棉花撿拾收獲機的研究與試驗

吳偉成，袁鵬飛，韓靜鴿

（1.河南豪久科技有限公司，河南 許昌 461103；2.許昌職業技術學院，河南 許昌 461103）

我國是世界重要的棉花生產國，據統計2021年棉花總產量573萬噸，位居世界第二。同時，我國還是用棉大國。棉花是紡織工業的主要原料，也是重要的油料作物，是我國產棉區的重要經濟作物之一，在我國國民經濟中占據重要地位，是國家的重要戰略物資[1]。機采籽棉面積逐年擴大，由于天氣原因及不同棉花品種種植農藝要求不同，機采籽棉的采凈率在93%左右[2]，落在地表和殘留棉株上的棉花較多，丟棄則浪費嚴重，手工收獲不僅勞動強度大，且生產成本高，棉農迫切渴求能有一種在機采籽棉收獲后能快速將散落在地表及殘留在棉稈上的棉花撿拾收獲的機具[3-6]。針對這種情況，河南豪久科技有限公司經過多次試驗論證，研制開發了一款可以有效撿拾遺落在地表和棉株上棉花的棉花撿拾收獲機，不僅可以增加農戶經濟收入，而且節約了人工成本，降低了棉農勞動強度。

1 總體結構及工作原理

1.1 總體結構的設計

根據新疆棉花主產區的棉花種植規模與生長高度、土壤特性、土壤承載能力、田塊的大小及形狀、道路狀況等，確定棉花撿拾收獲機為自走式，主要由擊打撿拾機構、輸送攪龍、過橋、駕駛室、發動機、底盤、分離滾筒、送棉風筒、集棉箱等組成[7-8]，如圖1所示。

圖1 棉花撿拾收獲機總體結構圖

為了盡可能提高棉花撿拾率，減輕駕駛員的勞動強度，延長機具的使用壽命，作業速度不宜過高。根據棉花的畝產量、田地大小與平整度確定棉花撿拾收獲機的作業速度為2.0 km/h～5.0 km/h。根據各個部件的試驗數據確定各個部件的所需功率，實踐證明，擊打撿拾機構所需的功率占總功率的30%～40%，啟動時的瞬間功率最大值相當于平均功率的1.5～2倍，其他工作部件的所需功率則變化不大。

行走部分所用的功率（P）與機具前進速度、機具重量以及土壤狀況有關，行走部分所需功率的計算公式如下：

式中，m為機具滿載時的質量（kg）；g為重力加速度，9.8 m/s2；v為機具的作業速度（m/s）；f為滾動阻力系數，取0.15；μ為行走部分的傳動效率系數，取0.9。

為了使機具具有足夠的儲備功率，以保證各種情況下都可以順利工作，發動機的功率按照計算值的1.3倍取值，確定為117.7 kW。

1.2 棉花撿拾收獲機的總體配置

撿拾臺位于機具的正前方，盡可能對稱于機具的中心線，使撿拾臺保持左右平衡，便于棉花能被均勻地送入輸送裝置內。同時撿拾臺靠近驅動輪，以減少機具的整體長度。分離滾筒是機具上體積和重量都較大的部分，會對機具的重心造成很大的影響，所以配置時將其靠近驅動輪，增加機具的穩定性。駕駛室位于中間輸送裝置的正上方，方便駕駛員看清楚作物和田面情況，同時能夠觀察撿拾臺及其傳動部件的工作情況。機具的操縱手柄、調節手柄、監視儀表等位于駕駛員的身前和兩側。棉花撿拾收獲機主要參數如表1 所示。

表1 棉花撿拾收獲機主要參數表

1.3 工作原理

該棉花撿拾收獲機主要由動力系統、行走系統、操縱系統、作業系統四大部分構成。

1）動力系統由柴油發動機提供動力，經傳動系統給各個做工部分提供動力。

2）行走系統由機架、行走機構、操縱系統、變速箱組成。機架是整機的主要骨架，承接機器各個部分的主載體；行走機構包括機架下兩端前橋、后橋，發動機驅動前橋變速箱，帶動前輪行走；變速箱有4個檔位（3個前進檔，1個倒檔，操縱無級變速可在檔位內獲得多個速度）。

3）操縱系統位于駕駛臺上，由行走離合踏板、變檔桿、剎車制動踏板、方向機組成，主離合液壓操作桿、集棉箱側翻液壓操縱桿、無級變速操作桿、撿拾器升降操縱桿、風扇開關、前后燈光開關、手油門、腳油門、工作儀表顯示器和手制動機構是全車的控制中心。

4）作業系統即工作組件，由擊打撿拾滾筒、輸送攪龍、輸送鏈、分離滾筒、風運儲存、集棉箱等構成。①擊打撿拾滾筒又稱撿拾器。撿拾器將散落在地表或殘留在棉稈上的棉花從地上撿起，在攪龍作用下將棉花及少量棉稈等雜物集中至撿拾臺中部輸送器入口，再由輸送器帶動棉花及少量棉稈等雜物向后輸送進入分離滾筒內。②分離滾筒工作原理。分離滾筒是該機一個重要組成部分。其作用是將棉花與棉稈、棉葉分離。撿拾的棉花與稈、葉經輸送裝置輸送到分離滾筒內，在高速旋轉的分離滾筒撥刷作用下，棉花及莖葉隨滾筒做高速旋轉滾動，在離心力作用下，大部分莖葉與棉花分離，并經凹板上的孔排在地表，實現棉花與稈、葉分離。

1.4 工作原理綜述

收獲機大油門勻速前進，擊打撿拾滾筒在高速旋轉的同時，擊打爪將殘留在棉稈上的棉花擊落，與其同步運轉的板帶式撿拾爪，依靠高速旋轉產生的氣流將含有棉稈、棉葉的棉花從地面撿起，經攪龍、輸送裝置輸送至分離滾筒內，棉花于分離滾筒內在分離爪撥動下，隨著滾筒旋轉的離心力與棉稈、棉葉分離開，棉稈、棉葉及其他碎雜物落到地面上；收獲棉花由機械風力輸送到集棉箱內儲存；風力向集棉箱輸送棉花的同時又可分離出棉花中所夾帶的雜質；集棉箱積滿后停車，分別操縱液壓手柄將棉花卸出，這樣就完成了全部作業程序[9]。

2 主要工作部件

2.1 擊打撿拾滾筒（撿拾器）

在擊打撿拾滾筒上，設置有交錯排列的直齒式擊打爪，以及和擊打爪相匹配的板帶式撿拾爪。在同一撿拾器上相鄰兩排的擊打爪和相鄰兩排的撿拾爪同屬交叉排列，同排的擊打爪與撿拾爪屬交替排列。作業時，撿拾器在高速旋轉的同時，擊打爪將殘留在棉稈上的棉花擊落在地，與擊打爪同步運轉的撿拾爪，依靠自身高速旋轉產生的氣流將散落在地表上的棉花從地上撿起。考慮到擊打爪應具備較強的耐磨性、韌性和抗沖擊力，經研究試驗，擊打爪采用彈性好的65Mn鋼材制造，并對其實施淬火處理；撿拾爪是靠旋轉時自身產生的氣流將散落在地表的棉花從地面撿拾起的，而撿拾爪運轉時產生氣流的大小取決于：1）每個撿拾爪的寬；2）撿拾爪工作狀態的回轉直徑、工作轉速等。撿拾爪與擊打爪在滾筒上屬交替排列，撿拾爪的寬度應與相鄰左右兩個擊打爪的間隔距離相適應，裝配后，擊打爪與撿拾爪既不應相互干涉，也不應留有較大間隙。研究小組首先將擊打撿拾爪的工作寬度定為50 mm，經過多次研究試驗和科學計算，撿拾爪工作狀態的回轉直徑、工作轉速分別確定為1 220 mm和400 r/min。嚴謹的科學試驗表明，確定的撿拾爪寬度、撿拾爪工作狀態回轉直徑及工作轉速是切實可行的。

2.2 分離輸送裝置

擊打撿拾滾筒將棉花撿拾向后拋送至螺旋輸送裝置內，螺旋滾筒將棉花向中部集中經二級輸送裝置輸送至分離滾筒；螺旋滾筒底部采用柵格設計，在集中輸送過程中將棉花中夾雜的土及一部分秸稈從柵格中落在地面。

2.3 分離滾筒

分離滾筒是由帶螺旋分離爪的滾筒和柵格瓦板組成，是撿拾機的一個重要組成部分。其作用是將撿拾的棉花與棉稈、棉葉等雜物分離。作業時，分離滾筒在高速旋轉的同時，棉花及雜物在分離爪的撥動作用下，棉花及莖葉隨滾筒做高速旋轉滾動，在離心力作用下，大部分莖葉等雜質與棉花分離后被拋出，并經瓦板上的柵格落在地表，實現棉花與稈、葉分離。質量較輕的棉花則在風力作用下進入集棉箱。

該分離滾筒研究設計的技術關鍵在于：分離滾筒的回轉直徑、工作長度、工作轉速、分離爪的排列方式、滾筒與瓦板的間隙及瓦板上柵格的大小等。分離滾筒直徑越大，棉花在分離滾筒內有良好的翻動空間，有利于分離棉花中夾雜的稈和葉，但分離滾筒直徑過大，會造成棉花撿拾收獲機體積龐大，成本增高；分離滾筒長度決定了軸流喂入的棉花通過滾筒路徑的時間，滾筒越長棉花通過滾筒分選時間長，雜質分離效果越好，但也會使棉絨的損傷越大[10]。分離爪的排列方式及螺旋導程決定了棉花及所含雜物在滾筒內行進路線、速度，及對含雜棉花的損傷程度。因此，經過設計計算，在有限的空間內選用合理分離滾筒的長度、直徑與轉速，最終確定為滾筒直徑為710 mm，轉速為480 r/min，轉動線速度5 m/s，長度為2 000 mm。研究小組將分離爪排列設計為多頭螺旋線弧形。采用低轉速及柵格式瓦板結構。經試驗驗證，在機具作業前進速度范圍2.0 km/h～5.0 km/h時，機具分離效果好，棉絨損傷率低，能完全滿足用戶的使用需求。

3 試驗效果

3.1 作業速度

4MJ-6型棉花撿拾收獲機研制完成后，于2021年10月依據標準Q/HNHJ—2021《棉花撿拾收獲機》在新疆棉花主產區進行作業試驗。試驗地塊平坦、無溝渠；機播種植方式、行距66 cm、株距40 cm。采籽棉機作業后，對20 m測區進行5次試驗，結果如表2所示。根據表2計算出平均作業速度為2.96 km/h，符合設計要求。

表2 作業速度檢測結果

3.2 撿凈率

4MJ-6型棉花撿拾收獲機作業后，在各測區內分別收集田間遺留的籽棉，除雜并稱重計量，結果如表3所示。根據表3計算平均撿凈率為95.62%，符合設計要求。

表3 撿凈率檢測結果

3.3 籽棉含雜率

為測籽棉含雜率，從撿拾收獲機棉箱分層分區中分5次取不少于1 000 g籽棉樣，計量結果如表4所示。根據表4計算籽棉平均含雜率為12.98%，符合設計要求。

表4 含雜率檢測結果

棉花撿拾收獲機作業前后效果如圖2、圖3所示，從圖3中可以看出作業性能良好，并獲得了棉花種植用戶的肯定。

4 結語

棉花撿拾收獲機采用擊打式撿拾滾筒收獲，不對行作業可適應不同棉花種植模式，既能對棉株殘留棉花進行收獲，還能對遺落地表的棉花進行撿拾，撿拾效率高，減少棉花浪費，增加農戶收入。該機目前生產樣機已小批量投放市場交棉農試用，反映良好，表明本機具有良好的適應性和較強的可靠性，其作業指標已滿足農藝要求，具有良好的市場前景，批量投入市場后其經濟效益和社會效益會十分明顯。