平推式棉花打顶机的设计与试验

2018-06-14罗新豫王吉奎布尔兰卡力木别克罗勇军

新疆农机化 2018年2期

罗新豫，王吉奎，布尔兰…卡力木别克，罗威，罗勇军

（石河子大学机械电气工程学院，新疆石河子 832003）

0 引言

棉花栽培管理中，对棉花进行打顶作业是提高其品质和产量的关键环节之一[1～2]。目前，国内棉花打顶主要以人工打顶和化学封顶为主，人工打顶作业用人成本高、劳动强度大、打顶效率低；化学封顶受棉花品种及天气等外界因素影响较大，易造成棉花蕾铃大量脱落，损伤棉花纤维的后果，且多次喷洒还会增加机具对土壤的有害压实。这两种打顶方式均制约了棉花生产全程机械化的发展[3～5]，而采用机械化打顶可降低成本、提高效率，因此研制出性能稳定的棉花打顶机械成为棉花打顶的研究重点[6～7]。

由于田间作业环境复杂，且棉花生长高度参差不齐，现有的棉花打顶机械[8～10]顶端仿形效果不理想,造成打顶过程中出现过度打顶、漏打顶和平切顶的现象，作业效果不能满足棉花打顶的农艺技术要求[11]，在生产中使用较少。

针对现有棉花机械打顶的这些问题[12～13]，本文设计出一种依据单株棉花生长高度进行打顶的平推式棉花打顶机，该机具作业时无需对行，通过前推禾板斜推棉花顶尖至同一水平高度，使棉秆弯曲具有一定的弹性势能，当棉株顶尖弹起时进入切割器切割范围。完成切割打顶的同时按照棉花打顶的农艺技术要求，将打下的棉花顶尖收集并带出棉田，防止带有病虫害的顶尖在田间传播。该机具的设计提高了棉花机械化打顶的打顶率和作业效率，为棉花机械化打顶提供了技术支持。

1 整机结构与工作原理

1.1 整机结构设计

图1 平推式棉花打顶机结构示意

1.2 工作原理

平推式棉花打顶机的打顶过程如图2所示。该机具通过三点悬挂装置全悬挂于拖拉机后侧，作业时拖拉机顺着苗行前行，拖拉机动力输出通过万向节将动力传递到变速器（传动比为1：2），经过变速器增速将动力传递给链传动系统，链传动系统带动长滚筒切割器做高速旋转运动，旋转方向如图1。该机具的离地高度可通过操纵拖拉机液压装置调节，当拖拉机沿着苗行以V1的速度前进时，倾斜的前推禾板斜推前方高低不齐的棉株顶尖至前推禾板的末端同一水平高度（图2a），棉株顶尖受到前推禾板施加的压力而弯曲，由于棉秆具有一定弹性，当棉株顶尖从前推禾板末端露出时，前推禾板给的压力消失，棉株顶尖自然弹起，进入切割器的切割范围，高速旋转的长刀片切下露出的棉株顶尖（图2b），切下的棉株顶尖随切割器旋转方向沿着护刀罩以速度V2被抛入收集箱内（图2c）。打顶过程中满足当前棉花打顶的农艺技术要求，未对棉秆造成损伤。

图2 打顶过程示意

1.3 主要技术参数

2 主要部件设计及分析

2.1 长筒式旋转切割器设计

打顶机的切割方式与切割速度直接影响切割效果，为了达到较好的切割打顶效果，降低漏打率与过打率，因此选用长筒式旋转切割器。该切割器长2000mm，工作时无需对行可直接进地打顶，打下的棉花顶尖沿一定轨迹落入收集箱。通轴带动切割刀片高速旋转，其中轴套固定于通轴上，圆盘刀架固定于轴套上，4条长刀片通过角铁连接固定于圆盘刀架上，链轮设在通轴的一端如图3所示。

图3 长滚筒切割器

旋转切割刀片在切割棉株顶尖的瞬间有一个拖拉机水平前进的速度V拖和切割器切线方向速度V切，两者产生的合力V合在切割棉株顶尖时以滑切为主，可使切口平整，无撕拉现象。同时该切割器能够将打下的棉株顶尖在刀片的高速旋转作用下沿着护刀罩抛入收集箱。

圆盘刀架的直径大小决定了刀片切割顶尖时的角度，圆盘刀架直径过大或过小都会影响切割效果，通过田间试验最终确定切割器直径为300 mm时打顶效果为最佳。为防止切割器重复打顶和漏打顶，在机具离地高度一定时，可得出影响打顶效果的主要因素有：工作时机组的前进速度和切割器的旋转速度。这两个因素与棉株株距之间的关系为：

式中 V—拖拉机的行进速度（m/s）；N--长筒切割器转速（r/min）；S—切割器每转1圈拖拉机行进距离（m）；K--系数。

由上式可知：打顶效果与切割器旋转一圈机具的前进速度有关。当转速一定，前进速度V越大则漏打率越大，前进速度V越小则重复切割率增加；当前进速度V一定，切割器转速N越大，重复切割率越高，切割器转速N越小则漏打率越大。

2.2 前推禾板的设计

前推禾板的设计是该打顶机能够进行精确切割棉株顶尖的关键所在，传统的棉花打顶机仿形比较滞后，其切割装置最先接触棉株顶尖进行切割，被切割的每株棉株高度都不相同，切割器的切割高度未能及时与棉株顶尖高度相匹配，必将影响棉花打顶效果，造成过打顶和漏打顶。为了避免切割器对棉株造成的损伤，设计了前推禾板来减缓切割器直接接触棉株对棉株顶尖的冲击，前推禾板在整个打顶过程中起到保护棉株与调节棉株顶尖高度的作用。前推禾板由一整块厚度为2 mm的铁板弯折成上下两部分，对棉株顶尖形成不同角度的预压，经过试验得出推禾板上下两节满足α＝35°、β＝15°，h＝360 mm时，可实现最佳预压效果，如图4所示。

图4 前推禾板示意图

3 田间试验

3.1 试验条件

平推式棉花打顶机于2017年7月在新疆玛纳斯县平原林场进行了田间试验。种植行距为660×100×660 mm，株距为85 mm，试验品种为新陆早64号，种植模式为1膜6行机采棉模式，种植密度为2×106个/hm2，且棉田地表较为平整，田间管理按照北疆高产田间要求进行，试验场景如图5所示。

试验机具配套动力选用约翰迪尔1054型拖拉机，标定功率77.23 kW，轮距2 250 mm，试验机具最小离地间隙450 mm，作业速度为2.4～4.5 km/h。

图5 田间试验

3.2 试验方法

将试验田划出6六块试验区，每块试验区的机具前进速度按照表2所示进行机械打顶。进地打顶前先人工测量测试区棉株自然状态下顶部到地面的垂直距离，打顶后再次测量自然状态下棉株顶部到地面的垂直距离。

去顶量：棉株打顶前高度与打顶后高度差值。

打顶合格率：被打下顶尖的有效棉株数量占试验区内棉花的有效棉株数的比例，用%表示。

3.3 试验结果及分析

经过田间试验，当拖拉机行驶速度为3.4 km/h，切割器转速为1 500 r/min时该机具达到最佳打顶效果。结合机械打顶的技术特点，由表可知：去顶量、打顶合格率受作业速度影响较大。（1）随着速度的增大打顶量慢慢减小。因为当低速前行时，切割器重复打顶率增大，易导致过打顶，造成损失；（2）当速度趋于3.4 km/h时打顶合格率最高，超过3.4 km/h后，合格率降低，因为随着拖拉机行驶速度的增加，漏打率增加。综上可知，在前、后推禾板与切割器刀片相对位置一定时，机车作业速度是影响棉株去顶量、打顶率的主要因素。因此当作业速度为3.4 km/h，该机打顶率高，打顶效果最佳。田间试验证明，平推式棉花打顶机工作性能良好，机架结构合理，未出现变形等情况，较好的满足了打顶机的作业要求。