梁曉兵

(河南機(jī)電職業(yè)學(xué)院，河南 鄭州 451191)

0 引言

隨著地膜技術(shù)在作物種植的廣泛運(yùn)用，產(chǎn)生了大量廢棄的地膜。廢棄地膜不僅污染環(huán)境，也降低了土壤的各項(xiàng)理化性能。人工撿拾勞動(dòng)強(qiáng)度大，現(xiàn)有機(jī)械殘膜回收作業(yè)撿拾率不高。

按照殘膜回收機(jī)械按工作原理可分為：彈齒式、摟膜機(jī)、輪齒式、齒鏈?zhǔn)?、伸縮桿齒式以及篩筒式殘膜回收機(jī)等[1-3]。因此本文根據(jù)2TM、4LM-2型立桿摟膜機(jī)的結(jié)構(gòu)及原理[4]，設(shè)計(jì)具有獨(dú)立仿形的摟膜機(jī)。

1 結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

摟膜機(jī)通過(guò)懸掛架與配套動(dòng)力連接，配套動(dòng)力液壓接頭與摟膜機(jī)液壓系統(tǒng)連接。其主要由懸掛架、平行四桿仿形機(jī)構(gòu)、機(jī)架、限深輪、起膜機(jī)構(gòu)以及護(hù)禾板等構(gòu)成，整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.脫膜裝置；2.機(jī)架；3.護(hù)禾板；4.彈齒；5.起膜機(jī)構(gòu)；6.平行四桿仿形；7.懸掛架；8.限深輪圖1 摟膜機(jī)整機(jī)模型

摟膜機(jī)的整機(jī)技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 整機(jī)技術(shù)參數(shù)

1.2 工作原理

整機(jī)工作前通過(guò)調(diào)整限深輪與起膜機(jī)構(gòu)，使彈齒與起膜盤(pán)的入土深度分別為3 cm、5 cm，可將壓于土壤中的膜邊翻出土壤，配套動(dòng)力牽引著整機(jī)沿鋪膜行以4～8 km/h速度進(jìn)行殘膜回收作業(yè)。摟膜機(jī)可通過(guò)平行四桿仿形進(jìn)行小幅度調(diào)節(jié)對(duì)行誤差，以使摟膜彈齒能更好地對(duì)準(zhǔn)地膜行進(jìn)行殘膜回收作業(yè)。工作過(guò)程中限深輪在地面滾動(dòng)進(jìn)行仿形，使彈齒始終與地面保持緊密接觸并伸入地表淺層的土壤耕層。護(hù)禾板可使作物秸稈與摟膜彈齒分隔開(kāi)，避免秸稈干擾殘膜回收作業(yè)，同時(shí)起膜盤(pán)會(huì)在整機(jī)前進(jìn)過(guò)程中滾動(dòng)，將土壤破碎并推出殘膜，當(dāng)彈齒前收集了大量殘膜，將摟膜機(jī)升起，大部分殘膜在重力作用下自然下落堆積在一起，少量掛在摟膜齒末端部位的殘膜通過(guò)液壓缸帶動(dòng)雙搖桿驅(qū)動(dòng)裝置，將掛在彈齒末端部分的殘膜撥下，實(shí)現(xiàn)對(duì)淺層土壤耕層殘膜的回收。

2 關(guān)鍵零部件的設(shè)計(jì)分析

2.1 彈齒受力分析

彈齒是摟膜機(jī)的主要工作部件，在作業(yè)過(guò)程中主要受到機(jī)具的牽引力Fq、懸掛架、護(hù)禾板及機(jī)架的壓力Fg、土壤對(duì)彈齒的阻力Ff及土壤對(duì)彈齒的支持力Fn。受力分析如圖2所示。

圖2 彈齒受力分析

(1)

式中：Ff—土壤對(duì)摟膜彈齒的阻力，N；Fq—拖拉機(jī)的牽引力，N；n—摟膜彈齒個(gè)數(shù)；k—土壤比阻，N/cm2；a—摟膜彈齒直徑，mm；b—摟膜彈齒入土深度，mm；λ—牽引力的利用系數(shù)。

整機(jī)彈齒數(shù)量為44個(gè)，已知土壤比阻k=6000 N/cm2，彈齒直徑為12 mm，彈齒入土深度30 mm；牽引力的利用系數(shù)λ取0.8。因此計(jì)算可得Fq=Ff=1502.8 N。

2.2 脫膜裝置受力分析

摟膜機(jī)脫膜裝置由脫膜架、平行四桿機(jī)構(gòu)及液壓缸3個(gè)部分組成，摟膜機(jī)脫膜裝置的作用是脫去摟膜彈齒上殘余的殘膜。

摟膜機(jī)脫膜裝置的工作原理是通過(guò)螺栓及脫膜架壓板將脫膜架固接在平行四桿豎桿下端的腳板上，并且通過(guò)帶座軸承及螺栓將脫膜架鉸接在機(jī)架上，使脫膜架可與平行四桿機(jī)構(gòu)聯(lián)動(dòng)，液壓缸驅(qū)動(dòng)平行四桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)脫膜架繞軸旋轉(zhuǎn)，進(jìn)行脫膜作業(yè)，脫膜結(jié)束后液壓缸會(huì)通過(guò)平行四桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)脫膜架復(fù)位，從而完成整個(gè)脫膜過(guò)程。

液壓系統(tǒng)在脫膜裝置中起到了至關(guān)重要的作用，液壓缸的設(shè)計(jì)選型直接影響到到脫膜的工作效果，所以選擇適當(dāng)?shù)囊簤焊仔吞?hào)、液壓工作油路非常關(guān)鍵。脫模裝置受力分析如圖3所示。

圖3 脫模裝置受力分析

FG·cosα·L1=2·L2·FN

(2)

式中：FG—液壓缸推力，N；α—液壓缸軸線與平行四桿豎桿垂直面夾角，°；L1—液壓缸銷(xiāo)接點(diǎn)到脫膜架軸承座的距離，mm；L2—脫膜架寬度，mm；FN—脫膜阻力，N。

根據(jù)已知參數(shù)代入上式中，可計(jì)算得液壓缸推力為4523.3 N，選擇液壓缸型號(hào)主要參數(shù)如表2所示：

表2 液壓缸主要參數(shù)

2.3 限深輪力學(xué)分析

限深輪主要結(jié)構(gòu)有深度調(diào)節(jié)螺桿、限深輪輪架、限深輪等組成。限深輪在拖拉機(jī)的牽引下，向前運(yùn)動(dòng)，受力分析如圖4所示。

圖4 限深輪受力分析

限深輪工作中在每一瞬時(shí)，都處于力平衡狀態(tài)，則

∑Fx=P-Rx=0

(3)

∑Fy=Q-Ry=0

(4)

∑Mm=P·rd-Q·d=0

(5)

注：νm—摟膜機(jī)運(yùn)動(dòng)方向；ω—限深輪轉(zhuǎn)動(dòng)方向；Q—限深輪承受垂直載荷；N—土壤對(duì)限深輪法向作用力的合力；T—土壤對(duì)限深輪切向摩擦力的合力；R—N和T的合力(土壤對(duì)限深輪的總作用力)分別沿x軸和y軸分解為Rx和Ry；A—力的作用點(diǎn)，與輪心的水平距離為d，垂直距離為rd；Z0—限深輪入土深度；Mm—限深輪軸套中的摩擦力矩；P—拖拉機(jī)的牽引力。

對(duì)限深輪沉陷進(jìn)行分析，如圖5所示。

圖5 限深輪沉陷

(6)

式中：n—沉陷指數(shù)；kc—土壤粘聚變形模量，N/cmn+1；kφ—土壤內(nèi)摩擦變形模量，N/cmn+2；b—輪緣寬，mm；D—限深輪直徑，mm。

限深輪滾動(dòng)阻力為

3 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)我國(guó)針對(duì)我國(guó)地膜危害嚴(yán)重、人工撿拾地膜效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大等問(wèn)題設(shè)計(jì)了一種能夠自動(dòng)仿形的摟膜機(jī)，本文對(duì)摟膜機(jī)關(guān)鍵零部件彈齒、脫模裝置以及限深輪的設(shè)計(jì)依據(jù)進(jìn)行詳細(xì)闡述，通過(guò)自動(dòng)仿形與限深輪結(jié)合能夠有效提高撿拾率。