胶棒滚筒棉花采摘头运动参数的运动学分析

胶棒滚筒棉花采摘头运动参数的运动学分析

0胶棒成分配采棉机根据棉纺机的工作原理和特点，棉纺机可分为两种类型：选择收获机（收获头和选择性收获）和统一收获机（不选择性收获头和针头）。其中选收机以水平摘锭采棉机和垂直摘锭采棉机(spindleharvester)为主要代表。而统收机主要有滚筒结构(brush-rollstripper)和指杆结构(fingerstripper)的采棉机。选收采棉机具有采净率高、含杂率低、机器适应性较好的特点,但是机器结构复杂,制造困难,造价高,采收成本大,限制了其大面积的推广。统收采棉机结构简单,采收效率和采净率较高,收获成本低。但收获的籽棉中含有大量的铃壳、断枝及碎叶等杂质。目前在美国南部平原地区广泛采用一种采收单行棉花的滚筒结构采棉机,其采摘头摘锭由一对倾斜安装的滚筒组成,滚筒圆周上等间隔地安装着胶板和毛刷,该机采净率达95%以上,含杂率30%左右。按HVI检测系统(大容量棉纤维快速检测仪器)进行检测,滚筒结构采棉机在采摘下的籽棉品级与水平摘锭采棉机的没有显著差别[9-10]。本文涉及的胶棒滚筒采棉机是一种滚筒结构的采棉机,但在采摘头摘锭结构上较新颖,摘锭是由金属滚筒和在滚筒上安装合理排列的柔性橡胶棒组成。其工作时,旋转的胶棒对成熟棉铃进行打击和梳撸,完成对宽窄行种植模式棉花的采摘。该结构可以有效减小和避免打断棉枝和采摘未成熟棉铃。采用这种摘锭的采棉机国内、外未见相关研究报道。在新疆棉区的试验表明,该机具有较好的采摘性能。1头部结构和工作原则的获取1.1风压机构件组成结构胶棒滚筒采棉机采摘头主要由箱体、导棉板、前送风管、一对胶棒滚筒(由滚筒和胶棒组成)、分动箱、分动大齿轮、立轴锥齿轮传动、前悬挂点、后悬挂点、输棉通道等部件组成,如图1所示。1.2转动的图像点胶棒滚筒采摘头悬挂于牵引式或自走式平台前部随机器前进,并由动力输入轴经分动箱等传动机构驱动一对对滚的与地面成一定角度的胶棒滚筒按转速n转动,如图2所示(视图投影方向为滚筒轴线方向)。进入棉田后,棉花经过采摘头前部的导棉板扶导进入采棉箱内,采摘滚筒上的胶棒在采摘区(图2中a区)对棉株进行不断旋转的梳脱抽打,在柔性胶棒对成熟棉桃的击打、勾挂及胶棒的粘附作用下,将吐絮棉从棉株上梳刷脱离,并利用胶棒高速旋转产生的离心力,在抛离区(图2中b区)将脱下的棉瓢甩入采摘头侧面风道,由前送风管的风力吹至采摘头后部的输棉管道由负压风输送到集棉箱,实现采收。1.3机采棉平台结构设计胶棒滚筒采摘头可挂接于牵引式采棉机和自走式采棉机等平台上,适用于新疆66cm+10cm或68cm+8cm植棉模式、成熟情况良好的机采棉的机械化采收,其各部分结构设计应考虑机采棉的基本物理特性。1.3.1新疆棉区机采棉结果分析胶棒滚筒的长度取决于棉株顶部结桃的平均高度和滚筒倾斜角α,其大小可由下述公式确定式中,L为胶棒滚筒工作部分长度,mm;H为棉珠直立时的结桃高度,mm;h为胶棒滚筒下端离地高度,mm;α为滚筒工作倾斜角,°;β为棉株采摘时的倾斜角,°。新疆棉区机采棉棉株顶部结桃的平均高度一般在800mm左右,滚筒工作倾斜角α对滚筒的长度有较大影响。如α=30°时,滚筒的长度为1130mm;α=25°时,滚筒的长度达1450mm以上,此时不仅造成采摘头结构尺寸过大,而且输棉距离变长,导致棉花输送带来困难。因此,滚筒倾斜角α通常取30°。由式(1)可得滚筒的长度1130mm。胶棒滚筒的半径R取决于棉桃的最下部结桃高度和棉花种植模式,为减少滚筒对棉株的挤压和保证采摘头底部与地面一定的距离,且在工作时胶棒能够在水平位置采摘棉株最下部棉花,其大小应大于棉株窄行行距而小于最下部结桃高度。根据目前采用的种植模式和棉花品种,窄行行距100mm,棉株最下部结桃高度约150mm,胶棒滚筒的半径R取120mm。1.3.2胶棒排列形貌胶棒采用高弹性橡胶材料制成,圆柱形表面有凸起的条纹,以增大对棉花的附着力,提高采净率。为保证对成熟棉铃的足够打击次数,胶棒滚筒圆周排列数量一般取6~10。相邻胶棒间距t由下式确定式中,D1为全开棉铃直径,约60~80mm;D2为半开棉铃直径,约25~35mm;胶棒在滚筒上排列形式如图3所示。由上述确定的主要结构参数,胶棒滚筒采摘头结构设计如图4输送。主要结构参数见表1。2橡胶杆压板的运动参数的确定2.1胶棒运动轨迹及胶棒长度的计算采棉机工作时,斜置的胶棒滚筒一面旋转,一面随采棉机前进,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vp和采棉机作业速度vm在这一点两种运动在其矢量平面内的合成,其轨迹为该点旋转圆周沿前进方向拉伸构成的椭圆柱面上的螺旋线,其矢量平面为过该点椭圆柱面的切平面。以沿前进方向左侧摘锭上任意位置胶棒旋转中心为原点建立坐标系,x轴正向和采棉机前进方向一致,y轴正向垂直向上,z轴正向垂直XY平面向外,如图5所示,图示为采摘头左侧胶棒滚筒,旋转方向逆时针。设胶棒初始位置在XY平面内,列出胶棒端点A点的参数位移方程式中,vm为采棉机作业速度,m/s;R为胶棒端点转动半径,mm;ω为滚筒角速度,rad/s。上式表示了胶棒的绝对运动,其运动轨迹随着ω、vm、α的不同而具有不同的形状和特性,胶棒上不同位置上的点具有同样的性质。将上式对时间求导数,可得胶棒端点各轴方向的分速度胶棒端点绝对速度的大小v为其中Rω=vp是胶棒端点的圆周线速度,令K=Rω/vm,则式(5)可表示为K为胶棒端点圆周线速度与采棉机作业速度的比值,又称采摘头采摘速比。K的大小对胶棒打击棉铃的工作角度、运动轨迹及采摘头工作状况有重要的影响。由于滚筒安装角度一般为α=30°,且当胶棒运动到采摘区水平位置时,如图5b中的B点,此时sinωt=-1,式(6)可简化为上式胶棒端点绝对速度v又称采棉工艺速度,其大小决定了胶棒对棉株的打击力的大小。合适的采棉工艺速度应根据采摘部件的材料、棉花种植模式、品种、生长情况等因素来确定,对采用柔性材料的采摘工作部件,采棉工艺速度一般为6~7m/s。2.2仿真结果分析采棉机采棉质量采摘头工作时,棉株在胶棒的旋转打击和机器前进推挤作用下,棉株会弯曲成一定的角度,其大小与胶棒在采摘区内的绝对速度与机器作业速度之间的夹角β(采摘工作角)基本一致,如图5。在采摘区内胶棒打击棉铃的采摘工作角β可由余弦定理确定将式(6)、vp=Rω代入上式,则当胶棒运动到采摘区水平位置时,即图3b中的B点,此时sinωt=-1,采摘工作角β达到最大由上式可知β是K的函数,作出K在区间时β-K函数图形,α取30°,并取25°、35°对比,见图6。由此可以得出K值对采棉质量影响:1)1<K<5时,曲线斜率较大,表明β变化较大。K较小时,β角也较小,采棉机工作时,在胶棒打击、推拥的作用下,棉株的弯曲越厉害,棉株被破坏倒伏的可能性越大,易造成棉花无法采摘。此外,棉株振动大,以及采摘下来的棉瓢会在离心力作用下甩向机器的前方,都会造成挂枝棉、落地棉增多,采净率下降。2)K>10,曲线趋于平缓,K→+∞时,β趋近于90°-α。理论上β越大,棉珠弯曲越小,对采棉越有利。由K=Rω/vm可知,增大R、ω或减少vm,都可使K增大。由于种植模式限制了R的取值,且为保持一定的生产率,vm取值不易过小。因此,K值主要取决于ω的大小,即滚筒转速的大小。滚筒转速的提高,K值增大。由式(7)可知,K值增大,采棉工艺速度增大,胶棒对棉株的打击力和梳脱作用变大,采棉机采净率提高。但过大采棉工艺速度易导致棉玲连同棉枝一起被打断,断枝增多,含杂率上升。而且采摘下来的棉瓢含有过多的棉枝会造成棉花风力输送困难,甚至堵塞,影响采棉机正常工作;并且棉枝是一种很难清理的杂质,尤其在清杂过程中棉枝上脱离的棉皮混入籽棉后,无法清除,直接降低棉花的品级。3)K>5时,滚筒倾斜角α与β的关系基本呈线性关系。在相同K值下,α增大,β减小;α减小,β增大。因此较小的α对采摘质量是有利的。但如上所述,α减小造成采摘头结构尺寸变大,输棉距离变长。因此α取30°较适宜。2.3胶棒成分配比的影响将vm=Rω/K代人式(7)得因此,胶棒滚筒转速可由下式确定由上可知,K值、采棉工艺速度的大小选取对胶棒滚筒转速有较大影响。通过上述分析,胶棒滚筒转速、K值的大小对采棉质量有较大的影响。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400~550r/min,具体大小应由试验确定。3试验与研究3.1保苗、地面采摘目前新疆主要植棉区机采棉种植模式:采用气吸式精量播种机播种,66cm+10cm或68cm+8cm的机采棉带状种植方式,666.7m2保苗1.7万株左右。第1果枝结玲部位距地面15cm以上,棉杆高度在65~85cm(采用人工、机械打顶及化控),脱叶剂使用7~10d后,脱叶率达80%以上。采摘作业前清理田间杂草和自然落地棉。选取石河子垦区石总场六分场七连地块作为试验区,试验区约14hm2,机采棉品种为新陆早26,棉花基本特性见表2。3.2棉含杂率测试试验测试方法及指标按照国家标准GB/T21397-2008棉花收获机和GB-T6499-2007原棉含杂率试验方法中制定的标准进行,主要测试指标:采净率、含杂率、遗留棉(含挂枝棉)、落地棉等。3.3采棉机指标试验测试基本参数:采棉机作业速度0.83m/s,滚筒转速n取350~650r/min。试验结果见表3。由表3可以看出,滚筒转速较低时,采净率低于90%,棉花损失较大,达不到国标中制定的采棉机作业性能指标;滚筒转速550r/min以上时,落地棉超过2%,棉花含杂率达18%以上。采棉机实际工作中,过高的杂质含量增加了采摘头内棉花输送难度,易造成输棉管道堵塞,影响正常采棉工作;胶棒滚筒转速450r/min时,棉花采净率达95%以上,含杂率小于15%,落地棉小于2%。采摘质量满足棉花收获技术要求。此时K值为6.79,采棉工艺速度约6.2m/s,其取值与理论分析吻合。4胶棒滚充料作业量高的棉花采净率1)以胶棒滚筒作为棉花采摘工作部件,根据新疆机采棉种植模式以及成熟期棉花的基本物理特性,采摘头胶棒滚筒采用对称布局,倾斜角3