橫臥輥式棉秸稈起拔收獲機的設計與試驗

布爾蘭·卡力木別克,王吉奎,羅新豫,羅勇軍,王 征

(石河子大學 機械電氣工程學院,新疆 石河子 832003)

0 引言

新疆是我國主要的棉花生產基地,每年棉花收獲后都會產生大量殘留的棉秸稈[1]。棉秸稈根部木質化程度高,具有極大的利用價值,是造紙、制板、生物燃料和肥料的優質原料[2]。因此,如何實現棉秸稈的合理回收利用成為了目前亟待解決的問題。

國內外現有棉秸稈收獲技術主要分為切割收獲和起拔收獲[3-4]:切割收獲僅收獲棉秸稈地表以上部分,不回收棉秸稈根部,操作簡單、作業速度快,常用機型有烏茲別克斯坦的KV-3.6A型;起拔收獲可將棉秸稈連根收起,但現有棉秸稈起拔收獲機械存在起拔率低、作業時需先進行對行等問題,且多為分段式作業,增加了作業量和勞動強度,典型機型有澳大利亞的Muff拔棉秸稈機械和美國的AMADAS棉秸稈拔取切碎收獲機[5-6]。上述類型機具只適用于國外棉花種植模式,不適用于新疆棉花種植模式。國內部分學者和企業也進行了一定的研究工作,但在可靠性方面與國外機械還有一定的差距,在實際應用中未得到廣泛推廣應用[7-9]。

針對上述問題,設計了一種新型棉秸稈起拔收獲機,對該機的主要工作部件進行了合理設計,并進行了田間試驗。該機可一次作業完成棉秸稈的整株拔取和打捆聯合作業,與現有棉秸稈起拔技術相比,具有結構簡單、作業無需對行、作業效率高等特點,對促進秸稈資源充分、高效利用和農民增收具有重要意義。

1 整機結構與工作原理

1.1 整機結構

該機主要由牽引裝置、撥禾鏈耙、傳動系統、拔桿裝置、輸送裝置、喂入裝置及打捆裝置組成,如圖1所示。其中,拔桿裝置由上拔稈輥、下拔稈輥和壓緊裝置組成,上拔稈輥設在下拔稈輥斜上側,輸送裝置由螺旋絞龍和喂入刮板組成;喂入裝置由喂入星輪、喂入輥和護罩組成,打捆采用輥式圓捆打捆裝置。

1.牽引裝置 2.機架 3.撥禾鏈耙 4.傳動系統 5.打捆裝置

1.2 工作原理

作業時,機具通過牽引裝置與拖拉機相聯,機組順著作物苗行直行前進;傳動系統帶動撥禾鏈耙轉動,將地表直立的棉秸稈頂端撥向上拔稈輥和下拔稈輥之間,由于上、下拔稈輥相對轉動,棉秸稈不斷被拉進上、下拔稈輥之間,直至棉秸稈從土壤中連根拔出;拔出的棉秸稈被拋送至輸送裝置,在輸送擋板的作用下,棉秸稈被運至喂入裝置,喂入星輪和喂入輥做相對旋轉運動;隨后,棉秸稈進入做旋轉運動的打捆裝置內,并逐漸旋轉形成圓捆,當圓捆成型達到規定值時機組停止前進,駕駛員操縱捆繩機構進行捆繩作業。捆繩作業完成后,開啟打捆裝置擋板將草捆卸下,合上打捆裝置擋板繼續進行下一個圓草捆的卷制作業。同時,可通過調整壓緊裝置彈簧的預緊力進一步調整上、下拔稈輥對秸稈的拉力,保證作業期間機具運行的可靠性與穩定性。

1.3 主要技術指標

橫臥輥式棉秸稈起拔收獲機主要參數如表1所示。

表1 主要技術參數

2 主要部件的結構設計

2.1 撥禾鏈耙

撥禾鏈耙的作用是與擋禾板共同將地表中直立的棉秸稈上端撥向拔稈裝置,其結構如圖2所示。帶動撥禾鏈耙逆時針轉動的3個鏈輪呈三角形分布于3個輪軸上,作用是保證作業時撥禾鏈耙始終處于張緊狀態,確保撥禾鏈耙可靠運行。撥禾桿均勻分布在鏈耙上,撥禾桿排列間距d的大小對拔桿有直接影響:若間距d過小,可以提高拔凈率,但容易造成棉秸稈分過多批次進入拔稈裝置影響拔桿作業,增大拔稈裝置故障率;若間距d過大,單個撥禾桿負責的棉秸稈增多,因棉秸稈田間分布及高低不同會導致在撥禾輸送過程中棉秸稈從撥禾桿上掙脫,造成漏拔。根據棉秸稈田間分布及高低不同,兩撥禾桿的間距d=180mm。

1.上撥禾輪軸 2.撥禾桿 3.下撥禾輪軸

2.2 拔桿裝置

拔稈裝置設在撥禾鏈耙后側下端,由上拔稈輥、下拔稈輥和壓緊裝置組成,如圖3所示。

1.上拔稈輥 2.壓緊裝置 3.下拔稈輥

其中,下拔稈輥固定在機架上 ,壓緊裝置設在上拔稈輥兩端,在壓緊裝置彈簧預緊力的作用下,上拔稈輥緊壓在下拔稈輥上側。拔稈裝置的作用是將撥禾鏈耙撥送的倒伏棉秸稈頂端喂入上拔稈輥和下拔稈輥之間,由于上、下拔稈輥進行相對轉動,棉秸稈不斷被拉進上、下拔稈輥之間,直至棉秸稈從土壤中連根拔出,拔出的棉秸稈被上、下拔稈輥拋送至輸送裝置。上、下拔稈輥起拔地表棉秸稈所需的起拔力取決于拔稈輥直徑D、對輥間隙h、拔稈輥轉速n。拔稈輥直徑的大小直接影響棉秸稈的起拔效果,若直徑過大,棉秸稈起拔能力增強,但功耗增大;若直徑過小,起拔力減小無法起拔棉秸稈。在保證拔稈輥能順利將撥禾鏈耙喂入的棉秸稈起拔出地表的情況下,拔稈輥的直徑D與撥禾桿的排列間距d有關。

結合田間試驗,為滿足拔稈裝置對棉秸稈的整株拔起和整株回收的作業要求,對輥間隙h=5mm、拔稈輥直徑D=180mm時拔稈效果最優。

2.3 拔桿轉速

通過實地調研分析,新疆地區棉秸稈生長的平均高度為900mm,設計撥禾鏈耙最高點離地1 100mm,最低點離地100mm。工作時,為保證棉秸稈有序輸送至拔桿輥處,同時拔桿輥能將撥禾鏈輸送的棉秸稈及時拔出,同時不產生秸稈堆積現象以保證作業質量,撥禾鏈傳送速度V1及拔桿輥轉速V2必須與機具前進速度V3相匹配,如圖4所示。

圖4 機具工作示意圖

相關速度設計為

(1)

(2)

V1=LBB'/Δt

(3)

V2=LAB/Δt

(4)

V3=LAA'/Δt

(5)

式中V1—撥禾鏈條線速度(m/s);

V2—撥輥線速度(m/s);

V3—機具前進速度(m/s);

Δt—作業時間(s);

θ—撥禾鏈傾角(rad)。

按照作業要求,則有

拖拉機以時速5 km行駛作業,撥禾鏈傳送速度V1設計為2.5 m/s, 拔稈輥轉速V2設計為12.5 m/s。

3 工作過程分析

3.1 撥禾鏈耙分析

作業時,撥禾鏈耙做逆時針旋轉運動,各撥禾桿與擋禾板共同作用,將地表中直立的棉秸稈頂端撥向拔稈裝置。從開始撥動到撥入拔稈裝置,撥禾鏈耙的整個工作過程如圖5所示。設參考點為A點,固定在A點的棉秸稈開始時與地面垂直,隨著機具不斷前進及撥禾鏈耙的運動,棉秸稈的倒伏角逐漸減小。當撥禾桿運動到下撥禾輪鏈條最低點時,棉秸稈被喂入拔稈裝置,以作業機具為參考系,A點為坐標原點建立棉稈上端B點軌跡方式。

圖5 撥桿工作過程分析圖

作業開始時,棉秸稈開始被撥禾桿撥動,B點軌跡方程為

(6)

式中LAB—棉莖稈長度(m);

t—作業時間(s);

V1—撥禾鏈線速度(m/s);

θ—撥禾鏈傾角(rad)。

棉秸稈上端B點由撥禾鏈耙撥至C點時,棉秸稈開始進入喂入狀態,B點軌跡方程為

(7)

其中

(8)

式中LAB—棉莖稈長度(m);

t—時間(s);

V—機具行駛速度(m/s)。

3.2 拔桿分析

作業時,被撥禾桿所撥動的棉秸稈隨著撥禾鏈運動逐漸產生倒伏,棉秸稈在倒伏狀態下對拔桿較為有利。當撥禾桿轉過下輪軸時,撥禾桿失去撥禾作用,倒伏棉秸稈被撥入拔桿裝置,如圖6所示。

圖6 拔桿受力分析圖

當棉秸稈上端O點到達上、下滾筒切點時,受到上、下滾筒切向擠壓力FN、FN′的作用,被進一步加緊,隨著上、下拔稈輥繼續進行相對旋轉運動,拔稈裝置依靠摩擦力Ff將倒伏棉秸稈拔出。

由圖6可知:以一定角度起拔棉秸稈,棉秸稈僅有一側根系受到拉力,隨著起拔過程進行,受拉根系將逐步增加并與土壤逐步分離。此時,棉秸稈起拔過程中與土壤同時作用的根系數量比沿垂直方向起拔的少,因此棉秸稈倒伏角度α減小,起拔力減少。但是倒伏角度α若過小,將增加水平方向阻力,起拔阻力也增加。經田間試驗得知,最佳起拔角度δ=30°。

4 田間試驗

試驗于2018年4月在新疆瑪納斯縣收獲后的棉田進行,試驗裝置安裝在自制的機架上。棉田采用寬窄行密植種植模式(660+100)mm,地面平整,土壤含水率為18%,地膜與滴灌帶已回收,兩邊覆土厚度為25～35mm,動力由約翰迪爾5-750拖拉機提供。考慮到棉秸稈起拔效率和實際經濟效益的問題,機組作業速度5km/h,試驗場景如圖7所示,實驗結果如表2所示。

圖7 田間試驗

根據田間試驗實際情況對機具確定試驗指標,采取棉秸稈回收率為主要參數進行現場測試。田間隨機選取5個試驗區進行試驗,每個試驗區長度為50m,寬度為2.3m,每個試驗區隨機選取5個點作為檢測點,每個檢測點長度為5m。

表2 試驗結果

續表2

棉秸稈回收率可由下式得出,即

(9)

式中η—棉秸稈回收率;

M1—各檢測點試驗前棉秸稈株數(株);

M2—各檢測點試驗后棉秸稈株數(株)。

由表2可知:通過統計,起拔收獲機的平均棉秸稈回收率達到95.43%。

5 結論

1)橫臥輥式棉秸稈起拔收獲機采用對輥起拔原理回收棉秸稈,作業時由傳動系統帶動撥禾鏈耙轉動,將棉秸稈撥入對輥中整株起拔,并由圓捆打捆裝置打包實現棉秸稈回收。

2)作業時,撥禾鏈耙的線速度大于機組作業速度,使得棉秸稈頂端有序進入拔桿裝置,進而實現棉秸稈整株起拔,避免作業時出現棉秸稈等待或者未撥入現象。

3)對于棉花收獲后當年的棉秸稈,在機具作業速度5km/h、棉秸稈起拔角度為30°、撥禾鏈耙最低線速度2.5m/s、拔桿輥最低轉速236r/min的條件下,棉秸稈回收率達到95.43%。