农业机械学报第51卷增刊2 2020年12月
doi:10.6041/j.issn.1000-1298.2020.S2.003
贺小伟・2刘金秀2,3徐杨1王龙・2高筱钧1王旭峰2,3（1.中国农业大学工学院，北京100083；2.塔里木大学机械电气化工程学院，阿拉尔843300；
3.新疆维吾尔自治区普通高等学校现代农业工程重点实验室，阿拉尔843300）
摘要：针对原4MB6型密植棉秆对行铲拔铺放机田间性能试验中存在的减阻装置壅土严重、对行铲切装置处棉秆堆积、拔秆铺放辊拔秆不连续及有效性差等问题，对该机具进行了改进设计；为进一步提高该机具的作业性能，对其核心工作部件的作业机理进行了分析；对行铲切装置采用原地放垡间隔作业技术，当铲切深度约为115mm 时，在1幅宽膜内（2050mm），其底部虚实作业比例为1：2.42，地表虚实作业比例为1：0.59，该比例从地面到底部呈连续递减趋势，有利于降低作业功耗；在铲切作业过程中，在梯形框架带刃口的侧板部分和铲切板的挤压、剪切作用下，棉茬周围土壤被剪切和弯曲破坏、土壤棉根系复合体产生失效被原位抬升于土壤上层，对其余土壤的扰动较小；齿型推拔辊采用反向推拔作业原理，有利于棉秆导入V形刀齿并进行有效夹持，由于其所起拔的棉秆已被铲切抬升，且 入土深度（0~10mm）小，因此进一步减小了整机作业功耗。田间试验表明，改进后的机具整机作业性能稳定，对行铲切装置工作流畅，实现了棉秆对行铲切及原位抬升作业目标，齿型推拔辊能有效抓取棉秆，并进行切向甩抛使得整株棉秆根茬土壤分离、铺放于田间，拔净率为90.87%~91.42%，达到了整秆铲拔的设计要求（拔净率90%以上），是新疆棉区棉秆资源机械化收获的适用设备。
关键词：密植棉秆；低耗；原位抬升；反向推拔
中图分类号：S225.91+2文献标识码：A文章编号：1000-1298（2020）S2-0021-10
Improvement Design of4MB6Row-controlled Shoveling and Drawing Placement Machine for Cotton-stalks in Close Planting HE Xiaowei1，2LIU Jinxiu2'3XU Yang1WANG Long1'2GAO Xiaojun1WANG Xufeng2'3
（1.College of Engineering,China Agricultural University,Beijing100083,China
2.College of Mechanical and Electronic Engineering,Tarim University,Alar843300,China
旋转座椅
3.The Key Laboratory of Colleges and Universities under the Department of Education of
Xinjiang Uygur Autonomous Region,Alar843300,China）
Abstract:Aiming at the existing problems in the field test of the primary4MB6row-controlled shoveling and drawing placement machine for cotton-stalks in close planting，such as severe soil hilling in the drag reduction device，cotton-stalks accumulation in the row-controlled shoveling device，discontinuous operation and poor effectiveness of drawing-placing roller and so on，the primary machine were improved.In order to further improve the performance of machine，the working mechanism of main working parts should be analyzed.Adopting the technique of discharging furrow slice in-situ and interval operation and when shoveling depth of the row-controlled shoveling device was about11.5cm，the virtual and actual operation ratio of shoveling at bottom and surface was1:2.42and1:0.59respectively that was
a continuous decreasing trend from the ground to the bottom，which was helpful to reduce operating power
consumption of the machine.Under extrusion and shearing of shoveling plate and side panel with blade of trapezoid frame，the soil around soil-root composite were damaged by shearing and bending and soil-root composite were also damaged and uplifted in-situ in upper soil during the process of shoveling，and the 收稿日期：20200810修回日期：20200916
基金项目：国家重点研发计划项目（2016YFD0300302）、兵团重大科技项目（2018AA001/03）和塔里木大学现代农业工程重点实验室开放课题项目（TDNG2020201）
作者简介：贺小伟（1987—），男，博士生，塔里木大学讲师，主要从事现代农业装备设计与智能测控研究，E-mail：xiaoweimeixin@163 通信作者：徐杨（1963—），女，教授，博士生导师，主要从事农业机械及其自动化研究，E-mail：**************
22农业机械学报2020年
row-controlled shoveling device had little disturbance to the rest of the soil.The principle of reverse pushing and drawing was adopted when designing the pushing-drawing roller with tooth type.As the diameter of the main part of the cotton-stalks was gradually increased from top to bottom，it was helpful to introduce the cotton-stalks into V-shaped cutter and clamp the cotton-stalks effectively.In addition, because the cotton-stalks that would be pulled up was shoveled and lifted，and working depth of the pushing-drawing roller(0~10mm)was small,which both were helpful to further reduce the power consumption of whole machine.The results of field test showed that the improved machine had stable operation performance compared with the primary one.The row-controlled shoveling device could work smoothly and achieve the goal of row-controlled shoveling and uplifting in-situ cott
on-stalks.The pushingdrawing roller with tooth type could clamp the cotton-stalks effectively and separate the soil from soil-root composite when throwing cotton-stalks tangentially,and it could also spread cotton-stalks in the field.
The pulling rate of the improved machine was90.87%-91.42%,which could meet the design requirements of shoveling and drawing cotton-stalks(the pulling rate should be greater than or equal to 90%).It was a suitable equipment for mechanized harvesting of the cotton-stalks in Xinjiang cotton area.
Key words:cotton-stalks in close planting；low consumption；uplifting in-situ;pushing and drawing in opposite direction
0引言
棉花是在我国国民经济发展中占重要地位的经济作物［1］；中国作为世界上最大的棉花生产国和消费国，三大棉花主产区分别分布于西北内陆地区、黄河流域和长江流域［2］。2019年，全国棉花播种面积为3.339 2X106hm2，全国棉花总产量5.889X106t，其中新疆棉花播种面积为2.5405X106hm2，占全国76.081%，新疆棉花总产量为5.002x106t，占全国84.938%⑶；密植棉秆作为新疆机采棉生产中的主要副产物，其产量巨大且分布相对集中。
棉秆富含纤维素、半纤维素、木质素、粗蛋白、钙和磷，是一种适宜的生物质可再生资源，在农畜业、工业、能源等领域开发利用潜力可观［4"10］。进入21世纪以来，新疆棉区对棉秆的主要利用方式为粉碎还田，但由于新疆棉田多为连作种植，带病菌的棉秆就地粉碎还田会将多种病原菌带入土壤，加之棉秆木质化程度高、留在土壤中不易腐烂，会产生土壤病虫害加重、棉茬挂膜率高、播种合格率下降等问题，不利于棉花产业的持续、健康发展［11-12］o鉴于以上问题，在新疆棉区开展棉秆机械化整秆收获是其资源化规模利用的合理途径，收获的整株棉秆不仅可作为商品出售、增加棉农收入，更为棉秆资源的工业化加工利用提供了条件，将会获得环境、能源和经济等多重效益［13］o
目前，国内外学者对棉秆收获方式进行了多方面研究：对行作业方式包括铲切式、齿盘式、链夹式、对辐式、圆盘式，该类收获方式目前主要适应于等行距标准化的种植模式［14-19］；不对行作业方式包括剪切式、横辐齿刀式，其中剪切式收获方式存在根茬留地的问题，不利于后续土壤耕作及作物生长［20-21］，横辐齿刀式收获方式需入土作业，且由于不对行作业致使功耗较高［22-23］o新疆地区属荒漠绿洲灌溉农业区［24］，机采棉种植过程中最后一次灌水时间为棉花采收前一个多月前，导致棉花采收后棉田土壤板结严重，单纯采用起拔方式，很容易引起棉秆断裂，且现有起拔方式不适于机采棉密植种植模式；单纯采用铲切方式，无法分离根茬泥土，且现有铲切方式作业功耗较高。
课题组针对新疆棉区土壤条件，结合目前广泛推行的密植种植农艺要求，借鉴虚实并存作业原理［25］，提出对行铲切、反向推拔协同作业方法，设计了4MB6型密植棉秆对行铲拔铺放机，实现针
对板结土壤的铲、拔秆作业；但原样机存在减阻装置壅土严重、对行铲切装置棉秆堆积、拔秆铺放辐拔秆不连续及拔秆有效性差等问题，因此对机具的部分机构进行改进设计。另外，为进一步提高该机具的作业性能，本文通过分析对行铲切装置和齿型推拔辐作业过程，研究其工作机理，以期为密植棉秆对行铲拔铺放机作业性能的提升提供理论参考。
1整机结构及特点
为配套机械化采收作业并实现棉花高产，新疆棉区棉花种植模式采取“小个体、大体”的栽培策略，形成并广泛推行(66+10)cm宽窄行密植种植模式［26］；兼顾农机和农艺融合要求，设计了4MB6型密植棉秆对行铲拔铺放机，该机工作幅宽确定为2.28m，其值大于1膜6行的地膜整体宽度(2.05m)，并可确保机组无重无漏进行作业，如图1所示。
原4MB6型密植棉秆对行铲拔铺放机整机结
增刊 2贺小伟等：4MB 6型密植棉秆对行铲拔铺放机改进设计23
2.28 m
图1 1膜6行(66 +10) cm 密植模式和工作幅宽示意图
Fig. 1 Diagram of (66 +10) cm close planting mode for six rows with one film and working width
1.地膜
2.密植棉秆
3. 土壤
颗粒冷却塔构如图2所示，主要由机架、三点悬挂架、传动系统、 压秆装置、限深轮、减阻装置、对行铲切装置、铲切调 节装置、拔秆铺放辐、脱秆装置等部件组成。机具采
用对称配置的方式悬挂在拖拉机上，其中减阻装置、 对行铲切装置和铲切调节装置为对行作业单体，横
向配置3组对行作业单体；如图3所示，单组对行铲 切装置工作幅宽410 mm，每组间隔350 mm，针对2
行窄行距棉秆进行对行铲切作业。
图2原样机整机结构图
Fig. 2 Structure of primary prototype
1.压秆装置
2.减阻装置
3.限深轮
4.铲切调节装置
5.机 架
6.三点悬挂架
7.传动系统
8.拔秆铺放辊
9.脱秆装置
10.对行铲切装置
图3对行铲切装置间隔分布示意图
、
r /
干
彳
3
R
10 cm
66 cm
1：)c n
66 cm
胀锚螺栓
10 cm
205 <•m
Fig. 3 Interval distribution of row-controlled shoveling device
1. 地膜
2. 密植棉秆
3. 土壤
4. 对行铲切装置
4MB 6型密植棉秆对行铲拔铺放机采用模块
化单元设计，并融合了铲切和起拔2种方法；压秆装
置、减阻装置、限深轮、对行铲切装置、拔秆铺放辐、
脱秆装置按作业顺序依次布置在机架上，每个单元
的作业高度或深度均可调。 机具作业时， 压秆装置
首先对棉秆进行推压，紧接着减阻装置在窄行距棉 秆根茬两侧切土以减小后续对行铲切阻力，随后铲
切装置入土铲切棉茬并将其提升、导流至土壤表层,
最后由拔秆铺放辐反向拔秆、抛拨棉秆并铺放于田 间，为防止棉秆、残枝及残膜缠绕在拔秆铺放辐上,
在机架后梁上设置了脱秆装置进行分离作业。
2原样机田间试验情况
2.1试验条件与试验区概况
2019年11月在阿拉尔市十二团国家农业科技 园区选取了机采棉棉田进行了原样机试验，如图4
所示。采棉机作业后棉秆全部站立于田间，试验田
为1膜6行机采棉密植模式，窄行侧边土壤坚实度
平均值为2 402. 983 kPa ，窄行中间土壤坚实度平均
值为2 972. 492 kPa，秸秆平均高度为785. 578 mm,
平均秸秆数为20. 39根/m 2。
图 4 密植棉秆试验田
Fig. 4 Experimental plot of cotton-stalks in close planting
阿拉尔市大部分处于塔里木河冲积平原，在河
阶地以及一些老河道两旁发育着本区面积最大、最输液恒温器
24农业机械学报2020年
重要的林灌草甸土[27]，该试验区属暖温带极端大陆性干旱荒漠气候，雨量稀少，冬季少雪，地表蒸发强烈，年均降水量为40.1~82.5m m，年均蒸发量高达1876.6~2558.9mm[28]o
2.2试验情况
通过田间试验，验证原4MB6型机采棉密植棉秆对行铲拔铺放机的棉秆推压、对行铲切效果良好(铲切深度10~12cm)，如图5所示，机组对行作业、一次作业6行，机组作业后棉秆被推倒并被铲切抬升；
但拔秆铺放辐拔秆效果较差，如图6所示，棉秆只有一部分被起拔并铺放在地面，未形成连续作业，拔秆不连续时，易引起棉秆铲切装置拥堵；另外，减阻装置未起到预期效果，其转动轴容易卡死，致使壅土严重，且会影响后续对行铲切装置作业，如图7所示。
图5棉秆倒伏及铲切情况
Fig.5Lodging and shoveling condition of cotton-stalks
图6棉秆被起拔情况
Fig.6Drawing condition of cotton-stalks
「T I3滋海於卫
图7对行铲切装置处棉秆拥堵情况
Fig.7Jam condition of cotton-stalks in position
of row-controlled shoveling device
2.3试验问题分析
2.3.1棉秆拥堵原因分析
拥堵原因如下:
(1)减阻装置切土、翻土效果差；减阻装置壅土严重，而且翻出的土壤易于堆积至对行铲切装置前端，致使棉秆拥挤在对行铲切装置处。
(2)拔秆铺放辐拔秆效果不明显，未连续有效将棉秆拔起、抛甩到田间铺放，致使对行铲切装置处棉秆堆积而拥堵。
(3)地轮与减阻装置横向间隔距离较小，机组前行时，会将棉田散落的棉枝条带起，越积越多，致使棉秆在该处拥堵，进而影响地轮及对行铲切装置作业。2.3.2减阻装置作业效果分析
原样机减阻装置采用圆盘式，由连接柱、调节螺栓、连接杆、圆盘转动轴和切土圆盘组成，如图8所示;2个间隔一定距离的圆盘式减阻装置组成1个减阻装置组，对应2个切土圆盘相对偏转设置，每个切土圆盘与平行于机具前进方向的竖直平面具有一偏转角琢，使得2个切土圆盘形成前部敞口小、后部敞口大的结构，在分别距离2行窄行距棉秆主干约50mm处将两侧土壤切开并向外侧翻动，形成2条作业沟，有利于后续铲切装置的铲切作业。
图8减阻装置及其工作示意图
Fig.8Resistance reduction device and its schematic
1.连接柱
2.调节螺栓
3.连接杆
醚链
4.圆盘转动轴
5.切土圆盘
6.棉秆
7.土壤
由于减阻装置作业深度较浅(30~50mm)，从棉茬侧面(距离棉秆主干约50mm)切土时，30~ 50mm作业深度范围内棉茬根系发达，直径较大的棉支根在该处较集中，致使切土圆盘切土阻力大，切土、翻土效果差；若在距离棉茬较远处切土，则起不到减阻效果。试验发现，若作业深度过浅(0~ 30mm)，切土圆盘不连续转动，而且会将采棉机作业时碰触落掉的残枝、棉桃壳等集堆；若将切土装置的作业深
度加大，则切土阻力显著增大，且翻土效果差，易出现切土圆盘不转动、卡死现象，致使减阻装置壅土严重，影响后续对行铲切装置作业。
2.3.3拔秆铺放辐作业效果分析
拔秆铺放辐是完成棉秆起拔的关键部件，对经铲切抬升后的整株棉秆进行逆向拔秆作业，使得棉秆完全从土壤中拔出并铺放。如图9所示，拔秆铺放辐置于对行铲切装置的后方，由辐轴、支撑盘、
弹
增刊2贺小伟等：4MB6型密植棉秆对行铲拔铺放机改进设计25
齿轴和拔秆弹齿等组成；辐轴的两端通过花键轴头、轴承和轴承座连接在机架左右2个侧板上，辐轴上共焊接4个支撑盘，支撑盘将辐轴分为3个工作段，分别对1膜6行中3对窄行距棉秆进行起拔作业，每个工作段内沿支撑盘外圆周向均布5个拔秆轴，拔秆轴连接在支撑盘上，拔秆弹齿等间距安装在拔秆轴上。
图9拔秆铺放辊结构图
Fig.9Structure diagram of drawing and windrowing roller
1.辊轴
2.支撑盘
3.弹齿轴
4.拔秆弹齿
田间试验发现，若拔秆铺放辐上的拔秆弹齿伸入土壤中进行拔秆作业，则很容易在拔秆弹齿与弹齿轴连接处产生应力集中，使得连接处螺栓断裂，而且拔秆弹齿变形量也会很大；若拔秆弹齿距离地面一定高度进行拔秆作业，发现其拔秆效果差；拔秆弹齿的截面直径为6mm，根据田间测量得出密植棉秆
底部主干直径范围为4.14-12.32mm，大部分弹齿与棉秆主干部分接触时容易滑脱（图10），未形成有效起拔力，从而致使拔秆铺放辐拔秆作业不连续、效果差。
图10弹齿在棉秆主干部分作业位置示意图Fig.10Schematic of spring tooth operating at bottom
position of cotton-stalk
1.棉秆
2.弹齿
3样机改进设计
3.1减阻装置
用深松犁钩子替代减阻切土圆盘，卡装在原样机前横梁安装减阻装置的位置，该深松犁钩子主要由菱形尖头、两侧翼板、犁柱、安装卡板和U型螺栓组成，如图11所示。田间试验表明，该深松犁钩子开土、翻土效果较好，但由于菱形尖头与压秆装置纵向间距过小，经深松犁松动抬升的土壤和棉田地表的棉枝容易在该间距内堆积，一方面致使压秆装置的压辐不转动，另一方面随着作业时间的增加导致深松犁钩子也无法正常作业。
图11深松犁钩子
Fig.11Subsoiling plough hook
1.菱形尖头
2.两侧翼板
3.犁柱
4.安装卡板
5.U型螺栓
基于以上问题，再次改进后的样机将深松犁钩子去掉，在压秆装置和对行铲切装置之间不设置减阻装置；田间试验表明，未设置减阻装置时，对行铲切装置作业单体可以实现入土、切土、铲秆、棉茬原位抬升作业，且达到了预期作业效果。
3.2齿型推拔辊
将拔秆铺放辐上的拔秆弹齿替换为拔秆效果显著的齿型板，优化后的拔秆装置（齿型推拔辐）如图12
所示；齿型推拔辐关键作业部件是推拔棉秆的齿型板，其通过螺栓固定在拔秆轴上。
图12齿型推拔辊
Fig.12Pushing-pulling roller with tooth type
1.转动盘
2.辊轴
3.支撑盘
4.齿型板
5.拔秆轴
如图13所示，齿型板由板体、锯片、V形刀齿和U型槽组成。考虑到齿型板的安装及强度要求，初步设计时齿型板厚度取为3mm，材质选用合金结构
压延加工
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