棉花采摘头设计GGWord格式.docx
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从理论上研究摘锭机滚筒的运动规律，并结合Adams软件对摘锭的运动进行模拟分析，应用sQlidwarks的有限at}分析模块对摘锭的受力进行了模拟分析，为摘锭的设计制造奠定理论基础。
2设计制造采摘试验台
（1）采集棉株样本，应用minitab软件分析棉桃在棉株上的分布规律，确定采摘滚筒的尺寸参数，同时对K值及滚筒倾角rx及两滚筒,_.f}』距D等重要参数进行研究。
（2）设计试验台的输送系统、传动系统、电气控制系统等主要部分，完成主要设备的选型。
对风送系统的进行了理论分析，结合采摘头工作过程完成风送系统的设计。
（3）应用V}软件进行数据采集系统的设计，实现对试验台输送系统及传动系统的扭矩、功率及转速的数据采集，通过分析采收过程中的扭矩、功率及转速曲线分析，研究采摘头的土作状况。
（4）应用so!
id}rorks软件完成试验台的三维建模井进行千涉检验，为试验台的实际装配提供参考，对关键部件的运动及受力情况进行了模拟分析。
（5）通过性能测试试验对试验台性能进行测试，分析试验过程中所采集数据存在的误差，对试验台的性能进行检验。
3试验研究
①进行采摘锭材料单因素试验，分析采摘锭材料对采收效果的影响，为后续试验奠定基石出。
进行采摘头运动参数与摘锭材料正交试验，确定采收参数的最有组合井分析各试验因素对试验指标的影响。
③根据正交试验结果进行田间试验，试验结果:
采净率大于95.20!
0,含杂率小于25%。
本文研究结果为采摘头的设计提供指泞意义，在采摘头的后续研究提供理论依据和科学指导。
【关键词】采摘头，试验台，虚拟设计，试验研究，田间试验
绪论………………………………………………………………………………5
第1章引言……………………………………………………………………..5
一、课题背景及研究意义…………………………………………………………..5
二、国内外研究现状及发展趋势…………………………………………………...7
三、研究内容……………………………………………………………….........15
第二章试验装置的设计……………………………………………….……….16
一、摘锭运动分析………………………………………………………………...16
二、摘锭运动理论分析……………………………………………………………17
三、摘锭运动轨迹仿真分析……………………………………………………….18
四、采摘锭的受力分析……………………………………………………………20
第三章试验因素的单因素分析………………………………………………..22
一、试验仪器设备与材料………………………………………………………….22
二、采样方法与测定指标………………………………………………………….23
三、试验目的……………………………………………………………….........23
第四章采收参数的优选及田间试验…………………………………………..24
一、采摘头设计参数和摘锭材料试验研究………………………………………….24
二、田间试验……………………………………………………………….........25
3、采样方法……………………………………………………………….........25
四、试验结果分析………………………………………………………………..27
第5章结论与展望……………………………………………………………..27
1、主要结论……………………………………………………………….........27
二、展望………………………………………………………………...............28
参考文献………………………………………………………………………..29
致谢……………………………………………………………………………..31
绪论
大家都知道我们身上穿的各种衣物绝大多数都源于棉花，棉花能制成各种织物包括高级布料、棉纱和针织品，它既是最重要的纤维作物，又是重要的油料作物，也是含高蛋白的粮食作物，棉花对我们的生活有着非常重要的价值，棉花也是世界上最主要的农作物之一。
因此对棉花的产量也便有了要求。
第1章引言
一、课题背景及研究意义
新疆是我国最大的优质棉种植区。
新疆地区棉花的单产、总产、国内销售量以及出口量连续多年在全国位居首位。
棉花生产己经成为了新疆农业中的支柱性产业。
新疆有实现棉花全程机械化的优越条件即人均种植而积大，拥有大而积高产连片一棉田和国家及政府相关政策及经济支持等。
日前新疆棉花采收己基本达到机械化水平，但是新疆棉花的采收仍然以手工采收为主，近年来，随着从内地组织劳力采棉难度加大，同时劳动力价格的不断上涨新疆各棉花生产区都存在着不同程度的人力不足现象，棉花不能及时采摘。
棉花采收已经成为了新疆棉花产业发展中巫待突破的“瓶颈”。
采棉机的应用推广成为了新疆棉花生产的必然趋势。
实施和推广机械采棉技术，能够把广大农止从繁重的体力劳动中解放出来，分流转移到二、三产业中去，对于农业增效、农民增收、切实解决“三农一问题，对建设社会主义新农村具有重要现实意义。
采棉机采摘头根据工作原理及采收特点，可以分成选收机（摘锭有选择的采收）和统收机（摘锭无选择性的采收）2类。
其中选收机中，具有代表性的是垂直摘锭采棉机（spindleharvester）和水平摘锭采棉机。
统收机主要有滚筒结构（brush-rollstripper）和指杆结构（timerstripper）采棉机。
选收式采棉机具有采净率高、含杂率低、机器适应性好等优点，但是该类机型的结构复杂，加工制造困难，制造成本高，收获成本大，这些问题限制了其大规模的推广。
统收采棉机的结构相对简单，采收效率和采净率较高，收获成本较低。
目前使用的采棉机主要是以水平摘锭采棉机为主的选收机，这种采棉机虽然工作可靠、性能稳定，但由于结构复杂，关键部件未能国产化，致使购机成本高、零配件价格高、维修费用高、服务不及时等因素的影响，农民接受不了，大量推广短期内存在一些困难。
当前，在美国南部的平原地区有一种采收单行棉花的滚筒式结构采棉机得到广泛的应用，该采棉机的采摘头摘锭由一组倾斜安装的滚筒构成，在滚筒圆周上均匀的安装着毛刷和胶板，这种采棉机的采净率超过95，含杂率在30%左右。
经过HV工检测系统（大容量棉纤维快速检测仪器）检测，滚筒式采棉书L采摘下的籽棉品级和水平摘锭采棉机的品级没有明显的差别。
统收式采棉机作为选收式采棉机的一种补充，近几年在新疆得到广泛的研究。
本项目研究对象胶棒滚筒式采棉机结构简单，土作部件价格低廉，以采棉机关键性能指标—采净率、总含杂率作为评价指标，开展对其影响因素的试验研究，综合评价各因素对采摘性能影响程度，达到优化采摘头关键结构及工作参数的目的，对胶棒滚筒式采棉机采摘头的设计其有重要的意义
二、国内外研究现状及发展趋势
国外选收机研究现状
日前，国外采棉机上的采摘头摘锭形式主要有2种:
滚筒式水平摘锭以及垂直摘锭。
在美国应用较为广泛的是滚筒式的水平摘锭采棉机，该机型的采摘头主要是由采摘室、水平摘锭采摘滚筒、淋润器、脱棉盘、扶导器、集棉室及传动系筒等部分构成。
每组采摘头配两个滚筒，安装前后相对或一侧排列两种方式配置，把摘锭成组的安装在摘锭座管体上而，传动主轴安装在摘锭，每个座管体内安装一套，其作用是带动相应摘锭进行旋转，摘锭座管体总成均匀配置在滚筒圆上，同时在摘锭座管上安装带滚轮的曲拐。
采摘滚筒做圆周运动时，滚筒与摘锭座管“公转”，与此同时每组摘锭也在“自转”。
上作过程中，由于摘锭座管上的曲拐滚轮嵌入到滚筒上方的浮向槽内，在滚筒旋转时，拐轴滚轮按照其特定的轨道曲线运动，而摘锭座管总成进行摆动一旋转运动，使成组摘锭都在与棉行成直角的状态下进出采摘室，并以适当的角度通过淋润器和脱棉器。
采摘室内，摘锭上下、左右的间距一般设计为3Smm，呈正方形方式排列，以包围棉铃，由栅板和挤压板组成采摘室。
水平摘锭式采摘部件的特点主要有:
摘锭多，布局介理（每组288至48。
个），摘锭与棉铃的接触面积大，采净率达到95}o;
适应性强，对棉花株形大、分枝多、结铃较分散的棉株也能达到较高的采净率;
水平摘锭工作区域比较宽，对棉株
的挤压力小，棉枝、棉叶和铃壳不易被压碎而粘附在棉纤维上，因此，棉花的含杂率在8%以下[[33]0垂直摘锭式采棉机和水平摘锭式采棉机的主耍区别在于:
垂直摘锭式采棉机的摘锭是垂直安装的，其采棉部件主要由摘锭、垂直摘锭滚筒、脱棉刷辊、扶导器及传动机构等组成。
每个采摘头有四个滚筒，安呈前后成对方式排列，每个滚筒上有巧个摘锭，摘锭为圆柱形，侮组}l根，摘锭上有4排齿，直径约2}IT1II1（长绒棉摘锭3C）mm）o每对滚筒的相邻摘锭呈交错相间排列，摘锭上端有传动皮带槽轮，在采棉室从外侧团定皮带传动，滚筒旋转方向与摘锭旋转方向相反，摘锭为圆柱形，表面有几条纵槽，棱边上有齿，摘锭齿迎着棉株转动方向进行采棉。
每对滚筒之间留有26至30~的上作间隙，形成采棉工作区。
土作过程中，摘锭用齿钩住开放的棉花纤维，并将其缠绕在摘锭杆上，随后摘锭和脱棉器相遇进入脱棉区。
在脱棉区内，摘锭上端槽轮由内侧固定皮带传动从而使摘锭反向转动，使摘锭上的锭齿抛送出籽棉瓣从而实现脱棉。
垂直摘锭式采棉部件的主要特点是:
棉株被两个滚筒挤压在1至3mm的采摘间隙中，其结构较水平摘锭式采摘部件简单，容易制造，制造成本低，适宜一于采摘棉铃集中、分枝少而短、株高低于$Omm的棉花。
垂直摘锭的有效土作区比较小，棉花的采净率及工作效率较水平摘锭要低1L7%至15%，采收籽棉含杂率的为8%一16%,落地棉为10%一12%，对棉
株损伤较大。
总的来说，前苏联的垂直摘锭式采棉打L结构和原理相对来说比较简单，制造方便，成本低廉，采棉作业各项指标较之水平摘锭式采棉机也比较低。
而美国的水平摘锭式采棉机结构比较复杂，制造工艺水平要求较高，价格也更昂贵。
随着科学技术的不断发展，自上世纪80年代开始，在美国等发达国家，自动及半自动的专用生产设一备及工艺对摘锭等关键部件的生产加上取得了巨大的改进，降低了生产成本，同时也缩短了生产周期。
因水平摘锭式采棉机采摘质量更好，土作效率高，在实际生产中应用更为广泛。
在国外，通过对各种摘棉器的试验和研究，得出了滚筒式水平摘锭式摘棉器效果最好的结论此外，还有关于气流式采棉机和摘棉铃机的一些研究，但由于这些机型功率损耗大，采收的棉花含杂率高而采棉效率低，至今还没有在生产上进行推广。
美国研究现状
梳齿式采棉机与摘锭式采棉机出现于同一时期，由于当时棉花清理加工技术的滞后，致使梳齿式采棉机发展缓慢，在采棉机市场逐渐以摘锭式采棉机为主。
梳齿式采棉机改变了原有采棉机的采摘台，其结构简单、购置成本及使用维修费用低，无需专门的配备设施，大大降低了棉花收获成本。
1920年美国最早研制的梳齿式采棉机，是采用马或者骡子拉动的单行木质收获机械。
该结构采用锥形开口。
当棉株通过锥形开口时，锥口将棉株上的棉铃连同棉叶、棉枝撸掉。
棉花含杂质较大，严重时杂质占总收获量的50%左右。
20世纪60年代，梳齿式采棉机是为了解决窄行距棉花的机械收获而发展起来的，在70年代初开始有商品问世，它也可用于一般行距的棉花，机型多数为自走式。
其工作原理为：
当机器前进时，梳齿向上穿过棉株，每棵棉株都被强制通过相邻两齿间狭小间隙，常用间隙为16mm左右，梳齿后端下方的一个小直径翅片滚轮对棉株施加一个向下的的拉力，使不能通过间隙的棉铃脱离棉株，由梳齿上方的拨棉铃器拨到后面的横置双向螺旋输送器内；
两侧的螺旋输送叶片将摘下的棉铃向中间输送，然后向后经拨送轮送入一个较短而转速较高的螺旋输送器，由此进入气流输送系统，其中的上升气流将成熟的籽棉吸走并送入棉箱，较重的未开青铃则从气流中下落，由青铃分离器落入青铃箱或排到地上。
20世纪中期，美国研制出多种采摘棉花的机械，其中毛刷滚筒结构和梳齿结构两种一次性采棉机尤为盛行。
毛刷滚筒结构采棉机是由若干毛刷和刮板组成的商业化采棉机，其在堪萨斯州南部、俄克拉荷马西部等地广泛使用，另外德克萨斯州85%收获的棉花是采用毛刷滚筒结构采棉机。
在梳齿结构采棉机研究上，JohnDeere公司JD7460八行自走式采棉机是这方面的代表，该机作业速度0～6km/h，采净率97%以上。
20世纪70年代JohnDeere公司制造的33型牵引式梳齿式采棉机和InternationalHarvester公司生滚筒摘锭式采棉机采摘头结构优化设计3产了1076型自走式梳齿式采棉机。
此外，在对一次性采棉机研制的基础上，美国农业技术人员对采棉技术适用条件也进行了大量研究并在主要植棉区做了对比试验。
在德克萨斯州的试验表名，该地区的棉花品种用摘锭式采棉机的采净率为76%，远不如在其它地区的91%。
对毛刷滚筒结构采棉机采摘棉花质量的研究表明，与水平摘锭相比，使用高精度仪器检测HVI时，在棉花主纤维和纤维的强度、长度、均匀度等方面，差异并不明显。
使用高级纤维信息系统AFIS检测结构表明，毛刷滚筒结构采棉机收获的皮棉质量劣于摘锭式，主要是由于过多的外来物质、棉结、不成熟纤维和短纤维。
尽管摘锭式采棉机收获的棉花质量更高，但其价格昂贵，保养困难。
毛刷式滚筒结构采棉机在使用中也暴露出许多问题。
采棉机在工作中，连同籽棉一起，收入了大量杂质（15%～25%）。
杂质包括铃壳、枝秆、细杂（叶屑和土渣）。
虽然可以通过采棉机上的清杂装置清除大部分杂质，但是杂质中包含的枝秆在轧花过程中会导致棉秆皮的脱落，污染皮棉，使其品级降低，给棉农造成损失。
研究还表明，机器作业时，其前进速度高于5km/h时，籽棉中棉花枝秆和棉株表皮的含量就会增加，导致棉花品级降低。
在对采棉机械研究的同时，美国和前苏联在20世纪20-50年代对棉花物理机械特性进行了大量研究。
结果表明，对棉花的物理机械特性进行详细地研究是正确设计棉花收获机的必要条件，是机械收获棉花的理论依据，因为采下的棉花不能够被破坏，如棉籽破裂、纤维扭曲或扯断等，而棉花的混杂率应力求降低。
棉花品种不同，其结构、形态、机械特性也不同，这就给机械采棉造成各种难易不同的问题，而采棉机的发展历史正是这些问题不断被解决的过程。
尽管梳齿式采棉机结构较摘锭式采棉机简单，价格低廉，使用维修费用低，但仍需恰当的收获条件，即棉花落叶水平、棉秆的直径、棉株高度和宽度及棉秆含水率等因素，这些因素决定了合理的机械调整。
维持和调整合理的梳齿间距对提高棉花收获效率和保持棉纤维至关重要。
阿根廷研究现状
据资料显示，作为棉花种植面积大、采棉机械化程度较高的阿根廷从20世纪40年代就开始了棉花收获机械化技术研究，面向用户为中小规模棉花种植户，采取不对行采摘，设计理念也迥异于美国等摘锭式采棉机“机械手”概念。
2006年，由阿根廷国家农业科学院设计、DOLBI公司生产的JAVIYU梳齿式采棉机，是一种新型的棉花采摘机械，即将籽棉、青铃、枝叶等收回，并自带简易清花设备，可将大部分枝叶分离清选出。
此外，该机结构与美国梳齿式采棉机类似，具有结构简单、造价低的特点。
国内研究现状
棉花是我国的主要经济作物。
近几年，我国棉花种植面积稳定在533公顷，我国的棉花主要产区为长江棉区、黄淮棉区和新疆棉区。
棉花产量维持在每年400万t的水平。
棉花种植的主要作业环节均已实现机械化，但棉花收获目前仍基本由人工采摘。
人工采摘棉花是需要弯腰和肢体屈伸的劳动，从劳动强度看，人工采摘是棉花生产中一项劳动强度非常大的农事活动。
然而令人遗憾的是，我国棉花收获机械的发展极慢，棉花收获几乎完全由人工完成，少数地区的大型采棉机也多为国外引进。
人工采摘不仅劳动强度大，生产效率低，而且生产成本高。
显而易见，人工采棉已不能适应棉花生产大发展的需要，加速发展机械化采棉技术，促进棉花生产向全程机械化迈进，是实现棉花生产向“低成本、高效益、外向型、大规模”发展的必由之路。
石河子开发区福顺安防电器科技有限责任公司开始研制滚筒式软摘锭采棉机。
采棉机软摘锭，用弹性橡胶材料制做，表面有横向凸起的条纹。
其工作原理是：
在机器前进的过程中，棉花经过采摘头前部导棉区受到挤压后进入采棉区，采摘滚筒上的软摘锭对滚筒摘锭式采棉机采摘头结构优化设计4采棉区内部的棉花进行梳刷抽打，利用软摘锭对吐絮棉梳刷抽打过程中制造的离心力，以及软摘锭对棉纤维的勾挂和橡胶棒的粘附作用，将吐絮棉从棉株上梳刷脱离，脱下的棉花被甩入采摘头侧面风道，由风力通过采摘头后部的集棉管道输送到集棉箱，实现采收。
目前存在的主要问题是：
（1）机器性能不稳定。
经过几年的研制，生产了几种样机，积累了一定的经验，但是由于理论研究不足，使得试制出来的样机性能不稳定，不能实现持续大面积作业。
（2）试验周期长。
由于棉花是一种季节性作物，在新疆自治区内属于一年一熟，受其生物特性的影响，使得机器下地试验周期长，试验时间短，严重制约了机器的研制进度。
设计棉花采摘机需满足的基本条件：
第一，对采摘棉花质量的保证，相比手工采摘棉花时的质量如何，能否符合纺织的要求。
第二，采摘的同时不损伤棉珠、青铃等棉花本身的部分。
第三，机型本身是否结构简单、易操作和制造，造价低等优秀的工艺和特性。
中国是世界棉花产量大国也是棉花消费大国，棉花的种植面积可达550万公顷，主要种植区在新疆、山东、湖北、湖南、江苏等地，这些棉花种植区种新疆大面积集中种植和其特殊的天气条件引进了大型的国外棉花采摘机，这些大型采摘机多数都非常昂贵，且对种植本身和地形有一定的要求，难以普及实现棉花收获的机械化。
在国内与大型棉花采摘机相比小型棉花采摘机更适合我国棉花种植的基本现状，小型棉花采摘机对地形和种植以及棉珠没有特殊的要求，其适应性强。
在我国有90%的棉花为人工采摘，人工采摘劳动强度大，采摘效率低，严重制约了棉花产业的机械化进程。
小型棉花采摘机的效率是人工采摘的3-4倍，而且小型采摘机的成本低。
从上世纪5C1年代初开始，新疆的棉花生产机械化开始起步，主要依赖引进前苏联设备技术和设备。
1852年，新疆引进4SM型单行和垂直摘锭式CXM-48型两款前苏联采棉机，在1959年又引进双4行采棉机，进行地域适应性试验。
但由于在使用采棉机采收时，所采收的棉花含杂率高，采棉机结构复杂，同时没有完善的清花设备，改采棉机未能在实际生产中得到推广口“]。
1971年兵团根据棉花生产的需要，在农七师重新成立了机器采棉试验研究小组，提出了使用气吸外加机械采摘棉花的设想。
由于上作过程中生产效率较低，用来采收的滚筒锯齿会对棉株造成严重的损伤而放弃研究娜〕。
1972至1973年间，新疆生产建设兵团农七师采棉机研制小组在参考国外资料的基础土，对初步的研究结果进一步改进，研制了一种气吸振动式的分次采棉部件，在试验台上进行了b0多次室内试验，取得了较好效果，但是该项研究仅仅是局限在原理性部件的研究阶段，没有进行更深入的改进}}'
301995年，新疆农机化研允所与美国约翰迪尔公司在农二师进行了试验，该试验使用铁牛型拖拉机作为动力，采用双行后悬挂方式，在右侧布置水平摘锭式采摘头，该机一可采收以50+3}cm宽窄行为种植模式的棉花。
试验表明，机器有比较高的采收性能，但同时对棉株会造成损伤现象，而且采棉部件的尺寸较宽，使得机器的总体布置困难，只能进行隔行采棉，从而造成撞落棉较多。
美国相关资料显示，该型号采棉机的采净率可达95%-98%,含杂率低于8%，作业速度可以达到5.fikm"
h-1Ea,-4}to2004年，公司生产出我国第一台贵航}M}-S型自走式采棉机，并在石河子垦区部分团场进行试采井获得成功。
月前这种采棉机已通过国家农机鉴定总站的鉴定，技术指标达到了世界先进水平[f}}-5?
l。
生产率O.b7-l.Ohrn.h2,采净率为95%，作业速度5.61-5.77km.h-1，含杂率mo}n。
针对滚筒式软摘锭采棉机各系统的研究，主要对滚筒式软摘锭采摘头进行了研究，介绍了其设计过程;
FS4M-2R型采棉机进行了设计，阐述了这种软摘锭采棉机的基本结构和工作原理，介绍了各组成部分的设计，井进行了试验分析【sad叶伟等02009）对采摘物进行输送系统进行了设计，井对风送流场进行了分析;
马娟等02010）针对滚筒式采摘头的设计与研究，建立了滚筒的运动方程，讨论了k值和滚筒摘锭材料的选择本文研究的是一种滚筒式结构的采棉机，该采棉机的采摘头摘锭结构比较新颖，是由一对滚筒和在安装在滚筒上的柔性橡胶棒构成。
采摘头采摘时，快速旋转的胶棒对成熟的棉铃进行多次梳噜和扫一击，完成对棉花的采摘。
该结构可以非常有效的避免一断棉枝和采摘上未成熟的棉铃。
这种摘锭的采棉机在国内和国外都未见相关研究报道。
通过在新疆地区的试验表明，该机其有很好地采收性能。
本课题研究的意.义在于通过搭建试验台架，采用正交试验的试验方法，改变采摘头滚筒的转速、采棉机的行走速度以及采摘头滚筒上的软摘锭排列规律这几个参数，再抽样测量所采棉花的采净率和含杂率，从而确定最佳的采棉机滚筒转速、采棉机行走速度以及摘锭的排列规律;
为采棉机采摘头的优化设计提供理沦依据。
三、研究内容
采摘性能试验台的搭建
（1）利用SolidWorks软件设计试验台井建立其三维模型，对其结构进行静、动态干涉检杳，模拟仿真其运动、动力学特性。
（2）设计采摘试验台数据采集系统，实现采摘试验台功率、转速、扭矩等数据的采集，开发数据采集系统软件。
（3）设计采摘试验台控制系统，实现传送带行走速度、滚筒转速和风机转速的调控。
试验研究
（1）各试验因素及水平的确定。
（2）单因素试验研究，确定各因素对采摘质量（即采净率、总含杂率）影响的显著程度，并考察其对采摘作业消耗功率的影响。
（3）多因素试验研究。
（4）分析试验数据，再通过试验验证实现采摘头的参数优化。
通过搭建采摘头试验台，采用控制系统实现传送带速度、滚筒转速以及风机转速的调控，利用智能数据采集系统监测试验台的功率、扭矩、转速等数据，研究胶棒滚筒式采棉机采摘头结构参数、土作参数对采摘质量一一采净率、含杂率的影响规律。
以期实现对采摘头结构及上作参数的优化，提高胶棒滚筒采棉机采摘质量。
研究方法
技术路线
试验方法
（1）总体试验方案
（2）各影响因素的单因素及多因素试验研究。
（3）试验数据采集
利用数据采集系统采集滚筒转速及传送带速度等数据。
采净率和含杂率进行采摘试验后，依据相关标准，通过采集样本，分别测量采净率和含杂率。
回归方程的拟合使用相关数据处理软件依据试验数据进行回归方程的拟合。
数据分析对试验数据分别进行方差分析、试验参数单因素和多因素影响规律分析。
参数优化依据试验结果进行试
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