4MZ-3指刷式采棉機驅動系統的設計

孫勇飛，吳崇友,，薛 臻，石 磊，張玉同，黃銘森

(1.農業部南京農業機械化研究所，南京 210014；2.泰州常發農業工程技術有限公司，江蘇 泰州 225300)

0 引言

我國2014年全國棉花播種面積為422萬hm2，機收面積為66萬hm2，機械化采收率為15.7%。棉花主產區的新疆，2014年棉花種植面積約160萬 hm2，機械化采收率最高的新疆兵團，棉花種植面積約58.7萬 hm2，43.3萬hm2實現了機械化采收，機械化采收率為70%[1-3]。目前，棉田耕整、播種、植保、灌溉等環節已基本實現了機械化，棉花機械化采收成為制約我國棉花產業發展的關鍵環節[4-6]。

國外自走式采棉機的發展方向為大型化、高級化、智能化及充分利用機電液計算機一體化技術，完善自動檢測和控制系統。采棉機性能向提高采凈率、減少損失率及降低機采籽棉含雜率，增大棉箱裝載量、裝載密度及機載壓制棉模以減少人工作業量，以及機器操作更加智能化、人性化的趨勢發展[7-8]。按照我國對發展高端智能農機、實現農業現代化的要求，研究開發新型的棉花采收機理和裝備，打破目前棉花機械化收獲機型單一的狀況，實現采棉機市場多機型、多品種的競爭性發展，提高棉花機械化水平、節本增效，促進我國棉花產業的生產發展，研發具有自主知識產權的高端智能采棉機成為當務之急[9]。

1 采棉機的基本結構及工作原理

1.1 指刷式采棉機的基本結構

1.采摘臺 2.輸棉通道 3.駕駛室 4.發動機 5.氣棉分離裝置 6.清棉裝置 7.棉箱 8.柴油箱 9.集桃箱 10.風力輸送裝置

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

1.2 指刷式采棉機的基本原理

指刷式采棉機工作原理：指刷式采摘臺將籽棉采下，棉雜混合物首先進入棉桃分離輸送裝置并在該裝置中分離出未成熟的棉桃送至集桃箱儲存；分離出的籽棉隨風力作用進入氣壓回流除碎葉裝置，大部分風力及碎葉等小雜在該裝置中被排出，最終籽棉進入棉纖抑損高效清雜裝置進行清雜，清雜完畢的籽棉被送入棉箱儲存[15-16]。

1.3 指刷式采棉機主要技術參數

機采棉因加工清理籽棉道數多，重復清理加工，造成棉花品質下降。為縮小機采棉與手采棉的差距，提高棉花采收機械化水平，研制了三行自走式4MZ-3指刷式采棉機。該機型無需使用清洗液及潤滑脂，性能良好、造價低、實用性強，其主要技術參數如表1所示。

表1 主要技術參數

2 指刷式采棉機驅動系統組成

2.1 液壓系統的組成及原理

采摘臺是指刷式采棉機進行棉花采收的關鍵部件，位于整機前端，工作時需要根據棉花生長狀況等條件即時調整其采摘高度。為此，研究設計了一套采摘臺仿形系統，該系統具備手控和自動仿行控制功能。手動控制時，駕駛員可根據田間實際棉花生長狀況，判斷采摘臺應離地高度；自動仿形時，該系統可根據棉田實際情況，利用采收的地形數據，通過電磁比例換向閥實時調整采摘臺離地高度，實現采摘臺的自動升降，確保采摘效果[17-18]。采摘臺仿形控制系統框圖如圖2所示。

圖2 采摘臺仿形控制系統框圖

采摘臺及棉箱的升降具由液壓油缸控制，采摘臺設計的液壓仿形機構，可以使采摘臺在工作過程中實現地面仿形和障礙物自動避讓，保證了采棉機的采摘臺動態保持在設定作業高度。當地面有高低起伏變化時，仿形控制系統將地面變化情況轉換為電信號反饋給控制器，控制器根據接收的信號判斷是否需要仿形動作。如需動作時，控制器驅動執行機構，完成采摘臺的升降動作，達到自動仿形的目的。采摘臺采收輥、挑棉輥、壓實攪龍及卸棉組件的運轉分別由對應的液壓馬達驅動，當采摘過程中出現堵塞時，系統中安裝的壓力繼電器會將信號反饋至PLC，切斷各工作回路，同時發出報警信號提醒駕駛員及時排除故障[19]。根據采棉機驅動要求，設計的液壓驅動系統工作原理如圖3所示。

2.2 液壓系統主要元件與參數分析

參考農業機械常用的系統工作壓力，初選系統壓力為18MPa。系統選用的主要元件及其參數如表2所示。

2.2.1 液壓缸參數分析

液壓缸流量計算，即

預計11月底，尿素市場將進入銷售的小旺季，但是復合肥情況則不太樂觀。唐小琳說，由于目前氮磷鉀等原料市場價格上漲，復合肥出廠價格走到了歷史最高點。所以，今年的冬儲估計要用“平淡”兩個字來總結。但是化肥對農民來說屬于剛性需求，唐小琳表示，預計經銷商完成備貨以后，尿素是市場價格或將回歸“理性”。

A=πD2/4

(1)

V=L/t

(2)

Q=VA

(3)

其中，A為液壓缸充液面積；D為無桿腔直徑；L為行程；t為動作時間；Q為流量。

采摘臺液壓缸D為50mm，L為300mm，t為5s，單個液壓缸流量Q為7.1L/min，則采摘臺兩個液壓缸所需流量Q為14.2L/min。其中，集棉箱液壓缸D為50mm，L為860mm，t為7s，單個液壓缸流量Q為14.5L/min，則采摘臺兩個液壓缸所需流量Q為29.0L/min。

1.液壓源 2.溢流閥 3.手動換向閥 4.比例換向閥 5、10、11.液控單向閥 6、12..單向節流閥 7、8.單向液壓缸

元件型號額定壓力/MPa排量/mL·r-1額定轉速/r·min-1轉速范圍/r·min-1數量采摘臺液壓缸?50×300----2集棉箱液壓缸?50×860----2采摘臺馬達BM3-200162003556～3751挑棉輥馬達BMR-315163151655～1901壓實攪龍馬達BMR-315163151655～1901卸棉馬達BMR-315163151655～1901

2.2.2 液壓馬達參數分析

液壓馬達流量計算，即

Qm=qmnm/ηV

(4)

其中，Qm為液壓馬達輸入流量；qm為馬達排量；nm為馬達輸出轉速；ηV為容積效率，ηV=0.94。

已知采摘臺馬達輸出轉速nm為150r/min，則采摘臺Qm為56.6L/min；已知挑棉輥馬達輸出轉速nm為80r/min，則挑棉輥Qm為26.8L/min；已知壓實攪龍馬達輸出轉速nm為60r/min，則壓實攪龍Qm為20.1L/min；已知卸棉馬達輸出轉速nm為90 r/min，則卸棉攪龍Qm為30.2L/min。

2.2.3 液壓泵參數確定

液壓泵的最大工作壓力Ppmax應滿足

Ppmax≥P1max+∑ΔP

(5)

其中，Ppmax為液壓執行元件最大工作壓力；P1max=16MPa；∑ΔP為管路損失，按經驗數據選取∑ΔP=1.0MPa[20]，則液壓泵的最大工作壓力Ppmax為17MPa。

液壓泵最大輸出流量為

qp≥K(∑qmax)

(6)

其中，∑qmax為同時動作的各液壓執行元件的最大總流量；K為系統泄漏系數，一般取K=1.2。

液壓執行元件使用流量最多是棉花采收過程中，同時工作的有采摘臺液壓缸q1=14.2 L/min，采摘臺馬達q2=56.6L/min，挑棉輥馬達q3=26.8L/min，壓實攪龍馬達q4=20.1L/min，因此液壓泵最大輸出流量qp≥=141.2L/min。

2.3 PLC控制系統硬件選項與I/O分配

根據指刷式采棉機液壓系統的工作原理，考慮輸入/輸出點數的備用余量，選用三菱FX2N-64MR可編程序控制器，其輸入、輸出點數均為32個，其對應的輸入輸出端口分配如圖4所示。

圖4 采棉機I/O端子分配圖

2.4 PLC控制系統軟件設計

PLC控制程序設計是系統功能的實施流程，采用三菱PLC編程軟件GX-developer，梯形圖語言進行編寫，并利用GX Simulator軟件進行了仿真調試。根據4MZ-3指刷式采棉機液壓系統工作過程編寫出控制系統梯形圖，如圖5所示。

3 田間收獲試驗

3.1 試驗條件與設備

2016年9月29日，在新疆生產建設兵團第八師一三四團進行田間試驗，測試品種新50(短枝干)，種植模式(66+10)cm，種植密度180 000株/hm2，平均株高70cm，最低棉鈴高度18cm，吐絮率>92%，脫葉率>88%，籽棉含水量8%，產量5 250kg/hm2。

試驗所需設備及儀器有：4MZ-3指刷式采棉機、AT-8型光電轉速表、風速儀、快速水分測試儀、DL-17型電子稱、秒表、皮尺，以及標桿等。

3.2 試驗結果

選取同一塊地5塊不同試驗區，采摘作業前清理自然落地棉。采棉機行走速度1.7km/h，采摘臺馬達轉速158r/min(采摘輥轉速316r/min)，挑棉輥馬達轉速82r/min(挑棉輥轉速164r/min)，壓實攪龍馬達轉速58r/min(壓實攪龍轉速58r/min)，在5個試驗區分別進行測試，取均值。 4MZ-3指刷式采棉機性能指標平均值為采凈率96.84%，撞落棉損失率1.86%，含雜率6.52%。

圖5 控制程序梯形圖

4 結論

1) 以4MZ-3指刷式采棉機液壓驅動系統為研究對象，介紹了采棉機的結構與工作原理，分析了液壓系統的組成及各個功能的控制原理，提出了整機的液壓系統配置方案,并對液壓元件的選型、液壓系統主要參數的確定等方面進行了研究。液壓驅動系統工作壓力為18MPa，輸出流量應大于141.2L/min。

2) 選用三菱FX2N-64MR可編程控制器對采棉機進行控制，經現場調試與應用，該控制系統能夠實現采棉機的各種功能，實現了采摘臺自動仿形及關鍵工作部件故障報警功能，達到了預定的控制要求。

3)田間試驗結果表明：4MZ-3指刷式采棉機采凈率為96.84%，撞落棉損失率1.86%，含雜率6.52%，主要性能指標達到國家采棉機作業性能指標要求。該液壓控制系統運行可靠、實用性強、穩定性好，能夠很好滿足棉花收獲的要求，對采棉機液壓系統的設計和配置具有參考價值。