張 佳,靳 偉,謝新亞,李川江,張宇濤

(1.新疆工程學(xué)院 機(jī)械電子學(xué)院,烏魯木齊 830023;2.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,烏魯木齊 830052;3.新疆新研牧神科技有限公司,烏魯木齊 830013)

0 引言

新疆北疆為旱半干旱地區(qū),主要種植棉花、番茄等經(jīng)濟(jì)作物。2017年,新疆棉花種植面積達(dá)到193萬(wàn)hm2,地膜覆蓋面積達(dá)種植面積80%以上。目前,使用的聚乙烯地膜降解周期長(zhǎng),殘膜回收不及時(shí),在田間大量累積,造成“白色污染”,且影響種子的正常發(fā)育,給生態(tài)環(huán)境、土壤結(jié)構(gòu)及作物生長(zhǎng)發(fā)育造成了嚴(yán)重影響[1-2]。

近幾年,殘膜污染的綜合治理主要包括生物降解膜技術(shù)和殘膜機(jī)械回收技術(shù)。生物降解膜技術(shù)由于成本高還處于試用及研究階段,新疆主要依靠殘膜回收機(jī)械回收殘膜。目前,使用的殘膜回收機(jī)主要分為摟耙式、彈齒式、伸縮桿齒式等類型:摟耙式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低,但殘膜回收率較低,為70%左右,使用較普遍的殘膜回收作業(yè)機(jī)主要是摟耙式和拔桿起膜式。摟耙式殘膜回收機(jī)雖然作業(yè)效率較高,但殘膜回收率較低;伸縮桿式殘膜回收機(jī)回收效率高,但可靠性較差,且需要人工配合撿拾。這些殘膜回收機(jī)械普遍的特點(diǎn)是功能單一,主要完成殘膜回收作業(yè),使用成本較高[3-5]。因此,采用整地和殘膜回收聯(lián)合作業(yè),一次性完成兩項(xiàng)作業(yè),可減少拖拉機(jī)的作業(yè)次數(shù)和降低農(nóng)田種植成本,也是符合我國(guó)實(shí)際國(guó)情的殘膜回收機(jī)械的發(fā)展趨勢(shì)。

1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

該作業(yè)機(jī)將驅(qū)動(dòng)耙和鏈齒式殘膜回收機(jī)結(jié)合,完成對(duì)田地的松土、殘膜回收及整地作業(yè),主要由驅(qū)動(dòng)耙、挑膜機(jī)構(gòu)、脫膜機(jī)構(gòu)、集膜箱和鎮(zhèn)壓輥組成,如圖1所示。

1.驅(qū)動(dòng)耙 2.仿形輪 3.挑模機(jī)構(gòu) 4.起膜鏟 5.集膜箱 6.鎮(zhèn)壓輥 7.行走輪 8.卸膜結(jié)構(gòu)

1.2 工作原理

該作業(yè)機(jī)由58.8kW以上拖拉機(jī)懸掛,拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸轉(zhuǎn)速為540r/min,驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)耙的粑齒旋轉(zhuǎn),將田地中深15cm內(nèi)的土壤破碎;隨后,由挑膜機(jī)構(gòu)將田地土壤中深10cm內(nèi)的殘膜挑起,隨著挑模機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn),殘膜不斷被輸送至后方的卸膜機(jī)構(gòu)處;卸膜機(jī)構(gòu)將殘膜從挑膜機(jī)構(gòu)上脫落至集膜箱,隨后鎮(zhèn)壓輥對(duì)驅(qū)動(dòng)耙破碎后的土壤平整壓實(shí)[6]。作業(yè)完成后,可控制行走輪液壓缸將行走輪下降至地面,鎮(zhèn)壓輥相對(duì)抬起,由行走輪支撐行走。

2 關(guān)鍵零部件的設(shè)計(jì)

2.1 挑膜機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

2.1.1 挑膜機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)

挑膜機(jī)構(gòu)是決定殘膜回收機(jī)殘膜回收效果的核心部件[7]。根據(jù)新疆棉花田間殘膜及土壤的特點(diǎn),本設(shè)計(jì)采用鏈齒式挑膜機(jī)構(gòu),配合起膜鏟及膜土分離板完成將土壤中的殘膜挑起及膜土分離作業(yè)。挑膜機(jī)構(gòu)由大輥筒、小輥筒、傳動(dòng)鏈及等距布置在傳動(dòng)鏈上的彈齒構(gòu)成,如圖2所示。鏈齒式挑膜機(jī)構(gòu)受到的土壤阻力及圓周驅(qū)動(dòng)力較大,設(shè)定主動(dòng)輪大輥筒的直徑為40cm,從動(dòng)輪小輥筒的直徑為30cm,大輥筒與小輥筒的軸距為160cm。

1.大輥筒 2.彈齒 3.輸送鏈 4.小輥筒 5.膜土分離板 6.起膜鏟

工作時(shí),挑膜結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)方向與拖拉機(jī)地輪轉(zhuǎn)向相同,實(shí)現(xiàn)入土挑膜—膜土輸送—膜土分離—脫膜入箱—入土挑膜的循環(huán)作業(yè)。此過(guò)程中,彈齒的入土深度、彈齒入土角度、輸送鏈轉(zhuǎn)速及輸送鏈的角度都是影響挑模機(jī)構(gòu)挑膜效果的重要指標(biāo),為找到挑膜機(jī)構(gòu)的工作最佳參數(shù),需要對(duì)彈齒的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行分析。

2.1.2 挑膜彈齒的運(yùn)動(dòng)分析

彈齒齒尖的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖3所示。

圖3 彈齒齒尖的運(yùn)動(dòng)軌跡

設(shè)挑膜機(jī)構(gòu)大輥筒的軸心O1點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn),殘膜回收機(jī)的前行方向?yàn)閤軸正方向,殘膜回收機(jī)以勻速速度v1前進(jìn),大輥筒以角速度ω勻速旋轉(zhuǎn),經(jīng)時(shí)間t后,大輥筒轉(zhuǎn)動(dòng)α角度;此時(shí),大輥筒的軸心到達(dá)O2點(diǎn),以某一彈齒齒尖A點(diǎn)作為初始相位,彈齒的運(yùn)動(dòng)軌跡為L(zhǎng)[8]。

彈齒齒尖A點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方程為

(1)

式中v1—挑模機(jī)構(gòu)的前進(jìn)速度(m/s);

v2—彈齒圓周線速度(m/s);

ω—挑膜機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)角速度(rad/s);

R—彈齒的旋轉(zhuǎn)半徑(m);

H—挑膜深度(cm)。

由公式(1)可知:彈齒的運(yùn)動(dòng)軌跡與作業(yè)機(jī)前進(jìn)速度v1、彈齒的回轉(zhuǎn)半徑R,以及挑模機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)角速度ω有關(guān),由式(1)對(duì)時(shí)間微分求得彈齒齒尖的運(yùn)動(dòng)速度為

(2)

已知v2=ωR,令

(3)

結(jié)合公式(1)和公式(3),可得

(4)

彈齒的線速度v2與拖拉機(jī)前進(jìn)速度v1的比稱作挑膜機(jī)構(gòu)的輪轉(zhuǎn)速比λ[9]。由公式(4)可以推出彈齒的運(yùn)動(dòng)軌跡為擺線,輪轉(zhuǎn)速比λ的大小直接影響挑膜效果。當(dāng)λ小于1、λ等于1和λ大于1時(shí),彈齒的運(yùn)動(dòng)軌跡大致如圖4所示。

圖4 不同λ值時(shí)彈齒齒尖的運(yùn)動(dòng)軌跡

由圖4可以看出:當(dāng)λ≤1時(shí),彈齒在水平方向的絕對(duì)速度與拖拉機(jī)前行方向相同,沒有形成向后的相對(duì)速度,即不能挑膜;當(dāng)λ>1時(shí),彈齒在土壤內(nèi)有相對(duì)前進(jìn)方向相反的速度,故可以完成挑起殘膜[8]。

合適的輪轉(zhuǎn)速比值大小是挑膜效果好壞的關(guān)鍵因素。λ值過(guò)小,可能出現(xiàn)漏挑的現(xiàn)象,起膜鏟也會(huì)出現(xiàn)土壤堆積;λ值過(guò)大,與土壤產(chǎn)生的沖擊力增大,影響彈齒的壽命。因此,設(shè)計(jì)輪轉(zhuǎn)速比λ為4～6。

2.1.3 挑膜彈齒的入土傾角

鏈齒式挑模機(jī)構(gòu)的入土傾角的大小直接關(guān)系挑膜效果[10]。入土傾角過(guò)大,彈齒的挑膜區(qū)域大,入土深度更深,彈齒收到的載荷較大,容易發(fā)生彈齒斷裂或變形;反之,入土傾角過(guò)小,彈齒的挑膜區(qū)域小,挑膜深度較淺,挑膜效果不好,如圖5所示。

圖5 挑膜彈齒的入土傾角

彈齒的回轉(zhuǎn)半徑R,挑膜深度為H,則入土傾角θ為

(5)

由公式(5)可得

(6)

式中R—彈齒的旋轉(zhuǎn)半徑(m);

H—挑膜深度(cm)。

由公式(6)可以看出:彈齒的入土傾角與入土深度和彈齒的回轉(zhuǎn)半徑有關(guān),彈齒的入土傾角與彈齒入土深度呈反比,與彈齒的回轉(zhuǎn)半徑呈正比?？紤]的土壤中殘膜的分布情況及土壤阻力對(duì)彈齒的影響,彈齒入土深度選取11cm。彈齒的回轉(zhuǎn)半徑為大輥筒半徑與彈齒長(zhǎng)度之和,彈齒長(zhǎng)度為18cm,大輥筒半徑為20cm,即彈齒的回轉(zhuǎn)半徑為38cm。經(jīng)計(jì)算,彈齒的入土角度為45.2°。

2.2 膜土分離板的設(shè)計(jì)

挑模機(jī)構(gòu)將殘膜及夾帶的土塊挑起,進(jìn)入膜土輸送及膜土分離段,如圖6所示。膜土分離板設(shè)置于挑模機(jī)構(gòu)下方,與挑模機(jī)構(gòu)下端鏈長(zhǎng)度方向平行,為了輸送殘膜順暢以及殘膜不滑落,膜土分離板與彈齒之間的距離為5～10mm。

膜土分離板的作用為將殘膜和挑起土塊分離,并輸送殘膜。本裝置的膜土分離板結(jié)構(gòu)為長(zhǎng)度、寬度均與鏈齒式挑模機(jī)構(gòu)相同,兩側(cè)設(shè)置擋板,在膜土分離板上開設(shè)有15mm的通孔,土塊從膜土分離板的通孔中掉落,殘膜被輸送前行。被挑起的殘膜和土塊在輸送過(guò)程中受力分析如圖6所示。

圖6 殘膜和土塊在輸送過(guò)程中受力分析

殘膜和土塊在輸送過(guò)程中的受力平衡方程為

(7)

式中N—膜土分離板對(duì)殘膜及土塊的反作用力(N);

Gm—?dú)埬ぜ巴翂K自身的重力(N);

δ—膜土分離板與水平面夾角(°);

Fs—彈齒對(duì)殘膜及土壤的作用力(N);

fb—?dú)埬ぜ巴寥琅c膜土分離板之間的摩擦力(N);

μ—膜土分離板與殘膜及土壤的摩擦因數(shù),取μ=0.25～0.35。

由式(7)得

(8)

由式(8)可知:殘膜在膜土分離板上輸送時(shí),彈齒對(duì)殘膜的作用力與膜土分離板的傾角、殘膜及土壤的質(zhì)量有關(guān):傾角越小,越容易輸送殘膜,但會(huì)增加膜土分離板的長(zhǎng)度以滿足高度需要。傾角越大,殘膜及土壤容易隨膜土分離板滑落。經(jīng)計(jì)算及試驗(yàn),δ取40～45°為宜。

2.3 卸膜機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

卸膜機(jī)構(gòu)是影響殘膜回收機(jī)回收效果的重要因素之一[11],卸膜機(jī)構(gòu)主要包括傳動(dòng)軸及圓周等分設(shè)置在傳動(dòng)軸上的9排梳齒;相鄰兩排梳齒之間的夾角與小輥筒上相鄰兩排彈齒的夾角相同,均為40°;梳齒的長(zhǎng)度為300mm,每排梳齒中齒與齒的間距為30mm。卸膜機(jī)構(gòu)工作原理如圖7所示。圖7中,ω1為挑模機(jī)構(gòu)滾筒角速度(rad/s);ω2為卸膜機(jī)構(gòu)角速度(rad/s)。

1.膜土分離板 2.彈齒 3.小輥筒 4.卸膜機(jī)構(gòu)

2.4 其他部件

2.4.1 驅(qū)動(dòng)耙的選用

根據(jù)作業(yè)機(jī)的幅寬及拖拉機(jī)的動(dòng)力輸出,選用由新疆機(jī)械研究院股份有限公司生產(chǎn)的牧神1BX-2.0型驅(qū)動(dòng)耙,工作幅寬為2.0m,配套動(dòng)力58.8kW,整地效果好,破碎效果高,且便于在驅(qū)動(dòng)耙的輸出軸加設(shè)變速箱,連接后方的殘膜回收部件,用于給挑模機(jī)構(gòu)及卸膜機(jī)構(gòu)提供動(dòng)力。

2.4.2 行走支撐輪的設(shè)計(jì)

作業(yè)機(jī)具備殘膜回收及整地兩項(xiàng)作業(yè),整地作業(yè)由前方的驅(qū)動(dòng)耙及后方的鎮(zhèn)壓輥共同完成,鎮(zhèn)壓輥與前部殘膜回收機(jī)可拆卸式連接。

在殘膜回收機(jī)后方加設(shè)鎮(zhèn)壓輥可以將土壤破碎并平整,但同時(shí)也增加的作業(yè)機(jī)的長(zhǎng)度。為了便于非作業(yè)時(shí)行走不破壞路面,在其后方加設(shè)了行走支撐輪,結(jié)構(gòu)原理如圖8所示。在鎮(zhèn)壓輥兩側(cè)安裝有鎮(zhèn)壓輥機(jī)架,液壓缸尾端與鎮(zhèn)壓輥機(jī)架后上方鉸接,液壓缸活塞桿頭端與鉸接梁鉸接,鉸接梁一端與鎮(zhèn)壓輥機(jī)架前方鉸接,另一端安裝支撐輪。當(dāng)非作業(yè)行走時(shí),可將液壓缸活塞桿伸出,鉸接梁沿前方鉸接點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng),支撐輪相對(duì)下降,將鎮(zhèn)壓輥升起,便可由支撐輪支撐行走。

1.殘膜回收機(jī)尾部 2.鎮(zhèn)壓輥機(jī)架 3.液壓缸 4.支撐輪 5.鉸接梁 6.鎮(zhèn)壓輥

3 挑膜結(jié)構(gòu)試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本次試驗(yàn)通過(guò)電子秤測(cè)出殘膜挑出的質(zhì)量與土壤內(nèi)未挑出的質(zhì)量,由公式(9)算出殘膜回收率。本試驗(yàn)確定的試驗(yàn)因素有拖拉機(jī)前進(jìn)速度(A)、輪速比(B)、挑膜彈齒的入土深度(C)和誤差項(xiàng)(D),試驗(yàn)因素編碼如表1所示。因素的取值范圍:拖拉機(jī)前進(jìn)速度v分別為1、1.5、2km/h;輪速比分別為3.2、5.6、13.8km/h;挑膜彈齒的入土深度分別為:5、10、15cm。

殘膜挑起率計(jì)算公式為

(9)

式中M1—被挑起的殘膜質(zhì)量(kg);

M2—未被挑起的殘膜質(zhì)量(kg)。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

根據(jù)試驗(yàn)需要,正交試驗(yàn)采用三水平四因素的正交表L9(34)來(lái)安排試驗(yàn),試驗(yàn)數(shù)據(jù)是每一組合重復(fù)2～3次試驗(yàn),并求其平均值。試驗(yàn)方案和結(jié)果如表2所示,方差分析如表3所示。

表1 挑膜機(jī)構(gòu)試驗(yàn)因素編碼表

續(xù)表1

表2 試驗(yàn)方案和結(jié)果

表3 試驗(yàn)結(jié)果方差分析

1)采用綜合平衡法考慮殘膜挑起率。由表2可知:因素對(duì)殘膜挑起率的影響順序?yàn)锽(輪速比)、C(入土深度)、A(前進(jìn)速度),其最優(yōu)水平組合為B2C3A2。

2)經(jīng)方差分析,由表3可知:考察試驗(yàn)指標(biāo)挑膜率在顯著性水平0.1上,因素B(輪速比)顯著。

4 結(jié)論

1)新疆棉花種植在秋收后田中存在大量殘膜,在來(lái)年春季需要整地、翻地、殘膜回收等作業(yè),針對(duì)于傳統(tǒng)殘膜回收機(jī)械功能單一的問題,設(shè)計(jì)了一種驅(qū)動(dòng)耙殘膜回收聯(lián)合作業(yè)機(jī),主要包括驅(qū)動(dòng)耙、挑膜機(jī)構(gòu)、起膜鏟、膜土分離板、卸膜機(jī)構(gòu)、集膜箱及鎮(zhèn)壓輥等部件,可一次完成殘膜回收及整地作業(yè)。

2)分析了齒鏈?zhǔn)教裟C(jī)構(gòu)挑膜彈齒的運(yùn)動(dòng)軌跡,試驗(yàn)結(jié)果表明:當(dāng)作業(yè)機(jī)前進(jìn)速度為1.5m/s、挑模機(jī)構(gòu)的輪轉(zhuǎn)速比λ=5、彈齒入土深度為10～11cm時(shí),挑模機(jī)構(gòu)的工作性能最佳。經(jīng)計(jì)算,彈齒的最佳入土角度為45.2°。

3)設(shè)計(jì)了膜土分離板和卸膜機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu),并對(duì)殘膜和土塊在膜土分離板輸送過(guò)程中的受力進(jìn)行分析,結(jié)果表明:彈齒對(duì)殘膜的作用力與膜土分離板的傾角、殘膜及土壤的質(zhì)量有關(guān);傾角越小,越容易輸送殘膜;傾角越大,殘膜及土壤容易隨膜土分離板滑落。經(jīng)計(jì)算,膜土分離板的傾角取40°～45°為宜。