采棉机采摘头适应性农艺参数分析.docx

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采棉机采摘头适应性农艺参数分析

摘要

棉花是我国新疆地区的一种主要经济作物，从上世纪80年代新疆被列为国家重点商品棉生产基地以来，新疆地区植棉业迅速发展，但随之带来的是棉花收获问题越来越突出，早期的人力采收棉花已不适应植棉产业以及植棉全程机械化的需要。

从本世纪初，新疆地区开始大量引进国外大型自走式采棉机，国内也有一些厂家引进国外先进技术或自主研发部分采棉机机型。

这些采棉机在生产实际中都得到逐步应用，随着人们观念的改变以及机采棉种植面积的扩大，以采棉机为主的机械采收棉花的形式也会被越来越多的人认同。

采摘头是采棉机的核心部件，目前在新疆地区工作的采棉机采摘头都为水平摘锭式，新疆兵团使用的采棉机大多为国外买进，而近几年采棉机采净率严重影响新疆的棉花质量。

因此，对于采摘头适应性的棉花农艺参数的分析具有重要意义。

关键词：

采摘头；农艺参数；分析

Abstract

CottonisamajorcashcropintheXinjiangregionofChina,fromthe1980s,XinjianghasbeenlistedasnationalkeycommoditycottonproductionbasesincetherapiddevelopmentofXinjiangcottonindustry,butbringswithitmoreandmorecottonharvestprominentearlyhumanharvestingcottoncottonnolongermeettheneedsofindustryaswellasfullmechanizationofcotton.Fromthebeginningofthiscentury,alotofXinjiangbeganlarge-scaleintroductionofforeignself-propelledcottonpicker,somedomesticmanufacturerstointroduceadvancedforeigntechnologyorself-developedpartofthecottonpickermodels.Thesecottonpickerintheactualproductionhavebeengraduallyapplied,withthechangeandtheexpansionofplantingareaofcottonpickermachinepeople'sattitudestothemechanicalcottonpickerharvestedmainlyintheformofcottonwillbemoreandmorepeopleidentity.

Pickingheadisthecorecomponentofthecottonpicker,cottonpickerpickingheadcurrentlyworkingintheXinjiangregionarehorizontalpickingottype,thedomesticproductionofcottonpickerpickingheadcomponentsareforeignbuying,Nodomesticproductionenterprisesreported.Therefore,theanalysisofthefirsthorizontalpickingcottonagronomicsuitabilityparametersisimportant.

Keywords：

Horizontalpickinghead；Agronomicparameter；analysis

目录

1引言1

1.1研究意义1

1.2国内研究现状1

1.3采棉机理论及方法研究现状2

1.4研究内容与方法3

2机采棉植物特性及成熟度脱叶情况分析4

2.1棉花的植物特性测定4

2.2植株特性测定结果与分析4

2.3成熟度和脱叶程度测定与分析7

3水平摘锭的原理及其影响10

3.1水平摘锭式采棉滚筒工作原理10

3.2水平摘锭的工作原理11

3.3影响摘锭采摘效率的因素12

4结论12

致谢14

参考文献15

附录16

1引言

1.1研究意义

新疆具有独特的种植环境，幅员辽阔，植棉业是新疆最大的农业支柱产业。

然而长期以来，人工采摘劳动强度大，采摘成本高，经济效益差，国外进口的采棉机棉田适应性差、价格昂贵、维护费用比较高。

棉花采收已成为严重制约南疆棉花产业发展的瓶颈，发展棉花收获机械化势在必行[1-4]。

新疆棉花采收机械主要为进口。

根据现有的采棉机采摘头的采摘特性和工作特点，采收方式主要有选收式和统收式两种，其中选收式收获机以水平摘锭式和垂直摘锭式为主要代表；统收式收获机代表主要是软摘锭式和梳齿式。

目前新疆进口的采棉机大部分采摘头为水平摘锭。

采摘头作为采棉机的唯一采摘单体，它的工作状况对棉花采摘质量尤为重要。

水平摘锭采棉机采摘头结构复杂，串联环节较多，一旦某个环节发生故障将大大降低采棉机的性能及其工作可靠性，导致影响采摘头工作性能的因素繁多、复杂。

采棉机田间作业时可以看作是对外部输入激励和控制作用的响应。

当采摘部件与棉花、行走机构与地面相互作用时，外部因素的变化引起采棉机采摘头上各点运动的复杂性质，在很大程度上改变了机械田间作业的质量，从而导致收获损失的增加。

且棉花收获时的收获条件的变化也经常引起工作部件堵塞或田间棉花采不净现象，需要许多停车时间来排除故障，大大降低了采棉机的工作效率。

由于不断变化的外部作用取决于各种不同的因素，如采棉机采摘头结构参数及运行参数、棉花品种、种植模式、气候状况、脱叶剂的喷洒、棉花采收时间、棉花地面不平度、驾驶员的操作水平等以及其他各种因素。

这些不断变化的因素使机器的负荷不均匀，并影响着机器工作的各种指标和功率消耗，致使采棉机田间作业可靠性大大降低[5-10]。

新疆引入采棉机等大型机械时，由于国内外棉花品种、种植模式、气候状况、脱叶剂的喷洒等因素差异较大，田间作业时采棉机采摘头结构参数及运行参数等也需作相应的调整，故需对诸多影响因素进行综合分析研究，建立一种尽可能全面反映机器实际工作条件的计算模型。

在国内对于棉花机械化收获技术和装备的研究主要是借鉴国外技术集中于对采摘头收获技术和装备进行研究，但因气候变化，品种差异，种植模式不同、土壤差异，温度及湿度、脱叶剂、采收时间、驾驶员水平及等因素对棉花收获机械有极大的影响，造成收获机械适应性差，可靠性不高。

造成巨大的浪费，严重地阻碍了采棉机大面积推广。

目前采棉机在新疆推广处于两难的境地，一方面采棉机田间适应性差，外界因素的变化严重影响采棉机的田间作业可靠性，采棉机采净率可靠性不高，造成大量浪费，使农民难以接受。

另一方面由于多种因素的影响，导致机收棉花品质下降，造成棉花价格下降，极大地阻碍了新疆棉花的国际市场竞争力，也严重影响了当地农民的收入[11-13]。

棉花机械采收是一个复杂的系统工程，采棉机田间采摘质量与诸多因素有关。

而诸多因素的不确定性使得现阶段南疆地区棉花机械采收存在着采棉机田间作业适应性差，采棉机采净率低和籽棉含杂率较高等问题。

造成后续籽棉清杂难度大及棉花纤维损伤大，倒致新疆棉花品质不高。

对于大型国外引进农业机械，一般均是通过大量田间试验进行，但一方面由于外部条件的不确定性，导致巨资购买引进的大型机械针对国内作物田间适应能力差，另一方面大型农业机械一般结构复杂，零部件较多，很难对其进行改进，且大型农业机械完成一定功用的各个部件之间需互相配合，如果只拆下某一部件进行实验室内的试验，很难反映机械在田间作业时的实际情况。

大型农业机械只能通过室外大量田间试验，才能逐渐找到农机与农艺相结合的最佳参数匹配范围[14-15]。

本项目针对南疆地区棉花机械收获，以水平摘锭式采棉机为研究对象，为提高采棉机田间作业适应性，以采棉机采摘系统田间试验调查结果为依据，从棉花品种选择、棉花种植模式、棉花水肥管理、气候条件、脱叶剂喷洒情况、棉花采收时期、棉花采收前植株特性等影响采棉机采收质量的诸多因素开展采棉机农机农艺融合技术研究。

通过对各个因素分析得到影响采棉机采摘质量的主要因素，并获得与采棉机相适应的最佳农艺参数范围。

为国外引进采棉机田间作业参数的适时调节及国产采棉机的研制、发展及改进优化设计提供依据和技术参考。

对于研究农机与农艺融合技术行为研究具有重要理论意义，对于其他大型复杂农业机械的田间适应性研究具有重要的参考价值。

1.2国内研究现状

在国内对于棉花机械化收获技术和装备的研究主要是借鉴国外技术集中于对采摘头收获技术和装备进行研发。

1993年以后新疆引进美国水平摘锭采棉机。

先后引进了JD9965、9970，9976、CASE2022、2555等型号的采棉机。

经过大量试验表明：

采净率在90%以上，落地棉率6%以内，含杂率7%以内。

截至2006年，兵团先后购买了近300台美国水平摘锭采棉机。

同时国内也积极开展采棉机的研制，先后研制了4MZ-3、4MZ-5型（均采用进口水平摘锭采摘头）自走式采棉机。

在现有栽培模式下使用水平摘锭采棉机暴露出采摘效率不高、采净率较低、落地棉多等问题，导致采收成本较高。

加之新疆棉花品种、气候条件、栽培模式及采收技术等诸多因素影响，机采棉含杂率不仅大于传统手采棉，而且也很难达到国外机采棉指标的水平。

国内采棉机的研发情况主要是考虑成本节约及小型化，并能与拖拉机配套使用，综合利用动力。

总体来说，国内的发展趋势有两种，一种是走仿制路线。

其采棉机核心采摘部件均依赖进口，在核心技术上无自主知识产权，成本较高；另一种是独立自主研发路线，百家争鸣，形式多样，但是难以实现大规模作业。

国外（主要是美国）采棉机近年来发展趋势是以滚筒式和自走式为主，而且发动机的功率在逐步提高。

釆摘部件的行数由4行、5行发展到6行，作业速度也相应提高。

另外采棉机充分利用电一液压技术，计算机技术增加自动检测和完善控制系统，提高了可靠性，改善了驾驶员的工作环境。

采棉机技术发展将沿着提高摘锭采净率、减少落地棉损失、降低采收棉花含杂率、增大集棉箱装载量、装载密度和减少人工作业、机器操作更加人性化的趋势发展。

目前在澳大利亚、美国、巴西有很多凯斯采棉机上已开始应用精准农业系统配套工作，指导农业生产[16-17]。

1.3采棉机理论及方法研究现状

目前针对采棉机的研究一方面集中在对现有采棉机技术的研究与改进。

例如石河子大学毕新胜早在2007年就针对采棉机采摘头水平摘锭的工作机理进行了研究。

新疆大学付长兵、司学富、李小利等2011年针对水平摘锭式采棉机采棉原理及关键零部件进行了全面分析。

石河子大学杨涛、张宏文为研究采棉机结构、运动参数等对采棉机采收质量的影响规律，根据新疆机采棉收获机械化方式和种植模式设计了一种单摘锭采摘测试试验台。

塔里木大学张有强针对采棉机采棉头核心部件摘锭易磨损、易折断的工程实际问题，通过摘锭速度及结构参数的变化揭示了摘锭在工作过程中实际动力学特性，并提出抑制摘锭磨损的建议。

另一方面集中在采棉机精准控制方面的研究上。

例如：

新疆大学田虎楠等采用FLUENT软件进行了采棉机输棉系统内部流场的模拟研究，获得了影响采棉机输棉系统的规律性的因素，为提高输棉管道性能提供了重要的途径和方向。

中国农业大学李鹏等进行了采棉机测产系统智能监控技术研究。

石河子大学李景彬等进行了采棉机视觉导航路线图像检测方法的研究，通过对自然环境下拍摄的收获期棉田彩色图像进行分析和处理，检测已收获地与未收获地分界线、田侧边缘及田端等目标，提取采棉机在田间作业时导航路线。

新疆大学时颢在采棉机器人的研发技术中，对采棉机器人双目立体视觉系统的关键技术进行研究，分别从棉花图像分割、棉花成熟判定、图像匹配三方面提出了有效的算法。

上海大学苗中华等针对采棉机作业速度影响采棉效率的问题，提出基于模糊PID控制技术的采棉机作业速度实时调整算法，建立行走速度调节模型，实现采棉机作业速度最优控制。

南京农业大学江苏省现代设施农业技术与装备工程实验室的王玲、邹小昱等为定位棉株上的棉花,用红外测距实验装置和计算机图像处理技术结合棉花的农学生长特性测量单朵棉花的距离。

为采摘机器人运动轨迹的规划提供了参数[18-25]。

国外引进的大型农业机械一般都是利用大量田间试验不断进行调试来适应当地的作物，而农业机械田间试验工作要比任何其它工程领域的试验难度都大，主要由于农业机械是在不断变化的极其复杂的条件下进行作业的，如地面的不平度、土壤和作物的物理机械特性、气候条件等。

这些复杂的随机变量直接决定着农业机械的田间工作质量，因此在进行农业机械田间适应性试验时，控制试验条件，从而保证试验结论的正确性极为重要。

一般农业机械在进行田间试验设计时，一般采用设置区组、随机化以及重复试验这三项技术措施，以便达到有效地控制试验条件的目的。

目前采棉机田间试验主要有以下学者作了研究：

石河子大学刘克毅、王维新在分析其结构及工作原理的基础上，进行了软摘锭采棉机系统设计与实验研究，田间试验采用正交试验方法，选择滚筒转速和采棉机前进速度为试验因素，进行三次重复试验，获得了最优滚筒转速及前进速度。

石河子大学阎金刚、张宏文通过搭建单摘锭试验台，采用二次旋转正交试验的实验方法，对水平摘锭进行实验研究，获得了单个摘锭的采摘力和采摘时间，采摘力和缠绕过程等相关关系的运动参数。

新疆农垦科学院机械装备研究所康建明、陈学庚等为寻求梳齿式采棉机采收台结构与工作参数的最优组合，采用二次回归正交旋转中心组合优化试验方法，以行走速度、梳齿间距、梳齿振动频率为影响因素，以采净率、撞落棉率为目标函数，对影响该机采收性能的结构与工作参数进行优化试验研究[26-27]。

由目前采棉机技术理论研究现状知，关于提高采棉机采摘质量和降低含杂率两大技术难题，主要集中在采棉机机械结构、机理方面及收获技术研究上。

然而影响采棉机采摘质量的因素繁多复杂，与采收机械自身、种子、土肥、植保等方面均相关，不仅需研究采棉机自身的工作原理，还需从农机与水、肥、种、药等因素协调作用的融合技术方面进行全面研究，才能组织引导农民统一作物品种、播期、行距、行向、施肥和植保，为机械化作业创造条件。

但现阶段采棉机理论技术研究方面还没有上升到系统研究层面上来。

因此需加大力度进行采棉机农机农艺融合技术研究，才能全面提高采棉机田间作业可靠性，进一步促进采棉机在新疆的大面积推广和示范。

综上所述由于棉花机械采收是一个系统工程，影响因素繁杂。

即使只有一个因素达不到要求都可能导致采棉机采摘质量差，棉田出现“挂白毛”现象。

也可能导致籽棉含杂率高。

因而对影响采棉机采摘质量及含杂率的因素进行全面分析，对大型采棉机械的采收质量进行预测及评估，也可大大提高采棉机田间作业可靠性。

一方面水平摘锭式采棉机采摘头自身结构复杂，部件较多。

棉絮从被缠绕开始，随着摘锭经过不同阶段，最终完成进入棉箱的过程，整个系统中影响采摘、输送工作性能的因素繁多复杂，一旦某个环节发生变化将严重影响输送装置的运动状态，易发生堵塞现象，大大降低了输送装置的工作可靠性和棉花的采摘质量。

另一方面除自身机械结构复杂外，外界因素对采摘头的性能影响也很大，如棉花品种、棉花种植模式、棉花收获期、棉花收获期生物特性、棉花收获期脱叶剂的喷洒情况等。

1.4研究内容与方法

棉花机械收获因不确定因素较多，根据前期田间调查结果分析，本项目主要从以下几个方面开展研究：

（1）采收期棉花植株特性测定

本项目以适宜南疆种植的机采棉花品种为采收对象，测定并分析收获期棉花的生物特性，建立机采棉植株几何模型。

开展工作主要包括：

棉花的种植密度、土壤性状、棉花田间管理、棉花生理周期、气候条件、脱叶剂喷洒，采收时期等因素。

调查内容主要包括棉花采收期植株特性、成熟度、脱叶情况测定。

棉花采收期植株特性主要包括：

棉花植株高度、宽度、整株棉花吐絮个数、棉花最高棉铃高度、底桃高度、棉杆主、分枝及分枝数等影响因素。

成熟度主要包括吐絮铃、半开铃、青铃等数据，并进行成熟度的计算。

脱叶情况的测定主要包括棉株上部、中上部、下部的青叶和干叶数量，计算化学脱叶程度。

（2）对水平摘锭影响其采摘质量因素分析

对水平摘锭的工作过程进行理论分析，分析摘锭直径、转速、外形等诸多因素的影响中，找出主要影响因素并分析。

2机采棉植物特性及成熟度脱叶情况分析

不论把棉花当作采棉机工作过程的介质，还是看作工作部件的加工对象，棉花的尺寸及其各部分的位置对摘锭具有重要的意义。

对棉花的物理植株特性进行详细地测定都是对水平摘锭适应性分析必要条件，是棉花机械收获的理论依据。

棉花的品种不同，其结构、形态和植株特性也不同，这就给机械采棉造成各种难易不同的现象。

2.1棉花的植物特性测定

（1）对采收前的棉花样本进行选取测定：

从新疆兵团第一师一团的机采棉田间进行采样。

生物特性采样：

随机五点采样，每点取一平方米所有棉花植株。

对棉花植株特性、成熟度和脱叶情况的测定。

（2）测试参数有：

植株株高、植株宽度、整株分枝数、底桃高度、吐絮个数、最高棉铃高度和棉桃个数。

2.2植株特性测定结果与分析

（1）棉花植株特性测定结果见表2-1，具体数据见附录。

表2-1棉花植株特性测定结果统计表

指标

均值

平均值

株高/mm

659.73

701.59

639.47

666.93

植株宽度/mm

312.69

327.32

320.21

320.07

整株分枝数/个

9.3

9.05

8.12

8.82

底桃高度/mm

232.66

263.08

237.98

244.57

吐絮个数/个

5.15

6.58

5.08

5.60

最高棉铃高度/mm

496.29

598.02

516.87

537.06

棉桃个数/个

0.11

0.04

0.12

0.09

图2-1株高的分布规律图

由图2-1从三块田地的株高分布来看，株高是指地面到植株顶部的距离。

其测定棉花植株株高大部分分布在600mm-800mm之间，其平均值为666.93mm，而适合机采的棉花理论株高应控制在650mm-850mm。

棉株过高会增长滚筒的高度，加大工作部件的复杂性和生产成本。

棉株过高会造成漏采，降低采棉机的采净率，株高的控制主要方法是打顶,适时打顶、整枝，控制棉株的高度，便于机械采摘。

打顶可以防止整枝徒长，减少蕾铃脱落，提高结铃率，减少烂铃，促进早熟，提高产量和品质。

图2-2底桃高度的分布规律图

由图2-2从三块田地的底桃高度分布来看，底桃高度是指地面到第一果枝的距离。

其测定棉花底桃高度大部分分布在150mm-300mm之间，其平均值为244.57mm。

此外，由于受结构设计限制和保护摘锭的需要，底桃高度应距地面150mm以上为宜，这样防止漏采提高采净率。

而棉铃位置过低导致最低位置的摘锭不能采摘上，使之成为遗留棉等待二次处理。

应在田间管理时就应注意或选用适宜的棉花品种。

图2-3植株宽度的分布规律图

图2-4整株分枝数的分布规律图

对于上图2-3、2-4的植株宽度和整株分枝数两个参数，若这两参数的数值过大，会使株型过于集中会影响采摘效率及采收质量，且分支数过多则植株叶片也相应增多，并会影响脱叶剂的脱叶效果。

若两参数数值过小，会使棉株株型过于松散，使得棉铃分布松散从而影响采净率，并出现“挂白毛”等现象。

而在常态下棉株应保证即不过于松散，又不过于集中，并且控制这两参数应当在打顶时期就进行处理，分枝数控制在8枝-9枝。

这可以提高采摘速度并保证采摘质量。

图2-5吐絮个数

的分布规律图

图2-6最高棉铃高度的分布规律图

由上图2-5、2-6的吐絮个数和最高棉铃高度两个参数上来看。

吐絮个数从折线图上来看，大部分数据在4-8个之间，其均值为5.6，而平均单株有效结铃数在6-7个左右。

最高棉铃高度是指最顶部的棉铃到地面的距离。

最高棉铃过高会影响采摘头的采摘效果，降低采摘效率并影响采收质量。

所以在打顶时期就应控制好最高枝节的高度防止在采收时期的造成漏采、碰落，减少落地棉、遗落棉和挂枝棉的数量。

就植株特性这部分的影响采摘质量的主要因素有：

棉株株高、底桃高度和最高棉铃高度。

这三种因素因为机械结构的限制，过高或过低都会在不同程度上影响采摘效率、采摘质量及采净率。

避免这些因素应注意田间管理。

合理的化学调控。

底桃高度控制在150mm以上，以减少机采棉的含杂率，提高采净率，适时的调整化调时间。

合理均匀的水肥控制，保证棉田棉株整体长势均匀，避免棉田中棉株高矮参差不齐的现象发生，提高采净率。

适时打顶整枝。

对于长势偏旺的棉田要进行整枝打顶，以改善棉田通风透光条件，促进早熟打顶坚持“枝到不等时、时到不等枝”的原则。

使得打顶后分枝数在8-9枝。

自然株高在650mm-850mm之间。

2.3成熟度和脱叶程度测定与分析

（2）成熟度和脱叶程度测定结果见表2-2，具体数据见附录。

表2-2成熟度脱叶情况测定结果统计表

指标

均值

平均值

脱叶情况

青叶

棉株上部

0.2

0.25

0.42

0.29

棉株中上部

1.34

0.38

1.52

1.08

棉株下部

3.27

2.5

4.09

3.29

干叶

棉株上部

0.93

0.97

0.41

0.77

棉株中上部

0.41

0.69

0.44

0.51

棉株下部

0.09

0.26

0.16

0.17

成熟度

吐絮铃/个

4.96

6.58

5.05

5.53

半开铃/个

0.06

0.02

0.12

0.07

青铃/个

0.1

0.04

0.12

0.09

图2-7脱叶情况青叶数量统计百分比图

由图2-7所示，机采棉采收前青叶数量统计百分比图。

根据图上显示的青叶主要分布在棉株下部，中上部稍多上部最少，出现这种情况通常是脱叶剂喷洒不均匀、脱叶剂喷洒的药量不够或者脱叶剂浓度太低。

青叶过多会影响采收质量，采收时高速旋转的摘锭把青叶搅碎和棉花一起带走，而青叶搅碎后的汁液会把籽棉污染。

而被污染的籽棉掺杂在正常棉中直接降低棉花的品质和价格。

图2-8脱叶情况干叶数量统计百分比图

由上图2-8所示，是机采棉采收前干叶数量统计的百分比图。

根据上图显示，干叶主要分布在棉株上部，棉株下部最少。

与图2-7相比呈现出来的是相反的，致其主要原因也相同。

而脱叶剂喷洒后的效果应是干叶基本自然落下，而干叶较多在采棉机采摘时摘锭在高速自传带走棉花的过程中，会把干叶卷碎一起带走。

这样籽棉中的含杂率过高，在后期籽棉评级时降低籽棉等级。

图2-9成熟度统计对比图

由图2-9所示，是成熟度的对比图。

是根据青铃、半开铃、吐絮铃与棉铃总量相比的出。

根据图2-7、2-8、2-9来看，成熟度和青叶干叶的数据相关联。

从图上可以看出当脱叶催熟剂不够或者浓度不够时会影响其成熟度影响其产出，并直接会降低收入。

对于成熟度和脱叶情况影响采摘质量的主要因素有：

脱叶催熟剂药量不够或未喷洒均匀，导致青叶过多，干叶不脱落，影响采收后棉花品质，并使籽棉含杂率过高。

避免这些因素需合理选择脱叶催熟药剂，使用理想喷雾机械使其上下药量均匀且不伤棉株。