密植棉稈對(duì)行鏟拔鋪放機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

賀小偉 劉金秀 王旭峰 徐 楊 胡 燦 李義博

(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 北京 100083； 2.塔里木大學(xué)機(jī)械電氣化工程學(xué)院， 阿拉爾 843300；3.新疆維吾爾自治區(qū)普通高等學(xué)校現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 阿拉爾 843300)

0 引言

棉花是我國(guó)主要經(jīng)濟(jì)作物之一[1]。目前，新疆棉花生產(chǎn)規(guī)模持續(xù)穩(wěn)居全國(guó)之首。2019年，新疆棉花種植面積為2.54×106hm2，占全國(guó)的76.08%，棉花總產(chǎn)量為5×106t[2]。若按皮棉草谷比平均值5.02計(jì)算[3]，則新疆棉稈總產(chǎn)量達(dá)到2.51×107t，棉稈產(chǎn)量占全國(guó)的84.94%[2]。棉稈作為棉花產(chǎn)業(yè)的副產(chǎn)品，是一種極具開發(fā)利用潛力的農(nóng)業(yè)可再生資源，在農(nóng)畜業(yè)、工業(yè)、能源、環(huán)保領(lǐng)域有著十分廣泛的用途[4-9]。隨著棉稈高效轉(zhuǎn)換技術(shù)的不斷增加，棉稈的需求量將不斷提高，新疆棉區(qū)亟需高水平的棉稈收獲機(jī)械。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者在棉稈收獲技術(shù)及裝備設(shè)計(jì)方面已取得一些成果?，F(xiàn)有的棉稈收獲按對(duì)行作業(yè)方式分為不對(duì)行收獲和對(duì)行收獲兩大類[10]：剪切式不對(duì)行收獲方法具有適收范圍廣、作業(yè)效率高的優(yōu)點(diǎn)，但存在棉稈根茬留地的問題，不利于后續(xù)耕整、播種作業(yè)和農(nóng)作物的生長(zhǎng)[11-12]；橫輥齒刀式不對(duì)行收獲方法具有可跨區(qū)作業(yè)的優(yōu)點(diǎn)，但存在功率消耗高的問題，不符合綠色發(fā)展的需求[13-16]。鏟切式對(duì)行收獲方法多采用單翼鏟或雙翼鏟，完成單一的棉稈鏟切作業(yè)，生產(chǎn)效率低，且存在功耗高、根茬攜帶泥土多等問題[17-18]；齒盤式、鏈夾式、對(duì)輥式、圓盤式對(duì)行收獲方法主要適于種植行距較寬的等行距棉稈，僅可針對(duì)長(zhǎng)江中下游棉區(qū)和黃淮海棉區(qū)的棉稈進(jìn)行對(duì)行起拔收獲，且拔凈率受土壤條件和種植行距的影響較大，適收范圍小、作業(yè)效率低[19-24]。

隨著棉花采收機(jī)械化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，結(jié)合新疆自然生態(tài)條件，在不降低棉花產(chǎn)量和配套采棉機(jī)機(jī)械化作業(yè)的前提下，新疆機(jī)采棉種植新農(nóng)藝以行距超窄配置為特點(diǎn)，廣泛采用(66+10)cm寬窄行密植種植模式[25-26]。對(duì)行收獲方法作業(yè)功耗低，符合綠色發(fā)展的要求，但現(xiàn)有對(duì)行收獲方法并不適用于新疆機(jī)采棉密植棉稈的收獲，亟待開發(fā)與密植栽培農(nóng)藝相配套的對(duì)行收獲方法及裝備。

本文在課題組前期研究基礎(chǔ)上[27-28]，結(jié)合機(jī)采棉密植農(nóng)藝，基于對(duì)行低耗鏟切方法和反向推拔作用原理設(shè)計(jì)一種密植棉稈對(duì)行鏟拔鋪放機(jī)，對(duì)其關(guān)鍵作業(yè)部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及計(jì)算分析，并開展田間試驗(yàn)進(jìn)行性能驗(yàn)證。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

基于密植農(nóng)藝的棉稈對(duì)行鏟拔鋪放機(jī)主要由機(jī)架總成、三點(diǎn)懸掛架總成、動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)、壓稈裝置、限深輪總成、對(duì)行鏟切裝置、鏟切調(diào)節(jié)裝置、齒型推拔輥、脫稈裝置等部件組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中對(duì)行鏟切裝置、鏟切調(diào)節(jié)裝置和齒型推拔輥為主要工作部件。

圖1 對(duì)行鏟拔鋪放機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of row-controlled shoveling and drawing placement machine for cotton-stalks1.壓稈裝置 2.限深輪總成 3.鏟切調(diào)節(jié)裝置 4.對(duì)行鏟切裝置 5.齒型推拔輥 6.脫稈裝置 7.傳動(dòng)系統(tǒng) 8.三點(diǎn)懸掛架總成 9.機(jī)架總成

1.2 工作原理

基于密植農(nóng)藝的棉稈對(duì)行鏟拔鋪放機(jī)采用對(duì)稱配置方式懸掛在動(dòng)力機(jī)上，其動(dòng)力傳動(dòng)路線如圖2所示，通過萬向伸縮傳動(dòng)軸將拖拉機(jī)的動(dòng)力輸出軸與錐齒輪變速箱的動(dòng)力輸入軸相連，再經(jīng)錐齒輪變速箱的左動(dòng)力輸出軸連接萬向節(jié)將動(dòng)力傳遞給鏈傳動(dòng)，最后經(jīng)鏈傳動(dòng)減速并將動(dòng)力傳遞到齒型推拔輥驅(qū)動(dòng)其旋轉(zhuǎn)。錐齒輪變速箱到側(cè)邊鏈傳動(dòng)之間采用萬向節(jié)傳動(dòng)，可降低整機(jī)組裝中對(duì)連接軸的同軸度要求，且便于拆裝。

圖2 動(dòng)力傳遞線路圖Fig.2 Sketch of power transfer routing1.鏈傳動(dòng) 2.萬向節(jié) 3.萬向伸縮傳動(dòng)軸 4.錐齒輪變速箱 5.機(jī)架側(cè)板 6.齒型推拔輥

圖3 棉稈對(duì)行鏟拔鋪放作業(yè)機(jī)組實(shí)物圖Fig.3 Diagram of row-controlled shoveling and drawing placement working unit for cotton-stalks

作業(yè)機(jī)組實(shí)物如圖3所示，輪式拖拉機(jī)懸掛機(jī)構(gòu)不僅起傳遞牽引力的作用，還可以通過調(diào)節(jié)其高度達(dá)到控制鏟切深度的目的。作業(yè)機(jī)組前行時(shí)，布置在機(jī)架前端的壓稈裝置首先接觸棉稈并將其推壓至伏臥狀態(tài)，接著鏟切裝置前端入土并保持一定的鏟傾角對(duì)棉茬根部進(jìn)行鏟切，同時(shí)將整株棉稈及棉茬上附帶土壤抬升至接近土壤表層位置，后置的齒型推拔輥在棉稈主干底端夾持棉稈，通過反向旋轉(zhuǎn)完成棉稈提拔作業(yè)，并及時(shí)將整株棉稈沿切線方向拋撥于田間進(jìn)行鋪放，棉茬上攜帶的土壤在向后方運(yùn)動(dòng)過程中分離，最后安裝在機(jī)架后梁上的脫稈裝置將滯留在齒型拔稈輥上的棉稈、棉枝及殘膜脫離掉，以利于齒型拔稈輥逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)重新進(jìn)入下一次的推拔作業(yè)，工作原理示意圖如圖4所示。

圖4 工作原理圖Fig.4 Working schematic1.壓稈裝置 2.限深輪 3.鏟切調(diào)節(jié)裝置 4.對(duì)行鏟切裝置 5.齒型推拔輥 6.脫稈裝置 7.殘膜、棉枝 8.土壤 9.棉稈

作業(yè)時(shí)，壓稈裝置上的壓稈輥可旋轉(zhuǎn)，與棉稈接觸時(shí)摩檫力較小，且壓稈輥?zhàn)畹投司嗟孛?～10 cm，適宜的作業(yè)高度可避免棉稈在推壓過程中被折斷，同時(shí)在壓稈裝置推壓作業(yè)時(shí)使得棉枝聚攏，有利于后續(xù)作業(yè)時(shí)整株棉稈從對(duì)行鏟切裝置中順利通過。該機(jī)組作業(yè)緊湊有序，一次作業(yè)便可完成多項(xiàng)工序，可實(shí)現(xiàn)棉稈的整稈收獲。

1.3 主要技術(shù)指標(biāo)

新疆棉區(qū)適宜機(jī)采的1膜6行寬窄行(66+10) cm，株距9.6～12.27 cm(采用不同穴數(shù)的精量穴播器播種時(shí)，株距會(huì)隨之變化)，密植種植模式如圖5所示，目前新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)90%的棉田采用該種植模式[25]。設(shè)計(jì)的密植棉稈對(duì)行鏟拔鋪放機(jī)整機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

圖5 機(jī)采棉(66+10)cm密植種植模式行距示意圖Fig.5 Row spacing diagram of cotton with harvesting machinery (66+10) cm in close planting mode1.地膜 2.棉稈 3.土壤

表1 整機(jī)主要技術(shù)參數(shù)Tab.1 Main technical parameters of operation machine

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)與分析

2.1 對(duì)行鏟切裝置

對(duì)行鏟切裝置是影響該機(jī)具作業(yè)質(zhì)量的關(guān)鍵部件，主要由鏟切掛接架、梯形框架和對(duì)行鏟切板組成，如圖6所示；對(duì)行鏟切裝置進(jìn)行入土、切削土壤、切斷棉茬主根系和抬升棉茬及附帶土壤的作業(yè)。對(duì)行鏟切裝置通過鏟切掛接架與機(jī)架連接，梯形框架通過螺栓、螺母固結(jié)在鏟切掛接架上，對(duì)行鏟切板鉚接在梯形框架的底板上。對(duì)行鏟切板與梯形框架上帶刃口的側(cè)板部分(對(duì)行鏟切板和一部分側(cè)板入土作業(yè))用優(yōu)質(zhì)碳鋼制造，且對(duì)該部分進(jìn)行了淬火處理，淬火硬度達(dá)到HRC50～55。單組對(duì)行鏟切裝置工作幅寬410 mm，針對(duì)(66+10) cm機(jī)采棉寬窄行種植模式中2行窄行距棉稈進(jìn)行對(duì)行鏟切作業(yè)，該機(jī)具共配置了3組對(duì)行鏟切裝置，每組間隔350 mm，對(duì)1膜6行密植種植農(nóng)藝的棉稈進(jìn)行對(duì)行鏟切作業(yè)。

圖6 單組對(duì)行鏟切裝置Fig.6 Single row-controlled shoveling device1.鏟切掛接架 2.梯形框架 3.對(duì)行鏟切板 4.鉚釘

如圖7所示，梯形框架包括底板和2個(gè)鏟切側(cè)板，板厚度為10 mm，兩邊側(cè)板相互對(duì)稱地固接在底板兩端，夾角為90°，形成上寬下窄、前窄后寬的前傾梯形式結(jié)構(gòu)，有利于倒伏狀的蓬松棉稈從框架中通過。

圖7 梯形框架Fig.7 Trapezoid frame1.底板 2.鏟切側(cè)板

如圖8所示，鏟切板為平板式，前端為帶斜刃的三角形鏟，進(jìn)行破土、切土作業(yè)，且能夠?qū)⒚薏绺壳袛啵缓蠖藶榈葘捚桨?，與前端傾斜角相同，將切斷的棉茬及附著的土壤進(jìn)行抬升。每個(gè)對(duì)行鏟切板前端設(shè)置2個(gè)鏟尖，每個(gè)鏟尖正對(duì)2行窄行距棉茬根系。對(duì)行鏟切裝置主要參數(shù)有：最小鏟傾角α1、鏟刃斜角β、鏟切板長(zhǎng)度L、鏟切側(cè)板滑切角γ、鏟切板寬度B1和B2。

圖8 梯形框架和鏟切板Fig.8 Shoveling frame and shoveling plate1.梯形框架 2.鏟切板 3.鏟尖

(1)最小鏟傾角α1

鏟傾角α為平板式鏟面與地面之間的夾角；對(duì)行鏟切裝置的作業(yè)高度及鏟傾角均可調(diào)，鏟傾角α越小，鏟的阻力越小，切土性能也越好；同時(shí)為保證梯形框架后端有足夠高度空間，以使棉稈順利通過、不擁堵，鏟傾角不能過大，設(shè)計(jì)時(shí)取最小鏟傾角α1為5°[29-30]。

(2)鏟刃斜角β

為減小鏟切板與土壤接觸產(chǎn)生的粘附力、降低鏟切阻力，鏟切板前端為帶斜刃的三角形鏟，設(shè)計(jì)時(shí)鏟刃斜角β取46.5°、刃口端厚度為1.5 mm，經(jīng)田間試驗(yàn)證明，該值能夠滿足作業(yè)要求，在沙壤土中脫土性能較好。

(3)鏟切側(cè)板滑切角γ

梯形框架上的2個(gè)鏟切側(cè)板前端開有刃口，鏟切側(cè)板滑切角γ為刃口邊線與豎直平面之間的夾角；根據(jù)梯形框架整體尺寸，滑切角γ不易過大，滑切角越大，則梯形框架前傾程度越大，致使鏟切側(cè)板強(qiáng)度明顯降低，設(shè)計(jì)時(shí)滑切角γ取為40°，使得鏟切側(cè)板入土部分以連續(xù)滑切的方式切開兩側(cè)土壤，有效降低側(cè)切阻力、減小側(cè)切過程中鏟切裝置受到的沖擊力；鏟切板面與地面之間的夾角為45°(圖7)，保證梯形框架從下向上的寬度等量連續(xù)增加，側(cè)板從側(cè)面等分量分割縱斷面土壤。

(4)鏟切板長(zhǎng)度L

鏟切板前端完成切土、切根系任務(wù)，后端起抬升棉稈及附帶土壤的作用，根據(jù)單個(gè)土壤-棉根系復(fù)合體大小及棉稈株距范圍(9.6～12.27 cm)取鏟切板總長(zhǎng)度L為148 mm、鏟切段長(zhǎng)度L1為68 mm、抬升段長(zhǎng)度L2為80 mm，其中L2小于棉稈株距，使得抬升作業(yè)時(shí)在鏟切板上橫向最多有2個(gè)土壤-棉根系復(fù)合體，以減小工作阻力。

(5)鏟切板寬度B1和B2

該機(jī)具基于密植棉稈的種植農(nóng)藝設(shè)計(jì)(圖5)，單組鏟切裝置完成2行窄距棉稈對(duì)行鏟切作業(yè)，鏟切板前端寬度B1設(shè)計(jì)為100 mm；如圖9所示，棉茬主根豎直向下生長(zhǎng)，支根依附于主根向四周生長(zhǎng)；根據(jù)田間實(shí)際測(cè)量，在鏟切板工作深度范圍內(nèi)，密植棉稈棉茬中較大支根橫向分布長(zhǎng)度不超過100 mm，所以鏟切板后端寬度B2取200 mm。

圖9 棉稈根系在土壤中的分布情況Fig.9 Distribution of root system of cotton-stalks in soil

2.2 鏟切調(diào)節(jié)裝置

如圖10所示，鏟切調(diào)節(jié)裝置主要由調(diào)節(jié)螺栓和變位拉桿組成。對(duì)行鏟切裝置通過鏟切掛接架與前橫梁的縱向鏈接耳連接，調(diào)節(jié)螺栓頭部與前橫梁上的橫向鏈接耳鏈接，帶螺紋部分與鏟切掛接架連接，變位拉桿上端通過寬槽口鏈接耳與機(jī)架中橫梁鏈接，下端掛接對(duì)行鏟切裝置。鏟切調(diào)節(jié)裝置通過改變調(diào)節(jié)螺栓和2個(gè)緊固螺母的螺旋位置使得對(duì)行鏟切裝置傾斜角發(fā)生變化，當(dāng)調(diào)整到一定的角度后，緊固變位拉桿，從而達(dá)到調(diào)節(jié)鏟傾角α的目的。鏟切掛接架上端開有3個(gè)連接孔，當(dāng)不同的孔與前橫梁的縱向鏈接耳連接時(shí)，對(duì)行鏟切裝置相對(duì)高度發(fā)生變化，鏟傾角α可調(diào)節(jié)范圍也不同，且對(duì)行鏟切裝置與后置齒型推拔輥之間的水平間距也會(huì)隨之改變，從而增加了機(jī)具作業(yè)參數(shù)的可調(diào)節(jié)性，以適應(yīng)不同的棉稈品種、不同的田間作業(yè)條件。

圖10 單組鏟切調(diào)節(jié)裝置Fig.10 Single shoveling adjustment device1.前橫梁 2.橫向鏈接耳 3.調(diào)節(jié)螺栓 4.鏟切掛接架 5.中橫梁 6.寬槽口鏈接耳 7.變位拉桿 8.對(duì)行鏟切裝置 9.縱向鏈接耳

(1)上端孔鏈接

鏟切掛接架上端孔與前橫梁的縱向鏈接耳連接時(shí)，從最小鏟傾角(α1=5°)開始調(diào)節(jié)，如圖11所示，鏟傾角α可調(diào)節(jié)范圍為5.00°～8.95°。

圖11 上端孔鏈接時(shí)鏟傾角調(diào)節(jié)范圍示意圖Fig.11 Schematic of adjustment range of shovel angle when linking was in upper hole 1.最小鏟傾角時(shí)調(diào)節(jié)裝置位置關(guān)系 2.最大鏟傾角時(shí)調(diào)節(jié)裝置位置關(guān)系

(2)中間孔鏈接

鏟切掛接架中間孔與前橫梁的縱向鏈接耳連接時(shí)，從最小鏟傾角(α1=5°)開始調(diào)節(jié)，如圖12所示，鏟傾角α可調(diào)節(jié)范圍為5.00°～7.60°。

圖12 中間孔鏈接時(shí)鏟傾角調(diào)節(jié)范圍示意圖Fig.12 Schematic of adjustment range of shovel angle when linking was in middle hole1.最小鏟傾角時(shí)調(diào)節(jié)裝置位置關(guān)系 2.最大鏟傾角時(shí)調(diào)節(jié)裝置位置關(guān)系

(3)下端孔鏈接

鏟切掛接架下端孔與前橫梁的縱向鏈接耳連接時(shí)，從最小鏟傾角(α1=5°)開始調(diào)節(jié)，如圖13所示，鏟傾角α可調(diào)節(jié)范圍為5.00°～7.10°。

圖13 下端孔鏈接時(shí)鏟傾角調(diào)節(jié)范圍示意圖Fig.13 Schematic of adjustment range of shovel angle when linking was in bottom hole1.最小鏟傾角時(shí)調(diào)節(jié)裝置位置關(guān)系 2.最大鏟傾角時(shí)調(diào)節(jié)裝置位置關(guān)系

2.3 齒型推拔輥

齒型推拔輥是完成棉稈起拔的關(guān)鍵部件，對(duì)經(jīng)鏟切抬升后的整株棉稈進(jìn)行逆向推拔作業(yè)，使得棉稈完全從土壤中拔出并鋪放。如圖14所示，齒型推拔輥由齒型板、拔稈軸、支撐盤和輥軸等組成。輥軸的兩端通過花鍵軸頭、軸承和軸承座連接在機(jī)架左右兩個(gè)側(cè)板上，輥軸上共焊接4個(gè)支撐盤，支撐盤將輥軸分為3個(gè)工作段，分別對(duì)1膜6行中3對(duì)窄行距棉稈進(jìn)行推拔作業(yè)，每個(gè)工作段內(nèi)沿支撐盤外圓周向均布5個(gè)拔稈軸，拔稈軸兩端連接于兩側(cè)支撐盤，齒型板安裝在拔稈軸上。

圖14 齒型推拔輥Fig.14 Pushing-pulling roller with tooth type1.輥軸 2.支撐盤 3.齒型板 4.拔稈軸

2.3.1齒型板結(jié)構(gòu)參數(shù)

如圖15所示，齒型板由板體、鋸片和V形刀齒組成。板體上開有U形槽，通過U形槽可改變齒型板與拔稈軸連接位置，從而改變齒型推拔輥的旋轉(zhuǎn)半徑；根據(jù)齒型板與棉稈主干底部作業(yè)點(diǎn)位置高度值(距離地面高度為20～90 mm，該范圍為棉稈主干底部沒有支干的高度范圍)及作業(yè)時(shí)對(duì)行鏟切裝置鏟切深度(80～135 mm)，設(shè)定齒型推拔輥回轉(zhuǎn)半徑R為230～300 mm；具體作業(yè)時(shí)，可根據(jù)棉花品種及作業(yè)點(diǎn)位置高度，對(duì)齒型推拔輥回轉(zhuǎn)半徑進(jìn)行調(diào)節(jié)，以免齒型板入土深度過大或作業(yè)點(diǎn)位置過高，確保齒型板在適宜的作業(yè)點(diǎn)位置高度處進(jìn)行棉稈推拔作業(yè)。V形刀齒位于齒型板前端，頂部成圓弧狀，有利于將棉稈導(dǎo)入V形刀齒中；V形刀齒推拔棉稈時(shí)有2個(gè)工作點(diǎn)，并在每個(gè)V形刀齒兩側(cè)安裝2個(gè)鋸片，以增大推拔力。

圖15 齒型板結(jié)構(gòu)圖Fig.15 Structure of tooth-shaped plate1.板體 2.鋸片 3.V形刀齒

齒型板重要結(jié)構(gòu)參數(shù)包括V形刀齒開口寬度B和齒形角δ。為達(dá)到有效推拔并降低刀齒與棉稈之間的滑移度，齒寬B和齒形角δ應(yīng)滿足

(1)

式中D——密植棉稈底部主干直徑，mm

ξ——鋼材與棉稈間摩擦角，(°)

為保證有效夾持、推拔以及棉稈易于從刀齒中脫落，V形刀齒齒形角不能過小，根據(jù)鋼材與棉稈間摩擦角ξ=29.1°[14]，設(shè)計(jì)時(shí)齒形角δ取28°。為保證棉稈順利導(dǎo)入V形刀齒，V形刀齒開口寬度不能過小，根據(jù)田間測(cè)量得出密植棉稈底部主干直徑范圍為4.14～12.32 mm，設(shè)計(jì)時(shí)取開口寬度B為18 mm。

2.3.2反向推拔棉稈受力分析

棉稈經(jīng)鏟切作業(yè)后，整株棉稈及棉茬上附帶的土壤被抬升至接近土壤表層位置，后置的齒型推拔輥在棉稈主干底端夾持棉稈，夾持位置可通過調(diào)節(jié)齒型推拔輥回轉(zhuǎn)半徑R進(jìn)行調(diào)整；由于棉稈主干部分直徑從上往下逐漸增加，采用反向推拔作業(yè)原理，更有利于棉稈導(dǎo)入V形刀齒并進(jìn)行有效夾持，且使得V形刀齒及鋸片對(duì)棉稈產(chǎn)生較大的靜摩擦力f。

棉稈在反向推拔瞬間受力分析如圖16所示，其中齒型板對(duì)棉稈的推力F1、V形刀齒及鋸片對(duì)棉稈的靜摩擦力f、棉稈被V形刀齒及鋸片向后下方推拔變形產(chǎn)生的彈力F2的合力形成棉稈的拔取力F?；剞D(zhuǎn)的V形刀齒及鋸片在接觸棉稈瞬間產(chǎn)生的拔取力F，克服棉稈與土壤的復(fù)合力、棉稈及棉茬上附帶土壤的重力，棉稈被反向拔起，拔起的棉稈在離心力和后端擋板阻擋等作用下離開V形齒刀并鋪放于田間。

圖16 棉稈受力分析圖Fig.16 Stress analysis graph of pulling cotton-stalks1.棉稈 2.V形刀齒 3.鋸片

2.3.3齒型推拔輥運(yùn)動(dòng)分析

(1)V形刀齒運(yùn)動(dòng)方程

機(jī)組工作時(shí)，齒型推拔輥上的V形刀齒一面旋轉(zhuǎn)，一面隨機(jī)組前進(jìn)，因此V形刀齒的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)是輥軸旋轉(zhuǎn)和機(jī)組前進(jìn)兩種運(yùn)動(dòng)的合成，其運(yùn)動(dòng)軌跡為擺線[31-32]。

圖17 V形刀齒的運(yùn)動(dòng)Fig.17 Movement of V-shaped cutter

設(shè)齒型推拔輥旋轉(zhuǎn)中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，x軸正向與機(jī)組前進(jìn)方向一致，y軸正向垂直向下(圖17)，開始時(shí)V形刀齒推拔點(diǎn)位于前方水平位置(A點(diǎn))與x軸正向重合，當(dāng)經(jīng)過時(shí)間t后轉(zhuǎn)動(dòng)到B點(diǎn)，則V形刀齒推拔點(diǎn)運(yùn)動(dòng)方程為

(2)

式中vm——機(jī)組前進(jìn)速度，m/s

ω——齒型推拔輥旋轉(zhuǎn)角速度，rad/s

t——時(shí)間，s

V形刀齒推拔點(diǎn)在x軸與y軸方向的分速度為

vx=dx/dt=vm-Rωsin(ωt)

(3)

vy=dy/dt=Rωcos(ωt)

(4)

V形刀齒推拔點(diǎn)絕對(duì)速度v為

(5)

(2)齒型推拔輥轉(zhuǎn)速取值

V形刀齒推拔點(diǎn)的圓周線速度vp為

vp=Rω

(6)

令推拔速度比λ為

λ=vp/vm=Rω/vm=2πnR/(60vm)

(7)

式中n——齒型推拔輥轉(zhuǎn)速，r/min

由前文可知R為230～300 mm，作業(yè)機(jī)組實(shí)際作業(yè)時(shí)測(cè)得前進(jìn)速度vm為2.76～3.39 km/h，常用的速度比λ為4～10[31]，代入式(7)計(jì)算可得齒型推拔輥轉(zhuǎn)速n為97.66～391.16 r/min。由于λ>1，V形刀齒的運(yùn)動(dòng)軌跡為余擺線，可保證V形刀齒有效向后推拔棉稈；齒型推拔輥?zhàn)鳂I(yè)時(shí)，V形刀齒在棉稈主干底部推拔棉稈，開始推拔稈時(shí)vx<0，所以整個(gè)推拔稈過程中V形刀齒上各推拔點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡都是余擺線[32]。

3 田間試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)條件與材料

2020年3月28—29日，在新疆維吾爾自治區(qū)阿拉爾市十二團(tuán)5連機(jī)采棉棉田進(jìn)行了密植棉稈對(duì)行鏟拔鋪放機(jī)的田間作業(yè)性能試驗(yàn)，試驗(yàn)條件見表2。試驗(yàn)使用約翰迪爾JDTN804型拖拉機(jī)為動(dòng)力，該機(jī)標(biāo)定功率為58.8 kW；試驗(yàn)時(shí)配置土壤堅(jiān)實(shí)度儀、轉(zhuǎn)速儀、秒表、角度尺、取樣框(2 m×2 m)、卷尺和工具箱等。

表2 試驗(yàn)條件Tab.2 Experimental conditions

3.2 試驗(yàn)方法

性能測(cè)定參照文獻(xiàn)[14]，本次性能試驗(yàn)取拔凈率為評(píng)價(jià)指標(biāo)。試驗(yàn)前根據(jù)棉稈主根長(zhǎng)度范圍為10.3～21.7 cm(地面以下)，調(diào)整對(duì)行鏟切裝置鏟切深度為11.5 cm(該試驗(yàn)田棉稈主根直徑在深度超過11.5 cm后，其以下部位直徑變得越來越小)，齒型推拔輥旋轉(zhuǎn)半徑為245 mm，此時(shí)齒型板與棉稈主干底部作業(yè)點(diǎn)高度約為30 mm，測(cè)得鏟傾角約為7.1°；每20 m長(zhǎng)度作為一個(gè)測(cè)區(qū)，為保證拖拉機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行、減少機(jī)組前進(jìn)速度測(cè)試誤差，拖拉機(jī)每次進(jìn)入測(cè)區(qū)之前有10 m調(diào)整區(qū)來穩(wěn)定拖拉機(jī)作業(yè)工況。棉稈對(duì)行鏟拔鋪放機(jī)田間試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖18所示；試驗(yàn)重復(fù)3次，每次試驗(yàn)結(jié)束后在各測(cè)區(qū)內(nèi)測(cè)出單位面積漏拔及拔斷棉稈株數(shù)，計(jì)算棉稈拔凈率、拔斷率及漏拔率，計(jì)算公式為

(8)

(9)

(10)

式中η——拔凈率，%

η1——漏拔率，%

η2——拔斷率，%

A——棉稈總株數(shù)

A1——漏拔的棉稈株數(shù)

A2——拔斷的棉稈株數(shù)

圖18 田間試驗(yàn)Fig.18 Photos of field trials

在每個(gè)測(cè)區(qū)測(cè)定一次作業(yè)時(shí)間，計(jì)算出機(jī)組前進(jìn)速度，將計(jì)算結(jié)果取平均值作為最終試驗(yàn)結(jié)果，計(jì)算式為

vm=S′/Δt

(11)

式中S′——測(cè)區(qū)長(zhǎng)度，取20 m

Δt——在測(cè)區(qū)內(nèi)的作業(yè)時(shí)間，s

3.3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

試驗(yàn)測(cè)定結(jié)果如表3所示。從表3可以看出，棉稈對(duì)行鏟拔鋪放機(jī)田間試驗(yàn)結(jié)果達(dá)到了技術(shù)指標(biāo)要求(拔凈率大于等于90%)，在試驗(yàn)過程中機(jī)組各部件工作平穩(wěn)可靠，能一次性完成壓稈、鏟稈、拔稈、鋪放等作業(yè)，而且具有分離泥土的功能。

表3 試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Test results

由于本次試驗(yàn)在春播前進(jìn)行，棉稈含水率較低，導(dǎo)致棉稈韌性下降，若提高機(jī)組前進(jìn)速度(高擋位工作)，發(fā)現(xiàn)壓稈裝置作業(yè)過程中易引起棉稈折斷，所以性能試驗(yàn)中需選取低擋位作業(yè)；根據(jù)試驗(yàn)田種植的新陸中70號(hào)棉稈扎根深度范圍10.3～21.7 cm，大多數(shù)棉稈主根在地下11.5 cm及以下時(shí)直徑減小明顯，主根徑較細(xì)，因此確定對(duì)行鏟切裝置鏟切深度約為11.5 cm，對(duì)應(yīng)調(diào)整齒型推拔輥旋轉(zhuǎn)半徑為245 mm，此時(shí)齒型板作業(yè)點(diǎn)高度約為30 mm，測(cè)得鏟傾角約為7.1°；機(jī)組低擋位作業(yè)時(shí)，測(cè)得前進(jìn)速度為2.76～3.39 km/h、齒型推拔輥轉(zhuǎn)速為156～174 r/min，實(shí)際作業(yè)轉(zhuǎn)速在理論分析轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)(齒型推拔輥理論分析轉(zhuǎn)速n為97.66～391.16 r/min)，推拔速度比λ>1，整個(gè)推拔稈過程中V形刀齒上各推拔點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡都是余擺線；在以上試驗(yàn)條件下，拔凈率為90.87%～91.42%，且整機(jī)工作平穩(wěn)，作業(yè)效果較為理想。

試驗(yàn)在農(nóng)一師十二團(tuán)5連試驗(yàn)田進(jìn)行，試驗(yàn)田的土壤條件和新疆大部分機(jī)采棉種植區(qū)的土壤條件類似，為沙壤土質(zhì)[33]，可知該機(jī)在新疆棉區(qū)適應(yīng)性較好。春播前進(jìn)行棉稈鏟拔作業(yè)，由于棉稈經(jīng)過4～5個(gè)月的露天晾曬，棉稈含水率較低、韌性差，高速作業(yè)易導(dǎo)致棉稈拔斷率增加，秋后棉花經(jīng)采棉機(jī)采收后棉稈含水率較高、韌性好，此時(shí)該機(jī)組可采用高擋位作業(yè)，作業(yè)生產(chǎn)率將進(jìn)一步提高。

4 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了一種基于密植農(nóng)藝的棉稈對(duì)行鏟拔鋪放機(jī)，該機(jī)主要由機(jī)架、三點(diǎn)懸掛架、動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)、壓稈裝置、限深輪、對(duì)行鏟切裝置、鏟切調(diào)節(jié)裝置、齒型推拔輥、脫稈裝置等組成，能夠一次性完成壓稈、棉稈對(duì)行鏟切、鋪放等作業(yè)，同時(shí)具有分離泥土的功能。

(2)通過分析計(jì)算確定了對(duì)行鏟切裝置、鏟切調(diào)節(jié)裝置和齒型推拔輥的結(jié)構(gòu)參數(shù)，并完成了關(guān)鍵部件的工作參數(shù)分析，確定對(duì)行鏟切裝置最小鏟傾角為5°、鏟切調(diào)節(jié)裝置鏟傾角范圍為5.00°～8.95°、齒型推拔輥轉(zhuǎn)速范圍為97.66～391.16 r/min。田間試驗(yàn)表明，機(jī)組作業(yè)過程中鏟切板無粘土現(xiàn)象，且對(duì)棉稈的抬升作用明顯，齒型推拔輥和脫稈裝置協(xié)同作業(yè)流暢，能將棉稈順利推拔并鋪放于田間。

(3)田間試驗(yàn)表明，調(diào)整機(jī)組使對(duì)行鏟切裝置鏟切深度約為11.5 cm，此時(shí)對(duì)應(yīng)鏟傾角約為7.1°、齒型推拔輥旋轉(zhuǎn)半徑為245 mm；當(dāng)機(jī)組前進(jìn)速度2.76～3.39 km/h、齒型推拔輥轉(zhuǎn)速156～174 r/min時(shí)，基于密植農(nóng)藝的棉稈對(duì)行鏟拔鋪放機(jī)拔凈率為90.87%～91.42%，生產(chǎn)率為0.63～0.77 hm2/h，機(jī)組作業(yè)性能穩(wěn)定，滿足基于密植農(nóng)藝的棉稈對(duì)行整稈鏟拔作業(yè)要求。