廖培旺，禚冬玲，付春香，劉凱凱，王成，張愛民

(1. 濱州市農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究所，山東濱州，256600；2. 濱州市農(nóng)業(yè)農(nóng)村綜合服務(wù)中心，山東濱州，256600)

0 引言

棉稈作為我國(guó)繼麥秸、玉米秸和水稻秸之后的第四大農(nóng)作物秸稈，其綜合利用價(jià)值潛力巨大[1-6]。但是，由于缺乏高效的棉稈收獲機(jī)械和棉稈的儲(chǔ)存、運(yùn)輸困難，棉稈多用于生活燃料或者就地焚燒，其綜合利用率較低[7]。

目前，棉稈處理方式主要有粉碎還田、粉碎集箱和壓縮打捆三種。對(duì)比以上三種方式，棉稈粉碎還田作業(yè)成本低，配套機(jī)具相對(duì)成熟，但是大量棉稈粉碎還田不僅會(huì)嚴(yán)重危害來年的棉花種植和生長(zhǎng)，還會(huì)嚴(yán)重影響土壤耕翻、松土、保墑，造成棉稈資源浪費(fèi)、社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益低下[8-9]；棉稈粉碎集箱收獲主要利用粉碎裝置將棉稈粉碎，通過風(fēng)機(jī)將粉碎的棉稈吹入箱體，這種方式的缺點(diǎn)在于收獲后的棉稈占據(jù)空間大，不便于收儲(chǔ)運(yùn)作業(yè)，同時(shí)該方式耗能比較高[10-12]；相對(duì)而言，棉稈壓縮打捆收獲則克服這些缺點(diǎn)，最有利于棉稈的儲(chǔ)存、運(yùn)輸，從而促進(jìn)棉稈的綜合利用，深受棉農(nóng)的歡迎[13-18]。但是，現(xiàn)有棉稈壓縮打捆機(jī)械還不成熟，大多數(shù)機(jī)型為分段收獲[19]，存在收獲效率低、回收率低和打捆質(zhì)量差等問題。

針對(duì)以上問題，本文根據(jù)機(jī)具的田間作業(yè)條件和棉稈的力學(xué)特性，采用理論、仿真和試驗(yàn)分析相結(jié)合的方法，對(duì)自走式棉稈聯(lián)合收獲打捆機(jī)的滾筒式鍘切機(jī)構(gòu)、撥禾輪、螺旋輸送輥和曲柄滑塊壓縮機(jī)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，以期提高棉稈收獲效率、回收率和打捆質(zhì)量。

1 自走式棉稈聯(lián)合收獲打捆機(jī)

自走式棉稈聯(lián)合收獲打捆機(jī)主要包括拔稈輥、撥禾輪、螺旋輸送輥、滾筒式鍘切機(jī)構(gòu)、曲柄滑塊壓縮機(jī)構(gòu)、打捆裝置等(圖1)。

自走式棉稈聯(lián)合收獲打捆機(jī)主要通過拔稈輥和撥禾輪配合作業(yè)將棉稈從地里拔除，通過螺旋輸送輥將拔除的棉稈聚攏輸送到滾筒式鍘切結(jié)構(gòu)，通過滾筒式鍘切機(jī)構(gòu)將棉稈切斷，通過曲柄滑塊壓縮機(jī)構(gòu)將切斷后的棉稈進(jìn)行壓縮，最后通過打捆裝置將壓縮的棉稈進(jìn)行打捆。

自走式棉稈聯(lián)合收獲打捆機(jī)優(yōu)化前后主要技術(shù)參數(shù)對(duì)比如表1所示。

圖1 自走式棉稈聯(lián)合收獲打捆機(jī)Fig. 1 self-propelled cotton stalk combine harvest baler1.曲柄滑塊壓縮機(jī)構(gòu) 2.滾筒式鍘切機(jī)構(gòu) 3.螺旋輸送輥4.撥禾輪 5.拔稈輥

表1 自走式棉稈聯(lián)合收獲打捆機(jī)主要技術(shù)參數(shù)Tab. 1 Main technical parameters of self-propelledcotton stalk combine harvest baler

2 關(guān)鍵部件改進(jìn)

2.1 滾筒式鍘切機(jī)構(gòu)改進(jìn)

現(xiàn)有的棉稈收獲打捆機(jī)將棉稈收獲后直接進(jìn)行壓縮打捆，這樣會(huì)導(dǎo)致棉稈壓縮打捆時(shí)消耗功率大、壓縮打捆效率低、壓縮打捆質(zhì)量差等問題[20]。通過試驗(yàn)可知，棉稈經(jīng)過鍘切后進(jìn)行壓縮打捆，能有效降低功率消耗、提高壓縮打捆效率和質(zhì)量。因此，本文通過在螺旋輸送輥和曲柄滑塊壓縮機(jī)構(gòu)之間增加滾筒式鍘切機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)先將棉稈切斷，再進(jìn)行壓縮打捆的工作流程。

滾筒式鍘切機(jī)構(gòu)(圖2)主要作用是將棉稈切斷，使棉稈達(dá)到壓縮打捆時(shí)的最優(yōu)長(zhǎng)度，主要包括鍘切滾筒、鍘切刀、定刀等。

滾筒式鍘切機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)速?zèng)Q定棉稈切斷長(zhǎng)度，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知，棉稈壓縮打捆的最優(yōu)切斷長(zhǎng)度為25 cm[21]，因此根據(jù)式(1)和設(shè)計(jì)的棉稈喂入速度1 m/s得到滾筒式鍘切機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)速為120 r/min。

(1)

式中：l——棉稈切斷長(zhǎng)度，m；

v——棉稈的喂入速度，m/s；

n——滾筒式鍘切機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)速，r/min；

Z——鍘切滾筒圓周上均布的鍘切刀數(shù)量。

圖2 滾筒式鍘切機(jī)構(gòu)Fig. 2 Roller type cutting mechanism1.定刀 2.鍘切刀 3.鍘切滾筒

通過式(2)驗(yàn)證滾筒式鍘切機(jī)構(gòu)在轉(zhuǎn)速為120 r/min時(shí)，棉稈能否別切斷。根據(jù)棉稈力學(xué)特性和滾筒式鍘切機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)，滾筒式鍘切機(jī)構(gòu)能夠?qū)⒚薅捛袛嗟臈l件為：Ft≥6 554 N[22]。

(2)

式中：T——鍘切滾筒的轉(zhuǎn)矩，N·m；

P——發(fā)動(dòng)機(jī)傳遞給鍘切滾筒的功率，kW；

η——傳遞效率，%；

Ft——鍘切刀刀刃的圓周力，N；

D——滾筒式鍘切機(jī)構(gòu)的外徑，m。

根據(jù)設(shè)計(jì)的滾筒式鍘切機(jī)構(gòu)的外徑為495 mm，發(fā)動(dòng)機(jī)傳遞給鍘切滾筒的功率35 kW，傳遞效率為0.98，計(jì)算得出鍘切刀刀刃的圓周力Ft=10 971 N>6 554 N。因此，改進(jìn)后的滾筒式鍘切機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)速，可以滿足將棉稈切斷為壓縮打捆時(shí)的最優(yōu)長(zhǎng)度要求。

綜上所述，滾筒式鍘切機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)速為120 r/min。

2.2 撥禾輪改進(jìn)

撥禾輪主要作用是將待拔除的棉稈向拔除輥方向引導(dǎo)，使拔除輥順利將棉稈從地里拔除，主要包括撥禾板、撥禾輪軸、支架等。撥禾板工作時(shí)的運(yùn)動(dòng)為其繞撥禾輪軸的圓周運(yùn)動(dòng)與機(jī)具前進(jìn)速度的合成速度，其運(yùn)動(dòng)軌跡如圖3所示，運(yùn)動(dòng)方程

(3)

式中：x——撥禾板上任一點(diǎn)的水平坐標(biāo)，mm；

y——撥禾板上任一點(diǎn)的垂直坐標(biāo)，mm；

vm——機(jī)具前進(jìn)速度，%；

t——時(shí)間，s；

R——撥禾輪半徑，mm；

w——撥禾輪角速度，rad；

H——撥禾輪軸安裝高度，mm；

h——拔稈輥離地高度，mm。

圖3 撥禾板運(yùn)動(dòng)軌跡Fig. 3 Motion track of reel plates1.撥禾板 2.撥禾輪軸 3.支架

設(shè)撥禾輪的圓周線速度與機(jī)具的前進(jìn)速度之比為撥禾速度比λ。通過分析圖3可知，只有當(dāng)λ>1時(shí)，撥禾板在ABA1弧段范圍內(nèi)才有向后撥棉稈的水平分量，撥禾板才能完成對(duì)棉稈的引導(dǎo)作用，使拔稈輥順利將棉稈從地里拔除。根據(jù)棉稈的物理特性和設(shè)計(jì)的機(jī)具行進(jìn)速度為1.2 m/s，查閱農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[23]，撥禾速度比λ=1.80。

撥禾輪的轉(zhuǎn)速、安裝高度、直徑、撥禾板的數(shù)量等是撥禾輪的主要工作參數(shù)。由于目前機(jī)采棉模式種植的棉稈平均高度為800 mm，棉稈種植株距為250 mm，本文設(shè)計(jì)的拔稈齒板離地高度為35 mm，根據(jù)式(4)計(jì)算得出，撥禾輪轉(zhuǎn)速36 r/min、安裝高度為1 084.8 mm、直徑為1 147.5 mm、撥禾板數(shù)量為8個(gè)。

(4)

式中：D1——撥禾輪直徑，mm；

λ——撥禾速度比，λ=1.80；

e——撥禾板撥動(dòng)棉稈的位置，m；

vb——撥禾輪圓周線速度，m/s；

l——直立棉稈的自然高度，m；

n1——撥禾輪轉(zhuǎn)速，r/min；

L——棉稈的種植株距，m；

z——撥禾輪圓周上均布的撥禾板數(shù)量。

2.3 螺旋輸送輥改進(jìn)

螺旋輸送輥的主要作用是將拔除后的棉稈聚攏輸送到，主要包括輸送輥軸、螺旋葉片、撥桿等(圖4)。

本文設(shè)計(jì)的螺旋輸送輥為單線螺旋，螺旋葉片螺距為450 mm，螺旋外徑為480 mm，為防止棉稈在滾筒式鍘切機(jī)構(gòu)處發(fā)生堵塞，螺旋輸送輥的橫向輸送速度應(yīng)該小于等于滾筒式鍘切機(jī)構(gòu)的圓周線速度，即

(2)

式中：v1——螺旋輸送輥的橫向輸送速度，m/s；

n2——螺旋輸送輥的轉(zhuǎn)速，r/min；

S——螺旋葉片螺距，m；

v2——滾筒式鍘切機(jī)構(gòu)的圓周線速度，m/s；

r2——滾筒式鍘切機(jī)構(gòu)的半徑，m。

圖4 螺旋輸送輥Fig. 4 Screw convey roller1.輸送輥軸 2.撥桿 3.螺旋葉片

由2.1節(jié)可知，滾筒式鍘切機(jī)構(gòu)的外徑為495 mm，轉(zhuǎn)速為120 r/min，因此，螺旋輸送輥的轉(zhuǎn)速≤414.5 r/min。

螺旋輸送輥轉(zhuǎn)速、機(jī)具行進(jìn)速度和機(jī)具收獲行數(shù)共同決定著棉稈壓縮打捆時(shí)的喂入量，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知，棉稈壓縮打捆的最優(yōu)喂入量為3.22 kg/s，因此根據(jù)式(6)可計(jì)算出螺旋輸送輥的轉(zhuǎn)速。

(6)

式中：Q——棉稈喂入量，kg/s；

d——螺旋輸送輥螺旋外徑，m；

ρ——所收獲棉稈的密度，m/s；

γ——螺旋充滿系數(shù)。

棉稈作為一種硬質(zhì)秸稈，螺旋輸送輥在輸送棉稈時(shí)的螺旋充滿系數(shù)比較低。經(jīng)測(cè)算，螺旋輸送輥輸送棉稈時(shí)的螺旋充滿系數(shù)為0.04，且棉稈收獲時(shí)的密度約為333 kg/m3[24-25]。因此，計(jì)算得出螺旋輸送輥的轉(zhuǎn)速約為178 r/min≤414.5 r/min。

綜上所述，螺旋輸送輥的轉(zhuǎn)速為178 r/min。

2.4 曲柄滑塊壓縮機(jī)構(gòu)改進(jìn)

曲柄滑塊壓縮機(jī)構(gòu)的主要作用是將切斷后的棉稈進(jìn)行壓縮，主要包括曲柄、連桿、壓縮活塞等(圖5)。

圖5 曲柄滑塊壓縮機(jī)構(gòu)Fig. 5 Crank slider compression mechanism1.壓縮活塞 2.連桿 3.曲柄

曲柄滑塊壓縮機(jī)構(gòu)的壓縮頻率影響棉稈的壓縮質(zhì)量，壓縮頻率太大導(dǎo)致消耗功率大、機(jī)具穩(wěn)定性差，壓縮頻率過小，則切斷后的棉稈壓捆質(zhì)量差。因此，曲柄滑塊壓縮機(jī)構(gòu)的壓縮頻率應(yīng)根據(jù)棉稈的壓縮力特性進(jìn)行確定。棉稈的壓縮破壞載荷為8 297 N[22, 26]，為確保棉稈的壓縮質(zhì)量，取安全系數(shù)1.5，因此本文設(shè)計(jì)的曲柄滑塊壓縮機(jī)構(gòu)在壓縮最遠(yuǎn)點(diǎn)的力應(yīng)為12 445.5 N。

采用Adams動(dòng)力學(xué)仿真軟件，對(duì)曲柄滑塊壓縮機(jī)構(gòu)在不同壓縮頻率下的動(dòng)力學(xué)進(jìn)行仿真分析得出，當(dāng)曲柄滑塊壓縮機(jī)構(gòu)以110次/min進(jìn)行壓縮時(shí)(圖6)，能夠滿足要求。

圖6 壓縮活塞端部力Fig. 6 Compression piston end force

3 試驗(yàn)與分析

為驗(yàn)證改進(jìn)后的自走式棉稈聯(lián)合收獲打捆機(jī)的性能，對(duì)改進(jìn)后的自走式棉稈聯(lián)合收獲打捆機(jī)進(jìn)行了田間試驗(yàn)，與改進(jìn)前進(jìn)行對(duì)比。

3.1 試驗(yàn)基本條件

田間試驗(yàn)在山東省無棣縣西小王鄉(xiāng)進(jìn)行(圖7)。試驗(yàn)地的棉稈直徑為14.5～22 mm，平均株高800 mm，平均株距250 mm，平均含水率36.4%，行距760 mm等行距；土壤深度0～10 cm處平均含水率10.8%，平均硬度260 N/cm2；棉花秸稈量8 391.5 kg/hm2。

圖7 田間試驗(yàn)Fig. 7 Field experiment

3.2 試驗(yàn)性能指標(biāo)和試驗(yàn)方法

3.2.1 試驗(yàn)性能指標(biāo)

由于棉稈回收的是否干凈直接影響下季棉花的播種效果，棉稈收的越干凈，越有利于棉稈播種，因此棉稈回收率是棉稈收獲類機(jī)械的關(guān)鍵參數(shù)；棉稈壓縮打捆的成捆時(shí)間對(duì)機(jī)具的作業(yè)效率有直接影響，因此棉稈的壓縮打捆效率是棉稈打捆類機(jī)械的關(guān)鍵參數(shù)；打捆質(zhì)量主要包括成捆率、規(guī)則草捆率和打捆密度，這三個(gè)指標(biāo)能夠直接說明棉稈打捆機(jī)械的作業(yè)效果。因此，本研究將棉稈回收率、壓縮打捆效率和打捆質(zhì)量作為自走式棉稈聯(lián)合收獲打捆機(jī)的試驗(yàn)性能指標(biāo)。

(7)

式中：S1——棉稈回收率，%；

ms——回收的棉稈質(zhì)量，kg；

mw——未回收的棉稈質(zhì)量，kg。

(8)

式中：φ——壓縮打捆效率，個(gè)/min；

K——壓縮打捆個(gè)數(shù)，個(gè)；

t1——壓縮打捆所用時(shí)間，min。

(9)

式中：ρ1——打捆密度，kg/m3；

m——壓縮打捆后的棉捆質(zhì)量，kg；

V1——棉捆體積，m3；

Sk——成捆率，%；

Id——累計(jì)打捆數(shù)，個(gè)；

Is——累計(jì)散捆數(shù)，個(gè)；

Sg——規(guī)則草捆率，%；

Igc——被測(cè)棉捆數(shù)，個(gè)；

Igb——累計(jì)不規(guī)則棉捆數(shù)，個(gè)。

3.2.2 試驗(yàn)方法

將試驗(yàn)區(qū)域劃分為若干個(gè)長(zhǎng)度為200 m，寬度為3 m 的試驗(yàn)點(diǎn)。

1) 棉稈回收率和壓縮打捆效率：分別隨機(jī)選擇5個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)行棉田自走式棉稈聯(lián)合收獲打捆機(jī)優(yōu)化前和優(yōu)化后棉稈回收和壓縮打捆試驗(yàn)，分別統(tǒng)計(jì)棉稈回收率和壓縮打捆率，最后將5個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)的平均值作為試驗(yàn)的最終值。

2) 打捆質(zhì)量：在隨機(jī)選擇的5個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)的每個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)內(nèi)隨機(jī)選擇2個(gè)棉捆，分別統(tǒng)計(jì)棉捆的打捆質(zhì)量，將這2個(gè)棉捆的打捆質(zhì)量平均值作為這個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)的最終值，最后將5個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)的棉捆的平均值作為試驗(yàn)的最終值。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

自走式棉稈聯(lián)合收獲打捆機(jī)試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

分析表2可知，改進(jìn)后的自走式棉稈聯(lián)合收獲打捆機(jī)的棉稈回收率為93.8%，壓縮打捆效率為11.9個(gè)/min，打捆密度為145.3 kg/m3，成捆率為96.1%，規(guī)則草捆率98.6%。為驗(yàn)證改進(jìn)后的自走式棉稈聯(lián)合收獲打捆機(jī)的性能，引入提升率概念，其計(jì)算公式如式(10)所示。

表2 自走式棉稈聯(lián)合收獲打捆機(jī)試驗(yàn)結(jié)果Tab. 2 Test results of self-propelled cotton stalk combine harvest baler

(10)

式中：ηi——提升率，%；

Ai——自走式棉稈聯(lián)合收獲打捆機(jī)改進(jìn)后的試驗(yàn)性能指標(biāo)值；

Bi——自走式棉稈聯(lián)合收獲打捆機(jī)改進(jìn)前的試驗(yàn)性能指標(biāo)值。

分析表3可知，改進(jìn)后的自走式棉稈聯(lián)合收獲打捆機(jī)棉稈回收率提高了6.6%，壓縮打捆效率提高了43.4%，打捆密度提高了14.7%，成捆率提高了10.1%，規(guī)則草捆率提高了4.7%，表明改進(jìn)后的自走式棉稈聯(lián)合收獲打捆機(jī)的性能有了顯著提高。

表3 自走式棉稈聯(lián)合收獲打捆機(jī)提升率Tab. 3 Improve rate of self-propelled cotton stalkcombine harvest baler

4 結(jié)論

本文通過理論、仿真和試驗(yàn)分析的方法，對(duì)自走式棉稈聯(lián)合收獲打捆機(jī)的滾筒式鍘切機(jī)構(gòu)、撥禾輪、螺旋輸送輥和曲柄滑塊壓縮機(jī)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，并對(duì)改進(jìn)前后的機(jī)具進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)，得出如下結(jié)論。

1) 改進(jìn)后的自走式棉稈聯(lián)合收獲打捆機(jī)的滾筒式鍘切機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)速為120 r/min，撥禾輪轉(zhuǎn)速為36 r/min，螺旋輸送輥轉(zhuǎn)速為178 r/min，曲柄滑塊壓縮機(jī)構(gòu)壓縮頻率為110次/min，撥禾輪圓周上均布的撥禾板數(shù)量為8個(gè)。

2) 改進(jìn)后的自走式棉稈聯(lián)合收獲打捆機(jī)的棉稈回收率為93.8%，壓縮打捆效率為11.9個(gè)/min，打捆密度為145.3 kg/m3，成捆率為96.1%，規(guī)則草捆率98.6%。

3) 改進(jìn)后的棉稈壓縮打捆機(jī)的棉稈回收率提高了6.6%，壓縮打捆效率提高了43.4%，打捆密度提高了14.7%，成捆率提高10.1%，規(guī)則草捆率提高4.7%。