張新超，畢新勝，王志歡，蔡 賀

(石河子大學(xué) 機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子 832003)

?

釘齒滾筒式殘膜回收機(jī)關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)與研究

張新超，畢新勝，王志歡，蔡 賀

(石河子大學(xué) 機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子 832003)

地膜覆蓋技術(shù)的廣泛推廣與應(yīng)用極大地促進(jìn)了我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展，但殘留在土地中的地膜在自然條件下極難降解，給農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展帶來巨大危害。為此，針對目前殘膜回收機(jī)回收率難以達(dá)標(biāo)的問題，設(shè)計(jì)了一種釘齒式殘膜回收機(jī)，介紹了殘膜回收機(jī)的總體結(jié)構(gòu)參數(shù)及工作原理，重點(diǎn)對釘齒滾筒進(jìn)行運(yùn)動學(xué)分析，推導(dǎo)得出釘齒滾筒的運(yùn)動學(xué)方程及不漏撿殘膜所滿足的參數(shù)條件。同時(shí)，運(yùn)用ADAMS對釘齒滾筒的釘齒運(yùn)動軌跡仿真，得出了滾筒轉(zhuǎn)速、機(jī)具行進(jìn)速度及釘齒周向相鄰角度對殘膜回收機(jī)工作效果的影響。

殘膜回收；釘齒滾筒；運(yùn)動分析；收膜機(jī)構(gòu)

0 引言

地膜覆蓋種植技術(shù)廣泛運(yùn)用于我國的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中，此項(xiàng)種植技術(shù)具有抑制雜草生長、抗病蟲害、抗旱、增溫保墑及提高產(chǎn)量等一系列優(yōu)點(diǎn)。但由于目前廣泛運(yùn)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的地膜使用了難降解的聚乙烯等材料，致使地膜殘存于土壤之中，破壞了農(nóng)田的生態(tài)環(huán)境，嚴(yán)重影響農(nóng)作物生長，導(dǎo)致農(nóng)作物產(chǎn)量降低，阻礙了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)化發(fā)展[1-2]。

針對上述問題，農(nóng)機(jī)科研人員開發(fā)研制了各種結(jié)構(gòu)形式的殘膜回收機(jī)，但存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、可靠性較差及殘膜撿拾率難以達(dá)標(biāo)的缺點(diǎn)。因此，研制開發(fā)具有良好工作特性的殘膜回收機(jī)具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。播前殘膜回收是目前主要的殘膜回收方式之一，收膜機(jī)構(gòu)是殘膜回收機(jī)的關(guān)鍵工作部件，播前殘膜回收工作要求收膜機(jī)構(gòu)可將土壤表層內(nèi)長度大于50mm的殘膜盡可能收回收，并將殘膜輸送至脫膜機(jī)構(gòu)。目前，殘膜回收機(jī)的收膜機(jī)構(gòu)按照其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分為伸縮桿式、鏈齒式、彈齒式及滾筒式等幾種常見形式。滾筒式的殘膜回收機(jī)結(jié)構(gòu)相對簡單，殘膜回收效果較好，有一定的研究意義[3-4]。在現(xiàn)有滾筒式殘膜回收機(jī)的研究基礎(chǔ)之上，本文設(shè)計(jì)了一種具有仿形功能的分段式釘齒滾筒殘膜回收機(jī)，并對影響其釘齒滾筒收膜效果的主要因素進(jìn)行理論與仿真分析，旨在為殘膜回收機(jī)的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 主要結(jié)構(gòu)及工作過程

該機(jī)主要由牽引裝置、釘齒滾筒起膜機(jī)構(gòu)、脫膜機(jī)構(gòu)、氣吸式殘膜輸送裝置、動力傳遞系統(tǒng)及收膜箱構(gòu)成，如圖1所示。

1.牽引架 2.機(jī)架 3.齒輪箱 4.釘齒滾筒

樣機(jī)通過牽引架與拖拉機(jī)連接，傳動系統(tǒng)通過傳動軸與拖拉機(jī)輸出軸相連，拖拉機(jī)的傳動系統(tǒng)帶動脫膜裝置和殘膜輸送裝置工作。作業(yè)時(shí)，拖拉機(jī)通過牽引架帶動整機(jī)行走，釘齒滾筒起膜機(jī)構(gòu)隨之運(yùn)動時(shí)，釘齒插入土層之中，將地膜扎起；脫膜裝置通過鏈輪與傳動系統(tǒng)相連，傳動軸帶動脫膜裝置轉(zhuǎn)動，脫膜軸旋轉(zhuǎn)方向與釘齒滾筒旋轉(zhuǎn)方向相反，使得殘膜從釘齒上被刷下來；氣吸式殘膜回收裝置的氣吸口對準(zhǔn)脫膜裝置與起膜機(jī)構(gòu)交接之處，通過風(fēng)機(jī)將殘膜吸入風(fēng)道口，輸送到殘膜回收箱內(nèi)。

2 收膜機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

2.1 收膜機(jī)構(gòu)工作原理

收膜機(jī)構(gòu)為具有仿形功能的分段式釘齒滾筒，釘齒滾筒通過固定架固定于機(jī)架上。拖拉機(jī)通過牽引架帶動機(jī)具前進(jìn)，帶動釘齒滾筒在地面上自由向前滾動；滾筒上排布有釘刺狀釘齒，在滾筒運(yùn)動前進(jìn)時(shí)，釘齒開始穿透鋪在田地里殘膜并深入土壤中；當(dāng)機(jī)具繼續(xù)向前運(yùn)動時(shí)，釘齒作用在殘膜上的作用力使殘膜脫離土壤，帶動殘膜繼續(xù)轉(zhuǎn)動，當(dāng)運(yùn)動到脫膜棍上的毛刷與收膜滾筒釘齒接觸的位置時(shí)，殘膜在脫膜棍上的毛刷的作用力下脫離釘齒，從而被風(fēng)機(jī)通過風(fēng)道吸入殘膜回收箱。

2.2 收膜機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

機(jī)具的收膜裝置是兩個(gè)分段式釘齒滾筒，滾筒長為600mm，直徑300mm；滾筒表面均布安裝有15個(gè)隔板，隔板上均勻排布28個(gè)釘齒，每排中的釘齒等間距焊接在滾筒隔板上，間距為20mm，周向相鄰兩排彈齒的夾角為24°，彈齒的直徑為12mm。彈齒的直徑大小影響殘膜的撿拾率，過大不利于撿拾殘膜但便于脫膜，過小更利于撿拾殘膜，但脫膜時(shí)殘膜很難脫離。釘齒滾筒通過固定架與機(jī)架相連。固定架與支撐架之間有彈簧相連。當(dāng)機(jī)具行走時(shí)，由于地面高度不一，滾筒隨之做上下運(yùn)動，起到了對地面進(jìn)行仿形的作用，收膜更加徹底；另外，分段式的設(shè)計(jì)有利于機(jī)具適應(yīng)不同的作業(yè)方式。釘齒滾筒收膜機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)包括釘刺狀撿拾齒、滾筒及傳動軸，如圖2所示。

圖2 釘齒滾筒結(jié)構(gòu)示意圖

殘膜回收機(jī)隨拖拉機(jī)的牽引向前運(yùn)動，收膜滾筒隨機(jī)具做圓周運(yùn)動。作為關(guān)鍵工作部件，滾筒的轉(zhuǎn)速影響到整個(gè)收膜工作的效率：滾筒的轉(zhuǎn)速過高，增大了與地面之間的沖擊，使得釘齒容易變形，整個(gè)部件的工作壽命會隨之降低；滾筒的轉(zhuǎn)速過低，會出現(xiàn)漏撿殘膜的情況，不能完成實(shí)際工作的要求。因此，需要對收膜機(jī)構(gòu)進(jìn)行具體分析，從而選擇適合的釘齒滾筒作業(yè)轉(zhuǎn)速[5-7]。

2.3 釘齒的配置設(shè)計(jì)

釘齒在滾筒上的排布情況影響收膜滾筒的作業(yè)效果及工作可靠性。根據(jù)新疆春播前的棉田實(shí)際工作狀況，因殘膜過碎、塊狀小、性狀不一等因素限制，設(shè)計(jì)釘齒的排布配置情況應(yīng)注意：釘齒的軸向排布間距要適度減小，以免出現(xiàn)漏撿殘膜的情況發(fā)生；在適度的軸向間距情況下，保證周向間距的合理性，不重復(fù)回收作業(yè)，減少雜物在收膜機(jī)構(gòu)前的堆積；要適應(yīng)棉區(qū)不同種植模式，均勻排布釘齒。

現(xiàn)有的釘齒排列方式有螺旋法和交錯(cuò)法。分析表明：螺旋法的排列方式雖能滿足軸向的釘齒排列要求，但釘齒的總數(shù)量較少，導(dǎo)致出現(xiàn)漏撿現(xiàn)象的發(fā)生。如果增加齒數(shù)，使得釘齒之間間距縮短，會影響到機(jī)構(gòu)的正常工作性能，故本機(jī)構(gòu)采用的交錯(cuò)排列方法布置釘齒。將釘齒排布簡化，如圖3所示。設(shè)滾筒半徑為r,滾筒長度為L,同一軸線上釘齒間距為d，交錯(cuò)排列的釘齒相距d/2，這樣的配齒將緩解上述問題所造成的不良狀況。要確定齒間距的具體參數(shù)，則需要對釘齒的運(yùn)動進(jìn)行進(jìn)一步的理論分析。

圖3 釘齒配置圖

3 收膜機(jī)構(gòu)的運(yùn)動仿真分析

3.1 釘齒滾筒運(yùn)動分析

為了確定收膜機(jī)構(gòu)上釘齒的較為合理的配置參數(shù)，對機(jī)具勻速前進(jìn)作業(yè)時(shí)釘齒的運(yùn)動軌跡進(jìn)行分析，如圖4所示。圖4中，釘齒從入土到出土的運(yùn)動軌跡可簡化為B2到B的圓弧，實(shí)際作業(yè)時(shí)是從入土壓膜到挑起殘膜的過程。

圖4 釘齒滾筒的運(yùn)動分析

釘齒滾筒隨機(jī)具的牽引以v速度行進(jìn)，且以轉(zhuǎn)速ω繞釘齒滾筒中心O做勻速轉(zhuǎn)動；設(shè)O1為坐標(biāo)原點(diǎn)，BO、B1O1、B2O2表示釘齒滾筒的半徑R，釘齒頂點(diǎn)從B點(diǎn)入土運(yùn)動到B2出土所用時(shí)間為t，整個(gè)運(yùn)動過程可從OO2分為兩個(gè)階段，OO1為入土壓膜，O1O2為出土挑膜；釘齒在BO處與y軸呈φ1角為起始位置，當(dāng)t/2時(shí)釘齒繞軸心轉(zhuǎn)過ωt/2到O1B1，滾筒軸心沿x軸正方向移動了vt/2的距離，則釘齒頂點(diǎn)從B到B1的軌跡方程為

(1)

上述運(yùn)動位移方程對t經(jīng)行一階、二階求導(dǎo)，得到釘齒頂點(diǎn)的速度與加速度方程為

ux=u-Rωcos(ωt)

uy=-Rωsin(ωt)

ax=Rω2sin(ωt)

ay=-Rω2cos(ωt)

(2)

釘齒滾筒機(jī)械沿x軸正方向運(yùn)動，釘齒頂點(diǎn)從B1運(yùn)動到B2的軌跡方程為

(3)

如上述方法一樣，繼續(xù)對方程組時(shí)間t一階、二階求導(dǎo)得到釘齒頂點(diǎn)的速度與加速度方程為

ux=u+Rωcos(ωt+φ1)

uy=-Rωsin(ωt+φ1)

ax=-Rω2sin(ωt+φ1)

ay=-Rω2cos(ωt+φ1)

(4)

假設(shè)撿拾耕層內(nèi)殘膜作業(yè)時(shí)釘齒深入水平面以下的區(qū)域視為有效收膜面，釘齒滾筒與土地之間的相對運(yùn)動可近似看作齒輪與齒條之間的嚙合運(yùn)動。為了收膜作業(yè)少出現(xiàn)漏撿現(xiàn)象，任意一個(gè)釘齒頂端經(jīng)過有效收膜面離開點(diǎn)，應(yīng)是下一個(gè)釘齒頂端的有效收膜面進(jìn)入點(diǎn)，與齒輪與齒條連續(xù)傳動時(shí)，任意時(shí)刻有且只有一個(gè)齒與齒條嚙合的情況類似。釘齒滾筒的運(yùn)動軌跡如圖5所示。OB1表示即將入土的釘齒位置，OB表示周向相鄰的釘齒所在位置。

圖5 釘齒滾筒的運(yùn)動軌跡

(5)

可得BC=R[1-sin(φ1+β)]。

若要滿足收膜作業(yè)不漏撿要求，則點(diǎn)在入土前的水平方向位移xB與豎直方向位移yB應(yīng)滿足

(6)

已知

(7)

將式(5)、式(7)帶入式(6)求解得

(8)

由式(8)得

即

(9)

經(jīng)過整理，得

(10)

式中R—釘齒到滾筒中心的回轉(zhuǎn)半徑；

h—釘齒入土深度；

z—同一圓周上釘齒的個(gè)數(shù)；

ω—釘齒滾筒旋轉(zhuǎn)角速度；

v—機(jī)具行進(jìn)速度；

φ1—初始相位角。

通過理論分析可知：只要機(jī)具的釘齒滾筒半徑、釘齒入土深度、滾筒的旋轉(zhuǎn)角速度、釘齒滾筒周向釘齒個(gè)數(shù)滿足上述數(shù)學(xué)關(guān)系，就能讓釘齒滾筒撿膜機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)連續(xù)撿膜且不漏撿殘膜的性能。

因播前殘膜回收機(jī)工作要求，確定釘齒入土深度為h=0.05m，釘齒到滾筒中心的回轉(zhuǎn)半徑為R=0.2m，機(jī)具前進(jìn)速度為v=5.4km/h。為了滿足關(guān)系式(9)、式(10)，得出釘齒滾筒角速度為ω=15.2rad/s，釘齒滾筒周向齒數(shù)z≈15。

3.2 單因素對釘齒滾筒的影響仿真分析

收膜滾筒的旋轉(zhuǎn)速度對收膜效果有直接性的影響，為了對釘齒滾筒的旋轉(zhuǎn)速度進(jìn)行分析，利用仿真軟件Adams對固定在滾筒上的釘齒進(jìn)行運(yùn)動軌跡的仿真分析[8]，可以得出在不同旋轉(zhuǎn)速度與機(jī)具前進(jìn)速度比下的釘齒滾筒上的釘齒運(yùn)動軌跡，如圖6所示。

圖 6 釘齒頂部軌跡圖

通過仿真改變釘齒滾筒轉(zhuǎn)速與機(jī)具的前進(jìn)速度之比，可得3種運(yùn)動軌跡，滾筒運(yùn)動軌跡的形狀取決于滾筒旋轉(zhuǎn)速度與行進(jìn)速度之比。令

式中 u—機(jī)具作業(yè)時(shí)的行進(jìn)速度；

ω—滾筒角速度；

R—釘齒頂端到滾筒的中心距離。

λ的取值有3種情況：λ<1、λ=1和λ>1。當(dāng)λ<1時(shí)，運(yùn)動軌跡為短板線，因機(jī)具前進(jìn)速度過快，釘齒與殘膜接觸時(shí)間過短，還未進(jìn)行挑起殘膜的運(yùn)動，就被機(jī)具帶動向前運(yùn)動，從而不能挑起殘膜；當(dāng)λ>1時(shí)，運(yùn)動軌跡為余擺線，余擺線的環(huán)扣部分才具有釘齒挑起殘膜的水平速度分量，才能具有將殘膜從地面上挑起的運(yùn)動軌跡[9]。根據(jù)分析，收膜滾筒線速度與機(jī)具前進(jìn)速度之比λ取值應(yīng)控制在1.1～1.5之間，能夠保證最佳的收膜效果。

收膜滾筒上周向相鄰兩組釘齒的運(yùn)動軌跡情況對于殘膜撿拾率有很重要的影響[10]。根據(jù)之前運(yùn)動分析得出周向釘齒數(shù)z≈15的結(jié)果，現(xiàn)對釘齒滾筒的周向相鄰的釘齒排布情況進(jìn)行仿真分析。相鄰兩組釘齒運(yùn)動軌跡如圖7所示。其中，L1、L2為周向相鄰的兩個(gè)釘齒的運(yùn)動軌跡，Δx是兩釘齒之間漏撿殘膜區(qū)域。由圖8可知：當(dāng)周向釘齒數(shù)z<15時(shí)，周向相鄰兩組釘齒間距太大，則Δx增大，且殘膜尺寸較小，殘膜漏撿情況嚴(yán)重；周向相鄰釘齒間距太小，則運(yùn)動軌跡重合過多，釘齒布置困難。通過軟件模擬仿真，當(dāng)周向釘齒數(shù)為15時(shí)，該釘齒滾筒的周向相鄰釘齒夾角為24°時(shí)，Δx可控制在合理的范圍之內(nèi)，保證了機(jī)構(gòu)的工作性能滿足機(jī)具設(shè)計(jì)條件。

圖7 周向相鄰?qiáng)A角24°釘齒運(yùn)動軌跡

圖8 周向相鄰?qiáng)A角48°釘齒運(yùn)動軌跡

4 結(jié)論

1)針對苗期田間殘膜回收問題，本機(jī)具采用釘齒滾筒式回收方式回收殘膜，可實(shí)現(xiàn)自動卸膜。介紹了釘齒滾筒殘膜回收機(jī)的工作原理，并對關(guān)鍵部件進(jìn)行了設(shè)計(jì)與分析。

2)為了保證收膜機(jī)構(gòu)具有更好的工作性能，對收膜機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動分析，得出釘齒頂部的運(yùn)動軌跡，并求出釘齒滾筒不漏撿的數(shù)學(xué)模型，從而確定實(shí)現(xiàn)釘齒滾筒不漏撿膜的各參數(shù)之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，以及關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)。

3)對釘齒運(yùn)動軌跡進(jìn)行分析得知：控制λ在1.1～1.5范圍內(nèi)能夠保持釘齒滾筒式收膜機(jī)構(gòu)最佳的工作性能。

4)對周向相鄰釘齒的軌跡進(jìn)行分析，當(dāng)周向相鄰釘齒24°時(shí)，滿足實(shí)際殘膜回收機(jī)工作要求。

[1] 李明洋,馬少輝.我國殘膜回收機(jī)研究現(xiàn)狀及建議[J].農(nóng)機(jī)化研究,2014,36(6):242-245.

[2] 那明君,董欣,候書林,等.殘膜回收機(jī)主要工作部件的研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),1999,15(2):112-115.

[3] 侯樹林,胡三媛,孔建銘,等.國內(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] 婁秀華,張東興,耿端陽,等.殘膜回收機(jī)起膜器的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2002(8):87-89.

[5] 靳偉,張學(xué)軍,李超新.釘刺式殘膜回收機(jī)的設(shè)計(jì)及試驗(yàn)研究[J].中國農(nóng)機(jī)化,2014,35(4):52-58.

[6] 盧博友,楊青,薛少平,等.圓弧形彈齒滾筒式殘膜撿拾機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及撿膜性能分析[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2000,16(6):68-71.

[7] 王春耀,陳發(fā),郭小軍,等.弧形挑膜齒殘膜清理滾筒運(yùn)動分析[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2005,36(8):38-44.

[8] 何磊,周亞立,劉向新,等.基于ADAMS的水平摘錠式采棉機(jī)采棉滾筒運(yùn)動仿真分析[J].湖北農(nóng)業(yè)科學(xué),2013,52(2):440-442.

[9] 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),2006,37(6):36-41.

[10] 靳偉,張學(xué)軍,張朝書,等.曲軸滾筒式苗期殘膜撿拾機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)[J].農(nóng)機(jī)化研究,2015,37(3):99-102.

The Design and Research of Key-parts of Spiked Tooth Plastic Film Residue Recovery

Zhang Xinchao, Bi Xinsheng, Wang Zhihuan, Cai He

(College of Mechanical Engineering of Shihezi University, Shihezi 832000, China)

Plastic mulching technology application and extension, greatly promote the development of Agricultural modernization in our country,But the residues in the soil mulch extremely difficult to degradation under natural conditions,do great harm to the sustainable development of agriculture. Aiming at the problems of the recovery of residual film recycling machine cannot be satisfied, we design a screw tooth residual film recycling machine. This paper introduces the structure and parameters of the device and the working principle, analysed of spike-tooth drum, deduced the kinematics equation of spike-tooth drum and the parameters meeting the condition of undetection. We use the ADAMS to simulate the spike-tooth of drum. The roller speed is obtained. The influences of the machine speed and adjacent spike-tooth angle on the film recycling machine is obtained.

residual film recovery; nail tooth roller; motion analysis; film collecting mechanism

2016-08-10

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51465050)

張新超(1992-)，男，新疆昌吉人，碩士研究生,(E-mail)1203660637@qq.com。

畢新勝(1971-)，男，河南鎮(zhèn)平人，教授，碩士生導(dǎo)師,(E-mail)bxs_mac@shzu.edu.cn。

S223.5

A

1003-188X(2017)10-0072-05