撥輪式膜稈分離機的設計

郭振華，陳換美，王瑩瑩

（1.石河子大學機械電氣工程學院，新疆 石河子832000；2.巴音郭楞職業技術學院）

0 引言

秋后棉田殘膜回收過程中，棉稈容易跟殘膜發生纏繞，對殘膜回收率造成一定影響。因此，棉稈的清理對殘膜回收工作的順利進行非常重要。目前，棉稈的清理方式主要包括兩種：棉稈粉碎還田和將棉稈整體拔出運到田外。棉稈粉碎還田是應用棉稈粉碎設備將棉稈打碎成10～20 cm 的小段均勻散在棉田中，棉稈粉碎還田機械減少了機具下地次數，提高了農機作業效率。但是，粉碎的棉稈容易對后續的播種工作造成影響，播種時棉稈容易插入穴播器中，降低播種效率。棉稈整體拔出運至田外是利用拔稈機械將棉稈拔出，拋送至拖斗，運到田外。這種作業方式與棉稈粉碎還田相比，主要有兩個優點：（1）棉田清理更干凈，棉稈被拔出運走后，棉田地表只剩地膜和少量雜稈，便于殘膜回收工作的順利進行，有利于提高殘膜回收率；（2）棉稈可用于喂牛羊等牲畜料，也可用于造紙，棉稈的利用可以增加社會經濟效益。

本文主要對拋桿機構進行設計和試驗，為拔輪式殘膜回收機的設計優化提供參考。

1 整機結構與工作原理

拔輪式殘膜回收機的總體結構如圖1。機型采用半懸掛式，動力由拖拉機后動力輸出軸輸送至變速箱，經帶傳動傳遞至各轉動機構。工作時，棉稈被撥稈輪向后撥送，同時根部被提輥旋切鏟斷，棉稈在拋稈輪和撥稈輪的共同作用下拔出并向后拋送，落到輸送帶上，經輸送帶送至機架后方的拖斗內。在作業過程中，棉稈被拔出運送到田外，殘膜留在田間，由輸送帶下方的殘膜回收機構收起。該機型可以實現膜稈分離，有一定的實際應用意義。

2 膜稈分離機關鍵部件及主要參數

拋稈機構主要包括提輥、撥稈輪、拋稈輪和輸送帶。棉稈拔出后拋送效果如圖2，作業時，提輥從根部將棉稈鏟斷，同時在旋切的作用下將棉稈根部從土壤中翻到地表，撥稈輪將棉稈向后撥送，與拋稈輪共同作用將棉稈拔出拋送至輸送帶上，實現膜稈分離。

2.1 撥稈輪的各項參數

2.1.1 撥稈輪直徑

主要由棉稈的平均株高l、棉稈的重心位置及撥稈輪速比λ 來決定。撥稈輪直徑可由下式求得：

棉稈的高度l 在60～90 cm 之間，棉稈剛度從上端到根部逐漸變大，抗彎能力逐漸變弱。棉稈彎曲曲率逐漸減小，為避免在撥稈過程中棉稈過度彎曲而折斷，撥稈輪對棉稈的撥送位置O 點應位于棉稈質心上部。撥稈輪下端離地高度h 在30～45 cm 間，λ=1.3，考慮到撥稈輪中心軸高度應高于棉稈，撥稈輪直徑設計為D=90～130 cm 較為合適。

2.1.2 撥稈輪軸的安裝高度

撥稈輪離地高度影響棉稈進入拋稈輪與撥稈輪之間的狀態：如果離地過高，撥稈輪只能撥到較高的棉稈；如果離地高度太低，撥稈輪對棉稈的撥送位置偏低會造成大量棉稈的折斷，對殘膜回收造成一定的影響。

撥稈輪軸的安裝高度H 為滿足撥桿豎直插入棉稈叢和使撥桿位置在棉稈重心略偏上的要求，即：

式中l—棉稈平均株高，cm；h—撥稈輪下端離地高度，cm；D—撥稈輪直徑，cm；λ—撥稈輪速比，取1.3。

撥稈輪軸的安裝高度需根據棉稈實際平均高度和稀疏情況選用上述公式。利用上述公式求得撥稈輪軸安裝高度H 的取值范圍為65～95 cm。

2.1.3 撥稈輪與提輥水平距離

撥稈輪軸以處于提輥正上方為正中位置。為使撥稈輪在提輥上方仍有水平撥棉稈至拋桿輪的能力，撥稈輪軸與提輥間水平極限距離為：

如果棉稈茂密，不倒狀，撥稈輪可適當后移，增加其撥送棉稈的能力。代入相應數值可計算得b 最大取值為41.6 cm。

2.2 轉速設計

棉稈根部被提輥鏟斷后，由撥稈輪和拋稈輪共同作用將其拋送至輸送帶，輸送到機架后方運到田外。

撥稈輪轉速要求：能夠起到將棉稈向后撥送，在棉稈根部被鏟斷的同時，與拋稈輪共同作用將棉稈向后拋送。拋送的棉稈滿足能量守恒定律：

棉稈被拋送的初始速度由撥稈輪和拋稈輪決定，考慮到拋稈輪與棉稈拋送初速度不會完全相同，有一定的速度損失，所以拋稈的初始速度與撥稈輪線速度滿足：

式中v0—棉稈被拋出速度；vp—為拋稈輪線速度；vb—撥稈輪線速度，ε—速度損失系數。

2.3 撥稈輪的運動軌跡分析

撥稈輪的運動軌跡方程為：

式中x—撥稈輪上任意一點水平坐標；y—撥稈輪上任意一點垂直坐標；vm—機器前進速度；t—時間；R—撥稈輪半徑；ω—撥稈輪角速度；H—撥稈輪軸安裝高度。

從方程可知，撥稈輪上任意一點的運動軌跡為余擺線。根據撥稈輪在圓周上的不同位置和撥稈輪回轉一周機器前進的距離S 的關系，撥稈輪運動軌跡可用作圖法求得。先按下式求得S：

式中n—撥稈輪轉速。

撥稈輪外端運動軌跡取決于機器前進速度vm與撥稈輪轉速vb的比值λ。撥稈輪外端運動軌跡形狀隨λ 值的變化規律如圖3。λ 值的取值范圍為0 到∞，撥稈輪的外端運動軌跡為直線（λ=0）、短幅擺線（λ＜1）、普通擺線（λ=1）、長幅擺線（λ＞1）直至圓（λ=∞）逐漸變化。為滿足撥稈輪對棉稈的引導、扶持和推送作用，須使撥稈輪具有向后的水平分速度。軌跡曲線上各點切線的方向，就是撥稈輪在各種位置時的絕對速度方向。由圖3 的分析可以看出，當比值λ＞1 時，撥稈輪端點運動軌跡形狀為長幅擺線（余擺線），此時運動軌跡形成扣環，在扣環的下部，即扣環最長橫弦AA1的下方，撥稈輪具有向后的水平分速度。

由此可知，撥稈輪正常工作的必要條件是撥稈線速度比λ＞1。

只有在上述條件下合成的運動軌跡在軸的水平線以下才能構成一個扣環。扣環的最大橫弦AA1上A 點的絕對速度是垂直向下，A1點是垂直向上，最低點B 的絕對速度是水平向后，因此，只在ABA1線段范圍內才有向后撥桿的水平分向量。如果提輥在A1點的正下面，則撥稈輪直接撥稈的前后范圍等于最大橫弦的長度，即：

如果提輥在B 點下方，直接撥稈的前后范圍為：

為了充分利用ABA1軌距撥稈，應當調節好撥稈輪的位置，使AA1線與棉稈的頂部平均高度一致，同時使撥桿豎直插入棉稈叢，進入深度為：

3 結論

針對棉田殘膜回收效率低，殘膜回收困難的問題，本文設計一種膜稈分離機構，該機構主要由提輥、撥稈輪、拋稈輪等部分組成。試驗表明，該機構工作時，提輥通過入土旋切的方式可以將棉稈從根部鏟斷，同時將地膜翻出地表便于殘膜回收，棉稈在撥稈輪和拋稈輪的共同作用下被拋送至機架后方的拖斗中，達到膜稈分離的作業效果。該機構可以完成膜稈分離任務，為殘膜的高效回收創造條件。