梳齿式采棉机籽棉清理装置的设计与性能试验

康建明,陈学庚,温浩军,王士国

(1石河子大学机械电气工程学院,石河子832003;2新疆农垦科学院机械装备研究所,石河子832000)

梳齿式采棉机籽棉清理装置的设计与性能试验

康建明1,陈学庚2,温浩军2,王士国2

(1石河子大学机械电气工程学院,石河子832003;2新疆农垦科学院机械装备研究所,石河子832000)

籽棉清理装置是梳齿式采棉机的关键部件之一,针对目前梳齿式采棉机工作性能不稳定,清杂后籽棉含杂率高等问题,设计了一种与梳齿式采棉机配套使用的籽棉清理装置,分析了该装置的结构和工作原理,进行了参数优选的田间性能试验,得出影响籽棉清理装置性能指标的主次因素为:锯齿辊转速>刷棉辊转速>刺钉辊转速2>刺钉辊转速1,各参数最优组合为:刺钉辊1转速 393 r/min,刺钉辊2转速365 r/min,锯齿辊转速328 r/min,刷棉辊转速668 r/min,在此条件下籽棉含杂率降低至12.8%。

梳齿;采棉机;清理装置;设计;性能

Abstract:Seed cotton cleaning device is a comb-type cotton picker one of the key components for the current performance of comb-type cotton picker job instability,impurity of seed cotton,after the Qing high rate of complex problems,design of a comb-type cotton picker with supporting the use of seed cotton cleaning up test equipment,analysis of the device structure and principle,the parameters of the device for optimal field performance test results,the performance impact of seed cotton cleaning unit primary and secondary factors:serrated roller speed>Brush Cotton roller speed>Barbed nail roller speed 2>Barbed nail roller speed 1,the optimal combination of parameters:the speed of barbed nail roller 1 is 393r/min,that of barbed nail roller 2 is 365r/min,that of serrated roller is 328r/min,that of brush cotton roller is 668r/min,impurity of seed cotton in this condition,the rate decreased to 12.8%.

Key words:comb;cotton-picker;cleaning device;design;performance

我国是世界棉花主产国之一,目前我国棉花收获机械化的整体水平仍较低,棉花收获机械是最近十几年才开始推广应用的收获机械,与其它收获机械相比起步较晚[1-3]。棉花收获机械按收获方式的不同分为摘棉铃机、采棉机、其他类型棉花收获机械三大类型[4-5]。传统的采棉、清棉机械设备一次性投资过大,农民难以接受。梳齿式采棉机属于摘棉铃机,该机机构简单、作业成本较低,但由于不能分次采棉,采摘后的籽棉中含有大量的铃壳、断果枝、碎叶片等杂质,因此该机配有专门的清理设备。

本文通过对梳齿式采棉机籽棉清理装置结构和工作参数的研究,旨在得出刺钉辊转速、锯齿辊转速、刷棉辊转速对籽棉含杂率的影响规律,为今后梳齿式采棉机的研制提供理论依据与科学指导。

1 总体结构与工作原理

1.1 总体结构

梳齿式采棉机籽棉清理装置主要由刺钉辊1、刺钉辊2、除杂筛网、隔板、锯齿滚筒、刷棉辊、回收滚筒、格条栅2、机架等组成,其结构如图1所示。

图1 籽棉清理装置结构示意Fig.1 Seed cotton cleaning device structure indicate

表1 各种除杂筛网的筛孔规格和清理系数Tab.1 Specifications of various impurities and clean screen mesh sieve coefficient

1.2 工作原理

籽棉由喂棉装置进入清理装置后,通过刺钉滚筒1的打击松懈,将混杂在其中的线绳、滴灌带清除。随后籽棉通过刺钉辊2均匀地喂给锯齿滚筒,被锯齿钩拉的籽棉随锯齿滚筒一起向前运动。在运动过程中,钢丝刷将籽棉均匀刷附在锯齿滚筒表面,在刷附时部分重杂物及僵瓣棉首先分离,其余杂质随锯齿滚筒旋转进入格条栅区,在格条栅的多次冲击下,大量的重杂物及僵瓣棉都被排落,并且少量的细小杂质也被排落。经过清杂的籽棉继续随滚筒转动,当转动至与毛刷接触时,在毛刷辊的高速旋转下,钩拉在锯齿上的籽棉被强制脱下,而后籽棉经搅轮运送至出棉口,由风机吹入集棉箱。

2 梳齿式采棉机籽棉清理装置的设计

2.1 喂棉装置的设计

2.1.1 喂棉装置的总体结构

喂棉装置主要由刺钉1、刺钉滚筒2和3、除杂筛网4等组成,结构如图2所示。

工作时刺钉滚筒将籽棉打松并将籽棉送到除杂筛网表面。籽棉在除杂筛网表面滚动并与网面发生摩擦,部分截面面积小或粒径小的杂质穿过筛网孔脱离籽棉。

图2 喂棉装置示意Fig.2 Schematic of feeding cotton

2.1.2 刺钉滚筒直径、数量的确定

一般情况下,刺钉滚筒的直径与数量成反比。实践表明[6-7],当刺钉滚筒与除杂筛网配合作用的面积、刺钉滚筒表面的线速度一定时,滚筒直径大小、数量对清杂、松棉效果几乎没有影响。但从安装、维护的角度考虑,本装置刺钉滚筒的直径为160 mm,数量为2个。

2.1.3 除杂筛网的选择

根据文献8,各种除杂筛网的筛孔规格和清理系数见表1。

由表1可以看出,矩形编织筛网的清理系数最大,钢板冲孔筛网的清理系数最小。尽管格条筛网的清理系数略小于编织筛网,但实践证明其清杂效果却优于编织筛网[8],故本装置采用圆钢除杂筛网。

除杂筛网的清杂效率与筛孔的有效面积、筛孔的排列、筛孔的形状及筛网表面积等有关。筛孔有效面积(S0)与筛网表面积(Sf)之比为筛网的清理系数(μ),即 :

一般筛网的清理系数越大,筛网的清除效率越高。

2.2 清杂装置的设计

2.2.1 清杂装置的总体结构

清杂装置主要由锯齿条1、锯齿辊(清杂辊2、回收辊4)、刷棉辊3、起棉板5、格条栅6等组成,其结构如图3所示。工作时利用籽棉与杂质在锯齿滚筒上的反弹性能不同,以及两者在锯齿滚筒上的附着力不同,使杂质在惯性离心力的作用下抛离锯齿滚筒,与籽棉分离。

图3 清杂装置示意Fig.3 Schematic of the Qing Miscellaneous

2.2.2 锯齿

籽棉在进入锯片时,锯齿把籽棉卷中尚未从棉籽上拉脱的纤维钩住,并使之随锯齿滚筒运动。由于摩擦力的作用,处在锯齿之间凹口内的纤维开始从凹口离开,凡分布在与摩擦力作用方向成β角的BD线右方的所有纤维都离开了凹口,只有在内的纤维可以留住不动。如图4所示。

图4 锯齿钩纤示意Fig.4 Schematic diagram of sawtooth hook fiber

2.2.3 刷棉辊

刷棉辊的作用是将锯齿辊上的籽棉刷拨下来,保证锯齿辊的顺畅,其结构如图5所示。由于刷棉辊的线速度大于锯齿辊的线速度,加之橡胶与纤维间的摩擦系数大于锯齿之间的摩擦系数,故刷棉辊的作用足以克服锯齿的阻力,将纤维从锯齿上刷下。

图5 刷棉辊结构示意Fig.5 Schematic diagram of roller brush cotton

毛刷刷力的作用主要是靠毛刷条对锯齿上纤维的连续作用来保证。依据连续作用原理[7-8]:

式(1)中:i为刷棉辊与锯齿辊的表面线速度比;φ0为相邻两根毛刷条对应毛刷滚筒的中心角;φ0=360°/N,N是毛刷条数;Dm为毛刷滚筒直径(mm);Dj为锯片滚筒直径(mm)。

由式(1)可知:刷棉辊与锯齿辊的表面线速度必须大于某个值,以保证毛刷刷力的作用。本装置Dm=300 mm,Dj=350 mm,φ0=30°,代入(1)式得 i=2.5。调高刷棉辊的转速,可以使锯齿辊上的棉层变薄,有利于杂质的排除。

3 田间性能试验

3.1 试验设备及原料

试验对象为新疆兵团农八师132团11连试验田中覆膜播种的棉花。棉花品种为新陆早33,棉花平均株高 70 cm,棉铃最低 12 cm,棉花脱叶率82%、吐絮率85%,籽棉含水率10%,测产后该棉田亩产300 kg。

本试验中所选用的试验设备见表1。

表2 试验设备Tab.2 Experimental equipments

3.2 试验指标及影响因素

性能指标:含杂率。参照农业部颁发的《中华人民共和国农业行业标准—棉花收获机作业质量》(GB/T21397-2008)[9]。

影响试验的主要因素为:刺钉辊(1和2)转速、锯齿辊转速、刷棉辊转速。

3.3 试验方案

试验前对棉花生长情况进行测定,依据清理装置设计的最大工作能力,确定拖拉机前进的速度为2.1 km/h。

梳齿式采棉机籽棉清理装置参数优选试验的试验因素与水平如表3所示,各因素分别为,A:刺钉辊1,B:刺钉辊2,C:锯齿辊,D:刷棉辊。

选用L16(45)正交表进行试验[10-12],每个试验重复3次,取平均值。主要参数对含杂率的影响结果见表4。

表3 试验因素与水平 r/minTab.3 Experimental factors and levels

表4 试验方案与试验结果Tab.4 Test programs and test results

3.4 结果与分析

3.4.1 性能参数与试验指标的关系

梳齿式采棉机籽棉清理试验装置的刺钉辊转速、锯齿辊转速、刷棉辊转速各水平对试验装置性能指标的影响如图6所示。

图6 各水平对采净率指标的影响Fig.6 the net rate of all levels on the index of mining

3.4.2 方差分析与组合条件优化

清杂装置性能指标的方差分析结果见表5。

由表5可知,刺钉辊1转速、刺钉辊2转速、锯齿辊转速、刷棉辊转速四因素对清理装置性能指标的影响是不同的。

表5 清杂装置性能指标方差分析Tab.5 Miscellaneous equipment performance clear analysis of variance

由表5、图6可知,在95%的置信度下,各因素对籽棉含杂率影响的主次顺序为:锯齿辊转速>刷棉辊转速>刺钉辊2转速>刺钉辊1转速。

各水平的较优组合为,刺钉辊1转速:A4>A3>A2>A1;刺钉辊2转速:B3>B4>B2>B1;锯齿辊转速:C4>C3>C2>C1;刷棉辊转速:D3>D4>D2>D1。结合因素影响的主次关系可知,籽棉含杂率最低的生产条件组合为C4D3B3A4。

3.4.3 优选组合性能验证试验

梳齿式采棉机籽棉清理试验装置的最优组合在试验优选方案中没有出现,为确保优选前后的籽棉含杂率有可比性,进行二次试验,选取的主要参数为:刺钉辊1转速393 r/min,刺钉辊2转速365 r/min,锯齿辊转速 328 r/min,刷棉辊转速 668 r/min。试验结果表明,优选后的籽棉清理试验装置能使籽棉的含杂率降低到12.8%,优选后的梳齿式采棉机籽棉清理试验装置综合指标优于其他参数组合下的机械性能。

4 结论

1)进行了梳齿式采棉机籽棉清理装置关键部件的设计,得出了各部件的最佳结构与数量。

2)经方差检验,在95%置信度下,各因素对籽棉清理试验装置的性能指标影响的主次顺序为:锯齿辊转速>刷棉辊转速>刺钉辊转速2>刺钉辊转速1,最优组合为C4D3B3A4。

3)梳齿式采棉机籽棉清理装置在取最优水平组合时,籽棉的含杂率降低到12.8%,达到《中华人民共和国农业行业标准—棉花收获机作业质量》)的要求。

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Comb-type Cotton Picker Seed Cotton Cleaning Device Design and Performance Test

KANGJianming1,CHEN Xuegeng2,WEN Haojun2,WANG Shiguo2
(1 College of Mechanical and Electrical Engineering,Shihezi University,Shihezi 832003,China;2 Xinjiang Academy of Land Reclamation Institute of machinery and equipment,Shihezi 832000,China)

S225.911

A

1007-7383(2010)05-0631-05

2010-05-27

农业部引进国际先进农业科学技术计划(948)项目(2009-Z15)。

康建明(1984-),男,硕士研究生,专业方向为农业机械设计与性能试验;e-mail:kjm531@sina.com。

陈学庚(1947-),男,研究员,从事农业机械设计研究;e-mail:chenxg130@263.net。