水平摘錠式高效采棉頭設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

李 騰 郝付平 韓增德 方憲法 郝朝會(huì) 劉云強(qiáng)

(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 北京 100083； 2.中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院， 北京 100083)

0 引言

近年來(lái)，由于人工采棉成本的增加，機(jī)械化采棉技術(shù)在我國(guó)發(fā)展較快。我國(guó)以水平摘錠式采棉機(jī)為主，與美國(guó)最先進(jìn)的采棉機(jī)相比，在高效采棉方面仍存在差距，需要研究高效采棉頭[1-3]。

近些年來(lái)，國(guó)內(nèi)相關(guān)學(xué)者在傳統(tǒng)采棉頭(前后都是12列座管)的摘錠運(yùn)動(dòng)規(guī)律分析與軌跡仿真、凸輪機(jī)構(gòu)的瞬間動(dòng)力學(xué)分析、采棉速比系數(shù)K的探討等方面進(jìn)行了研究，揭示了傳統(tǒng)采棉頭的采摘規(guī)律[4-8]。文獻(xiàn)[9-11]搭建的膠棒滾筒采摘試驗(yàn)臺(tái)和水平摘錠式采摘頭試驗(yàn)臺(tái)，通過(guò)棉株在傳送帶上輸送、而采棉頭不動(dòng)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)來(lái)模擬田間收獲，脫棉盤沒有采用獨(dú)立驅(qū)動(dòng)。

提高采摘效率的主要途徑有2種：提高采摘部件轉(zhuǎn)速和增加座管列數(shù)。目前傳統(tǒng)采棉頭前后滾筒座管列數(shù)均為12列，采摘部件轉(zhuǎn)速適當(dāng)增加后，采凈率有所提高，但作業(yè)速度沒有明顯提升。本文通過(guò)增加座管列數(shù)提高采摘效率，并對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)參數(shù)分析，從理論上揭示高效收獲規(guī)律。通過(guò)搭建脫棉盤獨(dú)立驅(qū)動(dòng)、采棉頭輸入轉(zhuǎn)速和作業(yè)速度無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)以及棉花植株固定在地面的試驗(yàn)平臺(tái)，模擬田間收獲試驗(yàn)，進(jìn)行主要運(yùn)動(dòng)參數(shù)的試驗(yàn)研究，得出最優(yōu)參數(shù)組合，為工程化設(shè)計(jì)高效采棉頭提供參考。

1 采棉滾筒關(guān)鍵部件槽形凸輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 采棉頭結(jié)構(gòu)與工作原理

如圖1a所示，高效采棉頭主要由分禾器、前后兩個(gè)采棉滾筒、柵條、脫棉盤和淋潤(rùn)器等組成。棉株經(jīng)過(guò)分禾器的收攏，進(jìn)入采棉通道，采棉滾筒通過(guò)摘錠纏繞籽棉進(jìn)行采摘，脫棉盤將纏繞在摘錠上的籽棉脫下后，在氣力的作用下輸送到集棉箱，淋潤(rùn)器對(duì)采摘過(guò)程中的籽棉進(jìn)行濕潤(rùn)并對(duì)脫棉后的摘錠進(jìn)行清洗。

圖1 采棉頭和采棉滾筒結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagrams of efficient cotton picking head and picking roller1.分禾器 2.前采棉滾筒 3.前部柵條 4.后部柵條 5.后采棉滾筒 6.脫棉盤 7.淋潤(rùn)器 8.底部轉(zhuǎn)盤 9.座管 10.摘錠 11.撥叉盤 12.曲拐 13.槽形凸輪 14.傳動(dòng)齒輪系

如圖1b所示，采棉滾筒主要由傳動(dòng)齒輪系、槽形凸輪、曲拐、撥叉盤、摘錠、座管和底部轉(zhuǎn)盤等組成。通過(guò)傳動(dòng)齒輪系，驅(qū)動(dòng)采棉滾筒旋轉(zhuǎn)、經(jīng)過(guò)座管內(nèi)錐齒輪驅(qū)動(dòng)摘錠旋轉(zhuǎn)，座管在曲拐與槽形凸輪的作用下產(chǎn)生擺動(dòng)，因此，摘錠的運(yùn)動(dòng)由自轉(zhuǎn)、繞采棉滾筒軸線的公轉(zhuǎn)和沿槽形凸輪的擺動(dòng)組成。

1.2 槽形凸輪參數(shù)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型

槽形凸輪是采棉滾筒的關(guān)鍵部件，直接影響摘錠的擺動(dòng)和采棉性能。座管列數(shù)增加，凸輪曲線隨之發(fā)生變化。槽形凸輪需要控制摘錠完成采棉、脫棉和淋潤(rùn)清洗等作業(yè)過(guò)程，槽形凸輪曲線構(gòu)成復(fù)雜，因此本文通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)工程化設(shè)計(jì)。

圖2 采摘示意圖Fig.2 Schematic of picking cotton1.側(cè)壁板 2.前部柵條 3.摘錠和曲拐 4.脫棉盤 5.采棉滾筒 6.水刷 7.槽型凸輪 8.棉株

為了實(shí)現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計(jì)，需要從功能要求入手獲得數(shù)學(xué)模型[12-13]。從采摘示意圖(圖2)中可以看出，采棉滾筒旋轉(zhuǎn)1周，在槽形凸輪的控制下完成采摘、脫棉、淋潤(rùn)清洗3個(gè)動(dòng)作，因此將槽形凸輪曲線劃分為引導(dǎo)區(qū)、采摘區(qū)、采脫過(guò)渡區(qū)、脫棉區(qū)、脫淋過(guò)渡區(qū)、淋潤(rùn)清洗區(qū)和淋潤(rùn)引導(dǎo)過(guò)渡區(qū)。

槽形凸輪曲線極徑表達(dá)式為

(1)

其中

R=τN/2

(2)

式中ρ——凸輪導(dǎo)軌中心線極徑，mm

R——座管中心所在圓半徑，mm

θ——采棉滾筒中心和座管中心連線與前進(jìn)方向的夾角，逆時(shí)針為正，rad

l——曲臂長(zhǎng)度，mm

φ——座管中心和摘錠尖端連線與前進(jìn)方向的夾角，逆時(shí)針為正，rad

α——曲臂與摘錠軸線的夾角，rad

τ——采棉滾筒模數(shù)，mm

N——座管列數(shù)

采棉滾筒模數(shù)τ為相鄰座管所在分度圓的弧長(zhǎng)與π的比值。

如圖3所示，槽型凸輪曲線的7個(gè)區(qū)段的邊界對(duì)應(yīng)的θ值為θ1、θ2、θ3、θ5、θ6、θ7和θ8。角度φ不僅和θ有關(guān)，還與座管極限偏擺角β(座管繞其中心的最大擺動(dòng)角)有關(guān)，φ的范圍為[θ-β，θ+β]。

圖3 槽形凸輪曲線區(qū)段Fig.3 Division of grooved cam area

1.2.1采摘區(qū)數(shù)學(xué)模型

采摘區(qū)是最重要的功能區(qū)，它始于θ1，終于θ2。θ1時(shí)摘錠尖端進(jìn)入采摘區(qū)域(柵條外側(cè)與護(hù)板圍成的區(qū)域)，根據(jù)位置關(guān)系得θ1為

(3)

(4)

式中l(wèi)2——摘錠端點(diǎn)到座管中心的長(zhǎng)度，mm

R1——柵條與采棉滾筒中心垂直距離，mm

G——進(jìn)入采摘區(qū)域時(shí)采棉滾筒中心與摘錠端點(diǎn)距離的平方，mm2

φ1=θ1+β

(5)

此區(qū)間內(nèi)φ可以表達(dá)為

(6)

此區(qū)間，摘錠穿出柵條的長(zhǎng)度逐漸增加，對(duì)待摘棉花植株的采摘能力增強(qiáng)；座管總成向前擺動(dòng)，與采棉滾筒旋向相反，摘錠在前進(jìn)方向的合速度降低，對(duì)棉花植株碰撞強(qiáng)度減小，從而減少了棉枝碰斷和棉桃撞落。

θ2=π-θ1

(7)

φ2=θ2-β

(8)

此區(qū)間，摘錠開始回縮，摘錠逐步退出采摘區(qū)。摘錠軸線垂直于前進(jìn)方向可以減少纏繞在摘錠上的籽棉掉落，減少掛枝棉。

1.2.2采脫過(guò)渡區(qū)數(shù)學(xué)模型

此區(qū)段始于θ2，終于θ3，為使槽形凸輪曲線平滑，不計(jì)座管擺角β的影響，φ隨θ值的變化而變化，φ表達(dá)式為

(9)

1.2.3脫棉區(qū)數(shù)學(xué)模型

脫棉區(qū)始于θ3，終于θ5。θ3為摘錠軸線方向與脫棉盤外圓相切，且摘錠尖端到達(dá)脫棉盤位置，此時(shí)

(10)

(11)

式中δ——脫棉盤中心和滾筒中心連線與水平方向的夾角，rad

l1——摘錠帶齒工作部分的長(zhǎng)度，mm

r1——脫棉盤半徑，mm

脫棉區(qū)內(nèi)，為增加脫棉時(shí)間，摘錠應(yīng)回?cái)[(與采棉滾筒旋轉(zhuǎn)方向相反)。在θ4時(shí)，摘錠達(dá)到極限擺動(dòng)角，得到

φ4=θ4-β

(12)

(13)

(14)

θ∈[θ3,θ4]時(shí)，φ和θ的關(guān)系式為

(15)

θ5時(shí)，脫棉區(qū)結(jié)束，摘錠尖端將要離開脫棉盤位置，達(dá)到極限偏擺角，根據(jù)幾何關(guān)系得

(16)

(17)

φ5=θ5-β

(18)

θ∈[θ4,θ5]時(shí)，φ和θ的關(guān)系式為

(19)

1.2.4脫淋過(guò)渡區(qū)數(shù)學(xué)模型

脫淋過(guò)渡區(qū)始于θ5，終于θ6。φ和θ關(guān)系式為

(20)

1.2.5淋潤(rùn)區(qū)數(shù)學(xué)模型

淋潤(rùn)區(qū)始于θ6，終于θ7。θ6時(shí)淋潤(rùn)區(qū)開始，摘錠與水刷開始接觸，根據(jù)位置關(guān)系可以得到

(21)

(22)

(23)

式中l(wèi)5——水刷與采棉滾筒中心垂直距離，mm

l6——水刷與采棉滾筒中心水平距離，mm

l7——水刷右端與采棉滾筒中心距離，mm

θ7時(shí)摘錠與水刷分離，由位置關(guān)系得

(24)

(25)

式中l(wèi)8——水刷寬度，mm

l9——水刷左端與采棉滾筒中心距離，mm

θ∈[θ6,θ7]時(shí)，φ和θ的關(guān)系式為

(26)

1.2.6淋潤(rùn)引導(dǎo)過(guò)渡區(qū)數(shù)學(xué)模型

淋潤(rùn)引導(dǎo)過(guò)渡區(qū)始于θ7，終于θ8。φ和θ的關(guān)系式為

(27)

1.2.7引導(dǎo)區(qū)數(shù)學(xué)模型

引導(dǎo)區(qū)始于θ8，終于θ1，根據(jù)位置關(guān)系得

(28)

(29)

(30)

式中l(wèi)10——柵條左端與采棉滾筒中心垂直距離，mm

l11——柵條左端與采棉滾筒中心水平距離，mm

l12——柵條左端與采棉滾筒中心距離，mm

θ∈[θ8,θ1]時(shí)，φ和θ的關(guān)系式為

(31)

1.3 槽形凸輪的可視化設(shè)計(jì)

基于建立的槽形凸輪數(shù)學(xué)模型，利用Matlab中的GUI模塊，編制了7個(gè)區(qū)段曲線的生成程序，實(shí)現(xiàn)槽形凸輪曲線的可視化設(shè)計(jì)及工程圖紙輸出[14]。通過(guò)輸入15個(gè)槽形凸輪參數(shù)，即可生成可視化的槽型凸輪曲線，便于判別曲線是否滿足作業(yè)要求與動(dòng)力學(xué)要求。座管列數(shù)增加，采棉滾筒直徑增大，有利于提高采摘效率，但受到棉花種植行距的限制，不能無(wú)限增加。新疆棉花種植模式一般為(66+10) cm或(68+8) cm,山東、河北等地機(jī)采棉種植模式為單行76 cm。為適應(yīng)我國(guó)的種植行距，采棉頭的最大寬度必須小于760 mm。如果寬度大于760 mm，會(huì)增加未采摘區(qū)棉花的撞落。前滾筒增加到16列時(shí)，采棉頭寬度已經(jīng)達(dá)到750 mm左右，已達(dá)到我國(guó)76 cm種植行距的上限，此時(shí)的槽形凸輪曲線如圖4所示。再利用Matlab軟件，將槽形凸輪曲線數(shù)據(jù)以txt文本形式輸出，導(dǎo)入U(xiǎn)G軟件中，引入槽形凸輪寬度、厚度等參數(shù)，生成槽形凸輪三維模型和工程圖紙，生產(chǎn)制造得到槽型凸輪。實(shí)物圖如圖5所示。

圖4 凸輪曲線設(shè)計(jì)程序界面Fig.4 Cam curve design program interface

圖5 槽形凸輪實(shí)物圖Fig.5 Groove cam entity

2 采棉頭主要運(yùn)動(dòng)參數(shù)的理論分析

座管列數(shù)增加到16列，設(shè)計(jì)生成新的槽形凸輪曲線，采棉頭的主要運(yùn)動(dòng)參數(shù)需要進(jìn)行理論分析，確定其取值范圍。

2.1 采摘運(yùn)動(dòng)參數(shù)的理論分析

采棉滾筒線速度與作業(yè)速度之比K(采棉滾筒轉(zhuǎn)速系數(shù))決定采摘質(zhì)量[15]，K定義為

(32)

式中ω0——滾筒角速度，rad/s

v——采棉頭作業(yè)速度，m/s

若K與ω0為定值時(shí)，v與R成正比，即增加座管列數(shù)，R增大，可以提高作業(yè)效率。

摘錠前進(jìn)方向的作用寬度W與K值相關(guān)，W大，摘錠前進(jìn)方向?qū)Υ藁ㄖ仓甑淖饔迷酱?，W過(guò)大，容易引起棉枝折斷和棉桃撞落。適宜的W應(yīng)為46～48 mm[16-18]。

選取摘錠尖端作為運(yùn)動(dòng)仿真的特征點(diǎn)，將單個(gè)曲拐、槽形凸輪、單組座管和單個(gè)摘錠等三維模型導(dǎo)入ADAMS軟件中，利用運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真模塊，能夠直觀地看到運(yùn)動(dòng)軌跡(圖6)。摘錠尖端作用寬度W與K關(guān)系如圖7所示，W為46～48 mm，得到K合理取值范圍為1.0～1.3。

圖7 W與K的關(guān)系曲線Fig.7 Relationship curve between W value and K value

K范圍確定后，再求作業(yè)速度的合理范圍。通過(guò)仿真可求出K、作業(yè)速度和采摘時(shí)間的關(guān)系，如圖8所示。K一定時(shí)，采摘時(shí)間與作業(yè)速度成反比。根據(jù)單摘錠采摘性能研究可知(摘錠圓錐角為6.6°，3排勾齒)，摘錠采凈單朵籽棉的必要時(shí)間為0.13～0.25 s[19-20]。再結(jié)合K的合理取值范圍1.0～1.3，得到作業(yè)速度為5～8 km/h。

圖8 形成環(huán)扣的時(shí)間t與K的關(guān)系曲線Fig.8 Relationship between time of forming buckle and K value

2.2 脫棉盤轉(zhuǎn)速分析

摘錠位于脫棉區(qū)域時(shí)的運(yùn)動(dòng)分析如圖9所示，將座管和摘錠看作為一個(gè)剛體，座管中心A點(diǎn)為基點(diǎn)，B為摘錠上表面任意一點(diǎn)。

圖9 脫棉時(shí)摘錠上表面點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)分析Fig.9 Motion analysis of surface point of ingot during cotton removal1.槽形凸輪 2.座管中心 3.曲拐 4.摘錠 5.脫棉盤

為了保證能將籽棉從摘錠上脫下，圖9必須保證2個(gè)條件：在摘錠軸線垂直方向，脫棉盤凸起的分速度必須大于摘錠表面分速度；摘錠軸線方向，脫棉盤凸起分速度必須大于摘錠表面分速度[21]，得

(33)

式中σ——摘錠軸線與速度va的夾角，rad

vo——脫棉盤與摘錠表面B點(diǎn)接觸處的速度，mm/s

μ——摘錠軸線與速度vo的夾角，rad

v1——摘錠自轉(zhuǎn)在表面B點(diǎn)產(chǎn)生的線速度，mm/s

v2——B點(diǎn)由于曲拐擺動(dòng)產(chǎn)生的相對(duì)于A點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)線速度，mm/s

v3——座管中心A點(diǎn)的速度，mm/s

而且有

(34)

式中ω1——B點(diǎn)相對(duì)于A點(diǎn)的角速度(曲拐擺動(dòng)角速度)，rad/s

l3——A點(diǎn)到B點(diǎn)直線距離，mm

ω2——脫棉盤角速度，rad/s

l4——脫棉盤中心點(diǎn)O到B點(diǎn)距離，mm

ω3——摘錠角速度，rad/s

R2——B點(diǎn)處摘錠截面半徑，mm

將式(34)代入式(33)得到脫棉盤角速度ω2的取值范圍為

(35)

結(jié)合前文的分析，在K取1～1.3、作業(yè)速度為5～8 km/h和摘錠轉(zhuǎn)速為3 000～5 000 r/min條件下，脫棉盤轉(zhuǎn)速應(yīng)大于1 200 r/min。

3 試驗(yàn)材料與方法

為驗(yàn)證理論分析和優(yōu)化高效采棉頭的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，搭建采棉頭室內(nèi)綜合試驗(yàn)臺(tái)，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機(jī)械裝備國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)。

3.1 試驗(yàn)條件

3.1.1棉花植株

試驗(yàn)所用棉花植株產(chǎn)自天津清河農(nóng)場(chǎng)，品種為陸地棉14-2，采用機(jī)采棉模式種植。試驗(yàn)時(shí)從田間整株拔起帶回，并用塑料袋密封存貯。室內(nèi)試驗(yàn)前隨機(jī)抽取棉花植株，測(cè)量的物理特性如表1所示。

表1 棉花植株主要參數(shù)Tab.1 Main physical parameter of tested cotton

3.1.2試驗(yàn)臺(tái)主要組成與工作原理

室內(nèi)試驗(yàn)臺(tái)如圖10所示。采棉頭通過(guò)懸掛架安裝在行走底盤上，棉花植株固定在夾持裝置上，模擬田間收獲狀態(tài)。調(diào)速電機(jī)驅(qū)動(dòng)輸棉風(fēng)機(jī)，將采棉頭收獲的籽棉輸送到集棉箱內(nèi)。行走底盤速度、采棉頭錐齒箱輸入轉(zhuǎn)速和脫棉盤轉(zhuǎn)速通過(guò)液壓系統(tǒng)無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)。

圖10 室內(nèi)試驗(yàn)臺(tái)示意圖Fig.10 Schematic of structure of laboratory testing platform1.莖稈夾持裝置 2.采棉頭 3.采棉頭懸掛架 4.行走底盤 5.輸棉風(fēng)機(jī) 6.變頻調(diào)速電機(jī) 7.平臺(tái)導(dǎo)軌 8.傳動(dòng)系統(tǒng) 9.駕駛操控臺(tái) 10.輸棉管道 11.集棉箱

試驗(yàn)臺(tái)上安裝了轉(zhuǎn)速扭矩傳感器、激光測(cè)距傳感器，以及相應(yīng)的采集控制器和CAN通訊模塊，上位機(jī)操控界面采用LabVIEW軟件開發(fā)。扭矩傳感器型號(hào)為CYB-803S，激光測(cè)距儀型號(hào)LT300S1XQ，水壓控制儀型號(hào)為XMT605。

試驗(yàn)條件為：夾持棉花植株的株距為120 mm；試驗(yàn)軌道長(zhǎng)40 m；采棉頭為前16列后12列座管組成的高效采棉頭；采棉頭與地面懸掛傾斜角為1.8°；試驗(yàn)時(shí)水壓恒定為130 kPa；輸棉風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為2 600 r/min(采棉頭底部輸棉口風(fēng)速為15 m/s)；底盤作業(yè)速度為0～10 km/h；采棉頭錐齒箱輸入轉(zhuǎn)速0～2 700 r/min；驅(qū)動(dòng)脫棉盤轉(zhuǎn)速0～3 000 r/min，滿足試驗(yàn)要求。

3.2 試驗(yàn)因素和試驗(yàn)指標(biāo)

室內(nèi)試驗(yàn)選取作業(yè)速度、摘錠轉(zhuǎn)速、脫棉盤轉(zhuǎn)速為試驗(yàn)因素。根據(jù)前文理論分析和傳統(tǒng)采棉頭的轉(zhuǎn)速范圍，確定因素編碼，如表2所示。

表2 試驗(yàn)因素編碼Tab.2 Coding of experimental factors

室內(nèi)試驗(yàn)采用GB/T 21397—2008《棉花收獲機(jī)》進(jìn)行試驗(yàn)與評(píng)價(jià)，選取含雜率y1、撞落棉率y2、采凈率y3和生產(chǎn)效率y4為試驗(yàn)指標(biāo)。

每次試驗(yàn)裝夾棉花植株40株，試驗(yàn)區(qū)間分為試驗(yàn)臺(tái)加速區(qū)、速度穩(wěn)定區(qū)和減速區(qū)，采摘區(qū)為速度穩(wěn)定區(qū)。每次試驗(yàn)結(jié)束，清理采摘區(qū)地面和集棉箱。試驗(yàn)如圖11所示。

圖11 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)Fig.11 Experimental scene

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 試驗(yàn)結(jié)果

利用Design-Expert 8.0.6軟件Box-Benhnken響應(yīng)法進(jìn)行高效采棉頭收獲性能試驗(yàn)設(shè)計(jì)，得到15個(gè)點(diǎn)的響應(yīng)面分析試驗(yàn)，其中12個(gè)析因點(diǎn)，3個(gè)為零點(diǎn)試驗(yàn)用來(lái)誤差估計(jì)。試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案和結(jié)果如表3所示(X1、X2、X3表示作業(yè)速度、摘錠轉(zhuǎn)速、脫棉盤轉(zhuǎn)速的編碼值)。

4.2 回歸模型的建立與顯著性檢驗(yàn)

針對(duì)表3的試驗(yàn)結(jié)果，將試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸擬合分析和方差分析，分別得到含雜率y1、撞落棉率y2、采凈率y3和生產(chǎn)效率y4的二次多項(xiàng)回歸擬合方程，分別為

(36)

(37)

y3=96.48-0.15X1+0.15X2+0.32X3-

(38)

y4=5.016×10-3+1.353×10-3X1

(39)

表3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案與結(jié)果Tab.3 Schemes and results of tests

含雜率模型P=0.005 2，說(shuō)明回歸方程在置信區(qū)間95%范圍內(nèi)顯著，在統(tǒng)計(jì)學(xué)上有意義，模型成立。含雜率模型失擬項(xiàng)P=0.322 1>0.05，表明失擬項(xiàng)F的檢測(cè)結(jié)果為不顯著，說(shuō)明回歸方程式(36)的擬合程度較好。

撞落棉率模型P=0.031<0.05，說(shuō)明回歸方程在置信區(qū)間95%范圍內(nèi)顯著，在統(tǒng)計(jì)學(xué)上有意義，模型成立。撞落棉率模型的失擬項(xiàng)(Lack of Fit)P=0.834 5>0.05，對(duì)模型有利，表明試驗(yàn)誤差影響較小，決定系數(shù)R2=0.841 5，表示回歸模型的理論值和實(shí)際值相關(guān)性較好。

采凈率模型P=0.018 4，說(shuō)明回歸方程在置信區(qū)間95%范圍內(nèi)顯著，在統(tǒng)計(jì)學(xué)上是有意義的，模型成立。采凈率模型失擬項(xiàng)P=0.81>0.05，對(duì)模型有利，表明試驗(yàn)誤差影響較小，決定系數(shù)R2=0.85，表示回歸模型的理論值和實(shí)際值相關(guān)性較好。

4.3 各試驗(yàn)因素的交互作用影響

為直觀分析試驗(yàn)因素與指標(biāo)間的關(guān)系，在建立好的回歸模型的基礎(chǔ)上，將其中一個(gè)因素固定在零水平，得到其余兩因素交互作用對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)影響的響應(yīng)曲面如圖12～14。

圖12 各因素對(duì)含雜率影響的響應(yīng)曲面Fig.12 Response surfaces of each factor on seed cotton trash content

根據(jù)圖12得出，摘錠轉(zhuǎn)速和脫棉盤轉(zhuǎn)速對(duì)含雜率存在交互影響，摘錠轉(zhuǎn)速一定時(shí)，含雜率隨脫棉盤轉(zhuǎn)速的增加先減小后增加，但減小的趨勢(shì)大于增加的趨勢(shì)。這可能是因?yàn)槊撁薇P轉(zhuǎn)速增加將纏緊的棉花松開，有利于雜質(zhì)掉落或在輸送到棉箱過(guò)程中從棉箱的網(wǎng)眼中吹走，當(dāng)超過(guò)一定轉(zhuǎn)速范圍后，籽棉反向纏緊，反而不利于降低含雜率。脫棉盤轉(zhuǎn)速一定時(shí)，含雜率隨摘錠轉(zhuǎn)速的增加，先減小后增加。

由圖13a、13b看出，撞落棉率隨摘錠轉(zhuǎn)速的增加先變小后變大，摘錠轉(zhuǎn)速的合理范圍為3 900～4 400 r/min。這與單摘錠采摘性能的分析趨勢(shì)相符[24]。根據(jù)圖13得出，摘錠轉(zhuǎn)速、作業(yè)速度和脫棉盤轉(zhuǎn)速對(duì)撞落棉率的影響程度依次遞減。

圖13 各因素對(duì)撞落棉率影響的響應(yīng)曲面Fig.13 Response surfaces of each factor on rate of fallen cotton

圖14 各因素對(duì)采凈率影響的響應(yīng)曲面Fig.14 Response surfaces of each factor on rate of picked cotton

根據(jù)圖14a、14c可看出，采凈率隨摘錠轉(zhuǎn)速的增加有減小的趨勢(shì)，因?yàn)檎V轉(zhuǎn)速越高，離心力越大，纏繞在摘錠上的籽棉被甩出的機(jī)率增加，與單摘錠采摘性能的分析趨勢(shì)相符[19]。根據(jù)圖14，對(duì)采凈率影響顯著程度由大到小排序?yàn)檎V轉(zhuǎn)速、作業(yè)速度、脫棉盤轉(zhuǎn)速。

4.4 最優(yōu)參數(shù)組合與驗(yàn)證

根據(jù)建立的采摘性能回歸模型，可以得到高效采棉頭的最優(yōu)工作參數(shù)組合。在保證收獲質(zhì)量的前提下，盡量降低撞落棉率和含雜率，提高采凈率和生產(chǎn)效率，采用多目標(biāo)變量?jī)?yōu)化方法，結(jié)合試驗(yàn)因素的邊界條件，建立非線性規(guī)劃參數(shù)模型為

(40)

式(40)利用Design-Expert 8.0.6軟件中優(yōu)化求解模塊，其中采凈率、撞落棉率、生產(chǎn)效率和含雜率的權(quán)重分別設(shè)置為0.4、0.3、0.2和0.1。得到最優(yōu)參數(shù)組合為：作業(yè)速度6.17 km/h、摘錠轉(zhuǎn)速4 272 r/min、脫棉盤轉(zhuǎn)速2 109 r/min，最優(yōu)參數(shù)組合下含雜率為8.78%、撞落棉率為1.59%、采凈率為97.17%、生產(chǎn)效率為0.467 hm2/h，此時(shí)滾筒轉(zhuǎn)速為136 r/min，K為1.3。

根據(jù)最優(yōu)參數(shù)組合，在相同的試驗(yàn)環(huán)境下，以相同的試驗(yàn)方法進(jìn)行3次驗(yàn)證試驗(yàn)，得到的平均含雜率為8.81%、撞落棉率為1.66%、采凈率為97.21%、生產(chǎn)效率為0.467 hm2/h。試驗(yàn)結(jié)果與理論結(jié)果基本相符，表明采摘性能回歸模型有較好的可靠性。

5 結(jié)論

(1)建立了槽形凸輪的參數(shù)化設(shè)計(jì)模型，利用Matlab中的GUI模塊編寫程序，通過(guò)輸入采棉頭中與槽形凸輪相關(guān)的結(jié)構(gòu)參數(shù)生成槽形凸輪曲線，輸出工程圖紙，為高效采棉頭設(shè)計(jì)提供了設(shè)計(jì)方法。

(2)通過(guò)虛擬樣機(jī)仿真分析和矢量方程圖解法，得出高效采棉頭采棉滾筒轉(zhuǎn)速系數(shù)K的合理取值范圍為1.0～1.3、作業(yè)速度為5～8 km/h，脫棉盤轉(zhuǎn)速的理論值應(yīng)大于1 200 r/min。

(3)搭建了集機(jī)械、液壓、電氣、計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集及控制系統(tǒng)和氣力輸送于一體的采棉頭室內(nèi)綜合試驗(yàn)平臺(tái)。棉花植株固定在夾持裝置上，模擬田間試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了脫棉盤轉(zhuǎn)速獨(dú)立調(diào)節(jié)和采棉滾筒轉(zhuǎn)速的無(wú)級(jí)可調(diào)，可滿足棉花收獲室內(nèi)試驗(yàn)的要求。

(4)采用二次旋轉(zhuǎn)正交組合方法設(shè)計(jì)試驗(yàn)，利用Design-Expert軟件的Optimization模塊對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化分析，得到高效采棉頭最優(yōu)參數(shù)組合：前進(jìn)速度6.17 km/h、摘錠轉(zhuǎn)速4 272 r/min、脫棉盤轉(zhuǎn)速2 109 r/min，并進(jìn)行了3次驗(yàn)證試驗(yàn)，得到平均含雜率為8.81%、撞落棉率為1.66%、采凈率為97.21%、生產(chǎn)效率為0.467 hm2/h，試驗(yàn)結(jié)果與理論結(jié)果基本相符。根據(jù)田間經(jīng)驗(yàn)，在摘錠轉(zhuǎn)速、滾筒轉(zhuǎn)速和脫棉盤轉(zhuǎn)速相同情況下，高效采棉頭比傳統(tǒng)采棉頭作業(yè)效率提高20%左右。