胶棒滚筒棉花采摘头关键部件的工作机理与试验研究

摘要

新疆是我国最大的商品棉生产基地，产量占全国的三分之一以上。棉花也是新疆的支柱产业，对新疆的经济发展和社会稳定都有重要的影响。然而，棉花收获期，劳动力短缺的问题是制约新疆棉花生产的瓶颈，严重阻碍了新疆棉花产业的发展。棉花收获机械化是解决该问题的唯一出路。目前，在新疆商业化市场上仅有水平摘锭式采棉机，昂贵的价格和与之专门配套的机采棉加工成套设备，阻碍了棉花收获机械化的快速发展。开发结构简单、使用方便且能够满足棉花收获农业技术要求的采棉机是广大棉农的迫切需要。
　　本研究在调研国内外滚筒式采棉机研究及发展的基础上，研制一种胶棒滚筒棉花采摘头，其工作原理是利用柔性胶棒的打击、梳脱、摩擦等机械作用采摘开放籽棉。针对该机的作业特点，论文开展机采棉种植模式和与收获有关的棉花物理特性研究，运用理论分析、计算机辅助设计、计算机仿真、高速摄像与试验设计相结合的方法，对胶棒滚筒棉花采摘头关键部件的结构、原理、参数进行了研究与探索。论文从介绍胶棒滚筒关键部件的结构和工作原理入手，将运动学与动力学理论、计算机仿真技术、高速摄像和试验研究的方法相结合，对胶棒滚筒棉花采摘头的设计方法及关键工作部件工作机理进行了系统的研究与分析，具体内容如下:
　　1.研究了新疆“矮、密、早”种植模式的农艺特点，实验测量了与胶棒滚筒收获相关的机采棉物理特性。主要测定包括植株形态、果枝类型、棉株高度、棉铃在棉株上的分布、最低棉铃位置、最高棉铃位置、棉株结铃数、棉株直径等棉株特征;不同类型棉铃的重量和直径特性;棉株各部分力学特性;棉纤维与工作部件摩擦特性。为胶棒滚筒棉花采摘头关键工作部件的结构参数和工作参数设计提供基础数据。
　　2.通过对胶棒滚筒棉花采摘头结构和工作原理的分析，结合机采棉基本物理特性，确定了胶棒滚筒关键工作部件的主要结构参数;建立采摘头关键工作部件运动学方程，运用冲击理论、碰撞理论、摩擦理论建立胶棒采摘棉花的动力学模型;建立了胶棒打击成熟棉铃次数的数学模型。根据上述分析讨论了采摘工作部件的工作机理，确定胶棒工艺速度是棉花采摘的关键工作参数，决定了胶棒打击力的大小;滚筒转速、行走速度是影响打击次数的主要因素。
　　3.为了解决传统设计方法中开发周期长、设计成本和样机制造成本高的问题，本研究在采摘头设计、试验台设计中全面使用三维数字化设计方法，使用SolidWorks软件建立了胶棒滚筒棉花采摘头零部件三维模型，并进行了虚拟装配，排除了设计中存在的结构问题，根据试验需求，采用自上而下的设计手段，设计并制作了2台试验测试平台，开发了试验台测控软件，为进行胶棒滚筒棉花采摘头的试验研究奠定了物理基础。
　　4.运用仿真软件Adams对胶棒滚筒关键工作部件进行了运动学、动力学仿真。运动学仿真结果揭示滚筒转速、机器行走速度对胶棒工艺速度、运动轨迹的影响规律，对指导采摘头设计具有重要的意义;基于Adams接触理论算法建立了“胶棒滚筒——棉铃”动力学仿真模型，研究了滚筒转速、机器行走速度、胶棒轴向间距等因素对棉花采摘过程中打击力及打击次数的影响规律。仿真结果表明，采摘过程中胶棒打击力是周期波动的，其波动规律与工艺速度变化一致。滚筒转速对打击力、打击次数均有较大影响，行走速度对打击次数有影响，胶棒轴向间对打击力的大小和波动的幅度具有影响。仿真结果与理论分析结果吻合，验证了理论分析的正确性。
　　5.搭建了胶棒滚筒采摘过程高速摄像试验平台，通过对采摘过程的高速摄像分析，确定了胶棒滚筒棉花采摘机理及采摘过程中杂质形成机理。试验表明:棉花不同部分在胶棒作用下存在四种分离形式:籽棉从铃壳中分离、铃壳与果蒂分离、棉铃与果枝分离、果枝与棉茎分离。其中，前两种是采摘作业中的主要形式，胶棒打击、摩擦、梳脱是棉花不同部分分离的主要作用。
　　6.设计制作了胶棒滚筒综合性能试验台，以棉花采净率、撞落棉损失率、含杂率、棉枝含杂率为试验性能指标，滚筒转速、行走速度、胶棒轴向间距为试验因素，进行了二次正交旋转组合试验，应用Design-Expert软件进行试验数据的处理与分析，试验得出影响性能指标的主次因子和回归模型。以棉花收获农业技术要求为约束条件，采用多目标优化方法进行模型优化，寻找到满足性能指标的因子优化组合，同时对其进行了验证试验。
　　7.以胶棒滚筒棉花采摘头为采摘部件研制的4FS-3采棉机经田间试验表明，胶棒滚筒棉花采摘头棉花采净率可达95％以上，含杂率小于18％，撞落棉损失率小于2.5％，达到了设计要求，主要性能指标达到国家采棉机作业性能指标要求。采摘的籽棉经HVI1000棉花品质检验系统检验，籽棉品级2-3级。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及课题来源

1．2 国内外研究动态

1．2．1 国外采棉机发展动态

1．2．2 国内采棉机发展动态

1．3 课题研究目的及意义

1．4 本文研究的主要内容

参考文献

第二章 与收获相关的棉花物理特性

2．1 引言

2．2 新疆机采棉种植模式简介

2．2．1 新疆机采棉种植模式的形成

2．2．2 机采棉种植模式

2．3 棉株与棉铃特性的测定

2．3．1 材料与方法

2．3．2 结果与讨论

2．4 棉花力学特性的测定

2．4．1 材料与方法

2．4．2 结果与讨论

2．5 棉花摩擦系数的测定

2．5．1 材料与方法

2．5．2 结果与讨论

2．6 本章小结

参考文献

第三章 胶棒滚筒棉花采摘头关键部件的理论分析

3．1 引言

3．2 采摘头结构及工作原理

3．2．1 采摘头结构

3．2．2 工作原理

3．3 胶棒滚筒的主要结构参数

3．3．1 胶棒滚筒的长度及倾角

3．3．2 胶棒滚筒的直径

3．3．3 胶棒在滚筒圆周上的排列

3．3．4 胶棒特性

3．4 胶棒滚筒运动学分析

3．4．1 胶棒滚筒运动分析

3．4．2 采摘工作角β

3．5 棉花采摘动力学分析

3．5．1 胶棒打击力分析

3．5．2 胶棒对籽棉的摩擦力

3．6 胶棒对棉铃的打击次数

3．7 胶棒滚筒式采摘头主要技术参数

3．7．1 胶棒滚筒工艺速度的确定

3．7．2 胶棒滚筒转速的确定

3．7．3 胶棒滚筒主要技术参数

3．8 本章小结

参考文献

第四章 采摘头数字化设计与关键部件仿真

4．1 引言

4．2 采摘头数字化模型的建立

4．2．1 基于SolidWorks的数字化设计技术

4．2．2 采摘头主要零件数字化建模

4．2．3 采摘头数字化模型虚拟装配

4．3 工作部件的运动学仿真

4．3．1 运动学仿真模型创建

4．3．2 结果与分析

4．4 采摘系统的动力学仿真

4．4．1 Adams接触算法

4．4．2 采摘仿真系统模型的创建

4．3．3 结果与分析

4．5 本章小结

参考文献

第五章 胶棒滚筒采摘过程高速摄像判读分析

5．1 引言

5．2 试验平台搭建

5．2．1 小型胶棒滚筒试验台的设计

5．2．2 高速摄像采集系统的搭建及拍摄条件

5．3 试验材料与方法

5．3．1 试验材料

5．3．2 试验方法

5．4 结果与分析

5．4．1 籽棉与铃壳分离

5．4．2 铃壳与果蒂分离

5．4．3 棉铃与果枝分离

5．4．4 果枝与棉茎分离

5．5 结论

5．6 本章小结

参考文献

第六章 胶棒滚筒棉花采摘头的试验研究

6．1 引言

6．2 胶棒滚筒棉花采摘头试验台

6．2．1 试验台的结构

6．2．2 试验台测控系统

6．2．3 试验台工作流程

6．2．4 试验台技术指标

6．3 试验材料与方法

6．3．1 试验材料

6．3．2 仪器

6．3．3 试验方法

6．4 采摘性能的二次正交旋转组合设计

6．4．1 试验因素水平编码

6．4．2 试验方案与试验结果

6．5 试验结果分析

6．5．1 各因子对采净率的影响

6．5．2 各因子对撞落棉损失率的影响

6．5．3 各因子对含杂率的影响

6．6 参数优化

6．7 本章小结

参考文献

第七章 田间试验验证

7．1 引言

7．2 试验样机简介

7．2．1 4FS-3型胶棒滚筒式采棉机

7．2．2 4FS-3型胶棒滚筒式采棉机主要技术指标

7．3 田间试验

7．3．1 试验方法及考核指标

7．3．2 作业条件及性能指标测定

7．3．3 试验所需设备、仪器

7．3．4 田间试验棉花种植情况检测

7．4 试验结果与分析

7．5 本章小结

参考文献

第八章 结论与展望

8．1 研究结论

8．2 主要创新内容

8．3 后续研究建议及展望

致谢

攻读博士学位期间发表的学术论文