3MDZ-18型液力驅(qū)動(dòng)式棉花打頂機(jī)的優(yōu)化與試驗(yàn)

王 健,胡 斌,賈首星,薛星星,李志勇

(1.石河子大學(xué) 機(jī)械電氣工程學(xué)院,新疆 石河子 832000;2.新疆農(nóng)墾科學(xué)院,新疆 石河子 832003;3.石河子市鑫昌盛農(nóng)機(jī)有限公司,新疆 石河子 832099)

0 引言

棉花打頂是棉花植保過程中的重要環(huán)節(jié)[1-2],可以促進(jìn)棉株坐蕾、結(jié)鈴、豐產(chǎn)[3-4]。在推進(jìn)全程全面農(nóng)業(yè)機(jī)械化的背景[5]下,機(jī)械化打頂以其綠色環(huán)保、高效及成本低等特點(diǎn)成為棉花打頂?shù)闹饕芯堪l(fā)展方向[6-8]。

當(dāng)前機(jī)械式棉花打頂機(jī)的研究按刀軸升降驅(qū)動(dòng)方式可分為電機(jī)驅(qū)動(dòng)式和液壓驅(qū)動(dòng)式[8]。前者因電源需求過高、傳動(dòng)方式復(fù)雜、傳動(dòng)鏈較長(zhǎng)等原因尚未得到大面積試驗(yàn)研究與推廣;后者因其液壓能輸入簡(jiǎn)易、傳動(dòng)平穩(wěn)、輸出推力大等特點(diǎn)得到較多的關(guān)注和研究[9-12]。石河子大學(xué)研制的3MDZF-6型垂直升降式單體仿形棉花打頂機(jī)[13]是該類型棉花打頂機(jī)中較為成熟、田間試驗(yàn)反饋較好的試驗(yàn)機(jī),但其在作業(yè)過程中刀軸套管伸縮與油缸升降運(yùn)動(dòng)存在干涉現(xiàn)象,直接導(dǎo)致刀軸震動(dòng)、機(jī)具失穩(wěn)及升降卡死問題。

針對(duì)上述問題,提出了刀軸與液壓油缸豎直彈性連接的解決方案,并設(shè)計(jì)研制了基于非剛性升降系統(tǒng)的3MDZ-18型液力驅(qū)動(dòng)式棉花打頂機(jī),且對(duì)其打頂率和穩(wěn)定性進(jìn)行了田間試驗(yàn)研究。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

整機(jī)由機(jī)架、懸掛架、切割系統(tǒng)、升降系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)和仿形分禾裝置組成,如圖1所示。各部件通過螺栓連接在機(jī)架上,整機(jī)寬幅6.8 m,不可折疊,如圖1所示。

1.機(jī)架 2.懸掛架 3.切割系統(tǒng) 4.升降系統(tǒng) 5.電氣系統(tǒng) 6.仿形分禾裝置圖1 3MDZ-18型液力式棉花打頂機(jī)Fig.1 3MDZ-18 hydraulic cotton topping machine

切割系統(tǒng)位于機(jī)架中后部,包括液壓馬達(dá)、皮帶、中間帶輪、軸承座、刀軸和圓盤割刀等,可將拖拉機(jī)輸出的液壓能轉(zhuǎn)化為液壓馬達(dá)旋轉(zhuǎn)的機(jī)械能。液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)動(dòng)經(jīng)過帶傳動(dòng)進(jìn)行初步降速,再由中間帶輪轉(zhuǎn)遞給刀軸。

升降系統(tǒng)位于機(jī)架后部,主要部件包括三位四通電磁閥與液壓油缸,電磁閥出油口與液壓油缸進(jìn)出油口相連,油缸活塞桿通過4根拉簧與刀軸套筒相連接,如圖2所示。工作時(shí),液壓油缸的伸縮運(yùn)動(dòng)經(jīng)拉簧傳遞給刀軸,實(shí)現(xiàn)割刀的抬升與下降,割刀切割時(shí)產(chǎn)生的震動(dòng)經(jīng)拉簧削弱不會(huì)反饋至液壓油缸。該設(shè)計(jì)打破現(xiàn)有棉花打頂機(jī)升降系統(tǒng)為剛性連接的慣例,解決了刀軸套管伸縮與油缸升降運(yùn)動(dòng)干涉問題,規(guī)避了由此引起的安裝困難、作業(yè)震動(dòng)及卡死等問題。

1.刀軸 2.軸承座 3.拉簧 4.液壓桿圖2 液壓桿、割刀軸同軸彈性連接Fig.2 Coaxial elastic connection of hydraulic rod and cutter shaft

仿形分禾裝置裝配于割刀兩側(cè),包括分禾扶禾板和仿形浮板。打頂機(jī)作業(yè)時(shí),仿形分禾裝置能夠?qū)崿F(xiàn)棉株的分行聚攏、株頂接觸仿形以及輔助支撐切割的功能。

電氣控制系統(tǒng)分布在機(jī)架前部及中部,由蓄電池、接近開關(guān)組成,可實(shí)現(xiàn)棉株高度信號(hào)采集及液壓電磁閥的實(shí)時(shí)控制。

1.2 工作原理

打頂作業(yè)時(shí),將打頂機(jī)升降系統(tǒng)的液壓裝置和切割系統(tǒng)的液壓馬達(dá)分別與拖拉機(jī)液壓系統(tǒng)相連,當(dāng)拖拉機(jī)啟動(dòng)后液壓馬達(dá)隨之轉(zhuǎn)動(dòng),帶動(dòng)刀軸以800 r/min的速度進(jìn)行定速轉(zhuǎn)動(dòng)。

在打頂機(jī)移動(dòng)過程中,分禾扶禾板將棉株分行聚攏,仿形浮板在重力作用下自然垂落在聚攏棉株頂端,仿形浮板連接桿鉸接在機(jī)架上,連接桿隨棉株的高度變化繞鉸接點(diǎn)旋轉(zhuǎn)。

當(dāng)沿打頂機(jī)行走方向棉株高度呈漸低趨勢(shì)時(shí),連接桿順時(shí)針旋轉(zhuǎn),靠近接近開關(guān)B,電信號(hào)傳至電磁閥處,電磁閥動(dòng)作至右位,相應(yīng)油缸回縮,帶動(dòng)刀軸及割刀抬升;當(dāng)沿打頂機(jī)行走方向棉株高度呈漸高趨勢(shì)時(shí),連接桿逆時(shí)針旋轉(zhuǎn),靠近接近開關(guān)A,電信號(hào)傳至電磁閥處,電磁閥動(dòng)作至左位,相應(yīng)油缸伸出,經(jīng)阻尼彈簧帶動(dòng)刀軸及割刀下降;當(dāng)棉株高度保持穩(wěn)定(相鄰棉株高度差約小于50 mm)時(shí),連接桿旋轉(zhuǎn)角度較小,介于接近開關(guān)A與B之間,電磁閥處于中間截止位,油缸原位保持無動(dòng)作,刀軸及割刀高度不變。此過程中,仿形浮板運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖3所示。

圖3 仿形浮板運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖Fig.3 Motion diagram of profiling floating plate

1.3 主要技術(shù)參數(shù)

3MDZ-18型液力驅(qū)動(dòng)式棉花打頂機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 棉花打頂機(jī)主要技術(shù)參數(shù)Table 1 Main technical parameters of cotton topping machine

2 試驗(yàn)研究

2.1 試驗(yàn)條件

2.1.1試驗(yàn)地條件

試驗(yàn)地位于石河子市145團(tuán)七連(44°24′17″ E,85°56′26″ N),地形平坦無坡度,面積約為4666.7m2;前茬作物和供試棉株品種同為中棉087號(hào),種植模式為一膜六行機(jī)采棉模式(660 mm+100mm)。

2.1.2試驗(yàn)儀器

溫濕度計(jì)1把,-20～50℃,10% ～ 90%RH;纖維卷尺1把,0～50000mm;鋼卷尺2把,0～5000 mm;數(shù)字式石英電子秒表2把,0.0001～99999 s。

表2 棉花打頂機(jī)打頂率Table 2 Topping rate of cotton topping machine

2.2 試驗(yàn)內(nèi)容及評(píng)價(jià)指標(biāo)

參考棉花機(jī)械打頂作業(yè)的農(nóng)藝要求及棉花打頂試驗(yàn)研究結(jié)論[14-15],確定本試驗(yàn)樣機(jī)的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)主要為打頂率、打頂長(zhǎng)度合格率和漏打率。試驗(yàn)中,打頂長(zhǎng)度以≥500 mm為合格。試驗(yàn)測(cè)量?jī)?nèi)容為打頂前后棉株頂葉距地高度、打頂后去頂量、去頂數(shù)量和試驗(yàn)區(qū)域棉株總數(shù)。

打頂率的計(jì)算公式為

(1)

其中,Ri為第i組試驗(yàn)區(qū)的打頂率;npi為第i組中去頂棉株的數(shù)量(株);ni為第i組中棉株總數(shù)(株);i為試驗(yàn)組數(shù),取值范圍1～5。

打頂長(zhǎng)度合格率計(jì)算公式為

(2)

其中,Qi為第i組試驗(yàn)中打頂長(zhǎng)度合格率;nqi為第i組中試驗(yàn)中打頂長(zhǎng)度合格的棉花數(shù)量(株)。

2.3 試驗(yàn)方法

在試驗(yàn)田地頭和地尾分別留出5m的調(diào)頭區(qū)域,沿打頂機(jī)前進(jìn)方向選取5個(gè)試驗(yàn)區(qū),每個(gè)試驗(yàn)區(qū)長(zhǎng)8000 mm、寬2200 mm,相鄰試驗(yàn)區(qū)間隔3000 mm,用標(biāo)記物分別標(biāo)記為1、2、3、4、5;將5個(gè)試驗(yàn)區(qū)以地膜為邊界,分別分為3個(gè)小區(qū),并以A、B、C命名;對(duì)每個(gè)試驗(yàn)區(qū)內(nèi)的棉株以五點(diǎn)采樣法采集棉株頂葉距地高度并做標(biāo)記,如圖4所示。

圖4 試驗(yàn)田棉花標(biāo)記示意圖Fig.4 Illustration of Cotton Marking in Test Field

駕駛員駕駛輪式拖拉機(jī)以勻速通過試驗(yàn)區(qū)后,由試驗(yàn)人員對(duì)5個(gè)試驗(yàn)區(qū)內(nèi)棉株的總數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù),并測(cè)量去頂作業(yè)后棉株頂葉距地高度,如圖5所示。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

打頂作業(yè)過程中,整機(jī)工作穩(wěn)定、無突發(fā)性故障。切割系統(tǒng)啟停平緩,切割穩(wěn)定,無棉株切割堵塞刀盤現(xiàn)象,花蕾或棉桃亦無明顯機(jī)械掛落情況;液壓升降系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn),無明顯沖擊和震動(dòng),棉株頂尖切斷性較好,棉株切口形狀如圖6所示。

試驗(yàn)選取第2、3、4、6、8行棉株進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,共采集5個(gè)試驗(yàn)區(qū)內(nèi)的354株棉株。

樣機(jī)田間作業(yè)后,對(duì)試驗(yàn)區(qū)內(nèi)編號(hào)棉株高度進(jìn)行人工測(cè)量,數(shù)據(jù)如表2、表3所示。

表3 棉花打頂機(jī)打頂長(zhǎng)度Table 3 Topping amount of cotton topping machine

由表2可知:打頂機(jī)各試驗(yàn)區(qū)打頂率穩(wěn)定在89%～92%之間,整體打頂率超過90%。這表明,樣機(jī)切割系統(tǒng)、升降系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)各部分獨(dú)立運(yùn)行正常且整機(jī)系統(tǒng)作業(yè)狀態(tài)良好,能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)檢測(cè)、控制和切割的基本工作要求。

由表3可知A膜、C膜的打頂長(zhǎng)度波動(dòng)較大,原因在于打頂機(jī)除懸掛外沒有減震、平衡的裝置,由于地勢(shì)起伏造成的機(jī)架擺動(dòng)直接影響到位于兩側(cè)的打頂單體,導(dǎo)致棉株打頂長(zhǎng)度的波動(dòng)。同時(shí),數(shù)據(jù)表明:試驗(yàn)區(qū)內(nèi)棉株的打頂長(zhǎng)度總體居于20～70mm之間,打頂長(zhǎng)度大于50mm的比例占打頂總數(shù)的65.33%。經(jīng)分析,此現(xiàn)象產(chǎn)生的原因有兩點(diǎn):一是割刀與仿形浮板間垂直距離過小,導(dǎo)致割刀實(shí)際切割位點(diǎn)與棉株頂尖實(shí)際位點(diǎn)距離過短,切割長(zhǎng)度整體偏小;二是打頂機(jī)升降系統(tǒng)的液壓控制部分響應(yīng)較慢,無法滿足拖拉機(jī)行進(jìn)速度下的快速響應(yīng)要求。

4 結(jié)論

1)基于3MDZF-6型棉花打頂機(jī)改進(jìn)設(shè)計(jì)了升降系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),增設(shè)了彈簧阻尼件,消除了刀軸套管伸縮與油缸升降的運(yùn)動(dòng)干涉現(xiàn)象,提高了打頂機(jī)整機(jī)工作的平穩(wěn)性,降低了升降部件的慣性沖擊。

2)經(jīng)過試驗(yàn),該機(jī)各項(xiàng)性能指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)要求,整機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定。當(dāng)前進(jìn)速度為3.45 km/h、液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速為980 r/min時(shí),打頂率達(dá)到90%以上,打頂合格率達(dá)到65.33%以上,打頂長(zhǎng)度合格率為65.33%。為進(jìn)一步提高打頂合格率,可調(diào)節(jié)割刀與仿形浮板間垂直距離,或?qū)Υ蝽敊C(jī)升降系統(tǒng)的液壓部分進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),提高升降油缸的響應(yīng)速度。

3)田間試驗(yàn)表明:打頂機(jī)在工作過程中受地勢(shì)起伏的影響會(huì)產(chǎn)生水平方向搖擺,因打頂機(jī)作業(yè)幅寬較大,這一現(xiàn)象加劇,對(duì)位于打頂機(jī)兩側(cè)的棉株打頂長(zhǎng)度及打頂量的影響較大。這一問題需要通過在機(jī)架上設(shè)置減震、平衡等裝置來解決。