釘齒滾扎式殘膜回收機撿拾機構(gòu)的設(shè)計與試驗

　　摘要：設(shè)計了一種釘齒滾扎式殘膜回收機的拾膜機構(gòu),通過分析拾膜機構(gòu)的運動軌跡得到了影響拾膜機構(gòu)拾膜率的主要因素,并對機具的行進速度、拾膜釘齒的入土深度及拾膜機構(gòu)與卸膜機構(gòu)的傳動比3個因素進行了正交試驗。試驗表明:釘齒入土深度對拾膜率具有顯著的作用,機具行進速度對拾膜率具有極顯著的影響;機具的最優(yōu)工作參數(shù)為:機具前進速度為3.6km/h,釘齒入土深度為50mm,拾膜機構(gòu)與卸膜機構(gòu)的傳動比為1∶3。

　　本文源自農(nóng)機化研究,2021,43(07):73-78.《農(nóng)機化研究雜志》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)的機械化、電氣化、自動化的學術(shù)、科研成果以及與之相關(guān)的綜合性述評為辦刊宗旨，嚴把質(zhì)量關(guān)，使本刊的知名度與學術(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,是我國廣泛應用的一種農(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,我國普遍使用的是厚度為0.005～0.008mm的聚乙烯地膜,化學性能穩(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。我國自20世紀80年代研究殘膜回收機以來,經(jīng)過科研工作者的努力,研究出多種殘膜回收機具,包括釘齒式、彈齒式等幾十種[7,8,9,10]機具,但機具纏繞率較高、工作不可靠等問題依然存在,各類殘膜回收機的推廣效果仍不盡人意。為此,針對新疆白蘿卜平作種植模式設(shè)計了一種釘齒滾扎式殘膜回收機,對拾膜機構(gòu)的性能和運動軌跡進行仿真分析,并進行正交試驗,根據(jù)試驗數(shù)據(jù)對機構(gòu)進行優(yōu)化,確定機具的最優(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由限深輪、機架、摟膜齒、拾膜滾筒、卸膜刮板、卸膜擋板、集膜箱、卷膜機構(gòu)、牽引架、邊膜鏟及切膜圓盤等組成,如圖1所示。整機由拖拉機采用三點懸掛牽引,切膜圓盤將地膜破碎,卷膜機構(gòu)進行邊膜的回收,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。位于機架后方的限深輪機架采用伸縮桿式設(shè)計,利用螺栓固定,可調(diào)節(jié)釘齒的入土深度。整機采用卷收邊膜與釘齒滾筒扎起地表膜分布作業(yè)的方式,形成同時回收的效果。

　　圖1整機結(jié)構(gòu)示意圖

　　2、關(guān)鍵部件的設(shè)計與分析

　　2.1拾膜滾筒的設(shè)計

　　拾膜滾筒是釘齒滾扎式殘膜回收機的地表膜回收部分,是機具作業(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

　　釘齒扎進土壤內(nèi),將地膜挑起,釘齒直接與地面接觸,會受到土壤產(chǎn)生的阻力。同時,機具由拖拉機牽引工作時會帶動滾筒進行旋轉(zhuǎn)前進,釘齒與土壤會產(chǎn)生沖擊力,隨著速度的變化沖擊力也產(chǎn)生變化;當速度達到一定程度時,釘齒所受到的土壤阻力與沖擊力會使釘齒發(fā)生形變,從而影響撿拾效果。殘地膜經(jīng)過風化侵蝕,力學性能下降,直釘齒會對地膜進行二次破壞,增加撿拾的難度[11]。因此,設(shè)計一種帶有弧度的釘齒,保證釘齒的撿拾效果與強度,以避免對地膜的損傷。釘齒總體長度L0取145mm,釘齒的桿長L1取115mm,螺紋長度L2取30mm。

　　拾膜釘齒在撿拾過程中所遇阻力較大,強度過低會影響撿拾效果,釘齒的受力情況與變形程度會對撿拾作用產(chǎn)生較大影響,對釘齒的屬性要求需要更加嚴格。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—釘齒前進方向受到的驅(qū)動力(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對地膜的受力。地膜在鋪設(shè)一季后,地膜的力學情況較差[12],作用力的增大會加大地膜的破壞,對地膜的撿拾會造成更大的困難。根據(jù)地膜拉伸測定實驗測得拉伸地膜所需力的極限范圍約35N,測算出釘齒尖端弧度的選擇。

　　釘齒尖端對地膜的作用力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也會相應地變大;當角度增大到一定程度時,作用力P會超過地膜所能承受的最大拉力,所以α的角度取值定為15°。

　　2.2拾膜滾筒的運動分析

　　拾膜滾筒在拖拉機的牽引下,通過與土壤的相互作用做周期性運動,釘齒的運動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造成地膜瞬態(tài)沖擊力過大,釘齒應力過于集中,對地膜造成結(jié)構(gòu)性損傷,無法將地膜撿拾,拾膜釘齒也會受到更大的沖擊,造成釘齒的損壞;入土速度過慢會造成入土時拉力不足,無法將地膜挑起。

　　釘齒尖端A在運動過程中,其軌跡由行走速度v與旋轉(zhuǎn)角θ所決定。由于θ會隨著滾筒的運動成周期性變化,導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。以滾筒初始中心點為坐標原點,A點為初始位置,當運動到A2位置時,為圓周運動的第1個1/4周期,所經(jīng)過的路線為AA2;釘齒尖端A點繞滾筒中心O轉(zhuǎn)動到A2的位置時,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具前進速度V提供的位置變化外,還有滾筒旋轉(zhuǎn)提供的位置變化;當運動軌跡由A2～A3變化時,為圓周運動的第2個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由增加滾筒提供的變化量變?yōu)闇p小變化量,縱坐標也相應變?yōu)樨撝怠?/p>

　　整個入土過程的軌跡方程為

　　公式3

　　公式4

　　圖4釘齒入土軌跡

　　通過對入土軌跡的分析,可以得到釘齒在入土過程中瞬時速度與瞬時加速度。

　　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完整的周期性圓周運動,釘齒在不同時刻瞬時速度與瞬時加速度也會變化,根據(jù)作業(yè)的要求,需要所有時刻都要與機具工作速度相配合,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)拖拉機速度的要求,最高速度不應超過5km/h,通過對釘齒的運動軌跡及速度分析,求出機具行進速度的范圍要求,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

　　通過對機具運動軌跡的分析,在保證各部分承受能力滿足要求情況下,確定機具工作中的行進速度為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)計與分析

　　拾膜滾筒在撿拾過程中會有部分地膜遺漏,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,與機具前進方向相反的力;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,摟膜齒的變形和應力如圖6所示。由圖6可以看出:弧形摟膜齒在運動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;最大應力出現(xiàn)在根部纏繞處,最大應力為611.49MPa。

　　圖6弧形摟膜齒應力應變云圖

　　3、田間試驗

　　3.1試驗條件

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

　　圖7田間試驗場地及試驗情況

　　3.2試驗因素與試驗水平的確定

　　根據(jù)機具的結(jié)構(gòu)組成與工作原理,選取本次試驗的3個因素為機具的行進速度、拾膜釘齒的入土深度及拾膜機構(gòu)與卸膜機構(gòu)的傳動比,試驗因素水平如表1所示。

　　表1試驗因素水平

　　3.3試驗指標的確定

　　試驗主要測定殘膜回收機的工作參數(shù)情況,尋找機具的最優(yōu)參數(shù)組合。每組試驗選擇長度為20m的測試區(qū),將試驗進行后撿拾的殘膜洗凈后晾干稱重,進行試驗測算。反映工作性能的參數(shù)就是拾膜率η1與卸膜率η2,計算公式為

　　η1=m2+m3m1×100%(11)

　　η2=m3m2+m3×100%(12)

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

　　3.4試驗結(jié)果分析

　　試驗結(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上機具行進速度對拾膜率有極顯著的影響,釘齒入土深度對拾膜率具有顯著的影響,拾膜機構(gòu)與卸膜機構(gòu)的傳動比無顯著影響。根據(jù)方差分析的結(jié)果可知:機具行進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,拾膜機構(gòu)與卸膜機構(gòu)的傳動比有極顯著的影響,機具行進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構(gòu)與卸膜機構(gòu)的傳動比,傳動比較低時拾膜機構(gòu)與卸膜機構(gòu)接觸面積減少,影響卸膜率。綜上考慮,得到的試驗最優(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)計了一種釘齒滾扎式殘膜回收機,對其拾膜結(jié)構(gòu)進行了運動學分析,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)計了一種弧形摟膜齒,用于有效撿拾漏膜。對弧形摟膜齒進行有限元分析,得到摟膜齒工作過程中的應力與應變。

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

　　參考文獻：

　　[1]張佳,張宇濤,董黎明,等.國內(nèi)殘膜回收機械研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[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.地膜覆蓋對農(nóng)作物產(chǎn)量的影響[J].農(nóng)業(yè)工程學報,2008,24(11):172-175.

　　[3]侯書林,胡三媛,孔建銘,等.國內(nèi)殘膜回收機研究的現(xiàn)狀[J].農(nóng)業(yè)工程學報,2002,18(3):186-190.

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

　　[5]周新星,胡志超,嚴偉,等.國內(nèi)殘膜回收機脫膜裝置的研究現(xiàn)狀[J].農(nóng)機化研究,2016,38(11):263-268.

　　[6]段文獻,王吉奎,李陽,等.夾指鏈式殘膜回收裝置的設(shè)計及試驗[J].農(nóng)業(yè)工程學報,2016,32(19):35-42.

　　[7]謝建華,陳學庚,孫超偉.桿齒式殘膜回收機卸膜過程分析及高速攝像試驗[J].農(nóng)業(yè)工程學報,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的設(shè)計[J].農(nóng)業(yè)工程學報,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關(guān)鍵部件的設(shè)計與研究[J].農(nóng)機化研究,2017,39(10):72-76.

　　[10]陳發(fā),史建新,王學農(nóng),等.弧型齒殘膜撿拾滾筒撿膜的機理[J].農(nóng)業(yè)機械學報,2006(6):36-41.

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

　　[12]謝建華,唐煒,張學軍,等.擺桿驅(qū)動式殘膜回收機的設(shè)計與參數(shù)優(yōu)化[J].農(nóng)業(yè)工程學報,2019,35(4):56-63.

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