釘齒滾扎式殘膜回收機(jī)撿拾機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

　　摘要：設(shè)計(jì)了一種釘齒滾扎式殘膜回收機(jī)的拾膜機(jī)構(gòu),通過分析拾膜機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)軌跡得到了影響拾膜機(jī)構(gòu)拾膜率的主要因素,并對(duì)機(jī)具的行進(jìn)速度、拾膜釘齒的入土深度及拾膜機(jī)構(gòu)與卸膜機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比3個(gè)因素進(jìn)行了正交試驗(yàn)。試驗(yàn)表明:釘齒入土深度對(duì)拾膜率具有顯著的作用,機(jī)具行進(jìn)速度對(duì)拾膜率具有極顯著的影響;機(jī)具的最優(yōu)工作參數(shù)為:機(jī)具前進(jìn)速度為3.6km/h,釘齒入土深度為50mm,拾膜機(jī)構(gòu)與卸膜機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比為1∶3。

　　本文源自農(nóng)機(jī)化研究,2021,43(07):73-78.《農(nóng)機(jī)化研究雜志》自創(chuàng)刊以來，歷屆編委及編審人員以交流大農(nóng)業(yè)概念下(包括農(nóng)、林、牧、副、漁)的機(jī)械化、電氣化、自動(dòng)化的學(xué)術(shù)、科研成果以及與之相關(guān)的綜合性述評(píng)為辦刊宗旨，嚴(yán)把質(zhì)量關(guān)，使本刊的知名度與學(xué)術(shù)地位日漸提高。

　　地膜覆蓋技術(shù)具有保溫、保墑、滅除雜草、提高抗旱能力及防止病蟲害的作用,是我國(guó)廣泛應(yīng)用的一種農(nóng)業(yè)技術(shù)[1]。由于殘膜回收不徹底,土壤中的殘留地膜對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成力巨大影響[2,3,4]。土壤中滯留的殘膜一直是困擾廣大農(nóng)民和科技工作者的難題,地膜殘留土壤中會(huì)造成白色污染,制約了下一年的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。2015年以前,我國(guó)普遍使用的是厚度為0.005～0.008mm的聚乙烯地膜,化學(xué)性能穩(wěn)定,但在土壤中需要200～400年才能完全降解[5,6],且由于地膜偏薄,增大了殘膜回收的難度。我國(guó)自20世紀(jì)80年代研究殘膜回收機(jī)以來,經(jīng)過科研工作者的努力,研究出多種殘膜回收機(jī)具,包括釘齒式、彈齒式等幾十種[7,8,9,10]機(jī)具,但機(jī)具纏繞率較高、工作不可靠等問題依然存在,各類殘膜回收機(jī)的推廣效果仍不盡人意。為此,針對(duì)新疆白蘿卜平作種植模式設(shè)計(jì)了一種釘齒滾扎式殘膜回收機(jī),對(duì)拾膜機(jī)構(gòu)的性能和運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行仿真分析,并進(jìn)行正交試驗(yàn),根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,確定機(jī)具的最優(yōu)參數(shù)組合[6]。

　　1、結(jié)構(gòu)組成及工作原理

　　釘齒滾扎式殘膜回收機(jī)由限深輪、機(jī)架、摟膜齒、拾膜滾筒、卸膜刮板、卸膜擋板、集膜箱、卷膜機(jī)構(gòu)、牽引架、邊膜鏟及切膜圓盤等組成,如圖1所示。整機(jī)由拖拉機(jī)采用三點(diǎn)懸掛牽引,切膜圓盤將地膜破碎,卷膜機(jī)構(gòu)進(jìn)行邊膜的回收,拾膜滾筒上的釘齒將地表膜扎起通過摟膜齒及卸膜擋板的作用由卸膜刮板將扎起的殘地膜卸到集膜箱中。位于機(jī)架后方的限深輪機(jī)架采用伸縮桿式設(shè)計(jì),利用螺栓固定,可調(diào)節(jié)釘齒的入土深度。整機(jī)采用卷收邊膜與釘齒滾筒扎起地表膜分布作業(yè)的方式,形成同時(shí)回收的效果。

　　圖1整機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

　　2、關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)與分析

　　2.1拾膜滾筒的設(shè)計(jì)

　　拾膜滾筒是釘齒滾扎式殘膜回收機(jī)的地表膜回收部分,是機(jī)具作業(yè)的主要結(jié)構(gòu),如圖2所示。拾膜釘齒鑲嵌在滾筒上,根據(jù)種植模式,確定作業(yè)寬度為800mm,滾筒半徑為300mm。

　　圖2拾膜滾筒與釘齒結(jié)構(gòu)示意圖

　　釘齒扎進(jìn)土壤內(nèi),將地膜挑起,釘齒直接與地面接觸,會(huì)受到土壤產(chǎn)生的阻力。同時(shí),機(jī)具由拖拉機(jī)牽引工作時(shí)會(huì)帶動(dòng)滾筒進(jìn)行旋轉(zhuǎn)前進(jìn),釘齒與土壤會(huì)產(chǎn)生沖擊力,隨著速度的變化沖擊力也產(chǎn)生變化;當(dāng)速度達(dá)到一定程度時(shí),釘齒所受到的土壤阻力與沖擊力會(huì)使釘齒發(fā)生形變,從而影響撿拾效果。殘地膜經(jīng)過風(fēng)化侵蝕,力學(xué)性能下降,直釘齒會(huì)對(duì)地膜進(jìn)行二次破壞,增加撿拾的難度[11]。因此,設(shè)計(jì)一種帶有弧度的釘齒,保證釘齒的撿拾效果與強(qiáng)度,以避免對(duì)地膜的損傷。釘齒總體長(zhǎng)度L0取145mm,釘齒的桿長(zhǎng)L1取115mm,螺紋長(zhǎng)度L2取30mm。

　　拾膜釘齒在撿拾過程中所遇阻力較大,強(qiáng)度過低會(huì)影響撿拾效果,釘齒的受力情況與變形程度會(huì)對(duì)撿拾作用產(chǎn)生較大影響,對(duì)釘齒的屬性要求需要更加嚴(yán)格。釘齒的材料選用45鋼,熱處理為淬火,直徑采用16mm。

　　由圖3可知:釘齒在撿拾過程中受力平衡方程為

　　F=μN0+N1sinα+Mgμ(1)

　　式中μ—土壤與釘齒間的摩擦因數(shù);取值為μ=0.21;

　　M—滾筒自身質(zhì)量(kg);

　　g—重力加速度;取值為g=9.8m/s;

　　F—釘齒前進(jìn)方向受到的驅(qū)動(dòng)力(N)。

　　圖3釘齒受力示意圖

　　釘齒尖端弧度可以更加方便地將地膜挑起,釘齒弧度可影響挑膜時(shí)對(duì)地膜的受力。地膜在鋪設(shè)一季后,地膜的力學(xué)情況較差[12],作用力的增大會(huì)加大地膜的破壞,對(duì)地膜的撿拾會(huì)造成更大的困難。根據(jù)地膜拉伸測(cè)定實(shí)驗(yàn)測(cè)得拉伸地膜所需力的極限范圍約35N,測(cè)算出釘齒尖端弧度的選擇。

　　釘齒尖端對(duì)地膜的作用力P與弧度滿足一定的關(guān)系,關(guān)系式為

　　P=N1cosα+μN0(2)

　　式中N0—釘齒向下的正壓力(N);

　　N1—釘齒尖端受到的壓力(N)。

　　釘齒尖端與桿部的角度α越大,作用力P也會(huì)相應(yīng)地變大;當(dāng)角度增大到一定程度時(shí),作用力P會(huì)超過地膜所能承受的最大拉力,所以α的角度取值定為15°。

　　2.2拾膜滾筒的運(yùn)動(dòng)分析

　　拾膜滾筒在拖拉機(jī)的牽引下,通過與土壤的相互作用做周期性運(yùn)動(dòng),釘齒的運(yùn)動(dòng)過程可以分為入土過程與出土過程[13]。釘齒在入土過程中直接扎入土中將地膜挑起,如釘齒入土速度過快會(huì)造成地膜瞬態(tài)沖擊力過大,釘齒應(yīng)力過于集中,對(duì)地膜造成結(jié)構(gòu)性損傷,無法將地膜撿拾,拾膜釘齒也會(huì)受到更大的沖擊,造成釘齒的損壞;入土速度過慢會(huì)造成入土?xí)r拉力不足,無法將地膜挑起。

　　釘齒尖端A在運(yùn)動(dòng)過程中,其軌跡由行走速度v與旋轉(zhuǎn)角θ所決定。由于θ會(huì)隨著滾筒的運(yùn)動(dòng)成周期性變化,導(dǎo)致入土和出土階段的軌跡方程也分為兩部分。圖4為釘齒入土的軌跡。以滾筒初始中心點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn),A點(diǎn)為初始位置,當(dāng)運(yùn)動(dòng)到A2位置時(shí),為圓周運(yùn)動(dòng)的第1個(gè)1/4周期,所經(jīng)過的路線為AA2;釘齒尖端A點(diǎn)繞滾筒中心O轉(zhuǎn)動(dòng)到A2的位置時(shí),所經(jīng)歷的旋轉(zhuǎn)角θ的范圍在0°～90°,在此過程中釘齒尖端除了有機(jī)具前進(jìn)速度V提供的位置變化外,還有滾筒旋轉(zhuǎn)提供的位置變化;當(dāng)運(yùn)動(dòng)軌跡由A2～A3變化時(shí),為圓周運(yùn)動(dòng)的第2個(gè)1/4周期,所經(jīng)過的路線為A2A3,旋轉(zhuǎn)角由銳角變?yōu)殁g角,變化范圍在90°～180°,釘齒的尖端變化過程橫坐標(biāo)由增加滾筒提供的變化量變?yōu)闇p小變化量,縱坐標(biāo)也相應(yīng)變?yōu)樨?fù)值。

　　整個(gè)入土過程的軌跡方程為

　　公式3

　　公式4

　　圖4釘齒入土軌跡

　　通過對(duì)入土軌跡的分析,可以得到釘齒在入土過程中瞬時(shí)速度與瞬時(shí)加速度。

　　入土過程中速度方程與加速度方程為

　　公式5

　　公式6

　　滾筒在工作過程是一個(gè)完整的周期性圓周運(yùn)動(dòng),釘齒在不同時(shí)刻瞬時(shí)速度與瞬時(shí)加速度也會(huì)變化,根據(jù)作業(yè)的要求,需要所有時(shí)刻都要與機(jī)具工作速度相配合,需要確定釘齒尖端的合速度v合及合加速度a,則有

　　公式7

　　公式8

　　根據(jù)農(nóng)田作業(yè)拖拉機(jī)速度的要求,最高速度不應(yīng)超過5km/h,通過對(duì)釘齒的運(yùn)動(dòng)軌跡及速度分析,求出機(jī)具行進(jìn)速度的范圍要求,以保證整體過程的平穩(wěn)工作。

　　釘齒入土出加速度所提供的拉力D為

　　D=ma=mω2R(9)

　　釘齒入土過程中的角度變化在0～180°變化,根據(jù)三角函數(shù)變化范圍其系數(shù)在-1～1之間,由式(8)和式(9)可以得到

　　通過對(duì)機(jī)具運(yùn)動(dòng)軌跡的分析,在保證各部分承受能力滿足要求情況下,確定機(jī)具工作中的行進(jìn)速度為2.4～4.8km/h之間,釘齒入土深度需要滿足20～80mm,釘齒的角速度范圍確定為1.61～3.98rad/s。

　　2.3弧形摟膜齒的設(shè)計(jì)與分析

　　拾膜滾筒在撿拾過程中會(huì)有部分地膜遺漏,造成地膜撿拾率低,為提高殘膜撿拾率,設(shè)計(jì)了一種弧形摟膜齒,如圖5所示。

　　圖5弧形摟膜齒結(jié)構(gòu)圖

　　摟膜齒采用一字排開的排列方式,尾部通過螺栓固定在方鋼上,摟膜齒直徑為12mm,整體呈現(xiàn)一個(gè)弧形,圓弧半徑為300mm。整體的弧形可以降低受力的沖擊性,根部纏繞1圈能夠起到減緩連接部位受力,保證摟膜齒連接牢固。

　　考慮摟齒遇到硬物(如根茬)等情況造成的影響,在摟膜齒頂端加載大小為150N,與機(jī)具前進(jìn)方向相反的力;在摟膜齒根部螺栓處添加固定約束。

　　通過ANSYSWorkbench分析摟膜齒的受力情況,摟膜齒的變形和應(yīng)力如圖6所示。由圖6可以看出:弧形摟膜齒在運(yùn)動(dòng)過程中最大變形位置在摟膜齒頂端與地面接觸的位置,最大的變形為144.29mm;最大應(yīng)力出現(xiàn)在根部纏繞處,最大應(yīng)力為611.49MPa。

　　圖6弧形摟膜齒應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D

　　3、田間試驗(yàn)

　　3.1試驗(yàn)條件

　　為了驗(yàn)證理論分析的結(jié)果,尋求機(jī)具的最佳工作參數(shù),進(jìn)行了田間試驗(yàn)。試驗(yàn)選擇在新疆石河子市科神農(nóng)業(yè)裝備科技開發(fā)有限公司試驗(yàn)田進(jìn)行。試驗(yàn)采用地膜鋪設(shè)期為3個(gè)月,幅寬800mm,地膜厚度0.010mm。試驗(yàn)時(shí)間為2019年6月中旬,土壤平均緊實(shí)度為5960kPa,土壤含水率為18.2%～22.6%,采用約翰迪爾404牽引機(jī)具作業(yè)。圖7為試驗(yàn)場(chǎng)地與田間試驗(yàn)。

　　圖7田間試驗(yàn)場(chǎng)地及試驗(yàn)情況

　　3.2試驗(yàn)因素與試驗(yàn)水平的確定

　　根據(jù)機(jī)具的結(jié)構(gòu)組成與工作原理,選取本次試驗(yàn)的3個(gè)因素為機(jī)具的行進(jìn)速度、拾膜釘齒的入土深度及拾膜機(jī)構(gòu)與卸膜機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比,試驗(yàn)因素水平如表1所示。

　　表1試驗(yàn)因素水平

　　3.3試驗(yàn)指標(biāo)的確定

　　試驗(yàn)主要測(cè)定殘膜回收機(jī)的工作參數(shù)情況,尋找機(jī)具的最優(yōu)參數(shù)組合。每組試驗(yàn)選擇長(zhǎng)度為20m的測(cè)試區(qū),將試驗(yàn)進(jìn)行后撿拾的殘膜洗凈后晾干稱重,進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)算。反映工作性能的參數(shù)就是拾膜率η1與卸膜率η2,計(jì)算公式為

　　η1=m2+m3m1×100%(11)

　　η2=m3m2+m3×100%(12)

　　其中,m1為每一組試驗(yàn)中鋪設(shè)地膜的總質(zhì)量(g);m2為每一組實(shí)驗(yàn)中拾膜釘齒扎起但未進(jìn)入集膜箱的地膜質(zhì)量(g);m3為每一組實(shí)驗(yàn)中集膜箱的地膜質(zhì)量(g)。

　　3.4試驗(yàn)結(jié)果分析

　　試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。拾膜率的方差分析如表3所示。由表2和表3可以看出:在顯著水平0.05上機(jī)具行進(jìn)速度對(duì)拾膜率有極顯著的影響,釘齒入土深度對(duì)拾膜率具有顯著的影響,拾膜機(jī)構(gòu)與卸膜機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比無顯著影響。根據(jù)方差分析的結(jié)果可知:機(jī)具行進(jìn)速度是影響拾膜率的主要因素,釘齒入土深度是次要因素,影響拾膜率影響主次順序A>B>C。

　　表2試驗(yàn)方案與結(jié)果

　　卸膜率的方差分析如表4所示。由表4可以看出:在顯著水平0.05上,拾膜機(jī)構(gòu)與卸膜機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比有極顯著的影響,機(jī)具行進(jìn)速度與釘齒入土深度無顯著影響。影響卸膜率的主要因素是拾膜機(jī)構(gòu)與卸膜機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比,傳動(dòng)比較低時(shí)拾膜機(jī)構(gòu)與卸膜機(jī)構(gòu)接觸面積減少,影響卸膜率。綜上考慮,得到的試驗(yàn)最優(yōu)參數(shù)組合為A2B2C3。

　　表3拾膜率結(jié)果分析

　　表4卸膜率結(jié)果分析

　　4、結(jié)論

　　1)設(shè)計(jì)了一種釘齒滾扎式殘膜回收機(jī),對(duì)其拾膜結(jié)構(gòu)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)分析,得到了釘齒的結(jié)構(gòu)及尺寸要求。為減少地膜漏撿、提高撿拾率,設(shè)計(jì)了一種弧形摟膜齒,用于有效撿拾漏膜。對(duì)弧形摟膜齒進(jìn)行有限元分析,得到摟膜齒工作過程中的應(yīng)力與應(yīng)變。

　　2)以機(jī)具行進(jìn)速度、釘齒入土深度與拾膜機(jī)構(gòu)與卸膜機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比為影響因素進(jìn)行田間試驗(yàn),通過正交試驗(yàn)分析得到各因素影響拾膜率的大小為:機(jī)具的前進(jìn)速度>釘齒的入土深度>拾膜機(jī)構(gòu)與卸膜機(jī)構(gòu)的的傳動(dòng)比;影響卸膜率的主要因素是拾膜機(jī)構(gòu)與卸膜機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比。根據(jù)正交試驗(yàn)方差分析得到拾膜率與卸膜率的最優(yōu)參數(shù)組合,在機(jī)具前進(jìn)速度為3.6km/h、釘齒入土深度為50mm、拾膜機(jī)構(gòu)與卸膜機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比為1∶3時(shí),作業(yè)效果最好。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1]張佳,張宇濤,董黎明,等.國(guó)內(nèi)殘膜回收機(jī)械研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].農(nóng)業(yè)科技與裝備,2014(4):29-30,33.

　　[2]畢繼業(yè),王秀芬,朱道林.地膜覆蓋對(duì)農(nóng)作物產(chǎn)量的影響[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2008,24(11):172-175.

　　[3]侯書林,胡三媛,孔建銘,等.國(guó)內(nèi)殘膜回收機(jī)研究的現(xiàn)狀[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2002,18(3):186-190.

　　[4]王頻.殘膜污染治理的對(duì)策和措施[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),1998,14(3):190-193.

　　[5]周新星,胡志超,嚴(yán)偉,等.國(guó)內(nèi)殘膜回收機(jī)脫膜裝置的研究現(xiàn)狀[J].農(nóng)機(jī)化研究,2016,38(11):263-268.

　　[6]段文獻(xiàn),王吉奎,李陽,等.夾指鏈?zhǔn)綒埬せ厥昭b置的設(shè)計(jì)及試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2016,32(19):35-42.

　　[7]謝建華,陳學(xué)庚,孫超偉.桿齒式殘膜回收機(jī)卸膜過程分析及高速攝像試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2017,33(10):17-24.

　　[8]王吉奎,付威,王衛(wèi)兵,等.SMS-1500型秸稈粉碎與殘膜回收機(jī)的設(shè)計(jì)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2011,27(7):168-172.

　　[9]張新超,畢新勝,王志歡,等.釘齒滾筒式殘膜回收機(jī)關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)與研究[J].農(nóng)機(jī)化研究,2017,39(10):72-76.

　　[10]陳發(fā),史建新,王學(xué)農(nóng),等.弧型齒殘膜撿拾滾筒撿膜的機(jī)理[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2006(6):36-41.

　　[11]張新超.釘齒滾筒殘膜回收機(jī)的設(shè)計(jì)與研究[D].石河子:石河子大學(xué),2017.

　　[12]謝建華,唐煒,張學(xué)軍,等.擺桿驅(qū)動(dòng)式殘膜回收機(jī)的設(shè)計(jì)與參數(shù)優(yōu)化[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2019,35(4):56-63.

　　[13]謝建華,張鳳賢,陳學(xué)庚,等.弧形齒滾扎式殘膜回收機(jī)的設(shè)計(jì)及參數(shù)優(yōu)化[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2019,35(11):26-37.