劉旋峰，周欣，劉杰，張麗，張海春，蔣永新

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,烏魯木齊市,830052;2.新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所,烏魯木齊市,830091)

0 引言

自地膜覆蓋技術(shù)引入中國以來,該技術(shù)以優(yōu)良的增溫保墑效果成為農(nóng)作物增產(chǎn)的重要保障。然而在帶來農(nóng)作物種植顯著經(jīng)濟(jì)效益增長的同時,由于服役期結(jié)束后地膜回收不充分,廢舊地膜在土壤中的殘留量逐年增多,導(dǎo)致土壤板結(jié)、水肥輸送能力下降、影響作物根系的發(fā)育和均勻分布,使作物出苗率低甚至不出苗,從而造成農(nóng)作物大量減產(chǎn)[1-5],給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和自然環(huán)境帶來嚴(yán)重威脅。據(jù)統(tǒng)計,當(dāng)土壤中地膜殘留達(dá)到60 kg/hm2時就會造成農(nóng)作物減產(chǎn),針對土壤含殘膜量超過60 kg/hm2時部分種類的農(nóng)作物減產(chǎn)幅度進(jìn)行調(diào)研,發(fā)現(xiàn)棉花的減產(chǎn)幅度為10%～22%,玉米的減產(chǎn)幅度為11%～23%,瓜蔬類作物減產(chǎn)幅度為15%～59%[6-9]。地膜殘留問題嚴(yán)重影響了農(nóng)業(yè)的提質(zhì)增效。目前對農(nóng)用地膜的機(jī)械化回收成為治理棉田“白色污染”問題的當(dāng)務(wù)之急,農(nóng)田殘膜回收設(shè)備成為幫助棉花種植可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵設(shè)備[10-13]。

為解決農(nóng)用地膜回收問題,市場上出現(xiàn)了多種不同結(jié)構(gòu)的殘膜回收設(shè)備。梁剛等[14]設(shè)計了1CMJF-110型殘膜殘茬分離回收機(jī),通過摟膜耙和滾筒拾膜器對殘膜進(jìn)行收集;趙巖等[15]設(shè)計了CMJY-1500型農(nóng)田殘膜撿拾打包聯(lián)合作業(yè)機(jī),利用撿拾機(jī)構(gòu)中安裝的彈齒進(jìn)行殘膜收集作業(yè);謝建華等[16]設(shè)計了一種導(dǎo)向鏈耙式地表殘膜回收機(jī),利用導(dǎo)向鏈耙式拾膜機(jī)構(gòu)對地表殘膜進(jìn)行收集。由新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所研制的棉秸稈還田及殘膜回收聯(lián)合作業(yè)機(jī),采用弧線往復(fù)式挑膜滾筒對農(nóng)用地膜進(jìn)行回收,其機(jī)械結(jié)構(gòu)可靠,表層殘膜拾凈率達(dá)到86%以上,是“耕前殘膜回收”中的典型機(jī)型[17]。殘膜回收作業(yè)的工況復(fù)雜、作業(yè)環(huán)境惡劣,在機(jī)具作業(yè)時主要工作部件的運動形式為在土壤中進(jìn)行“攪動”,其凸輪機(jī)構(gòu)是弧線往復(fù)式挑膜滾筒完成收膜動作和脫模動作的重要機(jī)構(gòu),也是磨損較大、故障率較高的部件。凸輪機(jī)構(gòu)出現(xiàn)故障,會導(dǎo)致整個弧線往復(fù)式挑膜滾筒內(nèi)部挑膜齒桿組變形,整個部件嚴(yán)重?fù)p壞,因此棉秸稈還田及殘膜回收聯(lián)合作業(yè)機(jī)的核心部件弧線往復(fù)式挑膜滾筒的可靠性還有待進(jìn)一步提高。

凸輪機(jī)構(gòu)損壞的主要原因是由于滾環(huán)、滾環(huán)軸以及凸輪盤之間沒有得到及時有效的潤滑,長期處于“干摩擦”狀態(tài),機(jī)具工作時滾筒內(nèi)部存有大量沙土、秸稈等雜質(zhì),造成滾環(huán)嚴(yán)重磨損,滾環(huán)軸與凸輪盤側(cè)壁之間由于滾環(huán)無法正常轉(zhuǎn)動,造成間隙,影響整個部件的正常運轉(zhuǎn),整個弧線往復(fù)式機(jī)構(gòu)不能順利旋轉(zhuǎn)而導(dǎo)致部件損壞。由于凸輪機(jī)構(gòu)潤滑困難,使用該機(jī)具的農(nóng)戶采用在使用中定期更換滾環(huán)的方式達(dá)到防止?jié)L筒的損壞的目的,不僅增加機(jī)具使用成本,而且影響機(jī)具作業(yè)效率。因此解決凸輪機(jī)構(gòu)的潤滑問題成為弧線往復(fù)式殘膜回收機(jī)優(yōu)化改進(jìn)的重要方面。

本文基于弧線往復(fù)式挑膜滾筒的工作原理,設(shè)計一種滾環(huán)潤滑機(jī)構(gòu),實現(xiàn)滾筒內(nèi)部凸輪盤和滾環(huán)潤滑。并且通過有限元對滾環(huán)潤滑機(jī)構(gòu)進(jìn)行靜力學(xué)分析,同時研究不同工作時長下,對裝配滾環(huán)潤滑機(jī)構(gòu)和未裝配滾環(huán)潤滑機(jī)構(gòu)進(jìn)行田間對比試驗。

1 弧線往復(fù)式挑膜滾筒結(jié)構(gòu)與工作原理

弧線往復(fù)式挑膜滾筒結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示,滾筒中挑膜齒組(包括9齒桿組和10齒桿組)、凸輪盤、滾環(huán)滾動機(jī)構(gòu)是完成撿拾動作的主要部件,機(jī)具運轉(zhuǎn)時,動力傳輸?shù)綕L筒骨架后,滾筒骨架繞其中心線轉(zhuǎn)動,凸輪中軸兩端固定,挑膜齒組經(jīng)由滾筒骨架帶動,滾環(huán)滾動機(jī)構(gòu)嵌入凸輪滑道中滾動,帶動挑膜齒組的伸縮,從而實現(xiàn)挑膜齒的往復(fù)式旋轉(zhuǎn)運動。挑膜齒在伸出的過程中挑起地表殘膜,在縮回的過程中將地表殘膜送至脫卸膜裝置。

圖1 弧線往復(fù)式挑膜滾筒結(jié)構(gòu)示意圖

2 弧形挑膜滾筒凸輪潤滑機(jī)構(gòu)的設(shè)計

2.1 弧形挑膜滾筒參數(shù)選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1.1 滾筒的直徑和轉(zhuǎn)速

作業(yè)時,整機(jī)行進(jìn)的距離即回收殘膜的長度、滾筒的外徑、滾筒轉(zhuǎn)速與整機(jī)行進(jìn)速度是關(guān)鍵的設(shè)計參數(shù)。前期試驗證明,如果滾筒外徑D偏小則滾筒轉(zhuǎn)速n1偏高以滿足與機(jī)組的工作速度的匹配關(guān)系,過高的滾筒轉(zhuǎn)速容易使大量土壤和雜質(zhì)被收起,造成回收殘膜含雜量大。當(dāng)滾筒的線速度V1和整機(jī)行進(jìn)速度V2之比λ取值范圍在1.1～1.2之間時,滾筒的拾凈率最高,即挑膜滾筒的線速度略大于整機(jī)行進(jìn)速度,計算方式如式(1)、式(2)所示。

λ=V1/V2

(1)

n1=λ·V2/π·D

(2)

根據(jù)式(1)、式(2),機(jī)具行進(jìn)速度取配套動力的中速3檔計算,工作速度約8 km/h,拖拉機(jī)動力輸出(PTO)720 r/min,計算得出滾筒轉(zhuǎn)速取值68～75 r/min,滾筒外徑D取值為680～745 mm。實際作業(yè)時,可以根據(jù)作物種植模式和地塊作業(yè)條件選擇工作速度及滾筒轉(zhuǎn)速,根據(jù)多次試驗的結(jié)果以及內(nèi)部機(jī)構(gòu)布置要求,確定滾筒外徑D為700 mm。

2.1.2 滾筒內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計

滾筒的運動軌跡區(qū)域示意圖如圖2所示,根據(jù)圖2滾筒的運動軌跡,外徑700 mm時,根據(jù)挑膜齒在θ1～θ4四個角度的齒尖軌跡,完成內(nèi)部凸輪機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計,其裝配位置關(guān)系示意圖如圖3所示。

圖2 滾筒的運動軌跡區(qū)域示意圖

圖3 滾環(huán)與凸輪盤裝配位置關(guān)系示意圖

2.2 潤滑機(jī)構(gòu)設(shè)計

基于弧線往復(fù)式挑膜滾筒的工作原理分析,不但要對固定的凸輪盤內(nèi)壁進(jìn)行潤滑,而且完成對滾環(huán)內(nèi)部的潤滑,因此需要優(yōu)化滾環(huán)滾動機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu),潤滑機(jī)構(gòu)要實現(xiàn)滾環(huán)軸與滾環(huán)間的潤滑,以及滾環(huán)與凸輪盤內(nèi)壁間的潤滑。

2.2.1 滾環(huán)滾動機(jī)構(gòu)總成

滾環(huán)滾動機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示,該結(jié)構(gòu)由擺臂、滾環(huán)軸、油嘴和滾環(huán)四個部件構(gòu)成,根據(jù)這四個部件的相對位置與運動關(guān)系,分別對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。

圖4 滾環(huán)滾動機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

2.2.2 擺臂

擺臂增加油孔和環(huán)形加油槽,如圖5所示,潤滑脂通過油嘴從擺臂進(jìn)油口再進(jìn)入環(huán)形加油槽,潤滑脂通過環(huán)形加油槽的導(dǎo)動作用,壓入滾環(huán)軸進(jìn)油孔。

圖5 擺臂潤滑脂油道結(jié)構(gòu)示意圖

2.2.3 滾環(huán)軸

如圖6所示,A口與擺臂環(huán)形加油槽配合,潤滑脂按照箭頭方向從B口溢出,流向滾環(huán)。對C口處加工油道所形成的輔助孔進(jìn)行封口處理,以防止?jié)櫥瑥腃口溢出。

圖6 滾環(huán)軸潤滑脂油道結(jié)構(gòu)示意圖

機(jī)具作業(yè)時,滾環(huán)軸受到扭矩作用,故按照扭矩強(qiáng)度條件計算滾環(huán)軸直徑[18],計算方式如式(3)所示。

(3)

式中:d——軸的直徑,mm;

τT——扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力,MPa;

P——傳遞的功率,kW;

n——軸的轉(zhuǎn)速,r/min;

β——空心軸內(nèi)徑與外徑之比。

滾環(huán)軸材質(zhì)選擇45鋼,由于該零件在工作中只受扭矩作用且在和平穩(wěn)無軸向載荷,故選取零件的許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力[τT]為25 MPa,由該零件的設(shè)計尺寸得到其β為0.3,軸的轉(zhuǎn)速n取滾環(huán)與滾環(huán)軸的相對轉(zhuǎn)速45 r/min[19],拖拉機(jī)輸出功率為30.9 kW,根據(jù)機(jī)具的傳動效率計算得到每根滾環(huán)軸傳遞的功率P為1.28 kW,將上述數(shù)值代入式(1)得到軸的直徑d≥37.98 mm。

2.2.4 滾環(huán)

如圖7所示,滾環(huán)內(nèi)壁設(shè)計有兩種油槽,一種是環(huán)形油槽,與滾環(huán)軸油道B口相連,另外一種是螺旋油槽,主要起到潤滑脂的流動和儲存作用。潤滑脂儲滿中間環(huán)形油槽后,可沿螺旋油槽流動至滾環(huán)兩端環(huán)形油槽。油槽的儲油功能延長了潤滑脂的作用時間,同時溢出的油脂通過滾環(huán)的旋轉(zhuǎn)可到達(dá)滾環(huán)外側(cè),從而潤滑滾環(huán)外壁和凸輪盤內(nèi)壁。

圖7 滾環(huán)潤滑脂油道結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 滾環(huán)潤滑機(jī)構(gòu)靜力學(xué)分析

在ANSYS Workbench中對滾環(huán)滾動機(jī)構(gòu)中各零件添加材料屬性,從Engineering Data Source材料庫中選擇結(jié)構(gòu)鋼材料作為本次分析零件的材料,材料密度為7 850 kg/m3,彈性模量為2.09×105MPa,泊松比為0.3。在Connections中設(shè)置滾環(huán)滾動機(jī)構(gòu)中各零件的接觸類型,滾環(huán)和滾環(huán)軸接觸類型為無摩擦接觸,其余零件為綁定約束。在Mesh中六面體主導(dǎo)的方法對該機(jī)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格劃分,單元格大小設(shè)置為5 mm。根據(jù)機(jī)構(gòu)工作時的狀態(tài),對滾環(huán)軸和擺臂圓面添加固定支撐,對擺臂半圓面施加大小為500 N的推力,分析結(jié)果如圖8所示。

從圖8可以看出,該機(jī)構(gòu)在工作過程中的最大總變形為2.137 7×10-3mm,最大等效應(yīng)力為22.469 MPa,最大等效應(yīng)變?yōu)?.123 5×10-4,均未超出其材料的許用值。

3 田間對比試驗

3.1 試驗條件

試驗于2021年10月在新疆尉犁縣進(jìn)行,將滾筒的六組挑膜齒組進(jìn)行改裝,一側(cè)滾環(huán)滾動機(jī)構(gòu)采用未潤滑的普通結(jié)構(gòu),另一側(cè)則采用具有潤滑結(jié)構(gòu)的新式機(jī)構(gòu)。配套動力采用東方紅LX954型拖拉機(jī),標(biāo)定功率70 kW,獨立動力輸出軸轉(zhuǎn)速為720 r/min。

3.2 試驗方法

試驗開始前分別測量6個滾環(huán)近軸端和近盤端的內(nèi)徑尺寸和外徑尺寸,采用分段時長作業(yè)的方法進(jìn)行兩種滾環(huán)結(jié)構(gòu)的對比試驗[20]。

第一時段,累計作業(yè)時長1 h,對所有滾環(huán)進(jìn)行標(biāo)記,分別標(biāo)記與滾環(huán)軸臺接近一端(簡稱“近軸端”)和與凸輪盤內(nèi)表面接近一端(簡稱“近盤端”),經(jīng)過多次測量,求得該時段內(nèi)6個滾環(huán)近軸端和近盤端的內(nèi)徑尺寸和外徑尺寸的平均值。

第二時段,累計作業(yè)時長4 h,第三時段累計作業(yè)時長8 h,同樣經(jīng)過多次測量,求得滾環(huán)內(nèi)徑和外徑尺寸的平均值。對這三個時段的內(nèi)、外徑尺寸進(jìn)行數(shù)據(jù)對比分析,得出相應(yīng)結(jié)論。

3.3 結(jié)果與分析

通過田間試驗分別得出3個時段滾環(huán)內(nèi)徑和外徑的平均值數(shù)據(jù),結(jié)果詳如表1和表2所示。

表1 9齒挑膜齒組滾環(huán)直徑測量結(jié)果

表2 10齒挑膜齒組滾環(huán)直徑測量結(jié)果

根據(jù)表1和表2的結(jié)果可得如下結(jié)論。

1) 未使用潤滑機(jī)構(gòu)的滾環(huán)工作時長8 h時,滾環(huán)內(nèi)徑的最大磨損量為1.64 mm,最小磨損量為1.18 mm,滾環(huán)外徑最大磨損量為1.36 mm,最小磨損量為1.12 mm;使用潤滑機(jī)構(gòu)的滾環(huán)工作時長8 h時,滾環(huán)內(nèi)徑的最大磨損量為0.71 mm,最小磨損量為0.23 mm,滾環(huán)外徑最大磨損量為0.4 mm,最小磨損量為0.25 mm,使用滾環(huán)潤滑機(jī)構(gòu)可以有效減少磨損量。

2) 近軸端磨損與近盤端磨損情況相比較,未經(jīng)潤滑的滾環(huán),其近軸端磨損明顯大于近盤端,而經(jīng)過潤滑后的滾環(huán),磨損明顯減輕,變化曲線較平緩,近軸端磨損與近盤端磨損相比較,差別不明顯。說明可適當(dāng)調(diào)整近軸端滾環(huán)的熱處理工藝,增加其耐磨性。

3) 滾環(huán)自身相比較,滾環(huán)外徑磨損量小于內(nèi)徑。由于滾環(huán)內(nèi)圓與滾環(huán)軸全程處于接觸狀態(tài),而滾環(huán)外圓由于加工精度、載荷方向的變化使得外圓與凸輪盤內(nèi)壁只是間歇性接觸狀態(tài),因此使得內(nèi)圓磨損相對嚴(yán)重。

4) 9齒與10齒挑膜齒組滾環(huán)相比較,10齒挑膜齒組由于齒數(shù)較多,載荷相對較大,造成滾環(huán)磨損程度較大,但是差別不明顯。

4 結(jié)論

1) 當(dāng)工作速度8 km/h,拖拉機(jī)動力輸出(PTO)720 r/min時,計算得出滾筒轉(zhuǎn)速取值68～75 r/min,筒直徑D取值為680～745 mm,確定關(guān)鍵設(shè)計參數(shù),完成凸輪及其潤滑機(jī)構(gòu)的設(shè)計。通過對滾環(huán)潤滑機(jī)構(gòu)進(jìn)行靜力學(xué)分析得到,該機(jī)構(gòu)在工作過程中的最大總變形為2.137 7×10-3mm,最大等效應(yīng)力為22.469 MPa,最大等效應(yīng)變?yōu)?.123 5×10-5,均未超出其材料的許用值,田間試驗中未出現(xiàn)機(jī)構(gòu)損壞的情況,該機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計合理。

2) 弧線往復(fù)式挑膜滾筒潤滑機(jī)構(gòu)改善磨損狀況,延長使用壽命。通過實驗分析滾環(huán)、滾環(huán)軸、凸輪盤三個主要運動部件間的磨損狀態(tài),為機(jī)構(gòu)的優(yōu)化及熱處理工藝的改進(jìn)提供數(shù)據(jù)參考。滾筒的工作環(huán)境十分惡劣,工作過程中滾筒內(nèi)部含有大量的沙土,項目組完成了對15臺機(jī)具的滾環(huán)潤滑改造,并且進(jìn)行了為期46天的班次作業(yè)驗證,每臺機(jī)具每天平均作業(yè)時常9.6 h。試驗驗證,機(jī)具作業(yè)10～12 h,加注一次潤滑脂潤滑,可以避免潤滑脂與沙土混合導(dǎo)致滾環(huán)抱死的情況,滾環(huán)的一個更換周期內(nèi)一臺機(jī)具可增加作業(yè)面積80～87 hm2,滾筒的可靠性明顯提高。

3) 本文對弧線往復(fù)式挑膜滾筒潤滑機(jī)構(gòu)做出的改進(jìn),雖然一定程度上增加了加工難度和加工成本,但是在很大程度上解決了磨損問題,提高了滾筒的可靠性,延長了機(jī)具使用壽命?；跐L筒的結(jié)構(gòu)特點分析,運動部件較多結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜,要進(jìn)一步優(yōu)化結(jié)構(gòu),向機(jī)具的智能化方向發(fā)展,設(shè)計自動注油系統(tǒng),方便農(nóng)戶快速完成滾環(huán)的潤滑工序。