水平摘錠式高效采棉頭設計與試驗

李 騰 郝付平 韓增德 方憲法 郝朝會 劉云強

(1.中國農業大學工學院， 北京 100083； 2.中國農業機械化科學研究院， 北京 100083)

0 引言

近年來，由于人工采棉成本的增加，機械化采棉技術在我國發展較快。我國以水平摘錠式采棉機為主，與美國最先進的采棉機相比，在高效采棉方面仍存在差距，需要研究高效采棉頭[1-3]。

近些年來，國內相關學者在傳統采棉頭(前后都是12列座管)的摘錠運動規律分析與軌跡仿真、凸輪機構的瞬間動力學分析、采棉速比系數K的探討等方面進行了研究，揭示了傳統采棉頭的采摘規律[4-8]。文獻[9-11]搭建的膠棒滾筒采摘試驗臺和水平摘錠式采摘頭試驗臺，通過棉株在傳送帶上輸送、而采棉頭不動的相對運動來模擬田間收獲，脫棉盤沒有采用獨立驅動。

提高采摘效率的主要途徑有2種：提高采摘部件轉速和增加座管列數。目前傳統采棉頭前后滾筒座管列數均為12列，采摘部件轉速適當增加后，采凈率有所提高，但作業速度沒有明顯提升。本文通過增加座管列數提高采摘效率，并對其進行結構和運動參數分析，從理論上揭示高效收獲規律。通過搭建脫棉盤獨立驅動、采棉頭輸入轉速和作業速度無級調節以及棉花植株固定在地面的試驗平臺，模擬田間收獲試驗，進行主要運動參數的試驗研究，得出最優參數組合，為工程化設計高效采棉頭提供參考。

1 采棉滾筒關鍵部件槽形凸輪結構設計

1.1 采棉頭結構與工作原理

如圖1a所示，高效采棉頭主要由分禾器、前后兩個采棉滾筒、柵條、脫棉盤和淋潤器等組成。棉株經過分禾器的收攏，進入采棉通道，采棉滾筒通過摘錠纏繞籽棉進行采摘，脫棉盤將纏繞在摘錠上的籽棉脫下后，在氣力的作用下輸送到集棉箱，淋潤器對采摘過程中的籽棉進行濕潤并對脫棉后的摘錠進行清洗。

圖1 采棉頭和采棉滾筒結構圖Fig.1 Structure diagrams of efficient cotton picking head and picking roller1.分禾器 2.前采棉滾筒 3.前部柵條 4.后部柵條 5.后采棉滾筒 6.脫棉盤 7.淋潤器 8.底部轉盤 9.座管 10.摘錠 11.撥叉盤 12.曲拐 13.槽形凸輪 14.傳動齒輪系

如圖1b所示，采棉滾筒主要由傳動齒輪系、槽形凸輪、曲拐、撥叉盤、摘錠、座管和底部轉盤等組成。通過傳動齒輪系，驅動采棉滾筒旋轉、經過座管內錐齒輪驅動摘錠旋轉，座管在曲拐與槽形凸輪的作用下產生擺動，因此，摘錠的運動由自轉、繞采棉滾筒軸線的公轉和沿槽形凸輪的擺動組成。

1.2 槽形凸輪參數化設計數學模型

槽形凸輪是采棉滾筒的關鍵部件，直接影響摘錠的擺動和采棉性能。座管列數增加，凸輪曲線隨之發生變化。槽形凸輪需要控制摘錠完成采棉、脫棉和淋潤清洗等作業過程，槽形凸輪曲線構成復雜，因此本文通過建立數學模型，實現工程化設計。

圖2 采摘示意圖Fig.2 Schematic of picking cotton1.側壁板 2.前部柵條 3.摘錠和曲拐 4.脫棉盤 5.采棉滾筒 6.水刷 7.槽型凸輪 8.棉株

為了實現參數化設計，需要從功能要求入手獲得數學模型[12-13]。從采摘示意圖(圖2)中可以看出，采棉滾筒旋轉1周，在槽形凸輪的控制下完成采摘、脫棉、淋潤清洗3個動作，因此將槽形凸輪曲線劃分為引導區、采摘區、采脫過渡區、脫棉區、脫淋過渡區、淋潤清洗區和淋潤引導過渡區。

槽形凸輪曲線極徑表達式為

(1)

其中

R=τN/2

(2)

式中ρ——凸輪導軌中心線極徑，mm

R——座管中心所在圓半徑，mm

θ——采棉滾筒中心和座管中心連線與前進方向的夾角，逆時針為正，rad

l——曲臂長度，mm

φ——座管中心和摘錠尖端連線與前進方向的夾角，逆時針為正，rad

α——曲臂與摘錠軸線的夾角，rad

τ——采棉滾筒模數，mm

N——座管列數

采棉滾筒模數τ為相鄰座管所在分度圓的弧長與π的比值。

如圖3所示，槽型凸輪曲線的7個區段的邊界對應的θ值為θ1、θ2、θ3、θ5、θ6、θ7和θ8。角度φ不僅和θ有關，還與座管極限偏擺角β(座管繞其中心的最大擺動角)有關，φ的范圍為[θ-β，θ+β]。

圖3 槽形凸輪曲線區段Fig.3 Division of grooved cam area

1.2.1采摘區數學模型

采摘區是最重要的功能區，它始于θ1，終于θ2。θ1時摘錠尖端進入采摘區域(柵條外側與護板圍成的區域)，根據位置關系得θ1為

(3)

(4)

式中l2——摘錠端點到座管中心的長度，mm

R1——柵條與采棉滾筒中心垂直距離，mm

G——進入采摘區域時采棉滾筒中心與摘錠端點距離的平方，mm2

φ1=θ1+β

(5)

此區間內φ可以表達為

(6)

此區間，摘錠穿出柵條的長度逐漸增加，對待摘棉花植株的采摘能力增強；座管總成向前擺動，與采棉滾筒旋向相反，摘錠在前進方向的合速度降低，對棉花植株碰撞強度減小，從而減少了棉枝碰斷和棉桃撞落。

θ2=π-θ1

(7)

φ2=θ2-β

(8)

此區間，摘錠開始回縮，摘錠逐步退出采摘區。摘錠軸線垂直于前進方向可以減少纏繞在摘錠上的籽棉掉落，減少掛枝棉。

1.2.2采脫過渡區數學模型

此區段始于θ2，終于θ3，為使槽形凸輪曲線平滑，不計座管擺角β的影響，φ隨θ值的變化而變化，φ表達式為

(9)

1.2.3脫棉區數學模型

脫棉區始于θ3，終于θ5。θ3為摘錠軸線方向與脫棉盤外圓相切，且摘錠尖端到達脫棉盤位置，此時

(10)

(11)

式中δ——脫棉盤中心和滾筒中心連線與水平方向的夾角，rad

l1——摘錠帶齒工作部分的長度，mm

r1——脫棉盤半徑，mm

脫棉區內，為增加脫棉時間，摘錠應回擺(與采棉滾筒旋轉方向相反)。在θ4時，摘錠達到極限擺動角，得到

φ4=θ4-β

(12)

(13)

(14)

θ∈[θ3,θ4]時，φ和θ的關系式為

(15)

θ5時，脫棉區結束，摘錠尖端將要離開脫棉盤位置，達到極限偏擺角，根據幾何關系得

(16)

(17)

φ5=θ5-β

(18)

θ∈[θ4,θ5]時，φ和θ的關系式為

(19)

1.2.4脫淋過渡區數學模型

脫淋過渡區始于θ5，終于θ6。φ和θ關系式為

(20)

1.2.5淋潤區數學模型

淋潤區始于θ6，終于θ7。θ6時淋潤區開始，摘錠與水刷開始接觸，根據位置關系可以得到

(21)

(22)

(23)

式中l5——水刷與采棉滾筒中心垂直距離，mm

l6——水刷與采棉滾筒中心水平距離，mm

l7——水刷右端與采棉滾筒中心距離，mm

θ7時摘錠與水刷分離，由位置關系得

(24)

(25)

式中l8——水刷寬度，mm

l9——水刷左端與采棉滾筒中心距離，mm

θ∈[θ6,θ7]時，φ和θ的關系式為

(26)

1.2.6淋潤引導過渡區數學模型

淋潤引導過渡區始于θ7，終于θ8。φ和θ的關系式為

(27)

1.2.7引導區數學模型

引導區始于θ8，終于θ1，根據位置關系得

(28)

(29)

(30)

式中l10——柵條左端與采棉滾筒中心垂直距離，mm

l11——柵條左端與采棉滾筒中心水平距離，mm

l12——柵條左端與采棉滾筒中心距離，mm

θ∈[θ8,θ1]時，φ和θ的關系式為

(31)

1.3 槽形凸輪的可視化設計

基于建立的槽形凸輪數學模型，利用Matlab中的GUI模塊，編制了7個區段曲線的生成程序，實現槽形凸輪曲線的可視化設計及工程圖紙輸出[14]。通過輸入15個槽形凸輪參數，即可生成可視化的槽型凸輪曲線，便于判別曲線是否滿足作業要求與動力學要求。座管列數增加，采棉滾筒直徑增大，有利于提高采摘效率，但受到棉花種植行距的限制，不能無限增加。新疆棉花種植模式一般為(66+10) cm或(68+8) cm,山東、河北等地機采棉種植模式為單行76 cm。為適應我國的種植行距，采棉頭的最大寬度必須小于760 mm。如果寬度大于760 mm，會增加未采摘區棉花的撞落。前滾筒增加到16列時，采棉頭寬度已經達到750 mm左右，已達到我國76 cm種植行距的上限，此時的槽形凸輪曲線如圖4所示。再利用Matlab軟件，將槽形凸輪曲線數據以txt文本形式輸出，導入UG軟件中，引入槽形凸輪寬度、厚度等參數，生成槽形凸輪三維模型和工程圖紙，生產制造得到槽型凸輪。實物圖如圖5所示。

圖4 凸輪曲線設計程序界面Fig.4 Cam curve design program interface

圖5 槽形凸輪實物圖Fig.5 Groove cam entity

2 采棉頭主要運動參數的理論分析

座管列數增加到16列，設計生成新的槽形凸輪曲線，采棉頭的主要運動參數需要進行理論分析，確定其取值范圍。

2.1 采摘運動參數的理論分析

采棉滾筒線速度與作業速度之比K(采棉滾筒轉速系數)決定采摘質量[15]，K定義為

(32)

式中ω0——滾筒角速度，rad/s

v——采棉頭作業速度，m/s

若K與ω0為定值時，v與R成正比，即增加座管列數，R增大，可以提高作業效率。

摘錠前進方向的作用寬度W與K值相關，W大，摘錠前進方向對待摘棉花植株的作用越大，W過大，容易引起棉枝折斷和棉桃撞落。適宜的W應為46～48 mm[16-18]。

選取摘錠尖端作為運動仿真的特征點，將單個曲拐、槽形凸輪、單組座管和單個摘錠等三維模型導入ADAMS軟件中，利用運動學仿真模塊，能夠直觀地看到運動軌跡(圖6)。摘錠尖端作用寬度W與K關系如圖7所示，W為46～48 mm，得到K合理取值范圍為1.0～1.3。

圖7 W與K的關系曲線Fig.7 Relationship curve between W value and K value

K范圍確定后，再求作業速度的合理范圍。通過仿真可求出K、作業速度和采摘時間的關系，如圖8所示。K一定時，采摘時間與作業速度成反比。根據單摘錠采摘性能研究可知(摘錠圓錐角為6.6°，3排勾齒)，摘錠采凈單朵籽棉的必要時間為0.13～0.25 s[19-20]。再結合K的合理取值范圍1.0～1.3，得到作業速度為5～8 km/h。

圖8 形成環扣的時間t與K的關系曲線Fig.8 Relationship between time of forming buckle and K value

2.2 脫棉盤轉速分析

摘錠位于脫棉區域時的運動分析如圖9所示，將座管和摘錠看作為一個剛體，座管中心A點為基點，B為摘錠上表面任意一點。

圖9 脫棉時摘錠上表面點的運動分析Fig.9 Motion analysis of surface point of ingot during cotton removal1.槽形凸輪 2.座管中心 3.曲拐 4.摘錠 5.脫棉盤

為了保證能將籽棉從摘錠上脫下，圖9必須保證2個條件：在摘錠軸線垂直方向，脫棉盤凸起的分速度必須大于摘錠表面分速度；摘錠軸線方向，脫棉盤凸起分速度必須大于摘錠表面分速度[21]，得

(33)

式中σ——摘錠軸線與速度va的夾角，rad

vo——脫棉盤與摘錠表面B點接觸處的速度，mm/s

μ——摘錠軸線與速度vo的夾角，rad

v1——摘錠自轉在表面B點產生的線速度，mm/s

v2——B點由于曲拐擺動產生的相對于A點的轉動線速度，mm/s

v3——座管中心A點的速度，mm/s

而且有

(34)

式中ω1——B點相對于A點的角速度(曲拐擺動角速度)，rad/s

l3——A點到B點直線距離，mm

ω2——脫棉盤角速度，rad/s

l4——脫棉盤中心點O到B點距離，mm

ω3——摘錠角速度，rad/s

R2——B點處摘錠截面半徑，mm

將式(34)代入式(33)得到脫棉盤角速度ω2的取值范圍為

(35)

結合前文的分析，在K取1～1.3、作業速度為5～8 km/h和摘錠轉速為3 000～5 000 r/min條件下，脫棉盤轉速應大于1 200 r/min。

3 試驗材料與方法

為驗證理論分析和優化高效采棉頭的運動參數，搭建采棉頭室內綜合試驗臺，在農業生產機械裝備國家工程實驗室進行室內試驗。

3.1 試驗條件

3.1.1棉花植株

試驗所用棉花植株產自天津清河農場，品種為陸地棉14-2，采用機采棉模式種植。試驗時從田間整株拔起帶回，并用塑料袋密封存貯。室內試驗前隨機抽取棉花植株，測量的物理特性如表1所示。

表1 棉花植株主要參數Tab.1 Main physical parameter of tested cotton

3.1.2試驗臺主要組成與工作原理

室內試驗臺如圖10所示。采棉頭通過懸掛架安裝在行走底盤上，棉花植株固定在夾持裝置上，模擬田間收獲狀態。調速電機驅動輸棉風機，將采棉頭收獲的籽棉輸送到集棉箱內。行走底盤速度、采棉頭錐齒箱輸入轉速和脫棉盤轉速通過液壓系統無級調節。

圖10 室內試驗臺示意圖Fig.10 Schematic of structure of laboratory testing platform1.莖稈夾持裝置 2.采棉頭 3.采棉頭懸掛架 4.行走底盤 5.輸棉風機 6.變頻調速電機 7.平臺導軌 8.傳動系統 9.駕駛操控臺 10.輸棉管道 11.集棉箱

試驗臺上安裝了轉速扭矩傳感器、激光測距傳感器，以及相應的采集控制器和CAN通訊模塊，上位機操控界面采用LabVIEW軟件開發。扭矩傳感器型號為CYB-803S，激光測距儀型號LT300S1XQ，水壓控制儀型號為XMT605。

試驗條件為：夾持棉花植株的株距為120 mm；試驗軌道長40 m；采棉頭為前16列后12列座管組成的高效采棉頭；采棉頭與地面懸掛傾斜角為1.8°；試驗時水壓恒定為130 kPa；輸棉風機轉速為2 600 r/min(采棉頭底部輸棉口風速為15 m/s)；底盤作業速度為0～10 km/h；采棉頭錐齒箱輸入轉速0～2 700 r/min；驅動脫棉盤轉速0～3 000 r/min，滿足試驗要求。

3.2 試驗因素和試驗指標

室內試驗選取作業速度、摘錠轉速、脫棉盤轉速為試驗因素。根據前文理論分析和傳統采棉頭的轉速范圍，確定因素編碼，如表2所示。

表2 試驗因素編碼Tab.2 Coding of experimental factors

室內試驗采用GB/T 21397—2008《棉花收獲機》進行試驗與評價，選取含雜率y1、撞落棉率y2、采凈率y3和生產效率y4為試驗指標。

每次試驗裝夾棉花植株40株，試驗區間分為試驗臺加速區、速度穩定區和減速區，采摘區為速度穩定區。每次試驗結束，清理采摘區地面和集棉箱。試驗如圖11所示。

圖11 試驗現場Fig.11 Experimental scene

4 試驗結果與分析

4.1 試驗結果

利用Design-Expert 8.0.6軟件Box-Benhnken響應法進行高效采棉頭收獲性能試驗設計，得到15個點的響應面分析試驗，其中12個析因點，3個為零點試驗用來誤差估計。試驗設計方案和結果如表3所示(X1、X2、X3表示作業速度、摘錠轉速、脫棉盤轉速的編碼值)。

4.2 回歸模型的建立與顯著性檢驗

針對表3的試驗結果，將試驗數據進行多元回歸擬合分析和方差分析，分別得到含雜率y1、撞落棉率y2、采凈率y3和生產效率y4的二次多項回歸擬合方程，分別為

(36)

(37)

y3=96.48-0.15X1+0.15X2+0.32X3-

(38)

y4=5.016×10-3+1.353×10-3X1

(39)

表3 試驗設計方案與結果Tab.3 Schemes and results of tests

含雜率模型P=0.005 2，說明回歸方程在置信區間95%范圍內顯著，在統計學上有意義，模型成立。含雜率模型失擬項P=0.322 1>0.05，表明失擬項F的檢測結果為不顯著，說明回歸方程式(36)的擬合程度較好。

撞落棉率模型P=0.031<0.05，說明回歸方程在置信區間95%范圍內顯著，在統計學上有意義，模型成立。撞落棉率模型的失擬項(Lack of Fit)P=0.834 5>0.05，對模型有利，表明試驗誤差影響較小，決定系數R2=0.841 5，表示回歸模型的理論值和實際值相關性較好。

采凈率模型P=0.018 4，說明回歸方程在置信區間95%范圍內顯著，在統計學上是有意義的，模型成立。采凈率模型失擬項P=0.81>0.05，對模型有利，表明試驗誤差影響較小，決定系數R2=0.85，表示回歸模型的理論值和實際值相關性較好。

4.3 各試驗因素的交互作用影響

為直觀分析試驗因素與指標間的關系，在建立好的回歸模型的基礎上，將其中一個因素固定在零水平，得到其余兩因素交互作用對試驗指標影響的響應曲面如圖12～14。

圖12 各因素對含雜率影響的響應曲面Fig.12 Response surfaces of each factor on seed cotton trash content

根據圖12得出，摘錠轉速和脫棉盤轉速對含雜率存在交互影響，摘錠轉速一定時，含雜率隨脫棉盤轉速的增加先減小后增加，但減小的趨勢大于增加的趨勢。這可能是因為脫棉盤轉速增加將纏緊的棉花松開，有利于雜質掉落或在輸送到棉箱過程中從棉箱的網眼中吹走，當超過一定轉速范圍后，籽棉反向纏緊，反而不利于降低含雜率。脫棉盤轉速一定時，含雜率隨摘錠轉速的增加，先減小后增加。

由圖13a、13b看出，撞落棉率隨摘錠轉速的增加先變小后變大，摘錠轉速的合理范圍為3 900～4 400 r/min。這與單摘錠采摘性能的分析趨勢相符[24]。根據圖13得出，摘錠轉速、作業速度和脫棉盤轉速對撞落棉率的影響程度依次遞減。

圖13 各因素對撞落棉率影響的響應曲面Fig.13 Response surfaces of each factor on rate of fallen cotton

圖14 各因素對采凈率影響的響應曲面Fig.14 Response surfaces of each factor on rate of picked cotton

根據圖14a、14c可看出，采凈率隨摘錠轉速的增加有減小的趨勢，因為摘錠轉速越高，離心力越大，纏繞在摘錠上的籽棉被甩出的機率增加，與單摘錠采摘性能的分析趨勢相符[19]。根據圖14，對采凈率影響顯著程度由大到小排序為摘錠轉速、作業速度、脫棉盤轉速。

4.4 最優參數組合與驗證

根據建立的采摘性能回歸模型，可以得到高效采棉頭的最優工作參數組合。在保證收獲質量的前提下，盡量降低撞落棉率和含雜率，提高采凈率和生產效率，采用多目標變量優化方法，結合試驗因素的邊界條件，建立非線性規劃參數模型為

(40)

式(40)利用Design-Expert 8.0.6軟件中優化求解模塊，其中采凈率、撞落棉率、生產效率和含雜率的權重分別設置為0.4、0.3、0.2和0.1。得到最優參數組合為：作業速度6.17 km/h、摘錠轉速4 272 r/min、脫棉盤轉速2 109 r/min，最優參數組合下含雜率為8.78%、撞落棉率為1.59%、采凈率為97.17%、生產效率為0.467 hm2/h，此時滾筒轉速為136 r/min，K為1.3。

根據最優參數組合，在相同的試驗環境下，以相同的試驗方法進行3次驗證試驗，得到的平均含雜率為8.81%、撞落棉率為1.66%、采凈率為97.21%、生產效率為0.467 hm2/h。試驗結果與理論結果基本相符，表明采摘性能回歸模型有較好的可靠性。

5 結論

(1)建立了槽形凸輪的參數化設計模型，利用Matlab中的GUI模塊編寫程序，通過輸入采棉頭中與槽形凸輪相關的結構參數生成槽形凸輪曲線，輸出工程圖紙，為高效采棉頭設計提供了設計方法。

(2)通過虛擬樣機仿真分析和矢量方程圖解法，得出高效采棉頭采棉滾筒轉速系數K的合理取值范圍為1.0～1.3、作業速度為5～8 km/h，脫棉盤轉速的理論值應大于1 200 r/min。

(3)搭建了集機械、液壓、電氣、計算機數據采集及控制系統和氣力輸送于一體的采棉頭室內綜合試驗平臺。棉花植株固定在夾持裝置上，模擬田間試驗，實現了脫棉盤轉速獨立調節和采棉滾筒轉速的無級可調，可滿足棉花收獲室內試驗的要求。

(4)采用二次旋轉正交組合方法設計試驗，利用Design-Expert軟件的Optimization模塊對試驗結果進行優化分析，得到高效采棉頭最優參數組合：前進速度6.17 km/h、摘錠轉速4 272 r/min、脫棉盤轉速2 109 r/min，并進行了3次驗證試驗，得到平均含雜率為8.81%、撞落棉率為1.66%、采凈率為97.21%、生產效率為0.467 hm2/h，試驗結果與理論結果基本相符。根據田間經驗，在摘錠轉速、滾筒轉速和脫棉盤轉速相同情況下，高效采棉頭比傳統采棉頭作業效率提高20%左右。