4MZ-3指刷式采棉机驱动系统的设计

孙勇飞，吴崇友,，薛 臻，石 磊，张玉同，黄铭森

(1.农业部南京农业机械化研究所，南京 210014；2.泰州常发农业工程技术有限公司，江苏 泰州 225300)

0 引言

我国2014年全国棉花播种面积为422万hm2，机收面积为66万hm2，机械化采收率为15.7%。棉花主产区的新疆，2014年棉花种植面积约160万 hm2，机械化采收率最高的新疆兵团，棉花种植面积约58.7万 hm2，43.3万hm2实现了机械化采收，机械化采收率为70%[1-3]。目前，棉田耕整、播种、植保、灌溉等环节已基本实现了机械化，棉花机械化采收成为制约我国棉花产业发展的关键环节[4-6]。

国外自走式采棉机的发展方向为大型化、高级化、智能化及充分利用机电液计算机一体化技术，完善自动检测和控制系统。采棉机性能向提高采净率、减少损失率及降低机采籽棉含杂率，增大棉箱装载量、装载密度及机载压制棉模以减少人工作业量，以及机器操作更加智能化、人性化的趋势发展[7-8]。按照我国对发展高端智能农机、实现农业现代化的要求，研究开发新型的棉花采收机理和装备，打破目前棉花机械化收获机型单一的状况，实现采棉机市场多机型、多品种的竞争性发展，提高棉花机械化水平、节本增效，促进我国棉花产业的生产发展，研发具有自主知识产权的高端智能采棉机成为当务之急[9]。

1 采棉机的基本结构及工作原理

1.1 指刷式采棉机的基本结构

1.采摘台 2.输棉通道 3.驾驶室 4.发动机 5.气棉分离装置 6.清棉装置 7.棉箱 8.柴油箱 9.集桃箱 10.风力输送装置

Fig.1 Structure diagram of the 4MZ-3 finger-brushing cotton picker

1.2 指刷式采棉机的基本原理

指刷式采棉机工作原理：指刷式采摘台将籽棉采下，棉杂混合物首先进入棉桃分离输送装置并在该装置中分离出未成熟的棉桃送至集桃箱储存；分离出的籽棉随风力作用进入气压回流除碎叶装置，大部分风力及碎叶等小杂在该装置中被排出，最终籽棉进入棉纤抑损高效清杂装置进行清杂，清杂完毕的籽棉被送入棉箱储存[15-16]。

1.3 指刷式采棉机主要技术参数

机采棉因加工清理籽棉道数多，重复清理加工，造成棉花品质下降。为缩小机采棉与手采棉的差距，提高棉花采收机械化水平，研制了三行自走式4MZ-3指刷式采棉机。该机型无需使用清洗液及润滑脂，性能良好、造价低、实用性强，其主要技术参数如表1所示。

表1 主要技术参数

2 指刷式采棉机驱动系统组成

2.1 液压系统的组成及原理

采摘台是指刷式采棉机进行棉花采收的关键部件，位于整机前端，工作时需要根据棉花生长状况等条件即时调整其采摘高度。为此，研究设计了一套采摘台仿形系统，该系统具备手控和自动仿行控制功能。手动控制时，驾驶员可根据田间实际棉花生长状况，判断采摘台应离地高度；自动仿形时，该系统可根据棉田实际情况，利用采收的地形数据，通过电磁比例换向阀实时调整采摘台离地高度，实现采摘台的自动升降，确保采摘效果[17-18]。采摘台仿形控制系统框图如图2所示。

图2 采摘台仿形控制系统框图

采摘台及棉箱的升降具由液压油缸控制，采摘台设计的液压仿形机构，可以使采摘台在工作过程中实现地面仿形和障碍物自动避让，保证了采棉机的采摘台动态保持在设定作业高度。当地面有高低起伏变化时，仿形控制系统将地面变化情况转换为电信号反馈给控制器，控制器根据接收的信号判断是否需要仿形动作。如需动作时，控制器驱动执行机构，完成采摘台的升降动作，达到自动仿形的目的。采摘台采收辊、挑棉辊、压实搅龙及卸棉组件的运转分别由对应的液压马达驱动，当采摘过程中出现堵塞时，系统中安装的压力继电器会将信号反馈至PLC，切断各工作回路，同时发出报警信号提醒驾驶员及时排除故障[19]。根据采棉机驱动要求，设计的液压驱动系统工作原理如图3所示。

2.2 液压系统主要元件与参数分析

参考农业机械常用的系统工作压力，初选系统压力为18MPa。系统选用的主要元件及其参数如表2所示。

2.2.1 液压缸参数分析

液压缸流量计算，即

预计11月底，尿素市场将进入销售的小旺季，但是复合肥情况则不太乐观。唐小琳说，由于目前氮磷钾等原料市场价格上涨，复合肥出厂价格走到了历史最高点。所以，今年的冬储估计要用“平淡”两个字来总结。但是化肥对农民来说属于刚性需求，唐小琳表示，预计经销商完成备货以后，尿素是市场价格或将回归“理性”。

A=πD2/4

(1)

V=L/t

(2)

Q=VA

(3)

其中，A为液压缸充液面积；D为无杆腔直径；L为行程；t为动作时间；Q为流量。

采摘台液压缸D为50mm，L为300mm，t为5s，单个液压缸流量Q为7.1L/min，则采摘台两个液压缸所需流量Q为14.2L/min。其中，集棉箱液压缸D为50mm，L为860mm，t为7s，单个液压缸流量Q为14.5L/min，则采摘台两个液压缸所需流量Q为29.0L/min。

1.液压源 2.溢流阀 3.手动换向阀 4.比例换向阀 5、10、11.液控单向阀 6、12..单向节流阀 7、8.单向液压缸

元件型号额定压力/MPa排量/mL·r-1额定转速/r·min-1转速范围/r·min-1数量采摘台液压缸ϕ50×300----2集棉箱液压缸ϕ50×860----2采摘台马达BM3-200162003556～3751挑棉辊马达BMR-315163151655～1901压实搅龙马达BMR-315163151655～1901卸棉马达BMR-315163151655～1901

2.2.2 液压马达参数分析

液压马达流量计算，即

Qm=qmnm/ηV

(4)

其中，Qm为液压马达输入流量；qm为马达排量；nm为马达输出转速；ηV为容积效率，ηV=0.94。

已知采摘台马达输出转速nm为150r/min，则采摘台Qm为56.6L/min；已知挑棉辊马达输出转速nm为80r/min，则挑棉辊Qm为26.8L/min；已知压实搅龙马达输出转速nm为60r/min，则压实搅龙Qm为20.1L/min；已知卸棉马达输出转速nm为90 r/min，则卸棉搅龙Qm为30.2L/min。

2.2.3 液压泵参数确定

液压泵的最大工作压力Ppmax应满足

Ppmax≥P1max+∑ΔP

(5)

其中，Ppmax为液压执行元件最大工作压力；P1max=16MPa；∑ΔP为管路损失，按经验数据选取∑ΔP=1.0MPa[20]，则液压泵的最大工作压力Ppmax为17MPa。

液压泵最大输出流量为

qp≥K(∑qmax)

(6)

其中，∑qmax为同时动作的各液压执行元件的最大总流量；K为系统泄漏系数，一般取K=1.2。

液压执行元件使用流量最多是棉花采收过程中，同时工作的有采摘台液压缸q1=14.2 L/min，采摘台马达q2=56.6L/min，挑棉辊马达q3=26.8L/min，压实搅龙马达q4=20.1L/min，因此液压泵最大输出流量qp≥=141.2L/min。

2.3 PLC控制系统硬件选项与I/O分配

根据指刷式采棉机液压系统的工作原理，考虑输入/输出点数的备用余量，选用三菱FX2N-64MR可编程序控制器，其输入、输出点数均为32个，其对应的输入输出端口分配如图4所示。

图4 采棉机I/O端子分配图

2.4 PLC控制系统软件设计

PLC控制程序设计是系统功能的实施流程，采用三菱PLC编程软件GX-developer，梯形图语言进行编写，并利用GX Simulator软件进行了仿真调试。根据4MZ-3指刷式采棉机液压系统工作过程编写出控制系统梯形图，如图5所示。

3 田间收获试验

3.1 试验条件与设备

2016年9月29日，在新疆生产建设兵团第八师一三四团进行田间试验，测试品种新50(短枝干)，种植模式(66+10)cm，种植密度180 000株/hm2，平均株高70cm，最低棉铃高度18cm，吐絮率>92%，脱叶率>88%，籽棉含水量8%，产量5 250kg/hm2。

试验所需设备及仪器有：4MZ-3指刷式采棉机、AT-8型光电转速表、风速仪、快速水分测试仪、DL-17型电子称、秒表、皮尺，以及标杆等。

3.2 试验结果

选取同一块地5块不同试验区，采摘作业前清理自然落地棉。采棉机行走速度1.7km/h，采摘台马达转速158r/min(采摘辊转速316r/min)，挑棉辊马达转速82r/min(挑棉辊转速164r/min)，压实搅龙马达转速58r/min(压实搅龙转速58r/min)，在5个试验区分别进行测试，取均值。 4MZ-3指刷式采棉机性能指标平均值为采净率96.84%，撞落棉损失率1.86%，含杂率6.52%。

图5 控制程序梯形图

4 结论

1) 以4MZ-3指刷式采棉机液压驱动系统为研究对象，介绍了采棉机的结构与工作原理，分析了液压系统的组成及各个功能的控制原理，提出了整机的液压系统配置方案,并对液压元件的选型、液压系统主要参数的确定等方面进行了研究。液压驱动系统工作压力为18MPa，输出流量应大于141.2L/min。

2) 选用三菱FX2N-64MR可编程控制器对采棉机进行控制，经现场调试与应用，该控制系统能够实现采棉机的各种功能，实现了采摘台自动仿形及关键工作部件故障报警功能，达到了预定的控制要求。

3)田间试验结果表明：4MZ-3指刷式采棉机采净率为96.84%，撞落棉损失率1.86%，含杂率6.52%，主要性能指标达到国家采棉机作业性能指标要求。该液压控制系统运行可靠、实用性强、稳定性好，能够很好满足棉花收获的要求，对采棉机液压系统的设计和配置具有参考价值。