國新疆^[1]。每年棉花的生產(chǎn)量都非常龐大，其中所產(chǎn)生大量的棉稈如何處理是棉花種植業(yè)的一大難題。棉稈是指棉花植株收獲后剩余的部分，包括主莖、枝條和葉子等。目前，棉稈處理方式包括直接運輸?shù)郊庸S、還田制肥^[2]、間單焚燒或填埋等，但這易導(dǎo)致環(huán)境污染和資源浪費。高效處理棉稈^[3]成為有關(guān)單位和專家學(xué)者關(guān)注的熱點問題，國內(nèi)外許多機構(gòu)和企業(yè)開始重視棉稈資源綜合利用^[4]，例如生物質(zhì)能技術(shù)可以將棉稈轉(zhuǎn)化為燃料^[5]，加工成纖維板、紙張等產(chǎn)品，以此來提高資源利用效率。

國內(nèi)外現(xiàn)在研制處理棉稈的機器有刀盤式棉稈粉碎機^[6]、錘片式棉稈粉碎機滾^[7]、筒式棉稈粉碎機、磨盤式棉稈粉碎機還田機、棉稈打包機等，但這些機器主要以粉碎為主，不便于二次加工，普遍存在無法處理土壤底下棉稈根部的短板，因而對來年棉花產(chǎn)量和得病率有一定影響。例如典型機型美國AMADAS棉稈起拔切碎收獲機，是一種采用45 °傾角安裝的橡膠對輒夾取的棉花整稈收獲設(shè)備，設(shè)有傳動安全防護(hù)措施，作業(yè)速度快，對粗壯莖稈處理也具有較高的可靠性和穩(wěn)定性，其缺點是對種植行距的標(biāo)準(zhǔn)性、機手操作的熟練程度要求較高，適合于規(guī)模化標(biāo)準(zhǔn)化栽植，難以適用于小雙行種植模式；烏茲別克斯坦生產(chǎn)的Kv-36A型和Kv-4A型，其針對的棉花種植行距分別為600 mm和900 mm，由機架、挖根鏟、柵狀導(dǎo)向板、星形導(dǎo)入輪及錐形齒輪減速器組成，由拖拉機牽引，一般挖去收獲4行棉稈，鋪放成條，主要缺點是入土切割鏟的動力消耗較大、磨損嚴(yán)重，難以適合大面積作業(yè)。

現(xiàn)有機具難以適應(yīng)我國新疆一膜四行（660+100） mm種植模式。因此，設(shè)計一種共軸反轉(zhuǎn)橡膠輥棉稈起拔裝置來填充這一短板，并提高清理根的效率，減少來年種植棉花得病率，提高棉花總產(chǎn)量和品質(zhì)。

1 結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 棉稈特性

棉稈及新疆（660+100）mm種植模式如圖1所示。

秸稈高600～1 200 mm，直徑10～20 mm，莖直立、粗壯且有分支；棉稈呈黃褐色或淺灰色，含水量較低，一般在10%以下；密度較低，一般在0.1～0.2 kg/cm³；具有一定韌性，可以用于制工業(yè)木質(zhì)素等成分，也可以用于生產(chǎn)生物質(zhì)能源、紙漿、木質(zhì)素等，是一種可降解的生物質(zhì)，通過堆肥或生物降解等方式就能回收利用，可減少環(huán)境污染。

1.2 棉稈起拔機結(jié)構(gòu)

根據(jù)新疆種植模式的實際情況調(diào)研，以及參考國內(nèi)外現(xiàn)有的起拔裝置來對棉稈起拔裝置進(jìn)行總體設(shè)計，如圖2所示。

主體架構(gòu)為機架、橡膠輥起拔單元、動力主軸和傳動結(jié)構(gòu)，其中前面的分行器能更好地解決工作過程中棉稈的導(dǎo)向移動以防止堵塞；雙滾輪起拔棉稈中帶稈的鏈條能把起拔完的棉稈輸送到機架后面，防止棉稈在起拔輥上堵塞。

1.3 工作原理

棉稈起拔原理對于棉稈起拔率的高低至關(guān)重要。在棉稈起拔中，有很多設(shè)計方案，比如采用共軸上兩個相對相反運動的橡膠輥提供的摩擦力來實現(xiàn)起拔棉稈目的，再利用摩擦力把棉稈從土壤整珠拔出來，之后用帶稈的鏈條輸送到機架后面即可完成起拔工作，如圖3所示。

棉稈起拔機通過三個連稈連接到拖拉機，動力從拖拉機的動力傳動部分進(jìn)入到機器，通過錐齒輪傳動使起拔輥和帶稈的鏈條轉(zhuǎn)動，促使其在田間進(jìn)行機械化作業(yè)。

2 關(guān)鍵部件的設(shè)計

2.1 設(shè)計總體參數(shù)的確定

對新疆地區(qū)一膜四行（660+100）mm種植模式進(jìn)行實踐觀測和尺寸測量，確定田間作業(yè)的行距為660 mm。因（660+100）mm種植株距為100 mm、行距660 mm，所以采用兩行一拔工作模式，一次能實現(xiàn)一膜四行的起拔工作。在此基礎(chǔ)上，確定棉稈起拔機寬為1 340 mm，高為600 mm。

2.2 主要零部件的參數(shù)計算

2.2.1 共軸起拔輥筒的設(shè)計 拔棉稈過程中起拔是最主要的步驟，其主要作用是把棉稈整株從土壤中拔出來。起拔效果的優(yōu)劣直接影響著起拔棉稈的成功率和漏拔率，同時決定凈起拔率。設(shè)計采用雙深花紋輥筒（如圖4所示），其在金屬輥筒的基礎(chǔ)上，每個輥筒上面安裝了帶深花紋橡膠輥，其可增大輥筒跟棉稈的接觸面積及摩擦力，減少棉稈漏拔率和折斷率，從而提高凈起拔率和工作效率。

共軸起拔輥由兩個直徑、長度不同的金屬棒互相穿插而形成圓柱面裝配橡膠輥。該結(jié)構(gòu)簡單實用，一端固定在機架上，另一端連接于穩(wěn)定稈，機架與拖拉機采用三點連接以控制起拔機上下移動。

共軸起拔輥筒由兩個部分來組成前輥筒和后輥筒。前輥筒尺寸參數(shù)為長350 mm，外徑55 mm，內(nèi)徑50 mm；后輥筒尺寸長800 mm，外徑50 mm。考慮到棉稈直徑大小不一，用帶深花紋的橡膠輥套在前后輥筒φ 50 mm的外圓上，這樣就可實現(xiàn)直徑不同的棉稈的起拔率。如不采用外套橡膠輥，直徑大的棉稈很容易折斷，從而大大降低起拔率。然而，外套的橡膠輥輪的厚度太厚，又會因重量使得輥筒變形，從而減小起拔力度，影響起拔率；如外套的橡膠輥厚度太薄，則不能實現(xiàn)大直徑棉稈的起拔。適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計可提高直徑大小不同棉稈的起拔率，減少折斷率。每個輥筒跟相鄰的輥筒水平相切，相鄰的兩個輥筒中心距為130 mm。在輥筒設(shè)計中，采用一體式結(jié)構(gòu)，讓橡膠輥在鐵輥筒上牢牢固定，即可提高輥筒的使用壽命和使用可靠度，也不影響安裝和維修。調(diào)整輥筒的長度為297 mm，可達(dá)到最佳起拔效果。采用共軸式設(shè)計，能適應(yīng)實際種植模式的起拔需求，又具有較好的力學(xué)性能。

共軸式起拔輥筒在起拔棉稈時，棉稈在相鄰兩輥筒間的受力情況如圖5所示。

起拔力主要來源摩擦力Fa1和Fb1。計算公式為f=μF_N。

查資料得知，木和橡膠的動摩擦因數(shù)為0.3～0.5，要滿足棉稈起拔成功的條件有如下要求：

Fa1+Fb1≥Fa+Fb

圖中和式中，F(xiàn)₁表示兩個起拔輥對棉稈的沖擊力垂直方向的合力，單位為N；

F₂表示棉稈對兩個起拔輥的起拔阻力垂直方向的合力，單位為N；

T₁，T₂，T₃，T₄表示起拔輥的扭矩，單位為N/m；

F_a，F(xiàn)_b表示棉稈對兩個起拔輥的阻力，單位為N；

F_a1，F(xiàn)_b1表示兩個起拔棍對秸稈的起拔力，單位為N；

v₁表示裝置工作移動速度，單位為m/s；

v₂表示面稈子的輸送速度，單位為m/s；

v₃，v₄表示輸送裝置的輸送線速度，單位為m/s。

其中T₁T₂的計算公式為

T=F_r

2.2.2 輸送裝置的設(shè)計 設(shè)計中要綜合考慮輸送方式^[8]，合適的輸送方式?jīng)Q定棉稈起拔效率的高低。綜合對比皮帶輸送和鏈條輸送的結(jié)構(gòu)形式，考慮到輸送裝置的耐用性和可靠性，在試驗中采用帶稈的鏈條做輸送裝置，并在傳統(tǒng)的鏈條上增加了小稈，以此來提高輸送效率。如圖6所示。

輸送裝置由主動輪、從動輪和帶稈鏈條組成。其能把起拔完的棉稈送到機架后面以防止棉稈堵塞在起拔輥上，并在一節(jié)鏈條下面安裝一對小稈以提高鏈條和秸稈間的摩擦力。輸送鏈條具有結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、輸送過程中對秸稈損傷較小的特點。小稈采用剛度較強的材料，主要有鐵、鑄鐵等作為小稈的材質(zhì)。小稈直接采用焊接、鑄造等方式固定在鏈條上，制作工藝簡單，而且經(jīng)濟適用。

輸送裝置總體參數(shù)：主動輪、從動輪、帶稈的鏈條，分度圓直徑da=138 mm，z=13，厚16 mm，兩個齒輪中心距722 mm。小稈長度直接影輸送性能，根據(jù)目前加工工藝要求，稈的長度越短強度越強^[5]。小稈數(shù)量=每cm刷小稈密度×稈長度，確定小稈長度為13 mm。為保證起拔的秸稈能夠及時輸送至機架外而不發(fā)生堆積，應(yīng)考慮輸送裝置的寬度、長度、傾斜角等因素。由上述得出，輸送主動輪軸轉(zhuǎn)速為540 r/min，故輸送裝置的轉(zhuǎn)速為540 r/min。

3 整機傳動裝置的設(shè)計及校核

3.1 配套動力

選用東方紅SG400拖拉機為動力配備。該機小巧靈活，動力強。確定作業(yè)速度為2.8 km/h，生產(chǎn)率為0.4 hm²/h。其主要優(yōu)點在于能夠滿足棉稈起拔的技術(shù)要求。傳動系統(tǒng)采用錐齒輪傳動，其結(jié)構(gòu)簡單可靠且能夠提供高扭矩動力傳輸。利用齒輪傳動的平穩(wěn)性和可靠性可提高起拔率，從而避免在起拔過程中因動力不足而起拔失敗。

3.2 錐齒輪傳動設(shè)計

起拔輥的轉(zhuǎn)速為594 r/min，輸送鏈條的主動輪轉(zhuǎn)速n=540 r/min。首先要保證棉稈起拔機的性能，為盡量提高起拔率，所以總輸入先選擇傳動比為1∶1的傳動系數(shù)。

1） 起拔系統(tǒng)傳動比^[9]的計算

可以從公式中看出所有主動輪齒數(shù)÷所有從動輪齒數(shù)。所以i₁=1.043，i₂=1.1，i₃=1.043，i₄=1.1。

氣輥轉(zhuǎn)速n=in₀，n=594 r/min。

因為i₁連接的滾筒和i₃連接的滾筒要接觸并同步反向運動，所以傳動比必須相同，不相同則很容易引起棉花秸稈斷掉而降低起拔率。

2） 計算輸送裝置傳動比

i₅=1，i₆=1

所以輸送裝置轉(zhuǎn)速n=in₀，n=540 r/min。

因齒輪的載荷比較大，所以選擇齒厚為35 mm的齒輪；因考慮輸送裝置的輸送效率，所以選擇1.25∶1的傳動比以保證傳動效果。齒輪傳動示意圖如圖7所示。拖拉機的動力從9進(jìn)入系統(tǒng)，通過8分配給主動輪5，6，7，再通過齒輪分配給機架上的起拔輥和輸送裝置。

3.3 軸的設(shè)計

主動軸傳遞功率大小中等、轉(zhuǎn)速不高，故該軸頭的材料可選擇 45 鋼。經(jīng)調(diào)質(zhì)處理， 許用應(yīng)力=60 MPa，硬度217～255 HBS，強度極限=650 MPa。

軸的材料選擇45鋼，并經(jīng)調(diào)質(zhì)處理。

已知參數(shù)：已知該軸的轉(zhuǎn)速540 r/min，輸入功率約為5 kW。

先初步估算軸的最小直徑。根據(jù)《機械設(shè)計手冊》^[11]表15-3查得：

得出d_min=24.9 mm，選取d1=25 mm。

由于軸較長，為降低制造加工難度，故選調(diào)心球軸承。根據(jù)軸承的尺寸確定 d1=25 mm，軸承選用63/28ZZ，選取d2=46 mm，d3=40 mm，d4=34 mm，d5=28 mm。l1=542 mm，l2=101 mm，l3=18 mm，l4=99.4 mm，l5=48.6 mm，l6=62.5，l7=28 mm，l8=154 mm，l9=35 mm，l10=18 mm。

確定軸上鍵槽的位置和尺寸：軸上面有一個連接齒輪的鍵槽，根據(jù)直徑得b×h=10 mm×8 mm，b×h=12 mm×8 mm。

3.4 軸的受力分析與校核

3.5 起拔輥筒的仿真分析

以關(guān)鍵零部件起拔輥筒為例，對其受力情況進(jìn)行了分析和仿真。首先，確定了起拔輥筒在起拔過程中所承受的靜載荷大小為800 N；接著，建立有限元模型，將起拔輥筒固定在機架上，并施加一個向下的力來模擬棉稈對輥筒的的壓力。同時利用有限元軟件進(jìn)行計算，得到起拔輥筒在不同受力情況下的應(yīng)力分布情況。模擬結(jié)果顯示，起拔輥跟軸承配合點有應(yīng)力集中現(xiàn)象，這是導(dǎo)致該部位更容易出現(xiàn)彎曲的原因。

為了提高起拔輥筒的受力性能和穩(wěn)定性，進(jìn)一步對起拔輥的設(shè)計進(jìn)行了優(yōu)化。通過增加輥筒內(nèi)壁厚度，減小了應(yīng)力集中的問題，并提高了起拔輥筒的強度。

最后，通過對計算結(jié)果的分析，可以確定起拔輥的使用壽命和安全系數(shù)，從而保證在使用過程中其能夠穩(wěn)定可靠地工作。試驗成果對于進(jìn)一步提高起拔輥的性能和應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)意義。起拔輥的受力分析如圖8、圖9所示。

考慮到起拔輥的使用壽命和安全系數(shù)，選擇的合金剛材料的屈服應(yīng)力為280 MPa；根據(jù)靜力分析所得到的起拔輥筒最大應(yīng)力為150 MPa，起拔輥在受力時的安全系數(shù)可以計算為：

安全系數(shù)=材料屈服強度/最大應(yīng)力=280 MPa/ 150 MPa=1.89。

這個安全系數(shù)表示采摘頭在受到靜載荷的情況下，其承載能力還有一定的余量，不會發(fā)生超載破壞的情況。

4 結(jié)論與討論

1） 研究提出一種新型的共軸反轉(zhuǎn)式棉稈起拔裝置，這對新疆地區(qū)（660+100）mm種植模式的棉稈起拔有著重要意義。該裝置集成了起拔輸送功能，并采用共軸反轉(zhuǎn)式設(shè)計以適應(yīng)新疆種植模式。采用橡膠輥可有效減少因棉稈直徑不同而斷掉的風(fēng)險，減小了漏拔率，提高了凈拔率。

2） 通過SolidWorks Simulation應(yīng)力分析來對起拔輥進(jìn)行應(yīng)力分析，結(jié)果顯示零件切應(yīng)力150 MPa，最大位移0.15 mm，符合機械設(shè)計工藝，符合實際使用中的強度、剛度、壽命等要求。該裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，結(jié)構(gòu)簡單、可靠、操作難度低，工作效率高、起拔率高。

3） 該設(shè)計的棉稈起拔裝置有助于解決新疆地區(qū)（660+100）mm種植模式下的棉稈起拔收獲難題，促進(jìn)了棉稈的科學(xué)處理，為解決新疆棉田棉稈拔除回收提供了一條新穎的解決思路。此外，解決拔稈問題的同時也為后續(xù)殘膜回收創(chuàng)造了良好的膜面環(huán)境，為農(nóng)業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展提供了理論和技術(shù)支持。

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Design of Cotton stalk Pulling out" Device with Coaxial Reversal Rubber Rollers

ABULIKEMU Abudukelimu， YASENJANG Baikeli*， SONG ling， AIREPATI Maihemuti

（College of Mechanical and Electrical Engineering， Xinjiang Agricultural University， Urumqi 830052， China）

Abstract： The treatment of cotton stalks is one of the important steps in the mechanization of cotton production. The current method of crushing cotton stalks and returning them to the field easily becomes a carrier of pests and diseases， and is also a waste of biomass resources. Pulling out the stalks for harvest is the best method. However， in the Xinjiang region， the cotton stalks are difficult to pull out in the small double-row planting mode of （660+100） mm. To solve this problem， a coaxial reversal rubber roller cotton stalk pulling out device is designed. The device has the advantages of simple structure， reliability and low operation difficulty， which provides a novel way to solve the problem of cotton straw removal and recovery in Xinjiang cotton field.

Key words： Xinjiang; cotton stalk harvesting; coaxial reversing; whole stalk pulling out

收稿日期：2023-05-10

基金項目：新疆維吾爾自治區(qū)青年科學(xué)基金“基于離散元-動力學(xué)耦合法的土壤-棉稈-根系團(tuán)聚體分離機理研究”（2022D01B91）

作者簡介：阿布力克木·阿不都克力木（2001—），男，本科在校學(xué)生，機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)。

通信作者：亞森江·白克力（1987—），男，碩士，講師，從事農(nóng)業(yè)智能裝備方面的研究。