多辊式棉秆收获台的研究与试验

张爱民，刘凯凯，王振伟，刘玉京，王欢成

(1.滨州市农业机械化科学研究所，山东 滨州　256616；2.农业部 南京农业机械化研究所，南京　210014)



多辊式棉秆收获台的研究与试验

张爱民1，刘凯凯1，王振伟2，刘玉京1，王欢成1

(1.滨州市农业机械化科学研究所，山东 滨州256616；2.农业部 南京农业机械化研究所，南京210014)

摘要：棉花秸秆是重要的可再生生物质能源，其收获技术的滞后严重制约了棉秆的资源化利用。针对棉花种植行距不一致，以及棉秆收获机作业中常出现的适用范围小、拔断率高、功率消耗大等问题，创新研制了多辊式棉秆收获台。同时，介绍了收获台的工作原理以及关键部件的设计分析，对主要性能指标进行了田间试验。试验结果表明：各项指标达到了设计要求。

关键词：棉秆收获台；多辊式；不对行；V 形齿板

0引言

棉秆是棉花生产过程中的副产物，同样是重要的可再生生物质资源。我国作为世界上植棉大国，形成了长江流域、黄河流域和西北内陆三大棉花主要生产区，带来储量丰富的秸秆资源[1]。据国家统计局数据显示，2014年我国棉花种植面积近422万hm2[2]，约产棉花秸秆2 000万t。伴随工业技术的发展与进步，棉秆在焚烧发电、造纸、生物利用以及板材制造等方面的应用越发广泛[3]。将丰富的棉花秸秆资源由传统的焚烧和掩埋转化为有效利用，增加其价值，将产生巨大的经济效益和社会价值。正确地处理棉花秸秆，变废为宝，可实现供电、供气，缓解农村能源紧缺现状，防止由于焚烧秸秆所产生的大量有害气体，改善农民的生活环境。

国外棉花秸秆收获设备技术主要针对等行距标准化种植农艺，基本采用对行收获方式，以对辊式拔棉秆机为主，棉秆拔出直接切断还田，无法解决我国棉花种植行距不统一的问题，很难适应国内复杂的农艺要求。我国棉秆收获机械的研制工作起步于20世纪60年代中期[4]，根据拔取原理不同，分为铲切式、提拔式、刀辊式等,代表机型有中国农业机械化科学研究院生产的4MG-275型自走式棉秆联合收割机、天津农机推广总站的4MG-2型水平齿盘式棉秆拔除机[5]。虽然机型众多，但铲切式、圆盘式都需对行收获，对棉花种植模式多样化的适应能力差；而剪切式、刀辊式虽可以实现棉秆的不对行收获，但其都存在刀片容易磨损且能耗大，很难达到棉秆收获低成本的要求。

因此，研制一种不对行棉秆收获台，实现棉秆的高效率、低成本收获，对于降低棉农的劳动强度、提高棉秆收获机械化水平、适应棉花复杂的种植模式、减轻环境的污染，具有重要的意义。

1收获台的研究与分析

1.1整机结构

综合国内、外棉秆收获机的结构和各自的优缺点，创新研制了多辊式棉秆收获台。采用拔秆辊、清理辊、强制输送辊、拨禾轮及螺旋输送器的方案[6]：拔秆辊与拨禾轮组成拔取结构提拔棉秆，清理辊用于清理棉秆、缠草、残膜，强制输送辊则向后拨送棉秆到收获台上，再由螺旋输送器将棉秆聚拢、输送。在多辊式棉秆收获台的基础上，滨州市农业机械化科学研究所进一步研发设计，研制出自走式不对行棉秆联合收获打捆机，可一次完成棉花秸秆的拔取、清土、切断及打捆等作业，如图1所示。

1.2工作原理

棉花秸秆属于直根系作物，根系分布在耕作层内，生长发达[7]。不对行棉秆收获台的研究就是通过工作部件完成棉根与土壤的分离，将棉秆整株拔取，如图2所示。

棉秆在被拔起的瞬间受到拔秆辊对棉秆的推力、拔秆辊上布置的V形齿板对棉秆的静摩擦力及棉秆被V形齿板前推变形产生的弹力的合力构成的棉秆综合拔取力[8]。在棉秆拔取过程中，土壤要发生变形，还需克服根系与土壤的黏着力和摩擦力等，这些阻力综合为拉拔阻力。研究表明：棉秆在松软的土壤中，从拉拔开始至阻力基本解除对应的位移可达140mm ；拉拔阻力与棉秆根部直径成正比；土壤越黏重，土壤含水量越小，土壤坚实度也越高，拉拔阻力也增大[9]。通过性能试验可知，棉花秸秆的最优起拔角度为30°，最优起拔线速度为6.28mm/s[10]。同时，对收获期棉花秸秆的形态进行研究，并结合已有的起拔阻力测试，建立棉秆形态三维模型，为多辊式棉秆收获台结构设计提供依据。

1.不对行棉秆拔秆台　2.溜板输送装置　3.打捆装置　4.切断装置

图2　V形齿板夹持棉秆工作原理

多辊式棉秆收获台的工作原理：拨禾轮外围横杆拨在棉秆的2/3处向后拨送，旋转拔秆辊上的 V 形齿板夹住棉秆靠近地面根部，在拨禾轮的共同作用下，将棉秆向上提拔；棉秆被提拔出来后，拔秆辊的运动 使棉秆向后倾倒，并从 V 形齿板的齿槽中脱出。若有棉秆因为夹持力过大而未能及时从 V 形齿槽中脱出，则当 V 形齿板转到后上方与清理齿交汇时，由清理齿将棉秆从 V 形齿板齿槽中强制清理出来，并落入位于其后旋转的强制输送辊，再继续向后拨送到螺旋输送器上，由螺旋输送器完成棉秆的聚拢、输送。多辊式棉秆收获台的结构图，如图3所示。

图3　多辊式棉秆收获台结构图

多辊式棉秆收获台的主要技术参数，如表1所示。

表1　主要技术参数

2主要工作部件的设计分析

2.1拔秆辊的工作原理和基本结构

拔秆辊结构为横向卧辊式，主要由拔辊轴和 V 形齿板组成。在拔秆辊轴的圆周切向均布3排 V形齿板，轴线方向上错位布置，以减小棉秆拔取过程的冲击和振动。为了提高齿板对棉秆的抓取效果，齿板一侧开有锯齿形齿槽，一侧固定连接到拔辊轴。拔秆辊在链轮的驱动下转动，V形齿板完成对棉秆的抓取，在拨禾轮的共同作用下，随着机组的前进和拔秆辊自转的共同作用，实现棉秆的拔取。V 形齿板是拔秆辊的关键工作元件，最主要的结构参数就是齿宽L和齿形角A。为保证V 形齿板能够抓取棉秆并减少与棉秆间的相对滑移[9]，应至少满足

L≥M, A≤A0

式中L—V形齿板拔秆齿齿宽(mm)；

M—棉花秸秆主干直径(mm)；

A—齿刀的齿形角(°)；

A0—棉秆和钢材间摩擦角(°)。

V 形齿板的齿形角不宜过小，否则会切断棉秆或者棉秆卡入齿槽不易清理，造成缠绕。经测定棉秆与钢材间的摩擦角A0=29.1°。根据滨州市棉田实地调研，棉花秸秆地表截面直径范围为12～30mm，大部分在20mm左右。因此，本设计V 形齿板齿宽L=23mm,齿形角A=25°。设计加工完的拔秆辊部件在田间进行拔除性能试验，如图4所示。

图4　拔秆辊的田间性能试验

2.2清理辊设计

清理辊布置于拔秆辊的后方，转向、转速与拔秆辊相同。其功能是强制将棉秆从齿槽中清理出来，清除缠绕在拔秆辊上的杂草和残膜，并将横跨于 V 形齿板上的棉秆切断，防止 V 形齿板齿槽被异物缠绕阻塞而造成的棉秆拔净率下降；同时还可以将棉秆根部黏附的泥土震落。要使清理辊每次都能较好地清理掉拔秆辊上的棉秆、杂草和残膜则必须保证清理齿和 V 形齿板每次交汇时的位置不变。V 形齿板和清理齿都是采用在圆周方向上均匀布置3排的形式，并且需要清理辊和拔秆辊的转速相同。经过试验得知 ：V 形齿板在转到拔秆辊的后上方与水平面的夹角在45°～60°时与清理辊交汇，可以取得比较理想的清理效果。

2.3强制输送辊设计

由于拔秆辊和棉秆输送装置结构的限制，导致棉秆脱离拔秆辊时会出现少许棉秆不能落在输送装置的作用范围，进而堵塞后续棉秆，因而在拔秆辊和棉秆输送装置间添加强制输送辊。在结构上，这种装置采用在轴的圆周上焊接矩形铁板叶片，而且其转速偏高于拔秆辊，保证有更多的机会拨动棉秆。

2.4收获台机架和螺旋输送器的设计

棉秆经拔秆辊拔出后，通过清理辊和强制输送辊作用到达棉秆收获台，再由螺旋输送器将棉秆向中间聚拢，并依靠伸缩扒爪将其运至链板输送器，进行后续作业。为避免棉秆上部抵在后壁上形成悬空，使螺旋输送叶片有效波动，降低棉秆收获台后壁高度，加大螺旋输送器的直径，提升螺旋输送器对棉秆波动的稳定性。

3性能试验

针对新研制的多辊式棉秆收获台的主要性能指标[6]，在山东滨州的棉花试验示范基地进行大田试验，如图5所示。

图5　多辊式棉秆收获台的田间试验

3.1拔秆辊转速对拔净率、拔断率、漏拔率的影响

当拔秆辊转速在350～600r/min 时，棉秆的拔净率可以达到 90%以上。转速改变，棉秆的拔净率、漏拔率和拔断率也随之变化。拔秆辊在200r/min 低速运转时，棉秆的拔净率显然较低，棉秆的漏拔率很高，拔断率较低；伴随转速的提升，棉秆的拔净率逐渐升高，棉秆的漏拔率逐渐减少，但是并未消除。在拔秆辊贴近地表作业时，棉秆拔净率最高为95%，此时拔秆辊的转速约为460r/min。不同转速下的棉秆拔净率如表2所示。

表2不同转速下的棉秆拔净率统计

Table 2Statistics of pulling rate on cotton stalk in different speed

%

3.2拔秆辊离地间隙对拔净率的影响

当拔秆辊转速一定时，拔秆辊作业高度越低，棉秆越容易抓取，棉秆的拔净率也越高。入土10～20mm时棉秆的拔净率最高，但相应的功耗也提高较大。当拔秆辊贴近地表，拔秆辊转速分别固定在380r/min和 460r/min时，其对应的棉秆的拔净率可以达到92%和 95%。当拔秆辊的 V 形齿板入土作业时，棉秆的拔净率继续升高，可以达到 96%左右。拔秆辊不同高度时棉秆的拔净率如表3所示。

表3　拔秆辊不同高度时棉秆的拔净率统计

3.3棉秆直径的大小对拔净率的影响

通过对不同直径的棉秆拔除作业分析，拔秆辊对直径 21～30mm 棉秆的拔净率始终高于直径 13～20mm 棉秆的拔净率。对于直径13～20mm 的棉秆，随着拔秆辊作业高度的降低，拔秆辊的拔净率提升效果明显。棉秆直径在 21～30mm 之间时，拔秆辊的高度对拔秆辊拔净率的影响比较小。通过此试验可以得出一个规律：在拔秆辊的转速相同、与地面的距离不变的情况下，棉秆的直径越粗，越有利于棉秆的拔出。棉秆直径对拔净率的影响如表4所示。

表4棉秆直径对拔净率的影响

Table 4Influences of the diameter of cotton stalk for pulling rate

%

3.4棉秆收获台对春秋季棉秆收获的适应性

通过试验发现：在春季拔棉秆时，棉秆的拔净率平均为 96%，在年前秋季拔棉秆时棉秆的拔净率平均为 93%。由于春季收获棉秆时，较年前相比，土壤土质疏松，棉秆根部腐烂等因素的影响，导致棉秆的抓地力减小，棉秆更容易被拔出，所以在春季时拔棉秆时拔净率要明显高于年前秋季拔棉秆。秋季与春季，棉秆拔净率如表5所示。

表5　秋季与春季，棉秆拔净率的数据统计

4结论

1)通过对多辊式棉秆收获台的研究与分析，建立棉秆拔取的力学模型，对影响棉秆拔净率和生产效率的因素进行对比分析，确定各参数的取值范围。同时，对主要工作部件进行性能试验，确保完成不对行棉秆收获的可行性；结合整机的结构和功能，优化提升匹配自走式平台的多辊式棉秆收获台。

2)在山东滨州的棉花生产试验示范基地进行了大田作业，结果表明：当拔秆辊处于适宜转速350～600r/min、拔秆辊与地面的合适间隙为-20～10mm、作业速度为1m/s 时，该机的拔棉秆生产率可达到0.8hm2/h，拔净率可达96%。表明该机在完成不对行收获的前提下，具有拔净率好及拔棉效率高的特点，主要性能指标达到设计要求。

3)由于前期主要针对性能检测，多辊式棉秆收获台在结构的空间布置、动力输出方式等方面还有待进一步优化。

参考文献：

[1]张佳喜，叶菲.我国棉花秸秆收获装备现状分析[J].农机化研究，2011，33(8)：241-244.

[2]国家统计局. 国家统计局关于2014年棉花产量的公告[EB/OL].[2014-12-31].http://www.stats.gov.cn/tjsj/zxfb/201412/t20141217_654427.html.

[3]陈明江，平英华，曲浩丽，等.棉秆机械化收获技术与装备现状及发展对策[J].中国农机化，2012(5)：23-26.

[4]张凤元.我国棉柴收获机械的研制历史及现状[J]. 山东农机，1996(4)：4-5.

[5]贾健.拔棉柴机的设计研究[J].山西农业大学学报，2005，25(3)：268-269，274.

[6]中国农业机械化科学研究院 .农业机械设计手册[K].北京： 中国农业科学技术出版社，2007.

[7]马继春，荐世春，周海鹏.齿盘式棉花秸秆整株拔取收获机的研究设计[J].农业装备与车辆工程，2010(8)：3-5，12.

[8]唐遵峰，韩增德，甘帮兴，等.不对行棉秆拔取收获台设计与试验[J].农业机械学报，2010(41)：80-85.

[9]李有田.关于棉柴的拉拔阻力试验分析 [J].农机推广与安全，2005(6)：15-18.

[10]李怡.棉秆起拔机关键部件设计与试验研究[D].武汉：华中农业大学，2014.

Design and Trial on Cotton Stalk Pulling Head with Multi-roller

Zhang Aimin1, Liu Kaikai1, Wang Zhenwei2, Liu Yujing1, Wang Huancheng1

(1.Binzhou Research Institute for Agricultural Mechanization,Binzhou 256616,China; 2.Nanjing Research Institute for Agricultural Mechanization, Ministry of Agriculture,Nanjing 210014,China)

Abstract：Cotton stalk is an important renewable biomass energy source，however, the exploitation of which is restricted for the lag of cotton stalk harvesting technologies. Because of variety of cotton row spacing, there were some problems on cotton stalk pulling machine ,such as smaller using scope, higher pulled break rate and higher energy consumption etc. In order to solve these problems, We developed a new cotton stalk pulling head with multi-roller. The operating principles of the pulling head were introduced, and the critical components were designed. The main performance indexes of the pulling head were measured by field tests. The results indicated all parameter indexes reached the design requirements.

Key words：cotton stalk pulling head; multi-roller; regardless of row; the V-shaped tooth plate

文章编号：1003-188X(2016)03-0091-05

中图分类号：S225.91+2

文献标识码：A

作者简介：张爱民(1976 -)，男，山东惠民人，高级工程师，(E-mail)bzzam@163.com。

基金项目：“十二五”国家科技支撑计划项目(2013BAD08B02)

收稿日期：2015-03-12