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畢業(yè)論文（設計） 題 目 棉花采摘頭設計 學 院 機械工程學院 專 業(yè) 機械設計制造及其自動化 年級 XXX級 學生姓名 XXX 學 號 XXXXXXXXX 指導教師 XXX 1 棉花采摘頭設計 機械設計及其自動化 學生 指導老師 【摘 要】 棉花生產己經成為農業(yè)中得支柱產業(yè)，近年來，由于勞動力短缺，勞動力價格不斷提高，使用采棉機進行棉花的采收符合棉花生產的現(xiàn)狀。滾筒式采棉機是一種統(tǒng)收式的采棉機，在采摘頭摘錠結構設計上較為新穎。在農業(yè)機械的研究過程中，試驗臺是一種應用廣泛的試驗設備。采用試驗臺對滾筒式采棉機進行研究，有效的避免了田間不確定因素對采摘頭試驗結果的影響，有利于對采摘頭的采摘效果進行定量研究。采摘頭是采棉機的關鍵部件，本文基于采摘試驗臺，通過試驗方法對采棉機采摘頭的采收性能進行研允，通過對數(shù)據(jù)的處理分析采摘頭參數(shù)對采摘性能的影響規(guī)律，完成對采摘頭土;作參數(shù)的優(yōu)化。 本文的主要研究內容如下: 1通過對采摘頭工作原理進行分析 從理論上研究摘錠機滾筒的運動規(guī)律，并結合Adams軟件對摘錠的運動進行模擬分析，應用sQlidwarks的有限a t}分析模塊對摘錠的受力進行了模擬分析，為摘錠的設計制造奠定理論基礎。 2設計制造采摘試驗臺 （1）采集棉株樣本，應用minitab軟件分析棉桃在棉株上的分布規(guī)律，確定采摘滾筒的尺寸參數(shù)，同時對K值及滾筒傾角rx及兩滾筒,_.f}』距D等重要參數(shù)進行研究。 （2）設計試驗臺的輸送系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)等主要部分，完成主要設備的選型。對風送系統(tǒng)的進行了理論分析，結合采摘頭工作過程完成風送系統(tǒng)的設計。 （3）應用V}軟件進行數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計，實現(xiàn)對試驗臺輸送系統(tǒng)及傳動系統(tǒng)的扭矩、功率及轉速的數(shù)據(jù)采集，通過分析采收過程中的扭矩、功率及轉速曲線分析，研究采摘頭的土作狀況。 （4）應用so! id}rorks軟件完成試驗臺的三維建模井進行千涉檢驗，為試驗臺的實際裝配提供參考，對關鍵部件的運動及受力情況進行了模擬分析。 （5）通過性能測試試驗對試驗臺性能進行測試，分析試驗過程中所采集數(shù)據(jù)存在的誤差，對試驗臺的性能進行檢驗。 3試驗研究 ①進行采摘錠材料單因素試驗，分析采摘錠材料對采收效果的影響，為后續(xù)試驗奠定基石出。 ②進行采摘頭運動參數(shù)與摘錠材料正交試驗，確定采收參數(shù)的最有組合井分析各試驗因素對試驗指標的影響。 ③根據(jù)正交試驗結果進行田間試驗，試驗結果:采凈率大于95.20!0 ,含雜率小于25 %。 ④本文研究結果為采摘頭的設計提供指濘意義，在采摘頭的后續(xù)研究提供理論依據(jù)和科學指導。 【關鍵詞】采摘頭，試驗臺，虛擬設計，試驗研究，田間試驗 目 錄 緒論………………………………………………………………………………5 第1章 引言……………………………………………………………………..5 一、課題背景及研究意義…………………………………………………………..5 二、國內外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢…………………………………………………...7 三、研究內容……………………………………………………………….........15 第二章試驗裝置的設計……………………………………………….……….16 一、摘錠運動分析………………………………………………………………...16 二、摘錠運動理論分析……………………………………………………………17 三、摘錠運動軌跡仿真分析……………………………………………………….18 四、采摘錠的受力分析……………………………………………………………20 第三章試驗因素的單因素分析………………………………………………..22 一、試驗儀器設備與材料………………………………………………………….22 二、采樣方法與測定指標………………………………………………………….23 三、試驗目的……………………………………………………………….........23 第四章采收參數(shù)的優(yōu)選及田間試驗…………………………………………..24 一、采摘頭設計參數(shù)和摘錠材料試驗研究………………………………………….24 二、田間試驗……………………………………………………………….........25 3、 采樣方法……………………………………………………………….........25 四、試驗結果分析………………………………………………………………..27 第5章 結論與展望……………………………………………………………..27 1、 主要結論……………………………………………………………….........27 二、展望………………………………………………………………...............28 參考文獻………………………………………………………………………..29 致謝……………………………………………………………………………..31 緒論 大家都知道我們身上穿的各種衣物絕大多數(shù)都源于棉花，棉花能制成各種織物包括高級布料、棉紗和針織品，它既是最重要的纖維作物，又是重要的油料作物，也是含高蛋白的糧食作物，棉花對我們的生活有著非常重要的價值，棉花也是世界上最主要的農作物之一。因此對棉花的產量也便有了要求。 第1章 引言 一、課題背景及研究意義 是我國最大的優(yōu)質棉種植區(qū)。地區(qū)棉花的單產、總產、國內銷售量以及出口量連續(xù)多年在全國位居首位。棉花生產己經成為了農業(yè)中的支柱性產業(yè)。有實現(xiàn)棉花全程機械化的優(yōu)越條件即人均種植而積大，擁有大而積高產連片一棉田和國家及政府相關政策及經濟支持等。日前棉花采收己基本達到機械化水平，但是棉花的采收仍然以手工采收為主，近年來，隨著從內地組織勞力采棉難度加大，同時勞動力價格的不斷上漲各棉花生產區(qū)都存在著不同程度的人力不足現(xiàn)象，棉花不能及時采摘。棉花采收已經成為了棉花產業(yè)發(fā)展中巫待突破的“瓶頸”。采棉機的應用推廣成為了棉花生產的必然趨勢。實施和推廣機械采棉技術，能夠把廣大農止從繁重的體力勞動中解放出來，分流轉移到二、三產業(yè)中去，對于農業(yè)增效、農民增收、切實解決“三農一問題，對建設社會主義新農村具有重要現(xiàn)實意義。采棉機采摘頭根據(jù)工作原理及采收特點，可以分成選收機(摘錠有選擇的采收)和統(tǒng)收機(摘錠無選擇性的采收)2類。其中選收機中，具有代表性的是垂直摘錠采棉機(spindle harvester )和水平摘錠采棉機。統(tǒng)收機主要有滾筒結構(brush-roll stripper)和指桿結構(timerstripper )采棉機。選收式采棉機具有采凈率高、含雜率低、機器適應性好等優(yōu)點，但是該類機型的結構復雜，加工制造困難，制造成本高，收獲成本大，這些問題限制了其大規(guī)模的推廣。統(tǒng)收采棉機的結構相對簡單，采收效率和采凈率較高，收獲成本較低。 目前使用的采棉機主要是以水平摘錠采棉機為主的選收機，這種采棉機雖然工作可靠、性能穩(wěn)定，但由于結構復雜，關鍵部件未能國產化，致使購機成本高、零配件價格高、維修費用高、服務不及時等因素的影響，農民接受不了，大量推廣短期內存在一些困難。當前，在美國南部的平原地區(qū)有一種采收單行棉花的滾筒式結構采棉機得到廣泛的應用，該采棉機的采摘頭摘錠由一組傾斜安裝的滾筒構成，在滾筒圓周上均勻的安裝著毛刷和膠板，這種采棉機的采凈率超過95，含雜率在30%左右。經過HV工檢測系統(tǒng)(大容量棉纖維快速檢測儀器)檢測，滾筒式采棉書L采摘下的籽棉品級和水平摘錠采棉機的品級沒有明顯的差別。統(tǒng)收式采棉機作為選收式采棉機的一種補充，近幾年在得到廣泛的研究。本項目研究對象膠棒滾筒式采棉機結構簡單，土作部件價格低廉，以采棉機關鍵性能指標—采凈率、總含雜率作為評價指標，開展對其影響因素的試驗研究，綜合評價各因素對采摘性能影響程度，達到優(yōu)化采摘頭關鍵結構及工作參數(shù)的目的，對膠棒滾筒式采棉機采摘頭的設計其有重要的意義 二、國內外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 國外選收機研究現(xiàn)狀 日前，國外采棉機上的采摘頭摘錠形式主要有2種:滾筒式水平摘錠以及垂直摘錠。在美國應用較為廣泛的是滾筒式的水平摘錠采棉機，該機型的采摘頭主要是由采摘室、水平摘錠采摘滾筒、淋潤器、脫棉盤、扶導器、集棉室及傳動系筒等部分構成。每組采摘頭配兩個滾筒，安裝前后相對或一側排列兩種方式配置，把摘錠成組的安裝在摘錠座管體上而，傳動主軸安裝在摘錠，每個座管體內安裝一套，其作用是帶動相應摘錠進行旋轉，摘錠座管體總成均勻配置在滾筒圓上，同時在摘錠座管上安裝帶滾輪的曲拐。采摘滾筒做圓周運動時，滾筒與摘錠座管“公轉”，與此同時每組摘錠也在“自轉”。上作過程中，由于摘錠座管上的曲拐滾輪嵌入到滾筒上方的浮向槽內，在滾筒旋轉時，拐軸滾輪按照其特定的軌道曲線運動，而摘錠座管總成進行擺動一旋轉運動，使成組摘錠都在與棉行成直角的狀態(tài)下進出采摘室，并以適當?shù)慕嵌韧ㄟ^淋潤器和脫棉器。采摘室內，摘錠上下、左右的間距一般設計為3Smm，呈正方形方式排列，以包圍棉鈴，由柵板和擠壓板組成采摘室。水平摘錠式采摘部件的特點主要有:摘錠多，布局介理(每組288至48。個)，摘錠與棉鈴的接觸面積大，采凈率達到95 }o;適應性強，對棉花株形大、分枝多、結鈴較分散的棉株也能達到較高的采凈率;水平摘錠工作區(qū)域比較寬，對棉株 的擠壓力小，棉枝、棉葉和鈴殼不易被壓碎而粘附在棉纖維上，因此，棉花的含雜率在8%以下[[33]0垂直摘錠式采棉機和水平摘錠式采棉機的主耍區(qū)別在于:垂直摘錠式采棉機的摘錠是垂直安裝的，其采棉部件主要由摘錠、垂直摘錠滾筒、脫棉刷輥、扶導器及傳動機構等組成。每個采摘頭有四個滾筒，安呈前后成對方式排列，每個滾筒上有巧個摘錠，摘錠為圓柱形，侮組}l根，摘錠上有4排齒，直徑約2}IT1II1(長絨棉摘錠3 C)mm) o每對滾筒的相鄰摘錠呈交錯相間排列，摘錠上端有傳動皮帶槽輪，在采棉室從外側團定皮帶傳動，滾筒旋轉方向與摘錠旋轉方向相反，摘錠為圓柱形，表面有幾條縱槽，棱邊上有齒，摘錠齒迎著棉株轉動方向進行采棉。每對滾筒之間留有26至30~的上作間隙，形成采棉工作區(qū)。土作過程中，摘錠用齒鉤住開放的棉花纖維，并將其纏繞在摘錠桿上，隨后摘錠和脫棉器相遇進入脫棉區(qū)。在脫棉區(qū)內，摘錠上端槽輪由內側固定皮帶傳動從而使摘錠反向轉動，使摘錠上的錠齒拋送出籽棉瓣從而實現(xiàn)脫棉。垂直摘錠式采棉部件的主要特點是:棉株被兩個滾筒擠壓在1至3 mm的采摘間隙中，其結構較水平摘錠式采摘部件簡單，容易制造，制造成本低，適宜一于采摘棉鈴集中、分枝少而短、株高低于$Omm的棉花。垂直摘錠的有效土作區(qū)比較小，棉花的采凈率及工作效率較水平摘錠要低1 L7%至15%，采收籽棉含雜率的為8%一16%,落地棉為10%一12%，對棉 株損傷較大?？偟膩碚f，前蘇聯(lián)的垂直摘錠式采棉打L結構和原理相對來說比較簡單，制造方便，成本低廉，采棉作業(yè)各項指標較之水平摘錠式采棉機也比較低。而美國的水平摘錠式采棉機結構比較復雜，制造工藝水平要求較高，價格也更昂貴。隨著科學技術的不斷發(fā)展，自上世紀80年代開始，在美國等發(fā)達國家，自動及半自動的專用生產設一備及工藝對摘錠等關鍵部件的生產加上取得了巨大的改進，降低了生產成本，同時也縮短了生產周期。因水平摘錠式采棉機采摘質量更好，土作效率高，在實際生產中應用更為廣泛。在國外，通過對各種摘棉器的試驗和研究，得出了滾筒式水平摘錠式摘棉器效果最好的結論此外，還有關于氣流式采棉機和摘棉鈴機的一些研究，但由于這些機型功率損耗大，采收的棉花含雜率高而采棉效率低，至今還沒有在生產上進行推廣。 美國研究現(xiàn)狀 梳齒式采棉機與摘錠式采棉機出現(xiàn)于同一時期，由于當時棉花清理加工技術的滯 后，致使梳齒式采棉機發(fā)展緩慢，在采棉機市場逐漸以摘錠式采棉機為主。梳齒式采棉 機改變了原有采棉機的采摘臺，其結構簡單、購置成本及使用維修費用低，無需專門的 配備設施，大大降低了棉花收獲成本。 1920年美國最早研制的梳齒式采棉機，是采用馬或者騾子拉動的單行木質收獲機 械。該結構采用錐形開口。當棉株通過錐形開口時，錐口將棉株上的棉鈴連同棉葉、棉 枝擼掉。棉花含雜質較大，嚴重時雜質占總收獲量的50%左右。 20世紀60年代，梳齒式采棉機是為了解決窄行距棉花的機械收獲而發(fā)展起來的，在 70年代初開始有商品問世，它也可用于一般行距的棉花，機型多數(shù)為自走式。其工作原 理為：當機器前進時，梳齒向上穿過棉株，每棵棉株都被強制通過相鄰兩齒間狹小間隙， 常用間隙為16mm左右，梳齒后端下方的一個小直徑翅片滾輪對棉株施加一個向下的的 拉力，使不能通過間隙的棉鈴脫離棉株，由梳齒上方的撥棉鈴器撥到后面的橫置雙向螺 旋輸送器內；兩側的螺旋輸送葉片將摘下的棉鈴向中間輸送，然后向后經撥送輪送入一 個較短而轉速較高的螺旋輸送器，由此進入氣流輸送系統(tǒng)，其中的上升氣流將成熟的籽 棉吸走并送入棉箱，較重的未開青鈴則從氣流中下落，由青鈴分離器落入青鈴箱或排到 地上 。 20世紀中期，美國研制出多種采摘棉花的機械，其中毛刷滾筒結構和梳齒結構兩種 一次性采棉機尤為盛行。毛刷滾筒結構采棉機是由若干毛刷和刮板組成的商業(yè)化采棉 機，其在堪薩斯州南部、俄克拉荷馬西部等地廣泛使用，另外德克薩斯州85%收獲的棉 花是采用毛刷滾筒結構采棉機。在梳齒結構采棉機研究上，JohnDeere 公司JD7460 八行自走式采棉機是這方面的代表，該機作業(yè)速度0～6km/h，采凈率97%以上。20世紀 70年代JohnDeere公司制造的33型牽引式梳齒式采棉機和International Harvester 公司生 滾筒摘錠式采棉機采摘頭結構優(yōu)化設計 3 產了1076型自走式梳齒式采棉機。 此外，在對一次性采棉機研制的基礎上，美國農業(yè)技術人員對采棉技術適用條件也 進行了大量研究并在主要植棉區(qū)做了對比試驗。在德克薩斯州的試驗表名，該地區(qū)的棉 花品種用摘錠式采棉機的采凈率為76%，遠不如在其它地區(qū)的91%。對毛刷滾筒結構采 棉機采摘棉花質量的研究表明，與水平摘錠相比，使用高精度儀器檢測HVI時，在棉花 主纖維和纖維的強度、長度、均勻度等方面，差異并不明顯。使用高級纖維信息系統(tǒng)AFIS 檢測結構表明，毛刷滾筒結構采棉機收獲的皮棉質量劣于摘錠式，主要是由于過多的外 來物質、棉結、不成熟纖維和短纖維。盡管摘錠式采棉機收獲的棉花質量更高，但其價 格昂貴，保養(yǎng)困難。 毛刷式滾筒結構采棉機在使用中也暴露出許多問題。采棉機在工作中，連同籽棉一 起，收入了大量雜質(15%～25%) 。雜質包括鈴殼、枝稈、細雜(葉屑和土渣)。雖然可 以通過采棉機上的清雜裝置清除大部分雜質，但是雜質中包含的枝稈在軋花過程中會導 致棉稈皮的脫落，污染皮棉，使其品級降低，給棉農造成損失。研究還表明，機器作業(yè) 時，其前進速度高于5km/ h時，籽棉中棉花枝稈和棉株表皮的含量就會增加，導致棉花 品級降低。 在對采棉機械研究的同時，美國和前蘇聯(lián)在20世紀20-50年代對棉花物理機械特性 進行了大量研究。結果表明，對棉花的物理機械特性進行詳細地研究是正確設計棉花收 獲機的必要條件，是機械收獲棉花的理論依據(jù)，因為采下的棉花不能夠被破壞，如棉籽 破裂、纖維扭曲或扯斷等，而棉花的混雜率應力求降低。棉花品種不同，其結構、形態(tài)、 機械特性也不同，這就給機械采棉造成各種難易不同的問題 ，而采棉機的發(fā)展歷史正 是這些問題不斷被解決的過程。 盡管梳齒式采棉機結構較摘錠式采棉機簡單，價格低廉，使用維修費用低，但仍需 恰當?shù)氖斋@條件，即棉花落葉水平、棉稈的直徑、棉株高度和寬度及棉稈含水率等因素， 這些因素決定了合理的機械調整。維持和調整合理的梳齒間距對提高棉花收獲效率和保 持棉纖維至關重要。 阿根廷研究現(xiàn)狀 據(jù)資料顯示，作為棉花種植面積大、采棉機械化程度較高的阿根廷從20世紀40年代 就開始了棉花收獲機械化技術研究，面向用戶為中小規(guī)模棉花種植戶，采取不對行采摘， 設計理念也迥異于美國等摘錠式采棉機“機械手”概念。2006 年，由阿根廷國家農業(yè) 科學院設計、DOLBI公司生產的JAVIYU梳齒式采棉機，是一種新型的棉花采摘機械， 即將籽棉、青鈴、枝葉等收回，并自帶簡易清花設備，可將大部分枝葉分離清選出。 此外，該機結構與美國梳齒式采棉機類似，具有結構簡單、造價低的特點。 國內研究現(xiàn)狀 棉花是我國的主要經濟作物。近幾年，我國棉花種植面積穩(wěn)定在533公頃，我國的棉花主要產區(qū)為長江棉區(qū)、黃淮棉區(qū)和棉區(qū)。棉花產量維持在每年400萬t的水平。棉花種植的主要作業(yè)環(huán)節(jié)均已實現(xiàn)機械化，但棉花收獲目前仍基本由人工采摘。人工采摘棉花是需要彎腰和肢體屈伸的勞動，從勞動強度看，人工采摘是棉花生產中一項勞動強度非常大的農事活動。然而令人遺憾的是，我國棉花收獲機械的發(fā)展極慢，棉花收獲幾乎完全由人工完成，少數(shù)地區(qū)的大型采棉機也多為國外引進。人工采摘不僅勞動強度大，生產效率低，而且生產成本高。顯而易見，人工采棉已不能適應棉花生產大發(fā)展的需要，加速發(fā)展機械化采棉技術，促進棉花生產向全程機械化邁進，是實現(xiàn)棉花生產向“低成本、高效益、外向型、大規(guī)模”發(fā)展的必由之路。石河子開發(fā)區(qū)福順安防電器科技有限責任公司開始研制滾筒式軟摘錠采棉機。采棉 機軟摘錠，用彈性橡膠材料制做，表面有橫向凸起的條紋。其工作原理是：在機器前進 的過程中，棉花經過采摘頭前部導棉區(qū)受到擠壓后進入采棉區(qū)，采摘滾筒上的軟摘錠對 滾筒摘錠式采棉機采摘頭結構優(yōu)化設計 4 采棉區(qū)內部的棉花進行梳刷抽打，利用軟摘錠對吐絮棉梳刷抽打過程中制造的離心力， 以及軟摘錠對棉纖維的勾掛和橡膠棒的粘附作用，將吐絮棉從棉株上梳刷脫離，脫下的 棉花被甩入采摘頭側面風道，由風力通過采摘頭后部的集棉管道輸送到集棉箱，實現(xiàn)采收。 目前存在的主要問題是： (1) 機器性能不穩(wěn)定。 經過幾年的研制，生產了幾種樣機， 積累了一定的經驗，但是由于理論研究不足，使得試制出來的樣機性能不穩(wěn)定，不能實 現(xiàn)持續(xù)大面積作業(yè)。 (2) 試驗周期長。 由于棉花是一種季節(jié)性作物，在自治區(qū)內屬于 一年一熟，受其生物特性的影響，使得機器下地試驗周期長，試驗時間短，嚴重制約了 機器的研制進度。 設計棉花采摘機需滿足的基本條件： 第一，對采摘棉花質量的保證，相比手工采摘棉花時的質量如何，能否符合紡織的要求。 第二，采摘的同時不損傷棉珠、青鈴等棉花本身的部分。 第三，機型本身是否結構簡單、易操作和制造，造價低等優(yōu)秀的工藝和特性。 中國是世界棉花產量大國也是棉花消費大國，棉花的種植面積可達550萬公頃，主要種植區(qū)在、山東、湖北、湖南、江蘇等地，這些棉花種植區(qū)種大面積集中種植和其特殊的天氣條件引進了大型的國外棉花采摘機，這些大型采摘機多數(shù)都非常昂貴，且對種植本身和地形有一定的要求，難以普及實現(xiàn)棉花收獲的機械化。在國內與大型棉花采摘機相比小型棉花采摘機更適合我國棉花種植的基本現(xiàn)狀，小型棉花采摘機對地形和種植以及棉珠沒有特殊的要求，其適應性強。在我國有90%的棉花為人工采摘，人工采摘勞動強度大，采摘效率低，嚴重制約了棉花產業(yè)的機械化進程。小型棉花采摘機的效率是人工采摘的3-4倍，而且小型采摘機的成本低。 從上世紀5C1年代初開始，的棉花生產機械化開始起步，主要依賴引進前蘇聯(lián)設備技術和設備。1852年，引進4SM型單行和垂直摘錠式CXM-48型兩款前蘇聯(lián)采棉機，在1959年又引進雙4行采棉機，進行地域適應性試驗。但由于在使用采棉機采收時，所采收的棉花含雜率高，采棉機結構復雜，同時沒有完善的清花設備，改采棉機未能在實際生產中得到推廣口“]。1971年兵團根據(jù)棉花生產的需要，在農七師重新成立了機器采棉試驗研究小組，提出了使用氣吸外加機械采摘棉花的設想。由于上作過程中生產效率較低，用來采收的滾筒鋸齒會對棉株造成嚴重的損傷而放棄研究娜〕。1972至1973年間，生產建設兵團農七師采棉機研制小組在參考國外資料的基礎土，對初步的研究結果進一步改進，研制了一種氣吸振動式的分次采棉部件，在試驗臺上進行了b0多次室內試驗，取得了較好效果，但是該項研究僅僅是局限在原理性部件的研究階段，沒有進行更深入的改進}}'3 0 1995年，農機化研允所與美國約翰迪爾公司在農二師進行了試驗，該試驗使用鐵牛型拖拉機作為動力，采用雙行后懸掛方式，在右側布置水平摘錠式采摘頭，該機一可采收以50+3}cm寬窄行為種植模式的棉花。試驗表明，機器有比較高的采收性能，但同時對棉株會造成損傷現(xiàn)象，而且采棉部件的尺寸較寬，使得機器的總體布置困難，只能進行隔行采棉，從而造成撞落棉較多。美國相關資料顯示，該型號采棉機的采凈率可達95%-98%,含雜率低于8%，作業(yè)速度可以達到5.fikm"h-1 Ea,-4}t o 2004年，公司生產出我國第一臺貴航}M}-S型自走式采棉機，并在石河子墾區(qū)部分團場進行試采井獲得成功。月前這種采棉機已通過國家農機鑒定總站的鑒定，技術指標達到了世界先進水平[f}}-5?l。生產率O.b7- l .Ohrn.h2,采凈率為95 %，作業(yè)速度5.61-5.77km.h-1，含雜率m o}n。針對滾筒式軟摘錠采棉機各系統(tǒng)的研究，主要對滾筒式軟摘錠采摘頭進行了研究，介紹了其設計過程;FS4M-2R型采棉機進行了設計，闡述了這種軟摘錠采棉機的基本結構和工作原理，介紹了各組成部分的設計，井進行了試驗分析【sad葉偉等02009)對采摘物進行輸送系統(tǒng)進行了設計，井對風送流場進行了分析;馬娟等02010)針對滾筒式采摘頭的設計與研究，建立了滾筒的運動方程，討論了k值和滾筒摘錠材料的選擇本文研究的是一種滾筒式結構的采棉機，該采棉機的采摘頭摘錠結構比較新穎，是由一對滾筒和在安裝在滾筒上的柔性橡膠棒構成。采摘頭采摘時，快速旋轉的膠棒對成熟的棉鈴進行多次梳嚕和掃一擊，完成對棉花的采摘。該結構可以非常有效的避免一斷棉枝和采摘上未成熟的棉鈴。這種摘錠的采棉機在國內和國外都未見相關研究報道。通過在地區(qū)的試驗表明，該機其有很好地采收性能。本課題研究的意.義在于通過搭建試驗臺架，采用正交試驗的試驗方法，改變采摘頭滾筒的轉速、采棉機的行走速度以及采摘頭滾筒上的軟摘錠排列規(guī)律這幾個參數(shù)，再抽樣測量所采棉花的采凈率和含雜率，從而確定最佳的采棉機滾筒轉速、采棉機行走速度以及摘錠的排列規(guī)律;為采棉機采摘頭的優(yōu)化設計提供理淪依據(jù)。 三、研究內容 采摘性能試驗臺的搭建 （1)利用SolidWorks軟件設計試驗臺井建立其三維模型，對其結構進行靜、動態(tài)干涉檢杳，模擬仿真其運動、動力學特性。 (2)設計采摘試驗臺數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實現(xiàn)采摘試驗臺功率、轉速、扭矩等數(shù)據(jù)的采集，開發(fā)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件。 （3)設計采摘試驗臺控制系統(tǒng)，實現(xiàn)傳送帶行走速度、滾筒轉速和風機轉速的調控。 試驗研究 （1）各試驗因素及水平的確定。 （2)單因素試驗研究，確定各因素對采摘質量(即采凈率、總含雜率)影響的顯著程度，并考察其對采摘作業(yè)消耗功率的影響。 (3)多因素試驗研究。 (4)分析試驗數(shù)據(jù)，再通過試驗驗證實現(xiàn)采摘頭的參數(shù)優(yōu)化。 通過搭建采摘頭試驗臺，采用控制系統(tǒng)實現(xiàn)傳送帶速度、滾筒轉速以及風機轉速的調控，利用智能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)監(jiān)測試驗臺的功率、扭矩、轉速等數(shù)據(jù)，研究膠棒滾筒式采棉機采摘頭結構參數(shù)、土作參數(shù)對采摘質量一一采凈率、含雜率的影響規(guī)律。以期實現(xiàn)對采摘頭結構及上作參數(shù)的優(yōu)化，提高膠棒滾筒采棉機采摘質量。 研究方法 技術路線 試驗方法 （1）總體試驗方案 （2）各影響因素的單因素及多因素試驗研究。 （3）試驗數(shù)據(jù)采集 利用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集滾筒轉速及傳送帶速度等數(shù)據(jù)。 采凈率和含雜率進行采摘試驗后，依據(jù)相關標準，通過采集樣本，分別測量采凈率和含雜率。 回歸方程的擬合使用相關數(shù)據(jù)處理軟件依據(jù)試驗數(shù)據(jù)進行回歸方程的擬合。 數(shù)據(jù)分析對試驗數(shù)據(jù)分別進行方差分析、試驗參數(shù)單因素和多因素影響規(guī)律分析。 參數(shù)優(yōu)化依據(jù)試驗結果進行試驗驗證，對采摘頭參數(shù)進行優(yōu)化。 第二章試驗裝置的設計 一、摘錠運動分析 滾筒式采棉機采摘頭的摘錠是由一定直徑的滾筒和其上按一定形式排列的數(shù)百個摘錠組成，工作時，滾筒與地而成一定角度，自下向上對棉株進行打擊，棉花在摘錠的韻一擊力作用下從棉殼中被帶出。摘錠作為采棉機的關鍵部件，其轉速及對棉花的打擊力對棉花的采收有重要的影響，對摘錠運動及受力進行分析有重要的意義。圖2-1為采摘頭結構圖。 二、摘錠運動理論分析 采棉機土作時，斜置的膠棒滾筒一而旋轉，一而隨采棉機前進，因此膠棒任意一點運動的絕對運動V是該點繞滾筒回轉軸旋轉的圓周線速度咋和采棉機作業(yè)速度Vm在這一點兩種運動在其矢量平而內的合成，其軌跡為該點旋轉圓沿前進方向拉伸構成的橢圓柱而_L的螺旋線，其矢量平而為過該點橢圓柱而的切平而。如圖2-2所示，圖示為采摘頭右側膠棒滾筒，旋轉方向順時針。 設膠棒初始位置在}Y平而內，膠棒端點A點的參數(shù)位移方程 膠棒端點絕對速度的大小v為 其中Rr}= v}是膠棒端點的圓周線速度，令K=Rr}l}},則式(5)可表示為 K為膠棒端點圓J}J線速度與采棉機作業(yè)速度的比值，又稱采摘頭采摘速比。K的大小對膠棒掃’擊棉鈴的土作角度、運動軌跡及采摘頭上作狀況有重要的影響。由于滾筒安裝角度一般為，300，且當膠棒運動到采摘區(qū)水平位置時，此時sinr}}二一1，式(6)可簡化為 極位夾角θ=70。取 αal =60。根據(jù)公式 (12) P0=c/a p1=-m/n p2=(m2+n2+1-1)/2n 由此可算出 計算齒輪傳遞的力矩 査資料可得齒寬系數(shù) ∮d=1 査表可得材料的彈性影響系數(shù) ZE =189.8 MP 按齒面硬度査得齒輪的接觸疲勞強度極限為KHN =550MPa 計算應力循環(huán)次數(shù) N = 60njL=1.574xl0 計算接觸疲勞許用應力 取失效概率為1%，安全系數(shù) S=1 由上可得 計算齒輪與齒高之比b/h 己知角速度，可以求出圓周速度為 模數(shù) 齒高 計算載荷系數(shù) 根據(jù)v=9.04m/s , 7級精度，查表的動載系數(shù) 按齒根彎曲強度計算 因齒輪比符合要求的最小齒輪大很多，固無須彎度強度計算。 三、摘錠運動軌跡仿真分析 SolidWork、軟件是專門針對機械行業(yè)而開發(fā)的一款三維CAD軟件，它提供非常強大的參數(shù)化和基于特征的實體造型技術，在機械設計和模型設計行業(yè)都得到了很廣泛的使用。能與ADAMS , ANSYS等多款軟件良好的結合起來進行建模和仿真。將其應用于產品的開發(fā)設計當中，能在產品設計的.甲一期階段進行虛擬運動仿真從而找出設計可能存在的問題，在提高土作效率的同時，也能夠降低產品設計成本，方便人們進行產品信息交流。利用SolidWorks軟件及其CDSMDSMotian插件模塊制作滾筒摘錠模型及其運動動畫，可以真實顯現(xiàn)摘錠_L作時的過程和運行狀態(tài)，在一定程度上反映了滾筒摘錠的真實運動情。 本次仿真的滾筒與地而所成的角度為30"i由此應用solidworks運動模塊仿真的軌跡及其質心的各運動參數(shù)如圖2-3所示。根據(jù)實際作業(yè)的需求取，和時，滾筒取不同轉速時的軌跡曲線，如表2-1所示: 由公式K=Ac}IVz,通過公式轉換可知K=2n}RJ6flvt，取R= I}f3mm，如圖2-4。在表4-1中:隨著速比系數(shù)K的增大，摘錠相對于地而軌跡的扣環(huán)寬度逐漸增大，當扣環(huán)寬度增大時，摘錠對棉桃的有效打擊次數(shù)逐漸增加。但是當扣環(huán)寬度過大時，就會造成對棉株的過度打擊，棉葉棉枝等雜質的數(shù)量增加造成含雜率上升。在保證采棉機作業(yè)質量和生產率的情況下，K值的取值范圍一般為5 ---12，膠棒滾筒轉速在 400!--55d r.mir} } ,其體大小應由試驗確定 2.1.4摘錠的速度及加速度 四、采摘錠的受力分析 ANSYS軟件是融結構、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的大型通用有限元分析軟件。由世界上最大的有限元分析軟件公司之一的美國ANSYS開發(fā)，它能與多數(shù)CAD軟件接口，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換，如ProfEngineer, NASTRAN, Alo}or, I一DEAS,AutaCAD等，是現(xiàn)代產品設計中的高級CAE土其之一。結構靜力分析和結構動力學分析是AN5 YS軟件提供的兩種分析類型，結構靜力分析用來求解外載荷引起的位移、應力和力。靜力分析很適合求解慣性和阻尼對結構的影響并不顯著的問題。ANSYS程序中的靜力分析不僅一可以進行線性分析，而且也可以進行非線性分析，如塑性、蠕變、膨脹、大變形、大應變及接觸分析。結構動力學分析用來求解隨時間變化的載荷對結構或部件的影響。與靜力分析不同，動力分析要考慮隨時}}J變化的力載荷以及它對阻尼和慣性的影響。ANSYS可進行的結構動力學分析類型包括:瞬態(tài)動力學分析模態(tài)分析、諧波響應分析及隨機振動晌應分析。下而是摘錠選擇橡膠和尼龍材料時應力分析結果，如下: 第三章試驗因素的單因素分析 一、試驗儀器設備與材料 試驗所需儀器設備:加拿大CPL-M570K CMOS高速相機(拍攝速度5200幀/秒)、南京冉控RI}L3bL35L3型扭矩傳感器(量程}-50 N-m，度}--C3.15-1C}.25 F} S )、南京冉控RK060200型扭矩傳感器(量程1200 N- m,精度10.5-11 0IoF} S ) , Scout.Pro.SPS402F電子天平(量程bOfl}，可讀性O.OIg,線性誤差1-0.()1g)、變頻器、采摘試驗臺等。 試驗工具: 鑷子、托盤、電子秤、修枝剪、溫濕度計等。 試驗選用石河子總場種植的棉花品種中棉293，此塊棉田采用66cm+ 1 f}cm的寬窄行種植模式。 二、采樣方法與測定指標 試驗性能指標:采凈率、含雜率(參照農業(yè)部發(fā)布的《中華人民共和國農業(yè)行業(yè)標準一采棉機機作業(yè)質量》(NYIT 1133-2(l}lb))。 本試驗選用石河子14fi團種植的棉花，品種為中棉293，此塊棉田采用bbcrn+l f3cm的寬窄行種植模式(適應機械化棉花收獲)，抽樣測量顯示棉花平均高度為724mm ,采樣時吐絮率大于8()0}0，脫葉率大于800,籽棉產量3401 kgf畝。 在采收前測定采收區(qū)域的棉株數(shù)及開裂棉鈴總數(shù)，計算出開裂棉鈴的籽棉總質量。潔理自然落棉及地上枯枝。采收后收集撞落棉、掛枝棉及漏采棉，分別稱重。按公式分別計算: 式中:f為采凈率，%;W:為撞落在地的籽棉重量， 收的開裂籽棉質量，g; W:為掛在棉株上的籽棉質量g;}I為遺留在鈴殼內米被采為開裂棉鈴的籽棉總重量，}.z摘錠材料的單因素試驗分析 三、試驗目的 為研允摘錠材料對采摘頭采收效果的影響，使用單因素試驗方法進行試驗，對試驗 結果進行方差分析，為后續(xù)研究提供試驗依據(jù)。方差分析表3-1表所示。 第四章采收參數(shù)的優(yōu)選及田間試驗 一、采摘頭設計參數(shù)和摘錠材料試驗研究 試驗研究目標 試驗日的是考察和分析采摘頭滾筒轉速、機器作業(yè)速度和摘錠材料對采收性能(采凈率、含雜率)的影響規(guī)律，為進一步研究采摘頭的結構參數(shù)和性能提供依據(jù)。 試驗儀器設備與材料 試驗所需儀器設備:加拿大CPL-M570K CMDS高速相機〔拍攝速度5200幀/秒)、Scout.Pro.SPS}OZF電子火平〔量程600g，可讀性O.OIg,線性誤差a-Ul.()1 g )、變頻器、采摘試驗臺等。 試驗選用石河子總場種植的棉花品種中棉293，此塊棉田采用66cm}- l Ocm的寬窄行種植模式。 試驗設計 正交試驗方法在農業(yè)機械的研究過程中具有廣泛的應用[[}3-}}}。本文采用正交試驗方法進行試驗，正交試驗設計是多因素分析的有力上具[77〕0采用正交試驗方法，在研究每個因素對試驗結果影響情況的同時，還可以得到影響指標的主次因素和‘已們之間的交互作用關系，從而得到其中的最優(yōu)水平組合。設計正交試驗方案簡單方便，但卻可以用較少的試驗次數(shù)得到最多的信息[[}s}。正交試驗設計使用正交表來安排試驗，進行數(shù)據(jù)分析 正交試驗法，由于安排的試驗其有較強的代表性，能夠較為全而地反映各因素水平對指標影響的大致情祝，因而是最廣為應用的一種試驗設計方法。本試驗采用正交試驗設計的方法對采摘頭采收性能進行試驗研究。 采用正交試驗設計安排試驗，根據(jù)上一章節(jié)對采棉機采收效果的影響因素的分析，選取兩滾筒轉速、作業(yè)速度和摘錠材料為三個因素。 二、田間試驗 試驗目的 本次試驗的目的是對采摘頭采收參數(shù)優(yōu)化結果進行檢驗，同時對樣機進行性能測試。 三、采樣方法 取樣 隨機選取一地塊，沿地塊長度方向對邊的中點線連十字線，把地塊化成4塊，隨機選取對角的2塊作為檢測樣本。 檢測點位置 沿檢測樣本的對角線，從地角算起以1r4, 3r4點處作為測點，確定出4個檢測點的位置再加上兩個檢測樣本的焦點。 各監(jiān)測指標的計算 采收前在檢測樣本內臨近測點的區(qū)域內選取5點，每點不少于2m2，測定該區(qū)域內所有棉株數(shù)及各開裂棉鈴數(shù)，手工采摘開裂棉鈴井稱重，計算出開裂棉鈴單鈴重。求5點的平均值得出檢測地平均開裂棉鈴的單鈴重。沿前進的行程劃出一定的長度，使檢測而積大于5m2。在采收前}1定該區(qū)域的棉株 數(shù)及開裂棉鈴總數(shù)，計算出開裂棉鈴的籽棉總質量。清理自然落棉及地上枯枝。采收后收集撞落棉、掛枝棉及漏采棉，分別稱重。 試驗淮備 (1)試驗條件調查:了解所選棉田地勢、坡度及土壤類型、行距、地膜覆蓋寬度、雜草種類、密度及高度等。 (2)作物調杳:了解棉花的品種、每畝株樹、株距、自然高度、倒伏率、最低棵枝高度、每株平均棉桃數(shù)，每個棉桃籽棉平均質量，噴灑脫葉劑的時間，脫葉率，棉花n-I率及估測單產等。 (3)作業(yè)性能試驗:性能試驗的主要內容包括機具的主要技術參數(shù)及各主要部位的調整數(shù)據(jù)。 試驗過程 試驗時間為2011年10月11日。試驗地選擇石河子總場4分場6連17-2號條田。條田東酉向長800米，東高西低，坡度5-7%o，地形較平坦，而積15畝。天氣晴，氣溫lfl--}25 0C，風力小于3級。棉花品種是297-5 0采收前于9月7日噴施脫川一劑，脫葉率90%以上，棉花成熟度0_85 0棉田雜草主要是田旋花、灰黎、野漿果等平均高度40cm 0棉花平均高度61 cm,最高$5cm，最低果枝高度平均18cm}試驗地符合采棉機的適應范圍，其有一定代表性。 試驗地和作物調杳:在作業(yè)質量測定前進行。在試驗區(qū)內對角線選取5個測點。測定區(qū)確定:在條田長度范圍內，上行和一下行各取三個測區(qū)，每個測區(qū)長5(1m, `'}}},1J區(qū)f'}J隔1 OOm o測定點確定:在每個測區(qū)內取2個測點，每個測點取單行長度4.4rn，測點間隔15mo試驗時，設定采棉機的行走速度為2.8km"h-} ,采摘滾筒的轉速為4DC1 r"mir} } ,滾筒單位長度上安裝的摘錠數(shù)量為25個。試驗開始后，開始測定數(shù)據(jù)。 采前測試:檢測點內自然落地棉全部收盡，稱重;并分別記錄n-1絮棉，半開棉及青鈴個數(shù);記錄測定點內棉株數(shù)。 采中測試:測試并記錄每一測區(qū)內的機組作業(yè)速度。 采后測試:分別記錄掛枝棉、遺留棉、落地棉及未采下的青鈴數(shù)，計算出采凈率和總損失率。 在棉箱內取9個棉樣，每個樣本取lk}，分別送泉水地加上廠、13Z團3和石河子加土廠軋花，樣品送石河子纖維檢驗所和銀力棉業(yè)纖維檢驗所測試，雜率。營加上廠。計算出含。 四、試驗結果分析 試驗后的結果分析如下: 采凈率達93%以上，總損失率小于3%,含雜率為22.6%。機器的作業(yè)速度最高為2.8km}h-1，最低為1.7km}h-1，平均為2.25km}h-1。此時單個采摘頭的生產率為1.4畝/小時。 第6章 結論與展望 一、主要結論 本文結合滾筒式采棉機的采收原理，采用虛擬設計方法，對試驗臺重要部件進行虛擬分析，完成采摘試驗臺的設計，虛擬設計方法在采摘試驗臺的設計其有重要的作用。 通過試驗方法對影響采摘頭上作性能的因素進行分析，采用單因素試驗，正交試驗，試驗優(yōu)化分析等方法對影響采摘頭采摘性能的關鍵參數(shù)進行了優(yōu)化，試驗結果說明采用試驗設計的方法對采摘頭的上作參數(shù)進行優(yōu)化是切實有效，合理可行的，是研究采摘頭上作性能的一個止確的方向。 (1)在現(xiàn)有研究的基礎上，根據(jù)試驗要求，設計采摘頭采收綜合試驗臺。 C2)對機采棉品種巾棉293和48 C3)輸送帶傳動系統(tǒng)的設計:設計輸送帶滾筒直徑} =32C}mnz。b棉桃分布做出分析: (4) 通過單因素試驗分析摘錠材料對采摘頭采收性能的影響: C5)田間試驗表明，采棉機的行走速度為2.8km-h-} ,采摘滾筒的轉速為4C3D r} min-} ,滾筒單位長度上安裝的摘錠數(shù)量為25個時，棉花采凈率達93%以上，含雜率為22.600 0 二、展望 本文使用虛擬設計方法對采摘試驗平臺的設計提供依據(jù)，采用試驗方法對影響采棉的重要參數(shù)與采摘頭的采收效果之間的關系做了相應的研究。然而采棉機采摘頭的研究是一個復雜的系統(tǒng)土程，采摘頭的采收性能受到諸多因素的影響，采摘頭所使用的材料、不斷變化的作業(yè)環(huán)境、不同的作業(yè)參數(shù)等因素都會對采棉機采摘頭的采收效果造成},響。同時對采摘頭部分參數(shù)所做的埋淪分析還處在起步階段、計算機虛擬設計在設計中所其的作用也沒有充分發(fā)揮，試驗臺的功能也需進一步完善，這些問題在以后的研究中需要進一步深入探討。主要集中在以下幾點。 <1)對摘錠的研究主要是在靜力學方而，摘錠與棉花的相互作用是一個動態(tài)們一擊的過程，要準確的分析摘錠與棉花接觸時的受力情況，需對摘錠進行動力學分析。 C2)采摘頭具有調節(jié)輸送帶速度、滾筒轉速、采集扭矩功率等數(shù)據(jù)的功能，但其控制沒有實現(xiàn)自動化和智能化，在以后的研究中需進一步完善其功能，如試驗臺運轉以后，如果采摘頭內發(fā)生擁堵現(xiàn)象一導致傳送帶受阻時，系統(tǒng)不能將信息反饋到控制裝置，機器也不會自動停!卜上作。 (3)影響采摘頭采收性能的因素很復雜，如空氣的濕度、溫度、棉花的品種、采收時間等因素都可能對采收效果產生影響，在后續(xù)的研究中，對可能影響采收效果的因素所做的研究需要進一步完善。 參考文獻 [1] 樊建榮.采棉機的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢.機械研究與應用 2011.-0001-04. 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