釘齒滾扎式殘膜回收機撿拾機構的設計與試驗

　　摘要：設計了一種釘齒滾扎式殘膜回收機的拾膜機構,通過分析拾膜機構的運動軌跡得到了影響拾膜機構拾膜率的主要因素,并對機具的行進速度、拾膜釘齒的入土深度及拾膜機構與卸膜機構的傳動比3個因素進行了正交試驗。試驗表明:釘齒入土深度對拾膜率具有顯著的作用,機具行進速度對拾膜率具有極顯著的影響;機具的最優工作參數為:機具前進速度為3.6km/h,釘齒入土深度為50mm,拾膜機構與卸膜機構的傳動比為1∶3。

　　本文源自農機化研究,2021,43(07):73-78.《農機化研究雜志》自創刊以來，歷屆編委及編審人員以交流大農業概念下(包括農、林、牧、副、漁)的機械化、電氣化、自動化的學術、科研成果以及與之相關的綜合性述評為辦刊宗旨，嚴把質量關，使本刊的知名度與學術地位日漸提高。

　　地膜覆蓋技術具有保溫、保墑、滅除雜草、提高抗旱能力及防止病蟲害的作用,是我國廣泛應用的一種農業技術[1]。由于殘膜回收不徹底,土壤中的殘留地膜對農業生產造成力巨大影響[2,3,4]。土壤中滯留的殘膜一直是困擾廣大農民和科技工作者的難題,地膜殘留土壤中會造成白色污染,制約了下一年的農業生產。2015年以前,我國普遍使用的是厚度為0.005～0.008mm的聚乙烯地膜,化學性能穩定,但在土壤中需要200～400年才能完全降解[5,6],且由于地膜偏薄,增大了殘膜回收的難度。我國自20世紀80年代研究殘膜回收機以來,經過科研工作者的努力,研究出多種殘膜回收機具,包括釘齒式、彈齒式等幾十種[7,8,9,10]機具,但機具纏繞率較高、工作不可靠等問題依然存在,各類殘膜回收機的推廣效果仍不盡人意。為此,針對新疆白蘿卜平作種植模式設計了一種釘齒滾扎式殘膜回收機,對拾膜機構的性能和運動軌跡進行仿真分析,并進行正交試驗,根據試驗數據對機構進行優化,確定機具的最優參數組合[6]。

　　1、結構組成及工作原理

　　釘齒滾扎式殘膜回收機由限深輪、機架、摟膜齒、拾膜滾筒、卸膜刮板、卸膜擋板、集膜箱、卷膜機構、牽引架、邊膜鏟及切膜圓盤等組成,如圖1所示。整機由拖拉機采用三點懸掛牽引,切膜圓盤將地膜破碎,卷膜機構進行邊膜的回收,拾膜滾筒上的釘齒將地表膜扎起通過摟膜齒及卸膜擋板的作用由卸膜刮板將扎起的殘地膜卸到集膜箱中。位于機架后方的限深輪機架采用伸縮桿式設計,利用螺栓固定,可調節釘齒的入土深度。整機采用卷收邊膜與釘齒滾筒扎起地表膜分布作業的方式,形成同時回收的效果。

　　圖1整機結構示意圖

　　2、關鍵部件的設計與分析

　　2.1拾膜滾筒的設計

　　拾膜滾筒是釘齒滾扎式殘膜回收機的地表膜回收部分,是機具作業的主要結構,如圖2所示。拾膜釘齒鑲嵌在滾筒上,根據種植模式,確定作業寬度為800mm,滾筒半徑為300mm。

　　圖2拾膜滾筒與釘齒結構示意圖

　　釘齒扎進土壤內,將地膜挑起,釘齒直接與地面接觸,會受到土壤產生的阻力。同時,機具由拖拉機牽引工作時會帶動滾筒進行旋轉前進,釘齒與土壤會產生沖擊力,隨著速度的變化沖擊力也產生變化;當速度達到一定程度時,釘齒所受到的土壤阻力與沖擊力會使釘齒發生形變,從而影響撿拾效果。殘地膜經過風化侵蝕,力學性能下降,直釘齒會對地膜進行二次破壞,增加撿拾的難度[11]。因此,設計一種帶有弧度的釘齒,保證釘齒的撿拾效果與強度,以避免對地膜的損傷。釘齒總體長度L0取145mm,釘齒的桿長L1取115mm,螺紋長度L2取30mm。

　　拾膜釘齒在撿拾過程中所遇阻力較大,強度過低會影響撿拾效果,釘齒的受力情況與變形程度會對撿拾作用產生較大影響,對釘齒的屬性要求需要更加嚴格。釘齒的材料選用45鋼,熱處理為淬火,直徑采用16mm。

　　由圖3可知:釘齒在撿拾過程中受力平衡方程為

　　F=μN0+N1sinα+Mgμ(1)

　　式中μ—土壤與釘齒間的摩擦因數;取值為μ=0.21;

　　M—滾筒自身質量(kg);

　　g—重力加速度;取值為g=9.8m/s;

　　F—釘齒前進方向受到的驅動力(N)。

　　圖3釘齒受力示意圖

　　釘齒尖端弧度可以更加方便地將地膜挑起,釘齒弧度可影響挑膜時對地膜的受力。地膜在鋪設一季后,地膜的力學情況較差[12],作用力的增大會加大地膜的破壞,對地膜的撿拾會造成更大的困難。根據地膜拉伸測定實驗測得拉伸地膜所需力的極限范圍約35N,測算出釘齒尖端弧度的選擇。

　　釘齒尖端對地膜的作用力P與弧度滿足一定的關系,關系式為

　　P=N1cosα+μN0(2)

　　式中N0—釘齒向下的正壓力(N);

　　N1—釘齒尖端受到的壓力(N)。

　　釘齒尖端與桿部的角度α越大,作用力P也會相應地變大;當角度增大到一定程度時,作用力P會超過地膜所能承受的最大拉力,所以α的角度取值定為15°。

　　2.2拾膜滾筒的運動分析

　　拾膜滾筒在拖拉機的牽引下,通過與土壤的相互作用做周期性運動,釘齒的運動過程可以分為入土過程與出土過程[13]。釘齒在入土過程中直接扎入土中將地膜挑起,如釘齒入土速度過快會造成地膜瞬態沖擊力過大,釘齒應力過于集中,對地膜造成結構性損傷,無法將地膜撿拾,拾膜釘齒也會受到更大的沖擊,造成釘齒的損壞;入土速度過慢會造成入土時拉力不足,無法將地膜挑起。

　　釘齒尖端A在運動過程中,其軌跡由行走速度v與旋轉角θ所決定。由于θ會隨著滾筒的運動成周期性變化,導致入土和出土階段的軌跡方程也分為兩部分。圖4為釘齒入土的軌跡。以滾筒初始中心點為坐標原點,A點為初始位置,當運動到A2位置時,為圓周運動的第1個1/4周期,所經過的路線為AA2;釘齒尖端A點繞滾筒中心O轉動到A2的位置時,所經歷的旋轉角θ的范圍在0°～90°,在此過程中釘齒尖端除了有機具前進速度V提供的位置變化外,還有滾筒旋轉提供的位置變化;當運動軌跡由A2～A3變化時,為圓周運動的第2個1/4周期,所經過的路線為A2A3,旋轉角由銳角變為鈍角,變化范圍在90°～180°,釘齒的尖端變化過程橫坐標由增加滾筒提供的變化量變為減小變化量,縱坐標也相應變為負值。

　　整個入土過程的軌跡方程為

　　公式3

　　公式4

　　圖4釘齒入土軌跡

　　通過對入土軌跡的分析,可以得到釘齒在入土過程中瞬時速度與瞬時加速度。

　　入土過程中速度方程與加速度方程為

　　公式5

　　公式6

　　滾筒在工作過程是一個完整的周期性圓周運動,釘齒在不同時刻瞬時速度與瞬時加速度也會變化,根據作業的要求,需要所有時刻都要與機具工作速度相配合,需要確定釘齒尖端的合速度v合及合加速度a,則有

　　公式7

　　公式8

　　根據農田作業拖拉機速度的要求,最高速度不應超過5km/h,通過對釘齒的運動軌跡及速度分析,求出機具行進速度的范圍要求,以保證整體過程的平穩工作。

　　釘齒入土出加速度所提供的拉力D為

　　D=ma=mω2R(9)

　　釘齒入土過程中的角度變化在0～180°變化,根據三角函數變化范圍其系數在-1～1之間,由式(8)和式(9)可以得到

　　通過對機具運動軌跡的分析,在保證各部分承受能力滿足要求情況下,確定機具工作中的行進速度為2.4～4.8km/h之間,釘齒入土深度需要滿足20～80mm,釘齒的角速度范圍確定為1.61～3.98rad/s。

　　2.3弧形摟膜齒的設計與分析

　　拾膜滾筒在撿拾過程中會有部分地膜遺漏,造成地膜撿拾率低,為提高殘膜撿拾率,設計了一種弧形摟膜齒,如圖5所示。

　　圖5弧形摟膜齒結構圖

　　摟膜齒采用一字排開的排列方式,尾部通過螺栓固定在方鋼上,摟膜齒直徑為12mm,整體呈現一個弧形,圓弧半徑為300mm。整體的弧形可以降低受力的沖擊性,根部纏繞1圈能夠起到減緩連接部位受力,保證摟膜齒連接牢固。

　　考慮摟齒遇到硬物(如根茬)等情況造成的影響,在摟膜齒頂端加載大小為150N,與機具前進方向相反的力;在摟膜齒根部螺栓處添加固定約束。

　　通過ANSYSWorkbench分析摟膜齒的受力情況,摟膜齒的變形和應力如圖6所示。由圖6可以看出:弧形摟膜齒在運動過程中最大變形位置在摟膜齒頂端與地面接觸的位置,最大的變形為144.29mm;最大應力出現在根部纏繞處,最大應力為611.49MPa。

　　圖6弧形摟膜齒應力應變云圖

　　3、田間試驗

　　3.1試驗條件

　　為了驗證理論分析的結果,尋求機具的最佳工作參數,進行了田間試驗。試驗選擇在新疆石河子市科神農業裝備科技開發有限公司試驗田進行。試驗采用地膜鋪設期為3個月,幅寬800mm,地膜厚度0.010mm。試驗時間為2019年6月中旬,土壤平均緊實度為5960kPa,土壤含水率為18.2%～22.6%,采用約翰迪爾404牽引機具作業。圖7為試驗場地與田間試驗。

　　圖7田間試驗場地及試驗情況

　　3.2試驗因素與試驗水平的確定

　　根據機具的結構組成與工作原理,選取本次試驗的3個因素為機具的行進速度、拾膜釘齒的入土深度及拾膜機構與卸膜機構的傳動比,試驗因素水平如表1所示。

　　表1試驗因素水平

　　3.3試驗指標的確定

　　試驗主要測定殘膜回收機的工作參數情況,尋找機具的最優參數組合。每組試驗選擇長度為20m的測試區,將試驗進行后撿拾的殘膜洗凈后晾干稱重,進行試驗測算。反映工作性能的參數就是拾膜率η1與卸膜率η2,計算公式為

　　η1=m2+m3m1×100%(11)

　　η2=m3m2+m3×100%(12)

　　其中,m1為每一組試驗中鋪設地膜的總質量(g);m2為每一組實驗中拾膜釘齒扎起但未進入集膜箱的地膜質量(g);m3為每一組實驗中集膜箱的地膜質量(g)。

　　3.4試驗結果分析

　　試驗結果如表2所示。拾膜率的方差分析如表3所示。由表2和表3可以看出:在顯著水平0.05上機具行進速度對拾膜率有極顯著的影響,釘齒入土深度對拾膜率具有顯著的影響,拾膜機構與卸膜機構的傳動比無顯著影響。根據方差分析的結果可知:機具行進速度是影響拾膜率的主要因素,釘齒入土深度是次要因素,影響拾膜率影響主次順序A>B>C。

　　表2試驗方案與結果

　　卸膜率的方差分析如表4所示。由表4可以看出:在顯著水平0.05上,拾膜機構與卸膜機構的傳動比有極顯著的影響,機具行進速度與釘齒入土深度無顯著影響。影響卸膜率的主要因素是拾膜機構與卸膜機構的傳動比,傳動比較低時拾膜機構與卸膜機構接觸面積減少,影響卸膜率。綜上考慮,得到的試驗最優參數組合為A2B2C3。

　　表3拾膜率結果分析

　　表4卸膜率結果分析

　　4、結論

　　1)設計了一種釘齒滾扎式殘膜回收機,對其拾膜結構進行了運動學分析,得到了釘齒的結構及尺寸要求。為減少地膜漏撿、提高撿拾率,設計了一種弧形摟膜齒,用于有效撿拾漏膜。對弧形摟膜齒進行有限元分析,得到摟膜齒工作過程中的應力與應變。

　　2)以機具行進速度、釘齒入土深度與拾膜機構與卸膜機構的傳動比為影響因素進行田間試驗,通過正交試驗分析得到各因素影響拾膜率的大小為:機具的前進速度>釘齒的入土深度>拾膜機構與卸膜機構的的傳動比;影響卸膜率的主要因素是拾膜機構與卸膜機構的傳動比。根據正交試驗方差分析得到拾膜率與卸膜率的最優參數組合,在機具前進速度為3.6km/h、釘齒入土深度為50mm、拾膜機構與卸膜機構的傳動比為1∶3時,作業效果最好。

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