營雨琨，曹肆林，王 敏，盧勇濤

（新疆農墾科學院，新疆 石河子 832000）

0 引言

我國植棉歷史悠久，種植技術成熟，棉花產量約占世界棉花產量的1/4，是世界上棉花產量和消費量最大的國家。但我國對棉花的主要副產品——棉稈的處理一直處于十分落后的水平[1]。棉根約占棉花植株重量的20%，并且擁有比莖與葉更高的木質素含量。國外無論是棉稈還田還是棉稈收獲，均對棉株根莖一同處理[2]。而國內除新疆地區(qū)大部分采用棉稈地上部分粉碎還田外，其他地區(qū)多數農戶仍舊采用手工拔除或焚燒的方式處理，棉稈資源利用率低下，不僅棉根部位完全被浪費，同時大塊棉根腐解困難，嚴重影響后續(xù)的耕、播等機耕作業(yè)[3-6]。

目前對于棉花秸稈的整稈處理，一般還是采用人工手拔的方式，勞動強度大，工作效率低，不能大面積、高效率作業(yè)。研究機械化拔棉稈技術成為近年來棉花收獲全程機械化技術的重點之一。為解決現有的問題，新疆農墾科學院的農機研究人員做了大量的研究試驗。郭振華[7]等研制了人字型鏟刀式拔棉稈機，該機的特點是無需對行拔取，拔凈率高，但功率消耗大，棉稈拔斷率高，對土壤層結構破壞較大；賈健[8]研制了V型齒盤式拔棉稈機，該機功耗低，對土壤層破壞較小，但拔斷率、漏拔率高。從上述文獻看，目前我國拔棉稈機存在對土壤結構破壞大、拔凈率低、功耗較大、無法有序放置拔出棉稈等問題。

針對上述問題，本文通過研究國內外資料，分析棉稈起拔過程，提出一種對輥式棉稈起拔裝置，該裝置通過一對旋轉的輥子產生向上的起拔力，將加持的棉稈拔出地面，接著使用皮帶加持輸送棉稈，可將棉稈直接運送裝箱或運送至其他工作部件。該裝置結構簡單，工作可靠，起拔率高，對開發(fā)新型秸稈全量處理機械，提高棉稈利用率有重要的現實意義。

1 對輥式棉花起拔裝置的結構與工作原理

圖1 對輥式棉花起拔裝置結構示意圖

該裝置結構示意圖如圖1所示。該裝置主要由機架、流量控制閥、液壓油箱、齒輪箱、液壓泵、夾持輸送帶、預緊力調節(jié)絲桿、起拔輥子和液壓馬達組成。起拔輥子一個為主動輥子，一個為被動輥子。主動輥子的軸直接與液壓馬達相連，由液壓馬達帶動旋轉。被動輥子與機架鉸接，通過調節(jié)預緊力調節(jié)絲桿，調節(jié)主動輥子和從動輥子間的擠壓力。夾持輸送帶的2根傳輸皮帶分別位于主動輥和被動輥的下方，通過多個皮帶壓緊輪緊緊壓在一起。

該機構使用拖拉機懸掛，由拖拉機動力輸出軸輸出動力帶動機構運轉。機構工作前，先調節(jié)預緊力調節(jié)機構，將2個輥子之間的預緊力調整至合適的范圍。機構工作時，拖拉機動力輸出軸將動力輸送至齒輪箱，齒輪箱帶動液壓泵工作。液壓泵將油箱里的油通過流量控制閥泵入液壓馬達，驅動液壓馬達旋轉。液壓馬達帶動起拔輥子和加持輸送帶運動，將棉稈從田間拔起，并由夾持輸送帶送至機構后方。流量控制閥可以控制液壓馬達的轉速，從而控制起拔輥子的旋轉速度。

2 對輥起拔機構的設計

對輥起拔機構示意圖如圖2所示。一邊輥子由液壓馬達驅動，為主動輥子，另一邊輥子借助摩擦力轉動，為被動輥子。主動輥子安裝架固定在機架上，被動輥子安裝架可繞鉸接點旋轉，通過調節(jié)預緊力調節(jié)絲桿上的螺母，可達到調節(jié)2個輥子之間壓力的目的，從而保證輥子與棉稈之間的摩擦力足夠大。為平衡起拔力與起拔距離的相對關系，并保證后側棉稈夾持輸送機構有足夠的空間，最終將輥子與地面的夾角設計為45°。輥子選用帶較深紋路的橡膠輪胎，較深的紋路保證了輥子與棉稈之間有較大的摩擦系數，較軟的材質保證了輥子與棉稈有較大的接觸面積。

圖2 對輥起拔機構示意圖

新疆棉花主要種植模式為66 cm＋10 cm的機采棉種植模式，為保證起拔輥子能夠放入棉花行內，并為下一組對輥預留位置，起拔輥子的直徑應小于33 cm。

設輥子厚度為h，機構工作時起拔輥子夾持棉稈向上的起拔距離為H，則有

式中：ωR為起拔輥子的轉速，r為起拔輥子直徑，Vm為機構工作時的前進速度。

為了保證工作效率，一般機構工作時的前進速度（Vm）應大于1.00 m/s，為保證棉稈被有效起拔，必須保證棉稈被起拔的距離（H）大于7.5 cm，初步試驗顯示，輥子的轉速在4～6 rad/s時起拔率較高，帶入式（2）得h大于等于127 mm。最終，選取直徑為300 mm、厚度150 mm的軟橡膠輥子作為起拔輥子。

3 棉稈夾持輸送機構的設計

夾持輸送機構在整個裝置中起著至關重要的作用，它將起拔后的棉稈有序地向后輸送，尾部可連接棉稈收集裝置或棉稈粉碎裝置，從而實現棉稈的全量處理。夾持輸送機構由帶輪、張緊裝置、傳送皮帶輪等組成，如圖2所示。其中，夾持輸送帶選用軟質橡膠材料的異型帶，既能保證足夠的力度將棉稈充分夾持，又不會將棉稈夾斷。異型帶內側呈等腰梯形的凸起帶嵌入帶輪的輪槽中，可以有效地防止在帶輪連續(xù)工作的時候，夾持帶脫離帶輪，同時還起到增大接觸面積、增加摩擦力的作用。

4 田間試驗

4.1 試驗場地

試驗地點為新疆農墾科學院試驗場，棉花采用一膜六行68 cm＋8 cm機采棉種植模式，幅寬為2 280 mm，種植密度約1.5萬株/667 m2，棉稈高度75～100 cm。土壤濕度為18.7%，土壤硬度為22.9 kPa。

4.2 試驗設計

影響該棉稈起拔機構作業(yè)效果的主要因素是機構的前進速度（Vm）和輥子轉速（ωR），故考查因素為前進速度和輥子轉速，評價指標為棉稈的拔凈率。根據農戶可接受的機器工作效率范圍，設定棉稈起拔機構的前進速度分別為1.20 m/s、1.50 m/s和1.80 m/s；根據起拔輥子轉速的初步試驗，設定其轉速分別為 4.0 rad/s、5.5 rad/s和 7.0 rad/s。

4.3 試驗方法

4.3.1 機構前進速度

設定測試區(qū)為50 m，在測試區(qū)前后各有10 m的穩(wěn)定區(qū)，拖拉機懸掛棉稈起拔機構正常作業(yè)，作業(yè)速度在測試區(qū)內保持穩(wěn)定，測試機構通過測試區(qū)的時間，從而計算出機構通過測試區(qū)的速度。

4.3.2 輥子轉速

發(fā)動機的轉速固定為拖拉機懸掛棉稈起拔機構正常作業(yè)時的轉速，通過調節(jié)流量控制閥，調節(jié)起拔輥子轉速，使用轉速儀直接測量起拔輥子的轉速。

4.3.3 棉稈拔凈率

棉稈拔凈率為試驗中實際拔出的棉稈根數與所拔棉稈總根數的比值。所拔棉稈總根數通過種植面積推算，試驗地點棉花種植密度約為1.5萬株/667 m2，以此推算出50 m單行棉珠數約為855株。機構作業(yè)后，計算試驗區(qū)域未被拔出的棉稈數，即可得出棉稈拔凈率。

4.4 結果與分析

試驗結果如表1所示，主要參數對棉稈拔凈率的影響結果如表2所示。

表1 試驗結果

表2 結果分析

通過方差分析可知，機構作業(yè)時的前進速度對棉稈的拔凈率影響顯著，輥子轉速對棉稈拔凈率影響不顯著。綜合上述分析，得出機構的最優(yōu)方案為機構前進速度1.20 m/s、起拔輥子轉速5.5 rad/s。通過采用最優(yōu)方案反復多次試驗，得出機構工作效率為3 283.2 m2/h，棉稈拔凈率為92.16%。

5 結論

對輥式棉稈起拔裝置結構簡單，工作穩(wěn)定，對土壤層破壞小。在機構前進速度為1.20 m/s、輥子轉速為5.5 rad/s時，棉稈拔凈率最高，為92.16%，工作效率為3 283.2 m2/h，省時省力，能較好的滿足拔稈要求，并可將拔出的棉稈有序鋪排放置，為秸稈全量機械的起拔裝置提供了一種可行的方式。