基于釘刺式殘膜回收機中起膜鏟的設計分析

王海新，張學軍，2，張朝書，史增錄，鄢金山，靳　偉

(1.新疆農業大學 機械交通學院，烏魯木齊　830052；2.新疆農業工程裝備創新設計實驗室重點實驗室，烏魯木齊　830052；3.阿克蘇精準農機制造有限責任公司，新疆 阿克蘇 　843013)

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基于釘刺式殘膜回收機中起膜鏟的設計分析

王海新1，張學軍1，2，張朝書3，史增錄1，鄢金山1，靳偉1

(1.新疆農業大學 機械交通學院，烏魯木齊830052；2.新疆農業工程裝備創新設計實驗室重點實驗室，烏魯木齊830052；3.阿克蘇精準農機制造有限責任公司，新疆 阿克蘇 843013)

摘要：對釘刺式殘膜回收機的關鍵部件(起膜鏟)進行了詳細設計，對起膜鏟的3種鏟柄進行了受力分析，得知傾斜式鏟柄和彎曲式鏟柄比直腿式鏟柄受到的阻力要小；傾斜式鏟柄與彎曲鏟柄的受力大小主要和本身傾斜角度有直接關系。同時，對起膜鏟的鏟刀進行了受力分析，得出鏟刀的傾斜角度大導致起膜鏟所受到的阻力大的結論。

關鍵詞：殘膜回收機；起膜鏟；釘刺式

0引言

地膜覆蓋應用于農業生產中，具有顯著的抗病蟲害、提升溫度及提高農產品產量等作用；但如果不及時回收田間殘膜，將會影響農作物生長、農機具工作及造成環境污染，阻礙農業生產的可持續發展。據農業部門調查，我國地膜的使用量為80萬～90萬t/年，由于我國生產地膜厚度為0.006～0.008mm，抗拉強度小，導致秋收后地膜被風化形成小塊碎膜難以回收[1-3]。截至目前，我國研制的殘膜回收機技術還不夠成熟，仍存在機具功能較單一、故障率較高及田間撿拾殘膜連續性較差等問題[4]。為此，設計了一種起膜鏟，能夠與撿拾裝置更好地配合，增大扎膜的幾率，從而更好地提高撿膜率。

殘膜回收機在回收殘膜的過程中，起膜鏟的作用如下：一是將耕層中的殘膜挑起，與撿拾裝置更好地接觸，同時增加撿拾裝置挑膜幾率；二是板結的土壤在托膜鏟的作用下，把耕層中的殘膜與土壤盡可能地分離開；三是起膜鏟將會把根茬切斷，方便把殘膜回收。因此，起膜鏟在工作中主要受到土壤和根茬阻力兩方面的影響。

1整體結構與工作原理

1.1總體結構設計

根據深松鏟與挖掘部件的設計原理及起膜鏟的設計準則，確定起膜鏟的結構。起膜鏟一般由帶刃的鏟刀、鏟柄及支撐臂組成，如圖1所示。起膜鏟的鏟刀與地面傾斜，方便起膜鏟入土。

1.支撐臂　2.鏟柄　3.鏟刀

1.2工作原理

起膜鏟安裝在撿拾裝置后面的機架上，釘刺式殘膜回收機具工作時，起膜鏟入土，在鏟刀的作用下，將土壤及殘膜推擠、抬起，便于撿拾機構扎膜，同時增加了撿拾機構對殘膜撿拾幾率。

2影響起膜鏟性能因素分析

通過查閱文獻可知，影響起膜鏟性能的主要參數是托膜鏟的結構尺寸、土壤性能參數及相關配套動力參數等[5-6]，這些因素對起膜鏟性能的影響集中表現在托膜鏟所受阻力上。為了方便建立起膜鏟所受阻力數學模型，首先要對影響起膜鏟作業因素進行綜合分析。起膜鏟主要參數包括設計參數和工作參數：工作參數主要包括起膜鏟入土深度及機具前進的速度；設計參數主要包括起膜鏟本身入土角度及鏟柄的調節高度等。

3起膜鏟鏟刀的設計及受力分析

為了使起膜鏟在工作時不擁堵，起膜鏟將土壤抬起一定高度，以增大撿拾裝置扎膜幾率。起膜鏟受力分析如圖2所示。

圖2　起膜鏟鏟面受力分析示意圖

由圖2起膜鏟鏟起土壤及殘膜時所受力平衡方程可以確定鏟面入土角的理論值[9-10]為

(1)

式中F—起膜鏟所受到工作阻力(N)；

N—起膜鏟所鏟殘膜及土塊的垂直作用力(N)；

G—所鏟殘膜及土塊所受到的重力(N)；

T—起膜鏟對所鏟殘膜及土塊所受到的摩擦力(N)。

其中，T=μN，μ是起膜鏟與土塊之間的摩擦因數。

由式(1)可得

β=arctg(F-μG/μF+G)

(2)

如果β大于式(2)中的計算結果，起膜鏟鏟土就會擁堵，并導致阻力增大。實際上，β角由起膜鏟所需要提升的角度和土壤本身特性而定。

4起膜鏟鏟柄的設計及受力分析

常見的起膜鏟鏟柄有直腿式鏟柄、傾斜式鏟柄及彎曲鏟柄，下面分別對3種鏟柄進行受力分析。對直腿式鏟柄進行受力分析，其受力示意圖如圖3所示。經過分析可得：直腿式鏟柄在工作過程中由于本身特征，只受到水平方向的阻力[7-8]。

圖3　直腿式鏟柄受力圖

4.1直腿式鏟柄設計及受力分析

由圖3受力分析可知

f=G(V2-V1)/ △t

(3)

式中V1—土壤初始速度(m/s)；

V2—土壤最終速度(m/s)；

G—被擾動土壤的質量(kg)；

△t—土壤由初始速度Vt達到最終速度V2所經歷的時間。

土壤質點的質量G為

G=ρV

式中ρ—土壤體積密度(kg/m3)；

V—被擾動土壤的體積(m3)。

為了方便分析計算，起膜鏟剛開始運動時的初始速度V1=0，而起膜鏟隨機具前進的同時，也開始進入土層中，隨土壤一起運動。在工作過程中，V2為起膜鏟的工作速度，在整個工作的過程中，可認為起膜鏟是勻速前進的；在起膜過程中，被土壤擁堵的體積達到工作速度這一過程可以視為勻加速運動，則起膜鏟在整個運動過程中所行走的位移為

L=a(△t)2/2

(4)

式中a—起膜鏟的加速度；

△t—此過程中所經歷的時間。

由于此過程以勻加速過程進行設計分析，因此加速度為

a=(V2-V1)/t

(5)

在起膜鏟剛開始運動時，V1=0，則將上式帶入可得

L=V2△t/2

(6)

即被鏟起的土壤體積V=LS=V2△tS/2。

其中，S為入土鏟柄的橫截面面積。

由式(6)可得

G=ρV=ρV2△t S/2

(7)

因此，把式(7)表達式帶入上式，可以計算出直腿式起膜鏟的受力表達式為

f=ρV22S/2

(8)

其中，S=Dd。D為鏟柄的厚度(m)；d為鏟入土層深度(m)。

聯立上式，最終得出直腿式起膜鏟阻力

f=ρV22Dd/2

(9)

4.2傾斜式鏟柄受力分析

根據直腿式鏟柄分析，同理可以得出傾斜鏟柄所受到的阻力f計算表達式為

f=G(V2—V1)/ △t

(10)

傾斜式鏟柄受力如圖4所示。

圖4　傾斜式鏟柄受力簡圖

斜鏟柄所受到的阻力f，位移為L=V2△t/2,土壤推擠的體積V=V2△tS1/2，S1為鏟柄截面在垂直面上的分量，即S1=Ssinβ。

由上式可得：V=V2△tSsinβ，即M=ρV2△tSsinβ/2，得出f=M(V2-V1)/ △t=ρV2△tSsinβ(V2-V1)/2△t=ρ(V2)2Ssinβ/2。

同理，在計算公式中，鏟柄的橫截面面積是指傾斜鏟柄入土部分的橫截面積，即S=Dd。其中，D為柄深度(m)；d為鏟柄入土深度(m)。d=d1/sinβ，d1為鏟入總深度。

傾斜式鏟柄受到阻力公式為

f=ρV22Dd1sinβ/2

(11)

4.3彎曲鏟柄的設計

在分析彎曲鏟柄受力的同時，其撓動土壤的體積則與前兩種情況不同。彎曲鏟柄受到的阻力如圖5所示。

圖5　彎曲鏟柄受力圖

由圖5受力分析可得體積V為

V=LS-1/2LRsinβD2=L(S-RsinβD)

=1/2V2△t(S-RsinβD)

(12)

所以M=ρV=1/2ρV2△t(S-RsinβD)

式中ρ—代表土壤密度(kg/m3)；

V2—工作時的速度；

S—鏟柄橫截面面積；

D—鏟柄厚度；

R—弧形半徑；

β—地面以下部分的圓弧夾角的一半。

鏟柄橫截面面積S為S=LD。此處L為彎曲鏟柄的總長度，所以L=R2β。

從以上式子可以得出S=R2βD。

綜上，把上式帶入阻力表達式中，可以得出

f=1/2ρV22RD(2β-Sinβ)

(13)

5討論與結論

通過以上3種鏟柄受力計算分析，得出3種鏟柄所受到的阻力公式為

直腿式鏟柄的所受阻力為

f=ρV22Dd/2

(14)

傾斜式鏟柄所受到的阻力為

f=ρV22Ddsinβ/2

(15)

彎曲鏟柄所受到的阻力為

f=1/2ρV22RD(2β-sinβ)

(16)

1)通過對鏟柄的受力分析，可以比較3種鏟柄受力大小，從而得出哪種鏟柄受力情況最佳。

2)由鏟柄受力分析可知，彎曲鏟柄和傾斜式鏟柄的受到的阻力小于直腿式鏟柄。

3)對于彎曲鏟柄與傾斜式鏟柄哪個比較實用，就要看兩種鏟柄的傾斜角度。

參考文獻：

[1]李斌,王吉奎,胡凱,等.殘膜回收機順向脫膜機理分析與試驗[J].農業工程學報,2012,28(21) :23-28.

[2]馬少輝,張學軍.邊膜殘膜回收機的設計與試驗[J].農業工程學報,2012(1):73-75.

[3]張學軍,吳成武,馬少輝,等.殘膜回收機摟膜連桿機構模糊優化設計[J].農業機械學報,2007,38(9):55-58.

[4]史建新,陳發,趙海軍,等.殘膜回收機撿膜桿齒的載荷分析[J].農機化研究,2005(5)：155-160.

[5]謝建華.壟作殘膜撿拾及脫卸裝置的研究[D].北京：中國農業大學，2014.

[6]馬守峰.深耕鏟工作狀態受力分析與計算機模[D].鄭州：河南農業大學，2004.

[7]賈晶霞.馬鈴薯挖掘鏟參數優化與性能分析[D].保定:河北農業大學，2003.

[8]石林榕.馬鈴薯力學特性與挖掘鏟減阻機理研究[D].蘭州：甘肅農業大學，2013.

[9]王建波.小型馬鈴薯挖掘機的總體設計與關鍵部件性能研究[D].武漢：華中農業大學，2010.

[10]孫恒,陳作模,葛文杰.機械原理(7版)[M].北京:高等教育出版社,2006:151-173.

Based on the Stud Type Residual Film Recycling Machine in the Film the Design of the Spade

Wang Haixin1， Zhang Xuejun1,2， Zhang Chaoshu3, Shi Zenglu1， Yan Jinshan1， Jin Wei1

Abstract：In this paper, the key components of the stud type residual film recycling machine (membrane shovel), a detailed design of three of the membrane shovel shovel handle the stress analysis, draw a tilting shovel handle than straight leg type and bending type shovel handle shovel handle resistance is smaller. While tilting shovel handle and bending stress of the shovel handle size, angle has a direct relationship between main and itself. At the same time, this article on the film shovel shovel has carried on the force analysis, draw a shovel blade angle is large, resulting in a film by the great by the resistance of the shovel.

Key words：the residual film recycling machine；the membrane shovel; stud type

文章編號：1003-188X(2016)04-0118-04

中圖分類號：S223.5

文獻標識碼：A

作者簡介：王海新(1989-),男，山東臨沂人，碩士研究生，(E-mail) wanghaixin_123@163.com。通訊作者：張學軍(1966-)，男，烏魯木齊人，教授，碩士生導師，博士，(E-mail)zhxjau@sina.com。

基金項目：國家農業科技成果轉化資金項目(2013G4109001)

收稿日期：2015-05-26