夹持输送式棉花拔秆机的设计与试验

叶尔波拉提·铁木尔，张佳喜，蔡佳麟，王毅超，郜周明，芮照钰

(新疆农业大学机电工程学院，新疆 乌鲁木齐 830052)

棉花是我国非常重要的经济作物，2019年全国棉花种植面积333.92万hm2，其中新疆维吾尔自治区棉花种植面积254.05万hm2[1].棉秆根部长时间留存在土壤中，根系不易腐烂，容易造成病虫害的传播，且后续生产作业不利，拔除棉秆有利于减轻病虫害[2-3].夹持输送式拔棉秆方式可以将棉秆整根拔出，棉秆拔除之后有利于地膜回收，其次有松土的效果.棉秸秆资源如果实现循环利用，将产生巨大的经济效益[4-8].

在六十年代中期，国内就开始了对棉秆收获机械的研制[9].其中主要分为铲切式、滚切式、提拔式、联合作业方式四种.如河北农哈哈的4MJ-2型齿盘式棉花秸秆收获机[10-11]，该机具适合内地单行种植模式，不适于机采棉窄双行种植模式；武汉市农业机械化研究所的4MC-6型拔棉秆机[12-13]，该机利用对辊圆锥拔棉秆，因螺纹间隙，漏拔率较高.由于关键部件使用刚性材料，棉秆容易扯、折断等问题.国外棉秆收获机械按照收获原理归纳为3种，拔取式、刨切式与铲切式.如澳大利亚的Muti和美国的ADAMAS[14-15]拔秆装置主要是胶辊和一对轮胎为主.国外收获机械主要使用于大单行种植，很难适应国内一膜四行种植模式.

本文提出采用夹持输送式结构将棉秆整株回收[16]，采用柔性双皮带夹持，对棉秸秆起到一定的保护作用，从而可以降低夹断率，有效拔秆区域加长，不易造成棉秆堵塞，拔取率高，适合机采棉种植模式的棉秆整秆拔取收获机.可完成机采棉种植模式下的棉秆整秆回收，以漏拔率与拔断率为目标参数，研究不同的机具参数对棉花拔秆机的影响，找出最优工作参数，为棉花拔秆机的研发与设计提供理论参考.

1 总体结构和工作原理

1.1 总体结构

夹持输送式棉花拔秆机主要由分禾器、张紧装置、焊合机架、液压马达、油箱、从动轮张紧、从动轮、主动轮和液压泵等组成.总体结构如图1所示.

1.2 工作原理及技术参数

收获机工作时，棉花拔秆机通过三点悬挂挂接于拖拉机后方，拖拉机后输出轴与液压泵传动轴通过万向节连接，液压泵通过液压带动两个液压马达转动，液压马达通过联轴器带动主动轮旋转，同时主动轮通过皮带带动从动小轮旋转，主、副皮带做相对旋转运动，分禾器将棉秸秆引导进入拔秆区域，在机具前进推力及其皮带夹持起拔力作用下，完成棉秆起拔并将其输送于机具后方.技术参数如表1所示.

1：分禾器；2：张紧装置；3：机架；4：液压马达；5：油箱；6：从动轮张紧；7：从动轮；8：主动轮；9：液压泵.1：Divider；2：Tensioning device；3：Frame；4：Hydraulic motor；5：Tank；6：Driven wheel tension；7：Driven wheel；8：Driving wheel；9：Hydraulic pump.图1 夹持输送式棉花拔秆机的结构示意图Figure 1 Schematic diagram of the structure of the clamping and conveying cotton stalk harvester

1.3 传动系统

为了工作时主动轮转速可调，夹持输送式棉花拔秆机采用串联液压方式，拖拉机后置动力输出轴带动齿轮泵，液压油在齿轮泵的作用下通过调速阀控制2个串联液压马达转动并满足提供主动辊所需的转速.液压传动示意图如图2所示.

表1 夹持输送式棉秆收获机的工作参数Table 1 Working parameters of the gripping and conveying cotton straw harvester

1：油箱；2：液压泵；3：手动二位四通换向阀；4：液压马达；5：调速阀；6：溢流阀.1：Tank；2：Hydraulic pump；3：Manual two position four way directional valve；4：Hydraulic motor；5：Governor valve；6：Relief Valve.图2 液压传动示意图Figure 2 Transmission system diagram of the hydraulic pressure

2 关键部件设计与分析

2.1 引秆装置的设计

引秆装置主要由挂架与分禾器焊接组成，分禾器安装到拔秆装置前方，机具前进时对错行棉秆及倒伏起到扶正并导向拔秆装置，将两行的棉秆向中央集中.为降低棉秆指标来设计，其中主要参数是分禾器与地表之间高度H与分禾器尖锐部分的角度β，如图3所示.

图3中，ABC为分禾器底部平面；H为分禾器离地高度，mm；v0为机具前进方向；β为分禾器尖锐部分的夹角，(°)；δ为棉秆与分禾器平面ABC的夹角，(°)；K为分禾器宽度，mm；W为分禾器对棉秆的作用力，N；f为棉秆与分禾器之间的摩擦力，N；N为静摩擦力，N.

图3 分禾器几何分析图Figure 3 Geometric analysis diagram of divider

尖锐部分的夹角β的大小影响分禾器扶正棉秆导向拔秆装置，假设当β=180°时，棉秆无法被送到拔秆区域；当β=0°时，分禾器与机具前进方向相同，无法扶正倒伏的棉秆，将顺利的送入拔秆区域，故存在一定的夹角β′，当β=β′时，棉秆与分禾器产生相互的作用力，则有：

(1)

(2)

f=μW

(3)

式中：μ为棉秆与分禾器侧面之间的摩擦因数.

查阅资料木材与金属之间的摩擦因数，取棉秆与分禾器侧面之间的摩擦因数为0.2～0.6，由式(1)～(3)得30°≤β≤40°，经计算取分禾器尖锐部分的夹角35°.

机具前进时，分禾器与地面的高度H越低，越有利于将棉秆扶正.考虑到棉秆抗弯角度δ，来确定分禾器的宽度K，假如机具前进时，棉秆抗弯角度δ大于工作时棉秆角度δ，则能将棉秆顺利的送入拔秆区域，得：

(4)

机具工作时，考虑到田间地不平等因素分禾器离地高度最高300 mm，故H≤300 mm，根据测量田间棉秆抗弯角度δ，取值30°～40°.由式(4)得K≤350 mm，取分禾器宽度K为350 mm.

上述分析可知，机具工作时，分禾器越低越好，降低折断率，分禾器于地面的高度不超过300 mm，则分禾器宽度K取350 mm，分禾器尖锐部分的夹角取35°.

2.2 拔秆装置的设计

拔秆装置的结构如图4所示，该装置具有调节皮带松紧方便、棉秆拔净率高、结构简单等优点；该拔秆装置主要由1个主动轮、2个皮带1、2个皮带2和3个从动轮等组成.通过支撑架安装在机架上，拔秆有效长度400 mm，调节皮带松紧装置左右移动距离在250 mm，调控拔秆装置与地面间的距离，以适应田间实际作业情况；皮带采用天然橡胶，具有较好的韧性和耐磨性，主动轮与从动轮的的半径r1、r2、r3和r4分别为320 mm、120 mm、250 mm和120 mm，主动辊上的皮带宽度为100 mm，厚度为10 mm，长度为1 500 mm，共2个，2个从动轮上的皮带宽度为100 mm，厚度为10 mm，长度为1 600 mm.

1：张紧装置；2：从动大带轮；3：皮带1；4：从动小带轮；5：主动轮；6：皮带2；7：从动小带轮1：Tensioning device；2：Driven pulley；3：Belt 1；4：Driven small pulley；5：Driving wheel；6：Belt 2；7：Driven small pulley.图4 拔秆装置结构示意图Figure 4 Structure diagram of stalk pulling device

为获得较优的拔秆角度α，对棉秆受力分析，如图5所示，棉秆拔秆过程主要分为3个阶段，包括喂入阶段、夹持起拔阶段以及输送阶段.

图5 棉秆受力过程Table 5 Stress process of cotton stalk

图5中，A为喂入阶段、B为夹持起拔阶段、B为输送阶段.F1为机具前进对棉秆的推力，N；FJ为双皮带对棉秆的夹持力，N；G为棉秆重力，N；FL为双皮带与棉秆夹持产生的摩擦力，N；FK为土壤粘结力，N；L为工作行程，mm.

喂入阶段：机具作业时，棉秆经过分禾器的扶正进入拔秆区，此时机具对棉秆产生推力F1，力学分析如图5-A所示.

夹持起拔阶段：棉秆受到双皮带的夹持力、棉秆本身的重力和土壤对棉秆的粘结力，如图5-B所示.机具前进对棉秆产生了向前的推力F1，双皮带通过夹紧棉秆而产生棉秆起拔所需摩擦力FL.F1、FL的合力F为对棉秆的起拔力，FK为土壤粘结力.当FK>F时，棉秆不能被拔出；当FK

F1+FL=F

(5)

F>FK

(6)

棉秆被双皮带夹持拔起的主要条件为：棉秆受到双皮带产生的摩擦力FL和机具前进推力F1，此时主根系向地表发生位移，并且此距离大于主根系在地表的深度[17-18]，拔秆装置对棉秆起拔做功不小于棉秆被拔起所需的功，则需满足式(7)：

(7)

式中：t1为棉秆起拔完成时间，s，；h为棉秆根系位移，m；W为拔棉秆所需的功N·m；t0为棉秆起始时间，s.

进入棉秆夹持区域后，棉秆需要保持一定的夹持力，以防止棉秆无法拔出，棉秆受力分析图6所示.

图6 棉花受力图Figure 6 Stress diagram in the process of stem pulling

图6中，F1为机具前进对棉秆的推力，N；FJ为双皮带对棉秆的夹持力，N；G为棉秆重力，N；FL为双皮带与棉秆夹持产生的摩擦力，N；FK为土壤粘结力，N.

双皮带夹持棉秆产生的摩擦力决定能否拔除棉秆，以此作为计算条件.图6为棉花受力分析图，建立坐标轴，以摩擦水平分力为x轴，垂直分力为y轴，受力方程为：

(8)

起拔力与夹持力之间的关系及土壤阻力为：

FL=2μFJ

(9)

(10)

联立式(4)～(5)得：

(11)

(12)

(13)

由公式(10)～(13)得：

(14)

式中：α为拔秆角度，(°)；μ为皮带与棉秆之间的摩擦系数；F1为机具前进对棉秆的推力，N；FJ为双皮带对棉秆的夹持力，N；G为棉秆重力，N；d为棉秆直径，m；η为土壤与棉秆根部之间的最大静摩擦因数；γ为土壤重度，N/m2；K为侧向土压力系数；H为夹持棉秆部位距地面高度，m；J为棉花茎秆长度，m；FL为双皮带与棉秆夹持产生的摩擦力，N；FK为土壤粘结力，N.

夹持带拔秆角度大小影响拔秆效果，当拔秆角度α为钝角时，夹持带速度与前进速度方向一致，很难完成拔秆作业，故本文设计拔秆角度α为锐角，若拔秆角度过大，夹持带速度沿x轴的分量会变小，棉秆被向后抛掷的速度会变小.结合自制的拉拔力试验装置测试结果，拔秆角度α在45°左右，作业效果较好.

输送阶段：如图5-C所示，此时棉秆被拔出地表，仅受重力G、夹持力FJ和摩擦力FL的作用，随双皮带转动向机具后方输送，最终抛至机具后方地表.

上述分析，确定了棉秆被顺利拔起的重要因素起拔角度.起拔角度决定着夹持过程中的大小.降低拔断率和漏拔率，优化拔秆部件最为关键.

3 试验与分析

3.1 试验条件

试验于2019年11月1日在新疆巴音郭楞蒙古自治州尉犁县达西村进行，此地属暖温带大陆性干旱气候，日照时间长，昼夜温差大，空气干燥，光照充足，试验地棉花品种为新陆早45，棉花种植行距(660+100) mm，株距50 mm，试验地土壤类型为沙土，土壤紧实度平均为425.6 kPa，土壤含水率为12%～20%，棉秆平均高度为700 mm，平均直径为12 mm，含水率为40～50%.试验设备：常发CFD554拖拉机(发动机标定功率44.4 kW，动力输出轴转速540/760 r/min)、TJSD-750-Ⅱ数显式土壤紧实度测定仪、QS-WT型土壤水分温度测定仪、转速仪、皮尺和工具套装等.图7为田间试验现场.

图7 田间试验现场Figure 7 Field test site

3.2 试验方法

本文参照《收获机械联合收割机试验方法 GB/T8097-2008》，棉花拔秆机进行双行作业，田间试验分为3部分：为减小误差、保证机具稳定运行，机具进入棉秆试验区之前有10 m稳定区用来调节机具工况；在试验区域(长度为30 m)按照试验参数来进行试验并记录数据，每组试验重复3次；更换试验参数，记录棉秆漏拔数和拔断数.

通过预试验得知，前进速度、拔秆角度、主动轮转速对性能指标影响较大，所以前进速度、拔秆角度、主动轮转速为影响因素，漏拔率和拔断率作为评价指标开展三因素三水平二次回归试验.通过田间试验找出最优结构与工作参数组合.

3.3 试验指标与因素

以前进速度、拔秆角度、主动轮转速为因素，以棉秸秆漏拔率S1和拔断率S2作为评价机具收获效果的主要指标，进行三因素三水平二次回归试验，试验指标的计算如下：

(15)

(16)

式中：S1为棉秆拔断率，%；S2为棉秆漏拔率，%；C1为每10 m内的棉秆拔断数，C2为每10 m内的棉秆漏拔数，C为没10 m内的棉秆总数.

1)前进速度对拔秆效果的影响 前进速度是影响性能指标的重要因素，针对前进速度对性能的影响做单因素试验，当拔秆角度为45°，主动辊转速为300 r/min，前进速度为1～5 km/h，结果如图8所示，随着前进速度的增大，漏拔率和拔断率逐渐增加，前进速度从4 km/h增加到5 km/h时，漏拔率明显增加，考虑作业效率，因此选取2、3、4 km/h作为前进速度的因素水平.

图8 前进速度对拔秆效果的影响Figure 8 Simulation result of the pneumatic device

2)拔秆角度对拔秆效果的影响 拔秆角度是影响性能指标的重要因素，针对拔秆角度对性能的影响做单因素试验，随着拔秆角度的增加，拔断率随着减小，漏拔率随着增大，当前进速度为2 km/h，主动辊转速为300 r/min，拔秆角度为20°～70°，结果如图9所示，当拔秆角度为20°时，漏拔率低，拔断率高，拔秆角度为70°时，拔断率最小，漏拔率最高，因此选取30°、45°、60°作为拔秆角度的因素水平.

图9 拔秆角度对拔秆效果的影响Figure 9 Simulation result of the pneumatic device

3)主动辊转速对拔秆效果的影响 主动辊转速是影响性能指标的重要因素，针对主动辊转速对性能的影响做单因素试验，结果如图10所示，随着主动辊转速的增大，拔断率随着增大，漏拔率随着减小，当主动辊转速在200 r/min时，拔断率最高，漏拔率最小，主动辊转速400 r/min时，拔断率明显增加，漏拔率明显减小，因此，选取250、300、350 r/min作为主动辊转速的因素水平.

图10 主动辊转速对拔秆效果的影响Figure 10 Simulation result of the pneumatic device

表2 试验因素水平

3.4 试验结果与分析

3.4.1 试验结果 根据因素呈现非线性关系，一般用两个或两个以上模型来逼近响应[19-20].根据Design-Expert软件设计的三因素三水平试验，试验方案及结果如表3所示.

根据表3中的方案及结果，建立拔断率S1和拔断率S2对前进速度、拔秆角度、主动轮转速的3个自变量二次多项式响应面回归模型，如式(17)～(18)所示，并对进行方差分析.

表3 试验方案及结果Table 3 Test plan and results

S1=10.22+1.49V-2.38Φ+1.64Z-2.38Vφ+0.13ΦZ-0.19V2+0.96Φ2+2.94Z2+1.75V2Φ

(17)

S2=9.87+2.24V-0.45Φ-1.44Z-1.75Vφ-0.27VZ-1.95ΦZ-0.27Φ2+1.40Φ2+0.63Z2-1.55V2Φ

(18)

由表4可知，增加模型A2B时，失拟项Pr>F值<0.05为显著，且绝对系数R2提高了0.4，其绝对系数R2值分别为0.90、0.92，表明这2个模型与实际情况具有非常好的拟合度.因此，试验具有研究意义.

表4 试验结果的方差分析Table 4 Analysis of variance of test results

3.4.2 响应曲面分析 采用Design-Export软件生成3D响应面图，根据响应面分析前进速度、拔秆角度、主动轮转速的交互因素对响应值S1、S2的影响.

关于前进速度V、拔秆角度Φ、主动轮转速Z对棉秆拔断率S1的响应面如图11-A～C所示.观察图11-A得知，将主动辊转速Z固定在300 r/min(中心水平)时，拔秆角度Φ与机具前进速度V的交互影响规律表明：棉秆拔断率随拔秆角度增大先减后增，随机具前进速度逐渐增大，前进速度对棉秆拔断率的影响比拔秆角度的影响更为显著；观察图11-B得知，将拔秆角度Φ固定在45 °(中心水平)时，主动辊转速Z与机具前进速度V的交互影响规律表明：当主动辊转速Z与前进速度V分别增加时，棉秆拔断率随着主动辊转速和前进速度增加，均为明显逐渐增加，响应面曲线主动辊转速比前进速度方向的变化幅度更为明显，主动辊转速对棉秆拔断率的影响比前进速度的影响更为显著；观察图11-C得知，将前进速度V固定在3 km/h(中心水平)时，主动辊转速Z与拔秆角度Φ的交互影响规律表明：棉秆的拔断率随主动辊转速Z增大先减后增，随拔秆角度Φ增大逐渐降低，主动辊转速对棉秆拔秆率的影响比拔秆角度的影响更为显著.由表4中的数据样本可知，试验3个因素影响棉秆拔断率S1的显著顺序为：主动轮转速>拔秆角度>前进速度.

关于前进速度V、拔秆角度Φ、主动轮转速Z对棉秆漏拔率S2的响应面如图11-D～F所示.观察图11-D得知，将主动辊转速Z固定在300 r/min(中心水平)时，拔秆角度Φ与机具前进速度V的交互影响规律表明：棉秆漏拔率随拔秆角度的增大先减小后增大，随前进速度增大逐渐增加，前进速度对棉秆漏拔率的影响比拔秆角度的影响更为显著；观察图11-E得知，将拔秆角度Φ固定在45 °(中心水平)时，主动辊转速Z与机具前进速度V的交互影响规律表明：棉秆漏拔率随主动辊转速的增大逐渐降低，随前进速度的增加逐渐增大，前进速度对棉秆漏拔率的影响比主动辊转速的影响更为显著；观察图11-F得知，将前进速度V固定在3 km/h(中心水平)时，主动辊转速Z与拔秆角度Φ的交互影响规律表明：当拔秆角度和主动轮转速增加时，棉秆漏拔率随着主动辊转速和拔秆角度增加，均为明显逐渐增加，但拔秆角度方向的变化幅度更大，拔秆角度对棉秆漏拔率的影响比主动轮转速的影响更为显著.

图11 交互因素对拔断率、漏拔率的影响响应曲面图Figure 11 Response surface graph of the influence of interaction factors on pull-out rate and miss pull-out rate

由表4中的数据样本可知，试验3个因素影响漏拔率S2的顺序为：前进速度>主动轮转速>拔秆角度.

3.5 参数优化与验证

借助拔断率、漏拔率的回归方程式(17)～(18)，以减小拔断率跟漏拔率为目标，利用软件Optimization的Numerical优化分析，得到最优 3个因素水平分别为：前进速度为2.0 km/h，拔秆角度为38.99°，主动轮转速281.24 r/min时，响应值选择最大，试验因素选择最低，此时棉秆拔断率为7.50%，棉秆漏拔率为7.92%.

为了检验优化参数的预测可靠性，2019年11月6日，选用优化参数在新疆巴音郭楞蒙古自治州尉犁县达西村进行了三组验证试验.由于田间实际情况，将机具工作参数设置为前进速度为2.0 km/h，拔秆角度为40°，主动轮转速为280 r/min，进行田间试验，结果如表5所示.

表5 验证试验数据

由表5的试验结果可得，验证试验均值与参数优化值比较接近，试验结果与优化参数的相对误差小于5%，参数优化模型合理.当夹持输送式棉花拔秆机作业时，采用前进速度为2.0 km/h、拔秆角度为40°、主动轮转速为280 r/min的参数组合，验证试验效果如图12所示，此时棉秆的拔断率为8.14%，棉秆漏拔率为8.02%.

图12 田间试验Figure 12 Field experiment

4 结论

1) 本文针对机采棉种植模式设计了一种夹持输送式棉花拔秆机，该机采用双皮带式机构一次性完成喂入、夹持、输送，为棉秆整株拔取收获提供了一种新的解决途径.

2) 开展田间试验分析研究，选择机具的前进速度、拔秆角度、主动轮转速作为试验因素研究其对棉秆拔断率、漏拔率的影响，通过Design-Expert软件对试验结果进行响应面分析，得到了各因素对棉秆拔断率的影响显著顺序为主动轮转速>拔秆角度>前进速度；各因素对棉秆漏拔率的影响显著顺序为前进速度>主动轮转速>拔秆角度.

3) 采用Design-Expert软件中的Box-Benhnken中心组合试验方法对前进速度、拔秆角度、主动轮转速对棉秆拔断率和棉秆漏拔率影响程度分析，得到夹持输送式棉花拔秆机工作最优组合为：前进速度为2.0 km/h、拔秆角度为38.0°、主动轮转速277.96 r/min；此时棉秆拔断率达到7.78%，棉秆漏拔率达到7.65%.选择工作参数：前进速度为2.0 km/h，拔秆角度为40°，主动轮转速为280 r/min时，棉秆的拔断率为8.14%，棉秆漏拔率为8.02%.此时拔秆设备作业效果良好，整机还需要进一步优化，后续增加作业宽度，降低拔断率，提高作业效率.该结果可为后续研制棉花拔秆机提供参考，满足棉秆收获作业要求.