棉秆收获机设计

前言棉花是我国的重要经济作物，目前，全国棉花种植面积600万hm2,每年棉秆产量约为3000万t。

按1t棉秆相当于0.4 m ，林木用于制造纸浆量计算，若能全部利用，每年可节省林木资源12万m3，如此大的可再生资源如果实现循环综合利用，将产生巨大的经济效益。

发展棉花秸秆机械化收获技术，对实现农业剩余物综合利用，发展绿色农业意义重大。

对棉秆收获机械化的要求虽然十分迫切，但由于棉秆主干粗细不一，枝杈多，长势特殊等原因，收获技术和收获机械仍不完善。

近年来，随着社会和科技的发展，棉秆已被广泛应用于能源、造纸及生物基材料等领域，尤其是棉秆木质成分含量高，可作为优质的可再生资源原料，棉秆收获技术与装备的研究备受关注。

因此，对棉秆收获过程的机理和特性进行探讨，提高棉秆收获效率成为了一个重要的课题。

近几年已有多种机型问世。

关键词：棉秆收获机；棉秆加持提拔；棉根铲切；张紧装置；地轮传动目录1绪论 (1)2起拔机构的设计要求 (2)2.1 功能设计 (2)2.2 适应性要求 (2)3棉秆收获机的基本结构及工作过程 (2)3.1 基本结构 (2)3.2起拔原理 (4)3.3 工作过程 (4)4起拔输送机构结构设计及工作原理 (5)4.1 铲刀的设计 (5)4.2 棉秆夹持输送装置的设计 (5)4.3 铺禾器的设计 (6)5棉秆收获机的传动机构的设计 (6)5.1 传动原理 (6)5.2棉杆夹持起拔输送运动分析 (8)6齿轮传动的设计 (9)6.1大锥齿和小锥齿 (9)6.2.齿数选择 (10)7轴II的设计计算及校核 (11)7.1轴的设计 (11)7.2轴的校核 (11)总结 (14)致谢 (15)参考文献 (16)1绪论在六七十年代中期，我国就开始了对棉秆收获机械的研制。

到七十年代末，八十年代初，家庭联产承包责任制的推行，棉花产量剧增，引发棉秆收获机械研制热，如中国农机院，山东、山西、河北、河南以及湖北等省农机研发部门曾对棉秆收获机进行过研制，但由于种种原因都未能定型生产和推广使用。

九十年代初，随着棉花价格的提升与棉麦轮种技术的发展，棉花种植面积扩大，棉秆收获机械迫切需要，中国农机院成立了专业课题组，山东省多个市区也相继对棉秆收获机械进行了研制。

近年来，随着社会和科技的发展，棉秆已被广泛应用于能源、造纸以及生物基等领域，尤其是棉秆木质成分含量高，可作为优质的可再生能源原料，棉秆收获技术与装备的研究备受关注。

总结多年来我国研制出的各类机型，归纳起来有三种：铲切式、提拔式和联合作业式。

（1）铲切式主要是二行铲切式棉秆收获机。

这类机械的收获部件，一般设计成“人”字形的大锄铲，作业时，悬挂在拖拉机前面，拖拉机高速行驶，而人字形铲入土一定深度穿行，利用拖拉机向前行进的力量切断棉根，并使棉秆向上抬起，自然堆放至地面。

这类棉秆收获机械结构简单、制造和使用方便，但是效率低、残留棉根较多、铺放不整齐。

主要与小型拖拉机配套使用，由于各地种植农艺的差异，加之缺乏机械化标准种植，这种对行的小型棉秆收获机始终没有得到推广。

（2）提拔式提拔式棉秆收获机是用起拔机构把棉秆从土壤中提拔出来，按起拔器的形状和结构又分为辊式、夹式和链杆式三种。

这种机型主要是各地农机研发单位根据本地域条件和棉花生长特点进行初步试制的机型，均没有得到广泛应用，未能形成产品在市场上推广。

目前，该类机型中最具代表性的是4MJ-2型盘式棉花秸秆收获机，作业时，由拖拉机前进推动机具前移，地轮传动带动拔盘转动，前进中拔盘遇到棉花秸秆将拔起，并将秸秆拨向后方，待集成后置于田间。

（3）联合收获式综合国内外技术基础，结合青饲料收获机和联合收割技术，中国农业机械化科学研究院组织力量开发了切割式联合收获机械，一次完成棉秆的切割、切碎和集装作业克服了种植行距的限制，解决了密植、细杆和西部内陆土冻结后棉秆收获难题，成为了以棉秆为燃料的为燃料的生物质秸秆直燃发电厂的主要燃料设备。

由于受到割刀工作原理、地表平整程度的限制，特别是垄作时做到低茬收割有一定难度，根茬仍留在地里，没有从根本上解决。

为了满足我国长江，黄河流域棉花主产区棉秆粗壮、高大，通常采用拔取后收获的分段作业方式，中国农机院又开发了棉秆捡拾联合收获机，集棉秆自动捡拾、喂入、输送、切碎、抛送、装箱、卸料一体化，该机重点突破了棉秆类冠状植株强制抓取、连续喂入技术，实现了棉秆分段高效联合收获作业。

美国、印度乌兹别克斯坦、澳大利亚以及俄罗斯等国是国外主要的棉花生产和贸易大国。

其棉秆收获设备技术主要以对行式为主，按照收获原理主要分为三种，即铲切、刨挖与拔杆。

由此，形成了拖拉机牵引与悬挂式机型。

在两种机型中，有些仅仅是铲、割、拔与铺条，有些是铲、割、拔与切碎结合。

在切碎后有些是集中，有些是直接还田。

（1）铲切式有挖掘铲深入土层中，把棉秆根切断，利用旋转星轮拔取棉秆，达到杆土分离。

常用机型有乌兹别克斯坦生产的KV-3.6A型和KV-4A。

作业时由拖拉机牵引，一般收获四行棉秆，铺放成条。

棉秆晒干后，由人工或打捆机打成捆以备后用。

另外，配套有切碎装置的KI-1.2型和KI-1.8型两行棉秆挖根切碎机。

作业时，先由挖根铲将棉秆根部斩断，再由拔杆辊将棉秆拔起，经刀盘切碎后，沿输送管送到集装拖车上，棉秆拔净率均接近99%。

（2）刨挖式主要采用对称倾斜双圆盘刨挖，这种技术类似于开沟器的工作原理。

典型代表如美国的Dave Koenig和Orthman棉秆刨挖机。

Dave Koenig机型可根据需要可分别收获2、4、6和8行棉秆，对不同温度棉秆适应性强。

Orthman机型圆盘角度和高度可调为了减少运输幅度，拔杆机构可折叠起来。

作业时，拔杆机构走动伸展，采用平行四连杆仿形，通常在拔杆机构后面安装切碎装置，实现棉花秸秆拔取与切碎还田。

此种技术相对于铲切来说，动力消耗相对减少，但是一般要求对行性较强。

（3）拔取式45倾角安装的橡胶对辊夹取。

典型机型有澳大利亚的Muti拔棉机械和美国的AMADAS棉秆采用拔取切碎收获机Muti拔棉秆机可以拔取8行棉秆，直接将棉秆平铺在地上，作业速度高达22km/h。

AMADAS棉秆拔取切碎收获机能够将棉秆连根拔起并切碎，作业行走速度快，即便是拔取茎杆粗壮的秸秆，也具有叫高可靠性和稳定性，且设有传动安全防护措施。

此种技术最大的缺点是对种植行距的标准性要求就高，对机手操作的熟练程度也要求较高。

适合标准化栽植的规模种植。

综上所述，铲切式棉秆收获机结构简单，制造和使用方便，但是消耗动力大，工作效率低，铺放不整齐。

刨挖式可根据需要可分别收获2、4、6和8行棉秆，对不同温度棉秆适应性强。

此种技术相对于铲切来说，动力消耗相对减少，但是一般要求对行性较强。

提拔式主要有立式拔棉杆机和方形齿盘式拔棉秆机，都存在工作效率低，漏拔率和拔断率高，动力消耗大等缺陷。

且此种技术最大的缺点是对种植行距的标准性要求就高，对机手操作的熟练程度也要求较高。

2起拔机构的设计要求2.1 功能设计针对农业生产中扎大量棉秆把同于防风护苗的现状，设计一种棉秆收获机，要求对棉秆损伤小，工作可靠，结构简单。

棉柴起拔机构是棉柴收获机具的核心工作部件，其性能好坏直接射击起拔功能的顺利完成。

其在设计时需要考虑导向、扶起、夹持、起拔和适应性等功能要求。

1.1.1 导向扶起功能棉柴在生长时由于大风等外力因素的影响，存在少量不同方向，不同程度的倒伏；由于种植原因，棉柴也不呈直线种植，存在不同程度上的偏斜和行距误差，起拔机构应能将倒伏的棉秆扶起，并导入夹持输送机构，便于进行收获。

1.1.2 起拔、输送功能各棉株高、枝杈长短及根长差别很大，起拔机构应满足棉柴从进入夹持输送轨道过程中，整个根系逐步从土壤中完全拔出，且在夹持输送轨道顺利穿过，不能因枝杈等因素影响出现棉秆堵塞轨道现象，保证后续棉柴的铺放收集能够有序进行。

1.1.3 铺放功能棉秆起拔完毕输送至轨道末端时，起拔机构设计了拨禾装置将棉秆拨倒，使棉秆有序的铺放于地面上，便于棉农收集棉杆。

2.2 适应性要求由于棉柴品种、棉柴生长环境及各棉柴自身情况等因素的影响，棉柴粗细高矮差别很大，起拔机构应适应不同茎杆直径的棉秆，对于细棉秆，起拔机构要保证棉秆能顺利拔出，不会漏拔，对于粗棉杆起拔机构要能提供足够的起拔力来完成起拔，不会拔断。

3棉秆收获机的基本结构及工作过程3.1 基本结构棉秆收获机与拖拉机间三点挂接，拖拉机的挂接装置对棉秆收获机只起牵引作用，在工作或运输时其重量均由本身具有的轮子承受。

棉秆收获机由机架、底板、夹持起拔输送装置、地轮传动装置，皮带张紧装置，扶禾器、铺禾器、悬挂等组成。

如图3-1和3-2为棉秆收获机的基本机构图。

图3-1 俯视图图3-2 左视图3.2起拔原理该棉秆收获机的核心部件是六排输送带和夹紧装置，输送带与底板平行底板前倾与地面成一定倾斜角度布置。

工作时，机构前行，棉秆被强行喂入夹持轨道，夹紧装置上的圆形小滚筒靠其一侧的压紧弹簧提供压力，两侧的夹紧装置和皮带一起将棉秆夹紧，同时，棉秆被铲刀从根部铲断并起拔，被输送带输送至轨道末端。

由于输送带前倾布置所以在棉秆从土壤中拔出时，不会因为夹持点与地面高度不够而影响棉秆的起拔。

机构作业时，机构前行速度和皮带线速度2个参数必须保证合理的配合，才能保证棉秆的起拔效率。

以棉秆垂直地面起拔为例，对以上两因素进行研究，假设机构前行速度为m ν，带轮线速度为l ν，棉柴株距为B ，则拔苗周期m B νT =，棉柴提拔速度为θννsin 1b =。

实际工作时，根据田间棉株生长情况，确定机组前进速度，即可根据上述关系推出拔棉秆周期，棉柴提拔速度及带线速度等结构参数。

表3-1 棉杆收获机主要技术参数参数项目数据 外形尺寸（长×宽×高）（mm ）作业行驶速度m ν（m/s ）作业行数挂接方式配套动力行距（mm ）铲切最大深度（mm ） 2431.818971010⨯⨯ 2≤ 3 三点悬挂 41.68KW(56.57马力)轮式拖拉机 660 115表3-2 配套使用拖拉机主要技术参数参数项目数据 外形尺寸（长×宽×高）（mm ）作业行驶速度m ν（m/s ）轴距（mm ）最小离地间隙（mm ）动力输出轴输出功率轮距（前轮/后轮）（mm ）最大牵引力悬挂装置型式/类别 4540×2030×2810 ﹤4 2375mm 4500 41.58KW （56.57马力） 1609/1711 26.4KN 三点后悬挂/II 类3.3 工作过程拖拉机通过悬挂拉动棉秆收获机前进，棉秆收获机在前进的过程中地轮转动，经轴和齿轮的传动带动主动带轮转动。

在工作时，随着棉秆收获机的前行，棉秆首先被棉秆收获机前部的扶禾器扶正并被挤压入夹持轨道，随着棉秆收获机的前行和带的转动，棉秆在轨道中被夹持起拔，同时被输送带向后 输送至轨道末端，此时棉秆已被完全起拔并被旋转的拨禾轮拨倒铺放于地面，至此完成整个拔棉秆作业。