钉齿滚扎式残膜回收机捡拾机构的设计与试验

　　摘要：设计了一种钉齿滚扎式残膜回收机的拾膜机构,通过分析拾膜机构的运动轨迹得到了影响拾膜机构拾膜率的主要因素,并对机具的行进速度、拾膜钉齿的入土深度及拾膜机构与卸膜机构的传动比3个因素进行了正交试验。试验表明:钉齿入土深度对拾膜率具有显著的作用,机具行进速度对拾膜率具有极显著的影响;机具的最优工作参数为:机具前进速度为3.6km/h,钉齿入土深度为50mm,拾膜机构与卸膜机构的传动比为1∶3。

　　本文源自农机化研究,2021,43(07):73-78.《农机化研究杂志》自创刊以来，历届编委及编审人员以交流大农业概念下(包括农、林、牧、副、渔)的机械化、电气化、自动化的学术、科研成果以及与之相关的综合性述评为办刊宗旨，严把质量关，使本刊的知名度与学术地位日渐提高。

　　地膜覆盖技术具有保温、保墒、灭除杂草、提高抗旱能力及防止病虫害的作用,是我国广泛应用的一种农业技术[1]。由于残膜回收不彻底,土壤中的残留地膜对农业生产造成力巨大影响[2,3,4]。土壤中滞留的残膜一直是困扰广大农民和科技工作者的难题,地膜残留土壤中会造成白色污染,制约了下一年的农业生产。2015年以前,我国普遍使用的是厚度为0.005～0.008mm的聚乙烯地膜,化学性能稳定,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,增大了残膜回收的难度。我国自20世纪80年代研究残膜回收机以来,经过科研工作者的努力,研究出多种残膜回收机具,包括钉齿式、弹齿式等几十种[7,8,9,10]机具,但机具缠绕率较高、工作不可靠等问题依然存在,各类残膜回收机的推广效果仍不尽人意。为此,针对新疆白萝卜平作种植模式设计了一种钉齿滚扎式残膜回收机,对拾膜机构的性能和运动轨迹进行仿真分析,并进行正交试验,根据试验数据对机构进行优化,确定机具的最优参数组合[6]。

　　1、结构组成及工作原理

　　钉齿滚扎式残膜回收机由限深轮、机架、搂膜齿、拾膜滚筒、卸膜刮板、卸膜挡板、集膜箱、卷膜机构、牵引架、边膜铲及切膜圆盘等组成,如图1所示。整机由拖拉机采用三点悬挂牵引,切膜圆盘将地膜破碎,卷膜机构进行边膜的回收,拾膜滚筒上的钉齿将地表膜扎起通过搂膜齿及卸膜挡板的作用由卸膜刮板将扎起的残地膜卸到集膜箱中。位于机架后方的限深轮机架采用伸缩杆式设计,利用螺栓固定,可调节钉齿的入土深度。整机采用卷收边膜与钉齿滚筒扎起地表膜分布作业的方式,形成同时回收的效果。

　　图1整机结构示意图

　　2、关键部件的设计与分析

　　2.1拾膜滚筒的设计

　　拾膜滚筒是钉齿滚扎式残膜回收机的地表膜回收部分,是机具作业的主要结构,如图2所示。拾膜钉齿镶嵌在滚筒上,根据种植模式,确定作业宽度为800mm,滚筒半径为300mm。

　　图2拾膜滚筒与钉齿结构示意图

　　钉齿扎进土壤内,将地膜挑起,钉齿直接与地面接触,会受到土壤产生的阻力。同时,机具由拖拉机牵引工作时会带动滚筒进行旋转前进,钉齿与土壤会产生冲击力,随着速度的变化冲击力也产生变化;当速度达到一定程度时,钉齿所受到的土壤阻力与冲击力会使钉齿发生形变,从而影响捡拾效果。残地膜经过风化侵蚀,力学性能下降,直钉齿会对地膜进行二次破坏,增加捡拾的难度[11]。因此,设计一种带有弧度的钉齿,保证钉齿的捡拾效果与强度,以避免对地膜的损伤。钉齿总体长度L0取145mm,钉齿的杆长L1取115mm,螺纹长度L2取30mm。

　　拾膜钉齿在捡拾过程中所遇阻力较大,强度过低会影响捡拾效果,钉齿的受力情况与变形程度会对捡拾作用产生较大影响,对钉齿的属性要求需要更加严格。钉齿的材料选用45钢,热处理为淬火,直径采用16mm。

　　由图3可知:钉齿在捡拾过程中受力平衡方程为

　　F=μN0+N1sinα+Mgμ(1)

　　式中μ—土壤与钉齿间的摩擦因数;取值为μ=0.21;

　　M—滚筒自身质量(kg);

　　g—重力加速度;取值为g=9.8m/s;

　　F—钉齿前进方向受到的驱动力(N)。

　　图3钉齿受力示意图

　　钉齿尖端弧度可以更加方便地将地膜挑起,钉齿弧度可影响挑膜时对地膜的受力。地膜在铺设一季后,地膜的力学情况较差[12],作用力的增大会加大地膜的破坏,对地膜的捡拾会造成更大的困难。根据地膜拉伸测定实验测得拉伸地膜所需力的极限范围约35N,测算出钉齿尖端弧度的选择。

　　钉齿尖端对地膜的作用力P与弧度满足一定的关系,关系式为

　　P=N1cosα+μN0(2)

　　式中N0—钉齿向下的正压力(N);

　　N1—钉齿尖端受到的压力(N)。

　　钉齿尖端与杆部的角度α越大,作用力P也会相应地变大;当角度增大到一定程度时,作用力P会超过地膜所能承受的最大拉力,所以α的角度取值定为15°。

　　2.2拾膜滚筒的运动分析

　　拾膜滚筒在拖拉机的牵引下,通过与土壤的相互作用做周期性运动,钉齿的运动过程可以分为入土过程与出土过程[13]。钉齿在入土过程中直接扎入土中将地膜挑起,如钉齿入土速度过快会造成地膜瞬态冲击力过大,钉齿应力过于集中,对地膜造成结构性损伤,无法将地膜捡拾,拾膜钉齿也会受到更大的冲击,造成钉齿的损坏;入土速度过慢会造成入土时拉力不足,无法将地膜挑起。

　　钉齿尖端A在运动过程中,其轨迹由行走速度v与旋转角θ所决定。由于θ会随着滚筒的运动成周期性变化,导致入土和出土阶段的轨迹方程也分为两部分。图4为钉齿入土的轨迹。以滚筒初始中心点为坐标原点,A点为初始位置,当运动到A2位置时,为圆周运动的第1个1/4周期,所经过的路线为AA2;钉齿尖端A点绕滚筒中心O转动到A2的位置时,所经历的旋转角θ的范围在0°～90°,在此过程中钉齿尖端除了有机具前进速度V提供的位置变化外,还有滚筒旋转提供的位置变化;当运动轨迹由A2～A3变化时,为圆周运动的第2个1/4周期,所经过的路线为A2A3,旋转角由锐角变为钝角,变化范围在90°～180°,钉齿的尖端变化过程横坐标由增加滚筒提供的变化量变为减小变化量,纵坐标也相应变为负值。

　　整个入土过程的轨迹方程为

　　公式3

　　公式4

　　图4钉齿入土轨迹

　　通过对入土轨迹的分析,可以得到钉齿在入土过程中瞬时速度与瞬时加速度。

　　入土过程中速度方程与加速度方程为

　　公式5

　　公式6

　　滚筒在工作过程是一个完整的周期性圆周运动,钉齿在不同时刻瞬时速度与瞬时加速度也会变化,根据作业的要求,需要所有时刻都要与机具工作速度相配合,需要确定钉齿尖端的合速度v合及合加速度a,则有

　　公式7

　　公式8

　　根据农田作业拖拉机速度的要求,最高速度不应超过5km/h,通过对钉齿的运动轨迹及速度分析,求出机具行进速度的范围要求,以保证整体过程的平稳工作。

　　钉齿入土出加速度所提供的拉力D为

　　D=ma=mω2R(9)

　　钉齿入土过程中的角度变化在0～180°变化,根据三角函数变化范围其系数在-1～1之间,由式(8)和式(9)可以得到

　　通过对机具运动轨迹的分析,在保证各部分承受能力满足要求情况下,确定机具工作中的行进速度为2.4～4.8km/h之间,钉齿入土深度需要满足20～80mm,钉齿的角速度范围确定为1.61～3.98rad/s。

　　2.3弧形搂膜齿的设计与分析

　　拾膜滚筒在捡拾过程中会有部分地膜遗漏,造成地膜捡拾率低,为提高残膜捡拾率,设计了一种弧形搂膜齿,如图5所示。

　　图5弧形搂膜齿结构图

　　搂膜齿采用一字排开的排列方式,尾部通过螺栓固定在方钢上,搂膜齿直径为12mm,整体呈现一个弧形,圆弧半径为300mm。整体的弧形可以降低受力的冲击性,根部缠绕1圈能够起到减缓连接部位受力,保证搂膜齿连接牢固。

　　考虑搂齿遇到硬物(如根茬)等情况造成的影响,在搂膜齿顶端加载大小为150N,与机具前进方向相反的力;在搂膜齿根部螺栓处添加固定约束。

　　通过ANSYSWorkbench分析搂膜齿的受力情况,搂膜齿的变形和应力如图6所示。由图6可以看出:弧形搂膜齿在运动过程中最大变形位置在搂膜齿顶端与地面接触的位置,最大的变形为144.29mm;最大应力出现在根部缠绕处,最大应力为611.49MPa。

　　图6弧形搂膜齿应力应变云图

　　3、田间试验

　　3.1试验条件

　　为了验证理论分析的结果,寻求机具的最佳工作参数,进行了田间试验。试验选择在新疆石河子市科神农业装备科技开发有限公司试验田进行。试验采用地膜铺设期为3个月,幅宽800mm,地膜厚度0.010mm。试验时间为2019年6月中旬,土壤平均紧实度为5960kPa,土壤含水率为18.2%～22.6%,采用约翰迪尔404牵引机具作业。图7为试验场地与田间试验。

　　图7田间试验场地及试验情况

　　3.2试验因素与试验水平的确定

　　根据机具的结构组成与工作原理,选取本次试验的3个因素为机具的行进速度、拾膜钉齿的入土深度及拾膜机构与卸膜机构的传动比,试验因素水平如表1所示。

　　表1试验因素水平

　　3.3试验指标的确定

　　试验主要测定残膜回收机的工作参数情况,寻找机具的最优参数组合。每组试验选择长度为20m的测试区,将试验进行后捡拾的残膜洗净后晾干称重,进行试验测算。反映工作性能的参数就是拾膜率η1与卸膜率η2,计算公式为

　　η1=m2+m3m1×100%(11)

　　η2=m3m2+m3×100%(12)

　　其中,m1为每一组试验中铺设地膜的总质量(g);m2为每一组实验中拾膜钉齿扎起但未进入集膜箱的地膜质量(g);m3为每一组实验中集膜箱的地膜质量(g)。

　　3.4试验结果分析

　　试验结果如表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:在显著水平0.05上机具行进速度对拾膜率有极显著的影响,钉齿入土深度对拾膜率具有显著的影响,拾膜机构与卸膜机构的传动比无显著影响。根据方差分析的结果可知:机具行进速度是影响拾膜率的主要因素,钉齿入土深度是次要因素,影响拾膜率影响主次顺序A>B>C。

　　表2试验方案与结果

　　卸膜率的方差分析如表4所示。由表4可以看出:在显著水平0.05上,拾膜机构与卸膜机构的传动比有极显著的影响,机具行进速度与钉齿入土深度无显著影响。影响卸膜率的主要因素是拾膜机构与卸膜机构的传动比,传动比较低时拾膜机构与卸膜机构接触面积减少,影响卸膜率。综上考虑,得到的试验最优参数组合为A2B2C3。

　　表3拾膜率结果分析

　　表4卸膜率结果分析

　　4、结论

　　1)设计了一种钉齿滚扎式残膜回收机,对其拾膜结构进行了运动学分析,得到了钉齿的结构及尺寸要求。为减少地膜漏捡、提高捡拾率,设计了一种弧形搂膜齿,用于有效捡拾漏膜。对弧形搂膜齿进行有限元分析,得到搂膜齿工作过程中的应力与应变。

　　2)以机具行进速度、钉齿入土深度与拾膜机构与卸膜机构的传动比为影响因素进行田间试验,通过正交试验分析得到各因素影响拾膜率的大小为:机具的前进速度>钉齿的入土深度>拾膜机构与卸膜机构的的传动比;影响卸膜率的主要因素是拾膜机构与卸膜机构的传动比。根据正交试验方差分析得到拾膜率与卸膜率的最优参数组合,在机具前进速度为3.6km/h、钉齿入土深度为50mm、拾膜机构与卸膜机构的传动比为1∶3时,作业效果最好。

　　参考文献：

　　[1]张佳,张宇涛,董黎明,等.国内残膜回收机械研究现状及发展趋势[J].农业科技与装备,2014(4):29-30,33.

　　[2]毕继业,王秀芬,朱道林.地膜覆盖对农作物产量的影响[J].农业工程学报,2008,24(11):172-175.

　　[3]侯书林,胡三媛,孔建铭,等.国内残膜回收机研究的现状[J].农业工程学报,2002,18(3):186-190.

　　[4]王频.残膜污染治理的对策和措施[J].农业工程学报,1998,14(3):190-193.

　　[5]周新星,胡志超,严伟,等.国内残膜回收机脱膜装置的研究现状[J].农机化研究,2016,38(11):263-268.

　　[6]段文献,王吉奎,李阳,等.夹指链式残膜回收装置的设计及试验[J].农业工程学报,2016,32(19):35-42.

　　[7]谢建华,陈学庚,孙超伟.杆齿式残膜回收机卸膜过程分析及高速摄像试验[J].农业工程学报,2017,33(10):17-24.

　　[8]王吉奎,付威,王卫兵,等.SMS-1500型秸秆粉碎与残膜回收机的设计[J].农业工程学报,2011,27(7):168-172.

　　[9]张新超,毕新胜,王志欢,等.钉齿滚筒式残膜回收机关键部件的设计与研究[J].农机化研究,2017,39(10):72-76.

　　[10]陈发,史建新,王学农,等.弧型齿残膜捡拾滚筒捡膜的机理[J].农业机械学报,2006(6):36-41.

　　[11]张新超.钉齿滚筒残膜回收机的设计与研究[D].石河子:石河子大学,2017.

　　[12]谢建华,唐炜,张学军,等.摆杆驱动式残膜回收机的设计与参数优化[J].农业工程学报,2019,35(4):56-63.

　　[13]谢建华,张凤贤,陈学庚,等.弧形齿滚扎式残膜回收机的设计及参数优化[J].农业工程学报,2019,35(11):26-37.