刷辊式采棉机采摘头总体暨机架设计.docx

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刷辊式采棉机采摘头总体暨机架设计

南京工程学院

毕业设计说明书（论文）

作者：

韩瑞兵学号：

201110811

系部：

机械工程学院

专业：

机械电子工程

题目：

刷辊式采棉机采摘头总体暨机架设计

指导者：

袁建宁研究院

评阅者：

2015年5月南京

棉花摘采机器依旧是我国棉花产业需要改进的方面之一，现有的采棉机依旧存在许多问题。

本设计涉及了4MSG–3型这种新型刷辊式采棉机，研究了其基本结构及工作原理，并对其各部分参数，例如刷棉辊的倾角、的长度和半径，排列方式和数量等进行了设计和校核。

在这新型的采棉机，一对平行布置的刷棉辊作为摘采部件，它将以往的被动收获方式，改进为首创的主动刷辊方式。

这种采棉机进一步解决机器摘采含杂较多，摘采后清花困难等难题，并且机器摘采的棉花质量虽然依旧赶不上人工，但是得到了很大改善。

关键词采棉机刷辊式棉花摘采

毕业设计说明书（论文）中文摘要

TitleThedesignofheadandoverallframeforBrushrollercottonpicker

Abstract

CottonpickingmachineisstilloneoftheaspectsofcottonindustryinChina.Butthelong-termproblemofThecottonpickerremains.Thedesigninvolvesthe4MSG-3typecottonpicker,anewbrushrollcottonpicker,Studyitsbasicstructureandworkingprinciple,andthevariouspartsofitsparameters,suchascottonbrushrollangle,lengthandradius,arrangementandquantityweredesignedandchecked.Inthisnewtypeofcottonpicker,apairofrollersarrangedinparallelasbrushcottonpickingparts,thepassiveharvestingmethod,improvedactivebrushrollerwayfirst.Thecottonpickerfurthersolvethetoomanyimpuritiesinthepickingprocess,thecleaningdifficultiesafterthecottonpicking.thoughgreatlyimprovedbutstillnotbeabletocatchupwiththequalityoflabor.

KeywordsCottonpickingmachinebrushrollcottonpicking

毕业设计说明书（论文）外文摘要

前言

棉花是我国主要的经济作物,既是我国两亿农民的重要经济来源，又关系到纺织行业近两千万人员的就业问题【1】。

机械化采棉是棉花摘采的必经之路。

从摘采途径来看，人工摘采费时费力，而且人力资源短缺，如果在棉花开放的一个半月时间内不能摘采下来，棉花就荒废了。

而机械摘采，仅仅数千采棉机就顶的上几十万人工的工作量，而且高效快捷，甚至可以昼夜不停工作。

从20世纪50年代研究采棉机以来，通过不断引进国外先进的采棉机，研究和仿制核心零件，我国的采棉机有了很大的发展，但是依旧存在很多问题，我国地域宽广，棉花品种众多，各地气候条件，田地状况不同，种种原因限制了我国采棉机机械化的道路。

针对我国棉花品种多、纤维短、收获期长等特点，在短时间内无法改变棉花农艺的情况下，研制智能型采棉机器人已迫在眉睫【2】。

我国是棉花种植大国同时也是棉花消费大国，我国闻名世界的纺织品离不开棉花，可以说棉花的种植和生产关系到众多人民的经济命脉，可见一个规范成熟的机械化种植流程多么重要，再加上近年来棉花市场的不景气引起了众多棉农以及周边工作者们的担忧，他们渴望有一个健全的机械化生产流程和市场。

为了推着这健全市场的发展，更应该推出新型的能够广泛运用的采棉机。

根据采棉机摘采方式的不同，采棉机可分为选收式和统收式两大类。

其中选收式以水平摘锭式采棉机和垂直摘锭式采棉机为主要代表；而统收式主要有梳指杆式、摘辊式、气吸振动式采棉机。

由于棉籽吐絮的时间不统一，棉花完全开放时间有早有晚，这种复杂情况就对采棉机摘采造成不小影响，选收式采棉机通过多次，先摘采完全开放的棉花而放过未开的，等到其开放再次摘采，这种摘采方式具有较高的采净率高和极低的含杂率，但是要达到以上要求，机器所需的结构就稍显复杂，自然制造工艺复杂，价格昂贵，导致摘采成本过大，无法大面积推广。

统收式采棉机则是一次性摘下所有的棉籽，这就不需要考虑太多，结构方面自然直接、简单，采净率较高，摘采成本低，但摘采的籽棉中会夹杂大量的断枝、碎叶等杂质，需要配置专门的清洗装置对其进行清洗。

这额外的加工流程，既花费时间又增加了成本。

以上种种说明现有的采棉机依旧存在很多问题，其相关技术任就需要改进。

我们期望着一种能够更好适应我国实地条件并能大规模推广和应用的采棉机的到来。

而这不是一蹴而就的，需要我们一代代改进现有的采棉机并不断改革创新。

本设计涉及的4MSG–3型刷辊式采棉机，就是采棉机上的一种创新。

第一章绪论

1.1研究刷辊式采棉机的背景及意义

1.1.1研究背景

在我国几个主要的农作物中棉花占据第二的位置，棉花是关系到国家经济和人民生活的重要战略物资。

是我国大约两亿农民的主要的经济来源，又关系到纺织业将近两千万人员的就业问题。

我国既是世界上主要的产棉区之一，同时也是棉花的消费大国。

目前我国主要有三大产棉大区,即新疆棉区、黄淮流域棉区和长江流域棉区【1】，其中最先发展，最具有代表性的就是新疆棉区了。

据国家统计局统计公报数据，2014年棉花播种面积421.9万hm2，比上年减少12.7万hm2，同比下降了2.9%【3】。

全国棉花平均单产1460.3kg/hm2，比2013年增加10.8kg/hm2，提高了0.7%。

播种面积缩减，导致2014年棉花总产量下降。

2014年我国棉花产量616.1万t，比上年减产13.8万t，下降了2.2%。

据国际棉花咨询委员会（ICAC）2015年1月平衡表数据，2014/15年度我国棉花产量649.0万t，环比减6.3%；消费量796.0万t，环比增5.7%；产销缺口147万t【4】。

可见，我国的棉花市场及其周边产业处于低迷状态。

在生产棉花的主要环节中，棉田耕整、播种、中耕施肥、植保、灌溉等环节已经基本实现了机械化操作,而在采收方面，则是长期以人工采摘为主，由于起步较晚，机器采棉及其配套技术现在成为我国棉花基地建设中的薄弱环节，也是耗费劳动力最多最大的作业环节。

人工采收棉花收获期长，用工量大，而且生产效率也不高。

在棉花收获期内，劳动力会呈现一种极度缺乏的局面，严重制约了棉花生产效益的提高。

以上种种理由说明，面对现在的棉花市场以及为了棉花摘采的可持续发展，在摘采环节中，开发和改良采棉装置已经成了现状迫不及待的改变方案。

实现采棉环节的机械化是提高棉花生产作业效率、降低生产所需成本，以及规避或减少“三丝问题”的有效方法。

1.1.2研究意义

在棉花生产全程机械化中，机械化采收是瓶颈，研究机采棉现状及发展制约因素，有利于加快现代农业的发展乃至全国推进棉花机采的步伐【5】。

目前我国主要有三大产棉大区,即新疆棉区、黄淮流域棉区和长江流域棉区，其中最先发展，最具有代表性的就是新疆棉区了。

2005年，仅仅石河子一个小县城就缺少棉花摘采工10万人，如果不采取机械采摘的话，将有几十万亩棉花没法及时收采。

从2001年起，新疆地区几乎每年需要雇佣大约50万人来摘采棉花。

石河子作为新疆一个重要的植棉垦区，每年到了棉花摘采期间就需要拾花工20多万人，最多时人数高达24万人。

可以说一到摘采棉花的季节，新疆地区几乎所有人的工作都以棉花为中心。

自从上世纪八十年代以来，新疆兵团创造出了“优良品种、精量播种、测土施肥、矮密植、综合防治病虫害、节水灌溉”等六大精准栽培模式，其中种植、管理等环节都基本机械化了，唯独棉花摘采环节依旧靠人工——招募大量民工采摘棉花，最多年份招募了近80万民工进行摘采，每年花费在雇人力摘采棉花上面的金额高达数亿甚至二十多亿元。

近年来拾花工越发难招，雇佣费用却一路飙升，导致了棉花成本增加，棉农无利可图。

有专家做过计算，一台采棉机每天可摘采150亩棉花，一台采棉机可以代替完成600个工人的工作量，新疆全区有1700万亩棉花，需要雇佣100万拾花工，如果全用采棉机进行摘采只要1600台就可以替代。

所以棉农渴望棉花摘采能够实现机械化。

农业机械化呼唤中国采棉机制造业。

近几年我国的机械化采棉道路才刚刚起步。

棉花的现蕾、结铃和吐絮是逐步依序进行的，而不是一蹴而就的，其中吐絮是从上至下、由内向外依次开放，因此棉花收获不能一次完成，必要分期进行，这带来了一定的难度。

机主要有一次收花法和分次收花法这两种两种机械化摘采棉花的方法。

一次收花法是用摘铃机一次性摘下棉桃（不管棉桃有没有完全开放）。

分次收花法是先用采棉机多次摘采（由于棉花完全开放的时间有早有晚），最后再用摘铃机摘下未开的棉铃【6】。

采摘头（也就是摘采装置）作为采棉机的核心部件，其性能优劣直接关系到采棉机的综合技术经济指标，而其材料的选择和结构特征对棉花的采摘性能、作业质量、能源消耗、花费成本、整机工作的可靠性和适应性等各项指标产生重要影响，同时也直接关系到制造工艺的复杂程度与价格高低。

毋庸置疑，棉花是我国十分重要的的资源，不仅仅是只能用于纺织业的原料，大多数人并不知道棉花不但能榨取油脂，而且是富含高蛋白的粮食。

所以其周边产业众多，涉及加工、纺织服装、贸易出口、食用油、医药等多个行业，是上亿人民的生活来源。

虽然我国现在的棉花产业看上去十分繁荣，但是实际情况却是，近年来一直处于低迷状态。

产业结构的不合理，产业链的缺失，采棉工艺的不完善再加上近几年来棉花价格不断上涨都给这个行业带来了众多问题。

针对这些问题，是时候做出一些改变了。

具体到采棉机这个小的方面，新型的更智能更高效的采棉机是时候提上议程了。

通过技术创新，提高棉花单产，降低生产成本，提高我国棉花参与世界棉花市场的竞争力，是我国棉花生产持续稳定发展的重要保证，也是二十一世纪新疆棉花生产可持续发展的关键【7】。

1.2国内外研究现状

1.2.1国内研究现状

目前，我国棉花种植的主要作业环节均已实现机械化，但棉花收获仍大量采用人工作业。

棉花收获用工约占总用工量的1/5～1/3，且多在农忙季节【8】。

从1950年代我国开始研究采棉机，在1952年在新疆兵团首次从前苏联引进了37台悬挂式采棉机和几十台剥铃机。

隔年首次进行了采棉试验。

1960年又从苏联引进了自走式采棉机，90年从乌兹别克引进全套棉田作业机械，三年后从美国引进了2022型采棉机进行机械采棉和清理加工试验。

经过多年的引进和研究，从96年开始国家科技部组织开始研制国产采棉机。

1997年中国农机院推出的4MZ-3型自走式采棉机，这标志着是我国采棉机发展进入了一个新纪元。

采棉头能达到作业要求，这项核心技术的突破创新实现了100%的国产化。

这是一款采棉头、割台等核心技术完全属于我们自己的采棉机。

这是一个艰难的发展历程，国外的先进采棉机并不能完全应用在我国。

气候条件，田地状况，棉花品种种种因素的不同所需的采棉机的功能亦有所差异。

棉花品种是首位制约机采棉发展的因素，目前品种的吐絮时间不一致，纤维品质差，结铃部位过于集中以及并不完善的配套栽培技术都制约了大面积推进采棉机械化的脚步。

同时，机器摘采棉花前有一个重要的环节，那就是化学脱叶催熟过程，那么自然一种合适的脱叶催熟剂及其应用方式也十分重要。

以上种种原因都制约着机采棉的推广应用及发展。

由此看来，我国机采棉的道路依然曲折和漫长。

但是相信，完全机械化采棉的那一天终将会到来。

1.2.2国外研究现状

国外对采棉机的研究开始于19世纪四五十年代，起步十分早。

至今棉花摘采机械化进程已有160年的历史，当前世界上约30％的棉花是由采棉机摘采的。

而且由单行采收发展到多行采收机型，由小型背负式机型发展到大型自走式采棉机，由统收机发展到统收机、分次选收机并存的局势，同时形成了包括机采前的化学脱叶催熟技术、机械采棉技术和机采棉的清理加工等相配套的技术体系【9】。

当前世界上完全采用采棉机摘采棉花的国家有美国、以色列和澳大利亚。

早在19世纪50年代年美国就开始进行机械化采棉的研究，但是由于没有任何先例可鉴，在长达100年的时间内没有任何突破性的进展。

从1942年采棉机投入批量生产以来，7年后机械化采棉的程度仅仅才到6％。

为了更好的适应机械化采棉的需要，美国开始对棉花的品种开始改良，试图培育出一种适合机械化采棉的棉花品种，这种品种枝干长度合理、棉铃没有过于密集并且抗风性好。

同时也成功研制了配套棉花栽培技术及棉花清洗清花设备。

在这种全方面的改革下，到1964年美国就基本实现了机械化采棉。

另一方面，美国为提高棉花的亩产量，对棉花的窄行距、高密度栽培方式作了大量研究工作，但直到1970年前后开始生产适应窄行距作业的梳齿式采棉机后，这种栽培方式才得到大面积推广【10】。

1975年的美国，机械采棉完全取代了人工摘采的方式。

发展至今，采棉机分为机械式、气力式及气力机械综合式三种，其中广泛应用的是机械式采棉机。

采棉机按摘采部件的工作原理及其结构特征可分为4大类，一是美国约翰迪尔公司、凯斯公司生产的水平摘锭采棉机，二是前苏联（现乌兹别克斯坦）塔什干棉花机械局设计制造的垂直摘锭自走式采棉机，三是美国约翰迪尔公司生产的刮板毛刷统收采棉机，四是阿根廷生产的梳脱不对行统收采棉机【11】。

第二章棉株特性及采棉机工作原理

2.1总述

棉花由于其品种的差异导致其结构形态呈现多样化的局面，使之各部分具有独特的物理机械特性，这种性能直接关系到机器摘采的效应。

机器摘采的重难点是在摘采棉花的过程中不能损伤到棉花以外的其他部分，例如棉秆等等，同样摘采下来的棉花也不能受到损坏，即出现籽棉破损，纤维扭曲等现象。

2.1.1棉株特性

棉铃在枝干上的分布位置及其大小对摘采头（摘采装置）的设计具有重要意义。

过于集中或是过于分散的棉铃对采棉机的摘采都对带来了不小困难。

2.1.2棉株的植株特性

1、棉株密度

棉花种植的行距和株距决定了棉株的密度。

在本设计中棉花的种植方式是是76+10cm和66+10cm的双行种植，其中66+10cm是最为常见的种植方式，平均行距38cm。

2、棉杆的直径和高度

棉杆高度是棉株顶部和地面间的距离。

棉杆高度通常控制在65-85cm之间，以新疆为例，其北部地区一般控制在60-75cm，而南部地区一般控制在70-90cm，棉杆直径大约为8-13mm【6】。

3、底部棉铃的位置

底部棉铃离地间隙大约10-15cm，离地间隙越小的棉铃品种成熟的也就越快，相应的产量也就较高。

但是底部棉铃的位置距离地面越近，机器摘采的难度也就越大【6】。

4、棉铃直径

棉铃横轴断面的最大直径称作棉铃直径。

因为这个断面不是真正意义上的圆形，所以取在互相垂直的两方向上的平均值，作为棉铃的直径。

不同棉花品种的棉铃直径是不相同的，常见的用作机器采棉的棉铃直径为以下数据：

棉铃未开时：

25-35mm；半开放时35-45mm；完全开放时60-80mm【12】。

2.1.3棉铃的开放程度

棉铃并不是统一开放的，其完全开放时间有先有后，按照开放规模的大小可以分为3类：

初开、半开和全开，棉铃的开放程度对采棉机摘采有重大影响，在不同时期进行摘采，其采净率有很大差异。

试验表明在三种不同开放程度下的采摘率分别为65％、90％和95％【11】。

2.2采摘头（摘采装置）的基本构成

4MSG－3型刷辊式采棉机共安装有3组相同的采摘部件，各组间的间距布置与当前等行距棉花种植制度间距相对应。

每组采摘部件由刷棉辊、侧斜输棉搅龙、气力输棉部件、防拔辊及传动系统等组成。

刷棉辊、侧斜输棉搅龙和防拔辊与水平倾斜30°安装，每个刷棉辊的轴线方向分布这6条纵向刷板，刷棉辊间互相平行排列。

其基本结构如图

图1：

采棉机采摘部件结构

图2：

刷棉辊结构

摘采装置位于采棉机前部，由主机的发动机供给动力，通过液压马达和机械传动系统将运动和动力传递到采摘装置的各个运动部件;机械传动系统包括1对标准直齿圆柱齿轮传动及5组滚子链传动。

其组成如图3所示，基本参数如表1所示。

图3机械传动系统组成

表1机械传动系统基本参数

名称

各主要参数

齿轮传动

z1=z2=43，模数:

m=4，a=172.0mm

链传动1

10A链，z1=z2=19，节数X=52，a=250.99mm

链传动2

10A链，z1=z2=19，节数X=58，a=294.32mm

链传动3

10A链，z1=z2=19，节数X=52，a=250.99mm

链传动4

10A链，z1=z2=19，节数X=58，a=294.32mm

链传动5

10A链，z1=z2=19，节数X=116，a=760.0mm

2.3采摘部件的工作原理

开始作业时，在传动系统中输入动力和运动，摘采头两侧两个倾斜平行排列这一组刷棉辊，各自绕自身轴线旋转，相互间转动方向相反，在它们间的间隙就是采棉通道;刷棉辊的转动带动其上的纵向刷板运动，刷板对进入采棉通道的棉株自下而上对进行击打和挤压。

这样经受刷板力的作用，当与物料（吐絮棉、棉壳、棉秆和棉叶等）接触，物料受挤压和击打时所承受的载荷超过其所能承受的极限时，就会从棉株分脱落，并在刷板离心力的作用下被甩入刷棉辊两侧的侧斜输棉搅龙中，经侧斜输棉搅龙及气力输棉部件的双重作用被输送到出料口，从而完成完整的棉花摘采过程。

第三章运动方案设计与选取

方案一：

现有的水平摘锭采棉机的滚筒是采用水平安置的形式，以此为参照，刷辊也采取水平放置的形式。

但是水平放置时采摘面积仅仅只有3个刷辊的长度，采摘效率低下，所以放弃这种方案。

方案二：

将刷棉辊倾斜30度放置，这样大大增加了摘采面积，自然也就提高了净采率。

此方案使棉花得到充分摘采，提高了净采率，降低了损耗。

因此，此方案确认为最终方案。

3.1总体方案确定

1　该机具采用刷辊自走式

2　型号：

4MSG–3

3　机具采收3行,采用全液压与机械混合传动,作业速度为1.8km/h

4　配套动力：

80kw

5　可采收76cm+10cm及66cm+10cm,两种行距的棉花,机具也相应能调整出两种轮距。

3.2各种数据参数

外形尺寸（长×宽×高）2500mmx1601.5mmx1136.5mm

采收行数3行

作业速度1.8km/h

棉花种植行距760mm/660+100mm双行种植

株距~200–230mm双行交错

植株高度750–1500mm

适摘最低棉铃高度≥180mm

最高棉铃高度1100mm

平均采摘力（断柄）22N

采摘辊工作转速300r/min

倾斜螺旋输送器（搅龙）转速n=200r/min

水平螺旋输送器（搅龙）转速n=180-200r/min

（出口）拨辊转速n=180-200r/min

防拔辊转速n=200r/min

3.3主要结构参数

3.3.1刷棉辊长度及半径

在刷辊式采棉机中刷棉辊是重要工作部件，其结构设计的好坏及相关参数的优劣直接关系到采棉质量和采摘效率。

因此，对刷棉辊的结构设计应充分考虑机器采棉的基本物理特性。

为了尽可能地摘采更多棉花，刷棉辊的作业长度应当由棉株结桃高度的最大均值和刷棉辊的倾角

，刷棉辊的作业长度和棉株在垂直方向上面所投影出来的长度应当相等，这距离可用下述公式确定：

图刷棉辊长度计算

（mm）

（1）

式中，L为刷辊作业部分的长度，单位为mm；H为棉株竖直时棉铃结桃的最大平均高度，根据对现在我国大面积主要种植的棉花品种的测定做出一个估计，一般可取H=1500mm；h为刷棉辊能正常进行摘采工作时最底端的离地高度，充分考虑到4MSG–3型刷辊式采棉机作业时地面环境的条件再加上根据采摘头结构设计计算，取h=180mm；α为作业时刷棉辊的倾斜角，单位为°；β为棉株在被采摘时因受到刷棉辊外力的作用而会向前倾斜一定角度的余倾角（换而言之就是棉株与地面之间的夹角），一般选取β=40°～55°。

刷棉辊的长度也受刷棉辊作业时的倾角α取值的影响。

针对某一具体品种或某块实际田块的棉花而言，其棉株顶部棉铃结桃最大平均高度值H一般不会有太大差异，但是一旦选择了一个较大的作业倾角α时，由于空间有限，刷棉辊的长度不足，其各部分结构十分集中,在一定采棉机进给速度和刷辊转速的条件下，摘采时间不够充分，纵向刷板和物料没有足够的接触区域；反过来说，一旦选取了较小的作业倾角α时，虽能稍稍改善工作，但刷棉辊的长度就显得较长，整个采摘部件看上去就显得结构较大，输棉距离就有些过长。

因此，根据实际经验，刷辊作业倾角α一般应取30°。

由式

（1）的计算验证后可以得到刷棉辊的作业长度1568mm--2097mm，本设计中的取值为1800mm。

刷棉辊的半径R（纵向刷板边界到轴心的距离）由可采摘高度h、纵向刷板的容积空间（纵向刷板高度，即刷板边界至刷棉辊心轴外径间的距离）、棉株最下部低结桃高度和棉花种植模式等决定[4]。

为了两刷棉辊之间有适当的作业间距，使刷棉辊对棉株产生适度挤压，同时确保采摘部件底部有合适的离地间隙，该半径大小应以大于棉株窄行两株间距，同时考虑行内棉株横向倾斜时的最低棉铃高度。

依据目前施行的种植方式和棉花种类，窄行行距100mm，棉铃株最低高度约180mm，充分考虑棉株横向倾斜的因素以及在其结构和本事强度允许的条件下应尽可能小，现刷棉辊的半径R取125mm。

图刷棉辊

3.3.2纵向刷板

摘采头中，刷棉辊上绕其旋转轴上布置有多排纵向刷板，纵向刷板是和棉株直接发生作用的零部件，物料从棉株上脱落是在纵向刷板和物料充分接触的情况下，它们间的相互作用使物料受挤压和击打时所承受的载荷超过其所能承受的极限后，呈现出一种受挤断、拉断或折断的形态。

纵向刷板是园弧状的钢板，园弧半径r的选择，应保证刷板的曲面能够和待采摘物料充分的发生接触并且使物料不是粘在刷棉辊上而是落到输棉装置中。

应保证纵向刷板顶端边缘有足够的厚度（即钢板厚度），不可过小以免划伤棉铃，一般取2~3mm。

为提高采摘效率，保证对待摘采物料受到充分的挤压和击打次数，刷棉辊圆周方向上可以排列6到10个纵向刷板。

由上述讨论，可初步确定采摘部件结构如图所示，其主要结构参数如下：

刷棉辊长度L/mm：

1800

刷棉辊半径R/mm：

125

刷棉辊倾斜角α/（°）：

30

刷棉辊中心距a/mm：

260

纵向刷板排列数量/排：

6

作业速度对击打力和击打次数的影响

作业速度和击打次数呈现负相关的关系，但对击打力没有较大的影响。

理论上，作业速度越慢，击打的次数也就越多，纵向刷板接触吐絮的几率就越高，采摘下来的籽棉也越多；反之则相反。

3.3.3小结

通过对设计方案的选择，一系列参数的选取，初步确定了本设计刷辊