棉花捡拾收获机的研究与试验

吴伟成，袁鹏飞，韩静鸽

（1.河南豪久科技有限公司，河南 许昌 461103；2.许昌职业技术学院，河南 许昌 461103）

我国是世界重要的棉花生产国，据统计2021年棉花总产量573万吨，位居世界第二。同时，我国还是用棉大国。棉花是纺织工业的主要原料，也是重要的油料作物，是我国产棉区的重要经济作物之一，在我国国民经济中占据重要地位，是国家的重要战略物资[1]。机采籽棉面积逐年扩大，由于天气原因及不同棉花品种种植农艺要求不同，机采籽棉的采净率在93%左右[2]，落在地表和残留棉株上的棉花较多，丢弃则浪费严重，手工收获不仅劳动强度大，且生产成本高，棉农迫切渴求能有一种在机采籽棉收获后能快速将散落在地表及残留在棉秆上的棉花捡拾收获的机具[3-6]。针对这种情况，河南豪久科技有限公司经过多次试验论证，研制开发了一款可以有效捡拾遗落在地表和棉株上棉花的棉花捡拾收获机，不仅可以增加农户经济收入，而且节约了人工成本，降低了棉农劳动强度。

1 总体结构及工作原理

1.1 总体结构的设计

根据新疆棉花主产区的棉花种植规模与生长高度、土壤特性、土壤承载能力、田块的大小及形状、道路状况等，确定棉花捡拾收获机为自走式，主要由击打捡拾机构、输送搅龙、过桥、驾驶室、发动机、底盘、分离滚筒、送棉风筒、集棉箱等组成[7-8]，如图1所示。

图1 棉花捡拾收获机总体结构图

为了尽可能提高棉花捡拾率，减轻驾驶员的劳动强度，延长机具的使用寿命，作业速度不宜过高。根据棉花的亩产量、田地大小与平整度确定棉花捡拾收获机的作业速度为2.0 km/h～5.0 km/h。根据各个部件的试验数据确定各个部件的所需功率，实践证明，击打捡拾机构所需的功率占总功率的30%～40%，启动时的瞬间功率最大值相当于平均功率的1.5～2倍，其他工作部件的所需功率则变化不大。

行走部分所用的功率（P）与机具前进速度、机具重量以及土壤状况有关，行走部分所需功率的计算公式如下：

式中，m为机具满载时的质量（kg）；g为重力加速度，9.8 m/s2；v为机具的作业速度（m/s）；f为滚动阻力系数，取0.15；μ为行走部分的传动效率系数，取0.9。

为了使机具具有足够的储备功率，以保证各种情况下都可以顺利工作，发动机的功率按照计算值的1.3倍取值，确定为117.7 kW。

1.2 棉花捡拾收获机的总体配置

捡拾台位于机具的正前方，尽可能对称于机具的中心线，使捡拾台保持左右平衡，便于棉花能被均匀地送入输送装置内。同时捡拾台靠近驱动轮，以减少机具的整体长度。分离滚筒是机具上体积和重量都较大的部分，会对机具的重心造成很大的影响，所以配置时将其靠近驱动轮，增加机具的稳定性。驾驶室位于中间输送装置的正上方，方便驾驶员看清楚作物和田面情况，同时能够观察捡拾台及其传动部件的工作情况。机具的操纵手柄、调节手柄、监视仪表等位于驾驶员的身前和两侧。棉花捡拾收获机主要参数如表1 所示。

表1 棉花捡拾收获机主要参数表

1.3 工作原理

该棉花捡拾收获机主要由动力系统、行走系统、操纵系统、作业系统四大部分构成。

1）动力系统由柴油发动机提供动力，经传动系统给各个做工部分提供动力。

2）行走系统由机架、行走机构、操纵系统、变速箱组成。机架是整机的主要骨架，承接机器各个部分的主载体；行走机构包括机架下两端前桥、后桥，发动机驱动前桥变速箱，带动前轮行走；变速箱有4个档位（3个前进档，1个倒档，操纵无级变速可在档位内获得多个速度）。

3）操纵系统位于驾驶台上，由行走离合踏板、变档杆、刹车制动踏板、方向机组成，主离合液压操作杆、集棉箱侧翻液压操纵杆、无级变速操作杆、捡拾器升降操纵杆、风扇开关、前后灯光开关、手油门、脚油门、工作仪表显示器和手制动机构是全车的控制中心。

4）作业系统即工作组件，由击打捡拾滚筒、输送搅龙、输送链、分离滚筒、风运储存、集棉箱等构成。①击打捡拾滚筒又称捡拾器。捡拾器将散落在地表或残留在棉秆上的棉花从地上捡起，在搅龙作用下将棉花及少量棉秆等杂物集中至捡拾台中部输送器入口，再由输送器带动棉花及少量棉秆等杂物向后输送进入分离滚筒内。②分离滚筒工作原理。分离滚筒是该机一个重要组成部分。其作用是将棉花与棉秆、棉叶分离。捡拾的棉花与秆、叶经输送装置输送到分离滚筒内，在高速旋转的分离滚筒拨刷作用下，棉花及茎叶随滚筒做高速旋转滚动，在离心力作用下，大部分茎叶与棉花分离，并经凹板上的孔排在地表，实现棉花与秆、叶分离。

1.4 工作原理综述

收获机大油门匀速前进，击打捡拾滚筒在高速旋转的同时，击打爪将残留在棉秆上的棉花击落，与其同步运转的板带式捡拾爪，依靠高速旋转产生的气流将含有棉秆、棉叶的棉花从地面捡起，经搅龙、输送装置输送至分离滚筒内，棉花于分离滚筒内在分离爪拨动下，随着滚筒旋转的离心力与棉秆、棉叶分离开，棉秆、棉叶及其他碎杂物落到地面上；收获棉花由机械风力输送到集棉箱内储存；风力向集棉箱输送棉花的同时又可分离出棉花中所夹带的杂质；集棉箱积满后停车，分别操纵液压手柄将棉花卸出，这样就完成了全部作业程序[9]。

2 主要工作部件

2.1 击打捡拾滚筒（捡拾器）

在击打捡拾滚筒上，设置有交错排列的直齿式击打爪，以及和击打爪相匹配的板带式捡拾爪。在同一捡拾器上相邻两排的击打爪和相邻两排的捡拾爪同属交叉排列，同排的击打爪与捡拾爪属交替排列。作业时，捡拾器在高速旋转的同时，击打爪将残留在棉秆上的棉花击落在地，与击打爪同步运转的捡拾爪，依靠自身高速旋转产生的气流将散落在地表上的棉花从地上捡起。考虑到击打爪应具备较强的耐磨性、韧性和抗冲击力，经研究试验，击打爪采用弹性好的65Mn钢材制造，并对其实施淬火处理；捡拾爪是靠旋转时自身产生的气流将散落在地表的棉花从地面捡拾起的，而捡拾爪运转时产生气流的大小取决于：1）每个捡拾爪的宽；2）捡拾爪工作状态的回转直径、工作转速等。捡拾爪与击打爪在滚筒上属交替排列，捡拾爪的宽度应与相邻左右两个击打爪的间隔距离相适应，装配后，击打爪与捡拾爪既不应相互干涉，也不应留有较大间隙。研究小组首先将击打捡拾爪的工作宽度定为50 mm，经过多次研究试验和科学计算，捡拾爪工作状态的回转直径、工作转速分别确定为1 220 mm和400 r/min。严谨的科学试验表明，确定的捡拾爪宽度、捡拾爪工作状态回转直径及工作转速是切实可行的。

2.2 分离输送装置

击打捡拾滚筒将棉花捡拾向后抛送至螺旋输送装置内，螺旋滚筒将棉花向中部集中经二级输送装置输送至分离滚筒；螺旋滚筒底部采用栅格设计，在集中输送过程中将棉花中夹杂的土及一部分秸秆从栅格中落在地面。

2.3 分离滚筒

分离滚筒是由带螺旋分离爪的滚筒和栅格瓦板组成，是捡拾机的一个重要组成部分。其作用是将捡拾的棉花与棉秆、棉叶等杂物分离。作业时，分离滚筒在高速旋转的同时，棉花及杂物在分离爪的拨动作用下，棉花及茎叶随滚筒做高速旋转滚动，在离心力作用下，大部分茎叶等杂质与棉花分离后被抛出，并经瓦板上的栅格落在地表，实现棉花与秆、叶分离。质量较轻的棉花则在风力作用下进入集棉箱。

该分离滚筒研究设计的技术关键在于：分离滚筒的回转直径、工作长度、工作转速、分离爪的排列方式、滚筒与瓦板的间隙及瓦板上栅格的大小等。分离滚筒直径越大，棉花在分离滚筒内有良好的翻动空间，有利于分离棉花中夹杂的秆和叶，但分离滚筒直径过大，会造成棉花捡拾收获机体积庞大，成本增高；分离滚筒长度决定了轴流喂入的棉花通过滚筒路径的时间，滚筒越长棉花通过滚筒分选时间长，杂质分离效果越好，但也会使棉绒的损伤越大[10]。分离爪的排列方式及螺旋导程决定了棉花及所含杂物在滚筒内行进路线、速度，及对含杂棉花的损伤程度。因此，经过设计计算，在有限的空间内选用合理分离滚筒的长度、直径与转速，最终确定为滚筒直径为710 mm，转速为480 r/min，转动线速度5 m/s，长度为2 000 mm。研究小组将分离爪排列设计为多头螺旋线弧形。采用低转速及栅格式瓦板结构。经试验验证，在机具作业前进速度范围2.0 km/h～5.0 km/h时，机具分离效果好，棉绒损伤率低，能完全满足用户的使用需求。

3 试验效果

3.1 作业速度

4MJ-6型棉花捡拾收获机研制完成后，于2021年10月依据标准Q/HNHJ—2021《棉花捡拾收获机》在新疆棉花主产区进行作业试验。试验地块平坦、无沟渠；机播种植方式、行距66 cm、株距40 cm。采籽棉机作业后，对20 m测区进行5次试验，结果如表2所示。根据表2计算出平均作业速度为2.96 km/h，符合设计要求。

表2 作业速度检测结果

3.2 捡净率

4MJ-6型棉花捡拾收获机作业后，在各测区内分别收集田间遗留的籽棉，除杂并称重计量，结果如表3所示。根据表3计算平均捡净率为95.62%，符合设计要求。

表3 捡净率检测结果

3.3 籽棉含杂率

为测籽棉含杂率，从捡拾收获机棉箱分层分区中分5次取不少于1 000 g籽棉样，计量结果如表4所示。根据表4计算籽棉平均含杂率为12.98%，符合设计要求。

表4 含杂率检测结果

棉花捡拾收获机作业前后效果如图2、图3所示，从图3中可以看出作业性能良好，并获得了棉花种植用户的肯定。

4 结语

棉花捡拾收获机采用击打式捡拾滚筒收获，不对行作业可适应不同棉花种植模式，既能对棉株残留棉花进行收获，还能对遗落地表的棉花进行捡拾，捡拾效率高，减少棉花浪费，增加农户收入。该机目前生产样机已小批量投放市场交棉农试用，反映良好，表明本机具有良好的适应性和较强的可靠性，其作业指标已满足农艺要求，具有良好的市场前景，批量投入市场后其经济效益和社会效益会十分明显。