鏟齒式測力回收裝置的設(shè)計與試驗

賀念東，郭 輝，2，張學軍，陳恒峰

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學 機電工程學院，烏魯木齊 830052；2.新疆農(nóng)業(yè)工程裝備創(chuàng)新設(shè)計實驗室重點實驗室，烏魯木齊 830052)

0 引言

地膜的覆蓋種植在新疆地區(qū)農(nóng)業(yè)中得到了廣泛的應用，隨著地膜的廣泛應用，其副作用也隨之顯現(xiàn)[1-3]。地膜在田間殘留破壞土壤結(jié)構(gòu)，危害作物生產(chǎn)環(huán)境[4-5]。現(xiàn)階段地膜回收主要是機械回收，回收效率高，能有效降低勞動強度[6]。地膜的機械回收的作業(yè)工序主要有起膜、拾膜、脫膜及卸膜幾個階段[7-8]。其中，拾膜階段是關(guān)鍵階段，拾膜過程屬于機械運動，完整撿拾地膜需要地膜具有一定的拉伸強度，國內(nèi)常見的拾膜機構(gòu)有釘刺式、齒鏈桿齒式及彈齒式等幾種[9-11]，主要回收地膜的方式是從地里拉起地膜。本文設(shè)計一種鏟齒式測力地膜回收裝置，通過鏟齒的結(jié)合，能夠在線檢測地膜需要的挑膜力。

1 機構(gòu)的結(jié)構(gòu)及原理

1.1 整體結(jié)構(gòu)

該機構(gòu)包括機架、起膜鏟、邊膜鏟、傳動系統(tǒng)、地輪及仿形機構(gòu)等，如圖1所示。

1.2 工作原理

工作時，起膜鏟入土，邊膜鏟清理邊膜覆土，地膜運動到起膜鏟上，地輪的動力傳動至扭矩儀上，從扭矩儀輸出動力，使挑膜滾轉(zhuǎn)動，帶動挑膜齒轉(zhuǎn)動，使地膜被挑起并拉扯向上運動；地膜運動到最高處時，清土機構(gòu)逆向運動，清理地膜上的土壤；當?shù)啬まD(zhuǎn)動到脫膜輥處，齒間朝下，大部分殘膜在重力作用下掉下，并被脫膜輥卸下。此過程通過工作中扭矩儀記錄扭矩大小變化，計算挑膜力。

1.邊膜鏟 2.起膜鏟 3.挑膜輥 4.卸膜裝置 5.挑膜輥 6.懸掛架 7.機架 8.挑膜齒 9.清土裝置 10.扭矩儀 11.換向裝置 12.支桿 13.地輪 14.彈簧 15.皮帶圖1 鏟式地膜回收機簡圖Fig.1 Sketch of shovel type film recovery machine

2 關(guān)鍵部件的設(shè)計

2.1 拾膜部件的設(shè)計

拾膜裝置設(shè)計目的主要有兩方面：一是轉(zhuǎn)動齒能夠挑起殘膜；二是挑起的殘膜被齒攜帶前進，膜面上的土塊能夠沿膜面下。

2.1.1 輸膜傾角的計算

挑膜輥由滾筒、皮帶及挑膜齒組成，皮帶上裝有挑膜齒，滾筒帶動皮帶轉(zhuǎn)動，使挑膜齒向上拉地膜，如圖2所示。根據(jù)機構(gòu)的空間機構(gòu)安排及設(shè)計要求，挑膜輥滾筒直徑為100mm的圓形滾筒，挑膜齒為直齒，齒長取70mm。由于輸膜要求保證土塊能夠下滑，所以需要設(shè)計一個合理的傾角，降低功耗，因此需要對土塊在挑膜面上進行運動分析。

1.滾筒 2.皮帶 3.挑膜齒 4.土塊 5.地膜圖2 土塊受力圖Fig.2 The force of the clod

對運動中的土塊進行受力分析：土塊在地膜上要使土塊下滑，重力的分力大于摩擦力f，即

Gsinβ-f≥0

N-Gcosβ=0

f=uN

式中G—土塊重力(N)；

F—土塊受到的摩擦力(N)；

N—土塊受到的支持力(N)；

β—輸膜傾角(°)；

u—土塊在地膜表面的摩擦因數(shù)。

由此可知，輸膜傾角β取決于土塊于地膜間的摩擦因素。經(jīng)查證，土塊在地膜上滑下的角度在15°～30°之間，輸膜傾角β≥15°～30°。本試驗設(shè)計的輸膜傾角為36°。

2.1.2 齒間的運動分析

當挑膜齒從A點轉(zhuǎn)動到B點位置時，挑膜齒開始向上拉地膜，為了保證能夠連續(xù)拉地膜，此時A點位置應該保證有另一根挑膜齒到達，能夠進行下一次挑膜。挑膜輥的轉(zhuǎn)速關(guān)系到整機的工作效率：轉(zhuǎn)速過高，容易打碎地膜；轉(zhuǎn)速過低，地膜會在叉排上堆積，影響挑膜部件的工作效率[12-13]。設(shè)計過程中，當機具工作時，機具前進的距離就應該是需要回收的地膜長度，挑膜輥的轉(zhuǎn)速大于地輪的轉(zhuǎn)速，但不能過大。挑膜滾筒的直徑和轉(zhuǎn)速與地輪的直徑及機具的工作速度有關(guān)系。圖3為A—B的運動分析圖。

圖3 挑膜齒的運動分析Fig.3 Motion analysis of picking teeth

由圖3得

式中L—兩挑膜輥的間距(mm)；

r—挑膜輥的半徑(mm)；

V1—挑膜輥的線速度(mm/s)；

d—齒長度(mm)。

挑膜輥上的齒間距需要保證膜過起膜叉排，挑膜齒能夠拉扯上地膜，根據(jù)地輪到挑膜輥的傳動比，計算兩挑膜齒的間距。取機具行駛速度V為2.49～5km/h，計算最小齒間距距離L>207mm，取L齒=210mm，則

V1=2πr2n

i=r1V/r2V1

L=V2·T

式中V—地輪的轉(zhuǎn)速(m/s)；

V1—挑膜輥的線速度(m/s)；

r1—挑膜輥直徑(mm)；

r2—地輪直徑(mm)；

L—兩挑膜齒間距(mm)；

V2—挑膜輥的速度(m/s)；

T—時間(s)。

2.2 起膜叉排的設(shè)計

2.2.1 起膜部件

起膜鏟的作用是將地膜從地表托起，使其在起膜鏟上滑移，進入拾膜部件的工作區(qū)域，為挑膜順利進行創(chuàng)造有利條件，能夠使鋪膜區(qū)域的土壤疏松，減少挑膜的阻力，使拾膜部件順利工作[14]。

起膜鏟前進是入土作業(yè)，將地膜托起的同時，田間的復雜地況會影響到起膜鏟的工作，使拾膜部件的拾膜工作無法正常進行。因此，起膜部件的設(shè)計應該考慮：①具有一定的強度或剛度，能夠保證田間工作順利；②能夠使地膜順利在鏟面運動。起膜鏟受力分析如圖4所示。

圖4 起膜鏟受力圖Fig.4 Stress diagram of film shovel

起膜鏟處于受力平衡狀態(tài)時，其平衡方程為

Fcosα-f-Gsinα=0

FN-Gcosα-Fsinα=0

f=uN

式中F—起膜鏟所受工作阻力(N)；

FN—起膜鏟所托殘膜及雜物反作用力(N)；

G—所托殘膜和雜物的重力(N)；

f—起膜鏟上刃面對所托地膜和雜物的摩擦力(N)；

α—起膜鏟入土角(°)。

入土角過大，起膜鏟托起的地膜和雜物將會壅堵在起膜鏟上，導致工作阻力的增加，增大能量消耗；入土角過小，則起膜鏟不能將殘膜托起至一定的高度，從而影響整機的作業(yè)效果。根據(jù)文獻及試驗，起膜鏟入土角α取10°～35°時起膜效果最好[13-14]，本設(shè)計取入土角α=11°。

2.2.2 起膜叉排設(shè)計

起膜叉排是保證拾膜機構(gòu)順利拾膜的關(guān)鍵部件，起膜叉排由不同尺寸的起膜鏟構(gòu)成。作用是托起地膜，疏松土塊。起膜鏟起膜插排的整體設(shè)計排布方式采用如圖5所示的三角形排布，起膜叉排的地膜在挑膜齒的拉動同時，提升段的土塊能沿著起膜插排左右兩側(cè)下滑，不在地膜中間部位積累，阻礙地膜的回收，中間往左右兩側(cè)分帶一定的傾角。

整體寬度為D，叉排入土傾角為α,叉排的間距為L，其要求為：①齒間能夠入土20～30mm，并且能夠保持地膜在起膜鏟上順利向上運動。根據(jù)當前新疆棉花等作物鋪膜種植模式(株距10cm、行距66cm、兩邊覆土壓膜各7.5cm)[15]，設(shè)計相鄰起膜鏟間距為120mm，此間距便于土壤從間隙中順利地通過，減小擁堵和動力損耗。②將設(shè)計的起膜叉排位于整機的最前方，起膜鏟由直徑為10mm厚的鋼板折彎而成，整個叉排寬度D為1 020mm；為了叉排便于入土，前端制作成尖狀與地面有一定的入土角，據(jù)整機設(shè)計空間結(jié)構(gòu)要求，起膜鏟的傾角α取10°～15°，設(shè)計時取11°。③叉排的長度影響地膜的挑膜效果，長度不易過長，叉排較長，地膜不能夠順利輸送到頂端。因此，取起膜鏟最大長度為d2=21cm，最小長度d1=17cm。

1.起膜鏟 2.機架圖5 起膜插排簡圖Fig.5 The membrane fork line diagram

2.3 機架及仿行部件的設(shè)計

機架選用40mm×40mm×3mm的方管焊接而成，以滿足機具的強度要求。起膜鏟與機架固連在一起，要保證起膜鏟有一定仿形功能和避讓石頭、根茬等功能，因此需要機架仿行。仿行機構(gòu)通過壓縮彈簧與支桿相連，地輪支桿在中間動力軸鉸接，地輪能繞交接中間動力軸處擺一定轉(zhuǎn)角，地輪的上下起伏，使機架隨著地輪進行仿行，保證機架的穩(wěn)定工作，如圖6所示。

1.支桿 2.機架部分 3.彈簧 4.機架部分 5.中間動力軸 6.桿固定塊 7.地輪軸孔處圖6 仿形部件圖Fig.6 Profiling parts

2.4 起膜鏟的有限分析

1)根據(jù)機構(gòu)設(shè)計，起膜鏟是本機構(gòu)的關(guān)鍵工作部件，起膜鏟的合理結(jié)構(gòu)、強度要求及形變量都是關(guān)系到挑膜機構(gòu)能夠順利挑膜的關(guān)鍵，因此對起膜鏟進行有限元分析。

2)根據(jù)初步的計算與設(shè)計，設(shè)計的起膜鏟的形狀如圖7所示。起膜鏟的長度為170～210mm,起膜鏟的高度為100mm，起膜鏟的材料為65Mn，起膜鏟采用焊接方式固結(jié)在40×40mm的方鋼

“謝謝你送給我最完美的禮物。愛骨如你，顯而易見這里的每一塊骨骼是按照人體各部位構(gòu)造安放，各居其位，唯有兩塊骨骼打破規(guī)則，第一塊是你送給我的顱骨，第二塊是最右側(cè)看似不起眼的指骨，指骨主人的出現(xiàn)影響到你日后的人生軌跡嗎？”

3)為了確定起膜鏟的設(shè)計是否合理，取210mm起膜鏟進行有限元分析。

2.4.1 建立有限元模型

起膜鏟的三維有限元模型是在Abaqus/CAE6.14-1模塊建立。對起膜鏟的三維模型進行參數(shù)設(shè)定：楊氏模量為210MPa，泊松比為0.3。網(wǎng)格劃分通過布置種子來控制網(wǎng)格密度，種子的近似全局尺寸設(shè)置為0.01，網(wǎng)格的單元屬性設(shè)置為六面體，劃分技術(shù)為掃掠化網(wǎng)格劃分，設(shè)定算法為進階算法。

2.4.2 分析步定義和載荷定義

在實際工作中，起膜鏟的鏟柄是被固定的，在XYZ三軸方向是固結(jié)的。齒前端部分受到土壤的阻力，會引起起膜鏟的形變。根據(jù)機構(gòu)的整體設(shè)計，起膜鏟尖入土最大深度為40mm,，根據(jù)起膜鏟田間運動受力分析，起膜鏟在土壤中撓動過程中，土壤會給齒前端一個向后的阻力F1和一個支撐力N1。

起膜鏟在土壤中受到的阻力F=Kω·A。其中，Kω為載荷系數(shù),與土壤的緊實度、機具前進速度等有關(guān)系，一般取4.9～9.8N/cm；A為齒接觸土壤面積,這里Kw最大為9.8N/cm2,土壤的阻力為F1=9.8×0.76×1.5=11.2N，N1=9.8×1.5×2.7cos11°=38.9N。

2.4.3 有限元分析的結(jié)果

通過有限元分析，得到起膜鏟的應力應變結(jié)果如圖7所示。在齒柄處的應力值為31.55MPa，而材料的屈服強度為784MPa，取安全系數(shù)為1.5，該材料許用應力[δ]=47.325MPa，因此[δ]<[δ屈]。

圖7 起膜鏟的應力云圖及形變云圖Fig.7 Stressed clouds and deformed clouds

由圖7可以看出：起膜鏟最大變形量在頂端，最大位移值為2.36mm，在許可的范圍內(nèi)，因此符合設(shè)計要求。

3 田間試驗

3.1 試驗條件

在新疆農(nóng)業(yè)大學試驗田進行鏟齒式測力回收機構(gòu)試驗，如圖8所示。取新疆巴州浩天農(nóng)業(yè)科技開發(fā)有限公司生產(chǎn)的聚乙烯吹塑農(nóng)用地面覆蓋薄膜，寬為1 000mm、厚為0.020mm。根據(jù)大田鋪膜要求，對地膜的邊膜及中間部位覆土，邊膜覆土厚度為4～6cm，中間部位覆土厚度為3～5mm。試驗樣機上安裝蚌埠金諾傳感工程系統(tǒng)有限公司JN-DN型動態(tài)扭矩傳感器及300A無紙記錄儀。

圖8 田間試驗圖Fig.8 Field test chart

3.2 試驗方法

路陽紅404拖拉機行駛速度為2.6～5km/h情況下，通過扭矩儀上測得拾起0.020mm地膜被拉起的扭矩。按下列公式計算被拉起需要的力，即

ΔM=M-M空載

ΔM=ΔF負荷·R滾

M輸出=M輸入·i·P

式中ΔM—挑膜機構(gòu)運動和空載時的差值(N·m)；

M—機構(gòu)田間工作時的扭矩(N·m)；

M空載—無拾膜運動時的扭矩(N·m)；

ΔF負荷—挑膜齒上的受力(N)；

R滾—挑膜滾齒輪到受力集中處的距離(mm)；

M輸出—輸出扭矩(N·m)；

M輸入—輸入扭矩(N·m)；

i—傳動比；

P—傳動效率；

3.3 試驗結(jié)果

1)試驗結(jié)果如表1所示。試驗結(jié)果表明：作業(yè)速度在2.5～5km/h時，地膜被拉起力為45.93～77.92N。

表1 試驗結(jié)果Table 1 The test results

2)在裝置拾膜順利工作過程中，裝置的轉(zhuǎn)速越低，扭矩越小，轉(zhuǎn)速越快，扭矩越高；轉(zhuǎn)速逐漸增加，田間土塊會在膜上堆積，一方面造成裝置地輪運動不穩(wěn)定，另一方面使膜面積累積的土塊較多，使地膜拉扯出地表的受力增大，導致轉(zhuǎn)速和扭矩的波動。

4 結(jié)論

1) 采用了鏟齒式的回收方式，結(jié)構(gòu)簡便，能耗較低，能夠順利地完成起膜作業(yè)并測得挑膜力大小。

2)設(shè)計了鏟齒式回收方式的主要參數(shù)：起膜鏟入土角為10°～15°；輸膜傾角為36°；起膜叉排的排布為三角排布,齒間距為210mm。同時，通過Abaqus靜力學分析驗證了起膜鏟結(jié)構(gòu)的合理。

3)田間試驗表明：裝置轉(zhuǎn)速越低，扭矩越小，轉(zhuǎn)速越快，扭矩越高；拉起0.020mm地膜在田間被拉起力為45.93～77.92N。