棉花打頂機研發歷程及其研發重點探析

陳昭陽，石　磊

(1.中國農業科學院 研究生院， 北京　100081；2.農業部 南京農業機械化研究所， 南京　210045)

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棉花打頂機研發歷程及其研發重點探析

陳昭陽1，石磊2

(1.中國農業科學院 研究生院， 北京100081；2.農業部 南京農業機械化研究所， 南京210045)

摘要：通過分析國內外棉花打頂機發展的歷程與現狀，對地面仿形、整體仿形和單株仿形3種現有主要棉花機械打頂機存在的總體仿形精度不高和單株仿形技術難度大等問題，分別進行了剖析，并提出了棉花打頂機械單株高度仿形的研究重點和發展方向。

關鍵詞：棉花打頂機；發展現狀；研究重點

0引言

棉花打頂是指在棉花生長到預定高度時切掉主枝上的生長點，以達到抑制棉花瘋長、促進側枝發育、保證結鈴所需養分及有效促進棉花高產的目的。目前，棉花打頂主要有人工打頂、化學打頂和機械打頂3種方式。機械打頂生產效率高，可與化學打頂相當，且環境污染少，能促進作物高產，所以成為棉花打頂的研究重點。

棉花打頂的農藝要求是切掉距離頂尖3～7cm的芽尖。棉花打頂機能否隨棉花高度變化有效調整割刀高度來實現這一要求，成為設計成敗的關鍵。為此，本文通過分析國內外棉花打頂機的發展歷程和目前未能投入使用的主要原因，提出了解決仿形問題的建議。

1國內外發展現狀

1.1國外發展現狀

歐美發達國家在19世紀初就開始了棉花打頂機的研究，經歷了最初的畜力牽引和后來的拖拉機機械動力驅動及液壓驅動的發展過程。

1919年，美國德克薩斯州的Alex Marquis 和Willie Sprott研究出了如圖1所示的馬拉式機械打頂裝置。其由地輪帶動往復式切刀切割，機架上兩個回轉輪用于拍掉棉花枝葉上的象鼻蟲[1]。這是目前所知的世界上最早的棉花打頂機。

1.地輪　2.傳動傘齒輪　3.座位　4.回轉輪　5.往復切刀

1931年，美國俄克拉荷馬州Jay.A.Smith研究出了人工調整切割高度的打頂機，如圖2所示。其由駕駛員根據棉花長勢，通過上下提壓手柄調節切頂高度[2]。從此，打頂機向著高度浮動發展。

1.力平衡拉桿　2.往復式切刀　3.機架　4.打頂高度調節杠桿

1951年，美國Joseph.W.Bell發明了螺栓調高的棉花打頂機，如圖3所示。將打頂機掛接在拖拉機前部，由皮帶帶動一字型甩刀高速旋轉進行切割，切頂刀高度根據棉株高度預先通過門字型高度鎖定裝置調整[3]。該打頂機一次能切兩行，打頂刀外有罩網以防割下頂芽飛濺。

1.地輪2.機架3.傳動皮帶4.門形螺栓調高裝置5.一字型甩刀

圖3螺栓調高的棉花打頂機

Fig.3The structure of the cotton topper adjusted by nuts and bolts

1954年，美國德克薩斯州Howell.J.Price研發的連環帶輪用于打頂機，使得打頂機的行數大幅擴展[4]，如圖4所示。這個結構目前仍是主流多行打頂機動力傳輸的主要方式。

圖4　皮帶傳動多行打頂機

1961年，喀麥隆的Lawrence.E.strongman研制了棉花疏枝切頂機，如圖5所示。該機型帶分禾器和殘葉排除導向裝置，側面設有排葉風道，將切下的頂芽排入分禾器打開的棉花行間空當中，減少了殘葉掛枝遮光和病蟲害的傳播[5]。

1962年，美國德克薩斯州Andy.A.Keyes研發出了掛接在拖拉機前端、用液壓馬達驅動的打頂機，如圖6所示。這種前掛接結構可視性更好，操作者可以根據棉株高度調整打頂高度[6]。

美國在打頂機方面的研發，為棉花打頂機切割形式和動力傳遞方式奠定了基礎，也為日后我國研發棉花打頂機提供了有效借鑒。但因機械打頂仿形問題始終未得到有效解決，致使歐美各國20世紀60年代以后，就沒有繼續進行棉花打頂機的研究。

1.液壓馬達

1.2國內打頂機發展現狀

我國棉花打頂機研發始于20世紀60年代初期，從蓄力牽引機械研究開始，逐漸發展為機械動力、液壓驅動，并逐漸向自動化方向發展。

1.2.1簡單的棉花打頂裝置

我國從解放初期開始棉花打頂機的研究，研制出了馬拉打頂機等簡單的打頂裝置；但因生產效率低、作業質量差等問題，未投入生產應用。

1961年，我國第一臺馬拉打頂機，由地輪傳遞動力，利用兩套齒輪對滾筒切刀加速，切刀回轉切去棉頂[7]，如圖7所示。但是，由于入地后打頂高度不變，造成漏切率和傷枝率高，作業質量差。

隨后，出現了人工打頂的輔助裝置，如用于輔助人工打頂的打頂指套。楊發展提出了手推棉花打頂機，是一種以蓄電池為動力，通過電機驅動刀片，模仿人手掐頂動作的手推、手提平臺[8]。陳延陽提出了手提式棉花打頂機，由人工背負電池，手提旋轉切刀剪枝打頂[9]。

1.打頂高度調節裝置　2.打頂刀軸　3.滾筒式打頂刀　4.傳動鏈條

簡易打頂機構種類繁多，但沒有從根本上改變打頂現狀，這里只介紹了部分有代表性的裝置。

1.2.2大型懸掛式棉花打頂機

20世紀以來,出現了拖拉機掛接的多行棉花打頂機，打頂機進入機械動力階段，并逐步向大型化和自動化方向發展。懸掛式棉花打頂機按高度仿形原理劃分，主要有地面仿形、整體高度仿形和單株高度仿形3種型式。

1.2.2.1地面仿形棉花打頂機

地面仿形是指用打頂機地輪等裝置依據地面高度改變切頂高度的高度控制方法。

新疆大學王春耀、蔣永新等研制的3DDF-8型棉花打頂機，在機架的兩側采用地輪對地整體仿形，每行又有仿形靴進行單行對地仿形；在地輪上裝有減震器以消減拖拉機越障帶來的震動和沖擊；打頂刀采用滾筒式切刀，雖切刀切凈率高，但位置精度不容易控制[10]。

對地仿形很難達到滿意結果。于是，研究了轉向直接針對棉花頂芽高度改變打頂高度的仿形方法。

1.2.2.2整體高度仿形棉花打頂機

整體高度仿形是指根據作業幅寬內所有棉花頂尖的位置，由人工判斷較合適的平均打頂位置，然后利用液壓機構等裝置將多行機組整體升降的高度控制方法。整體高度仿形棉花打頂機具有粗略仿形的功能。

新疆石河子大學胡斌等研制了3MD-12型后掛接棉花打頂機(如圖8所示)。該機型動力由拖拉機輸出軸經變速箱變速后帶動甩刀回轉。打頂高度以螺栓調節機架的基準位置后，人工操縱液壓系統帶動切刀和變速箱一起升降，實現整體仿形[11]。

1.扶禾器　2.變速箱　3.固定機架　4.浮動機架　5.液壓油缸

在此基礎上，胡斌等研制了3MDY-12型前懸掛棉花打頂機，以液壓馬達驅動回轉，解決打頂機構前懸掛動力的問題；采用平行四邊形機架，以提升油缸確定打頂機的工作基準位置后入地工作；駕駛員根據棉田局部長勢，操縱舉升油缸升降整排12行打頂裝置[12]。

山東農業大學周桂鵬等研制的基于高地隙通用底盤的棉花打頂機，也屬整體高度仿形棉花打頂機。駕駛員根據棉田狀況，通過液壓系統同時升降裝有若干行打頂裝置的機架，達到整體仿形的目的[13]。這個機型同時還有噴藥的附加功能。

1.2.2.3單株仿形棉花打頂機

單株仿形棉花打頂機通過檢測各行中每株棉花高度，分別調節單株打頂高度，力求對不同高度的棉花切除相同長度的頂芽。單株仿形打頂機經歷了從人工調高到自動測高和仿形的發展過程。

新疆建設兵團農機推廣站唐軍等研制的3MDZK-12型單體仿形棉花打頂機，以拖拉機輸出軸驅動滾筒切刀回轉，由人工通過調節手柄1調整打頂高度，實現單株仿形[14]，如圖9所示。

新疆石河子大學楊旭海等人對該打頂機進行了數控改造。采用超聲波測量棉株高度，回轉電位器間接測量刀具位置，根據兩者位置差通過PID算法計算后，控制刀具升降[15]。

從此，自動檢測棉花高度，規劃打頂刀動作路線，液壓控制打頂刀升降的控制流程就形成了，如圖10所示。

1.齒帶組合的傳動系統　2.升降控制機構　3.套筒式平衡機架

圖10　控制流程圖

基于此控制流程，中國農機化研究院周海燕等設計完善了液壓控制的3WDZ-6型自走式棉花打頂機[16]。石河子大學何磊等人設計了采用仿形板浮動推動電磁閥通斷開關液壓系統，分檔控制高度位置的垂直升降式棉花打頂機。這種分級控制辦法，是除了PID控制之外，一種新的高度控制思路[17]。

2棉花打頂機存在問題分析及發展方向

通過對已有機型的分析可知，以拖拉機為動力平臺的多行打頂機的機械結構已基本定型，并被普遍認可。但是，目前的打頂機不能根據棉花高度實時改變刀具高度，高度仿形的技術瓶頸未能完全突破，從而造成高漏切率和傷枝率?，F對打頂機存在的問題與今后的發展方向予以分析。

2.1仿形型式的分析

棉花打頂機主要有對地仿形、整體仿形和單株仿形的3種仿形型式。

1)對地仿形。因棉花高度(頂尖的位置)隨地面的起伏，足可以被30cm左右的棉花植株高度差異所淹沒，所以對地仿形不能有效實現棉花高度仿形。

2)整體仿形。整體仿形棉花打頂機通常作業幅寬在6行左右，是依據駕駛員對棉株平均高度的基本判定確定打頂高度。雖然效果明顯優于對地仿形，但是各行棉花長勢不同，難以統一打頂高度，同樣會導致漏切和傷枝。打頂時駕駛員既要控制前進速度，又要調整打頂高度，難以兼顧；若打頂機后置懸掛，還需專人負責高度調節。

3)單株仿形。單株仿形克服了對地仿形和整體仿形的缺點，能對每一株棉花進行高度仿形,理論上可以實現0漏切率和傷枝率。智能化單株浮動棉花打頂機以固定在打頂機構前端的高度傳感器采集棉株高度信號，以固定在拖拉機輪子上的測速器采集前進速度信號，高度與速度信號輸入控制中心，控制中心指揮驅動裝置實現打頂刀升降。目前，棉株高度測量精度和仿形執行速度是智能化單株仿形打頂機尚未有效解決的問題。

2.2棉株高度測量精度

棉株高度測量是智能化單株仿形打頂機準確打頂的前提。目前，植株測高傳感器主要有超聲波測距、光學傳感器和機械式接觸傳感器等。其中，三維激光掃描精度可高于1mm，但價格昂貴；計算機視覺測高方法因為圖像處理數據量大，難以實現實時化；機械式接觸傳感器或因仿形板過輕受田間不確定因素干擾，或因仿形板過重壓彎棉花頂尖造成誤差；激光光幕的抗干擾性優于紅外線和超聲波，精度較高；超聲波的精度在2cm以上，如果能解決定向性的問題也是成本低廉的解決方法。

2.3仿形執行器的升降速度

高度仿形要經歷高度檢測、路徑計算及打頂刀升降3個主要環節。單株仿形不成功的關鍵在于執行器的速度不夠。棉花打頂對于執行器速度的要求為

現有的液壓升降驅動一般達不到這個執行速度，且棉花打頂機的液壓系統結構復雜容易損壞，不易維修。氣動系統可以達到速度要求，但是位置難以精確控制。電動機響應速度和轉速都比較快，理論上可以滿足仿形要求。在煙草打頂機上曾使用電動機升降系統，收到了比較好的效果。

2.4打頂刀型式選擇的分析

以往的打頂刀主要有往復式切刀、滾筒式切刀和甩刀等型式。往復式切刀因體積大、仿形難已被淘汰。甩刀和滾筒式切刀由于采用無支撐切割會導致棉稈退讓，且甩刀會因高旋轉造成風壓導致棉花晃動，影響切割精度。滾筒式切刀或因刀盤上切刀數量過少導致切割路徑不是直線，或因刀盤上切刀數過多造成被切割物料難以喂入。

總之，無支撐切割不是一種可靠的切割方式，因物料退讓造成切割點不易固定，難以實現精確切割。剪切不僅能確定切割點，且因有支撐切割對切割速度要求低、節省能耗，是設計者應優先選擇的方案。

2.5打頂機結構設計的分析

1)打頂機的機架設計。機架設計的難點在于如何減少拖拉機的地面振動與機械振動對打頂精度的影響。石河子農機培訓站徐振宇，用ADAMS分析3MDZK-12型棉花打頂機越障機架跳動情況時指出，當拖拉機后輪跳動7cm時，機架跳動可達17.4cm，會導致打頂刀遠遠超出打頂范圍[18]。拖拉機的顛簸對打頂刀精度的影響，與打頂刀到掛接點之間的距離成正比。這指引棉花打頂機的設計者認真考慮在滿足控制系統處理時間的前提下，縮短打頂機的縱向長度。

2)打頂機回轉驅動系統設計。打頂機的回轉驅動通常有兩種形式：①回轉驅動系統隨刀軸一起升降。優點是運動關系簡單，刀軸和回轉驅動系統相對位置不變，故不必做的很長。不足是回轉驅動系統隨刀軸升降會造成結構沉重，慣性大，振動大。②回轉驅動系統固定，僅刀軸上下運動。優點是升降穩定、慣性小，缺點是升降需要克服刀軸回轉的干涉力，處理不好會造成升降卡滯。打頂機的刀軸等浮動裝置應該盡量減小質量，以減小慣性引起的遲滯。打頂機的刀盤大小、前進速度和控制算法PID參數都有待試驗測得最佳參數。

2.6打頂機功能的延伸

①碎葉處理功能。棉花頂芽是棉鈴蟲和象鼻蟲的聚集地，丟棄在田間會加速病蟲害傳播。以氣吸裝置等收集頂芽殘葉是可取的辦法。②植保、中耕功能。打頂機可以和中耕、植保機具搭載在同一底盤上，如能解決振動等問題對打頂精度的干擾，實現合并作業可以實現一機多用，不僅減少入地次數，且節省動力。

3結論

綜上所述，可以看出：①智能化單株仿形打頂機應為棉花機械打頂機的主要發展方向。②其傳感器可以采用激光光幕傳感器，加導向裝置的超聲波傳感器和壓力適當的機械式傳感器。③采用電機驅動是提高仿形執行速度的有效措施。④應采用有支撐切割。有支撐切割可以克服甩刀高速旋轉造成的風壓和滾筒式切割器的振動問題，提高切割精度。⑤盡量縮短割刀與懸掛點之間的距離，以減小拖拉機越障跳動造成的切割高度誤差。⑥宜采用切刀獨立升降機構，以減少運動部件的慣性。⑦拖拉機需增加頂芽回收裝置，以減少病蟲害傳播。⑧打頂機可增加附加功能，實現一機多用。

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Development and Prospect of Cotton Topper

Chen Zhaoyang1, Shi Lei2

(1.Graduate School,Chinese Academy of Agricultural Sciences,Beijing 100081,China; 2.Nanjing Research Institute of Agricultural Mechanisation, Nanjing 210014,China)

Abstract：This paper explains of the development of cotton topper and analyses the mainstream cotton topper. The 3 main types of cotton topper including field surface fluctuating tracking topper(FTM) and top shoots height tracking topper, the latter including the topper that multi-cutters taking a body and tracking all together(HTM) and the topper that each cutter tracking one the height of top shoots of one row and tracking independently(HTE). FTM is not a validity way of tracking. HTM cannot track the height of each row precisely. HTE is a correct way of tracking, but complicated in structure. This paper point out HTE is a prospective way of tracking and toppers is expected to modify in the sensors, cutters, actuators and racks.

Key words：cotton topper; development; research emphasis

文章編號：1003-188X(2016)01-0251-06

中圖分類號：S224.9

文獻標識碼：A

作者簡介：陳昭陽(1990-)，女，濟南人，碩士研究生，(E-mail)czyjinan@163.com。通訊作者：石磊(1963-),男，南京人，研究員，碩士生導師，(E-mail)623435554@qq.com。

基金項目：公益性行業(農業)科研專項(201203057)；“十二五”國家科技支撐計劃項目(2013BAD08B00)

收稿日期：2015-04-15