1、此外，在应用釆棉机后，每个植棉农工的管理面积大幅增加，釆用机釆棉 前，1名农工可负责40亩棉田；用机械采棉后，1名农工可负责150-200亩棉田。11此可见，实施机采棉技术不仅能够带来可观的经济效益，而且能进一步拉动农民 种棉的积极性。因此，实现釆棉机械化是大势所趋，是适应生产力发展的要求，也是广 大农工减轻劳动强度、及早致富的迫切要求。采棉机按其收获方式分为选收机和统收机， H前市场上的选收机都为大型机，价格在100万元人民币以上，因此只有大的团场才有 能力购买，普通农民只能叹而观之；而统收机价格比较彳氐廉，并可以实现小型化，可以 被大多数农民所接受。所以统收机的研究具有非常实际的意义。风送
2、系统是将采摘系统、 清杂系统及储棉系统联系到一起的纽带，是采棉机的重要组成部分，所以该系统设计的好坏直接影响釆棉机的性能，因此，对采棉机风 送系统的设计与研究将有重要的意义。2、研究意义：U前新迴棉花基本实现机械化，但是新噩棉花采收仍以手工釆棉为主，近年来, 随着新媼棉花种植面积不断扩大，Lb于劳动力短缺，从内地组织劳力难度加大，劳动力 价格不断提高。新媼各棉花产区都不同程度出现人力不足，棉花无法及时采摘的情况。 棉花收获已成为新疆棉花产业发展中亟待突破的“瓶颈”。这使得采棉机的应用推广成 为新疆棉花生产发展的必然趋势。所以实施机釆棉技术对农业增效，农民增收，切实解决“三农”问题，对建设社会
3、主义新农村具有重要现实意义。但口前使用的釆棉机多国外的进口产品，由于其价格成 本太高、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，难以 推广。因此，釆棉机国产化必将是未来新媼采棉机发展的趋势。统收式采棉机将棉枝、棉桃、棉花及棉叶一并收获，因此清除杂质成了统收式釆棉 机的重要研究部分，清朵的实质是将不同总类的个体区分开来，因此本课题的研究重心 将包括利用风送系统，使棉花在输送过程中III于风圧的不同而与朵质分离，所以风送系 统的研究有着非常重要的意义。基于新媼石河子福顺安防电器科技有限责任公司FS4M-2R型采棉机的研发及田间 试验表明：其存在风送系统输送不畅棋至堵塞的现象，
4、其产生的主要原因：1）III于该采棉机为统收式釆棉机，在采摘时LU于摘锭对棉株的打击使得棉花脫离 棉株进入输送装置，同时山于摘锭对棉株的打击使得部分棉叶、棉壳、未成熟的棉桃、 棉枝进入输送装置。这有可能导致棉桃积聚或者过大棉枝在输送管道内被卡住，而导致 棉花输送不畅其至堵塞。2）由于气力输送中主要有吸引式，压送式和复合式。该釆棉机采用复合式气力输 送，但正圧风与负圧风之间的联系与影响山于无理论指导尚不明确，这有可能是采棉机 气力输送不畅甚至堵塞的原因之一。3）III于风送系统管道的设计布局不理想，尤其是弯道设计。很有可能同样造成釆 棉机棉花气力输送不畅其至堵塞的原因。因此，风送系统需要进一步的
5、优化设计。而一个采棉机输送系统的构思设计到图纸、生产加工、试验，然后优化改进需要一个很长的周期。本课题研究的意义在于对风送系统的基础理论进行研究。从气力输送的基本流型、 气力输送的两相流研究方法和气力输送系统设讣原则和主要参数进行阐述。尤其是对风 送系统的两相流理论和棉花气力输送的动力学特性的研究；研究棉花、棉叶、棉壳、未 成熟的棉桃、棉枝飘浮特性。探索其在气力输送中加速区时间模式下稳定性问题，11于 其飘浮特性的不同，可以通过合理控制风机的转速速、流量来达到减少棉花含杂率的U 的；利用solidworks软件实现采棉机风送系统的的布局结构参数设计，对不同形式的输 送装置进行研究，从中选择最优
6、管道布局及参数设讣，尤其是弯管的设计。缩短采棉机 气力输送装置的设计研发周期;利用FLUENT或ANSYS （Adams）软件实现风送系统的棉 花气力输送的模拟仿真，建立数学模型，为采棉机的风送系统的设计提供理论依据。 同时也为棉花加工厂的棉花风送系统管道的设计提供理论依据。3、国内外研究现状及分析气力输送是利用空气的能量来进行物料的连续运输技术。早在1824年,Vai lance最 早建立了气力输送实验装置,1866年建立了输送棉花和砂等散装物 料的气力输送装置。 气力输送技术是随着物料搬运和工业过程的需要而发展起来的，该技术在相当长的时间 内，只能用于输送固粒稀相的情景。20世纪中后期，随
7、着现代科学技术的发展，尤其是 数学与计算机技术的发展，使得气力输送技术得到了迅速的开发和应用，不断地取得突 破。目前气力输送技术在电力，化工，食品处理，粮食加工，建造材料，机械制造，医 药，饲料等行业具有广泛的应用。输送物料特性的差异，需要不同的输送特性的装置来 完成。而本论文主要研究采棉机棉花气力输送相尖理论与数值模拟讣算。棉花在采棉机 输送管道内的气力输送属于气固两相流，稀相湍流的研究范畴。气力输送中气固两相流 的气流场流动一般都是湍流，掌握气力输送中湍流的运动规律，对气力输送的基础研究 和实际应用都有重要的意义。棉花气力输送仅在棉花加工理论研究中涉及到棉花气力输 送问题，但是对棉花在管道
8、内的流动特性的研究较少，而对棉花气力输送装置进行数值 模拟仿真的研究更少，不同的物料在利用气力输送时，LD于气物料特性的不同，其在管 道内的流动特性及模拟其管道流动特T生时其模拟模型有很大的不同。在气力输送中对于 特定的物料进行模拟时必须选择一个合适的模型。而U前棉花气力输送可参考的文献较 少，主要时棉花加工中的气力输送装置。棉花气力输送装置的主要类型：吸引式、吹送式和复合式。吸引式气力输送装置：进风口一物料一输料管一分离器一风机。这种形式的特点是 风机装在输料管道和分离器的下游，管道中气流是负压管流，利用负压的能量来完成物 料的输送。这种输送方式适用于从多处向一处集中输送的场合，而且在输送过
9、程管道缝 隙无灰尘飞扬，物料不经过风机，输送距离一般不超过40m,而且这种形式要加强管接头 的密封，以减少负压管道的漏风量；吹送式气力输送装置：风机一物料一输料管一分离器。这种形式的特点是风机装在 输料管道和分离器的上游，管道中气流是正圧管流，利用正压风的能量来完成输送。这 种形式物料也不经过风机，可避免物料对风机的磨损，输送距离可以加长，这种形式适 于从一处向多处进行分散输送。复合式气力输送装置：在同一输送系统中既有正压乂有负压，利用两种不同系统的 优势，来完成比较复杂的输送中，复合式系统可以是压一送式，也可以是送一压式的输 送组合系统。气力输送的设计及主要参数：气力输送是在一定的条件下进行
10、的，根据物料的 特 性、生产工艺、输送效率和经济性等因素，正确的选择气力输送类型是提高气力输送效 率的尖键。任何一种气力输送系统都不是通用的，都有它的适用范围。输送物料的特性、 输送距离和输送量应该是选择气力输送系统时应考虑的因素。而料气输送比、管内气流 速度和管内混合物的比重和空隙率是气力输送设讣计算和试验研究的主要参数采棉机输棉系统的介绍：输棉系统作为采棉机研发的重要组成装置，英输送装置的设计的好坏直接影响采棉机的性能。如果输 棉系统设汁不理想，将会出现棉花输送不畅甚至堵塞等现象，使得采棉机无法正常工作。下而对现有的几 种典型采棉机输棉系统进行比较与研究：3. 1采棉机输棉系统的分类3.1
11、.1从动力形式上可以分为：采棉机输棉系统串联系统输送混合气力输送机械式输棉系统（不使用于采棉机应用）r力+机械输送机械+气力输送气力机械混合式输棉系统-气力+机械+气力输送3.1.2从输棉管道连接方式上可以分为:并联系统3.2DEERE/CASE采棉机输棉系统DEERE/CASE采棉机输棉系统如图：A棉箱 B.风道C.分配器D 吸风门 E 吹风通道DEERE/CASE采棉机选收机摘锭摘下的棉花含杂率较小，且较少有大型杂质（如棉桃、大型杂草、棉枝等）。而其采摘头内正压气力输运在似密闭空间内，且输运至负压入口距离较短，大约为50cm o正压风可以较容易顺利完成输运，其后继负压风携 带棉花进入棉箱，
12、完成输运。其釆棉机系统不包含除杂装置，这也为输棉系统的完成 提供有利的条件。其输运途径如下：采摘筒一脱棉盘一气力输送（正压）气力输送（射流负压）棉箱3.3美国7460采棉机输棉系统7460采棉机属于审联统收机，为了实现顺利输运，该机在采摘头部分采用机械式输 运，其输运途径如下：采摘头f绞龙（机械）一对中横向绞龙（机械）f气力输送（射流负压）一清渣器（机械） 一气力输送（射流负压）f棉箱3. 4国产FS4M-2R型软摘锭采棉机输棉系统国产FS4M-2R型软摘锭采棉机输棉系统如图：软摘锭采棉机示意图1.采摘头2.横向输送（机械）3.正压风机4负压风机5棉杂分离器6.六辗除杂机7集棉 箱经过近儿年试
13、验，该采棉机输棉系统逐渐趋于完善，在横向输运及负压输运过程 中基本上无问题存在，只是在釆摘头部分时有输运不畅及拥堵现象。LI前解决该现象， 有三种试验方案。笫一种方案其输运途径下：采摘头f气力输送（正压）f横向输送（机械）f气力输送（负压）f六辐清渣器（机 械）风送系统f棉箱采摘头采摘下棉花含有大量的大型杂质（如棉桃、大型杂草、棉枝等）气力输运对棉 枝的阻抗能力小，加之较易使棉花在输运过程中，山于其黏粘性使得棉花集结成团，不 利于输运，导致拥堵现象的产生。该方案已经试验完成，其效果较为理想，只是对大型棉 枝的输运，显得无能无力，需要进一步改进。第二种方案为针对在采摘头内无法完成顺利输运问题，采
14、用正压风加后继链耙的方式。其输运途径如图所示:采摘头f气力输送（正压）f链耙（机械）f横向输送（机械）f气力输送（负压厂六 辗 清渣器（机械）f风送系统f棉箱该设计是采用机械强力输运为主，气力输运为辅的方式来完成输运，该方案的效果还 在试验中，该设计的问题在于对链耙在有限空间内，高速旋转下的稳定性及可靠性还无 法确定。第三种方案同样针对釆摘头部分，同样是为了解决链耙的不确定性，将链耙用皮带 输运的方式来代替，其输运的途径如图所示：采摘筒f气力输送（正压）f皮带（机械）f横向输送（机械）f气力输送（负压）f六 辗清渣器（机械）f风送系统f棉箱无论采用哪种输运方式，其都属于气机联动串联输运的范畴。
15、与其它两种采棉机输棉 系统比较分析可知，该采棉机基本上无法采用完全气力输运的方式。其原因在于采摘头 内部属于开放系统，正压来风在开放系统中形成射流，大量能量在此损失，且在内部形 成涡流，使得棉花漂浮在采摘头内部无法下落使其大量棉花积聚成大棉团而下降时，正 压风无能力输运而产生拥堵。3.4设计采棉机输棉系统应注意的问题对于选收机，一般都无除杂装置，其采摘下的棉花含有的大型杂质（如棉桃、大 型杂草、棉枝等）较少，釆用气力输运可以实现输棉顺畅。而对于统收机，由于其采 摘下的棉花含有较多的大型杂质（如棉桃、大型杂草、棉枝等），完全依鼎气力输运 无法实现，必须考虑采用气机联动的方式来完成输运。同时应对物
16、流量和输运管道进 行匹配计算，并予以确认。本论文将统收式采棉机风送系统进行虚拟设计及模拟仿真，并对棉花风送系统的 进一步研究奠定基础，为采棉机风送系统的设计建立一定的理论基础并提供一种新的 设计方法与理念O同时也为棉花加工厂的风送系统管道的设计提供理论依据与参考。主要参考文献1新疆维吾尔自治区2007年国民经济和社会发展统讣公报，20082新疆生产建设兵团2007年国民经济和社会发展统i 1 公报20083八师、石河子市2007年国民经济和社会发展统i 1 公报20084陈永毅我国棉花收获机械化的回顾与展望J.农业机械,2000, （7） :14-155赵岩，王维新等,滚筒式软摘锭采摘头的设计
17、J.新疆：新疆农机化，2008, 36沈玲凤.兵团农场采棉机械化发展的制约因素及对策J.新疆：新疆农机化2007, 37M. Rafiq Chaudhry, Harvesting and ginning of cotton in the worldLj. TechnicalInformation Section. International Cotton Advisory Committee, Washington, D. C. 1998 8 毕新胜，王维新.采棉机水平摘锭的工作原理及采摘力学分析J 石河子大学学报,20079黄勇，付威，吴杰国内外机采棉技术分析比较J.新疆：新疆农机化，200
18、5. 410陈发，阎洪山等.棉花现代生产机械化技术与装备EM1.新疆:新疆科学技术出版社,200& 511李生军棉花收获机械M 新疆：新廻科学技术岀版社，200&512毕新胜，王维新.水平摘锭采棉机采棉滚筒的运动学分析J.新疆：新疆农机化,2008:13_ Brashears, A. D. and K. D. Hake. Comparing picking and stripping on the Texas highplainsC. In Proc. Beltwide Cotton Conf., San Antonio, TX. 4-7 Jan. 1995. p. 652- 65414林起.
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20、in Soviet Central Asia, The Poli t ics of Cot ton Growing21常俊杰，林成新，孙徳平，橡胶摩擦材料粘弹性的超声评价J.润滑与密封,2007, 11, （4） : 151622McAlis ter David. Quali ty of Spindle-Picked CottonEj. An ASAE/CSAE MeetingPresentation 2004 4 - 17-1823林起，世界棉花收获和轧花J,中国棉花加I 2000 , 1 : 10-1224陈发，王学农，机采棉技术在新疆的应用浅析，新疆农业大学学报2002 ,25 （增刊）
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22、解决的矢键问题。（此部分为重 点阐述内容）1、 研究内容与目标：1.对釆棉机风送系统进行理论基础研究，研究釆棉机气力输送堵塞机理，为釆 棉机风送系统的设计提供理论依据和指导；2.对棉花及相尖物料进行试验研究与分析，为采棉机气力输送系统的设il 与仿真 提供必要的试验数据；3.利用solidworks软件对采棉机气力输送装置进行虚拟设计（对不同风送系统管 道在釆棉机上的布局进行设计），为统收式釆棉机的设计构建软件平台，缩短釆棉机风 送系统研发周期、节省开支；4.利用FLUENT或ANSYS软件对采棉机风送系统（尤其是弯管的设计）进行模拟 仿真，从中选择最优管道布局（尤其是弯管的类型）及相矢参数；
23、5.通过FLUENT或ANSYS软件模拟仿真，建立采棉机风送系统数学模型，为采 棉机风送系统的设计提供理论依据和参考模型。6.研究棉花的横向传动及负压风对棉花的输送情况，解决棉桃在输送过程中堆积， 及11于棉杆和棉桃的存在造成的堵塞现象。2、 拟解决的矢键问题：（1） 、解决输送中的堵塞现象。（2） 建立统收式采棉机风送系统的虚拟样机模型。（3） 、对风送系统进行流场分析，确定该系统的儿何参数。四、拟采取的研究方案及可行性分析。（包括有尖方法、技术路线、实验手段、尖键技术等说明）1、 研究方案：（1） 、查阅相尖文献，研究统收式采棉机的工作特点，确定釆棉机的风送系统的布局 方案。（2） 、使用
24、solidworks软件建立统收式采棉机的虚拟样机模型，进行结构干涉分析， 验证结构设讣的合理性。（3） 、利用fluent软件，对结构应力进行研究；根据流体力学分析及下地试验的数据和工作情况，通过结构设计和流体分析解决堵塞现象。（4） 、通过计算及软件分析，确定风送系统的儿何参数。2、 技术路线：统收式采棉机风送系统堵塞机理查阅气力输送相尖及相似资料，建立理论基础知识 气力输送的主要研究方法、设计原则及主要参数棉花及相尖物料特性的试验建立初步统收式采棉机风送系 统三维模型棉花及相尖物料试验结果分析进行初步流体分析,对模型进行优化进一步优化模型,得到气力输送系统的最优设计 加入物料，再次对模型
25、进行流方案 体分析3、可行性分析：（1） 农八师采棉机经下地试验证明统收式釆棉机的研究是可行的。（2） 、石河子大学、兵团重点实验室、兵团农业机械检测中心以及材料力学实验室,拥有本项U试验的仪器设备，为项U中的试验提供了良好的硬件基础o（3） 、石河子大学机械电气工程学院CAD中心和机械仿真试验室拥有SolidWorks.Pro/E、ADAMS、MATLAB、Ansys等软件，为项LI的研究分析提供基础条件。五、 本课题的特色与创新之处：1、对棉花及相矢物料（棉叶、棉壳、未成熟的棉桃、棉枝）进行试验研究与分析，为统收式采棉机风送系统的设计提供必要的试验数据；2、 针对LI前软摘锭采棉机研发周期
26、长、生产改进不便等问题，采用三维虚拟软件设计与分析，构建软摘锭釆棉机（气力输送系统）软件平台。3、 口前统收式釆棉机的技术还不成熟，还处于研究阶段。六、 课题研究进度计划安排及预期研究结果。1、 课题研究进度计划安排：2009.9-2009. 10：查阅相矢资料，实地调查。2009. 10-2009. 11完成开题报告，确定研究方案。2009.12-2010. 6建立风送系统虚拟样机，并对整体设计进行参数优化。2010.6-2010.il整理研究资料，分析试验结果，撰写学位论文。2、 预期研究结果：（1） 、优化风送系统机构，使的棉花在输送过程中快速，流畅。（2） 、解决堵塞问题。（3） 、完
27、成风送系统的虚拟样机模型，确定儿何参数。七、工作基础（与本课题相矢的研究工作积累和己取得的研究工作成绩）阅读相矢文献近白篇，了解了棉花的物理、生物特性；了解了统收式采棉机的工 作原理，分析了釆棉机下地试验状况及相矢数据；熟练掌握了 solidworks等软件的基 本操作；认真学习了机械原理、机械系统设计、力学方面的专业课，为本课题的顺利 研究提供了基础。八、工作条件（包括己具备的实验条件，尚缺少的实验条件和拟解决的途 径。1、 已具备的条件：石河子大学拥有“兵团农业机械重点实验室”、“兵团农业机械检验测试中心” 为本课题的研究提供了良好的支持。实验室具有良好的软、硬件设施可供学习和利用。前实验
28、室对本课题提供设备 有：各种速度、加速度、压力传感器和数据釆集卡；风速仪；各种机加工设备、数控 机床等。另外，还有设计与分析用三维设计软件Solidworks、Pro/E.运动学和动力学分 析软件Adams等。2、 尚缺少的试验条件：（1） 需要搭建统收式采棉机风送系统的试验台。（2） 统收式采棉机风送系统样机最终的实际工作情况，LU于没有相应的试验 条件，无法得到验证。3、 拟解决的途径：与福顺采棉机公司协商、合作。将其机器进行优化，最终得到试验论证。九、研究进度及时间安排研究工作阶段主要研究内容起止日期调查研究2009. 9-2009. 10撰写综述整理资料，撰写研究综述2009. 10开题报告确定研究方案，对研究过程总体安排2009. 10-2009. 11试验分析试验数据分析，整体系统参数优化2009. 12-2010.6论文撰写跟踪采棉机下地试验，综合研究资料和 试 验结果，撰写学位论文2010. 6-2010. 11论文评阅LU课题指导小组的老师和有尖专家评阅论 文2011.3论文答辩按答辩程序和要求进行学位论文答辩2011.6十、论文工作出差计划出差地点任务和
