夾持輥式棉稈拔取裝置設計與試驗

謝建華 吳仕花 曹肆林,3 張 毅 趙維松 周金豹

(1.新疆農業大學機電工程學院, 烏魯木齊 830052; 2.新疆智能農業裝備重點實驗室, 烏魯木齊 830052;3.新疆農墾科學院機械裝備研究所, 石河子 832000)

0 引言

對棉稈進行整稈收獲可改善由于棉稈粉碎還田造成的土壤環境問題,也是棉稈資源規?；玫囊环N重要方式[1-4]。整稈收獲的棉稈不僅可以增加棉花種植戶收入,還為棉稈的工業化利用提供了便利,在經濟、能源方面具有多重效益[5-8]。

國外的棉稈收獲技術主要以對行收獲為主,難以適應我國棉花種植行距不統一的復雜農藝要求[9]。國內棉稈收獲機械根據收獲原理可以分為鏟切式、齒盤式、帶夾式、齒輥式等幾種類型。賀小偉等[8,10]設計的鏟切式棉稈收獲機收獲棉稈時需要對行,鏟切后的棉稈需要推拔輥輔助完成棉稈整稈拔取,作業過程繁瑣。陳明江等[11]、張佳喜等[12]設計的齒盤式棉稈收獲機容易將棉稈切斷,而且需要對行拔取,不適用于新疆地區寬窄行的棉花種植模式。張佳喜團隊[13-15]設計的帶夾式棉稈收獲機皮帶夾持張緊力不足會出現棉稈漏拔現象,作業過程中容易發生雍堵,影響作業效果。唐遵峰等[16]、張愛民等[17]設計的齒輥式棉稈收獲機在作業時容易纏繞地膜,機具拔稈輥容易被卡死,造成機具性能不穩定,能量消耗增加。

為解決棉稈拔斷率、漏拔率高,機具在作業過程中需對行等問題,根據新疆地區一膜六行棉花種植模式以及棉稈“矮、密、細”的特點[18],本文設計一種適用于自走式棉稈拔取與殘膜回收聯合作業機的夾持輥式棉稈拔取裝置,制作樣機并進行田間試驗,驗證機具作業性能。

1 夾持輥式棉稈拔取裝置結構與工作原理

1.1 裝置結構

夾持輥式棉稈拔取裝置工作部件主要由拔取機構、輸送機構和鏈傳動系統組成,棉稈拔取機構具體包括撥稈輪、上拔稈輥、下拔稈輥,輸送機構主要由輸送鏈板、螺旋輸送器等組成,裝置結構如圖1所示。

圖1 夾持輥式棉稈拔取裝置結構示意圖

1.2 工作原理

夾持輥式棉稈拔取裝置懸掛在自走式棉稈拔取與殘膜回收聯合作業機前方,動力經自走式棉稈拔取粉碎與殘膜回收聯合作業機發動機輸出軸傳遞給撥稈輪,安裝于撥稈輪上的撥稈桿將直立狀態下的棉稈進行撥稈,當撥稈輪轉動到撥稈桿與上拔稈輥凹槽配合的位置時,棉稈被夾持住,撥稈輪與上、下拔稈輥繼續旋轉,棉稈在撥稈桿與上、下拔稈輥之間被夾緊并隨著機具前進逐漸被拔出地面。棉稈拔出后經棉稈輸送機構喂入后方粉碎裝置進行粉碎。

2 主要部件設計

2.1 棉稈拔取機構

棉稈拔取機構是夾持輥式棉稈拔取裝置的重要組成之一,作業性能將會影響棉稈整稈拔取收獲的效果,其結構示意圖如圖2所示。棉稈拔取機構主要由撥稈輪、上拔稈輥、下拔稈輥組成,撥稈輪由左右兩支撐板和周向均勻分布的撥稈桿組成。撥稈桿將待作業的棉稈撥向后方拔稈輥,上拔稈輥上均勻分布有凹槽,可與撥稈桿相互配合將棉稈夾持住,并隨著機具行走對棉稈進行夾持拔取作業。

圖2 棉稈拔取機構結構示意圖

2.1.1撥稈過程分析

棉稈拔取機構在進行撥稈作業時,通過撥稈輪的旋轉帶動撥稈桿對棉稈進行撥稈,撥稈輪的絕對運動為機具的前進運動與撥稈輪自身旋轉運動的合成,撥稈桿接觸棉稈時的運動軌跡如圖3所示。

圖3 撥稈輪工作過程示意圖

以撥稈輪中心軸在地面上的投影點O為坐標原點,機具前進方向為x軸方向,豎直向上方向為y軸方向,建立直角坐標系,設當撥稈桿隨著撥稈輪旋轉開始作業時,棉稈與撥稈輪的運動軌跡相切于點P,棉稈在點P的速度v可以分解為一個水平分速度vx和一個豎直向下的分速度vy,則撥稈桿在點P接觸棉稈時的水平與豎直分速度方程為

(1)

式中vm——機具前進速度,m/s

r1——撥稈桿軸心旋轉半徑,mm

ω1——撥稈輪勻速轉動角速度,rad/s

t——撥桿輪勻速轉動時間,s

設撥稈桿線速度v1與機具前進速度vm之比為λ,則

(2)

從圖3中可以看到,撥稈桿的絕對運動方向為軌跡線的切線方向,當λ≤1時撥稈桿的運動軌跡為不帶有環扣的擺線,絕對運動速度方向沒有水平向后的分速度,不能完成撥稈作業;當λ>1時撥稈桿的運動軌跡為余擺線,在余擺線環扣最長水平橫弦下方時,撥稈桿具有水平向后的分速度,對棉稈起到撥稈作用,當棉稈撥送到上拔稈輥附近靠近上拔稈輥凹槽時,棉稈在撥稈桿與上拔稈輥之間被夾持住,為后續進行棉稈拔取作業提供基礎。因此要想撥稈桿能夠順利將棉稈撥向拔稈輥進行拔取,撥稈桿的線速度v1與機具前進速度vm之比λ應大于1。

撥稈桿豎直插入棉田進行撥桿作業時,其水平方向的分速度為零,即

vx=vm-r1ω1sin(ω1t)=0

(3)

將式(2)代入式(3)有

(4)

從圖3中可以看到

L=H-r1sin(ω1t)

(5)

式中L——棉稈平均高度,mm

H——撥稈輪軸距離地面高度,mm

將式(4)代入式(5)有

(6)

為了使撥稈輪能夠完成撥稈與扶稈功能,撥稈桿在棉稈上的作用位置至關重要,撥稈桿作用于棉稈位置太低時,會出現由于夾持點距離棉稈根部過近,根部還未完全拔出就拔斷現象;撥稈桿作用位置太高時,會使棉稈漏拔數量增多,因此,取撥稈桿作用位置在棉稈的2/3處,則

(7)

式中h——棉稈初始夾持點離地高度,mm

將式(6)代入式(7)化簡可得

(8)

新疆地區棉田采用“寬窄行”的一膜六行種植模式,且棉稈具有“矮、密、細”的特點,根據田間實地調研,新疆地區棉稈高度平均值約為800 mm,在距離棉稈根部300 mm處將棉稈拔出作業效果好,查閱《農業機械設計手冊》[19],選擇撥稈速比λ為1.6,將L、h、λ的值代入式(8)計算得出撥稈桿軸心旋轉半徑r1=444 mm。

將式(2)中的v1代入公式

(9)

計算出撥稈輪轉速n1為

(10)

由式(10)可知撥稈輪轉速與機具前進速度有關,撥稈輪轉速過快,單位時間內撥向拔稈輥的棉稈數量過多,造成棉稈拔取機構雍堵,使棉稈拔取裝置工作效率降低;撥稈輪轉速過慢,撥稈桿的線速度v1與機具前進速度vm之比λ<1,撥稈桿不能將棉稈撥向后方拔稈輥,棉稈漏拔率增加,前期預試驗時機具前進速度vm為0.40～0.80 m/s,代入式(10)可計算出撥稈輪轉速n1為13.77～27.54 r/min。

2.1.2拔稈過程分析

棉稈拔取機構工作過程具體可以分為4個階段:棉稈喂入階段、棉稈夾持階段、棉稈拔取階段、棉稈輸送階段,具體工作過程如圖4所示。

圖4 棉稈拔取機構工作過程示意圖

2.1.2.1棉稈喂入階段

圖4a為棉稈喂入階段,機具在行走過程中,棉稈拔取裝置逐漸靠近棉稈,棉稈受到推力F向機具前進方向彎曲,隨著棉稈拔取機構旋轉,棉稈被喂入撥稈桿與上拔稈輥凹槽之間。

2.1.2.2棉稈夾持階段

圖4b為棉稈夾持階段,撥稈輪與上拔稈輥同方向旋轉,當撥稈桿轉動到撥稈桿軸心與上拔稈輥凹槽中心位于同一條直線時,撥稈桿與上拔稈輥凹槽配合將棉稈夾持住。假設棉稈被夾持部分受力集中于一點,初始夾持角為α,當

f1+f2cosα≥F2sinα

(11)

時,棉稈可被夾持住,由圖4b可知

F1=F2cosα+f2sinα

(12)

將

(13)

代入式(11)、(12)可得

(14)

式中F1——上拔稈輥對棉稈的夾持力,N

F2——撥稈桿對棉稈的夾持力,N

f1——上拔稈輥對棉稈的摩擦力,N

f2——撥稈桿對棉稈的摩擦力,N

μ——棉稈與拔取機構間的摩擦因數

ψ——摩擦角,(°)

由文獻[20]可知秸稈摩擦角ψ為17°～27°,因此α為28°～42°,初始夾持角α過大會使撥稈桿與上拔稈輥凹槽間隙過大不能夾持住棉稈,α過小會因為夾持拔取棉稈時間過短導致棉稈不能從地面完全拔出,考慮到機具作業效果及安裝誤差等因素,確定初始夾持角α為30°。

2.1.2.3棉稈拔取階段

圖4c為棉稈拔取階段,撥稈桿做圓周運動,棉稈在拔取過程中拔取力不斷變化,當撥稈桿轉動到圖示位置時,棉稈被夾持住,通過撥稈桿與上、下拔稈輥相互配合將棉稈拔出地面。棉稈受到的拔取力F6即為向心力F4,則下拔稈輥對棉稈的夾持力F3為

(15)

式中m——棉稈質量,g

棉稈拔出所需要的力來自于棉稈與拔取機構之間的靜摩擦力,大小不斷變化,當棉稈被拔出處于臨界狀態,即土壤阻力在水平方向上的分力等于最大靜摩擦力時,其水平方向受力為

fmax=μ(F2+F3)

(16)

式中fmax——棉稈與拔取機構間最大靜摩擦力,N

聯立式(15)與式(16)有

(17)

由式(11)～(17)可知,當撥稈桿與下拔稈輥間隙一定時,棉稈拔取效果與機具前進速度有關,機具前進速度越大,棉稈受到的向心力越大,棉稈更容易拔出地面,但當機具前進速度過大時,易導致棉稈瞬時受力過大從而出現拔斷現象;機具前進速度過小,最大靜摩擦力小于土壤阻力,棉稈漏拔數量增多,由前期預試驗可得,機具前進速度取值范圍為0.40～0.80 m/s。

設撥稈桿與下拔稈輥間的比壓為p,棉稈被拔出所經過的長度即棉稈根長為K,則棉稈在拔取過程中受到的合力為N=pK,棉稈拔取過程中受到的土壤阻力為F5,則棉稈可以被拔出地面的條件為

F6=μN=μpK>F5

(18)

當棉稈拔取力F6大于土壤阻力F5時,棉稈被拔起。棉稈拔取的實際過程為棉稈拔取力F6克服土壤阻力F5對棉稈做功的過程,拔取力作用時間長短是棉稈能否被拔起的一個重要因素,當棉稈被拔出地面所經過的長度大于等于棉稈受到拔稈輥與撥稈桿夾持作用所經過的弧長,撥稈桿與拔稈輥對棉稈所做的功大于等于棉稈被從地面拔出所需要的功時,可將棉稈從地面拔出,即

(19)

式中t0——開始拔取棉稈時刻,s

t1——拔出棉稈所需時間,s

ω2——上拔稈輥角速度,rad/s

r2——上拔稈輥半徑,mm

棉稈夾持拔取工作過程凹槽邊緣中心點軌跡如圖5所示,以上拔稈輥軸中心為坐標原點O,豎直向上為y軸正方向,沿機具前進方向為x軸正方向,設棉稈在上拔稈輥凹槽內的初始夾持點位于點A,點B為棉稈拔取完成點。

圖5 棉稈夾持拔取過程凹槽邊緣中心點軌跡

則棉稈夾持點的運動軌跡為

(20)

式中r——棉稈夾持點旋轉半徑,mm

設棉稈被夾持住時上拔稈輥軸中心和點A連線OA與豎直方向的夾角,即初始夾持角為α,機具在作業過程中以一定速度勻速行走,不考慮其他因素的影響,棉稈根部完全拔出所用時間為t1,棉稈夾持點經過的角度為2α。撥稈輪線速度v1與上拔稈輥線速度v2相等可保證棉稈在拔取過程中不會產生相對滑移,即

(21)

(22)

式中n2——上拔稈輥轉速,r/min

將式(21)代入式(22)可得

(23)

由式(23)可知,要想使棉稈能夠順利從地面拔出,拔稈效果較好,需要機具前進速度與上拔稈輥轉速相互配合。機具前進速度過小,則上拔稈輥轉速過小,棉稈夾持拔取部件之間不能相互配合拔取棉稈;上拔稈輥轉速過快,拔取時間過短,棉稈無法順利拔出,因此撥稈輪轉速不能過快。根據前期預試驗及田間實地調研,棉稈根長K平均為170 mm,將λ、vm等數據代入式(23)可以計算出上拔稈輥轉速n2為37.60～75.29 r/min。

機具走過一個棉稈株距所用的時間為t3,則t3=I/vm(I為株距),為了使棉稈根部能夠順利被拔出,減少拔斷根數,應滿足t1≤t3,即

(24)

(25)

將式(24)代入式(25)可得

(26)

將機具前進速度vm、棉稈根長K、上拔稈輥轉速n2、株距I代入式(26)可得上拔稈輥半徑r2為 225～451 mm。上拔稈輥半徑過小,則上拔稈輥上的凹槽尺寸過小,撥稈桿不能與上拔稈輥凹槽配合,棉稈拔取作業不能完成;上拔稈輥半徑過大,則推倒棉稈的趨勢增大,棉稈還未進入上拔稈輥凹槽就隨著機具前進作業被壓入輥下造成漏拔、擁堵,因此上拔稈輥半徑取280 mm。

設機具從上拔稈輥中心運動至O1經過的時間,即將棉稈根部完全拔出所用時間為t1,從O運動到O2經過的時間為t2,上拔稈輥上均勻分布有Z個凹槽,則相鄰兩個凹槽的夾角ξ為2π/Z,上拔稈輥每隔ξ夾持拔取棉稈一次,上一個上拔稈輥凹槽從夾持拔取棉稈結束后,經過t2開始下一次棉稈夾持拔取工作,所以t2=2π/(Zω2),由圖5可知

(27)

式中δ——上拔稈輥凹槽與撥稈桿將棉稈夾持住后允許的間隙,mm

為減少機具在作業過程中漏拔棉稈,應使下一個凹槽在夾持棉稈時上一個夾持棉稈的凹槽還未完全脫離棉稈,即存在重合區。當點A與點D重合時達到臨界狀態,此時棉稈不會出現漏拔現象,由此可以得到棉稈不漏拔條件為

LO1O2≥vmt2-vmt1

(28)

將式(27)代入式(28)化簡有

(29)

即

(30)

將式(21)代入式(30)可得

(31)

設棉稈初始被夾持住時,夾持棉稈可允許的間隙δ為20～35 mm,則根據式(27)可計算出棉稈夾持點處的半徑r為154～261 mm,為了使撥稈桿與上拔稈輥凹槽相互配合將棉稈夾持住,設定r為 230 mm,此時δ為30 mm,將r=230 mm、δ=30 mm、r2=280 mm代入式(31)可得Z≥3,即上拔稈輥上均勻分布有3個凹槽。

2.1.2.4棉稈輸送階段

圖4d為棉稈輸送階段,隨著棉稈拔取裝置繼續向前作業,撥稈桿與上拔稈輥凹槽間的配合間隙變大,因棉稈自身具有彈性,隨著撥稈桿與上拔稈輥凹槽間的間隙變大,棉稈依靠自身彈性自動脫離撥稈桿并受到來自上、下拔稈輥的夾持力F1、F3,摩擦力f1、f3,上、下拔稈輥的對輥作用將棉稈輸送到棉稈輸送機構,完成后續棉稈輸送作業。

棉稈在輸送過程的受力分析局部放大圖如圖6所示。

圖6 棉稈輸送過程受力分析

棉稈被輸送到鏈板式棉稈輸送機構時需要滿足條件

f3cosβ+f1cosβ≥F3cosβ+F1cosβ

(32)

式中β——棉稈輸送角,(°)

將

f3=μF3

(33)

代入式(32)可得

μ≥tanβ

(34)

由圖6可知

(35)

式中LEF——EF長度,mm

r4——棉稈半徑,mm

r3——下拔稈輥半徑,mm

將式(34)代入式(35)可得

(36)

棉秸稈與拔稈輥之間摩擦因數μ一般為0.3～0.7[21],新疆地區棉稈半徑為5 mm,將μ=0.41、r4=5 mm代入式(36)可得下拔稈輥半徑r3≥61 mm,從式(34)、(35)可以看出,當下拔稈輥半徑r3增大時,棉稈輸送角會減小,上、下拔稈輥輸送棉稈的能力增加,棉稈會更容易被輸送至后方棉稈輸送機構,因此下拔稈輥半徑設定為80 mm。

棉稈在上、下拔稈輥間輸送時受到壓縮,可用壓縮比η表示對棉稈的壓縮程度,即

(37)

式中D4——棉稈直徑,mm

h0——上、下拔稈輥間隙,mm

當η過小即h0過大時,棉稈與上、下拔稈輥間產生滑動,因此棉稈漏拔數量增多;η過大會使棉稈過度被擠壓從而導致棉稈被壓斷,造成擁堵,下拔稈輥由根圓半徑為80 mm的基軸與均布于其上的撥齒組成,為了使棉稈拔取裝置作業效果較好,降低漏拔率與拔斷率,結合機具實際安裝情況,設計上拔稈輥與下拔稈輥基圓柱之間間隙為10 mm,而位于此間隙之間的撥齒間隙小于棉稈最小直徑,可保證棉稈的有效運輸。

2.2 鏈板式棉稈輸送機構

鏈板式棉稈輸送機構主要是將棉稈拔取機構拔出的棉稈輸送至后方螺旋輸送器,其結構示意圖如圖7所示,主要包括輸送鏈板、輸送鏈條、齒輪、固定板、螺紋緊固件等零部件。

圖7 鏈板式棉稈輸送機構結構示意圖

為了便于將棉稈輸送至螺旋輸送器,防止棉稈在輸送過程中從輸送鏈板滑落,增加對棉稈的輸送能力,固定板等間距交錯安裝在輸送鏈板上。固定板安裝距離過大會降低棉稈輸送效率,過小會使安裝板的數量過多,造成資源浪費,成本增加,結合試驗情況,固定板數量設定為20個,排列間距為300 mm。

棉稈被拔取后,通過上下拔稈輥的對輥作用將棉稈輸送至棉稈輸送鏈板,棉稈在輸送鏈板上的運動為復合運動,速度分析如圖8所示,由圖8可知棉稈運動的絕對速度為機具前進速度與鏈板式輸送速度的合速度,為了保證棉稈能夠輸送至螺旋輸送器不發生擁堵,需要滿足

圖8 棉稈在輸送機構上速度分析

v3≥vm

(38)

式中v3——輸送鏈板線速度,m/s

由圖8可知

(39)

式中v4——機具前進速度與輸送鏈板線速度的合速度,m/s

γ——輸送鏈板絕對速度與水平方向夾角,(°)

k——比例系數

由式(38)和式(39)可知輸送鏈板線速度v3與機具前進速度vm具有一定的比例關系,棉稈與輸送鏈板間存在靜摩擦,輸送角度與摩擦阻力成比例關系,當棉稈輸送速度與水平方向的夾角θ過大時,棉稈輸送鏈板不能將棉稈輸送至后方螺旋輸送器,過小會使棉稈輸送時間過長,影響工作效率,根據文獻[22-24]可知,棉稈的動態休止角范圍為17°～31°,為了使棉稈輸送效果較好,結合各零部件安裝及尺寸要求,設定鏈板式輸送機構傾斜角θ為30°。將θ=30°代入式(39)并進行化簡有

(40)

將式(38)、(39)代入式(40)可得

γ≤75°

(41)

所以棉稈可以在輸送鏈板上被輸送至螺旋輸送器不發生滑落,不產生擁堵時輸送鏈板線速度與機具前進速度的比值k需要滿足1≤k≤1.36,當機具速度為0.40～0.80 m/s時,鏈板輸送速度為0.40～1.08 m/s。

2.3 螺旋輸送器

為了將輸送鏈板上的棉稈輸送至后續棉稈粉碎裝置進行粉碎,結合棉稈粉碎裝置結構尺寸要求和棉稈物理特性,選用結構簡單、運輸效果好的螺旋輸送器。螺旋輸送器主要由旋轉中心軸、螺旋葉片、罩殼組成,在滿足工作強度的情況下,考慮到輕量化和經濟性要求,旋轉空心軸設計為空心管狀。為了防止棉稈在輸送過程中發生堵塞,螺旋輸送器棉稈輸出量應大于輸送鏈板棉稈喂入量。螺旋輸送器棉稈輸送量公式為

(42)

式中Q——棉稈輸送量,t/h

D5——螺旋公稱直徑,mm

S——螺距,mm

n3——螺旋輸送器轉速,r/min

φ——填充系數,取0.2

ρ——棉稈單位容積質量,取0.4 t/m3

ζ——傾斜系數,取1

根據前期田間調研,一膜六行種植模式下,5 m內的棉稈總質量平均為4.9 kg,因此棉稈在單位長度上的質量m1為0.98 kg/m,所以最大棉稈喂入量Qmax為

Qmax=m1vmax

(43)

則螺旋輸送器轉速為

(44)

根據農業機械螺旋輸送標準及實際設計要求,確定螺旋葉片直徑為315 mm,螺距為315 mm,機具最大作業速度為0.80 m/s,則當螺旋輸送器轉速大于等于90 r/min時,可使棉稈輸送效果較好。

3 田間試驗

3.1 試驗條件

為驗證夾持輥式棉稈拔取裝置工作的可靠性與作業性能,確定其最優工作參數,于2021年10月在新疆生產建設兵團進行田間試驗。試驗田長度750 m,寬度50 m,采用寬窄行(660 mm+100 mm)平作種植模式,已經完成棉花收獲、復采等作業,試驗田地勢平坦、無障礙物。試驗田土壤類型為沙壤土,試驗當天環境溫度為13℃,空氣濕度為27%。測得試驗田平均土壤緊實度為4 047.56 kPa,平均土壤含水率為19.8%。夾持輥式棉稈拔取裝置安裝在自走式棉稈拔取與殘膜回收聯合作業機上,試驗儀器包括轉速儀、電子秤、皮尺、秒表、TZS-1K-G型土壤水分測試儀、TJSD-750-2型土壤緊實度測定儀等,田間試驗如圖9所示。

圖9 田間試驗

3.2 試驗因素

通過對棉稈拔取裝置的結構設計及工作原理分析,選取影響棉稈拔取效果的3個因素:機具前進速度、上拔稈輥轉速、機具前進速度與撥稈輪線速度比值(簡稱速比)作為試驗因素。

(1)機具前進速度

進行田間試驗時駕駛員通過調節自走式棉稈拔取粉碎與殘膜回收聯合作業機擋位改變機具前進速度,結合田間實際情況,選取機具前進速度分別為0.47、0.60、0.73 m/s。

(2)上拔稈輥轉速

上拔稈輥轉速通過改變上拔稈輥軸上鏈輪大小實現轉速調整,試驗中保持機具發動機轉速恒定,根據機具實際輸出轉速,實測經鏈傳動系統傳至上拔稈輥的轉速分別為40、48、56 r/min。

(3)速比

上拔稈輥轉速變化通過鏈傳動引起撥稈輪轉速變化,進而影響撥稈輪線速度,速比對棉稈拔取效果有重要影響,過大會使撥稈輪不能將棉稈撥向拔稈輥導致棉稈漏拔率增加,過小會導致棉稈根部還未被拔起就出現棉稈拔斷現象,因此選取速比為0.50、0.60、0.70。

試驗因素編碼如表1所示。

表1 試驗因素編碼

3.3 試驗指標

試驗參照GB/T 8097—2008《收獲機械聯合收割機試驗方法》與GB/T 5262—2008《農業機械設計條件 測定方法的一般規定》規定的試驗方法檢驗夾持輥式棉稈拔取裝置的棉稈拔取效果。試驗地測區長度為50 m,測區前穩定區為30 m,測區后停車區為20 m,寬度為拔稈裝置6倍工作幅寬,按照3個作業速度滿幅作業,每一前進速度為一個試驗工況,共為3個試驗工況,每個工況測定2個行程,測試3個往返行程。采用5點法測定:每點測定1 m×1 m區域內棉稈總株數,計算平均值,記為M0。選取拔斷率Y1、漏拔率Y2為指標,計算方式為

(45)

(46)

式中M1——機具作業后拔斷棉稈數量,株

M2——機具作業后漏拔棉稈數量,株

3.4 試驗方案及結果

試驗采用三因素三水平二次回歸響應面試驗[25],選擇Box-Behnken試驗設計方法,試驗結束后記錄測區內棉稈漏拔的數量和拔斷的數量,根據式(45)和式(46)計算出棉稈拔斷率和棉稈漏拔率,結果如表2所示,X1、X2、X3為因素編碼值。

表2 試驗方案與結果

3.5 試驗結果分析及優化

3.5.1回歸模型建立與檢驗

利用Design-Expert軟件對表2數據進行分析處理,得到棉稈拔斷率、漏拔率的回歸模型,其方差分析結果如表3所示。

表3 回歸模型方差分析

由表3可知,拔斷率Y1、漏拔率Y2的回歸模型P<0.01,說明該模型極顯著;決定系數R2均大于0.97,說明模型可靠,可對97%以上的試驗指標進行擬合。

采用多元回歸擬合的方式對試驗結果進行處理,得到機具前進速度、上拔稈輥轉速、速比對棉稈拔斷率Y1、漏拔率Y2的回歸方程為

(47)

(48)

3.5.2因素對試驗指標影響響應面分析

為了解各因素間的交互作用對棉稈拔斷率Y1、漏拔率Y2的影響,采用Design-Expert得到各因素對拔斷率、漏拔率影響的響應面,如圖10所示。

由圖10a可知,上拔稈輥轉速對棉稈拔斷率的影響比機具前進速度更顯著。當速比為0.60、上拔稈輥轉速固定為40 r/min時,隨著機具前進速度的增加,棉稈拔斷率Y1緩慢上升變化幅度較小,這是因為當機具前進速度增加時,走過一個棉稈株距所用時間減少,小于棉稈根部被拔出所用時間,棉稈拔斷率增加;當機具前進速度固定為0.47 m/s時,隨著上拔稈輥轉速的增加,棉稈拔斷率增加幅度較大,這是因為當上拔稈輥轉速過快時,會使棉稈拔取時間過短,大量棉稈不能被拔出地面,棉稈拔斷率增加。

由圖10b、10c可知,上拔稈輥轉速對棉稈拔斷率的影響比速比更顯著;速比對棉稈漏拔率的影響比上拔稈輥轉速更顯著。當機具前進速度為0.6 m/s、速比固定為0.50時,隨著上拔稈輥轉速增加,棉稈拔斷率變化幅度較大,棉稈漏拔率變化幅度較小,這是因為上拔稈輥轉速過大會導致棉稈還未完全拔出地面機具就繼續向前作業,棉稈拔斷數量增加,拔斷率增加,少量棉稈根部留在田間,棉稈漏拔率增加;當上拔稈輥轉速固定為40 r/min時,隨著速比增加,棉稈拔斷率變化幅度較小,棉稈漏拔率變化幅度較大,這是因為速比增加會使拔取棉稈的時間變短,導致棉稈拔斷率增加,速比過大會導致棉稈拔取機構作業過程中不能形成封閉環線,棉稈漏拔數量增加,棉稈漏拔率增加。

由圖10d可知,速比對棉稈漏拔率的影響比機具前進速度更顯著。當上拔稈輥轉速為48 r/min、速比固定為0.50時,棉稈漏拔率Y2隨著機具前進速度的增加緩慢上升,變化幅度較小,這是因為當機具前進速度增加時,撥稈輪撥向拔稈輥所用時間相對減少,棉稈被夾持住的數量減少,棉稈漏拔率增加;當機具前進速度固定為0.47 m/s時,隨著速比的增加,棉稈漏拔率增加,變化幅度較大,這是因為當速比過大時,撥稈輪的運動軌跡會變成沒有環扣的擺線,不能將棉稈撥向后方拔稈輥,棉稈漏拔率大大增加。

3.5.3參數優化與試驗驗證

為獲得影響夾持輥式棉稈拔取裝置作業效果的最優因素組合,利用Design-Expert軟件對建立的線性回歸模型進行優化,以降低棉稈拔斷率、漏拔率為目標,設置優化模型為

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得到的最優因素組合為:機具前進速度0.58 m/s、上拔稈輥轉速46 r/min、速比0.53,此時棉稈拔斷率為3.53%,漏拔率為4.74%。

為驗證優化后回歸模型的可靠性,考慮到試驗可行性,將以上數據進行規整,以機具前進速度0.60 m/s,上拔稈輥轉速46 r/min,速比0.50,在新疆生產建設兵團進行田間試驗驗證,試驗重復3次,取平均值作為試驗結果。

試驗結果表明,采用以上參數進行田間試驗時的棉稈拔斷率為3.68%,漏拔率為5.19%,田間試驗結果與模型優化值相對誤差不超過5%,滿足設計要求,模型優化可行。

4 結論

(1)針對現有棉稈收獲機械拔斷率、漏拔率高,作業時需對行等問題,設計了一種夾持輥式棉稈拔取裝置。通過對棉稈拔取機構作業過程進行運動學與動力學分析,確定了各部件的結構參數與工作參數。

(2)制作了夾持輥式棉稈拔取裝置,以機具前進速度、上拔稈輥轉速、機具前進速度與撥稈輪線速度比值作為試驗因素,棉稈拔斷率、漏拔率為試驗指標進行田間試驗,試驗結果表明上拔稈輥轉速對棉稈拔斷率的影響比機具前進速度、速比更顯著;速比對棉稈漏拔率的影響比機具前進速度、上拔稈輥轉速更顯著。

(3)對建立的線性回歸模型進行優化,得到的最優因素組合為:機具前進速度0.58 m/s、上拔稈輥轉速46 r/min、速比0.53,此時棉稈拔斷率為3.53%,漏拔率為4.74%。以機具前進速度0.60 m/s,上拔稈輥轉速46 r/min,機具前進速度與撥稈輪速度比為0.50進行田間試驗驗證,得到棉稈拔斷率為3.68%,漏拔率為5.19%,相對誤差不超過5%,模型優化可靠。