王浦舟,吳雪梅,張富貴,黃化剛,喻麗華,聶堯
1 貴州大學,機械工程學院,貴陽,550025;2 貴州省煙草公司,畢節市公司,畢節,551700
煙草設備
梳齒式自動仿形殘膜撿拾機的設計及性能試驗
王浦舟1,吳雪梅1,張富貴1,黃化剛2,喻麗華1,聶堯1
1 貴州大學,機械工程學院,貴陽,550025;2 貴州省煙草公司,畢節市公司,畢節,551700
為使設計的殘膜撿拾機適合山區壟作煙地、能實現自動仿形并有較高的撿拾性能。設計了分段自動仿形的梳齒安裝架,分析得到彈齒的最佳入土角范圍為15°~45°。利用正交試驗方法,以梳齒間距(橫向A、縱向B)及機具行進速度(C)為研究對象,分析各因素對收膜率及積土量的影響。試驗結果表明在無壟地機具的最佳結構為橫向齒間距(90 mm、70 mm和50 mm),縱向齒間距440 mm,機具在低速(3.5 km/h)狀態下積土量較小,在高速(7.5 km/h)狀態下撿拾率提高。在有壟地的最佳結構為橫向齒間距(180 mm、140 mm和50 mm),縱向齒間距為440 mm,機具在高速(7.5 km/h)狀態下積土量較小,在低速(3.5 km/h)狀態下撿拾率提高。
殘膜撿拾機;仿形;正交試驗
山區煙葉種植經常采用地膜栽培技術,地膜栽培能起到保溫、除草等作用,從而提高煙葉的產量和質量[1]。但是該技術的推廣和應用在給煙農帶來實際效益的同時,也產生了一定的污染問題[2]。目前,國內地膜撿拾一般可分為人工撿拾和機械撿拾兩種。人工拾膜的勞動強度大,撿拾效率低。機械撿拾可以減輕勞動強度,提高煙葉的種植效率[3-4]。
由于貴州山區植煙地的復雜性,地膜在苗期撿拾不完全,導致的殘留地膜需在秋后進行二次撿拾。二次收膜存在煙桿殘留、土壤積壓和殘膜較碎的問題[5]。且煙葉收獲后,煙地受到風化,壟形被破壞,按照種植標準設計的仿形機構無法高效撿拾殘膜。目前常用的CM22.6殘膜回收機、1FMJ2850型殘膜回收機,以及4TSM24型懸掛式收膜機,經測試均不適用于貴州山區秋后地膜的回收[6-7]。為此,本文提出了利用松土起膜裝置作用于壟底,利用自動仿形彈齒機構進行仿形拾膜作業的機具,實現山區壟作煙地的有效拾膜。
設計的煙田殘膜撿拾機具主要由機架、拾膜總成及卸膜總成3部分組成。其中,拾膜總成采用自動仿形設計,能夠根據地形自動適應起伏的壟面,實現自動仿形;卸膜總成使用拖拉機自帶液壓裝置作為輸入,采用雙通液壓缸實現卸膜裝置豎直方向的雙向運動。機具總長度1.56 m,機具總寬2.17 m,其中工作幅寬為2 m。結構示意圖如圖1所示:

圖1 梳齒式自動仿形殘膜撿拾機結構示意圖Fig.1 Sketch diagram of comb-type automatic pro fi ling plastic fi lm residue collector
樣機與通過三點懸掛掛在拖拉機后端,卸膜油缸通過液壓管與拖拉機的液壓系統連接。機具安好后調整拖拉機的位置,使機具正對煙壟在拖拉機牽引下沿覆膜方向前進。松土起膜刀深入壟底土層5 cm~10 cm,可以將壟底壓膜土壤翻松,同時將土塊下方的地膜翻到地表,還能撿拾部分大塊殘膜,翻出的地膜由機架兩側的長收膜齒進行收集。壟頂由機架中間的收膜齒收集,其余工位由安裝的短齒收集。梳齒組通過彈簧式升降仿形構件自動調整位置,彈簧式升降仿形構件通過地面起伏產生的作用力被動實現對地面的自動仿形。三排梳齒交叉安裝,前排漏檢的殘膜會被后排梳齒繼續拾起。當機具完成一壟煙田的作業時,或收膜量達到梳齒承載量時停止收膜,通過拖拉機液壓裝置,提升機具并通過卸膜油缸驅動卸膜機構進行卸膜操作。
目前貴州省煙葉種植一般的農藝流程是先起壟后覆膜,貴州煙葉種植的煙葉種植標準是一壟雙行,標準壟形如圖2所示:

圖2 標準壟形示意圖[7]Fig.2 Sketch diagram of standard ridge shape
受到自然和人力的影響,壟形會發生一定的變化。通過煙地的實地調研和觀察,風化變形后的壟形及相關尺寸如圖3所示:
為了使機具收膜梳齒能適應變化的壟形以實現仿形工作[8-9],設計了一種彈簧式升降仿形構件,其結構示意圖如圖4所示:

圖3 風化后的壟形及覆膜情況示意圖Fig.3 Sketch diagram of the ridge shape after air-slake and the situation of mulch-covering

圖4 彈簧式升降仿形機構示意圖Fig.4 Sketch diagram of spring type lifting pro fi ling mechanism
彈簧式升降仿形構件的寬度為280 mm,可根據壟面高度分別安裝長、短兩種梳齒。梳齒通過定位銷固定在機架上,定位銷與機架的安裝孔限制了彈齒的位置,使其固定在機架上。基于2.1的壟形分析,為適應壟形變化,將7節該構件安裝在機架上。安裝后各段彈簧式升降仿形構件可在對應的工作位置,根據壟面高低自動調整壓縮彈簧,實現豎直方向的自適應仿形;彈齒本身螺旋結構在土垡的作用下產生彈性變形,彈齒在機具前進的反方向產生的變形量,實現了水平方向的自動仿形。如圖5所示是該機具在一壟雙行煙地上的工作效果。

圖5 一壟雙行的仿形效果示意圖Fig.5 Sketch diagram of the pro fi ling effect of one ridge with double lines
本文使用的拾膜梳齒為較普遍的彈齒,齒尖接觸地面,通過拖拉機帶動前進。土垡和殘膜在后續土塊的推動下沿著梳齒的直線段向上滑動;當運動到圓弧段時,質量較輕的殘膜留在該段,質量較大土垡在重力的作用下掉落到地面。為了分析能使殘膜順利掛在梳齒且土垡自動掉落的入土條件,假設梳齒直段有一質點,該質點的受力情況如圖6所示(殘膜用下標C表示,土垡用下標T表示)。

圖6 梳齒工作部位受力分析Fig.6 Force analysis of function parts in comb
地膜能向上運動的條件是:

土垡在重力的作用下掉落的條件是:

式中,N是彈齒對質點的支持力(N),F是土垡對質點的推力(N);f是質點在梳齒上的摩擦力(N);m為質點的質量(kg);g為重力加速度(N/kg);θ是梳齒與地面的夾角(°)。其中:

式中,μC、μT分別為殘膜和土垡與梳齒的摩擦系數。
殘膜的質量較小,計算時可將其忽略。將式(3)代入式(1)可得:

根據經驗,濕度與摩擦系數成正比,一般情況下干燥地膜與梳齒的摩擦系數約為0.64,濕潤地膜與梳齒的摩擦系數約為1.28。由于貴州山區土壤濕度較大,本文取μC=1.15,經試驗測算得出θ≤ 45°。
考慮到貴州山地土壤一般為粘性土,土垡相互粘接使得FT<<GT,將式(3)代入式(2)可得:

殘膜回收作業安排在天氣干燥的時期,查得干粘性土與梳齒的摩擦系數為0.84~1.00,本文取μT=0.85,經試驗測算得出θ≥15°。
綜合設計初衷,前排梳齒可以在拾膜的同時進行碎土,后排梳齒可以有效的撿拾前排漏撿的碎膜。各層梳齒的強度依次遞減,前、中、后三排的直徑分別為12mm、10mm和5mm。彈齒直段的初始入土角度為15°,保證在彈性的作用下有至多30°的彈性余量,以保證拾膜和脫土的效果。
本次試驗分別進行兩組試驗用于模擬整地前拾膜和整地后拾膜[10-12],試驗選取機具結構及運行速度為研究對象。根據貴州山區煙地的普遍情況[13-14],于2016年5月12日在開陽縣龍崗煙草研究基地進行了殘膜撿拾機回收性能測試試驗。經測量現場土壤的濕度為19.71%,土壤在15 cm~20 cm深度的緊實度為150.25 KPa。試驗所用的機具為試驗專用樣機,使用404拖拉機帶動,忽略翻地和卸膜工序,僅考慮齒間距及機具速度對撿拾效果的影響。
試驗指標為殘膜撿拾率η和積土量V。η的測定按JB/T 10363—2002中6.2.2.1規定計算:

其中:S1——廢膜遺留量平均值,g/m2;S——廢膜總量平均值,g/m2。
為了方便對比,試驗過程統一按積土所占的最大立方體體積記錄積土量,方法示意圖如圖7所示。
殘膜撿拾機在每一塊試驗地作業完成后,先測量V,并收集煙田中的遺留殘膜并進行洗凈、烘干、稱重,根據式(6)計算撿拾率η。試驗過程如圖7所示:
本文主要目的是針對樣機結構的運行速度進行試驗,得到最優組合以能達到ηmax和Vmin。機具結構主要包括橫向齒間距A、縱向齒間距B(如圖9所示),機具的運行速度取決于拖拉機的行進速度C。

圖7 積土量測量方法示意圖Fig.7 Sketch diagram of the measuring of the amount of soil

圖8 試驗過程Fig.8 Orthogonal test process

圖9 梳齒安裝位置示意圖Fig.9 Sketch diagram of the place to install comb
殘膜撿拾機后排梳齒保持50mm的間距用于撿拾漏撿殘膜。A有兩個水平:A1—前兩排梳齒的齒間距分別為90mm、70mm;A2—前兩排梳齒的齒間距分別為180mm、140mm。B和C的水平設置如表1所示,使用L4(23)正交表安排試驗[15-17]。

表1 因素水平表Tab.1 Factor levels of orthogonal test
分別設置兩塊試驗地塊,1號地(無壟)有4塊(30×2)m2的試驗地,試驗前將地膜撕碎后隨機埋在各試驗地內,用于模擬整地后陳年舊膜的撿拾;2號地(有壟)有4塊(10×2)m2的試驗地,試驗前先起壟并覆地膜,壟頂地膜用打孔機進行一定的破壞,用于模擬整地前的拾膜作業。
將正交試驗所得的撿拾率和積土量填入表2。

表2 正交試驗結果Tab.2 Results of orthogonal test
從表2可以得到的直觀結果是機具在1號地的拾膜效果整體上優于2號地的拾膜效果。其中在1號地的第3次試驗所得的撿拾率最高拾膜率,積土量最低,A1B2C2為直觀最優組合。
直觀結果不能完全反應正交試驗結果,為更加全面的分析三個因素不同水平對拾膜率和積土量的影響,需要進行極差分析。
極差R可以判定各因素在試驗過程中對試驗結果的影響程度[18]。均值kij(其中i表示試驗因素,j表示試驗水平)可以判定最優水平,其中η均值高的可選為優水平;V均值低的可選為優水平。計算結果如表3所示:

表3 正交試驗極差分析Tab.3 Results of extreme analysis
由表3可知:
1)1號地塊中,影響收膜率的主要因素是B和A,影響積土量的主要因素是C和B。綜合考慮,在無壟地塊影響機具撿拾性能主要因素是梳齒的縱向間距B。
2)2號地塊中,影響收膜率的主要因素是A和C,影響積土量的主要因素是A和B。綜合考慮,在有壟地塊影響機具撿拾性能的主要因素是梳齒的橫向間距A。
3)1號地塊中,最佳機具結構為A1B2,C≈7.5km/h時拾膜率提高的同時也增加了積土量。
4)2號地塊中,最佳機具結構為A2B2,C≈3.5km/h時撿拾率提高的同時也增加了積土量。
分析以上試驗結果可以發現,在機具結構達到最優的前提下,為了產生同樣效果在不同地形上所使用的速度是不一樣的。產生這一情況的主要原因是整地后的煙田表面地膜分布較多且土壤疏松度極大,此時機具的仿形能力體現較少,在機具快速運行時地膜被撿拾的概率較大,但是由于排土時間短,土垡容易堆積從而增加了積土量;有壟地塊表面地膜較大且土壤以下也存在陳年舊膜,但土壤結實,此時機具的仿形能力體現較多,機具在快速運行時,部分表面膜受土垡壓力的影響,無法有效的掛在收膜齒上,而土壤由于疏松度較小,不容易積土。也就是機具行進速度不能同時滿足ηmax和Vmin的要求。為了克服這一矛盾,本文在結構固定的前提下,提出以下假設:
1)無壟條件下作業速度先控制在3.5 km/h左右,保證積土量低的情況下進行初撿作業;然后將機具行進速度控制在7.5 km/h左右,進行高效撿拾。
2)有壟條件下作業速度先控制在7.5 km/h左右,保證積土量低的情況下進行初撿作業;然后將機具行進速度控制在3.5 km/h左右,進行高效撿拾。
為了進一步論證假設的可行性及理論的實際效果,根據試驗前提,在煙葉收獲以后選取了有相同覆膜年限的煙田進行驗證,其中有壟和無壟煙田各3塊。對文中4.1中所提假設進行3次試驗,結果記錄在表4中。

表4 驗證假設可行性Tab.4 Feasibility validation assumptions
由表4可以看出,重復試驗結果穩定性較高,對拾膜率和積土量的影響效果優于表2中的正交試驗組合的結果。為了與設計樣機的作業性能進行對比,課題組采購了三種常見機具并在試驗區域進行性能測試,發現這三臺具有代表性的機具在貴州的撿拾效果不理想,最大撿拾率為75%,最小積土量達0.452m3,遠遠低于課題要求。
本文提出了一種可實現煙田自動仿形作業的殘膜撿拾機具,該機具適用于無壟煙地,在有壟煙田可實現自動仿形,本文分析了該機具的仿形機構對壟形的適應情況,得到了仿形機構的具體結構;分析了土垡及殘膜在梳齒上的受力情況,得到梳齒的最佳入土角度為 15°~45°。
通過正交試驗得到了無壟煙田和有壟煙田對機具結構和行進速度的要求。
1)無壟條件下,最佳機具結構為梳齒橫向間距是前中后梳齒的齒間距分別為90 mm、70 mm和50 mm,梳齒縱向間距為440 mm,機具先以3.5 km/h左右的速度前進以降低積土量再以7.5 km/h左右的速度前進以提高撿拾率。按此方案機具的平均撿拾率達88.76%,最小撿拾率為88.54%;平均積土量為0.168m3,最大積土量為0.170m3;均優于上述采購樣機的作業性能。
2)有壟條件下,最佳機具結構為梳齒橫向間距是前中后梳齒的齒間距分別為180mm、140mm和50mm,梳齒縱向間距為440mm,機具先以7.5 km/h左右的速度前進以降低積土量再以3.5 km/h左右的速度前進以提高撿拾率。按此方案機具的平均撿拾率達80.67%,最小撿拾率為79.85%;平均積土量為0.207m3,最大積土量為0.225m3;均優于上述采購樣機的作業性能。
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*Corresponding author.Email:xm_wu@163.com
Design and performance test of comb-type automatic pro fi ling residual fi lm collecting machine
WANG Puzhou1, WU Xuemei1*, ZHANG Fugui1,HUANG Huagang2,YU Lihua1,NIE Yao1
1 College of Mechanical Engineering, Guizhou University, Guiyang 550025, China ;2 Guizhou Bijie Municipal Tobacco Corporation, Bijie 551700, Guizhou, China
In order to design a residual fi lm collecting machine suitable for mountainous area and to achieve automatic pro fi ling and high performance efficiency, a segmented automatic comb mounts was designed and the best angle of elastic claw to get into ground was set to 15°~45°. Orthogonal experiments in di ff erent fi elds were carried out in order to analyze how crosswise separated distance (A), longitudinal separated distance (B) of two comb teeth and speed of machine (C) a ff ect collecting efficiency and amount of soil. Results showed that under no ridge environment, the optimal crosswise separated distance between two comb teeth was 90mm, 70mm and 50mm, the optimal longitudinal separated distance between two comb teeth was 440mm, the amount of soil was small at low speed (3.5km/h), and the collecting efficiency was improved at high speed (7.5km/h). However, if there were ridges in tobacco fields, results showed that the optimal crosswise separated distance between two comb teeth was 180mm, 140mm and 50mm, the optimal longitudinal separated distance between two comb teeth was 440mm, the amount of soil was small at low speed (3.5km/h), and the collecting efficiency was improved at high speed (7.5km/h). This paper provides a theoretical and experimental reference for structure design of comb-teeth pro fi le collecting machine.
residual fi lm collecting machine; pro fi ling; orthogonal experiment
王浦舟,吳雪梅,張富貴,等. 梳齒式自動仿形殘膜撿拾機的設計及性能試驗[J]. 中國煙草學報,2017, 23(3)
貴州省科技廳科技計劃項目《貴州山地殘膜撿拾機具研發及應用研究》(黔科合GZ字[2015]3007-3);貴州省煙草公司畢節市公司《山區煙地殘膜回收技術研究及機具研制與應用》科技項目資助(貴煙畢課[2014]1號)
王浦舟(1993—),碩士研究生,主要研究方向為農業機械化工程,Tel:0851-83627516,Email:zxc124128@sina.com
吳雪梅(1975—),博士,副教授,Tel:0851-83627516,Email:xm_wu@163.com
2016-11-15; < class="emphasis_bold">網絡出版日期:
日期:2017-05-16