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三维SW 7张CAD高清图纸及说明书 NJ系列 便携式 采棉机 设计 棉花 采摘 手持 三维 SW CAD 图纸 说明书 NJ 系列

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内容简介：

本科生毕业设计开题报告书题 目 学生姓名 学 号 专业班级 指导老师 年 月 日设计题目设计便携式采棉机课题目的、意义及相关研究动态：我国是一个农业大国,但目前主要以传统农业为主,仍存在着生产结构不合理、生产规模小、技术落后等缺点。随着全球经济一体化进程不断加快,以及科学技术的发展,我国农业发展也进入了一个关键时期,农业将在更大范围和更深层次上参与国际竞争。我国农业只有加快现代化进程,才能在国际竞争中立于不败之地。要想实现农业现代化,必须加强农业机械化建设, 提高机械化的综合水平,从而提高劳动生产率,降低生产成本, 提高产品质量,使我国农产品在国际市场上具有竞争力。20 世纪80年代以来，我国已成为世界上棉花生产的大国，种植面积稳定在 533.33万公顷左右，皮棉产量达到 580 万吨。 其中，长江、黄河和西新疆棉区是我国棉花3大优势产区，其面积和产量分别占全国的97.5%和98.2%年采棉季节除动员学生、干部一起参加抢收外，还要从外省雇佣数十万劳动力抢收棉花1。我国最大的商品棉基地新疆， 每仅人工费用就高达8亿元，且往往因劳动力不足延长了采棉期，影响了棉花的质量，妨碍了秋耕灌溉和来年的春耕生产。在棉花收获中采用机械化作业，实现棉花采摘的自动化和智能化，是解决上述问题的最佳方案。研究和开发机械化采棉技术对解放劳动力、提高劳动生产效率、降低生产成本、保证新鲜棉花品质等方面都有着重要的意义。常德是湖南省的棉花产业基地,但由于棉花收获机械没有全面推广,许多棉农仍然采用手工的方法进行剥桃净棉, 生产率低, 严重浪费了劳动力资源。因此, 为了使棉农能获得更大的经济效益, 研制简便、低廉的采棉机就十分重要。而本文设计的新型棉花采摘机就能实现上述的这些功能，具有十分重大的现实意义2。美国是最早开始从事棉花采摘机试验研究的国家，其工作可以追溯到1850年；但到1949年，棉花收获机械化的作业面积仅达到当时棉花种植面积 6%。这期间许多人试验了不同的方法来进行棉花采摘，具体包括采用真空吸力抽吸棉花，采用静电吸力采摘棉花，采用机械收割型将棉花整棵切断再将纤维分离，采用采摘型机器人直接对棉花进行采摘等。到了1970 年，美国棉花收获机械化程度达到95%，居世界第一位。美国生产的两种真空抽3。原苏联也从1924年开始开展了机械化采棉的研制工作，目前棉花较集中的乌兹别克共和国机械采棉率达 90%以上。吸式采棉机我国除了引进国外先进采棉机械外，我国也大力开展了自主研发工作。1996 年，自走式采棉机研制被列入国家科技部“九五”重点科技攻关项目1，从此我国开始正式进行国家级棉花采摘收货的研究。然而，应当指出的是，直到目前为止，尽管该项目得到国家财政的大力支持，但是其产业化效果并不理想。采棉机在推广使用中存在的困难，概括起来主4个方面：一是机采棉的质量不高，含杂质较多，二是交花时，被扣除的杂质比例太高； 三是使用机采作业成本过高；四是用人工采棉的标准来评定机采棉的等级 造成棉农收入下降5。课题的主要内容、创新之处： 课题的主要内容是：完成整个采棉机的结构设计，画出其原理图，装配图，零件图，自行设计其尺寸。由于传统的手持式采摘机包括其后部内装有电机的管状壳体，在壳体的前端和后端平行设有链轮，捡棉链条通过前端和后端的链轮连接在一起，驱动装置通过驱动采棉链轮来带动采棉链条转动来进行棉花采摘。这种手持采棉机长时间工作后棉花会缠绕在前端链轮和后端链轮上，导致链条拉紧，转速减慢，载荷加重，电机发热导致电机线圈烧毁而无法工作6。本毕业设计目的在于提供一种新型的便携式手持采棉机。结构简单，重量轻，工作稳定正常工作， 能够克服现有技术设计的缺陷。 为达到上述目的， 其创新之处具体如下： 便携式手持采棉机，包括带有手柄且左右对称的壳体，手柄的底端面设有连接电机的软轴螺母，软轴螺母和传动装置连接，传动装置和采摘装置连接传动，其特征在于：所述的采摘装置设置于壳体前端采棉口处和中间部之间，所述的采摘装置设有主动捡棉输送带轮、向下延伸突出两轴线的输送带凸出传动轮和从动捡棉输送带轮形成三角形排列设置，主动捡棉输送带轮、输送带凸出传动轮和从动捡棉输送带轮的侧缘端设有防缠挡板，捡棉输送带为同轴环绕覆盖在主动捡棉输送带轮、 输送带凸出传动轮和从动捡棉输送带轮之间的外缘部连接在一起，所述的捡棉输送带的外缘部均布地设置捡棉勾齿组合，设置于捡棉勾齿侧面的卸棉装置均布地安装在捡棉输送带外缘部上，所述的捡棉输送带的左右两侧边缘部与落棉口上方内侧壁紧密接触。研究方法、设计方案：深入研究国内外现有果实采摘机，主要以棉花采摘机为例， 并借助图书馆和互连网获取相关资料和信息,分析总结资料 确定棉花采摘机总体设计方案。按照棉花采摘机的特点和棉花的性质，利用计算机进行绘图和机构分析，优化结构参数。设计方案：一种带有手柄且左右对称的壳体、手柄的底端面设有连接电机软轴的传动装置和壳体中间部采摘装置连接传动，其特征在于壳体的前端采棉口处和中间部横向平行地设置采摘装置的从动输送带轮、向下延伸突出两轴线的凸出传动轮和主动捡棉输送带轮，捡棉输送带为同轴环绕覆盖在从动捡棉输送带轮、输送带凸出传动轮和主动捡棉输送带轮的外 缘端，捡棉输送带的外缘部上均布设置安装向外延伸的捡棉勾齿的贯通孔，设置于捡棉勾齿侧面的卸棉装置均布地安装在捡棉输送带的外缘部的贯通孔上，主动捡棉输送带、凸出传动轮、从动捡棉输送带的外侧面设有防缠挡板。动力传输室和采棉室密封隔离 11。完成期限和预期进度：毕业设计课题调研阶段：（第12周）：课题调研及文献检索、完成英文翻译。 毕业设计开题报告阶段：（第34周）：完成开题报告。 毕业设计主要工作阶段：（第512周）：（1）完成总体规划。（第56周）（2）完成方案设计。（第7周）（3）产品详细设计，输出产品装配图及零件图。（第810周）（4）完成设计说明书的撰写工作。（第1112周） 毕业设计答辩阶段：（第1315周）主要参考资料：1Holley, Donald.Mechanical Cotton Picker.EH.Net Encyclopedia, edited by Rob ertWhaplesEB/OL.2003-07-13.Cottonpicker.2陈欣成.农垦农机化工作与农机更新换代的一些思路J.农村机械化, 1998(3) : 21-223任丰兰.基于PRO/E的新型棉花采摘机的设计J农机化研究，2012, 34(7) ：93964黄顶元.新疆机械采棉发展概况及必要性J.农村科技, 2005(5): 51.5沈家涛.新疆兵团机采棉技术推广存在的问题及原因分析J.中国棉花2005, 32(3) : 42-43.6徐思兵.机采棉加工工艺的推广与使用J.中国棉花加工, 2007, (2) :30-32.11Aono.CPX420Cotton pickerServiceManual(Book4) K .U.S.AChassis.Rac6 -16840.CNH AmericaLLCPrinted, 2005.12陈永毅.我国棉花收获机械化的回顾与展望 J .农业机械, 2000(7):14 -15.13王学农,陈发.9976新型六行采棉机结构分析及应用 J .农业机械学报, 1998, 29(8):130 -134.指导教师意见： 签名： 年 月 日开 题 报 告 会 纪 要时 间地 点与会人员姓 名职务（职称）姓 名职务（职称）姓 名职务（职称）会议记录摘要：会议主持人：记 录 人：年 月 日教研室意见教研室主任签名： 年 月 日毕业论文（设计）题 目 棉花采摘头设计 学 院 机械工程学院 专 业 机械设计制造及其自动化 年级 XXX级学生姓名 XXX 学 号 XXXXXXXXX 指导教师 XXX 1 棉花采摘头设计机械设计及其自动化学生 指导老师【摘 要】棉花生产己经成为新疆农业中得支柱产业，近年来，由于劳动力短缺，劳动力价格不断提高，使用采棉机进行棉花的采收符合新疆棉花生产的现状。滚筒式采棉机是一种统收式的采棉机，在采摘头摘锭结构设计上较为新颖。在农业机械的研究过程中，试验台是一种应用广泛的试验设备。采用试验台对滚筒式采棉机进行研究，有效的避免了田间不确定因素对采摘头试验结果的影响，有利于对采摘头的采摘效果进行定量研究。采摘头是采棉机的关键部件，本文基于采摘试验台，通过试验方法对采棉机采摘头的采收性能进行研允，通过对数据的处理分析采摘头参数对采摘性能的影响规律，完成对采摘头土;作参数的优化。本文的主要研究内容如下:1通过对采摘头工作原理进行分析 从理论上研究摘锭机滚筒的运动规律，并结合Adams软件对摘锭的运动进行模拟分析，应用sQlidwarks的有限a t分析模块对摘锭的受力进行了模拟分析，为摘锭的设计制造奠定理论基础。2设计制造采摘试验台 （1）采集棉株样本，应用minitab软件分析棉桃在棉株上的分布规律，确定采摘滚筒的尺寸参数，同时对K值及滚筒倾角rx及两滚筒,_.f距D等重要参数进行研究。 （2）设计试验台的输送系统、传动系统、电气控制系统等主要部分，完成主要设备的选型。对风送系统的进行了理论分析，结合采摘头工作过程完成风送系统的设计。 （3）应用V软件进行数据采集系统的设计，实现对试验台输送系统及传动系统的扭矩、功率及转速的数据采集，通过分析采收过程中的扭矩、功率及转速曲线分析，研究采摘头的土作状况。（4）应用so! idrorks软件完成试验台的三维建模井进行千涉检验，为试验台的实际装配提供参考，对关键部件的运动及受力情况进行了模拟分析。（5）通过性能测试试验对试验台性能进行测试，分析试验过程中所采集数据存在的误差，对试验台的性能进行检验。 3试验研究 进行采摘锭材料单因素试验，分析采摘锭材料对采收效果的影响，为后续试验奠定基石出。 进行采摘头运动参数与摘锭材料正交试验，确定采收参数的最有组合井分析各试验因素对试验指标的影响。 根据正交试验结果进行田间试验，试验结果:采净率大于95.20!0 ,含杂率小于25 %。 本文研究结果为采摘头的设计提供指泞意义，在采摘头的后续研究提供理论依据和科学指导。【关键词】采摘头，试验台，虚拟设计，试验研究，田间试验 目 录绪论5第1章 引言.5一、课题背景及研究意义.5二、国内外研究现状及发展趋势.7三、研究内容.15第二章试验装置的设计.16一、摘锭运动分析.16二、摘锭运动理论分析17三、摘锭运动轨迹仿真分析.18四、采摘锭的受力分析20第三章试验因素的单因素分析.22一、试验仪器设备与材料.22二、采样方法与测定指标.23三、试验目的.23第四章采收参数的优选及田间试验.24一、采摘头设计参数和摘锭材料试验研究.24二、田间试验.253、 采样方法.25四、试验结果分析.27第5章 结论与展望.271、 主要结论.27二、展望.28参考文献.29致谢.31绪论 大家都知道我们身上穿的各种衣物绝大多数都源于棉花，棉花能制成各种织物包括高级布料、棉纱和针织品，它既是最重要的纤维作物，又是重要的油料作物，也是含高蛋白的粮食作物，棉花对我们的生活有着非常重要的价值，棉花也是世界上最主要的农作物之一。因此对棉花的产量也便有了要求。第1章 引言一、课题背景及研究意义 新疆是我国最大的优质棉种植区。新疆地区棉花的单产、总产、国内销售量以及出口量连续多年在全国位居首位。棉花生产己经成为了新疆农业中的支柱性产业。新疆有实现棉花全程机械化的优越条件即人均种植而积大，拥有大而积高产连片一棉田和国家及政府相关政策及经济支持等。日前新疆棉花采收己基本达到机械化水平，但是新疆棉花的采收仍然以手工采收为主，近年来，随着从内地组织劳力采棉难度加大，同时劳动力价格的不断上涨新疆各棉花生产区都存在着不同程度的人力不足现象，棉花不能及时采摘。棉花采收已经成为了新疆棉花产业发展中巫待突破的“瓶颈”。采棉机的应用推广成为了新疆棉花生产的必然趋势。实施和推广机械采棉技术，能够把广大农止从繁重的体力劳动中解放出来，分流转移到二、三产业中去，对于农业增效、农民增收、切实解决“三农一问题，对建设社会主义新农村具有重要现实意义。采棉机采摘头根据工作原理及采收特点，可以分成选收机(摘锭有选择的采收)和统收机(摘锭无选择性的采收)2类。其中选收机中，具有代表性的是垂直摘锭采棉机(spindle harvester )和水平摘锭采棉机。统收机主要有滚筒结构(brush-roll stripper)和指杆结构(timerstripper )采棉机。选收式采棉机具有采净率高、含杂率低、机器适应性好等优点，但是该类机型的结构复杂，加工制造困难，制造成本高，收获成本大，这些问题限制了其大规模的推广。统收采棉机的结构相对简单，采收效率和采净率较高，收获成本较低。 目前使用的采棉机主要是以水平摘锭采棉机为主的选收机，这种采棉机虽然工作可靠、性能稳定，但由于结构复杂，关键部件未能国产化，致使购机成本高、零配件价格高、维修费用高、服务不及时等因素的影响，农民接受不了，大量推广短期内存在一些困难。当前，在美国南部的平原地区有一种采收单行棉花的滚筒式结构采棉机得到广泛的应用，该采棉机的采摘头摘锭由一组倾斜安装的滚筒构成，在滚筒圆周上均匀的安装着毛刷和胶板，这种采棉机的采净率超过95，含杂率在30%左右。经过HV工检测系统(大容量棉纤维快速检测仪器)检测，滚筒式采棉书L采摘下的籽棉品级和水平摘锭采棉机的品级没有明显的差别。统收式采棉机作为选收式采棉机的一种补充，近几年在新疆得到广泛的研究。本项目研究对象胶棒滚筒式采棉机结构简单，土作部件价格低廉，以采棉机关键性能指标采净率、总含杂率作为评价指标，开展对其影响因素的试验研究，综合评价各因素对采摘性能影响程度，达到优化采摘头关键结构及工作参数的目的，对胶棒滚筒式采棉机采摘头的设计其有重要的意义二、国内外研究现状及发展趋势国外选收机研究现状 日前，国外采棉机上的采摘头摘锭形式主要有2种:滚筒式水平摘锭以及垂直摘锭。在美国应用较为广泛的是滚筒式的水平摘锭采棉机，该机型的采摘头主要是由采摘室、水平摘锭采摘滚筒、淋润器、脱棉盘、扶导器、集棉室及传动系筒等部分构成。每组采摘头配两个滚筒，安装前后相对或一侧排列两种方式配置，把摘锭成组的安装在摘锭座管体上而，传动主轴安装在摘锭，每个座管体内安装一套，其作用是带动相应摘锭进行旋转，摘锭座管体总成均匀配置在滚筒圆上，同时在摘锭座管上安装带滚轮的曲拐。采摘滚筒做圆周运动时，滚筒与摘锭座管“公转”，与此同时每组摘锭也在“自转”。上作过程中，由于摘锭座管上的曲拐滚轮嵌入到滚筒上方的浮向槽内，在滚筒旋转时，拐轴滚轮按照其特定的轨道曲线运动，而摘锭座管总成进行摆动一旋转运动，使成组摘锭都在与棉行成直角的状态下进出采摘室，并以适当的角度通过淋润器和脱棉器。采摘室内，摘锭上下、左右的间距一般设计为3Smm，呈正方形方式排列，以包围棉铃，由栅板和挤压板组成采摘室。水平摘锭式采摘部件的特点主要有:摘锭多，布局介理(每组288至48。个)，摘锭与棉铃的接触面积大，采净率达到95 o;适应性强，对棉花株形大、分枝多、结铃较分散的棉株也能达到较高的采净率;水平摘锭工作区域比较宽，对棉株的挤压力小，棉枝、棉叶和铃壳不易被压碎而粘附在棉纤维上，因此，棉花的含杂率在8%以下330垂直摘锭式采棉机和水平摘锭式采棉机的主耍区别在于:垂直摘锭式采棉机的摘锭是垂直安装的，其采棉部件主要由摘锭、垂直摘锭滚筒、脱棉刷辊、扶导器及传动机构等组成。每个采摘头有四个滚筒，安呈前后成对方式排列，每个滚筒上有巧个摘锭，摘锭为圆柱形，侮组l根，摘锭上有4排齿，直径约2IT1II1(长绒棉摘锭3 C)mm) o每对滚筒的相邻摘锭呈交错相间排列，摘锭上端有传动皮带槽轮，在采棉室从外侧团定皮带传动，滚筒旋转方向与摘锭旋转方向相反，摘锭为圆柱形，表面有几条纵槽，棱边上有齿，摘锭齿迎着棉株转动方向进行采棉。每对滚筒之间留有26至30的上作间隙，形成采棉工作区。土作过程中，摘锭用齿钩住开放的棉花纤维，并将其缠绕在摘锭杆上，随后摘锭和脱棉器相遇进入脱棉区。在脱棉区内，摘锭上端槽轮由内侧固定皮带传动从而使摘锭反向转动，使摘锭上的锭齿抛送出籽棉瓣从而实现脱棉。垂直摘锭式采棉部件的主要特点是:棉株被两个滚筒挤压在1至3 mm的采摘间隙中，其结构较水平摘锭式采摘部件简单，容易制造，制造成本低，适宜一于采摘棉铃集中、分枝少而短、株高低于$Omm的棉花。垂直摘锭的有效土作区比较小，棉花的采净率及工作效率较水平摘锭要低1 L7%至15%，采收籽棉含杂率的为8%一16%,落地棉为10%一12%，对棉株损伤较大。总的来说，前苏联的垂直摘锭式采棉打L结构和原理相对来说比较简单，制造方便，成本低廉，采棉作业各项指标较之水平摘锭式采棉机也比较低。而美国的水平摘锭式采棉机结构比较复杂，制造工艺水平要求较高，价格也更昂贵。随着科学技术的不断发展，自上世纪80年代开始，在美国等发达国家，自动及半自动的专用生产设一备及工艺对摘锭等关键部件的生产加上取得了巨大的改进，降低了生产成本，同时也缩短了生产周期。因水平摘锭式采棉机采摘质量更好，土作效率高，在实际生产中应用更为广泛。在国外，通过对各种摘棉器的试验和研究，得出了滚筒式水平摘锭式摘棉器效果最好的结论此外，还有关于气流式采棉机和摘棉铃机的一些研究，但由于这些机型功率损耗大，采收的棉花含杂率高而采棉效率低，至今还没有在生产上进行推广。美国研究现状 梳齿式采棉机与摘锭式采棉机出现于同一时期，由于当时棉花清理加工技术的滞 后，致使梳齿式采棉机发展缓慢，在采棉机市场逐渐以摘锭式采棉机为主。梳齿式采棉 机改变了原有采棉机的采摘台，其结构简单、购置成本及使用维修费用低，无需专门的 配备设施，大大降低了棉花收获成本。 1920年美国最早研制的梳齿式采棉机，是采用马或者骡子拉动的单行木质收获机 械。该结构采用锥形开口。当棉株通过锥形开口时，锥口将棉株上的棉铃连同棉叶、棉 枝撸掉。棉花含杂质较大，严重时杂质占总收获量的50%左右。 20世纪60年代，梳齿式采棉机是为了解决窄行距棉花的机械收获而发展起来的，在 70年代初开始有商品问世，它也可用于一般行距的棉花，机型多数为自走式。其工作原 理为：当机器前进时，梳齿向上穿过棉株，每棵棉株都被强制通过相邻两齿间狭小间隙， 常用间隙为16mm左右，梳齿后端下方的一个小直径翅片滚轮对棉株施加一个向下的的 拉力，使不能通过间隙的棉铃脱离棉株，由梳齿上方的拨棉铃器拨到后面的横置双向螺 旋输送器内；两侧的螺旋输送叶片将摘下的棉铃向中间输送，然后向后经拨送轮送入一 个较短而转速较高的螺旋输送器，由此进入气流输送系统，其中的上升气流将成熟的籽 棉吸走并送入棉箱，较重的未开青铃则从气流中下落，由青铃分离器落入青铃箱或排到 地上 。 20世纪中期，美国研制出多种采摘棉花的机械，其中毛刷滚筒结构和梳齿结构两种 一次性采棉机尤为盛行。毛刷滚筒结构采棉机是由若干毛刷和刮板组成的商业化采棉 机，其在堪萨斯州南部、俄克拉荷马西部等地广泛使用，另外德克萨斯州85%收获的棉 花是采用毛刷滚筒结构采棉机。在梳齿结构采棉机研究上，JohnDeere 公司JD7460 八行自走式采棉机是这方面的代表，该机作业速度06km/h，采净率97%以上。20世纪 70年代JohnDeere公司制造的33型牵引式梳齿式采棉机和International Harvester 公司生 滚筒摘锭式采棉机采摘头结构优化设计 3 产了1076型自走式梳齿式采棉机。 此外，在对一次性采棉机研制的基础上，美国农业技术人员对采棉技术适用条件也 进行了大量研究并在主要植棉区做了对比试验。在德克萨斯州的试验表名，该地区的棉 花品种用摘锭式采棉机的采净率为76%，远不如在其它地区的91%。对毛刷滚筒结构采 棉机采摘棉花质量的研究表明，与水平摘锭相比，使用高精度仪器检测HVI时，在棉花 主纤维和纤维的强度、长度、均匀度等方面，差异并不明显。使用高级纤维信息系统AFIS 检测结构表明，毛刷滚筒结构采棉机收获的皮棉质量劣于摘锭式，主要是由于过多的外 来物质、棉结、不成熟纤维和短纤维。尽管摘锭式采棉机收获的棉花质量更高，但其价 格昂贵，保养困难。 毛刷式滚筒结构采棉机在使用中也暴露出许多问题。采棉机在工作中，连同籽棉一 起，收入了大量杂质(15%25%) 。杂质包括铃壳、枝秆、细杂(叶屑和土渣)。虽然可 以通过采棉机上的清杂装置清除大部分杂质，但是杂质中包含的枝秆在轧花过程中会导 致棉秆皮的脱落，污染皮棉，使其品级降低，给棉农造成损失。研究还表明，机器作业 时，其前进速度高于5km/ h时，籽棉中棉花枝秆和棉株表皮的含量就会增加，导致棉花 品级降低。 在对采棉机械研究的同时，美国和前苏联在20世纪20-50年代对棉花物理机械特性 进行了大量研究。结果表明，对棉花的物理机械特性进行详细地研究是正确设计棉花收 获机的必要条件，是机械收获棉花的理论依据，因为采下的棉花不能够被破坏，如棉籽 破裂、纤维扭曲或扯断等，而棉花的混杂率应力求降低。棉花品种不同，其结构、形态、 机械特性也不同，这就给机械采棉造成各种难易不同的问题 ，而采棉机的发展历史正 是这些问题不断被解决的过程。 尽管梳齿式采棉机结构较摘锭式采棉机简单，价格低廉，使用维修费用低，但仍需 恰当的收获条件，即棉花落叶水平、棉秆的直径、棉株高度和宽度及棉秆含水率等因素， 这些因素决定了合理的机械调整。维持和调整合理的梳齿间距对提高棉花收获效率和保 持棉纤维至关重要。 阿根廷研究现状 据资料显示，作为棉花种植面积大、采棉机械化程度较高的阿根廷从20世纪40年代 就开始了棉花收获机械化技术研究，面向用户为中小规模棉花种植户，采取不对行采摘， 设计理念也迥异于美国等摘锭式采棉机“机械手”概念。2006 年，由阿根廷国家农业 科学院设计、DOLBI公司生产的JAVIYU梳齿式采棉机，是一种新型的棉花采摘机械， 即将籽棉、青铃、枝叶等收回，并自带简易清花设备，可将大部分枝叶分离清选出。 此外，该机结构与美国梳齿式采棉机类似，具有结构简单、造价低的特点。 国内研究现状 棉花是我国的主要经济作物。近几年，我国棉花种植面积稳定在533公顷，我国的棉花主要产区为长江棉区、黄淮棉区和新疆棉区。棉花产量维持在每年400万t的水平。棉花种植的主要作业环节均已实现机械化，但棉花收获目前仍基本由人工采摘。人工采摘棉花是需要弯腰和肢体屈伸的劳动，从劳动强度看，人工采摘是棉花生产中一项劳动强度非常大的农事活动。然而令人遗憾的是，我国棉花收获机械的发展极慢，棉花收获几乎完全由人工完成，少数地区的大型采棉机也多为国外引进。人工采摘不仅劳动强度大，生产效率低，而且生产成本高。显而易见，人工采棉已不能适应棉花生产大发展的需要，加速发展机械化采棉技术，促进棉花生产向全程机械化迈进，是实现棉花生产向“低成本、高效益、外向型、大规模”发展的必由之路。石河子开发区福顺安防电器科技有限责任公司开始研制滚筒式软摘锭采棉机。采棉 机软摘锭，用弹性橡胶材料制做，表面有横向凸起的条纹。其工作原理是：在机器前进 的过程中，棉花经过采摘头前部导棉区受到挤压后进入采棉区，采摘滚筒上的软摘锭对 滚筒摘锭式采棉机采摘头结构优化设计 4 采棉区内部的棉花进行梳刷抽打，利用软摘锭对吐絮棉梳刷抽打过程中制造的离心力， 以及软摘锭对棉纤维的勾挂和橡胶棒的粘附作用，将吐絮棉从棉株上梳刷脱离，脱下的 棉花被甩入采摘头侧面风道，由风力通过采摘头后部的集棉管道输送到集棉箱，实现采收。目前存在的主要问题是：(1) 机器性能不稳定。经过几年的研制，生产了几种样机， 积累了一定的经验，但是由于理论研究不足，使得试制出来的样机性能不稳定，不能实 现持续大面积作业。(2) 试验周期长。由于棉花是一种季节性作物，在新疆自治区内属于 一年一熟，受其生物特性的影响，使得机器下地试验周期长，试验时间短，严重制约了 机器的研制进度。设计棉花采摘机需满足的基本条件：第一，对采摘棉花质量的保证，相比手工采摘棉花时的质量如何，能否符合纺织的要求。第二，采摘的同时不损伤棉珠、青铃等棉花本身的部分。 第三，机型本身是否结构简单、易操作和制造，造价低等优秀的工艺和特性。 中国是世界棉花产量大国也是棉花消费大国，棉花的种植面积可达550万公顷，主要种植区在新疆、山东、湖北、湖南、江苏等地，这些棉花种植区种新疆大面积集中种植和其特殊的天气条件引进了大型的国外棉花采摘机，这些大型采摘机多数都非常昂贵，且对种植本身和地形有一定的要求，难以普及实现棉花收获的机械化。在国内与大型棉花采摘机相比小型棉花采摘机更适合我国棉花种植的基本现状，小型棉花采摘机对地形和种植以及棉珠没有特殊的要求，其适应性强。在我国有90%的棉花为人工采摘，人工采摘劳动强度大，采摘效率低，严重制约了棉花产业的机械化进程。小型棉花采摘机的效率是人工采摘的3-4倍，而且小型采摘机的成本低。 从上世纪5C1年代初开始，新疆的棉花生产机械化开始起步，主要依赖引进前苏联设备技术和设备。1852年，新疆引进4SM型单行和垂直摘锭式CXM-48型两款前苏联采棉机，在1959年又引进双4行采棉机，进行地域适应性试验。但由于在使用采棉机采收时，所采收的棉花含杂率高，采棉机结构复杂，同时没有完善的清花设备，改采棉机未能在实际生产中得到推广口“。1971年兵团根据棉花生产的需要，在农七师重新成立了机器采棉试验研究小组，提出了使用气吸外加机械采摘棉花的设想。由于上作过程中生产效率较低，用来采收的滚筒锯齿会对棉株造成严重的损伤而放弃研究娜。1972至1973年间，新疆生产建设兵团农七师采棉机研制小组在参考国外资料的基础土，对初步的研究结果进一步改进，研制了一种气吸振动式的分次采棉部件，在试验台上进行了b0多次室内试验，取得了较好效果，但是该项研究仅仅是局限在原理性部件的研究阶段，没有进行更深入的改进3 0 1995年，新疆农机化研允所与美国约翰迪尔公司在农二师进行了试验，该试验使用铁牛型拖拉机作为动力，采用双行后悬挂方式，在右侧布置水平摘锭式采摘头，该机一可采收以50+3cm宽窄行为种植模式的棉花。试验表明，机器有比较高的采收性能，但同时对棉株会造成损伤现象，而且采棉部件的尺寸较宽，使得机器的总体布置困难，只能进行隔行采棉，从而造成撞落棉较多。美国相关资料显示，该型号采棉机的采净率可达95%-98%,含杂率低于8%，作业速度可以达到5.fikmh-1 Ea,-4t o 2004年，公司生产出我国第一台贵航M-S型自走式采棉机，并在石河子垦区部分团场进行试采井获得成功。月前这种采棉机已通过国家农机鉴定总站的鉴定，技术指标达到了世界先进水平f-5?l。生产率O.b7- l .Ohrn.h2,采净率为95 %，作业速度5.61-5.77km.h-1，含杂率m on。针对滚筒式软摘锭采棉机各系统的研究，主要对滚筒式软摘锭采摘头进行了研究，介绍了其设计过程;FS4M-2R型采棉机进行了设计，阐述了这种软摘锭采棉机的基本结构和工作原理，介绍了各组成部分的设计，井进行了试验分析【sad叶伟等02009)对采摘物进行输送系统进行了设计，井对风送流场进行了分析;马娟等02010)针对滚筒式采摘头的设计与研究，建立了滚筒的运动方程，讨论了k值和滚筒摘锭材料的选择本文研究的是一种滚筒式结构的采棉机，该采棉机的采摘头摘锭结构比较新颖，是由一对滚筒和在安装在滚筒上的柔性橡胶棒构成。采摘头采摘时，快速旋转的胶棒对成熟的棉铃进行多次梳噜和扫一击，完成对棉花的采摘。该结构可以非常有效的避免一断棉枝和采摘上未成熟的棉铃。这种摘锭的采棉机在国内和国外都未见相关研究报道。通过在新疆地区的试验表明，该机其有很好地采收性能。本课题研究的意.义在于通过搭建试验台架，采用正交试验的试验方法，改变采摘头滚筒的转速、采棉机的行走速度以及采摘头滚筒上的软摘锭排列规律这几个参数，再抽样测量所采棉花的采净率和含杂率，从而确定最佳的采棉机滚筒转速、采棉机行走速度以及摘锭的排列规律;为采棉机采摘头的优化设计提供理沦依据。三、研究内容采摘性能试验台的搭建（1)利用SolidWorks软件设计试验台井建立其三维模型，对其结构进行静、动态干涉检杳，模拟仿真其运动、动力学特性。(2)设计采摘试验台数据采集系统，实现采摘试验台功率、转速、扭矩等数据的采集，开发数据采集系统软件。（3)设计采摘试验台控制系统，实现传送带行走速度、滚筒转速和风机转速的调控。试验研究（1）各试验因素及水平的确定。（2)单因素试验研究，确定各因素对采摘质量(即采净率、总含杂率)影响的显著程度，并考察其对采摘作业消耗功率的影响。(3)多因素试验研究。(4)分析试验数据，再通过试验验证实现采摘头的参数优化。 通过搭建采摘头试验台，采用控制系统实现传送带速度、滚筒转速以及风机转速的调控，利用智能数据采集系统监测试验台的功率、扭矩、转速等数据，研究胶棒滚筒式采棉机采摘头结构参数、土作参数对采摘质量一一采净率、含杂率的影响规律。以期实现对采摘头结构及上作参数的优化，提高胶棒滚筒采棉机采摘质量。研究方法技术路线试验方法（1）总体试验方案（2）各影响因素的单因素及多因素试验研究。（3）试验数据采集 利用数据采集系统采集滚筒转速及传送带速度等数据。 采净率和含杂率进行采摘试验后，依据相关标准，通过采集样本，分别测量采净率和含杂率。 回归方程的拟合使用相关数据处理软件依据试验数据进行回归方程的拟合。 数据分析对试验数据分别进行方差分析、试验参数单因素和多因素影响规律分析。 参数优化依据试验结果进行试验验证，对采摘头参数进行优化。第二章试验装置的设计一、摘锭运动分析 滚筒式采棉机采摘头的摘锭是由一定直径的滚筒和其上按一定形式排列的数百个摘锭组成，工作时，滚筒与地而成一定角度，自下向上对棉株进行打击，棉花在摘锭的韵一击力作用下从棉壳中被带出。摘锭作为采棉机的关键部件，其转速及对棉花的打击力对棉花的采收有重要的影响，对摘锭运动及受力进行分析有重要的意义。图2-1为采摘头结构图。二、摘锭运动理论分析 采棉机土作时，斜置的胶棒滚筒一而旋转，一而随采棉机前进，因此胶棒任意一点运动的绝对运动V是该点绕滚筒回转轴旋转的圆周线速度咋和采棉机作业速度Vm在这一点两种运动在其矢量平而内的合成，其轨迹为该点旋转圆沿前进方向拉伸构成的椭圆柱而_L的螺旋线，其矢量平而为过该点椭圆柱而的切平而。如图2-2所示，图示为采摘头右侧胶棒滚筒，旋转方向顺时针。设胶棒初始位置在Y平而内，胶棒端点A点的参数位移方程 胶棒端点绝对速度的大小v为其中Rr= v是胶棒端点的圆周线速度，令K=Rrl,则式(5)可表示为 K为胶棒端点圆JJ线速度与采棉机作业速度的比值，又称采摘头采摘速比。K的大小对胶棒扫击棉铃的土作角度、运动轨迹及采摘头上作状况有重要的影响。由于滚筒安装角度一般为，300，且当胶棒运动到采摘区水平位置时，此时sinr二一1，式(6)可简化为极位夹角=70。取 al =60。根据公式(12)P0=c/a p1=-m/n p2=(m+n+1-1)/2n由此可算出 计算齿轮传递的力矩査资料可得齿宽系数 d=1査表可得材料的弹性影响系数 ZE =189.8 MP按齿面硬度査得齿轮的接触疲劳强度极限为KHN =550MPa 计算应力循环次数 N = 60njL=1.574xl0 计算接触疲劳许用应力 取失效概率为1%，安全系数 S=1由上可得计算齿轮与齿高之比b/h己知角速度，可以求出圆周速度为模数 齿高 计算载荷系数根据v=9.04m/s , 7级精度，查表的动载系数 按齿根弯曲强度计算因齿轮比符合要求的最小齿轮大很多，固无须弯度强度计算。三、摘锭运动轨迹仿真分析 SolidWork、软件是专门针对机械行业而开发的一款三维CAD软件，它提供非常强大的参数化和基于特征的实体造型技术，在机械设计和模型设计行业都得到了很广泛的使用。能与ADAMS , ANSYS等多款软件良好的结合起来进行建模和仿真。将其应用于产品的开发设计当中，能在产品设计的.甲一期阶段进行虚拟运动仿真从而找出设计可能存在的问题，在提高土作效率的同时，也能够降低产品设计成本，方便人们进行产品信息交流。利用SolidWorks软件及其CDSMDSMotian插件模块制作滚筒摘锭模型及其运动动画，可以真实显现摘锭_L作时的过程和运行状态，在一定程度上反映了滚筒摘锭的真实运动情。 本次仿真的滚筒与地而所成的角度为30i由此应用solidworks运动模块仿真的轨迹及其质心的各运动参数如图2-3所示。根据实际作业的需求取，和时，滚筒取不同转速时的轨迹曲线，如表2-1所示: 由公式K=AcIVz,通过公式转换可知K=2nRJ6flvt，取R= If3mm，如图2-4。在表4-1中:随着速比系数K的增大，摘锭相对于地而轨迹的扣环宽度逐渐增大，当扣环宽度增大时，摘锭对棉桃的有效打击次数逐渐增加。但是当扣环宽度过大时，就会造成对棉株的过度打击，棉叶棉枝等杂质的数量增加造成含杂率上升。在保证采棉机作业质量和生产率的情况下，K值的取值范围一般为5 -12，胶棒滚筒转速在 400!-55d r.mir ,其体大小应由试验确定2.1.4摘锭的速度及加速度四、采摘锭的受力分析 ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS开发，它能与多数CAD软件接口，实现数据的共享和交换，如ProfEngineer, NASTRAN, Aloor, I一DEAS,AutaCAD等，是现代产品设计中的高级CAE土其之一。结构静力分析和结构动力学分析是AN5 YS软件提供的两种分析类型，结构静力分析用来求解外载荷引起的位移、应力和力。静力分析很适合求解惯性和阻尼对结构的影响并不显著的问题。ANSYS程序中的静力分析不仅一可以进行线性分析，而且也可以进行非线性分析，如塑性、蠕变、膨胀、大变形、大应变及接触分析。结构动力学分析用来求解随时间变化的载荷对结构或部件的影响。与静力分析不同，动力分析要考虑随时J变化的力载荷以及它对阻尼和惯性的影响。ANSYS可进行的结构动力学分析类型包括:瞬态动力学分析模态分析、谐波响应分析及随机振动晌应分析。下而是摘锭选择橡胶和尼龙材料时应力分析结果，如下:第三章试验因素的单因素分析一、试验仪器设备与材料试验所需仪器设备:加拿大CPL-M570K CMOS高速相机(拍摄速度5200帧/秒)、南京冉控RIL3bL35L3型扭矩传感器(量程-50 N-m，度-C3.15-1C.25 F S )、南京冉控RK060200型扭矩传感器(量程1200 N- m,精度10.5-11 0IoF S ) , Scout.Pro.SPS402F电子天平(量程bOfl，可读性O.OIg,线性误差1-0.()1g)、变频器、采摘试验台等。 试验工具:镊子、托盘、电子秤、修枝剪、温湿度计等。 试验选用石河子总场种植的棉花品种中棉293，此块棉田采用66cm+ 1 fcm的宽窄行种植模式。二、采样方法与测定指标 试验性能指标:采净率、含杂率(参照农业部发布的中华人民共和国农业行业标准一采棉机机作业质量(NYIT 1133-2(llb)。 本试验选用石河子14fi团种植的棉花，品种为中棉293，此块棉田采用bbcrn+l f3cm的宽窄行种植模式(适应机械化棉花收获)，抽样测量显示棉花平均高度为724mm ,采样时吐絮率大于8()00，脱叶率大于800,籽棉产量3401 kgf亩。 在采收前测定采收区域的棉株数及开裂棉铃总数，计算出开裂棉铃的籽棉总质量。洁理自然落棉及地上枯枝。采收后收集撞落棉、挂枝棉及漏采棉，分别称重。按公式分别计算:式中:f为采净率，%;W:为撞落在地的籽棉重量，收的开裂籽棉质量，g; W:为挂在棉株上的籽棉质量g;I为遗留在铃壳内米被采为开裂棉铃的籽棉总重量，.z摘锭材料的单因素试验分析三、试验目的 为研允摘锭材料对采摘头采收效果的影响，使用单因素试验方法进行试验，对试验结果进行方差分析，为后续研究提供试验依据。方差分析表3-1表所示。第四章采收参数的优选及田间试验一、采摘头设计参数和摘锭材料试验研究试验研究目标 试验日的是考察和分析采摘头滚筒转速、机器作业速度和摘锭材料对采收性能(采净率、含杂率)的影响规律，为进一步研究采摘头的结构参数和性能提供依据。试验仪器设备与材料 试验所需仪器设备:加拿大CPL-M570K CMDS高速相机拍摄速度5200帧/秒)、Scout.Pro.SPSOZF电子火平量程600g，可读性O.OIg,线性误差a-Ul.()1 g )、变频器、采摘试验台等。 试验选用石河子总场种植的棉花品种中棉293，此块棉田采用66cm- l Ocm的宽窄行种植模式。试验设计 正交试验方法在农业机械的研究过程中具有广泛的应用3-。本文采用正交试验方法进行试验，正交试验设计是多因素分析的有力上具770采用正交试验方法，在研究每个因素对试验结果影响情况的同时，还可以得到影响指标的主次因素和已们之间的交互作用关系，从而得到其中的最优水平组合。设计正交试验方案简单方便，但却可以用较少的试验次数得到最多的信息s。正交试验设计使用正交表来安排试验，进行数据分析 正交试验法，由于安排的试验其有较强的代表性，能够较为全而地反映各因素水平对指标影响的大致情祝，因而是最广为应用的一种试验设计方法。本试验采用正交试验设计的方法对采摘头采收性能进行试验研究。 采用正交试验设计安排试验，根据上一章节对采棉机采收效果的影响因素的分析，选取两滚筒转速、作业速度和摘锭材料为三个因素。二、田间试验试验目的本次试验的目的是对采摘头采收参数优化结果进行检验，同时对样机进行性能测试。三、采样方法 取样 随机选取一地块，沿地块长度方向对边的中点线连十字线，把地块化成4块，随机选取对角的2块作为检测样本。 检测点位置 沿检测样本的对角线，从地角算起以1r4, 3r4点处作为测点，确定出4个检测点的位置再加上两个检测样本的焦点。 各监测指标的计算 采收前在检测样本内临近测点的区域内选取5点，每点不少于2m2，测定该区域内所有棉株数及各开裂棉铃数，手工采摘开裂棉铃井称重，计算出开裂棉铃单铃重。求5点的平均值得出检测地平均开裂棉铃的单铃重。沿前进的行程划出一定的长度，使检测而积大于5m2。在采收前1定该区域的棉株数及开裂棉铃总数，计算出开裂棉铃的籽棉总质量。清理自然落棉及地上枯枝。采收后收集撞落棉、挂枝棉及漏采棉，分别称重。试验淮备 (1)试验条件调查:了解所选棉田地势、坡度及土壤类型、行距、地膜覆盖宽度、杂草种类、密度及高度等。 (2)作物调杳:了解棉花的品种、每亩株树、株距、自然高度、倒伏率、最低棵枝高度、每株平均棉桃数，每个棉桃籽棉平均质量，喷洒脱叶剂的时间，脱叶率，棉花n-I率及估测单产等。 (3)作业性能试验:性能试验的主要内容包括机具的主要技术参数及各主要部位的调整数据。 试验过程 试验时间为2011年10月11日。试验地选择石河子总场4分场6连17-2号条田。条田东酉向长800米，东高西低，坡度5-7%o，地形较平坦，而积15亩。天气晴，气温lfl-25 0C，风力小于3级。棉花品种是297-5 0采收前于9月7日喷施脱川一剂，脱叶率90%以上，棉花成熟度0_85 0棉田杂草主要是田旋花、灰黎、野浆果等平均高度40cm 0棉花平均高度61 cm,最高$5cm，最低果枝高度平均18cm试验地符合采棉机的适应范围，其有一定代表性。 试验地和作物调杳:在作业质量测定前进行。在试验区内对角线选取5个测点。测定区确定:在条田长度范围内，上行和一下行各取三个测区，每个测区长5(1m, ,1J区fJ隔1 OOm o测定点确定:在每个测区内取2个测点，每个测点取单行长度4.4rn，测点间隔15mo试验时，设定采棉机的行走速度为2.8kmh- ,采摘滚筒的转速为4DC1 rmir ,滚筒单位长度上安装的摘锭数量为25个。试验开始后，开始测定数据。 采前测试:检测点内自然落地棉全部收尽，称重;并分别记录n-1絮棉，半开棉及青铃个数;记录测定点内棉株数。 采中测试:测试并记录每一测区内的机组作业速度。 采后测试:分别记录挂枝棉、遗留棉、落地棉及未采下的青铃数，计算出采净率和总损失率。 在棉箱内取9个棉样，每个样本取lk，分别送泉水地加上厂、13Z团3和石河子加土厂轧花，样品送石河子纤维检验所和银力棉业纤维检验所测试，杂率。营加上厂。计算出含。四、试验结果分析 试验后的结果分析如下: 采净率达93%以上，总损失率小于3%,含杂率为22.6%。机器的作业速度最高为2.8kmh-1，最低为1.7kmh-1，平均为2.25kmh-1。此时单个采摘头的生产率为1.4亩/小时。第6章 结论与展望一、主要结论 本文结合滚筒式采棉机的采收原理，采用虚拟设计方法，对试验台重要部件进行虚拟分析，完成采摘试验台的设计，虚拟设计方法在采摘试验台的设计其有重要的作用。通过试验方法对影响采摘头上作性能的因素进行分析，采用单因素试验，正交试验，试验优化分析等方法对影响采摘头采摘性能的关键参数进行了优化，试验结果说明采用试验设计的方法对采摘头的上作参数进行优化是切实有效，合理可行的，是研究采摘头上作性能的一个止确的方向。(1)在现有研究的基础上，根据试验要求，设计采摘头采收综合试验台。C2)对机采棉品种巾棉293和48C3)输送带传动系统的设计:设计输送带滚筒直径 =32Cmnz。b棉桃分布做出分析:(4) 通过单因素试验分析摘锭材料对采摘头采收性能的影响:C5)田间试验表明，采棉机的行走速度为2.8km-h- ,采摘滚筒的转速为4C3D r min- ,滚筒单位长度上安装的摘锭数量为25个时，棉花采净率达93%以上，含杂率为22.600 0二、展望 本文使用虚拟设计方法对采摘试验平台的设计提供依据，采用试验方法对影响采棉的重要参数与采摘头的采收效果之间的关系做了相应的研究。然而采棉机采摘头的研究是一个复杂的系统土程，采摘头的采收性能受到诸多因素的影响，采摘头所使用的材料、不断变化的作业环境、不同的作业参数等因素都会对采棉机采摘头的采收效果造成,响。同时对采摘头部分参数所做的埋沦分析还处在起步阶段、计算机虚拟设计在设计中所其的作用也没有充分发挥，试验台的功能也需进一步完善，这些问题在以后的研究中需要进一步深入探讨。主要集中在以下几点。 1)对摘锭的研究主要是在静力学方而，摘锭与棉花的相互作用是一个动态们一击的过程，要准确的分析摘锭与棉花接触时的受力情况，需对摘锭进行动力学分析。 C2)采摘头具