平推式棉花打頂機(jī)的設(shè)計與試驗

羅新豫，王吉奎，布爾蘭…卡力木別克，羅 威，羅勇軍

（石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子 832003）

0 引言

棉花栽培管理中，對棉花進(jìn)行打頂作業(yè)是提高其品質(zhì)和產(chǎn)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一[1～2]。目前，國內(nèi)棉花打頂主要以人工打頂和化學(xué)封頂為主，人工打頂作業(yè)用人成本高、勞動強(qiáng)度大、打頂效率低；化學(xué)封頂受棉花品種及天氣等外界因素影響較大，易造成棉花蕾鈴大量脫落，損傷棉花纖維的后果，且多次噴灑還會增加機(jī)具對土壤的有害壓實。這兩種打頂方式均制約了棉花生產(chǎn)全程機(jī)械化的發(fā)展[3～5]，而采用機(jī)械化打頂可降低成本、提高效率，因此研制出性能穩(wěn)定的棉花打頂機(jī)械成為棉花打頂?shù)难芯恐攸c[6～7]。

由于田間作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，且棉花生長高度參差不齊，現(xiàn)有的棉花打頂機(jī)械[8～10]頂端仿形效果不理想,造成打頂過程中出現(xiàn)過度打頂、漏打頂和平切頂?shù)默F(xiàn)象，作業(yè)效果不能滿足棉花打頂?shù)霓r(nóng)藝技術(shù)要求[11]，在生產(chǎn)中使用較少。

針對現(xiàn)有棉花機(jī)械打頂?shù)倪@些問題[12～13]，本文設(shè)計出一種依據(jù)單株棉花生長高度進(jìn)行打頂?shù)钠酵剖矫藁ù蝽敊C(jī)，該機(jī)具作業(yè)時無需對行，通過前推禾板斜推棉花頂尖至同一水平高度，使棉稈彎曲具有一定的彈性勢能，當(dāng)棉株頂尖彈起時進(jìn)入切割器切割范圍。完成切割打頂?shù)耐瑫r按照棉花打頂?shù)霓r(nóng)藝技術(shù)要求，將打下的棉花頂尖收集并帶出棉田，防止帶有病蟲害的頂尖在田間傳播。該機(jī)具的設(shè)計提高了棉花機(jī)械化打頂?shù)拇蝽斅屎妥鳂I(yè)效率，為棉花機(jī)械化打頂提供了技術(shù)支持。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖1 平推式棉花打頂機(jī)結(jié)構(gòu)示意

1.2 工作原理

平推式棉花打頂機(jī)的打頂過程如圖2所示。該機(jī)具通過三點懸掛裝置全懸掛于拖拉機(jī)后側(cè)，作業(yè)時拖拉機(jī)順著苗行前行，拖拉機(jī)動力輸出通過萬向節(jié)將動力傳遞到變速器（傳動比為1：2），經(jīng)過變速器增速將動力傳遞給鏈傳動系統(tǒng)，鏈傳動系統(tǒng)帶動長滾筒切割器做高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，旋轉(zhuǎn)方向如圖1。該機(jī)具的離地高度可通過操縱拖拉機(jī)液壓裝置調(diào)節(jié)，當(dāng)拖拉機(jī)沿著苗行以V1的速度前進(jìn)時，傾斜的前推禾板斜推前方高低不齊的棉株頂尖至前推禾板的末端同一水平高度（圖2a），棉株頂尖受到前推禾板施加的壓力而彎曲，由于棉稈具有一定彈性，當(dāng)棉株頂尖從前推禾板末端露出時，前推禾板給的壓力消失，棉株頂尖自然彈起，進(jìn)入切割器的切割范圍，高速旋轉(zhuǎn)的長刀片切下露出的棉株頂尖（圖2b），切下的棉株頂尖隨切割器旋轉(zhuǎn)方向沿著護(hù)刀罩以速度V2被拋入收集箱內(nèi)（圖2c）。打頂過程中滿足當(dāng)前棉花打頂?shù)霓r(nóng)藝技術(shù)要求，未對棉稈造成損傷。

圖2 打頂過程示意

1.3 主要技術(shù)參數(shù)

2 主要部件設(shè)計及分析

2.1 長筒式旋轉(zhuǎn)切割器設(shè)計

打頂機(jī)的切割方式與切割速度直接影響切割效果，為了達(dá)到較好的切割打頂效果，降低漏打率與過打率，因此選用長筒式旋轉(zhuǎn)切割器。該切割器長2000mm，工作時無需對行可直接進(jìn)地打頂，打下的棉花頂尖沿一定軌跡落入收集箱。通軸帶動切割刀片高速旋轉(zhuǎn)，其中軸套固定于通軸上，圓盤刀架固定于軸套上，4條長刀片通過角鐵連接固定于圓盤刀架上，鏈輪設(shè)在通軸的一端如圖3所示。

圖3 長滾筒切割器

旋轉(zhuǎn)切割刀片在切割棉株頂尖的瞬間有一個拖拉機(jī)水平前進(jìn)的速度V拖和切割器切線方向速度V切，兩者產(chǎn)生的合力V合在切割棉株頂尖時以滑切為主，可使切口平整，無撕拉現(xiàn)象。同時該切割器能夠?qū)⒋蛳碌拿拗觏敿庠诘镀母咚傩D(zhuǎn)作用下沿著護(hù)刀罩拋入收集箱。

圓盤刀架的直徑大小決定了刀片切割頂尖時的角度，圓盤刀架直徑過大或過小都會影響切割效果，通過田間試驗最終確定切割器直徑為300 mm時打頂效果為最佳。為防止切割器重復(fù)打頂和漏打頂，在機(jī)具離地高度一定時，可得出影響打頂效果的主要因素有：工作時機(jī)組的前進(jìn)速度和切割器的旋轉(zhuǎn)速度。這兩個因素與棉株株距之間的關(guān)系為：

式中 V—拖拉機(jī)的行進(jìn)速度（m/s）；N--長筒切割器轉(zhuǎn)速（r/min）；S—切割器每轉(zhuǎn)1圈拖拉機(jī)行進(jìn)距離（m）；K--系數(shù)。

由上式可知：打頂效果與切割器旋轉(zhuǎn)一圈機(jī)具的前進(jìn)速度有關(guān)。當(dāng)轉(zhuǎn)速一定，前進(jìn)速度V越大則漏打率越大，前進(jìn)速度V越小則重復(fù)切割率增加；當(dāng)前進(jìn)速度V一定，切割器轉(zhuǎn)速N越大，重復(fù)切割率越高，切割器轉(zhuǎn)速N越小則漏打率越大。

2.2 前推禾板的設(shè)計

前推禾板的設(shè)計是該打頂機(jī)能夠進(jìn)行精確切割棉株頂尖的關(guān)鍵所在，傳統(tǒng)的棉花打頂機(jī)仿形比較滯后，其切割裝置最先接觸棉株頂尖進(jìn)行切割，被切割的每株棉株高度都不相同，切割器的切割高度未能及時與棉株頂尖高度相匹配，必將影響棉花打頂效果，造成過打頂和漏打頂。為了避免切割器對棉株造成的損傷，設(shè)計了前推禾板來減緩切割器直接接觸棉株對棉株頂尖的沖擊，前推禾板在整個打頂過程中起到保護(hù)棉株與調(diào)節(jié)棉株頂尖高度的作用。前推禾板由一整塊厚度為2 mm的鐵板彎折成上下兩部分，對棉株頂尖形成不同角度的預(yù)壓，經(jīng)過試驗得出推禾板上下兩節(jié)滿足α＝35°、β＝15°，h＝360 mm時，可實現(xiàn)最佳預(yù)壓效果，如圖4所示。

圖4 前推禾板示意圖

3 田間試驗

3.1 試驗條件

平推式棉花打頂機(jī)于2017年7月在新疆瑪納斯縣平原林場進(jìn)行了田間試驗。種植行距為660×100×660 mm，株距為85 mm，試驗品種為新陸早64號，種植模式為1膜6行機(jī)采棉模式，種植密度為2×106個/hm2，且棉田地表較為平整，田間管理按照北疆高產(chǎn)田間要求進(jìn)行，試驗場景如圖5所示。

試驗機(jī)具配套動力選用約翰迪爾1054型拖拉機(jī)，標(biāo)定功率77.23 kW，輪距2 250 mm，試驗機(jī)具最小離地間隙450 mm，作業(yè)速度為2.4～4.5 km/h。

圖5 田間試驗

3.2 試驗方法

將試驗田劃出6六塊試驗區(qū)，每塊試驗區(qū)的機(jī)具前進(jìn)速度按照表2所示進(jìn)行機(jī)械打頂。進(jìn)地打頂前先人工測量測試區(qū)棉株自然狀態(tài)下頂部到地面的垂直距離，打頂后再次測量自然狀態(tài)下棉株頂部到地面的垂直距離。

去頂量：棉株打頂前高度與打頂后高度差值。

打頂合格率：被打下頂尖的有效棉株數(shù)量占試驗區(qū)內(nèi)棉花的有效棉株數(shù)的比例，用%表示。

3.3 試驗結(jié)果及分析

經(jīng)過田間試驗，當(dāng)拖拉機(jī)行駛速度為3.4 km/h，切割器轉(zhuǎn)速為1 500 r/min時該機(jī)具達(dá)到最佳打頂效果。結(jié)合機(jī)械打頂?shù)募夹g(shù)特點，由表可知：去頂量、打頂合格率受作業(yè)速度影響較大。（1）隨著速度的增大打頂量慢慢減小。因為當(dāng)?shù)退偾靶袝r，切割器重復(fù)打頂率增大，易導(dǎo)致過打頂，造成損失；（2）當(dāng)速度趨于3.4 km/h時打頂合格率最高，超過3.4 km/h后，合格率降低，因為隨著拖拉機(jī)行駛速度的增加，漏打率增加。綜上可知，在前、后推禾板與切割器刀片相對位置一定時，機(jī)車作業(yè)速度是影響棉株去頂量、打頂率的主要因素。因此當(dāng)作業(yè)速度為3.4 km/h，該機(jī)打頂率高，打頂效果最佳。田間試驗證明，平推式棉花打頂機(jī)工作性能良好，機(jī)架結(jié)構(gòu)合理，未出現(xiàn)變形等情況，較好的滿足了打頂機(jī)的作業(yè)要求。

表1 試驗結(jié)果

4 結(jié)論

（1）文中介紹了平推式棉花打頂機(jī)的工作原理和工作過程，對關(guān)鍵部件長筒切割器和前推禾板進(jìn)行了設(shè)計分析，并對試驗結(jié)果進(jìn)行了統(tǒng)計分析，確定了作業(yè)速度是影響打頂率的重要的因素。該裝置結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，工作高效可靠，成本低。

（2）本次設(shè)計的平推式棉花打頂機(jī)，滿足了新疆棉花機(jī)械打頂?shù)霓r(nóng)藝技術(shù)要求，可對不同高度的棉株進(jìn)行打頂，打頂合格率高。

（3）田間試驗結(jié)果表明：該機(jī)具的工作工作速度為3.4 km/h，切割器轉(zhuǎn)速為1 500 r/min時，整機(jī)工作性能良好，棉花打頂率達(dá)92%，生產(chǎn)率達(dá)0.68 hm2/h，能夠滿足棉花打頂?shù)奶镩g工作要求。

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