羅 威，王吉奎，牛海龍，羅新豫，布爾蘭·卡力木別克，段文獻，李 陽

(石河子大學 機械電氣工程學院，新疆 石河子 832003)

夾指鏈式殘膜回收機清雜裝置的設計與試驗

羅 威，王吉奎，牛海龍，羅新豫，布爾蘭·卡力木別克，段文獻，李 陽

(石河子大學 機械電氣工程學院，新疆 石河子 832003)

針對目前殘膜回收含雜率高的問題，結合夾指鏈式殘膜回收機，提出一種曲柄搖桿式清雜裝置。介紹了清雜裝置的結構組成和工作原理，對曲柄搖桿機構建立了數(shù)學模型，通過理論分析得出曲柄搖桿機構的重要參數(shù)，并通過ADAMS軟件對該機構進行運動仿真分析，完成機構技術參數(shù)的優(yōu)化。田間試驗表明：該裝置的膜雜分離率達到93.8%，證明了該裝置設計方案的可行性，能夠滿足清雜作業(yè)的要求。

殘膜回收；清雜；曲柄搖桿機構；優(yōu)化

0 引言

地膜覆蓋種植技術自20世紀80年代初引進我國后迅速掀起一場“白色革命”，在北方低溫、干旱和半干旱地區(qū)被廣為使用，已成為農業(yè)生產不可或缺的重要技術手段[1-3]。農用地膜是地膜覆蓋種植技術的主要生產資料，主要成分是聚乙烯高分子化合物，耐酸堿侵蝕，化學穩(wěn)定性好，殘留在土壤中需200年才能分解。使用后的地膜被稱為殘膜，若不及時回收，會隨土地耕作進入土壤耕作土層,對農業(yè)生態(tài)造成嚴重污染[4-5]。

目前，我國農機科研人員所研制的各類型殘膜回收設備均有其優(yōu)點與不足，影響殘膜回收的一大關鍵問題在于田間環(huán)境惡劣、地表散落大量雜物、膜雜難以分離，使得回收的殘膜含雜率高，影響殘膜回收率[6-7]。尤其是新疆收獲后的棉田，棉花秸桿粉碎還田后與殘膜摻雜在一起，機具在對殘膜進行回收時雜物會隨殘膜一并收起，回收的殘膜含鈴殼、秸稈等雜物太多，殘膜回收箱在短時間內會因為雜物過多而收滿；此時必須返回地頭將殘膜回收箱清理后再進行作業(yè)，不僅會嚴重影響殘膜回收的作業(yè)效率，而且回收的殘膜無法直接利用[8-10]。因此，研制一種結構簡單、高效可靠的清雜裝置十分必要。文中結合夾指鏈式殘膜回收機，設計了一種曲柄搖桿式清雜裝置，并確立了該裝置的結構組成和重要參數(shù)，為后續(xù)此類清雜裝置的設計提供參考。

1 整機結構與工作原理

1.1 整機結構

該機具主要由牽引裝置、仿形裝置、收膜機構、傳動系統(tǒng)、清雜裝置、脫膜輥及收膜箱等構成，如圖1所示。

1.牽引裝置 2.傳動系統(tǒng) 3.夾指 4.上收膜鏈輪 5.脫膜輥 6.收膜箱 7.清雜裝置 8.地輪 9.收膜鏈 10.下收膜鏈輪 11.仿形輪 12.仿形架圖1 夾指鏈式殘膜回收機結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of clamping finger-chain type

device for recycling agricultural plastic film

1.2 工作原理

樣機通過牽引裝置與拖拉機連接，作業(yè)時機具順著苗行前行，地輪通過傳動系統(tǒng)帶動收膜裝置和清雜裝置工作；仿形輪緊貼地面，通過仿形架帶動收膜裝置靠近地表，從而實現(xiàn)收膜裝置對地表的仿形，當夾指隨夾指鏈轉過下收膜鏈輪時，夾指在下收膜鏈輪節(jié)圓曲線的作用下指端張開，劃過地表土層將殘膜掛在夾指上，夾指在離開地表時逐漸閉合，掛在夾指上的殘膜被夾緊，隨收膜鏈向上運動；當夾指夾持殘膜運動到清雜裝置時，清雜裝置做往復擺動；當清雜刮板在擺動過程中碰撞到被夾指夾持的殘膜時，殘膜上的雜物會受到振動而被拍落，清理干凈的殘膜則繼續(xù)隨收膜鏈向上輸送；當轉過上收膜鏈輪時夾指張開，在受到重力和脫膜輥的作用下落入收膜箱，完成殘膜的回收作業(yè)。

2 清雜裝置的工作原理

本文提出的清雜裝置為曲柄搖桿式清雜機構，運用曲柄搖桿的往復運動實現(xiàn)對殘膜的清理，主要由清雜刮板、搖桿架、搖桿軸、曲柄軸、套筒、曲柄和驅動軸組成，如圖2所示。

工作過程：機組作業(yè)時，傳動系統(tǒng)帶動收膜裝置和清雜裝置工作，當懸掛在夾指上的殘膜被夾在夾指與收膜鏈之間向上輸送時，驅動軸帶動曲柄做整周轉動，同時搖桿往復擺動，使得清雜刮板同時做往復擺動；當清雜刮板在擺動過程中碰撞到被夾指夾持的殘膜時，殘膜上的雜物會受到振動而被拍落至清雜刮板，由于清雜刮板的運動，雜物最終被拍落至田間，從而實現(xiàn)殘膜清雜作業(yè)。

該清雜裝置的最大特點是利用曲柄搖桿機構實現(xiàn)了對夾指鏈式殘膜回收機收膜過程中所夾持的殘膜進行清雜，結構簡單，避免傳統(tǒng)滾動輪式或滾動刷式的清雜裝置在作業(yè)時易纏繞殘膜而影響殘膜回收率的問題。

2.1 曲柄搖桿機構的設計與優(yōu)化

夾指鏈式殘膜回收機清雜裝置的曲柄搖桿機構的結構如圖3所示。其中，AB為曲柄，CD為搖桿，BC為連桿，AD為機架，CE為連桿BC端的延長部分，CE可將抖落在清雜刮板上的雜物輸送至收膜箱。設AB為lCE,BC為lBC,CD為lCD，AD為lAD,該曲柄搖桿機構的兩個極限位置為AB1C1D和AB2C2D，γ為傳動角，Ψ為搖桿擺角，θ為極位夾角，W為曲柄的角速度。

圖3 曲柄搖桿機構原理圖Fig.3 Schematic Diagram of Crank-Rocker Mechanism

1)曲柄搖桿機構的數(shù)學模型。運用向量解析法得出曲柄搖桿機構的封閉向量多邊形在XY軸上的投影方程式,并得出運動軌跡。曲柄搖桿機構簡圖如圖4所示。圖4中，取A為原點，機架AD與x軸共線的直角坐標系，α1、α2、α3分別是AB、BC、CD與x軸之間的夾角。

圖4 曲柄搖桿機構簡圖Fig.4 Diagram of Crank-Rocker Mechanism

封閉矢量方程為

lAB+lBC=lCD+lAD

分別向x和y軸投影，得代數(shù)方程為

(1)

2)位置分析。

將式(1)改寫為

lBCcosα2=lCDcosα3+lAD-lABcosα1

lBCsinα2=lCDsinα3-lABsinα1

公式兩邊平方后相加整理得

Hsinα3+Pcosα3+Q=0

(2)

將式(2)轉化為二次方程，則

(P-Q)n2-2Hn-(P+Q)=0

解得

(3)

同理

(4)

圖(4)中，劃分有兩個三角形ABD和BCD。對于式(3)、式(4)的解而言，當曲柄與搖桿同側時取“+”，否則取“-”。

3)位移分析。在連桿BC上有任意一點Z1，BZ1的長度為lBZ1，Z1Z的長度為lZ1Z,則B、Z1、Z、C這4點的軌跡坐標值分別為：

B點坐標值為

xB=lABcosα1;yB=lABsinα1

Z1點坐標值為

xZ1=xB+lBZ1cosα2;yZ1=yB+lBZ1sinα2

Z點坐標值為

C點坐標值為

xC=lAD+lCDcosα3;yC=lCDsinα3

4)桿長的分析。根據機架空間和清雜裝置的安裝位置，初定機架AD的桿長lAD=620mm。曲柄存在約束條件：lAB≤lBC，lAB≤lCD，lAB≤lAD，lAB﹢lBC≤lCD﹢lAD，lAB﹢lCD≤lBC﹢lAD，lAB﹢lAD≤lBC﹢lCD。所以，當曲柄為AB時，此機構為曲柄搖桿機構。在運動過程中，曲柄AB以A點為圓心，lAB為半徑在B點做圓周運動；搖桿CD以D點為圓心、lCD為半徑在C點做圓弧擺動，同時也參與連桿BC的運動。

5)傳動角的分析。當主動件運動時，經過連桿作用于從動件上的力的作用線與該力作用點速度之間所夾的銳角α為機構的壓力角，壓力角的余角γ為四桿機構的傳動角[11]。在連桿機構中，傳動角的大小反映了傳動性能的好壞，傳動角越大，則機構的傳動性能越好。由圖3分析可知：該機構的傳動角γ是連桿BC與搖桿CD所成的銳角，為保證機構的傳力性能，通常使γmin=min∠BCD≥40°。由結構角度關系得

∠B2C2D<90°

或

∠B2C2D>90°

其中，γ″、γ′中的小者即為γmin。

6)極位夾角分析。在曲柄搖桿機構中，從動件運動至兩極限位置時，對應的曲柄兩位置之間所夾的銳角稱為極位夾角[12]。極位夾角是分析機構急回特性的重要參數(shù)。如圖3所示。當曲柄AB1和連桿B1C1拉直共線時與曲柄AB2和連桿B2C2重疊共線時所形成的銳角即為該機構的極位夾角θ。

行程速度變化系數(shù)K為

(5)

當θ>0°、K>1時，則機構有急回特性。

2.2 清雜裝置結構參數(shù)的優(yōu)化

根據機架空間和清雜裝置的安裝位置，將圖3中AB、BC、CE的長度lAB、lBC、lCE分別設定為100、630、90mm。將CD的長度lCD和清雜刮板頂點E(x，y)設為變量，通過ADAMS仿真實驗分析出在不同長度lCD下頂點E相對于機身的運動軌跡。

經過大量實驗數(shù)據比對，取出5組具有代表性的lCD和E(x，y)數(shù)值，如表1所示。圖5是ADAMS仿真實驗得出與5組數(shù)據對應的清雜刮板頂點E的運動軌跡。為了有效將雜物從殘膜上拍落，則需要曲柄搖桿機構在實現(xiàn)往復運動的前提下，清雜刮板在運動時既要接觸到被夾持的殘膜且保證有效的接觸面，又不能超過與其上方夾指鏈之間的最大距離，防止與夾指鏈產生撞擊，影響機具作業(yè)。根據曲柄搖桿機構的急回運動可知：清雜刮板在做往復運動時是從軌跡右端開始沿凸線慢速經過最高位置，最終達到左端；然后從最左端沿凹線快速回到右端起點，對應的搖桿長度lCD決定了其運動的最高位置。由圖5可知：軌跡a顯示搖桿由左極限位置C1D往右極限位置C2D回程時軌跡形成尖銳的夾角，反映出該曲柄搖桿機構的運動協(xié)調性差；軌跡b顯示在去程時會有一段較陡峭的上升階段然后是快速下降階段，表明清雜刮板只能與少量的殘膜接觸，且接觸面和接觸時間有限；軌跡d和e的最高點超出了清雜刮板與夾指鏈之間的最大距離。綜合上述情況，軌跡c對應的搖桿長度為最優(yōu)值，即lCD=180mm，則對應的E(x，y)=(-72，218)。

表1 不同軌跡線對應的結構參數(shù)

Table 1 Different Structural Parameters Corresponding to Different Trajectories mm

軌跡線lCDE(x,y)a160-74,196b170-73,209c180-72,218d190-67,232e200-66,243

圖5 不同結構參數(shù)清雜刮板運動軌跡Fig.5 Moving Track of the Scraper with Different Structure Parameters

3 田間試驗

本試驗于2016年10月在新疆建設兵團石河子市149團收獲后的棉田進行。棉田秸稈已被切碎并散落在殘膜表面，地面較平整，土壤硬度適中，滴灌帶已回收；在田間滯留的殘膜已經有5～6個月左右，大部分地膜位于地表，地膜幅寬為2m，地膜中部和作物根部有覆土，厚度為25～35mm，地膜有一定程度的破損。試驗機具為本課題組研制的夾指鏈式殘膜回收機，將該清雜裝置安裝于試驗機上，動力由福田雷沃M800-D拖拉機提供。根據實際的市場效益和作業(yè)效率的問題，機組將試驗作業(yè)速度設置為5～5.5km/h。試驗場景如圖6所示。

圖6 田間試驗Fig.6 Fied experiment

試驗在一個膜幅上進行，田間隨機選取5個試驗區(qū)，每個試驗區(qū)長度為50m，寬度為2m，對實驗數(shù)據記錄并整理。試驗結果如表2所示。

表2 試驗結果

機具作業(yè)過程中，清雜裝置的運動軌跡較為理想，能與夾持的殘膜保持較大的接觸面，且能夠順利地將被夾持殘膜之間兜起的秸稈、土壤等雜物清理干凈，殘膜纏繞的問題基本沒有發(fā)生；但有少量秸稈或土壤被夾指夾住，且田間殘膜粘附的泥土具有一定的濕度，沒有被清雜裝置抖落分離，對膜雜分離率有一定的影響，需要在后續(xù)工作中進行優(yōu)化。

4 結論

1)針對夾指鏈式殘膜回收機清雜效果不佳的問題，設計了一種曲柄搖桿式清雜裝置，并介紹了該裝置的結構組成和工作原理。

2)對清雜裝置進行了優(yōu)化設計，并建立曲柄搖桿機構的數(shù)學模型，得到曲柄搖桿機構的結構參數(shù)lAB、lBC、lCD、lAD、lCE分別為100、630、180、620、90mm，E(x，y)為(-72，218)。

3)田間試驗結果表明：機具的工作效率大于0.4hm2/h，清雜裝置的膜雜分離率達93.8%。作業(yè)過程中未出現(xiàn)殘膜纏繞問題，滿足清雜作業(yè)要求。

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Design and Test on Debris Clean-up Device of Clamping Finger-chain Type Device for Recycling Agricultural Plastic Film

Luo Wei， Wang Jikui， Niu Hailong， Luo XinYu，Burlen·Halembek， Duan Wenxian， Li Yang

(College of Mechanical and Electrical Engineering,Shihezi University,Shihezi 832003,China)

For the problem that film impurity separation rate is higher in plastic film recycling,combined with the clamping finger-chain type device for recycling agricultural plastic film,this paper proposed a crank-rocker mechanism for debris clean-up device.Design principle and working principle of debris clean-up device was introduced, mathematic models of the crank-rocker mechanism was built. The important parameters for crank-rocker mechanism is obtained by the theoretical analysis.The proposed machine were simulated and optimized with ADAMS simulation software,completed technical parameter optimization.The experimental results showed that the machine film impurity separation rate of 93.8% which proved the feasibility of the device and meet the technical requirements of the debris clean-up work.

plastic film recycling; debris clean-up; crank-rocker mechanism; optimization

2016-12-05

國家自然科學基金項目(51465050)

羅 威(1991-)，男，湖北隨州人，碩士研究生，(E-mail)542164273@qq.com。

王吉奎(1970-)，男，新疆瑪納斯人，教授，(E-mail)shzwjk@126.com。

S223.5

A

1003-188X(2018)02-0075-05