對(duì)輥式棉稈起拔裝置的設(shè)計(jì)及試驗(yàn)*

營雨琨，曹肆林，王 敏，盧勇濤

（新疆農(nóng)墾科學(xué)院，新疆 石河子 832000）

0 引言

我國植棉歷史悠久，種植技術(shù)成熟，棉花產(chǎn)量約占世界棉花產(chǎn)量的1/4，是世界上棉花產(chǎn)量和消費(fèi)量最大的國家。但我國對(duì)棉花的主要副產(chǎn)品——棉稈的處理一直處于十分落后的水平[1]。棉根約占棉花植株重量的20%，并且擁有比莖與葉更高的木質(zhì)素含量。國外無論是棉稈還田還是棉稈收獲，均對(duì)棉株根莖一同處理[2]。而國內(nèi)除新疆地區(qū)大部分采用棉稈地上部分粉碎還田外，其他地區(qū)多數(shù)農(nóng)戶仍舊采用手工拔除或焚燒的方式處理，棉稈資源利用率低下，不僅棉根部位完全被浪費(fèi)，同時(shí)大塊棉根腐解困難，嚴(yán)重影響后續(xù)的耕、播等機(jī)耕作業(yè)[3-6]。

目前對(duì)于棉花秸稈的整稈處理，一般還是采用人工手拔的方式，勞動(dòng)強(qiáng)度大，工作效率低，不能大面積、高效率作業(yè)。研究機(jī)械化拔棉稈技術(shù)成為近年來棉花收獲全程機(jī)械化技術(shù)的重點(diǎn)之一。為解決現(xiàn)有的問題，新疆農(nóng)墾科學(xué)院的農(nóng)機(jī)研究人員做了大量的研究試驗(yàn)。郭振華[7]等研制了人字型鏟刀式拔棉稈機(jī)，該機(jī)的特點(diǎn)是無需對(duì)行拔取，拔凈率高，但功率消耗大，棉稈拔斷率高，對(duì)土壤層結(jié)構(gòu)破壞較大；賈健[8]研制了V型齒盤式拔棉稈機(jī)，該機(jī)功耗低，對(duì)土壤層破壞較小，但拔斷率、漏拔率高。從上述文獻(xiàn)看，目前我國拔棉稈機(jī)存在對(duì)土壤結(jié)構(gòu)破壞大、拔凈率低、功耗較大、無法有序放置拔出棉稈等問題。

針對(duì)上述問題，本文通過研究國內(nèi)外資料，分析棉稈起拔過程，提出一種對(duì)輥式棉稈起拔裝置，該裝置通過一對(duì)旋轉(zhuǎn)的輥?zhàn)赢a(chǎn)生向上的起拔力，將加持的棉稈拔出地面，接著使用皮帶加持輸送棉稈，可將棉稈直接運(yùn)送裝箱或運(yùn)送至其他工作部件。該裝置結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，起拔率高，對(duì)開發(fā)新型秸稈全量處理機(jī)械，提高棉稈利用率有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 對(duì)輥式棉花起拔裝置的結(jié)構(gòu)與工作原理

圖1 對(duì)輥式棉花起拔裝置結(jié)構(gòu)示意圖

該裝置結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。該裝置主要由機(jī)架、流量控制閥、液壓油箱、齒輪箱、液壓泵、夾持輸送帶、預(yù)緊力調(diào)節(jié)絲桿、起拔輥?zhàn)雍鸵簤厚R達(dá)組成。起拔輥?zhàn)右粋€(gè)為主動(dòng)輥?zhàn)?，一個(gè)為被動(dòng)輥?zhàn)印Ｖ鲃?dòng)輥?zhàn)拥妮S直接與液壓馬達(dá)相連，由液壓馬達(dá)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)。被動(dòng)輥?zhàn)优c機(jī)架鉸接，通過調(diào)節(jié)預(yù)緊力調(diào)節(jié)絲桿，調(diào)節(jié)主動(dòng)輥?zhàn)雍蛷膭?dòng)輥?zhàn)娱g的擠壓力。夾持輸送帶的2根傳輸皮帶分別位于主動(dòng)輥和被動(dòng)輥的下方，通過多個(gè)皮帶壓緊輪緊緊壓在一起。

該機(jī)構(gòu)使用拖拉機(jī)懸掛，由拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸輸出動(dòng)力帶動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)。機(jī)構(gòu)工作前，先調(diào)節(jié)預(yù)緊力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，將2個(gè)輥?zhàn)又g的預(yù)緊力調(diào)整至合適的范圍。機(jī)構(gòu)工作時(shí)，拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸將動(dòng)力輸送至齒輪箱，齒輪箱帶動(dòng)液壓泵工作。液壓泵將油箱里的油通過流量控制閥泵入液壓馬達(dá)，驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)旋轉(zhuǎn)。液壓馬達(dá)帶動(dòng)起拔輥?zhàn)雍图映州斔蛶н\(yùn)動(dòng)，將棉稈從田間拔起，并由夾持輸送帶送至機(jī)構(gòu)后方。流量控制閥可以控制液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速，從而控制起拔輥?zhàn)拥男D(zhuǎn)速度。

2 對(duì)輥起拔機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

對(duì)輥起拔機(jī)構(gòu)示意圖如圖2所示。一邊輥?zhàn)佑梢簤厚R達(dá)驅(qū)動(dòng)，為主動(dòng)輥?zhàn)樱硪贿呡佔(zhàn)咏柚Σ亮D(zhuǎn)動(dòng)，為被動(dòng)輥?zhàn)?。主?dòng)輥?zhàn)影惭b架固定在機(jī)架上，被動(dòng)輥?zhàn)影惭b架可繞鉸接點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，通過調(diào)節(jié)預(yù)緊力調(diào)節(jié)絲桿上的螺母，可達(dá)到調(diào)節(jié)2個(gè)輥?zhàn)又g壓力的目的，從而保證輥?zhàn)优c棉稈之間的摩擦力足夠大。為平衡起拔力與起拔距離的相對(duì)關(guān)系，并保證后側(cè)棉稈夾持輸送機(jī)構(gòu)有足夠的空間，最終將輥?zhàn)优c地面的夾角設(shè)計(jì)為45°。輥?zhàn)舆x用帶較深紋路的橡膠輪胎，較深的紋路保證了輥?zhàn)优c棉稈之間有較大的摩擦系數(shù)，較軟的材質(zhì)保證了輥?zhàn)优c棉稈有較大的接觸面積。

圖2 對(duì)輥起拔機(jī)構(gòu)示意圖

新疆棉花主要種植模式為66 cm＋10 cm的機(jī)采棉種植模式，為保證起拔輥?zhàn)幽軌蚍湃朊藁ㄐ袃?nèi)，并為下一組對(duì)輥預(yù)留位置，起拔輥?zhàn)拥闹睆綉?yīng)小于33 cm。

設(shè)輥?zhàn)雍穸葹閔，機(jī)構(gòu)工作時(shí)起拔輥?zhàn)訆A持棉稈向上的起拔距離為H，則有

式中：ωR為起拔輥?zhàn)拥霓D(zhuǎn)速，r為起拔輥?zhàn)又睆剑琕m為機(jī)構(gòu)工作時(shí)的前進(jìn)速度。

為了保證工作效率，一般機(jī)構(gòu)工作時(shí)的前進(jìn)速度（Vm）應(yīng)大于1.00 m/s，為保證棉稈被有效起拔，必須保證棉稈被起拔的距離（H）大于7.5 cm，初步試驗(yàn)顯示，輥?zhàn)拥霓D(zhuǎn)速在4～6 rad/s時(shí)起拔率較高，帶入式（2）得h大于等于127 mm。最終，選取直徑為300 mm、厚度150 mm的軟橡膠輥?zhàn)幼鳛槠鸢屋佔(zhàn)印?/p>

3 棉稈夾持輸送機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

夾持輸送機(jī)構(gòu)在整個(gè)裝置中起著至關(guān)重要的作用，它將起拔后的棉稈有序地向后輸送，尾部可連接棉稈收集裝置或棉稈粉碎裝置，從而實(shí)現(xiàn)棉稈的全量處理。夾持輸送機(jī)構(gòu)由帶輪、張緊裝置、傳送皮帶輪等組成，如圖2所示。其中，夾持輸送帶選用軟質(zhì)橡膠材料的異型帶，既能保證足夠的力度將棉稈充分夾持，又不會(huì)將棉稈夾斷。異型帶內(nèi)側(cè)呈等腰梯形的凸起帶嵌入帶輪的輪槽中，可以有效地防止在帶輪連續(xù)工作的時(shí)候，夾持帶脫離帶輪，同時(shí)還起到增大接觸面積、增加摩擦力的作用。

4 田間試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)場地

試驗(yàn)地點(diǎn)為新疆農(nóng)墾科學(xué)院試驗(yàn)場，棉花采用一膜六行68 cm＋8 cm機(jī)采棉種植模式，幅寬為2 280 mm，種植密度約1.5萬株/667 m2，棉稈高度75～100 cm。土壤濕度為18.7%，土壤硬度為22.9 kPa。

4.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

影響該棉稈起拔機(jī)構(gòu)作業(yè)效果的主要因素是機(jī)構(gòu)的前進(jìn)速度（Vm）和輥?zhàn)愚D(zhuǎn)速（ωR），故考查因素為前進(jìn)速度和輥?zhàn)愚D(zhuǎn)速，評(píng)價(jià)指標(biāo)為棉稈的拔凈率。根據(jù)農(nóng)戶可接受的機(jī)器工作效率范圍，設(shè)定棉稈起拔機(jī)構(gòu)的前進(jìn)速度分別為1.20 m/s、1.50 m/s和1.80 m/s；根據(jù)起拔輥?zhàn)愚D(zhuǎn)速的初步試驗(yàn)，設(shè)定其轉(zhuǎn)速分別為 4.0 rad/s、5.5 rad/s和 7.0 rad/s。

4.3 試驗(yàn)方法

4.3.1 機(jī)構(gòu)前進(jìn)速度

設(shè)定測試區(qū)為50 m，在測試區(qū)前后各有10 m的穩(wěn)定區(qū)，拖拉機(jī)懸掛棉稈起拔機(jī)構(gòu)正常作業(yè)，作業(yè)速度在測試區(qū)內(nèi)保持穩(wěn)定，測試機(jī)構(gòu)通過測試區(qū)的時(shí)間，從而計(jì)算出機(jī)構(gòu)通過測試區(qū)的速度。

4.3.2 輥?zhàn)愚D(zhuǎn)速

發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速固定為拖拉機(jī)懸掛棉稈起拔機(jī)構(gòu)正常作業(yè)時(shí)的轉(zhuǎn)速，通過調(diào)節(jié)流量控制閥，調(diào)節(jié)起拔輥?zhàn)愚D(zhuǎn)速，使用轉(zhuǎn)速儀直接測量起拔輥?zhàn)拥霓D(zhuǎn)速。

4.3.3 棉稈拔凈率

棉稈拔凈率為試驗(yàn)中實(shí)際拔出的棉稈根數(shù)與所拔棉稈總根數(shù)的比值。所拔棉稈總根數(shù)通過種植面積推算，試驗(yàn)地點(diǎn)棉花種植密度約為1.5萬株/667 m2，以此推算出50 m單行棉珠數(shù)約為855株。機(jī)構(gòu)作業(yè)后，計(jì)算試驗(yàn)區(qū)域未被拔出的棉稈數(shù)，即可得出棉稈拔凈率。

4.4 結(jié)果與分析

試驗(yàn)結(jié)果如表1所示，主要參數(shù)對(duì)棉稈拔凈率的影響結(jié)果如表2所示。

表1 試驗(yàn)結(jié)果

表2 結(jié)果分析

通過方差分析可知，機(jī)構(gòu)作業(yè)時(shí)的前進(jìn)速度對(duì)棉稈的拔凈率影響顯著，輥?zhàn)愚D(zhuǎn)速對(duì)棉稈拔凈率影響不顯著。綜合上述分析，得出機(jī)構(gòu)的最優(yōu)方案為機(jī)構(gòu)前進(jìn)速度1.20 m/s、起拔輥?zhàn)愚D(zhuǎn)速5.5 rad/s。通過采用最優(yōu)方案反復(fù)多次試驗(yàn)，得出機(jī)構(gòu)工作效率為3 283.2 m2/h，棉稈拔凈率為92.16%。

5 結(jié)論

對(duì)輥式棉稈起拔裝置結(jié)構(gòu)簡單，工作穩(wěn)定，對(duì)土壤層破壞小。在機(jī)構(gòu)前進(jìn)速度為1.20 m/s、輥?zhàn)愚D(zhuǎn)速為5.5 rad/s時(shí)，棉稈拔凈率最高，為92.16%，工作效率為3 283.2 m2/h，省時(shí)省力，能較好的滿足拔稈要求，并可將拔出的棉稈有序鋪排放置，為秸稈全量機(jī)械的起拔裝置提供了一種可行的方式。