自走式拾膜輸送機構設計與試驗

付 磊,羅 昕,李衛敏,胡 斌,陳 永,王立強,靳奉奎

(石河子大學 機械電氣工程學院,新疆 石河子 832000)

0 引言

地膜覆蓋技術于20世紀70年代引入我國,由于其具有保墑、增溫、除草、防蟲、增產等功效,在農用生產上得到廣泛應用[1-4]。我國多數地區使用的農膜厚度為0.006～0.008mm,殘膜回收時由于地膜過薄導致老化破損嚴重,大量碎膜殘留在農田中,給后續殘膜回收帶來困難[5-8]。我國實施的新標準規定農膜的最小厚度不小于0.01mm,新地膜標準的實施將大大提高地膜的可重復利用性和可回收性[9-10]。目前,我國殘膜回收機常用的撿拾機構有耙齒式、伸縮桿式、鏈齒式等幾種,大都結構復雜,需拖拉機另外提供動力驅動工作,能耗較高[10-12]。為此,針對一種自走式拾膜輸送機構,不需另加額外動力,利用桿齒與土壤相互作用帶動機構工作,對其進行了結構設計、受力分析和運動分析,并通過Box-Behnken試驗設計建立了以拾膜率為響應值的回歸模型,確定拾膜輸送機構各參數對拾膜率的影響大小,獲取參數最優值。

1 拾膜機構工作原理與結構設計

1.1 結構與工作原理

拾膜輸送機構是殘膜回收機具關鍵工作部件,主要由滾筒、滾筒端蓋、曲軸及伸縮桿齒組組成,如圖1所示。拾膜輸送機構工作時由拖拉機牽引前行,工作深度由拖拉機三點懸掛裝置調節。工作時,伸縮桿齒刺破殘膜扎入土壤,桿齒與土壤相互作用,并在機具前進運動帶動下使桿齒繞其末端轉動,桿齒組繞曲軸轉動并在滾筒接觸帶動滾筒轉動;桿齒出土時帶動殘膜與土壤分離,殘膜隨著滾筒的轉動輸送至脫膜裝置處進行脫膜。

1.伸縮桿齒組 2.曲軸 3.滾筒端蓋 4.滾筒圖1 自走式拾膜輸送機構Fig.1 Self-propelled film pickup and transport mechanism

1.2 結構設計

拾膜輸送機構在撿拾殘膜過程時,要求伸縮桿齒連續轉動且不漏撿,前一個桿齒末端出土時應是下一個桿齒末端入土時。此時,桿齒轉過角度θ,需要的時間為t。拾膜輸送機構結構簡圖如圖2所示。由圖2得

圖2 拾膜輸送機構結構設計簡圖Fig.2 Design sketch of film pickup and transport mechanism

R+l=L×cosθ+h1

R-l=L×cosθ-h2

vt=Ltanθ

h1=L(1-cosθ)

2θ=2π/z

式中R—滾筒半徑;

l—偏心距;

L—桿齒長度;

h1—桿齒入土深度;

h2—滾筒與地面距離;

z—桿齒個數。

綜上可以得出,只要機具的行走速度v、桿齒的入土深度h1、桿齒長度L及桿齒個數z確定,就可使機構具有連續運動和持續撿膜的功能。

2 拾膜機構運動分析與受力分析

2.1 運動分析

運動分析是為了尋找當機具穩定工作時伸縮桿齒的運動規律,以便確定拾膜輸送機構的合理運動參數。拾膜輸送機構運動分析如圖3所示。圖3中,拾膜輸送機構從O1位置至O2位置為入土過程,O2位置至O3位置過程為出土過程。伸縮桿齒隨機具的行走

圖3 拾膜輸送機構運動分析Fig.3 Motion analysis of film pickup and transport mechanism

速度v一起移動,同時又以ω繞曲軸做轉動。在工作過程中,伸縮桿齒與滾筒相對擺動角度經分析為14°。

當機構從位置O1至位置O2時,也就是桿齒末端從開始入土點A1至入土最低點A2的過程。假設伸縮桿齒入土過程的時間為t1,可得桿齒末端軌跡方程為

對以上方程組求導可得到桿齒末端速度和加速度方程組為

當機構從位置O2至位置O3時,也就是桿齒末端從入土最低點A2至出土點A3的過程。假設伸縮桿齒出土過程的時間為t2,可得桿齒末端軌跡方程為

求導可得到桿齒末端速度和加速度方程組為

式中v—機具前進速度;

φ—桿齒初始位置角;

L—桿齒長度;

ω—桿齒轉動角速度。

根據工作過程可知:桿齒末端處于最低位A2(即機構位于O2位置)時,桿齒末端速度為0,此時v=Lω。

2.2 受力分析

機構在工作過程中的受力分析如圖4所示。在桿齒入土時對桿齒進行受力分析目的是使桿齒易于刺破殘膜并便于入土,桿齒在入土時刻桿齒受力為

圖4 拾膜輸送機構受力分析Fig.4 Force analysis of film pickup and transport mechanism

在桿齒出土時對桿上殘膜進行受力分析目的是防止殘膜從桿齒脫落,桿齒在出土時桿齒上殘膜所受力為

3 搭建試驗臺架與試驗分析

為了驗證理論分析的正確性和各參數因素水平對機構拾膜率的影響,對拾膜輸送機構進行試驗研究。由于田間試驗研究復雜且周期較長,因此利用搭建試驗臺架模擬田間實際工作狀態,探究各個參數因素對機構拾膜率的影響大小。試驗在拾膜機構試驗臺上進行,試驗土壤濕度為10%～20%。選取厚度為0.01mm農用新標準地膜,試驗過程中稱重選用精度為0.01g的電子秤。

3.1 試驗評價指標

拾膜輸送機構作業效果的主要評價指標是拾膜率,計算公式為

式中τ—拾膜機構的拾膜率;

m1—拾膜機構撿拾的地膜質量;

m2—拾膜機構未撿拾的地膜質量。

3.2 參數的選擇及試驗設計

通過對拾膜輸送機構的的結構設計及運動分析,擬選定機具前進速度v、桿齒入土深度h1、桿齒出土角度β為試驗因素,探究試驗因素匹配變化對機構拾膜率的影響,確定機構工作時最優參數組合。進行臺架試驗時,保持所涉及的其他參數不變,如機構的其他尺寸、土壤的參數等均保持不變。根據理論分析和實際工作,初步選定參數因素取值范圍為:機具前進速度v為0.6～1.0m/s,桿齒入土深度h1為80～120mm,桿齒出土角度β為20°～35°。根據Box-Behnken設計的響應曲面試驗設計三因素三水平回歸正交試驗,試驗方案包含17個試驗點,有12個分析因子及5個零點估計誤差。試驗確定的因素水平表如表1所示,試驗方案設計與試驗結果如表2所示。

表1 試驗因素與水平Table 1 Factors and levels of experiment

表2 試驗方案與試驗結果Table 2 Experimental scheme and results

3.3 試驗結果分析及優化

3.3.1 回歸模型建立與方差分析

運用Design-Expert 8軟件對表2中的試驗數據進行方差分析并建立回歸模型,建立響應指標拾膜率對機具前進速度、桿齒入土深度、桿齒出土角度這3個因素的二次多元回歸方程,即

Y=+90.35-0.91A+0.53B-0.71C+0.000AB-

0.11AC+0.088BC-5.67A2-3.69B2-4.33C2

其中,Y為拾膜率;A、B、C分別為機具前進速度、桿齒出土角度、桿齒入土深度因素編碼值。

對回歸方程進行方差分析,結果如表3所示。拾膜率回歸模型的P<0.000 1,表明回歸模型極其顯著;失擬項P=0.864 7>0.05,表明回歸方程的擬合度較高。因此,機具參數可使用該回歸模型進行優化。

表3 回歸模型方差分析Table 3 Variance analysis of regression model

因素P值的大小反應該因素參數對回歸模型的影響大小。P<0.01表明因素參數對模型影響極其顯著,P<0.05表明因素參數對回歸模型影響顯著[13]。分析表3可得:因素A、A2、B2、C2對回歸模型的影響極其顯著,因素B、C對回歸模型的影響顯著,因素AB、AC、BC對回歸模型的影響不顯著。各因素參數對回歸模型影響大小從大到小依次為:機具前進速度﹥桿齒入土深度﹥桿齒出土角度。

三因素之間交互作用對拾膜率影響的響應曲面圖如圖5所示。分析圖5可知:各因素對拾膜率的影響均很明顯,且隨著各因素參數值的增加,拾膜率均呈現出先增加后減小的趨勢,因此存在各因素參數最優值。

圖5 因素交互作用對拾膜率的影響Fig.5 Effect of factor interaction on the film pickup rate

3.3.2 參數優化

運用Design-Expert中的Optimization-Numerical模塊對拾膜率進行優化求解,得到拾膜輸送機構最優工作參數為:機具前進速度為0.97m/s,桿齒出土角度為28.03°,桿齒入土深度為98.41mm,拾膜率為90.44%。

4 結論

1) 運用理論分析對拾膜輸送機構進行結構設計、受力分析和運動分析,確定了對機具工作過程有影響的試驗因素及范圍。

2) 設計了三因素三水平試驗,利用Design -Expert數據分析軟件建立了機具工作參數(機具前進速度、桿齒出土角度、桿齒入土深度)對拾膜率的回歸方程,確定了因素參數對拾膜率影響大小從大到小依次為:機具前進速度、桿齒入土深度、桿齒出土角度。

3) 運用Design-Expert軟件對拾膜率進行最優求解,得到3個因素參數的最優組合:當機具前進速度為0.97 m/s、桿齒出土角度為28.03°、桿齒入土深度為98.41mm時,拾膜率最優。