付 磊,羅 昕,李衛(wèi)敏,胡 斌,陳 永,王立強,靳奉奎

(石河子大學(xué) 機械電氣工程學(xué)院,新疆 石河子 832000)

0 引言

地膜覆蓋技術(shù)于20世紀(jì)70年代引入我國,由于其具有保墑、增溫、除草、防蟲、增產(chǎn)等功效,在農(nóng)用生產(chǎn)上得到廣泛應(yīng)用[1-4]。我國多數(shù)地區(qū)使用的農(nóng)膜厚度為0.006～0.008mm,殘膜回收時由于地膜過薄導(dǎo)致老化破損嚴(yán)重,大量碎膜殘留在農(nóng)田中,給后續(xù)殘膜回收帶來困難[5-8]。我國實施的新標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定農(nóng)膜的最小厚度不小于0.01mm,新地膜標(biāo)準(zhǔn)的實施將大大提高地膜的可重復(fù)利用性和可回收性[9-10]。目前,我國殘膜回收機常用的撿拾機構(gòu)有耙齒式、伸縮桿式、鏈齒式等幾種,大都結(jié)構(gòu)復(fù)雜,需拖拉機另外提供動力驅(qū)動工作,能耗較高[10-12]。為此,針對一種自走式拾膜輸送機構(gòu),不需另加額外動力,利用桿齒與土壤相互作用帶動機構(gòu)工作,對其進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計、受力分析和運動分析,并通過Box-Behnken試驗設(shè)計建立了以拾膜率為響應(yīng)值的回歸模型,確定拾膜輸送機構(gòu)各參數(shù)對拾膜率的影響大小,獲取參數(shù)最優(yōu)值。

1 拾膜機構(gòu)工作原理與結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 結(jié)構(gòu)與工作原理

拾膜輸送機構(gòu)是殘膜回收機具關(guān)鍵工作部件,主要由滾筒、滾筒端蓋、曲軸及伸縮桿齒組組成,如圖1所示。拾膜輸送機構(gòu)工作時由拖拉機牽引前行,工作深度由拖拉機三點懸掛裝置調(diào)節(jié)。工作時,伸縮桿齒刺破殘膜扎入土壤,桿齒與土壤相互作用,并在機具前進(jìn)運動帶動下使桿齒繞其末端轉(zhuǎn)動,桿齒組繞曲軸轉(zhuǎn)動并在滾筒接觸帶動滾筒轉(zhuǎn)動;桿齒出土?xí)r帶動殘膜與土壤分離,殘膜隨著滾筒的轉(zhuǎn)動輸送至脫膜裝置處進(jìn)行脫膜。

1.伸縮桿齒組 2.曲軸 3.滾筒端蓋 4.滾筒圖1 自走式拾膜輸送機構(gòu)Fig.1 Self-propelled film pickup and transport mechanism

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

拾膜輸送機構(gòu)在撿拾殘膜過程時,要求伸縮桿齒連續(xù)轉(zhuǎn)動且不漏撿,前一個桿齒末端出土?xí)r應(yīng)是下一個桿齒末端入土?xí)r。此時,桿齒轉(zhuǎn)過角度θ,需要的時間為t。拾膜輸送機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡圖如圖2所示。由圖2得

圖2 拾膜輸送機構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計簡圖Fig.2 Design sketch of film pickup and transport mechanism

R+l=L×cosθ+h1

R-l=L×cosθ-h2

vt=Ltanθ

h1=L(1-cosθ)

2θ=2π/z

式中R—滾筒半徑;

l—偏心距;

L—桿齒長度;

h1—桿齒入土深度;

h2—滾筒與地面距離;

z—桿齒個數(shù)。

綜上可以得出,只要機具的行走速度v、桿齒的入土深度h1、桿齒長度L及桿齒個數(shù)z確定,就可使機構(gòu)具有連續(xù)運動和持續(xù)撿膜的功能。

2 拾膜機構(gòu)運動分析與受力分析

2.1 運動分析

運動分析是為了尋找當(dāng)機具穩(wěn)定工作時伸縮桿齒的運動規(guī)律,以便確定拾膜輸送機構(gòu)的合理運動參數(shù)。拾膜輸送機構(gòu)運動分析如圖3所示。圖3中,拾膜輸送機構(gòu)從O1位置至O2位置為入土過程,O2位置至O3位置過程為出土過程。伸縮桿齒隨機具的行走

圖3 拾膜輸送機構(gòu)運動分析Fig.3 Motion analysis of film pickup and transport mechanism

速度v一起移動,同時又以ω繞曲軸做轉(zhuǎn)動。在工作過程中,伸縮桿齒與滾筒相對擺動角度經(jīng)分析為14°。

當(dāng)機構(gòu)從位置O1至位置O2時,也就是桿齒末端從開始入土點A1至入土最低點A2的過程。假設(shè)伸縮桿齒入土過程的時間為t1,可得桿齒末端軌跡方程為

對以上方程組求導(dǎo)可得到桿齒末端速度和加速度方程組為

當(dāng)機構(gòu)從位置O2至位置O3時,也就是桿齒末端從入土最低點A2至出土點A3的過程。假設(shè)伸縮桿齒出土過程的時間為t2,可得桿齒末端軌跡方程為

求導(dǎo)可得到桿齒末端速度和加速度方程組為

式中v—機具前進(jìn)速度;

φ—桿齒初始位置角;

L—桿齒長度;

ω—桿齒轉(zhuǎn)動角速度。

根據(jù)工作過程可知:桿齒末端處于最低位A2(即機構(gòu)位于O2位置)時,桿齒末端速度為0,此時v=Lω。

2.2 受力分析

機構(gòu)在工作過程中的受力分析如圖4所示。在桿齒入土?xí)r對桿齒進(jìn)行受力分析目的是使桿齒易于刺破殘膜并便于入土,桿齒在入土?xí)r刻桿齒受力為

圖4 拾膜輸送機構(gòu)受力分析Fig.4 Force analysis of film pickup and transport mechanism

在桿齒出土?xí)r對桿上殘膜進(jìn)行受力分析目的是防止殘膜從桿齒脫落,桿齒在出土?xí)r桿齒上殘膜所受力為

3 搭建試驗臺架與試驗分析

為了驗證理論分析的正確性和各參數(shù)因素水平對機構(gòu)拾膜率的影響,對拾膜輸送機構(gòu)進(jìn)行試驗研究。由于田間試驗研究復(fù)雜且周期較長,因此利用搭建試驗臺架模擬田間實際工作狀態(tài),探究各個參數(shù)因素對機構(gòu)拾膜率的影響大小。試驗在拾膜機構(gòu)試驗臺上進(jìn)行,試驗土壤濕度為10%～20%。選取厚度為0.01mm農(nóng)用新標(biāo)準(zhǔn)地膜,試驗過程中稱重選用精度為0.01g的電子秤。

3.1 試驗評價指標(biāo)

拾膜輸送機構(gòu)作業(yè)效果的主要評價指標(biāo)是拾膜率,計算公式為

式中τ—拾膜機構(gòu)的拾膜率;

m1—拾膜機構(gòu)撿拾的地膜質(zhì)量;

m2—拾膜機構(gòu)未撿拾的地膜質(zhì)量。

3.2 參數(shù)的選擇及試驗設(shè)計

通過對拾膜輸送機構(gòu)的的結(jié)構(gòu)設(shè)計及運動分析,擬選定機具前進(jìn)速度v、桿齒入土深度h1、桿齒出土角度β為試驗因素,探究試驗因素匹配變化對機構(gòu)拾膜率的影響,確定機構(gòu)工作時最優(yōu)參數(shù)組合。進(jìn)行臺架試驗時,保持所涉及的其他參數(shù)不變,如機構(gòu)的其他尺寸、土壤的參數(shù)等均保持不變。根據(jù)理論分析和實際工作,初步選定參數(shù)因素取值范圍為:機具前進(jìn)速度v為0.6～1.0m/s,桿齒入土深度h1為80～120mm,桿齒出土角度β為20°～35°。根據(jù)Box-Behnken設(shè)計的響應(yīng)曲面試驗設(shè)計三因素三水平回歸正交試驗,試驗方案包含17個試驗點,有12個分析因子及5個零點估計誤差。試驗確定的因素水平表如表1所示,試驗方案設(shè)計與試驗結(jié)果如表2所示。

表1 試驗因素與水平Table 1 Factors and levels of experiment

表2 試驗方案與試驗結(jié)果Table 2 Experimental scheme and results

3.3 試驗結(jié)果分析及優(yōu)化

3.3.1 回歸模型建立與方差分析

運用Design-Expert 8軟件對表2中的試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析并建立回歸模型,建立響應(yīng)指標(biāo)拾膜率對機具前進(jìn)速度、桿齒入土深度、桿齒出土角度這3個因素的二次多元回歸方程,即

Y=+90.35-0.91A+0.53B-0.71C+0.000AB-

0.11AC+0.088BC-5.67A2-3.69B2-4.33C2

其中,Y為拾膜率;A、B、C分別為機具前進(jìn)速度、桿齒出土角度、桿齒入土深度因素編碼值。

對回歸方程進(jìn)行方差分析,結(jié)果如表3所示。拾膜率回歸模型的P<0.000 1,表明回歸模型極其顯著;失擬項P=0.864 7>0.05,表明回歸方程的擬合度較高。因此,機具參數(shù)可使用該回歸模型進(jìn)行優(yōu)化。

表3 回歸模型方差分析Table 3 Variance analysis of regression model

因素P值的大小反應(yīng)該因素參數(shù)對回歸模型的影響大小。P<0.01表明因素參數(shù)對模型影響極其顯著,P<0.05表明因素參數(shù)對回歸模型影響顯著[13]。分析表3可得:因素A、A2、B2、C2對回歸模型的影響極其顯著,因素B、C對回歸模型的影響顯著,因素AB、AC、BC對回歸模型的影響不顯著。各因素參數(shù)對回歸模型影響大小從大到小依次為:機具前進(jìn)速度﹥桿齒入土深度﹥桿齒出土角度。

三因素之間交互作用對拾膜率影響的響應(yīng)曲面圖如圖5所示。分析圖5可知:各因素對拾膜率的影響均很明顯,且隨著各因素參數(shù)值的增加,拾膜率均呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢,因此存在各因素參數(shù)最優(yōu)值。

圖5 因素交互作用對拾膜率的影響Fig.5 Effect of factor interaction on the film pickup rate

3.3.2 參數(shù)優(yōu)化

運用Design-Expert中的Optimization-Numerical模塊對拾膜率進(jìn)行優(yōu)化求解,得到拾膜輸送機構(gòu)最優(yōu)工作參數(shù)為:機具前進(jìn)速度為0.97m/s,桿齒出土角度為28.03°,桿齒入土深度為98.41mm,拾膜率為90.44%。

4 結(jié)論

1) 運用理論分析對拾膜輸送機構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計、受力分析和運動分析,確定了對機具工作過程有影響的試驗因素及范圍。

2) 設(shè)計了三因素三水平試驗,利用Design -Expert數(shù)據(jù)分析軟件建立了機具工作參數(shù)(機具前進(jìn)速度、桿齒出土角度、桿齒入土深度)對拾膜率的回歸方程,確定了因素參數(shù)對拾膜率影響大小從大到小依次為:機具前進(jìn)速度、桿齒入土深度、桿齒出土角度。

3) 運用Design-Expert軟件對拾膜率進(jìn)行最優(yōu)求解,得到3個因素參數(shù)的最優(yōu)組合:當(dāng)機具前進(jìn)速度為0.97 m/s、桿齒出土角度為28.03°、桿齒入土深度為98.41mm時,拾膜率最優(yōu)。