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1、统收式采棉机采摘头的设计与采摘性能试验研究0引言新疆是我国生产条件最优越、增产潜力最大的高产量、优质棉生产基地，也是我国唯一长绒棉产区，且棉花种植面积、单产量、总产量、国内销量和出口量连续11年居全国之首1。但由于新疆棉花采收一直以手工采摘为主，加之劳动力短缺、耗时较长、耗费较大，严重地制约了棉花生产效益的提高；同时，为推进采棉机械花进程，国内引进和自主研发了一系列不同型号的采棉机，极大地推进了棉花产业的发展。根据采棉机采摘方式和采摘物料的特点，可以将采棉机分为选收式和统收式两大类。选收式采棉机具有采净率高、含杂率低和机器适应性较好的特点，但是机器结构复杂，制造困难，造价高，采收成本大，限制了
2、其大面积的推广；统收式采棉机结构简单，采收效率和采净率较高，收获成本低，但收获的籽棉中含有大量的铃壳、断枝及碎叶等杂质，需对其进行清理加工，方能得到品级符合生产标准的籽棉。本课题组研究的统收式采棉机为一种滚筒结构的采棉机，采摘头主要由倾斜布置的滚筒和在滚筒圆周方向均匀布置的柔性橡胶摘锭组成。其工作时，随滚筒匀速转动的摘锭对棉株进行梳刷和击打，使籽棉与棉株脱离，完成对棉花的采收。通过试验棉区测试，该机采摘性能良好，而且可以有效减少或避免打断棉枝和采摘未成熟棉铃，应用的前景较为广阔。1采摘头结构及参数设计1.1基本结构统收式采棉机采摘头主要由扶导器、前送风管、箱体、对称布置的一组采摘滚筒及分布在滚
3、筒圆周上的摘锭和传动部件等组成，其基本结构如图1所示。1.2工作原理在统收式采棉机前进的过程中，动力经传动部分输入，使采摘滚筒以一定的转速匀速转动；棉株经扶导器扶导进入采摘室，与转动的橡胶摘锭充分接触，在摘锭的持续抽打、缠挂和梳刷作用下，吐絮棉、棉壳、棉秆和棉叶等与棉株脱离，并在摘锭离心力的作用下进入采摘室两侧的输棉通道中，再经前送风管道的气力作用向出料口方向运动，从而完成整个采摘过程。1.3关键零部件的参数设计1.3.1采摘滚筒采摘滚筒是统收式采棉机采摘头的直接工作部件，其结构设计的优劣关系到采摘效率的高低。因此，对采摘滚筒的设计要以作物的物理特性参数为依据6。采摘滚筒的参数设计主要包括滚筒
4、长度和半径的确定。滚筒长度与棉株结桃高度和滚筒倾斜角密切相关，其大小为采摘滚筒的半径（摘锭顶端到轴心的距离）取决于棉株底端结桃高度和棉花种植模式。为防止在采摘过程中将棉株连根拔起，而且保证采摘效率，同时满足采摘头底部与地面保持一定距离的要求，该半径大小范围应以大于棉株窄行行距、小于棉株底端结桃高度为宜。根据目前采用的种植模式和棉花品种，窄行行距100 mm，棉株最下部结桃高度约150 mm，采摘滚筒的半径值取120 mm。采摘滚筒具体结构参数如图2所示。1.3.2摘锭摘锭是与棉株直接作用的零件，待采摘物料与棉株的脱离是在摘锭与物料充分接触和互相作用下实现的。为提高采净率，要求摘锭的对物料具有较
5、大的作用力，而且同时还要具有一定的韧性和弹性。因此，摘锭材料选用高弹性橡胶材料，其具体结构和参数如图3所示。同时，为提高采摘效率，保证对物料足够的击打次数，采摘滚筒圆周方向摘锭排列数量一般取6 - 10，相邻摘锭间距则介于全开棉铃直径和半开棉铃直径之间。经过对物料的实地测量，该间距取值范围为40一60。采摘头主要结构参数如下：外形尺寸（长宽高）/mm：1390x720x905滚筒长度/mm：1300采摘滚筒半径/mm：120滚筒安装倾斜角(0)：30滚筒中心距/mm：240摘锭长度/mm：65摘锭安装直径/mm：11摘锭圆周排列数量：6 10摘锭间距!mm：40 602采摘头采摘性能试验研究2
6、.1试验设计1)试验目的：主要探索在改变采摘头相关结构参数时对采净率的影响，从中找出影响采摘效果的主次试验因素和较优参数组合，从而提高采净率和整机的采收质量。2)试验指标：采净率。3)试验因素与水平：根据理论分析，影响采摘效果的主要因素为采摘滚筒的转速A、摘锭圆周排列数量口和摘锭间距C；同时，结合统收式采棉机田间试验结果，得到试验因素与水平如表1所示。4)试验方法和方案：采棉机以采摘效率较高时的作业速度2.9km/h行驶，按照L。(34)正交表91改变采摘头的结构和参数，从而反映整体试验水平；试验方案采用3因素3水平正交试验方案。试验结果如表2所示。2.2试验结果分析2.2,1直观分析法将采集
7、数据导入正交试验表，进行数据分析，得到分析结果如表3所示。根据极差尺值的大小，得到因素的主次顺序依次为摘锭间距（因素C）、采摘滚筒的转速（因素A）、摘锭圆周排列数量（因素B）。当采摘滚筒的转速A3=500r/min、摘锭圆周排列数量B1 =6、摘锭间距C3=60时，采净率的均值较大，因此作为优选方案。2.2.2方差分析法正交试验方差分析如表4所示。由表4可知，因素A、因素B和因素C的R值均小于0.05，即此三因素对试验均有显著的影响。按照P值的大小，得到影响程度从大到小的排列顺序为因素C、因素A、因素B。根据分析要求，需要对影响显著的因素选择最佳水平，其他则根据实际需要进行选择。因此，本次试验
8、中采净率最高时因素最佳组合为A381C3，即当采摘滚筒的转速为500r/rain、摘锭圆周排列数量为6、摘锭间距为60时，采净率较高，采摘效果较好。3结论1)根据统收式采棉机的采摘要求，对采摘头结构和参数进行了设计，确定了采摘滚筒的长度、倾斜角度及采摘滚筒半径；同时，对摘锭的材料、结构和基本参数进行了选择，明确了摘锭排列形式和间距的取值范围。2)针对采摘滚筒转速、摘锭排列数量和摘锭间距的不同，对采净率的影响进行了正交实验设计与数据处理分析。分析结果表明：影响采净率的主次因素分别为摘锭间距、采摘滚筒的转速、摘锭圆周排列数量；且当采摘滚筒的转速为500r/min、摘锭圆周排列数量为6、摘锭间距为60时，采净率达到93%以上。该试验为采摘头的进一步优化提供了依据。徐守志1，王维新1，丁志锋1，王亚鸽1，蔡洁洁2（1石河子大学机械电气工程学院，新疆石河子832000;2中国石油大学机械与储运工程学院，北京102249）2013年4月农机化研究第4期