胡本清， 朱代根， 楊永發(fā)

(西南林業(yè)大學(xué)機(jī)械與交通學(xué)院，云南昆明 650224)

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煙田苗期殘膜回收機(jī)主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

胡本清， 朱代根*， 楊永發(fā)

(西南林業(yè)大學(xué)機(jī)械與交通學(xué)院，云南昆明 650224)

摘要根據(jù)煙田苗期的農(nóng)藝要求和種植模式，在現(xiàn)有的煙田苗期殘膜回收機(jī)的基礎(chǔ)上，對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)出適合云南本地?zé)煵莘N植模式的煙田苗期殘膜回收機(jī)。介紹了殘膜回收機(jī)的主體結(jié)構(gòu)，并完成萬(wàn)向節(jié)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的UG建模，對(duì)模型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真得到速度傳遞的關(guān)系；設(shè)計(jì)能使機(jī)器在行走過(guò)程中實(shí)現(xiàn)仿形限深目的的機(jī)構(gòu)以及在完成卷膜作業(yè)后能夠方便卸膜的卸膜機(jī)構(gòu)。

關(guān)鍵詞殘膜回收機(jī)；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；仿形限深；卸膜機(jī)構(gòu)

21世紀(jì)以來(lái)，我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展已進(jìn)入對(duì)農(nóng)業(yè)和農(nóng)村經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行戰(zhàn)略性調(diào)整的階段，大力發(fā)展農(nóng)業(yè)機(jī)械化及其自動(dòng)化，對(duì)推進(jìn)我國(guó)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的進(jìn)程有著重要的意義[1]。

苗期揭膜是在農(nóng)作物澆頭水之前揭去地膜，在工作過(guò)程中，常常伴隨著噴藥、除草等其他作業(yè)。在幼苗生長(zhǎng)時(shí)期的農(nóng)膜，由于其覆蓋時(shí)間不長(zhǎng)，損壞和撕扯的現(xiàn)象不多，揭起地膜就不是很困難。

目前的苗期揭膜機(jī)的代表機(jī)型有：①山東農(nóng)業(yè)大學(xué)研發(fā)設(shè)計(jì)的煙田苗期地膜回收機(jī)，樣機(jī)田間試驗(yàn)結(jié)果為地膜回收率≥95%，生產(chǎn)率0.15～0.24 hm2/h。該煙田苗期殘膜回收機(jī)既適合煙草壟作種植模式，也可應(yīng)用于平作種植模式作物(如棉花)苗期地膜回收，一機(jī)多用，具有很好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益[2]。②中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院設(shè)計(jì)出的一種玉米苗期地膜回收機(jī)，當(dāng)玉米苗株高度不大于30 mm時(shí)，地膜收盡率達(dá)到92.1%，傷苗率不大于7.2%，能實(shí)現(xiàn)一膜兩行苗期玉米地的地膜回收[3]。

中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)針對(duì)現(xiàn)有的各類(lèi)型苗期地膜回收機(jī)在推廣使用過(guò)程中存在的問(wèn)題，如在地頭需要人工協(xié)助卷膜，且在工作中經(jīng)常出現(xiàn)起膜、收膜不同步，須停車(chē)重新卷膜，收膜效率較低等，設(shè)計(jì)出一種新型苗期整膜回收機(jī)，將起膜、卷膜機(jī)構(gòu)作為研究重點(diǎn)[4]。

已有的煙田苗期殘膜回收機(jī)采用單十字萬(wàn)向節(jié)進(jìn)行動(dòng)力傳動(dòng)，很難實(shí)現(xiàn)等速傳遞，在完成卷膜作業(yè)后沒(méi)有自動(dòng)卸膜裝置，通常是將殘膜割破，在苗期40～45 d進(jìn)行收膜，殘膜大部分都未破損，不能對(duì)殘膜進(jìn)行再利用，造成資源浪費(fèi)。經(jīng)過(guò)相關(guān)理論研究，筆者在之前煙田苗期殘膜回收機(jī)基礎(chǔ)上研制出一款新型煙田苗期殘膜回收機(jī)，并對(duì)機(jī)器的各個(gè)主要部件進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)。

1整體機(jī)構(gòu)與工作原理

1.1種植模式煙草種植主要采用的是壟式種植，壟距1 100～1 200 mm，壟高300～350 mm，壟的上邊寬度350～450 mm，壟的下邊寬800～900 mm，前后兩株煙苗的株距500～700 mm，設(shè)計(jì)的煙田苗期地膜回收在兩壟之間前進(jìn)，卷膜滾筒分布在煙田苗期地膜回收的兩側(cè)可以同時(shí)對(duì)兩側(cè)的殘膜進(jìn)行回收，收膜時(shí)間為煙草種植40～45 d。煙草的種植模式如圖1所示。

圖1　煙草種植模式示意Fig.1　Sketch of tobacco planting model

1.2總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)煙田苗期殘膜回收機(jī)主要由萬(wàn)向節(jié)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、卷膜卸膜機(jī)構(gòu)、仿形限深機(jī)構(gòu)3個(gè)部分組成，整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

當(dāng)動(dòng)力經(jīng)過(guò)傳動(dòng)系統(tǒng)最終傳遞到卷膜機(jī)構(gòu)傳動(dòng)軸時(shí)，由于卷膜機(jī)構(gòu)傳動(dòng)軸與卷膜機(jī)構(gòu)不在同一軸線上，所以需要一個(gè)機(jī)構(gòu)將動(dòng)力平穩(wěn)地傳遞給卷膜機(jī)構(gòu)，而十字軸萬(wàn)向節(jié)因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、強(qiáng)度高、耐久性好、傳動(dòng)效率高、生產(chǎn)成本低、維修方便而被廣泛應(yīng)用。所以，該研究設(shè)計(jì)采用十字萬(wàn)向節(jié)進(jìn)行傳遞動(dòng)力。

整個(gè)卷膜機(jī)構(gòu)與壟溝斜面成平行方式布置在煙田苗期地膜回收機(jī)兩側(cè)，機(jī)具開(kāi)始工作時(shí)，動(dòng)力從耕作管理機(jī)輸出傳遞到卷膜機(jī)構(gòu)上，帶動(dòng)卷膜機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)作業(yè)，挑膜彈齒轉(zhuǎn)動(dòng)前進(jìn)的同時(shí)扎膜、挑膜，隨著挑膜彈齒的轉(zhuǎn)動(dòng)，地膜被卷到卷膜棍上，完成收膜作業(yè)。卷膜機(jī)構(gòu)在完成地膜回收后，可以方便地拆卸下來(lái)，其中有4根鋼管是通過(guò)螺栓連接在圓盤(pán)上，其中一邊是通過(guò)螺紋桿與螺紋配合安裝在卷膜圓盤(pán)上，在卸膜過(guò)程中旋轉(zhuǎn)螺桿使螺桿向外轉(zhuǎn)動(dòng)，使卷膜機(jī)構(gòu)從圓周狀態(tài)變換到方形狀態(tài)，就可以很方便完整地將地膜拆卸下來(lái)，這些完整的地膜可以實(shí)現(xiàn)再利用，大量節(jié)約成本。

仿形限深機(jī)構(gòu)主要由限深地輪、地輪軸、套筒、限深輪調(diào)節(jié)桿、支架和限深彈簧等組成。限深輪調(diào)節(jié)桿和套筒焊接在一起，套在地輪軸上來(lái)調(diào)節(jié)限深地輪的運(yùn)動(dòng)，達(dá)到限深的目的。

注：1.機(jī)架；2.護(hù)苗板；3.萬(wàn)向節(jié)傳動(dòng)；4.地輪；5.仿形彈簧；6.卷膜卸膜機(jī)構(gòu)。Note: 1. Frame; 2. Seedling board; 3. Universal-joint driving; 4. Land wheel; 5. Copying spring; 6. Unloading film structure. 圖2　地膜回收機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.2　Structure scheme of plastic film collector

1.3工作原理煙田苗期地膜回收機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)是將耕作管理機(jī)的動(dòng)力轉(zhuǎn)化為符合煙田苗期地膜回收工作需要的中間裝置。地膜回收機(jī)工作時(shí)，動(dòng)力由耕作管理機(jī)驅(qū)動(dòng)輪傳動(dòng)到動(dòng)力輸出軸，通過(guò)傳動(dòng)系統(tǒng)最后經(jīng)雙十字萬(wàn)向節(jié)實(shí)現(xiàn)等速傳動(dòng)傳遞到卷膜機(jī)構(gòu)上，完成煙田苗期地膜回收機(jī)的挑膜、卷膜作業(yè)。

2主要工作部件設(shè)計(jì)

2.1萬(wàn)向節(jié)傳動(dòng)煙田苗期殘膜回收機(jī)采用十字萬(wàn)向節(jié)進(jìn)行傳遞動(dòng)力，由于動(dòng)力輸入軸與輸出軸之間存在夾角，單十字萬(wàn)向節(jié)很難實(shí)現(xiàn)等速傳遞，需要采用雙十字萬(wàn)向節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)等速傳遞。

如圖3所示是運(yùn)用UG三維制圖軟件建立的雙十字萬(wàn)向節(jié)模型，動(dòng)力從輸入軸J001輸入，通過(guò)十字節(jié)傳遞到中間傳動(dòng)軸J002，再通過(guò)十字節(jié)傳遞到輸出軸J003，最后傳遞到卷膜卸膜機(jī)構(gòu)上。在建立J001旋轉(zhuǎn)副時(shí)需要定義驅(qū)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)速度恒定初速度定義為360 °/s,完成所有運(yùn)動(dòng)副的定義后建立一個(gè)結(jié)算方案，運(yùn)行結(jié)算方案得到結(jié)果見(jiàn)圖4，動(dòng)力輸入軸J001速度如圖4a所示，中間傳動(dòng)軸的速度如圖4b所示，動(dòng)力輸出軸的速度如圖4c所示。

圖3　雙十字萬(wàn)向節(jié)模型Fig.3　Double cross universal joints

圖4　萬(wàn)向節(jié)仿真結(jié)果Fig.4　Universal joint simulation results

2.2仿形限深機(jī)構(gòu)圖5是運(yùn)用UG三維制圖軟件建立的仿形限深機(jī)構(gòu)在坑洼地面行走的簡(jiǎn)化模型。仿形限深機(jī)構(gòu)是地輪通過(guò)連接桿固定在機(jī)架上，限深輪調(diào)節(jié)桿通過(guò)螺釘固定在機(jī)架的上面部分，在地膜回收機(jī)工作的過(guò)程中，隨著耕作管理機(jī)的前進(jìn)，限深地輪隨地表起伏不平而上下移動(dòng)，機(jī)架會(huì)壓縮彈簧，由于彈簧的彈力作用，限深地輪始終保持適宜的接地壓力，保證有穩(wěn)定的鏟入土深度，達(dá)到仿形限深的目的。限深地輪可選用鑄鐵或者鋼板焊接而成，配制在機(jī)架后側(cè)，煙田苗期地膜回收機(jī)開(kāi)始工作時(shí)，隨著耕作管理機(jī)的前進(jìn)而前進(jìn)，通常重量輕、直徑小的地輪用于鎮(zhèn)壓表層土壤，要壓緊整個(gè)耕作層需用質(zhì)量和直徑大的限深地輪。仿形限深機(jī)構(gòu)地輪行走的仿真結(jié)果如圖6所示，從結(jié)果可以看出，殘膜回收機(jī)地輪緊緊貼在土地表面從而達(dá)到仿形限深的效果。

圖5　仿形限深機(jī)構(gòu)Fig.5　Shape-imitate and depth-controlling structure

圖6　仿形限深機(jī)構(gòu)仿真結(jié)果Fig.6　Simulation result of shape-imitate and depth-controlling structure

2.3卷膜卸膜機(jī)構(gòu)卷膜卸膜機(jī)構(gòu)是地膜回收的最主要工作部件，主要完成挑膜、卷膜作業(yè)，在卷膜完成后還要能方便地將地膜拆卸下來(lái)，收集以實(shí)現(xiàn)殘膜的二次利用。所以卷膜機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的好壞直接影響到收膜的質(zhì)量以及煙田苗期地膜回收機(jī)的實(shí)用程度。目前卷膜機(jī)構(gòu)的形式主要有集膜箱、卷膜棍2種形式，苗期地膜回收的集膜部件多采用卷膜棍形式。在現(xiàn)有卷膜機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上，收集資料對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行理論分析，根據(jù)得出的結(jié)論設(shè)計(jì)出能夠有效起膜、收膜，并且能在收膜結(jié)束后完整地將膜卸下來(lái)的卷膜卸膜機(jī)構(gòu)。圖7所示是卷膜卸膜機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。

卷膜機(jī)構(gòu)隨著機(jī)器前進(jìn)利用彈齒將殘膜卸挑起，卷在滾筒上完成卷膜作業(yè)，卷膜機(jī)構(gòu)在完成地膜回收后，可以方便地拆卸下來(lái)，其中有4根鋼管是通過(guò)螺栓連接在圓盤(pán)上，其中一邊是通過(guò)螺紋桿與螺紋配合安裝在卷膜圓盤(pán)上，在卸膜過(guò)程中旋轉(zhuǎn)螺桿使螺桿向外轉(zhuǎn)動(dòng)，使卷膜機(jī)構(gòu)從圓周狀態(tài)變換到方形狀態(tài)，就可以很方便完整地將地膜拆卸下來(lái)，這些完整的地膜可以實(shí)現(xiàn)再利用，可節(jié)約大量成本并提高勞動(dòng)效率。

注：1.卷膜連接；2.挑膜彈齒；3.固定卷膜機(jī)構(gòu)；4.活動(dòng)卷膜機(jī)構(gòu)。Note: 1. Roll film connection; 2. Elastic claw; 3. Fixed volume film mechanism; 4. Roll film structure. 圖7　卸膜機(jī)構(gòu)示意Fig.7　Unloading film organization chart

3結(jié)論

該研究分析了煙田苗期殘膜回收機(jī)的主要結(jié)構(gòu)以及主要部件，可為煙田苗期殘膜回收機(jī)的制造提供理論依據(jù)。運(yùn)用UG三維制圖軟件建立萬(wàn)向節(jié)三維模型，通過(guò)運(yùn)動(dòng)仿真得到速度傳遞關(guān)系。運(yùn)用UG三維制圖軟件建立仿形限深機(jī)構(gòu)的三維模型圖，對(duì)煙田苗期殘膜回收機(jī)行走在坑洼地面進(jìn)行仿真，得到地輪的仿真路線。設(shè)計(jì)方便可靠的卸膜機(jī)構(gòu)，在完成殘膜回收后可以方便地將殘膜卸下來(lái)，大大提高了勞動(dòng)效率、降低成本，同時(shí)避免殘膜污染情況的發(fā)生。

參考文獻(xiàn)

[1] 孫書(shū)祥,曲建東,陳俊生.彈齒輪式收膜機(jī)性能簡(jiǎn)介[J].現(xiàn)代化農(nóng)業(yè),2001(7):35.

[2] 崔方方.煙田苗期地膜回收機(jī)的研制[D].泰安：山東農(nóng)業(yè)大學(xué)，2010.

[3] 楊麗,張東興,侯書(shū)林,等.玉米苗期地膜回收機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)分析與試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2010,41(12):29-34.

[4] 張秋芳.苗期收膜機(jī)關(guān)鍵部件的研究[D].北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)，2007.

Design of the Main Structure of Plastic Film Collector for Toabcco at Seedling Stage

HU Ben-qing, ZHU Dai-gen*, YANG Yong-fa

(School of Mechanical and Transport Engineering, Southwest Forestry University, Kunming, Yunnan 650224)

AbstractAccording to the agronomic requirements and planting pattern of tobacco at seeding stage, on the basis of improvement of current plastic film collector, a plastic film collector which is suitable for Yunnan local tobacco planting pattern was designed; the main structure of the plastic film collector was introduced; and the universal joint transmission of UG modeling was completed, the speed transfer relationship was observed by motion simulation; systems that can shape-imitate and depth-controlling structure in the walking process were designed, as well as structure machine of unloading film.

Key wordsPlastic film collector; Structure design; Shape-imitate and depth-controlling; Structure machine of unloading film

基金項(xiàng)目云南省教育廳科學(xué)研究基金項(xiàng)目(2012C096)；云南省森林災(zāi)害預(yù)警與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金資助項(xiàng)目(ZF14SB06)。

作者簡(jiǎn)介胡本清(1988- )，男，安徽蚌埠人，碩士研究生，研究方向：農(nóng)業(yè)機(jī)械化。*通訊作者，副教授，碩士生導(dǎo)師，從事農(nóng)業(yè)與林業(yè)機(jī)械化研究。

收稿日期2016-03-02

中圖分類(lèi)號(hào)S 223.5

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)0517-6611(2016)10-251-03