棉花打顶机研发历程及其研发重点探析

陈昭阳，石　磊

(1.中国农业科学院 研究生院， 北京　100081；2.农业部 南京农业机械化研究所， 南京　210045)



棉花打顶机研发历程及其研发重点探析

陈昭阳1，石磊2

(1.中国农业科学院 研究生院， 北京100081；2.农业部 南京农业机械化研究所， 南京210045)

摘要：通过分析国内外棉花打顶机发展的历程与现状，对地面仿形、整体仿形和单株仿形3种现有主要棉花机械打顶机存在的总体仿形精度不高和单株仿形技术难度大等问题，分别进行了剖析，并提出了棉花打顶机械单株高度仿形的研究重点和发展方向。

关键词：棉花打顶机；发展现状；研究重点

0引言

棉花打顶是指在棉花生长到预定高度时切掉主枝上的生长点，以达到抑制棉花疯长、促进侧枝发育、保证结铃所需养分及有效促进棉花高产的目的。目前，棉花打顶主要有人工打顶、化学打顶和机械打顶3种方式。机械打顶生产效率高，可与化学打顶相当，且环境污染少，能促进作物高产，所以成为棉花打顶的研究重点。

棉花打顶的农艺要求是切掉距离顶尖3～7cm的芽尖。棉花打顶机能否随棉花高度变化有效调整割刀高度来实现这一要求，成为设计成败的关键。为此，本文通过分析国内外棉花打顶机的发展历程和目前未能投入使用的主要原因，提出了解决仿形问题的建议。

1国内外发展现状

1.1国外发展现状

欧美发达国家在19世纪初就开始了棉花打顶机的研究，经历了最初的畜力牵引和后来的拖拉机机械动力驱动及液压驱动的发展过程。

1919年，美国德克萨斯州的Alex Marquis 和Willie Sprott研究出了如图1所示的马拉式机械打顶装置。其由地轮带动往复式切刀切割，机架上两个回转轮用于拍掉棉花枝叶上的象鼻虫[1]。这是目前所知的世界上最早的棉花打顶机。

1.地轮　2.传动伞齿轮　3.座位　4.回转轮　5.往复切刀

1931年，美国俄克拉荷马州Jay.A.Smith研究出了人工调整切割高度的打顶机，如图2所示。其由驾驶员根据棉花长势，通过上下提压手柄调节切顶高度[2]。从此，打顶机向着高度浮动发展。

1.力平衡拉杆　2.往复式切刀　3.机架　4.打顶高度调节杠杆

1951年，美国Joseph.W.Bell发明了螺栓调高的棉花打顶机，如图3所示。将打顶机挂接在拖拉机前部，由皮带带动一字型甩刀高速旋转进行切割，切顶刀高度根据棉株高度预先通过门字型高度锁定装置调整[3]。该打顶机一次能切两行，打顶刀外有罩网以防割下顶芽飞溅。

1.地轮2.机架3.传动皮带4.门形螺栓调高装置5.一字型甩刀

图3螺栓调高的棉花打顶机

Fig.3The structure of the cotton topper adjusted by nuts and bolts

1954年，美国德克萨斯州Howell.J.Price研发的连环带轮用于打顶机，使得打顶机的行数大幅扩展[4]，如图4所示。这个结构目前仍是主流多行打顶机动力传输的主要方式。

图4　皮带传动多行打顶机

1961年，喀麦隆的Lawrence.E.strongman研制了棉花疏枝切顶机，如图5所示。该机型带分禾器和残叶排除导向装置，侧面设有排叶风道，将切下的顶芽排入分禾器打开的棉花行间空当中，减少了残叶挂枝遮光和病虫害的传播[5]。

1962年，美国德克萨斯州Andy.A.Keyes研发出了挂接在拖拉机前端、用液压马达驱动的打顶机，如图6所示。这种前挂接结构可视性更好，操作者可以根据棉株高度调整打顶高度[6]。

美国在打顶机方面的研发，为棉花打顶机切割形式和动力传递方式奠定了基础，也为日后我国研发棉花打顶机提供了有效借鉴。但因机械打顶仿形问题始终未得到有效解决，致使欧美各国20世纪60年代以后，就没有继续进行棉花打顶机的研究。

1.液压马达

1.2国内打顶机发展现状

我国棉花打顶机研发始于20世纪60年代初期，从蓄力牵引机械研究开始，逐渐发展为机械动力、液压驱动，并逐渐向自动化方向发展。

1.2.1简单的棉花打顶装置

我国从解放初期开始棉花打顶机的研究，研制出了马拉打顶机等简单的打顶装置；但因生产效率低、作业质量差等问题，未投入生产应用。

1961年，我国第一台马拉打顶机，由地轮传递动力，利用两套齿轮对滚筒切刀加速，切刀回转切去棉顶[7]，如图7所示。但是，由于入地后打顶高度不变，造成漏切率和伤枝率高，作业质量差。

随后，出现了人工打顶的辅助装置，如用于辅助人工打顶的打顶指套。杨发展提出了手推棉花打顶机，是一种以蓄电池为动力，通过电机驱动刀片，模仿人手掐顶动作的手推、手提平台[8]。陈延阳提出了手提式棉花打顶机，由人工背负电池，手提旋转切刀剪枝打顶[9]。

1.打顶高度调节装置　2.打顶刀轴　3.滚筒式打顶刀　4.传动链条

简易打顶机构种类繁多，但没有从根本上改变打顶现状，这里只介绍了部分有代表性的装置。

1.2.2大型悬挂式棉花打顶机

20世纪以来,出现了拖拉机挂接的多行棉花打顶机，打顶机进入机械动力阶段，并逐步向大型化和自动化方向发展。悬挂式棉花打顶机按高度仿形原理划分，主要有地面仿形、整体高度仿形和单株高度仿形3种型式。

1.2.2.1地面仿形棉花打顶机

地面仿形是指用打顶机地轮等装置依据地面高度改变切顶高度的高度控制方法。

新疆大学王春耀、蒋永新等研制的3DDF-8型棉花打顶机，在机架的两侧采用地轮对地整体仿形，每行又有仿形靴进行单行对地仿形；在地轮上装有减震器以消减拖拉机越障带来的震动和冲击；打顶刀采用滚筒式切刀，虽切刀切净率高，但位置精度不容易控制[10]。

对地仿形很难达到满意结果。于是，研究了转向直接针对棉花顶芽高度改变打顶高度的仿形方法。

1.2.2.2整体高度仿形棉花打顶机

整体高度仿形是指根据作业幅宽内所有棉花顶尖的位置，由人工判断较合适的平均打顶位置，然后利用液压机构等装置将多行机组整体升降的高度控制方法。整体高度仿形棉花打顶机具有粗略仿形的功能。

新疆石河子大学胡斌等研制了3MD-12型后挂接棉花打顶机(如图8所示)。该机型动力由拖拉机输出轴经变速箱变速后带动甩刀回转。打顶高度以螺栓调节机架的基准位置后，人工操纵液压系统带动切刀和变速箱一起升降，实现整体仿形[11]。

1.扶禾器　2.变速箱　3.固定机架　4.浮动机架　5.液压油缸

在此基础上，胡斌等研制了3MDY-12型前悬挂棉花打顶机，以液压马达驱动回转，解决打顶机构前悬挂动力的问题；采用平行四边形机架，以提升油缸确定打顶机的工作基准位置后入地工作；驾驶员根据棉田局部长势，操纵举升油缸升降整排12行打顶装置[12]。

山东农业大学周桂鹏等研制的基于高地隙通用底盘的棉花打顶机，也属整体高度仿形棉花打顶机。驾驶员根据棉田状况，通过液压系统同时升降装有若干行打顶装置的机架，达到整体仿形的目的[13]。这个机型同时还有喷药的附加功能。

1.2.2.3单株仿形棉花打顶机

单株仿形棉花打顶机通过检测各行中每株棉花高度，分别调节单株打顶高度，力求对不同高度的棉花切除相同长度的顶芽。单株仿形打顶机经历了从人工调高到自动测高和仿形的发展过程。

新疆建设兵团农机推广站唐军等研制的3MDZK-12型单体仿形棉花打顶机，以拖拉机输出轴驱动滚筒切刀回转，由人工通过调节手柄1调整打顶高度，实现单株仿形[14]，如图9所示。

新疆石河子大学杨旭海等人对该打顶机进行了数控改造。采用超声波测量棉株高度，回转电位器间接测量刀具位置，根据两者位置差通过PID算法计算后，控制刀具升降[15]。

从此，自动检测棉花高度，规划打顶刀动作路线，液压控制打顶刀升降的控制流程就形成了，如图10所示。

1.齿带组合的传动系统　2.升降控制机构　3.套筒式平衡机架

图10　控制流程图

基于此控制流程，中国农机化研究院周海燕等设计完善了液压控制的3WDZ-6型自走式棉花打顶机[16]。石河子大学何磊等人设计了采用仿形板浮动推动电磁阀通断开关液压系统，分档控制高度位置的垂直升降式棉花打顶机。这种分级控制办法，是除了PID控制之外，一种新的高度控制思路[17]。

2棉花打顶机存在问题分析及发展方向

通过对已有机型的分析可知，以拖拉机为动力平台的多行打顶机的机械结构已基本定型，并被普遍认可。但是，目前的打顶机不能根据棉花高度实时改变刀具高度，高度仿形的技术瓶颈未能完全突破，从而造成高漏切率和伤枝率。现对打顶机存在的问题与今后的发展方向予以分析。

2.1仿形型式的分析

棉花打顶机主要有对地仿形、整体仿形和单株仿形的3种仿形型式。

1)对地仿形。因棉花高度(顶尖的位置)随地面的起伏，足可以被30cm左右的棉花植株高度差异所淹没，所以对地仿形不能有效实现棉花高度仿形。

2)整体仿形。整体仿形棉花打顶机通常作业幅宽在6行左右，是依据驾驶员对棉株平均高度的基本判定确定打顶高度。虽然效果明显优于对地仿形，但是各行棉花长势不同，难以统一打顶高度，同样会导致漏切和伤枝。打顶时驾驶员既要控制前进速度，又要调整打顶高度，难以兼顾；若打顶机后置悬挂，还需专人负责高度调节。

3)单株仿形。单株仿形克服了对地仿形和整体仿形的缺点，能对每一株棉花进行高度仿形,理论上可以实现0漏切率和伤枝率。智能化单株浮动棉花打顶机以固定在打顶机构前端的高度传感器采集棉株高度信号，以固定在拖拉机轮子上的测速器采集前进速度信号，高度与速度信号输入控制中心，控制中心指挥驱动装置实现打顶刀升降。目前，棉株高度测量精度和仿形执行速度是智能化单株仿形打顶机尚未有效解决的问题。

2.2棉株高度测量精度

棉株高度测量是智能化单株仿形打顶机准确打顶的前提。目前，植株测高传感器主要有超声波测距、光学传感器和机械式接触传感器等。其中，三维激光扫描精度可高于1mm，但价格昂贵；计算机视觉测高方法因为图像处理数据量大，难以实现实时化；机械式接触传感器或因仿形板过轻受田间不确定因素干扰，或因仿形板过重压弯棉花顶尖造成误差；激光光幕的抗干扰性优于红外线和超声波，精度较高；超声波的精度在2cm以上，如果能解决定向性的问题也是成本低廉的解决方法。

2.3仿形执行器的升降速度

高度仿形要经历高度检测、路径计算及打顶刀升降3个主要环节。单株仿形不成功的关键在于执行器的速度不够。棉花打顶对于执行器速度的要求为

现有的液压升降驱动一般达不到这个执行速度，且棉花打顶机的液压系统结构复杂容易损坏，不易维修。气动系统可以达到速度要求，但是位置难以精确控制。电动机响应速度和转速都比较快，理论上可以满足仿形要求。在烟草打顶机上曾使用电动机升降系统，收到了比较好的效果。

2.4打顶刀型式选择的分析

以往的打顶刀主要有往复式切刀、滚筒式切刀和甩刀等型式。往复式切刀因体积大、仿形难已被淘汰。甩刀和滚筒式切刀由于采用无支撑切割会导致棉秆退让，且甩刀会因高旋转造成风压导致棉花晃动，影响切割精度。滚筒式切刀或因刀盘上切刀数量过少导致切割路径不是直线，或因刀盘上切刀数过多造成被切割物料难以喂入。

总之，无支撑切割不是一种可靠的切割方式，因物料退让造成切割点不易固定，难以实现精确切割。剪切不仅能确定切割点，且因有支撑切割对切割速度要求低、节省能耗，是设计者应优先选择的方案。

2.5打顶机结构设计的分析

1)打顶机的机架设计。机架设计的难点在于如何减少拖拉机的地面振动与机械振动对打顶精度的影响。石河子农机培训站徐振宇，用ADAMS分析3MDZK-12型棉花打顶机越障机架跳动情况时指出，当拖拉机后轮跳动7cm时，机架跳动可达17.4cm，会导致打顶刀远远超出打顶范围[18]。拖拉机的颠簸对打顶刀精度的影响，与打顶刀到挂接点之间的距离成正比。这指引棉花打顶机的设计者认真考虑在满足控制系统处理时间的前提下，缩短打顶机的纵向长度。

2)打顶机回转驱动系统设计。打顶机的回转驱动通常有两种形式：①回转驱动系统随刀轴一起升降。优点是运动关系简单，刀轴和回转驱动系统相对位置不变，故不必做的很长。不足是回转驱动系统随刀轴升降会造成结构沉重，惯性大，振动大。②回转驱动系统固定，仅刀轴上下运动。优点是升降稳定、惯性小，缺点是升降需要克服刀轴回转的干涉力，处理不好会造成升降卡滞。打顶机的刀轴等浮动装置应该尽量减小质量，以减小惯性引起的迟滞。打顶机的刀盘大小、前进速度和控制算法PID参数都有待试验测得最佳参数。

2.6打顶机功能的延伸

①碎叶处理功能。棉花顶芽是棉铃虫和象鼻虫的聚集地，丢弃在田间会加速病虫害传播。以气吸装置等收集顶芽残叶是可取的办法。②植保、中耕功能。打顶机可以和中耕、植保机具搭载在同一底盘上，如能解决振动等问题对打顶精度的干扰，实现合并作业可以实现一机多用，不仅减少入地次数，且节省动力。

3结论

综上所述，可以看出：①智能化单株仿形打顶机应为棉花机械打顶机的主要发展方向。②其传感器可以采用激光光幕传感器，加导向装置的超声波传感器和压力适当的机械式传感器。③采用电机驱动是提高仿形执行速度的有效措施。④应采用有支撑切割。有支撑切割可以克服甩刀高速旋转造成的风压和滚筒式切割器的振动问题，提高切割精度。⑤尽量缩短割刀与悬挂点之间的距离，以减小拖拉机越障跳动造成的切割高度误差。⑥宜采用切刀独立升降机构，以减少运动部件的惯性。⑦拖拉机需增加顶芽回收装置，以减少病虫害传播。⑧打顶机可增加附加功能，实现一机多用。

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Development and Prospect of Cotton Topper

Chen Zhaoyang1, Shi Lei2

(1.Graduate School,Chinese Academy of Agricultural Sciences,Beijing 100081,China; 2.Nanjing Research Institute of Agricultural Mechanisation, Nanjing 210014,China)

Abstract：This paper explains of the development of cotton topper and analyses the mainstream cotton topper. The 3 main types of cotton topper including field surface fluctuating tracking topper(FTM) and top shoots height tracking topper, the latter including the topper that multi-cutters taking a body and tracking all together(HTM) and the topper that each cutter tracking one the height of top shoots of one row and tracking independently(HTE). FTM is not a validity way of tracking. HTM cannot track the height of each row precisely. HTE is a correct way of tracking, but complicated in structure. This paper point out HTE is a prospective way of tracking and toppers is expected to modify in the sensors, cutters, actuators and racks.

Key words：cotton topper; development; research emphasis

文章编号：1003-188X(2016)01-0251-06

中图分类号：S224.9

文献标识码：A

作者简介：陈昭阳(1990-)，女，济南人，硕士研究生，(E-mail)czyjinan@163.com。通讯作者：石磊(1963-),男，南京人，研究员，硕士生导师，(E-mail)623435554@qq.com。

基金项目：公益性行业(农业)科研专项(201203057)；“十二五”国家科技支撑计划项目(2013BAD08B00)

收稿日期：2015-04-15