玉米苗期收膜機結構設計與試驗

吳善華，周福君，張春雷

(東北農業大學 工程學院，哈爾濱　150030)

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玉米苗期收膜機結構設計與試驗

吳善華，周福君，張春雷

(東北農業大學 工程學院，哈爾濱150030)

摘要：為解決玉米苗期收膜機卸膜工序復雜、困難的問題，設計出一種新型既撿拾又卸膜的機構，建立了玉米苗期收膜機的三維模型，并應用ADAMS軟件進行虛擬樣機的仿真，得到該機構的相對和絕對運動軌跡。對苗期地膜進行地膜力學特性試驗，測出地膜的撕斷力FΔ和延伸率δ，并通過對撿膜齒出土過程的力學分析找出撿膜齒對殘膜水平作用力F與殘膜撿拾滾筒最大角速度ω之間的關系。同時，以玉米苗期殘膜撿拾機為研究對象，設計了玉米苗期殘膜撿拾卸膜機構，選取機具的前進速度、入土角度、入土深度為影響因素，以地膜收凈率和傷苗率為試驗指標進行土槽模擬試驗。結果表明：該機設計簡單、合理，收膜效率高，能夠滿足預期的設計要求。

關鍵詞：玉米；收膜機；撿拾卸膜機構

0引言

地膜覆蓋栽培技術以其增溫、保墑、抑制雜草生長、增加作物產量及延長生長期等顯著特點，已在我國許多地方迅速推廣。 覆蓋種植技術在帶來增產、增效的同時，也產生了地膜污染土地的嚴重問題，破壞了農田的生態環境[1]。因此，如何減輕和消除殘膜的污染問題已經成了社會日益關注的事情。目前，東北農業大學研制的MS-2型玉米苗期收膜機，存在著膜完全卷在卷膜筒上，卸膜時需用刀從中間將膜切斷來卸下膜，卸膜比較繁瑣、困難[2]等問題。筆者在前人研究的基礎上，根據我國北方氣候特點及農藝要求，為提高地膜的收凈率并解決卸膜繁瑣困難，設計了本玉米苗期殘膜撿拾機。該機的核心機構—玉米苗期殘膜撿拾卸膜機構通過凸輪滑道來控制撿膜齒的伸縮，能夠達到既撿拾又卸膜的目的。

1總體方案設計

1.1整機結構

玉米苗期殘膜撿拾機主要由機架、撿拾卸膜滾筒、卸膜輪、曲柄搖桿總成、集膜箱、支撐輪及鏈輪傳動系統等組成，總體結構如圖1所示。

1.機架　2.殘膜撿拾滾筒　3.卸膜輪

1.2 工作原理

玉米苗期殘膜撿拾機作業過程如下：此機具設置為隨動，由18kW的配套動力牽引，撿膜齒扎進土壤的阻力與撿拾卸膜滾筒與土壤的摩擦力共同作用，使得撿拾卸膜滾筒旋轉，從而進行地膜的撿拾卸膜。由于撿拾卸膜滾筒的高度有限，為安裝集膜箱并盡量使得集膜箱空間大，采取增加卸膜輪的方法使得高度增加；撿拾卸膜滾筒、卸膜輪、曲柄搖桿機構通過鏈輪傳動系統連接，當旋轉到集膜箱刮板的位置時，撿膜齒與刮板空隙交錯排列，很容易將殘膜掛掉，從而完成卸膜工序；當殘膜掉進集膜箱中時，曲柄搖桿總成不斷地往復運動，將掉進集膜箱里的殘膜推進壓實；隨著機具的前進，地膜被連續地撿拾并收集到集膜箱。

2關鍵部件的設計與力學分析

2.1撿拾卸膜機構的設計

撿拾卸膜機構主要由滾筒、支撐滾筒、撿膜齒、凸輪滑道、滑輪、心軸、滾子、凹槽、側板、鏤空側板、軌道輪及支撐圓盤等組成,如圖2所示。

圖2　殘膜撿拾卸膜滾筒

機構進行作業時，由滾筒提供動力，撿膜齒由滾筒孔和支撐滾筒孔共同作用，使得撿膜齒始終指向滾筒中心，由心軸將滑輪、滾子、撿膜齒串聯在一起，滾子在凹槽中的滾動，使得撿膜齒不受徑向限制，可達到變徑的目的。通過凸輪滑道來控制撿膜齒的伸縮，完成撿拾卸膜。

2.1.1凸輪滑道的設計

為實現殘膜撿拾滾筒工作的連續性，及時地進行脫膜是有必要的，因為殘膜纏繞在殘膜撿拾滾筒表面，會造成不斷的累積，不便于地膜的撿拾。因此，設計了一種殘膜撿拾卸膜機構，來實現一邊撿拾一邊卸膜。撿膜齒伸出部分相對滾筒的運動軌跡區域如圖3所示。

圖3中，撿膜齒從伸出最大至完全縮回殘膜撿拾滾筒，在此區域內通過凸輪滑道撿膜齒實現了從撿拾殘膜到完全脫掉的過程。其中，AB、BC、CD、DE、EA分別對應于撿膜齒的放齒、撿拾、升運、清雜及收齒[3]。為了滿足撿膜齒在撿拾過程中最大入土深度為0.08m，設計該凸輪滑道及加工凸輪滑道的如圖4所示[4]。

2.1.2撿膜齒的設計

撿膜齒的長度主要根據扎膜的入土深度決定，依據壟側的寬度大約為200mm，因此初步設定3列，如圖5所示。

圖3　撿膜齒撿拾區域示意圖

圖4　凸輪滑道

圖5　 撿膜齒

撿膜齒齒尖為漸開線型齒尖，根據漸開線的性質1，發生線沿基圓滾過的長度BK等于基圓上被滾過的弧長AB，即長度BK等于弧長AB，如圖6所示。又根據漸開線性質2，漸開線上任意一點的法線恒與基圓相切，因此可以確定：當撿膜齒位于A點時撿膜齒尖端的形狀應為此漸開線的一小部分。當殘膜撿拾滾筒滾到K點時，撿膜齒可以垂直扎入地膜，這樣設計漸開線齒尖利于扎膜，相對于成角度的扎進地膜，不易撕膜，保證了拾膜的連續性。

撿膜齒的最大入土深度0.08m，根據軌跡線的劃土長度Lm，為了保證拾膜過程的連續性，相鄰撿膜齒的絕對運動軌跡曲線應有一定的重疊量Δ，即撿膜齒的實際劃土長度Lmp=Lm-Δ。因此，滾筒圓周上應布置的撿膜齒數為n[5]，則

n=L0/Lmp=2πR/(Lm-L)

(1)

圖6　漸開線型齒尖

2.2撿拾卸膜機構的力學分析

2.2.1地膜力學特性試驗

地膜撕膜力試驗是在東北農業大學工程學院力學實驗室完成。設備為濟南東方試驗儀器有限公司的LDZ系列智能電子拉力機[6]，取地膜長100mm、寬30mm、厚0.008mm共4份進行地膜拉伸試驗，通過讀數直接測出地膜的撕斷力、延伸率、抗拉強度，如圖7所示。測試結果如表1所示。

圖7　地膜的拉伸試驗

最大撕斷力/N延伸率/%抗拉強度/kN·m18.199.60.527.9112.70.538.1102.70.5

續表1

2.2.2撿拾地膜過程的力學分析

當玉米苗期殘膜撿拾機作業時，撕膜口的大小也同樣是衡量機具性能的指標。因此，對撿膜齒在出土過程進行受力分析，如圖8所示。

圖8　撿膜齒出土過程的受力分析

由于撿膜齒是沿著凸輪滑道相對殘膜撿拾滾筒做周向轉動，其端點A并非做等速圓周運動，因此不僅要考慮其向心加速度，也要考慮撿膜齒端軌跡的切向加速度。

設撿膜齒對殘膜的作用的法向力為N，由圖8可得出以下關系，即

(2)

式中G—殘膜重力；

Gn—重力的法向分力；

Pb—被撿殘膜的慣性力；

θ1— 撿膜齒出土位置角；

ρ—被撿殘膜重心A的瞬時半徑。

通過分析可知

(3)

式中L— 撿膜齒長度；

h— 撿膜齒最大入土深度。

水平作用力為

Nx=N·cos(90°-θ1)

撿膜齒對殘膜水平作用力為F=Nx-N阻，則

(4)

為了不使殘膜撕斷，則必要條件是F≤FΔ。其中，FΔ為殘膜的最大撕膜力。因此，可以得出撿膜齒對殘膜水平作用力F與ω之間的關系，以及殘膜撿拾滾筒最大角速度ω。

3運動軌跡分析

應用ADAMS軟件，對撿拾缷膜機構進行虛擬仿真，得到撿膜齒在伸縮過程中的軌跡，如圖9所示。由圖9可以看出：仿真得到的軌跡與理論軌跡基本一致，能夠使該機構在作業過程中實現撿拾和卸膜。

圖9　撿膜齒的相對運動軌跡

撿拾卸膜機構在作業時撿膜齒的運動軌跡對拾膜效率起著關鍵性作用。撿膜齒的絕對運動軌跡如圖10所示。

圖10　撿膜齒的絕對運動軌跡

其中，A線、B線、水平線分別代表滾筒伸縮孔的軌跡線、撿膜齒端點的行走軌跡、中心軸的運動軌跡。入土行程S’與每排撿膜齒旋轉1周的進距S，結合圖10的運動軌跡可知：入土深度愈深，形成的脫膜環扣愈大，因此在卸膜過程中卸膜輪齒與撿拾缷膜滾筒有充分的接觸，從而完成脫膜卸膜。但由于各方面條件的限制，入土深度不宜過深，保持在50～80mm最為適宜。因此，S’/S的比例關系決定著脫膜環扣的大小，入土愈深，便于脫膜[7]。

4初步試驗

4.1試驗材料與試驗臺架

在東北農業大學農具實驗室進行土槽模擬試驗，試驗所用的地膜為國標0.008mm的地膜。土槽土壤含水率為14%～17%，土壤堅實度為12.8N/cm,所用儀器包括土壤水分速測儀、EMT260D轉速表、土壤堅實度測試儀。實驗臺裝置如圖11所示[8-9]。

1.臺車行進傳動系統　2.臺車　3.實驗臺支撐架　4.電控柜

4.2試驗驗證

在優化后的參數組合中隨機選取3組數據，并在實驗臺上進行試驗，得出結果如表2所示。其殘膜收凈率達85%以上，進一步驗證了此參數組合提高了收膜效率，及優化結果的正確性。

表2　試驗結果

5結論

1)設計了玉米苗期殘膜撿拾機，在試驗臺上對以殘膜收凈率為試驗指標進行試驗研究，殘膜收凈率可達85%以上，提高了收膜效率。

2)漸開線型撿膜齒克服了直齒型彈齒撿膜易撕膜的缺點,能夠保證撿膜的連續性。

3)對地膜進行力學特性試驗，測得撕膜力大小平均為8.075N；對撿拾地膜出土過程進行受力分析，得到F與ω之間的關系。

4)通過ADAMS軟件對殘膜撿拾卸膜機構進行虛擬仿真。通過對相對運動軌跡的仿真，可直觀地看出撿膜齒通過凸輪滑道控制伸縮，從而完成地膜的撿拾與卸膜；對絕對運動軌跡的分析得出撿膜齒尖端軌跡成環扣式，便于脫膜。

5)采用Design-Expert6.0.10軟件進行參數優化分析和試驗驗證，結果表明：當前進速度為0.75～0.80m/s、入土深度為45～55mm、入土角度為50°時，可以保證較高的收膜率及較小的傷苗率。驗證試驗結果在優化性能指標區間內，表明優化結果是可信的。

參考文獻：

[1]侯書林，劉英超，霍麗麗，等.一種直桿作物殘膜回收拾膜卸膜機構：中國，201210203758.6[P].2012-06-19.

[2]侯書林,張佳喜,趙煥平,等.一種除茬殘膜回收機:中國,201210560808.6[P].2013-04-03.

[3]趙海軍.殘膜撿拾滾筒的運動學和動力學研究[D].烏魯木齊:新疆農業大學,2005.

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[5]馮遠靜,盧博友,楊青.曲齒型彈齒滾筒式殘膜撿拾機構特性分析[J].西北農業大學學報,2000,28(6):163-167.

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[7]徐良慶.伸縮扒桿式殘地膜撿拾裝置[J].農業機械學報,1994,25(2):60-64.

[8]周福君，蘆杰，杜佳興.玉米缽苗移栽機圓盤式栽植機構參數優化及試驗[J].農業機械學報， 2014,30(1):18 -24.

[9]杜佳興.玉米紙筒缽苗移栽機關鍵部件設計及試驗[D].哈爾濱:東北農業大學,2013.

Structural Design and Experiment of Plastic Film Collector for Corn Fields During Seedling Period

Wu Shanhua, Zhou Fujun, Zhang Chunlei

(Department of Engineering, Northeast Agricultural University, Harbin 150030, China)

Abstract：To solve the problem of unloading membrane process during seedling period of corn, designed a new type of collecting and discharging of the membrane. Corn seedling membrane machine 3d model is set up, and the application of virtual prototype simulation of ADAMS software, getting the relative and absolute motion curve. On seedling mulch film mechanical properties test, to measure the tear strength F△ and elongation δ of film, and through the analysis of the mechanical process of picking up membrane teeth unearthed, find out the relative of the residual film collector maximum angular velocity of roller ω.Based on the corn seedling remnant film collecting machine as the research object, designing the corn seedling stage discharge residual film collector membrane, I do select the speed of machine ,angle of the grave, the depth of the grave as influencing factors, and have the soil bin simulation text with regarding film net rate and injuring rate as test index. The results prove that the machine has simple and reasonable design, the membrane with high efficiency, it can meet the expected design requirements.

Key words：corn; plastic film collector; pick up and unloading mechanism

文章編號：1003-188X(2016)04-0061-05

中圖分類號：S223.5

文獻標識碼：A

作者簡介：吳善華(1989-)，男，哈爾濱人，碩士研究生，(E-mail)wushanhua.happy@163.com。通訊作者：周福君(1969-)，男，哈爾濱人，教授，博士生導師，(E-mail)fjzhou@163.com。

基金項目：“十二五”國家科技支撐計劃項目(2014BAD06B04-1-04)

收稿日期：2015-03-30