新型桿齒滾筒式殘膜撿拾機構的設計與試驗

劉進寶，鄭 炫，趙 巖，劉興愛，葛士林

(1.新疆科神農業裝備科技開發股份有限公司， 新疆 石河子 832000；2.新疆農墾科學院機械裝備研究所， 新疆 石河子 832000； 3.中國農業大學工學院， 北京 100083)

田間殘膜回收難題目前還未得到有效的解決，目前，殘膜回收主要由播前回收、苗期回收和收獲后回收三種回收工藝，機型主要有齒式、鏟式、鏈式、卷膜式、氣吸式等結構，作業模式大致分為單一作業、秸稈還田殘膜回收聯合作業和整地殘膜回收聯合作業[1-4]。

目前，彈齒式殘膜撿拾機構主要有凸輪滑道彈齒滾筒式和伸縮桿齒滾筒式。凸輪滑道彈齒滾筒式撿膜機構應用較為廣泛，主要由滾筒、凸輪盤、凸輪軸、彈齒等構成，滾筒繞凸輪軸轉動，彈齒上的滾輪軸沿著凸輪槽軌道滑動，其中凸輪軸與滾筒不同軸，運動時，彈齒相對滾筒表面做伸縮運動，彈齒形狀有弧形和直桿兩種。但是凸輪滑道的設計及加工具有一定的難度，凸輪工作時磨損嚴重[5-10]。伸縮桿齒滾筒式撿膜機構主要利用偏心輪的原理設計，伸縮桿齒轉子與偏心滾筒同步轉動，從而實現撿膜與脫膜的功能。伸縮桿齒適用于平整地塊，但是在滾筒上的圓孔與桿齒之間存在夾膜現象，導致滾筒出現擁堵，并且彈齒作業時碰到硬物而產生變形，使彈齒無法從滾筒圓孔中縮回[11-15]。

現有的殘膜回收方式無法解決回收殘膜運輸的難題，為此新疆農墾科學院提出了新型棉田殘膜回收工藝[16]，大致分為四道工序：(1) 秸稈粉碎還田機先開出集條膜堆卸膜區； (2) 立桿摟膜機將回收殘膜堆積在集條膜堆卸膜區； (3) 殘膜撿拾打捆機對集條膜堆撿拾打捆作業； (4) 裝載運輸回收壓縮膜捆。而殘膜撿拾打捆機是一種新型殘膜回收機具，其撿膜機構采用新型彈齒滾筒式結構，撿膜機構的作業可靠性將直接影響殘膜撿拾率。

1 桿齒滾筒式殘膜撿拾機構

殘膜撿拾打捆機主要撿拾集條后的殘膜，集條后的殘膜特點是地膜集中在土壤表面，摻雜有秸稈、少量碎土等雜質，集條殘膜具有一定的厚度，在不同深度都有分布。彈齒在作業時將殘膜從雜質中挑出，在撿拾時彈齒不需要入土很深，因此，設計了一種新型的桿齒滾筒式殘膜撿拾機構，其結構如圖1所示。

1.偏心滾筒; 2.滾筒法蘭盤; 3.轉軸盤; 4.桿齒轉軸; 5.卡子; 6.桿齒; 7.方鋼; 8.連桿; 9.銷軸

1.Eccentric roller; 2.Roller flange; 3.Shaft plate; 4.Rod-tooth shaft; 5.Clip; 6.Rod-tooth; 7.Square; 8.Connecting rod; 9.Pin shaft

圖1撿膜機構結構

Fig.1 The structure of pickup film mechanism

偏心滾筒與滾筒法蘭盤組成滾筒總成；桿齒轉軸、轉軸盤、伸縮桿齒、方鋼組成伸縮桿齒總成，桿齒轉軸與轉軸盤焊接，桿齒方鋼通過卡子固定在轉軸盤上，桿齒以一定的角度安裝在桿齒方鋼上。其中桿齒轉軸通過軸承座安裝在機架上；偏心滾筒通過支撐件與機架相連，偏心滾筒可繞滾筒軸心轉動。桿齒總成和滾筒總成通過連桿鉸接。安裝后偏心滾筒相對于桿齒轉軸具有一個偏心距。

由于伸縮桿齒和偏心滾筒在安裝時有一個偏心距離，在做回轉運動時，兩者的相對位置會隨著轉動情況變化，使得伸縮桿齒在入土時伸出滾筒的長度最長，而在相反的方向上，伸縮桿齒伸出的長度最短，從而實現了在伸出長度最長處撿膜，在伸出長度最短處脫膜，達到伸縮桿齒入土撿拾殘膜，偏心滾筒脫膜的目的。對于雜質較多的田間地膜，可在桿齒滾筒前安裝一個小彈齒輥，通過小彈齒輥將地膜從雜質中挑出，起到清雜撿拾的作用，提高了桿齒滾筒的撿凈率。

2 桿齒滾筒的運動分析

2.1 桿齒滾筒模型

簡化桿齒滾筒運動模型，其中A點為連桿與轉軸盤鉸接點，B點為連桿與滾筒法蘭盤鉸接點，O點為桿齒轉軸中心，O1點為滾筒軸心，OA為轉軸盤半徑，O1B為滾筒法蘭盤與連桿鉸接點距偏心滾筒中心的距離，OO1為偏心滾筒與桿齒轉軸的偏心距，AC為伸縮桿齒，E點為伸縮桿齒與偏心滾筒柵縫的交點，D點為O1B延伸與偏心滾筒外圓的交點。機構運動簡圖如圖2所示。

圖2撿膜機構運動簡圖

Fig.2 The kinematic diagram of pickup film mechanism

2.2 桿齒滾筒運動方程

撿膜機構作業時，設桿齒轉軸轉動角速度為ω、機具前進作業速度為v，轉軸盤半徑OA為r，伸縮桿齒AC長度為L，伸縮桿齒的安裝角即AC與OA的夾角為α，偏心距OO1為e，分析可知O1B的長度與OA長度相等，連桿AB長度即為偏心距e，伸縮桿齒末端距桿齒轉軸中心距離為R，建立動坐標系x′oy′，伸縮桿齒末端C點相對動坐標系x′oy′的相對運動方程為

(1)

(2)

其中

(3)

C點絕對運動方程為

xC=vt+Rsinωt

(4)

yC=Rcosωt

(5)

O1D為偏心滾筒半徑，設O1D為r1，則O1B延伸與偏心滾筒外圓的交點D相對運動方程為

(6)

(7)

D點絕對運動方程為

xD=vt+r1sinωt

(8)

yD=r1cosωt

(9)

分析可知，撿膜機構運動類似于平行四桿機構，可看作為短桿OO1作為機架、長桿OA作為曲柄的運動。伸縮桿齒末端與滾筒外圓的絕對運動軌跡為余擺線，軌跡環扣由彈齒末端運動線速度與機具前進速度比λ決定，當λ小于和等于1時沒有環扣，當λ大于1時有環扣。

λ分別取1、1.2、1.5、2在ADAMS軟件中進行運動仿真分析，得到伸縮桿齒末端C點軌跡曲線如圖3所示。可以看出，當速度比λ的值越大，環扣越大，同一伸縮桿齒在相鄰的兩次挑膜點水平距離越小，漏檢區域越小，在保證不漏撿的情況下，伸縮桿齒在圓周上的排列個數就越少，機構將會更加緊湊。

圖3桿齒末端運動軌跡

Fig.3 The moving track of the rod-tooth end

2.3 伸縮桿齒在滾筒圓周上的排列

為了確保伸縮桿齒挑膜作業的連續性，兩桿齒運動軌跡曲線重疊情況如圖4所示。

相鄰兩伸縮桿齒末端的運動軌跡分別為曲線L1、L2，假設集條殘膜厚度為H，其中重疊區域為A1，高度為h1；無伸縮桿齒挑膜軌跡的區域即挑膜盲區為A2，高度為h2。

圖4挑膜過程簡圖

Fig.4 Film picking process diagram

其中軌跡曲線L1的坐標為(xL1，yL1)，軌跡坐標方程表達式為伸縮桿齒末端絕對運動方程

xL1=vt+Rsinωt

(10)

yL1=Rcosωt

(11)

軌跡曲線L2的坐標為(xL2，yL2)

xL2=vt+Rsin(ωt+θ)

(12)

yL2=Rcos(ωt+θ)

(13)

其中θ為兩個相鄰伸縮桿齒之間的安裝夾角。

當yL1=yL2=ymin時，可計算出S2的長度

(14)

可以得出S2的長度由機具作業速度v、伸縮桿齒轉動角速度ω、兩個相鄰伸縮桿齒之間的安裝夾角θ決定。在重疊區域A1內，兩個相鄰伸縮桿齒可實現重復挑膜作業，水平方向重疊量S1越長，則伸縮桿齒重復挑膜的區域越大。在挑膜盲區A2內，兩個相鄰伸縮桿齒都無法實現挑膜作業，水平方向S2越短，挑膜盲區越小。重疊區域越大，挑膜盲區越小，則殘膜撿凈率越高。綜合殘膜撿凈率和作業效率，主要由殘膜碎片的最小尺寸δ決定S2的長度，即

S2≤δ

(15)

保證伸縮桿齒末端可以接觸到挑膜盲區A2中的殘膜，從而確定最佳的挑膜運動軌跡曲線。在只考慮撿凈率的情況下，可以使伸縮桿齒在工作時深入土壤深度為h2，便可消除兩個相鄰伸縮桿齒的挑膜盲區。

本結構取滾筒圓周上均布排列8組伸縮桿齒，相鄰伸縮桿齒之間的安裝夾角θ為45°，當λ=2時，桿齒轉軸軸心位于坐標原點，相鄰兩伸縮桿齒末端的運動軌跡如圖5所示，地表位于縱坐標-540 mm處，當集條殘膜鋪設厚度為240 mm左右，從軌跡圖中可以看出，相鄰兩伸縮桿齒末端軌跡相交點的縱坐標為-500 mm，其中h2為40 mm，S2為190 mm，挑膜盲區面積很小。

圖5相鄰兩桿齒的運動軌跡

Fig.5 The motion track of two adjacent rod-tooth

減小挑膜盲區使漏撿區域變小的方法有兩種，方法1：調節限深輪，使伸縮桿齒作業時入土深度40 mm以上，可消除挑膜盲區；方法2：提高彈齒末端運動線速度，即增大λ值，可減小挑膜盲區，但不能消除挑膜盲區。當機具前進作業速度保持恒定時，即作業效率不變的情況下，λ值越小，彈齒入土深度越大，土壤阻力越大，功率消耗也越大；λ值越大，彈齒入土深度越小，土壤阻力越小，功率消耗也越小；所以在綜合考慮機具作業時的功率消耗和作業效率的情況下，結合方法1、2，既增加λ值，又使彈齒入土但深度較淺，保證作業效率不變的前提下，以較小的功率消耗來消除挑膜盲區。

當作業速度為1.7 m·s-1時，為消除挑膜盲區，不同λ速度比下桿齒軸轉速和彈齒入土深度值見表1所示。

表1 不同速度比下桿齒入土深度

隨著λ值的不斷增大，為消除挑膜盲區，桿齒入土深度不斷減小，相應的桿齒軸轉速在不斷增加，但是，由于滾筒半徑較大，而且有偏心距的存在，所以桿齒軸轉速也不宜太大，避免機構轉動時產生較大的振動。

2.4 桿齒與滾筒的相對運動分析

伸縮桿齒和偏心滾筒在做回轉運動時，伸縮桿齒相對于滾筒伸出的長度有規律的變化，在滾筒頂部的位置，伸縮桿齒縮回滾筒內部，在滾筒底部的位置，伸縮桿齒伸出滾筒的長度達到最長，實現了在底部伸縮桿齒挑膜、在頂部偏心滾筒脫膜的功能。如圖6所示，在運動過程中，伸縮桿齒與偏心滾筒柵縫的交點E相對于伸縮桿齒的位置在不斷變化，在完成一周回轉運動時，伸縮桿齒相對于偏心滾筒會產生一個相對轉動角度，所以在設計偏心滾筒時需要考慮滾筒柵縫的長度要與相對轉動的角度相匹配，避免撿膜機構在做回轉運動時，伸縮桿齒與偏心滾筒發生干涉現象。

圖6桿齒與滾筒的相對運動

Fig.6 Relative motion between rod-tooth and roller

(16)

(17)

(18)

其中O1E為偏心滾筒直徑r1，CE為伸縮桿齒伸出偏心滾筒的長度，假設伸縮桿齒最長伸出距離為l，可知0≤CE≤l，便可求得DE長度值的范圍及其對應圓心角φ的取值范圍[φmin，φmax]，從而得出兩者相對運動產生的弧長I為

I=(φmax-φmin)·r

(19)

假設伸縮桿齒初始位置恰好處于滾筒正上方縮回處，即OA、OB與y軸重合，當機構回轉一周，以OA相對于y軸夾角計算，伸縮桿齒相對于偏心滾筒的運動可分為兩段行程：

第一段行程：0°～180°，伸縮桿齒伸出滾筒長度由最短運動到最長；

第二段行程：180°～360°，伸縮桿齒伸出滾筒長度由最長運動到最短。

因此，為了使兩者運動時不產生干涉，設計時適當加大弧長長度，使兩者之間在極限點存在一定的間隙，這樣便可確定滾筒柵縫的最佳長度。

2.5 撿膜機構轉動性能分析

伸縮桿齒總成與偏心滾筒總成通過連桿相連，運動模式類似于平行四桿機構，伸縮桿齒總成作為主動件，偏心滾筒作為從動件，偏心滾筒鉸接點B運動情況如下圖7所示。

圖7撿膜機構受力情況

Fig.7 The force stress condition of the pickup film mechanism

α為壓力角，β為傳動角，F為連桿AB對偏心滾筒鉸接點B的作用力，切向分力Ft，法向分力Fn，點B的瞬時運動方向為切線方向，即圖7中所示vB的方向。切向分力Ft=Fcosα為有效分力，可以看出，α+β=90°，壓力角α越小，傳動角β越大，對機構運動越有利；反之，壓力角α越大，對機構運動越不利。當壓力角α為90°時，驅動偏心滾筒的有效分力Ft為零，連桿對偏心滾筒所做有效功率為零。

分析撿膜機構可知，當點B位于運動軌跡的最高點和最低點時，瞬時速度方向為水平方向，壓力角α為90°，處于“死點位置”，不利于機構的傳動，此時只能通過機構的運動慣性沖過“死點位置”。為避免在“死點位置”出現機構卡死及運轉不順暢現象，采取兩組連桿連接的方式，兩連桿安裝在相鄰兩伸縮桿齒處，一組連桿處于“死點位置”時，另一組連桿可以提供有效分力，避免機構在運動過程中卡死。

3 田間試驗

3.1 試驗條件

通過制作殘膜撿拾打捆機試驗樣機，于2015年10月16日在新疆兵團五家渠共青團進行田間試驗，作業地塊為平作區秋后棉花收獲后的棉田，所用殘膜為厚度0.008 mm聚乙烯農用地膜。

棉田先進行前兩道工序的作業：首先利用秸稈粉碎還田機在垂直于種行的方向開出集條膜道，集條膜道每隔100 m設置一個；然后利用立桿摟膜機將回收殘膜堆積在集條膜道上。集條后殘膜堆積情況如圖8所示。

對集條殘膜膜堆的厚度和寬度進行測量統計，如表2所示，膜堆平均寬度為116 cm，平均厚度為38 cm。

表2 集條殘膜尺寸

3.2 試驗方法

隨機選取測試區，每一個測試區的作業面積相等，試驗樣機以速度比λ為2進行撿膜打捆作業。分別稱量每個測試區的膜堆總重、回收后殘膜毛重，并且對回收后的殘膜和未收回殘膜進行清洗稱重，測得其凈重。

其中，清雜率ε、膜堆重量m、殘膜總質量mc、回收殘膜毛重m1、回收殘膜凈重m2之間的關系為：

(20)

撿拾率n、回收殘膜凈重m2、未收回殘膜凈重ma之間的關系為：

(21)

其中一定面積內集條膜堆中殘膜凈重所占比重k為：

(22)

3.3 試驗結果

先選取5個測試區，每個測試區的膜堆面積相等，分析膜堆中殘膜與雜質的含量，測得撿拾作業前集條膜堆中殘膜所占的比重，如表3所示，平均殘膜所占比重為1.512%。

另選5個測試區測試集條殘膜撿拾率和清雜率，試驗結果如表4所示。試驗證明，整機工作運轉順暢，撿膜機構工作穩定可靠，滾筒柵縫未出現殘膜擁堵現象，圖9為樣機試驗作業情況，撿膜效果如圖10所示。

表3 殘膜所占比重

圖8 作業前集條殘膜

圖9 桿齒撿拾殘膜作業痕跡

圖10 撿拾后地表殘膜殘留情況

試驗表明，撿膜效果和脫膜效果均達到了設計要求，平均撿拾率為90.66%，平均清雜率為82.14%，機具主要性能指標如表5所示。

在試驗作業過程中發現，當集條殘膜中棉桿、棉葉、碎土等雜質較多時，殘膜和棉桿棉葉分離效果下降，殘膜的壓縮特性也隨之改變，因此，后續工作需要提高殘膜撿拾的清雜率，殘膜含雜率對應的殘膜壓縮特性也有待于進一步研究。

4 結 論

1) 針對殘膜回收新模式設計了一種集條殘膜撿拾機構，分析表明桿齒末端軌跡主要由速度比λ決定，λ值越大，軌跡環扣就越大，漏檢率就越小。

2) 分析了桿齒在圓周上的排列方式與撿膜性能之間的關系，以及為避免出現挑膜盲區的桿齒最小入土深度；通過分析得出，設置兩組連桿機構使撿膜機構運動更為穩定可靠，有效避免了連桿運動產生“死點位置”。

3) 通過田間試驗表明，伸縮桿齒的撿膜性能和偏心滾筒的脫膜性能良好，未出現滾筒柵縫殘膜擁堵現象，伸縮桿齒實際運動情況與理論仿真結果一致，平均撿拾率為90.66%，平均清雜率為82.14%。

表5 殘膜撿拾機構的主要性能指標

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