立桿式摟膜機自助力卸膜機構設計

王立強,胡 斌,李衛敏,付 磊,王 歡

(1.石河子大學 機械電氣工程學院,新疆 石河子 832000;2.寧波神通模塑有限公司,浙江 寧波 315000)

0 引言

地膜覆蓋技術有培肥地力、增溫保墑、抑制雜草、促進作物早熟及提高作物產量等作用[1-4]。據中國統計年鑒(2014)統計,我國當前地膜覆蓋面積超過1 700萬hm2,年平均地膜用量約258萬t[5]。隨著地膜覆蓋技術的推廣與發展,田間未能及時回收的殘膜給農業生態環境造成“白色污染”日益嚴重,大量殘膜存在于土壤中阻礙農作物吸收養分,影響農作物的正常種植和生長,降低了農機具的工作效率[6-8]。根據新疆兵團環境部門測定,種子播于殘膜上,爛種率達6.92%,爛芽率5.17%;連續覆膜3～5年的土壤,種植棉花產量下降10%～23%[9]。

目前,殘膜污染治理方式有人工回收、使用可降解地膜及機械回收3種方式[10]。其中,人工撿拾適用于一些山區和小田耕作的地方,勞動強度大、局限性大、無法規模化[11-12];可降解地膜在實際生產中,存在厚度大、強度不夠、易碎、透光度低、保溫性差及降解速度不穩定等缺點,且成本是普通地膜的數倍[13-14];機械回收不僅可以降低勞動強度、實現殘膜回收規模化,而且能提高殘膜回收率,已經成為治理殘膜污染的重要途徑[15]。

我國現有的殘膜回收機中,摟膜機是當前國內應用較廣泛的殘膜回收機機型,其摟膜率高、結構簡單、成本低廉、質量可靠[16]。摟膜機卸膜時,通常需要依靠外力(液壓力等)完成,而在實際作業過程中,運用液壓力進行卸膜時,摟膜彈齒與卸膜桿頻繁干涉,經常造成機具的機械損傷,增加機具的維護成本,嚴重影響摟膜機的工作效率[17-18]。因此,研究摟膜機自助力卸膜機構,分析探討卸膜機理,可促進殘膜回收機械化進程,為后期摟膜機的設計研發提供了借鑒。

1 自助力卸膜機構的結構與原理

自助力卸膜機構由機架、摟膜彈齒、彈齒夾板、防護罩、卸膜格柵、連桿、整地滾筒支架及整地滾筒組成,如圖1所示。其中,摟膜彈齒通過彈齒夾板螺栓連接固定于機架上;防護罩螺栓連接固定于機架上;卸膜格柵和整地滾筒機架主軸兩端分別裝有軸承,通過螺釘連接軸承端蓋將其與機架相連,連桿以鉸鏈接的方式將卸膜格柵和整地滾筒支架連接起來,構成平行四桿結構。

作業時,摟膜機懸掛于拖拉機的后方。摟膜時,通過控制懸掛裝置的位置,使摟膜彈齒和整地滾筒分別與地面接觸,摟膜彈齒開始摟膜,而整地滾筒由于地面的阻力作用,通過四桿機構傳導,使卸膜格柵始終處于摟膜彈齒的上方,不干涉摟膜彈齒摟膜;摟膜機卸膜時,控制拖拉機懸掛裝置將摟膜機整體傾斜提高,整地滾筒所受所有作用力的合力通過四桿機構傳導至卸膜格柵,從而對摟膜彈齒上的殘膜起到卸膜作用。

1.機架 2.摟膜彈齒 3.彈齒夾板 4.防護罩 5.卸膜格柵

2 自助力卸膜機構的受力分析與相關參數確定

2.1 摟膜彈齒的受力分析

摟膜彈齒在摟膜過程中,不同的入土深度受力是不同的,即彈齒入土前和入土后的入土角不同[19-21]。圖2為彈齒入土后的受力情況。彈齒受到機架的牽引力、與彈齒前進方向相反的阻力、土壤的反作用力和摩擦力、彈齒上方土壤及纏繞在彈齒上雜物的重力的作用。摟膜機作業保持勻速直線運動時,根據受力平衡方程可以得到以下關系式,即

T0+N0sinα-F0-f0cosα=0

(1)

G0-N0cosα-f0sinα=0

(2)

其中,T0為耙齒受到機架的牽引力(N),F0為與耙齒前進方向相反的阻力(N),N0土壤對于耙齒的反作用力(N),f0為耙齒受到土壤的摩擦力(N),G0為耙齒上方土壤及纏繞在耙齒上雜物的重力(N),α為耙齒的入土角。由于f0=μ0N0,將式(1)和式(2)進行合并,可得

(3)

如圖2所示:彈齒入土角α的大小影響其入土深度,從而影響彈齒的摟膜效率。當彈齒為整個半圓結構時(耙齒的入土角為0°),彈齒受到地面的支持力過大,易造成彈齒變形,影響彈齒的入土深度和摟膜效率。所以,彈齒的前端應當距離半圓有一定的距離,且應保持一定長度的直線結構,使彈齒作業時入土角的變化在合理范圍之內[22-24]。由于彈齒在摟膜作業時,容易產生變形,所以要定期地檢查彈齒,并對損壞的彈齒進行檢修更換。

圖2 耙齒受力分析

2.2 自助力卸膜機構的受力分析

取自助力卸膜機構作為研究對象,給出結構簡圖,如圖3所示。摟膜機采用三點懸掛方式進行摟膜作業,其懸掛機構簡化為含有上下懸掛點的連桿,摟膜機上懸掛機構、限深輪、摟膜彈齒與摟膜機架固定在一起,自助力卸膜機構與摟膜機架由3個旋轉副鏈接,自助力卸膜機構相關活動桿件連接部位由旋轉副進行連接,對自助力卸膜機構在摟膜和卸膜過程中的受力情況進行分析,可為后期自助力卸膜機構的尺寸參數設計優化提供依據[25-26]。

圖3 自助力卸膜機構簡圖(摟膜)

摟膜機摟膜時,由于拖拉機懸掛裝置和摟膜機限深輪的共同作用,使摟膜彈齒的入土深度在合理范圍內,整地滾筒在地面上滾動,對自助力卸膜機構產生向后的拉力,使卸膜格柵處于摟膜彈齒上方。當卸膜桿與摟膜彈齒相切時,可得卸膜桿與摟膜彈齒互不干涉的最大夾角。如圖3所示,卸膜桿與摟膜機架的夾角β,當卸膜桿與摟膜彈齒相切時,根據卸膜桿的安裝位置和相關部件的設計尺寸可得卸膜桿與摟膜彈齒互不干涉的最大夾角β=27°。

摟膜機卸膜過程時,隨著摟膜機架仰角變化,摟膜機被整體傾斜抬升,自助力卸膜機構后方的整地滾筒所受作用力,通過四桿機構傳遞至卸膜格柵,使卸膜格柵沿著摟膜彈齒進行卸膜。

取自助力卸膜裝置中的整地滾筒為研究對象,對其進行受力分析,并將整地滾筒所受的力沿水平方向和垂直方向進行力的分解,如圖4所示。根據受力平衡方程可得

Tsinθ-μN=F

(4)

Tcosθ+N-G=0

(5)

其中,G為整地滾筒自身的重力(N),N土壤對整地滾筒的反作用力(N),f為整地滾筒受到土壤的摩擦力(N),T為整地滾筒受到滾筒支架的牽引力(N),F為整地滾筒所受合力(N),θ為卸膜桿與豎直方向的夾角。 由于f=μN,將式(4)和式(5)進行合并,可得

F=T(sinθ+μcosθ)-μG

(6)

圖4 自助力卸膜機構簡圖(卸膜)

圖4中,摟膜機架的仰角為δ。卸膜桿由于自助力卸膜機構的作用,沿摟膜彈齒卸膜至彈齒前端,此時δ為摟膜機架仰角的極角,根據余弦公式可得

(7)

(8)

其中,b和c為自助力卸膜機構中兩桿的桿長(mm),a為兩轉動點距離(mm)。

在摟膜機卸膜過程中,由于摟膜機架仰角δ變化,自助力卸膜機構通過整地滾筒所受合力作用,使卸膜格柵對摟膜彈齒間的殘膜進行卸膜。由于整地滾筒的自重和自助力卸膜機構的桿長為定值,卸膜格柵對摟膜彈齒間殘膜的壓力小于整地滾筒自重,有效避免了殘膜擁堵卸膜桿強制卸膜造成的機件變形。

卸膜桿對摟膜彈齒上的殘膜進行卸膜時,殘膜力作用如圖5所示。

卸膜桿相對于摟膜彈齒的安裝位置用h和L表示,摟膜彈齒的曲率半徑用r表示,運用相關三角函數公式可得β與ω的關系式為

(9)

對彈齒間殘膜所受力進行受力分析可得

T1-F1sinω+G1cos(ω+θ)=0

(10)

F2=G1sin(ω+θ)+F1cosω-f1

(11)

其中,β為摟膜機架與卸膜桿之間的夾角,ω為卸膜桿與彈齒間殘膜法相方向的夾角,r為摟膜彈齒的曲率半徑(mm),h為卸膜桿旋轉副相對于彈齒安裝點的縱向距離(mm),L為卸膜桿旋轉副相對于彈齒安裝點的橫向距離(mm),G1為整地滾筒自身的重力(N),f1為整地滾筒受到土壤的摩擦力(N),T1為整地滾筒受到滾筒支架的牽引力(N),F1為整地滾筒所受合力(N),F2為整地滾筒所受合力(N)。由于f1=μ1·T1,對式(10)、式(11)進行合并,簡化可得

F2=G1[sin(ω+θ)+μ1cos(ω+θ)]+
F1(cosω-μ1sinω)

(12)

由杠桿原理可得

(13)

綜合式(6)、式(12)和式(13)得

(14)

由式(14)可得:在自助力卸膜機構卸膜的過程中,卸膜桿在對摟膜彈齒間殘膜進行卸膜時,摟膜彈齒相對于卸膜桿安裝位置d和L由設計方案決定,其變化范圍小,相關摩擦因數μ和μ0為作業時的環境參數,不影響合力F2大小。通過關系式可看出,合力F2受摟膜彈齒曲率半徑r和整地滾筒重力G的影響。

3 田間試驗與結果分析

3.1 試驗條件及指標

為驗證仿真結果的正確性及確定摟膜彈齒曲率半徑、卸膜桿與彈齒間距(桿齒距)、整地滾筒質量對卸膜率的影響,對摟膜機的自助力卸膜裝置進行試驗。本文通過田間試驗的方式研究摟膜彈齒曲率半徑、卸膜桿與彈齒間距(桿齒距)、整地滾筒質量3個因素變化對自助力卸膜裝置卸膜率的影響[27-28]。

試驗地點為新疆農八師149團,時間為2017年10-11月,試驗田為一膜六行的棉花地。在棉花處于立稈狀態下進行收膜試驗,棉花地的地膜為秋后殘膜,地膜寬度為2 300mm,厚度0.01mm,摟膜機先進行摟膜,再進行自助力卸膜試驗。卸膜率為

(15)

其中,W為一次性卸膜率,m1為一次性卸膜后所卸下來的殘膜質量(kg),m2為一次性卸膜未卸下來的殘膜質量(kg)。

卸膜過程運行平穩、一次性卸膜率高是衡量機構卸膜率高的指標。進行卸膜試驗時,將摟膜機自助力卸膜機構卸膜后,所卸下來的殘膜進行清洗、晾干,并用電子秤進行稱重和記錄數據;摟膜彈齒上未卸下來的殘膜由人工進行卸膜,并進行清洗、晾干、稱重和數據記錄。將自助力卸膜機構卸下來的殘膜質量與殘膜的總質量相比,得出機具的一次性卸膜率。

3.2 試驗過程及結果

在卸膜過程中存在很多影響殘膜卸膜率的非線性因素,通常需要用二次或更高次的模型逼近響應,模型可采用響應面法來建立[29-31]。根據分析及經驗,摟膜彈齒曲率半徑、卸膜桿與彈齒間距(桿齒距)、整地滾筒質量為影響卸膜率的重要因素,為便于數據分析和記錄,響應面分析中將這3個因素分別用X1、X2、X3表示,一次性卸膜率作為評價指標用Y表示。

通過分析可知:摟膜彈齒曲率半徑過小,殘膜從彈齒上卸下的變形量將增加,加大了自助力卸膜裝置卸膜時的負荷,影響自助力卸膜裝置的卸膜效率;摟膜彈齒曲率半徑過大,不僅在一定程度上增加了設計成本,還影響彈齒強度和卸膜效果,所以試驗時摟膜彈齒曲率半徑應當在一定合理范圍內,即分別為200、210、220mm。桿齒距過小會增加卸膜桿卸膜時的工作阻力,造成摟膜彈齒的變形;桿齒距過大卸膜桿不能進行有效的卸膜,所以試驗時桿齒距分別為1、2、3mm。整地滾筒過重增加了機具設計制造成本,整地滾筒過輕通過四桿機構傳遞至卸膜桿上的作用力小,卸膜桿不能順利完成卸膜動作,所以試驗時整地滾筒的質量分別為3、4、5kg。對各影響因素進行水平編碼,如表1所示。

表1 試驗因素水平

3.3 試驗結果分析

應用軟件Design expert對表2中的數據進行擬合和方差分析,可得回歸系數和顯著性檢驗如表3所示。摟膜機自助力卸膜機構一次卸膜率回歸方程為

Y=0.88-0.13X1-0.059X2+0.071X3+ 0.057X1X2-0.073X1X3-0.09X2X3+ 0.064X12-0.027X22

(16)

表2 實驗結果

續表2

表3 顯著性檢驗

用F檢驗法可得模型的顯著性F=36.96,P<0.000 1,說明二次回歸方程的檢驗顯著;且其失擬性檢F=0.28,P>0.1為不顯著,說明該模型的擬合性非常好,可以用此模型進行摟膜彈齒曲率半徑、卸膜桿與彈齒間距(桿齒距)、整地滾筒質量這3個因素對一次卸膜率的影響效果進行分析和預測。

3.4 影響因素分析及參數優化

通過分析可知:摟膜彈齒曲率半徑、卸膜桿與彈齒間距(桿齒距)及整地滾筒質量對摟膜機自助力卸膜機構的卸膜率均有顯著性影響,且影響強弱次序為:桿齒距>彈齒曲率半徑>整地滾筒質量。其中,桿齒距的影響為極顯著。

自助力卸膜機構的卸膜率是反映自助力卸膜機構卸膜效果的重要指標,在試驗范圍內卸膜率越高越好。應用Design expert的尋優功能對相關數據進行優化,可得各數據的優化結果如表4所示。由表4可知,預測的最佳試驗條件為:桿齒距1.35mm,整地滾筒質量3.23kg,彈齒曲率半徑205.33mm,預測1次性卸膜率為0.957。

表4 優化結果與實際值對比

4 結論

1) 整機能夠在棉立稈模式下,順利進行摟膜卸膜作業。通過關系式和相關經驗,確定影響殘膜卸膜率的主要因素為彈齒曲率半徑、卸膜桿與彈齒間距(桿齒距)及整地滾筒質量。

2) 桿齒距、彈齒曲率半徑、整地滾筒質量對卸膜效果均有顯著影響,且影響強弱關系為:桿齒距>彈齒曲率半徑>整地滾筒質量。應用Design expert的尋優功能進行優化,得到最佳參數組合為桿齒距1.5mm,整地滾筒質量3kg,彈齒曲率半徑205mm。