采棉机单摘锭试验台采摘过程试验分析

齐　伟，张宏文，张新建

（1.石河子贵航农机装备有限责任公司，新疆　石河子　832000；2.石河子大学机械电气工程学院）

采棉机单摘锭试验台采摘过程试验分析

齐伟1，张宏文2※，张新建2

（1.石河子贵航农机装备有限责任公司，新疆石河子832000；2.石河子大学机械电气工程学院）

摘要：利用单摘锭试验台和高速摄像系统，对摘锭的整个采摘过程进行实时拍摄，研究分析影响采棉机采净率的主要因素有：水平摘锭转速、棉花进给速度、水平摘锭本身的材料和制造工艺、棉花开放状态、摘锭工作时和棉花之间的角度、棉绒含水率等。但每个因素作用的程度不同，在试验过程中不可能对每个因素都进行试验分析，所以把摘锭转速和棉花开放状态作为试验目标，采取单因素法进行研究。

关键词：单摘锭；采净率；摘锭转速

目前，国内相关单位和学者对水平摘锭采棉机摘锭的采摘特性展开了多方面的研究[1]，大部分研究集中在摘锭的三维设计、采摘头重要部件的仿真分析和相关参数的研究方面，并没有针对采棉机实际采摘机理的研究[2～3]。对于农业机械的相关研究，设计试验台是一种有效的试验方法[4～6]，如果直接进行田间作业试验，季节局限性大，田间实际情况复杂，试验的可行性和准确性很难保证。利用设计的试验台对采棉机进行关键部件的研究，能够很好的避免实际作业时不确定因素对试验结果的影响，实现采摘头采摘效果的定量研究分析[7]。

1　试验与方法

1.1试验材料

棉花取自石河子146团6分场7连当年种植的棉花，品种为新陆中棉66号（此品种棉花种植面积占7连棉花种植面积的85%以上），此棉田采用机采棉种植模式（66 cm+10 cm）于2014年9月18号喷洒脱叶剂，10月4日～10月10日采样进行测试，采样时棉田中棉铃的吐絮率大于94%，脱叶率大于90%，棉絮含水率小于10%[8]。此地块于10月11日进行棉花采收，籽棉产量360 kg/667m2。吐絮率、脱叶率、开裂棉铃等相关参数符合采棉机作业质量标准（NY/T1133-2006），棉花采摘后立即运回试验室，为了保证供试籽棉的含水率不因环境湿度、温度而发生显著变化，影响试验准确性，宜在棉花运回后4小时内完成测试[9]。

1.2试验设备

CPL-MS70K CMOS高速摄像机，SPS402F电子天平（量程400 g，精度0.01 g，上海右一仪器有限公司，上海），单摘锭试验台。

1.3试验方法

试验因素水平如表1。为了明确开放状态对棉花采净率的影响，按照采棉机实际采摘过程中的工作参数，在试验时为了更好的模拟真实的采摘条件，籽棉的进给速度设定为1.8 m/s，摘锭的转速设定为4 000 r/min，。选出不同开放状态（半开，全开，过开）的棉花，每50朵为一组，每种状态进行5组试验，分别计算采净率进行研究分析。

表1　试验因素水平表

为了进一步研究摘锭转速对棉花采净率的作用，一般情况下采棉机收获时棉花基本上为全开状态（全开率大于85%），所以只选用全开状态的棉花进行试验，在试验时籽棉的进给速度设定为1.8 m/s，摘锭转速分别设定为2 000 r/min、2 500r/min、3 000 r/min、3 500 r/min、4 000 r/min、4 500 r/min、5 000 r/min、5 500 r/min。将选出的全开棉花每50朵为一组，分别进行5组试验，逐一计算采净率用于分析（表2）。

表2　试验因素水平表

为了确定棉花的采摘时间，采用高速摄像机对采摘过程进行摄像，拍摄速度为1 200 fps，用MAS Blasters运动分析软件对拍摄过程进行分析。

1.4测试指标

以采净率作为测试指标，测定方法及计算方法参考文献10。考虑到试验在室内进行，不存在挂枝棉，所以将文献中采净率的计算方法改为：

式中J—采净率，%；W1—遗留在铃壳内未被采收的开裂籽棉质量，g；W2—撞落在地的籽棉质量，g；W—开裂棉铃的籽棉总质量，g。

2　数据分析

由图1可知，不同开放状态棉花的采净率中，全开状态棉花的采净率比半开和过开棉花的高，并且差异显著，半开状态与过开状态的采净率间差异不显著，全开状态时采净率最高达到94.98%，是最适宜的采摘状态。

图1　不同开放状态棉花的采净率

图2　不同转速下全开棉的采净率

摘锭转速对全开棉采净率的影响，由图2可知，摘锭转速在3 000 r/min时，采净率为90%，达到了标准规定的采净率[9]。随着摘锭转速的提高，采净率也在继续提高，当转速为4 000～4 500 r/min时，采净率达到最高，为95.82%；但当转速继续增大时，采净率会下降，造成这种现象的主要原因是摘锭转速过大，导致缠绕的籽棉抛散到地上，形成挂枝棉或者落地棉。

图3　不同转速采摘力的变化曲线

摘锭和籽棉的钩挂过程是动态过程，由图3可知，摘锭的转速过大时，摘锭与籽棉之间的钩挂力大于籽棉纤维的静态扯断力，将棉纤维拉断，棉花留在棉桃上成为遗留棉，是造成采摘率下降的原因之一。

3　采摘过程分析

籽棉与铃壳分离的过程中，籽棉在摘锭上的缠绕时间以及在摘锭上的缠绕圈数是采棉机采摘过程中的关键指标。在单摘锭试验台工作过程中，利用高速摄像机对籽棉采摘过程实时拍摄及采摘过程中相关试验参数的采集，通过对籽棉与铃壳分离的运动状态进行分析，研究摘锭采摘棉花时所用的时间和圈数。图4为摘锭采摘籽棉的过程。

（1）分析图4（a～h）：按照籽棉外形的形变程度，可将整个采摘过程分为5个阶段。

①接触阶段

在进给装置作用下，棉花沿着运动方向，不断向自转的摘锭移动，籽棉与摘锭由有间距到和摘锭无缝接触，此过程称为接触过程（图4a、b）。

②钩挂过程

因为摘锭的外表面设有钩齿，当摘锭和籽棉接触过程完成后，一定速度旋转的摘锭通过其外表面设置的钩齿与籽棉接触，将籽棉钩挂在摘锭上，此过程称为钩挂过程（图4c、d）。

③缠绕过程

当摘锭钩齿钩挂籽棉后，摘锭持续旋转，籽棉纤维的形变量逐渐增大；利用摘锭与籽棉纤维之间的摩擦力作用，摘锭与籽棉纤维接触面不断增加，摩擦力不断增大，这样籽棉逐渐被缠绕在摘锭的外表面上，此过程称为缠绕过程（图4e、f）。

④分离过程

随着籽棉纤维形变量的增大，并在摘锭表面上持续缠绕，当籽棉纤维的扯断力超过籽棉与铃壳之间的分离力时，籽棉与铃壳就实现了分离，此时籽棉纤维全部在摘锭上缠绕，此过程称为分离过程（图4 g）。

⑤脱离过程

当缠绕着籽棉纤维的摘锭与铃壳分离后，进给装置继续向后移动，最后与摘锭的距离越来越远，此过程称为脱离过程（图4h）。

图4　摘锭采摘过程

（2）利用高速摄像机对籽棉与铃壳整个分离过程实时拍摄，再利用Blaster软件对籽棉与摘锭的分离过程进行捕捉。

通过Blaster软件的捕捉功能对高速摄像机拍摄的每一帧图像视屏文件进行分析，选取摘锭上的一点作为标记点，并对捕捉到标记点的变化进行连线，由此标记点分析摘锭从接触棉花到籽棉从铃壳中分离出来摘锭旋转的圈数为7.939～9.087圈，经历的时间为0.1198 s～0.1208 s。

4　结论

（1）棉铃不同的开放状态对棉花的采净率影响显著，全开状态最适宜采摘。

（2）采净率随着摘锭转度的增大会提高，转速为4 000～4 500 r/min时，采净率达到最高，为95.82%，转速继续增大，采净率会下降。采摘过程中的钩挂力大于籽棉静态棉花纤维的扯断力是造成采净率下降的主要原因。

（3）摘锭采摘棉花的圈数为7.939～9.087圈，采摘时间为0.1198 s～0.1208 s。

参考文献：

[1]毕新胜，王维新.采棉机水平摘锭的工作原理及采摘力学分析[J].石河子大学学报，2007，25（6）：786～789.

[2]付长兵．水平摘锭式采棉机采棉原理及关键部件分析[D].乌鲁木齐：新疆大学，2011.

[3]李小利．水平摘锭式采棉机采摘机理及摘锭运动规律的研究[D].乌鲁木齐：新疆大学，2011.

[4]李耀明，秦同娣，陈进等．玉米茎秆往复切割力学特性试验与分析[J]．农业工程学报，2011，27（1）：160～164．

[5]韩豹，吴文福，申建英．水平圆盘式苗间除草装置试验台优化试验[J]．农业工程学报，2010，26（2）：142～146．

[6]李秀亭．玉米收获机试验台的研制[J]．农机化研究，2007(12)：100～102．

Test Bench test analysis ingot process of picking cotton picker single pick

Qi Wei1, Zhang Hongwen2,Zhang Xinjian2
（1. Shihezi Guihang Agricultural Machinery Epuipment Co.,Ltd,Shihezi 832000,China；2.Machinery and Electricity Engineering College,Shihezi University）

Abstract：The use of single spindle test bench and a high- speed camera system, real- time shooting on the spindle of the whole picking process, root cause study on effect of cotton picker picking rate of operation. By repeating the test analysis, the main factors influencing the picking rate are: between horizontal spindle speed, feed rate, cotton picking itself materials and manufacturing process, cotton open state, spindle work and cotton lint angle, moisture content. Effect of each factor to different degrees, test process, impossible to each factor test analysis, so the picking rate as testing objects, using single factor method to study.

Key Words：single spindle; picking rate; spindle speed

通讯作者：张宏文

基金项目：新疆兵团科技型中小企业技术创新资金专项（2014BD005）

收稿日期：2015-05-15

文章编号：1007-7782（2015）04-0026-04

中图分类号:S225.91+1

文献标识码：A

doi:10.13620/j.cnki.issn1007-7782.2015.04.011