基本信息
- 项目名称：
- 自动仿形棉花打顶机
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 本作品针对新疆棉花生产急需配套的打顶机械，在原有研究的基础上，研发了滑道式的组合机架、齿带组合的柔性传动的系统、机械浮动板信号触发器、蓄压式的液压升降系统等核心部件，较好解决了作业行距可调、割刀独立升降的动力传动、棉株顶部高度特征信号的采集与传送、割刀升降响应速度等技术问题，2010年制作加工的首轮样机田间试验表明：该机实现了棉株行内、行间的独立仿形打顶作业，满足了棉花打顶的技术要求。
- 详细介绍：
- 一、作品任务来源：2010年大学生训练研究计划项目。 自动仿形棉花打顶机主要由滑道式的组合机架、齿带组合的柔性传动的系统、机械浮动板信号触发器、蓄压式的液压升降系统、打顶高度自动测量与切顶装置升降控制系统、滚筒式切割器、扶禾器、地面仿形装置等组成。 工作时，拖拉机的动力通过联轴器传入变速箱，经由齿带组合的传动系统，带动6组滚筒切割器高速旋转，与此同时扶禾器将棉株主、侧枝聚拢扶至切刀旋转切割范围内。由安装在支撑滚筒间的4把金属丝割刀高速旋转，切去枝顶，完成打顶作业。工作过程中，每组切割器利用仿形浮板与棉株顶部接触，将棉株顶部的高低特征依据仿形浮板升降的电信号控制电磁阀工作，电磁阀通过对液压油缸的升降来控制滚筒切割器的切顶高度。 自动仿形棉花打顶机的仿形包括对地面的弹性仿形和对棉株顶部的仿形，每组切割器的独立仿形通过仿形与独立升降控制系统实现，地面不平的随机仿行可通过仿行地轮来实现。 二、主要部件 ⒈仿形与升降系统 棉花打顶机仿形与升降系统是研究自动仿形棉花打顶机的关键与难点。该系统主要由不等臂平行四杆升降机构和棉株顶部仿形机构所组成。每组滚筒式切割器通过不等臂平行四杆机构分别套装在中间轴和机架固定轴上。其中，不等臂平行四杆机构上臂套装在机架固定轴上，下臂套装在中间轴上，并且下臂又与中间轴带轮套在同一轴上。每组切割器之间相互独立，实现了每组切割器的自动独立仿形。 ⒉组合式仿形机架 主轴上的梁用螺栓连接在组合式仿形机架上，这几根梁用于固定滚筒式切割器，可以根据棉花种植模式具体的进行横向调整。悬挂架与机架之间的连接方面进行了创新设计，悬挂架下端中心连接孔套装在机架轴承套筒上，通过限位板轴向限位。悬挂架上端左右卡位板卡在机架上。工作时，拖拉机牵引力通过悬挂架下端中心连接孔和上端左右卡位板传递给机架，因为机架与悬挂架之间是铰联接，所以二者之间可以左右摆动，一定程度上避免了高速作业时机具部件之间的运动干涉。另外，机架与仿形地轮之间通过弹簧连接，缓冲了宽幅机架高速行驶时地面不平对其产生的冲击，一定程度上避免了机架两端的上下跳动。 ⒊滚筒式切割器及其支架 棉花打顶属无支撑切割，切割速度和切割方式对打顶效果影响显著。目前无支撑切割主要采用水平回转式切割器，以砍切和滑切为主，为了保证切削质量，切割器必须有较高的转速，其功耗大，加工装配精度高。作品的滚筒式切割器主要由切割器轴、支撑滚筒、金属丝割刀、切割器带轮等组成。滚筒支架与滚筒之间采用套筒式连接，安装时候可以调节V带轮的中心距。易于安装调整和保养维修。支撑滚筒和带轮固装在切割器轴上，4把金属丝割刀沿支撑滚筒圆周方向均布，其两端分别固定在支撑滚筒圆周上，并与切割器轴形成一定夹角，该夹角使金属丝割刀对棉株产生滑切；此外滚筒式切割器切割棉株的瞬间，对棉株的作用力与机具前进方向形成一定夹角，此夹角除了沿前进方向产生切削力外，同时沿棉株轴向产生一个分力，在削切过程中起辅助支撑作用。因此该切割器是以削切和滑切为主，切削速度低、功耗小。经测试：当滚筒式切割器直径为400mm，转速为1500 r/min时，棉株顶部切口平齐，无撕拉现象。 ⒋传动系统 柔性传动系统实现了不切断动力的情况下各行独立仿形作业。该传动系主要由一级齿传动和两级带传动组成。打顶作业时，拖拉机的动力通过联轴器传入变速箱增速输出，然后由变速箱动力输出轴上的大带轮通过三角带驱动中间轴上的小带轮作高速旋转运动，再通过中间轴上均布的六个带轮带动6组滚筒切割器轴上的带轮高速旋转，进而使六组滚筒切割器高速旋转，实现棉株顶部切顶作业。该传动系总传动比i=3.85，考虑到变速箱安装尺寸，带轮的通用性，变速箱传动比i1=1.66，一级带传动传动比i2=2.32，二级带传动传动比i3=1。 三、田间性能试验 2010年7月6日，作品进行了首轮样机的进行了首轮样机的田间试验，田间试验表明：该机实现了棉行内、行间顶部的独立仿形打顶作业，满足了棉花打顶的技术要求。
作品图片
作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 一、作品设计目的意义 实现棉花自动仿形打顶作业，对加快新疆棉花生产全程机械化进程，农业增效、农村增值，农民增收意义重大；作品研究取得的主要成果对棉花打顶机的研究提供新的思路、结构和理论。 二、设计基本思路 ⒈针对棉株顶部高度特征提取信号困难的情况，设计了接触式机械浮动板信号触发器，浮板随棉株的高低起伏而产生可以反映棉花高度的信号。 ⒉为适应不同的栽培模式，满足割刀和棉株行配合的要求，设计了组合式的仿形机架。 ⒊针对拖拉机在田间行驶时左右晃动问题，设计将机架与悬挂架转轴铰接。 ⒋考虑液压控制割刀升降时，各个液压油缸压力不稳定，采用了并联蓄压式的液压控制系统。 ⒌为了使机具在不切断动力的情况下满足各个单体独立仿形作业要求，设计了齿带组合的柔性传动系统。 根据农业技术要求和机器作业工艺，经小组反复综合论证，本项目组最后研制开发出自动仿形棉花打顶机。 三、作品的创新点 提出了接触式自动测高的方法，创新设计了基于接触原理的机械浮动板信号触发器的棉株打顶高度自动测量装置。 组合式仿形机架，实现了每组切割器的间距可调。 四、技术关键 1．机架对地面仿形的稳定性 2．测量棉花顶部时浮板反应灵敏度 3．液压系统的控制稳定性 五、主要技术指标 1．漏打率＜5% 2．机械损伤率＜3% 3．作业速度＞2 km/h 4．作业幅宽＞4500mm
科学性、先进性
- 一、农作物高度自动检测方法及其机理。 农作物高度自动测量，目前国内外运用较普遍的是图像测量、超声波测量、光电测量等非接触式测量方法，但其系统构成和技术复杂，成本高且受环境的影响大。而机械浮动板信号触发测量的新方法与非接触式测量方法相比，信号采集快、结构简单、成本低并且对作物的适应性好。 二、组合式仿形机架的作业时的平衡技术。 目前农具仿形机架多为整体式非独立仿形机架，在满足作业速度的条件下，左右仿形轮的运动存在干涉。本作品研究设计组合式独立仿形机架，机架与仿形地轮弹性链接较好的解决了上述问题，并对其工作机理及结构进行研究，以实现满足农艺要求下，作业时机架的平衡。 三、农作物茎秆无支撑滚切技术及理论。 农作物茎秆切割按结构原理分有支撑切割和无支撑切割。其中无支撑切割国内外研究报道较多的是水平旋切。 四、运用现代计算机辅助设计技术，对关键部件进行运动学和动力性分析，降低生产成本，缩短研发周期。
获奖情况及鉴定结果
- 无
作品所处阶段
- 实验室阶段
技术转让方式
- 一次性转让
作品可展示的形式
- 图纸 图片 模型 实物 产品 录像
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 一、产品使用说明 1．运输过程中，正确悬挂于农用拖拉机后，机架抬高，割刀升至最高点，关闭机具控制电源。 2．工作过程中，接通电磁阀控制电路，进入田间工作区域。挂上工作档位，仿形浮板位于工作位置，打顶机自动调节高度，驾驶员驾驶机具前行。 3．转弯时，割刀升至最高点，关闭机具控制电源。 二、作品技术特点和优势 1．检测方法新颖、结构简单，使用维护方便。 2．实现了棉花行内行间打顶自动独立仿形。 3．组合式机架，可以适应不同棉花种植模式。 三、作品的适应范围 机采棉种植模式（660mm+100mm），通过调节单个打顶装置的间距可以适应不同种植模式。 四、推广前景分析 1．新疆是全国最大的棉花生产区。每年棉花生产旺季劳动力都会出现不足现象。 2．棉花打顶机可代替药物打顶，符合国家环保的倡议。 3．作品作业效率高，降低了农工的劳动强度和生产成本，促进棉花生产全程机械化进程。 4．经济效益，机械打顶比人工打顶节约成本10元／亩，两个工期即可收回投资成本。
同类课题研究水平概述
- 目前，我国完成棉花打顶的三种基本的途径： 1、依靠人工进行棉花人工打顶 2、药物控制 国外棉花生产过程中对棉花顶尖处理采用药物控制的方法，但是随着科技的进步以及国内外对环境污染问题和健康问题的关注，使得人们不得不想办法研究一种既高效经济又环保的棉花打顶方法。 3、机械打顶 ⑴前苏联在20世纪80年代曾研制开发前置式整体仿形棉花打顶机，因不能适应棉花打顶的农艺技术，没有达到人们对棉花打顶的要求，所以并没有得到很好的应用与推广。 ⑵3MD-12型棉花打顶机实现了扶禾-聚拢-切顶-连续作业和棉花主、侧枝连机械同步打顶，基本满足了棉花打顶作业的农艺要求。但是却无法实现单行自动独立仿形。 ⑶新疆某高校棉花打顶机研制小组在借鉴3MD-12的仿形式棉花打顶机基础上，设计开发了靴式地面仿形装置，通过地面仿形控制棉株打顶高度。但是仅能实现对地的仿形，打顶精度低。 ⑷国家农业机械工程技术研究中心正在研究的3WDZ-6型自走式棉花打顶机，采用激光传感器对带茎秆的棉株进行了打顶高度测量，并进行棉株的仿形打顶。但是激光测量存在容易受到环境因素的影响、结构复杂、制造使用维护成本高等缺点。 国内外仿形研究的方向是自动化，目前棉株顶部高度自动测量研究如李霞研究利用超声波技术自动测量棉株顶部高度，在测量精度与存储数据上都有一定的缺陷；刘光辉研究利用红外线技术自动测量棉株顶部高度；国家农业机械工程技术研究中心研究的利用激光传感器对棉花打顶高度测量，以上几种方式均采取非接触式的测距原理。非接触式的测距存在结构复杂、成本高、容易受环境因素的影响等缺点，并且满足不了棉花打顶的速度要求（>2km/h）。 目前研究出来的棉花打顶机多为科研院所和高校研究的实验装置或小型样机，实际投入生产的很少。长期以来国内棉花打顶的工作主要以人工为主，而人工作业效率低、劳动强度大、成本高、可控性差，同时延长了打顶时期，使得棉花不能在合适的时期内得到及时的打顶，从而降低了棉花的产量，远远不能满足现代化设施农业的需要。因此急需研制一款结构简单，高效，可靠，价格适宜的棉花打顶机，解决人工棉花打顶效率低下、费时费力，防止药物控制给环境带来的污染，以及给人体健康带来的危害。由此可见棉花打顶机是我国棉花种植产业实现全程机械化必不可少的。
