4MZ-5梳齿式采棉机采摘头工作参数的确定

4MZ-5梳齿式采棉机采摘头工作参数的确定
亓丹丹;史建新;王学农
【摘要】通过介绍4MZ-5型采棉机采摘过程中各影响因子对采摘效果的影响,确定工作在不同种植模式下的最佳入地角度；同时,对梳齿倾角、形状、材质、压棉辊等因素对棉花采摘输送的影响也进行了分析,进而提出了合理的工作参数,为
4MZ-5型采棉机进一步研究做理论支撑.
【期刊名称】《农机化研究》
【年(卷),期】2012(034)003
【总页数】4页(P64-67)
【关键词】采棉机;种植模式;梳齿
【作者】亓丹丹;史建新;王学农
【作者单位】新疆农业大学机械交通学院,乌鲁木齐 830052;新疆农业大学机械交通学院,乌鲁木齐 830052;新疆农业大学机械交通学院,乌鲁木齐 830052
【正文语种】中文
【中图分类】S225.91+1
0 引言
随着新疆棉花覆膜和高密度种植技术以及棉田机械化高效生产的大面积推广实施，新疆棉花种植面积和产量逐年增长，经济效益显著增加，棉花生产已成为新疆主要支柱产业之一。

新疆作为全国特大商品棉基地和“十二五” 建设国家优质棉基地
的战略地位为新疆棉花的发展带来了更多的机遇。

但近5年来植棉成本不断增长，人工采摘棉花费用逐年呈快速上升趋势，近3年已高达每千克籽棉平均1.2～1.5元，占植棉成本近半。

而现有虽引进和仿制生产国外大型棉花收获机械已近650
台(购机费达2.2亿元)，但因采棉机属于引进仿制国外技术，其结构复杂、价位昂贵，极不适应国情、区情。

故近10年新疆棉花收获机械化技术一直推广较慢，截止2009年底，新疆机采棉花仅为11.5万hm2(173万亩)，仅占植棉面积150万hm2的8.18%。

棉花收获机械化已成为严重制约当前乃至今后新疆棉花生产的技术瓶颈，亟待加快研究和发展具有符合我国国情的技术可行、结构简单、价格低廉和实用性强的经济型棉花收获机械化技术及机具[1]。

梳齿式采棉机具有不受棉花种植模式限制，可在各类模式下作业，采摘部件结构简单，生产、使用成本低等特点。

近年来，国际上开展了新一轮对梳齿式采棉机的研究。

在我国也将其作为经济型采棉机首选机型进行研究，期望通过研究使其适应新疆的高密度种植模式，成为解决新疆棉花机械化收获的一种新选择[2-3]。

梳齿式
采棉机工作时把棉株上的棉花、棉叶、铃壳、未开放的棉桃等全部梳脱下来，在前级输送中，容易形成堵塞，现针对此问题，对梳齿式采棉机输送部件进行优化分析。

1 主要结构和工作原理
4MZ-5型梳齿式采棉机采摘头如图1所示。

1.限深轮叉子焊和
2.机架焊合
3.压棉秆管轴装配
4.梳齿组装配
5.压棉花弧板
6. 拨轮装配
7.螺旋输送装配图1 4MZ-5采棉机采摘头结构示意图Fig.1 4MZ - 5 cotton-picking machine head structure schematic
其由限深轮叉子焊和、机架焊合、压棉秆管轴装配、梳齿组装配、压棉花弧板、拨轮装配和螺旋输送装配组成。

梳齿组装配位于机具的最前方，主要用于将棉花喂入，防止棉花的掉落并与拨轮装配相配合，实现机具的棉花采收功能；机架焊合是梳齿式采棉机的支撑部件，主要作用是防止棉花被拨轮拨到地上，同时还限制了棉花的
喂入量；拨轮装配主要作用是将采摘在梳齿组上的棉花拨到后级的螺旋输送中；螺旋输送装配主要作用是将棉花集合到风机口，在风力的作用下把棉花输送到棉箱中。

在设计制造中，要充分考虑各组件之间的相互装配关系，根据实际情况，对齿间距、齿材料、压棉辊位置作出相应的调节，使棉花在梳齿间能够顺利的输送。

现根据设计要求，对影响采摘头堵塞现象进行分析。

2 梳齿参数
两相邻梳齿间距/ mm：15
梳齿长度/ mm ：900
梳齿与地面夹角/(°)：8
机具作业速度/km·h-1：≥ 3.5
作业幅宽/ mm：≥1 800
3 采摘台最佳进地角度的确定
4MZ-5型梳齿式采棉机采收中，希望充分利用每一组梳齿，并且同组梳齿中，同
组齿间相邻棉秆对梳齿作用的时间间隙最长，并结合本采棉机不对行采摘的优点，综合分析机采棉模式与手工采收模式。

根据以上要求，本文主要选取机采棉模式(66+10)cm与手采棉种植模式(17+45+17)cm进行分析，进而提出在这两种模式下的采摘台最佳入地角度[4] 。

机采棉模式如表1所示。

表1 机采棉种植模式状况Tab.1 Plating pattern of cotton picker
种植模式宽窄行配置株距/ cm密度/万株·(667m2)-1肥沃地贫瘠地二膜八行宽膜(30+60)cm or(35+60)cm9～111.1～1.21.4～1.5二膜十行超宽膜(66+10)cm or (35+60)cm11～151.3～1.41.5～1.6三膜十二行宽膜(30+60)cm or
(35+60)cm9～111.1～1.21.4～1.5三膜十二行超宽膜(30+60)cm
or(35+60)cm11～151.3～1.41.5～1.6
根据计算可知，机采棉模式中，与种植模式成90°为最佳入地角，此时进入梳齿相
邻棉株间距为760mm，选择种植株距为100mm,进而可求出合适的梳齿宽度为42.5mm,此时相邻的棉珠对梳齿作用的时间间隙为0.76s。

以每天工作8h、工作
速度3.6km/h、作业幅宽1 800mm、15 000株/667m2。

4MZ-5型梳齿式采棉机可采收60 662m2/天，在此种工作模式下，4MZ-5型梳齿式采棉机满足设计要求[5-7]。

手采棉模式中，4MZ-5采棉机进地角度如图2所示，满足最佳采摘效果进地角度公式为
tana=nd/Ld1≤dcosa
其中，a为采棉机入地角度；L为棉株横向株距；d为棉株纵向株距；d1为梳齿宽度。

从公式中可以看出，最佳入地角度是由梳齿宽度而确定的，梳齿宽度与入地角度成反比，随着入地角度的增大，制造的梳齿宽度减小；同时又给出正常工作下的最小梳齿宽度mind1=35mm，从而求出在此梳齿宽度下，并满足n为整数的最佳入
地角度为77°。

图2 4MZ-5采棉机进地角度Fig.2 4MZ-5 cotton-picking machine into angle 4 棉花在梳齿组上输送的影响因子分析
棉花在棉秆的侧压力F的作用下,克服在梳齿上运输的摩擦力f，使其运输到拨轮上，在拨轮的作用下，使棉花进入后级的螺旋输送装置中,从而完成采摘作业，受力状
况如图3所示。

图3 4MZ-5采棉机采摘头采摘过程示意图Fig.3 4MZ-5 cotton-picking machine picking process elementary diagram
棉花能在采摘台上输送的条件为
F>f
F=μiN=μimgsinacos(β-90°)
f=μmgcosα+mgsinα
其中， f为棉花与梳齿的摩擦力；F为棉秆给棉花的侧压力；μi为棉秆与棉花的综合摩擦因数；μ为棉花与梳齿的摩擦因数；α为梳齿与地面的夹角；β为棉秆与梳齿夹角。

带入正常工作条件得
从上式可知：β为90°时有较优的输送能力，同时较小的α角，可以提高输送能力；棉秆与棉花的综合摩擦因数μi大于1；摩擦因数μ越小越好，故应尽量选择摩擦
系数小的材料做导板。

通过上述分析选择梳齿的形状为圆柱形,圆弧表面经过打磨处理,进而使材料具有较
高的光洁度,选择梳齿材料为Q235,梳齿直径为0.01m,从而使材料具有较高的刚度,进而克服棉秆的拉扯力对梳齿的形状的影响,同时保证铰接处在左右位置有较小的
偏摆量,从而使棉秆在输入梳齿时有一个较宽裕的可调空间。

5 防拔棉辊对采摘输送的影响分析
4MZ-5采棉机采摘过程棉秆受力如图4所示。

梳齿与防拔棉辊共同作用下，使棉秆的实际位置较棉秆自然伸缩有W的形变量。

把棉株简化为一端固定，一端浮动
的梁，根据《材料力学》中梁在简单载荷作用下的变形公式[8]，即
其中，W为棉秆的挠度；F为棉秆在W情况下的所需作用力;L为作用力到支点的距离；E为棉秆的弹性模量。

图4 4MZ-5采棉机采摘过程棉秆受力Fig.4 4MZ - 5 cotton-picking machine picking process cotton stalk stress
从式中可知，作用力F随挠度的增大而增大，随L的增大而减小。

4MZ-5采棉机
在新疆五家渠103团进行田间试验时，测得棉秆的直径集中在9.821mm，相邻梳
齿间距为15mm,查的纵纹木材的弹性模量为9.8GPa-11GPa,运动到图示位置挠度W为260mm,作用点到支点的距离L为220mm,带入公式可求得在此种情况下的力F在334～409N间，它与克服变形的回复力是一对作用力与反作用力，故克服变形的回复力也在334～409N间[8]。

棉花在梳齿上的运输是在棉株侧压力作用下完成的，梳齿间距比棉花直径大5mm，棉株在回复力的作用下，将会摆脱梳齿的束缚，从而使棉花滞留在梳齿上。

6 梳齿的模态分析
梳齿几何参数：长度1m,表面积0.03m2,厚度0.003m,弹性模量为2e11Pa,密度7 850kg/m3，表面均布载荷1N/m2。

根据梳齿设计与安装可以把梳齿看成单支点的悬臂梁，通过Ansys分析软件得到梳齿的二阶、三阶阵型图如图5所示。

图5 梳齿的模态分析Fig.5 Modal analysis of comb
通过分析可知，梳齿在工作过程中与支点铰接的杆会出现较大的振动性，因此在设计时应该赋予其较大的刚性，从而防止梳齿因反复作用力而出现的振动变形。

7 结论
1)梳齿式采棉机结构简单、价格低廉、工作可靠、技术含量不高，适合在中国研发与生产。

2)根据不同的种植模式，通过给出的相关公式得到最佳入地角度，从而充分利用每一组梳齿，增大单个梳齿的往复冲击时间间隔，从而使梳齿有较充裕的响应时间。

3)梳齿的材料、形状、表面光洁度直接影响采摘效果，选择合适的梳齿能提高采棉机的采摘能力。

4)防拔棉辊改变棉花的运动形式，机具通过棉秆的侧压力输送棉花，防拔棉辊的存在极大减弱了棉秆对棉花输送的侧压力，进而不能实现棉花的运输。

采用链耙式输送器，可以避免此类现象的产生。

5)梳齿模态分析得到梳齿在悬臂状态下的振动模型，为材料的合理选择与配置提出
设计依据。

【相关文献】
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