孫 博，曹肆林,盧勇濤，席永剛，王 敏，營雨琨，鄭士琦

(1.石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子 832000；2.新疆農(nóng)墾科學(xué)院機(jī)械裝備研究所，新疆 石河子 832000；3.新疆科神農(nóng)業(yè)裝備技術(shù)開發(fā)股份有限公司，新疆 石河子 832000)

我國自1978年開始引進(jìn)地膜覆蓋栽培技術(shù)，經(jīng)過40多年的應(yīng)用與發(fā)展，該技術(shù)與節(jié)水灌溉技術(shù)相結(jié)合形成了先進(jìn)的膜下滴灌技術(shù)，為新疆旱地農(nóng)業(yè)的發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)[1-4]。但地膜在自然條件下極難降解，逐年累積形成“白色污染”，造成次生環(huán)境污染等一系列問題[5-7]。機(jī)械回收是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中治理殘膜污染的有效方法，現(xiàn)有殘膜撿拾機(jī)構(gòu)作業(yè)時(shí)，會將土和雜物不斷向機(jī)組前進(jìn)的方向聚集，造成撿拾齒前方擁堵，工作阻力會隨著機(jī)組前進(jìn)速度的提高而大幅度增加[8-10]，難以實(shí)現(xiàn)高速作業(yè)。因此，本研究利用撿拾齒與土壤間阻力和彈簧拉力，設(shè)計(jì)了一種“張持”式順向殘膜撿拾機(jī)構(gòu)，僅在拖拉機(jī)拖拽下完成殘膜撿拾，以期能夠進(jìn)行高速作業(yè)。分析撿拾齒所受載荷及撿拾齒運(yùn)動學(xué)確定機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵參數(shù)，制作樣機(jī)并進(jìn)行田間試驗(yàn)，并通過Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)建立了以拾膜率為響應(yīng)值的回歸模型，確定撿拾機(jī)構(gòu)各參數(shù)對拾膜率的影響大小，獲取參數(shù)最優(yōu)值，為殘膜回收技術(shù)提供一種新的思路。

1 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

1.1 功能要求

“張持”式順向殘膜撿拾機(jī)構(gòu)的主要作用有兩個(gè)方面：一是“張持”式撿拾殘膜，將殘膜與土壤分離；二是撿拾機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)方向與拖拉機(jī)驅(qū)動輪的旋轉(zhuǎn)方向一致。因此，“張持”式順向殘膜撿拾機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)必須滿足以下要求：一是撿拾齒能撐開地膜，利用“張持”力撿拾殘膜；二是在拖拉機(jī)拖拽和土壤阻力的作用下，行進(jìn)速度與動力機(jī)械保持一致且不出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)停滯情況；三是結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好。

1.2 總體結(jié)構(gòu)與工作原理

“張持”式順向殘膜撿拾機(jī)構(gòu)由牽引裝置、機(jī)架、輔助閉合裝置、搖臂裝置、撿拾裝置和起膜裝置組成。輔助閉合裝置由固定連接架、軌道、限位螺桿和軌道連接架組成；搖臂裝置由滾動軸承、搖臂桿、軸套組成；撿拾裝置由拉簧、滾筒和撿拾齒組成。撿拾裝置與搖臂裝置安裝位置如圖1所示。

拖拉機(jī)牽引機(jī)具向前行駛，起膜裝置對壓實(shí)的邊膜進(jìn)行松土，“張持”式撿拾裝置向前滾動。當(dāng)撿拾齒入土撿拾地膜，受土壤阻力作用，轉(zhuǎn)動齒轉(zhuǎn)動，撿拾齒閉合。與此同時(shí)，搖臂碰到輔助閉合裝置受力發(fā)生旋轉(zhuǎn)，調(diào)節(jié)螺栓受力，在搖臂桿上滑動，催動撿拾齒閉合，拉簧受拉力伸長。轉(zhuǎn)動齒轉(zhuǎn)動至與固定齒接觸的極限位置后不再轉(zhuǎn)動，撿拾齒扎破地膜、深入土壤，隨滾動繼續(xù)，撿拾齒出土，此時(shí)，搖臂不再受到輔助閉合裝置的軌道約束，受拉簧作用，撿拾齒迅速張開恢復(fù)為原來張開狀態(tài)，撐開地膜，完成地膜撿拾作業(yè)。原理示意圖如圖2所示，其中箭頭 A 是行走方向，箭頭B 是撿拾裝置轉(zhuǎn)動方向，箭頭 C 是轉(zhuǎn)動齒閉合方向，箭頭D 是轉(zhuǎn)動齒張開方向。

1.滾筒;2.滾動軸承;3.搖臂桿;4.軸套;5.撿拾齒;6.拉簧;7.調(diào)節(jié)螺栓1. Roller; 2. Rolling bearing; 3. Rocker arm; 4. Bushing;5. Pickup tooth; 6. Extension spring; 7. Adjusting bolt圖1 撿拾裝置與搖臂裝置安裝位置圖Fig.1 Pickup device and rocker arm installation position

1.牽引裝置;2.起膜裝置;3.機(jī)架;4.拉簧;5.軌道固定架;6.滾筒;7.撿拾齒;8.搖臂裝置;9.軌道連接架;10.限位螺桿;11.軌道1. Traction device; 2. Filming device; 3. Frame; 4. Tension spring;5. Track fixing frame; 6. Roller; 7. Pickup gear; 8. Rocker arm device;9. Track-connecting frame; 10. Limit screw; 11. Track圖2 工作原理示意圖Fig.2 Working principle diagram

2 機(jī)構(gòu)關(guān)鍵參數(shù)的確定

2.1 撿拾齒直徑

“張持”式順向撿拾機(jī)構(gòu)工作時(shí)，在動力機(jī)械的拖拽下?lián)焓把b置自行旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)動力由撿拾齒提供，撿拾齒在田間行走出現(xiàn)撿拾齒與地面相對滑動或受阻強(qiáng)度大而無法轉(zhuǎn)動，導(dǎo)致?lián)焓褒X斷裂等均對作業(yè)效果產(chǎn)生重要影響。因此，需要對撿拾裝置田間行走產(chǎn)生不滑動的滾動條件和撿拾齒所受載荷進(jìn)行分析計(jì)算，選擇合適的撿拾齒直徑。

如圖3所示，直徑R為0.3 m的滾筒上固接有長L為0.245 m的撿拾齒，最大入土深度t為0.08 m。當(dāng)機(jī)構(gòu)作業(yè)時(shí)撿拾齒需克服田間土壤、軸承摩擦力矩及帶動其他部件所需扭矩等的阻礙作用(阻力矩為Mt)，以撿拾齒扎入田間土壤M點(diǎn)瞬間狀態(tài)建立方程，獲得能使撿拾裝置產(chǎn)生不滑動的滾動條件[11]：

P≤Wmax

(1)

(2)

Wmax=Gf

(3)

式中,P為撿拾裝置所受的拉力(N)；Wmax為滾動時(shí)撿拾齒與田間土壤接觸力的最大水平分力(N)；G為撿拾裝置所承受的載荷，取2 540 N；f為撿拾齒入土后撿拾齒與田間土壤的摩擦因數(shù)，取0.8。

由圖3幾何關(guān)系可以看出：

(4)

由式(1)～(4)計(jì)算得出撿拾裝置在田間工作時(shí)產(chǎn)生不滑動的滾動條件為：P≤2 032 N，Mt<2 222.75 N·m。

即機(jī)構(gòu)田間作業(yè)時(shí)，滾筒受到的拉力應(yīng)當(dāng)小于或等于2 032 N，撿拾齒需克服田間土壤、軸承摩擦力矩及帶動其他部件的阻力扭矩應(yīng)小于2 222.75 N·m。

如圖3所示，將Wmax沿?fù)焓褒X軸向方向和其垂直方向分解為W1、W2，因撿拾齒材料為HT200，主要校核其危險(xiǎn)截面的拉應(yīng)力，即K點(diǎn)截面。查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》[12]有公式:

(5)

1.滾筒;2.撿拾齒;3.田間土壤1. Roller; 2. Pick up tooth; 3. Field soil圖3 撿拾齒受力示意圖Fig.3 Schematic diagram of the picking teeth stress analysis

式中，σmax為K點(diǎn)截面所受的最大拉應(yīng)力(MPa)；W1為垂直于撿拾齒軸向方向的拉力(N);L為撿拾齒長度(m)；WZ為K點(diǎn)截面模量(mm3)；[σ]為許用拉應(yīng)力(MPa)；σb為抗拉強(qiáng)度(MPa)；nb為安全系數(shù)；d為張持齒直徑(mm)。

取σb=200，nb=3，整理得d≥8.47 mm，結(jié)合田間情況和制造工藝經(jīng)驗(yàn)及撿拾齒形狀等因素綜合考慮，取d=15 mm。

2.2 撿拾齒排列方式

撿拾齒的排列方式對“張持”式順向撿拾機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)至關(guān)重要，合理的排列方式不僅可以提高殘膜的撿拾率和作業(yè)效率，而且可減小撿拾齒的載荷沖擊，增加撿拾齒的使用壽命和可靠性[13-15]。

注：t為時(shí)間，s；ω為滾筒旋轉(zhuǎn)角速度，rad·s-1；v為機(jī)具行進(jìn)速度，m·s-1；ψ為初始相位角，°；h為釘齒入土深度，mm；θ為周向相鄰釘齒夾角，°；R為釘齒末端至滾筒中心距離，mm。Note: t is the time, s; ω is the rotation angular velocity of the rollers, rad·s-1; v is the machine advancing velocity, m·s-1; ψ is the preliminary phase angle, °; h is the penetration depth of nail teeth, mm; θ is the angle of circumferential adjacent nail teeth, °; R is the distance from end of nail teeth to center of rollers, mm.圖4 撿拾齒末端運(yùn)動分析Fig.4 Motion analysis of the end of a picking tooth

連續(xù)性撿拾，任意撿拾齒出土?xí)r，與之相鄰的周向釘齒開始入土拾膜，故撿拾齒由C位置到達(dá)A位置所用時(shí)間與撿拾齒入土拾膜時(shí)間相同。撿拾齒繞滾筒軸心到達(dá)C點(diǎn)位置的速度v=Rω。為了避免漏撿,則撿拾齒由C點(diǎn)到達(dá)A點(diǎn)的水平位移xC與垂直位移yC應(yīng)滿足：

(6)

由圖4可知：

(7)

為了保證“張持”式順向殘膜撿拾機(jī)構(gòu)不漏撿，則撿拾齒末端所處C點(diǎn)水平位移xC與豎直位移yC應(yīng)為：

(8)

將式(7)和式(8)代入式(6)，求得：

(9)

求得：

(10)

整理得：

(11)

由以上分析可知，只有當(dāng)撿拾齒末端至滾筒中心距離、撿拾齒入土深度、同一圓周上釘齒總數(shù)、滾筒旋轉(zhuǎn)角速度滿足以上關(guān)系時(shí)，才能實(shí)現(xiàn)連續(xù)撿膜。

根據(jù)秋后殘膜回收機(jī)具作業(yè)要求，機(jī)具行進(jìn)速度為2.4～4.8 km·h-1，而“張持”式順向殘膜回收作業(yè)的要求為3.5～7.5 km·h-1，撿拾齒末端距離滾筒回收機(jī)中心旋轉(zhuǎn)半徑為525 mm，撿拾齒入土深度為80 mm，通過對撿拾齒運(yùn)動軌跡分析，滿足式(10)、式(11)的要求，滾筒旋轉(zhuǎn)角速度為1.85～3.97 rad·s-1，得到撿拾齒滾筒周向齒數(shù)為14個(gè)，取撿拾齒軸向距離140 mm。

2.3 軌道形狀的設(shè)計(jì)

軌道的主要作用為幫助撿拾齒在入土前完成閉合，防止因彈簧拉力過大或土壤堅(jiān)實(shí)度不夠，撿拾齒在入土?xí)r沒有閉合。如圖5所示，撿拾裝置逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)前行，搖臂裝置遇到軌道的阻礙，以O(shè)2為旋轉(zhuǎn)中心順時(shí)針旋轉(zhuǎn)β角度，搖臂桿旋轉(zhuǎn)帶動撿拾齒中的轉(zhuǎn)動齒以O(shè)1點(diǎn)為旋轉(zhuǎn)中心旋轉(zhuǎn)α角度，撿拾齒完成閉合。半徑為R1的圓弧為撿拾齒未閉合狀態(tài)下?lián)u臂裝置上滾動軸承運(yùn)動的軌跡，半徑為R2的圓弧為撿拾齒閉合狀態(tài)下滾動軸承運(yùn)動的軌跡，R1大于R2，則軌道的形狀應(yīng)在兩個(gè)圓弧之間，并從半徑為R1的圓弧過渡到R2的圓弧上，如曲線AB所示，選擇軌道形狀為ABC，其中曲線AB的長度為123 mm，BC的弧長為636 mm，弧長半徑為422.5 mm。

1.滾筒;2.搖臂裝置;3.撿拾齒;4.田間土壤1. Roller; 2. Rocker device; 3. Pick-up tooth; 4. Field soil注：ω為滾筒旋轉(zhuǎn)角速度(rad·s-1)；v為機(jī)具行進(jìn)速度(m·s-1)；R1為撿拾齒未閉合狀態(tài)下?lián)u臂裝置上滾動軸承運(yùn)動的軌跡半徑(m)；R2為撿拾齒閉合狀態(tài)下滾動軸承運(yùn)動的軌跡半徑(m)。Note: ω is the rotary angular speed of the drum (rad·s-1); v is the traveling speed of the implement (m·s-1); R1 is the trajectory radius of the rolling bearing movement on the rocker arm device in the unclosed state (m); R2 is the radius of the trajectory of the rolling bearing motion in the closed state of the pickup tooth (m). 圖5 軌道形狀設(shè)計(jì)簡圖Fig.5 Schematic design of the track shape

3 田間試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.1.1 試驗(yàn)條件 試驗(yàn)地點(diǎn)在新疆石河子市145團(tuán)三分場三連的棉花種植區(qū)，選取面積為50 m×50 m作為試驗(yàn)田進(jìn)行試驗(yàn)，棉花采用寬行密植種植模式(660 mm+100 mm)，土地平整，滴灌帶已被回收，棉秸稈已被側(cè)拋式4J-230型秸稈粉碎還田機(jī)粉碎，留茬高度為70～100 mm，殘膜有少量破損，膜面有殘膜含雜(土、莖、葉)，土壤含水率為16.65%，測得土壤堅(jiān)實(shí)度為412.3 kPa，地膜幅寬2.05 m，地膜厚度為0.01 mm，邊膜處覆土厚度為30～40 mm?！皬埑帧笔巾樝驓埬せ厥諜C(jī)通過三點(diǎn)懸掛安裝在拖拉機(jī)上，動力由雷沃-歐豹754A拖拉機(jī)提供牽引力。試驗(yàn)主要儀器有JJ1000Y型電子天平(200 g/0.01 g)、LJD15米尺(0～100 m)、秒表、小鏟、封裝實(shí)驗(yàn)袋等，圖6為試驗(yàn)樣機(jī)。

3.1.2 試驗(yàn)因素與試驗(yàn)指標(biāo) 根據(jù)“張持”式順向殘膜撿拾機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)與作業(yè)參數(shù)，選取影響撿拾效果的3個(gè)關(guān)鍵參數(shù)作為本次試驗(yàn)的主要影響因素。通過前期的設(shè)計(jì)分析，根據(jù)實(shí)際作業(yè)特點(diǎn)，可以確定影響拾膜率的主要因素為：機(jī)具前進(jìn)速度v、撿拾齒入土深度d和撿拾齒張持距離s。

試驗(yàn)參考《GB/T 25412-2010殘地膜回收機(jī)》規(guī)定進(jìn)行設(shè)計(jì)[16]，根據(jù)田間實(shí)際情況對“張持”式順向殘膜回收機(jī)確定試驗(yàn)指標(biāo)，選取拾膜率作為主要參數(shù)進(jìn)行現(xiàn)場測試。田間隨機(jī)選取17個(gè)試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行試驗(yàn)，每個(gè)試驗(yàn)區(qū)長度為50 m,寬度為0.9 m,從每個(gè)試驗(yàn)區(qū)隨機(jī)選取5個(gè)點(diǎn)作為檢測點(diǎn)，每個(gè)檢測點(diǎn)長度為5 m,將5個(gè)測試點(diǎn)的平均值作為該行程的測試結(jié)果。在試驗(yàn)田中隨機(jī)取一樣方，樣方殘膜較為完整，其面積大小與測試點(diǎn)相等，將其地表殘膜人工回收并洗凈，采用JJ1000Y型電子天平(200 g/0.01 g)稱其質(zhì)量M1=64.40 g,通過小鏟、實(shí)驗(yàn)袋等工具取樣，各試驗(yàn)區(qū)每個(gè)檢測點(diǎn)漏收的殘膜質(zhì)量記為M2。計(jì)算公式為：

(12)

式中,η為拾膜率(%)；M1為試驗(yàn)地塊檢測點(diǎn)所鋪地膜總質(zhì)量(g)；M2為各檢測點(diǎn)遺留的殘膜質(zhì)量(g)。

3.1.3 試驗(yàn)方案 在測量過程中存在很多影響拾膜率的非線性因素，通常需要選用二次或更高次的模型來逼近響應(yīng)，模型可采用響應(yīng)曲面法來建立[15-22]。假設(shè)拾膜率η與機(jī)具前進(jìn)速度v、撿拾齒入土深度d和撿拾齒張持距離s存在函數(shù)關(guān)系式η=f(v，d，s)，應(yīng)用BOX設(shè)計(jì)[16-22]安排試驗(yàn)設(shè)計(jì)。機(jī)具前進(jìn)速度v、撿拾齒入土深度d和撿拾齒張持距離s和拾膜率η分別用x1、x2、x3、Y表示，對各因素進(jìn)行水平編碼如表1所示，按照表2方案進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)。

3.2 拾膜率模型的建立與檢驗(yàn)

應(yīng)用Design-Expert 8.0.6軟件包對表2中數(shù)據(jù)分別擬合并進(jìn)行方差分析，結(jié)果如表3所示。

根據(jù)拾膜率η統(tǒng)計(jì)分析可知，在P≤0.05水平上，x1、x2、x3、x12、x22、x32的系數(shù)顯著，其余不顯著。模型的P值和決定系數(shù)R2分別為0.0005和0.9578，而失擬項(xiàng)的P值為0.9518，說明回歸模型極其顯著且具有很高的擬合精度，失擬不顯著，回歸有效，可以用此模型對拾膜率進(jìn)行分析和預(yù)測。

表1 試驗(yàn)因素水平編碼

表2 試驗(yàn)結(jié)果

刪除不顯著項(xiàng)后拾膜率的回歸方程為：

Y=85.79-2.36x1+1.9x2-1.78x3-0.64x12

-4.08x22-4.49x32

(13)

3.3 影響因素分析及優(yōu)化

從表3數(shù)據(jù)各因素P值可以看出，機(jī)具前進(jìn)速度、撿拾齒入土深度和撿拾齒張持距離均對拾膜率影響顯著，且影響的主次順序?yàn)榍斑M(jìn)速度、入土深度、張持距離。由圖7可知，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。

原因分析：(1)前進(jìn)速度過大，機(jī)具所受牽引力大，導(dǎo)致?lián)焓褒X無法及時(shí)完成閉合，撿拾齒在土壤中滑行，影響撿拾效果；前進(jìn)速度小，脫膜葉輪轉(zhuǎn)速較低，造成殘膜對撿拾裝置的纏繞，影響拾膜率。(2)撿拾齒入土深度過小，導(dǎo)致?lián)焓褒X無法為撿拾機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)提供動力，機(jī)具無法正常運(yùn)行；撿拾齒入土深度過大，撿拾齒易發(fā)生斷裂，同樣影響機(jī)具的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。(3)撿拾齒張持距離過小，撿拾齒無法提供足夠的“張持”力，無法回收殘膜；撿拾齒張持距離過大，出土?xí)r易將地膜撕裂，同樣無法提供足夠的“張持”力，造成殘膜撿拾過程失敗。

為獲得較好的撿拾效果，運(yùn)用Design-Expert對拾膜率進(jìn)行優(yōu)化求解，得到撿拾機(jī)構(gòu)最優(yōu)工作參數(shù)為: 機(jī)具前進(jìn)速度為5.15 km·h-1，撿拾齒入土深度為8.49 cm，撿拾齒張持距離為7.61 cm，拾膜率為86.40%。

圖6 試驗(yàn)樣機(jī)Fig.6 Test prototype

表3 試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果

圖7 因素交互作用對拾膜率的影響Fig.7 Effect of factor interaction on the film pickup rate

4 結(jié) 論

1)“張持”式順向殘膜撿拾機(jī)構(gòu)包括牽引裝置、機(jī)架、輔助閉合軌道、搖臂裝置和撿拾裝置，提出一種“張持”式撿拾殘膜的方法，為探索先進(jìn)高效的撿拾技術(shù)提供了一種新的思路。

2)通過分析撿拾齒受力情況確定了撿拾齒直徑15 mm；通過撿拾齒運(yùn)動學(xué)分析確定了撿拾齒的排列方式，周向數(shù)量14和軸向距離140 mm；通過分析撿拾齒閉合過程確定了軌道形狀。

3)制作樣機(jī)并進(jìn)行田間試驗(yàn)，通過回歸擬合分析影響因素對拾膜率影響大小為：前進(jìn)速度、入土深度、張持距離。運(yùn)用Design-Expert軟件得到其最佳作業(yè)及結(jié)構(gòu)參數(shù)：機(jī)具前進(jìn)速度為5.15 km·h-1，撿拾齒入土深度為8.49 cm，撿拾齒張持距離為7.61 cm，拾膜率為86.40%。