導向伸縮式殘膜撿拾裝置設計與試驗

趙昱宇　謝建華　曹肆林　趙維松　張雁鴻　周金豹

摘要：針對傳統(tǒng)伸縮桿齒式殘膜撿拾裝置可靠性差、撿拾率低、纏膜率高等問題，基于定心直動滾子凸輪機構，設計一種導向伸縮式殘膜撿拾裝置。根據(jù)殘膜撿拾的工作要求對撿拾裝置關鍵部件進行設計，確定殘膜撿拾裝置中凸輪導軌盤、拾膜滾筒以及彈齒軸總成的主要結構參數(shù)。為驗證撿拾裝置作業(yè)性能，以機具前進速度、拾膜滾筒轉速、彈齒入土深度為試驗因素，以拾膜率和纏膜率為試驗指標開展正交試驗。試驗結果表明：影響拾膜率和纏膜率的因素主次順序均為拾膜滾筒轉速、彈齒入土深度、機具前進速度，較優(yōu)參數(shù)組合為拾膜滾筒轉速55r/min、彈齒入土深度40mm、機具前進速度4km/h。在較優(yōu)參數(shù)組合下進行田間驗證試驗，結果表明，拾膜率為88.87%，纏膜率為1.51%，滿足殘膜回收作業(yè)要求，為導向伸縮式殘膜撿拾裝置的結構設計、優(yōu)化提供參考。

關鍵詞：殘膜回收；撿拾裝置；凸輪導軌盤；彈齒軸總成；正交試驗

中圖分類號：S223.5文獻標識碼：A文章編號：20955553 （2023） 11001407

Design and test of guided telescopic film pickup device

Zhao Yuyu Xie Jianhua Cao Silin Zhao Weisong Zhang Yanhong Zhou Jinbao

（1. College of Mechanical and Electronical Engineering， Xinjiang Agricultural University， Urumqi， 830052， China；

2. Xinjiang Key Laboratory of Intelligent Agricultural Equipment， Urumqi， 830052， China； 3. Mechanical Equipment

Research Institute， Xinjiang Academy of Land Reclamation Sciences， Shihezi， 832000， China； 4. Nanjing Institute

of Agricultural Mechanization， Ministry of Agricultural and Rural Affairs， Nanjing， 210014， China）

Abstract：Aiming at the problems of poor reliability， low film pickup rate and high wrapping rate of the traditional telescopic pole tine type film pickup device， a guided telescopic film pickup device was designed based on the centered direct-action roller cam. The key components of the pickup device were designed according to the working requirements of film picking， and the main structural parameters of the cam guide disc， pickup drum and spring tooth shaft assembly in the film pickup device were determined. In order to verify the operational performance of the pickup device， orthogonal tests were conducted with the machine advancing velocity， the speed of the film pickup roller， and the depth of the teeth into the soil as the test factors， and the film pickup rate and film wrapping rate as the test indexes. The test results showed that the primary and secondary factors affecting the film pickup rate and wrapping rates were the speed of the film pickup roller， the depth of the bullet teeth into the soil and the machine advancing velocity. The optimal operating parameters were the speed of the film pickup roller by 55 r/min， the depth of the bullet teeth into the soil by 40 mm and the machine advancing velocity by 4 km/h. The results showed that the film pickup rate was 88.87% and the film wrapping rate was 1.51%， which satisfied the requirements of the residual film recovery operation. The research results can provide reference for the structural design and optimization of the guided telescopic film pickup device.

Keywords：residual film recovery; pickup device; cam guide discs; spring tooth shaft assembly; orthogonal test

0引言

撿拾裝置作為殘膜回收機械的核心部件，其工作性能是影響殘膜回收效果的關鍵［13］。歐美發(fā)達國家常采用的厚地膜其力學特性較優(yōu)，多采用卷收方式回收地膜［46］，如Parry［9］研制的卷膜機，但該機型僅適用于對厚地膜回收，且收膜時間要求苛刻，新疆地區(qū)所使用的地膜普遍較薄，抗拉強度較低，不適用于卷收方式回收，因此國外研制卷膜機等成熟產品難以直接用于地區(qū)地膜回收作業(yè)。當前，國內自主研制的殘膜回收機其撿拾裝置主要有彈齒式、輪齒式、鏈耙式等［78］，伸縮桿齒式撿拾裝置通常采用凸輪或偏心機構來控制拾膜齒位姿，但其存在結構復雜、故障率高、纏膜率高等問題。為提高撿拾裝置可靠性，降低纏膜率，陳發(fā)等［9］借助MATLAB實現(xiàn)了對固定凸輪殘膜撿拾機構的優(yōu)化，提高了撿拾機構工作穩(wěn)定性；劉旋峰等［10］設計的弧線往復式挑膜裝置拾膜效果較優(yōu)，通過在整機中增設送膜輪裝置，實現(xiàn)二次脫膜，可在一定程度上降低纏膜率；劉進寶等［11］基于雙曲柄工作原理設計的新型桿齒滾筒式殘膜撿拾機拾膜效果好，但對作業(yè)前膜面清雜情況要求較高。

伸縮桿齒式撿拾裝置膜雜分離效果好，拾膜率較高。本文基于伸縮桿齒式撿拾裝置工作原理，設計了導向伸縮式殘膜撿拾裝置，滾筒側板U型槽配合凸輪導軌盤滑道實現(xiàn)對彈齒總成的位姿控制，可有效避免彈齒伸出滾筒時沿彈齒安裝軸軸向轉動大對滾筒罩殼造成沖擊導致滾筒罩殼損壞問題發(fā)生，研制樣機并進行田間試驗，為進一步優(yōu)化導向伸縮式殘膜撿拾裝置的設計提供參考。

1導向伸縮式撿拾裝置結構與工作原理

導向伸縮式撿拾裝置主要由凸輪導軌盤、拾膜滾筒和彈齒軸總成組成，結構如圖1（a）所示。滾筒側板及支撐板的U型槽將彈齒總成隔開，滾筒罩殼焊接在滾筒側板及支撐板外沿，其上脫膜孔與彈齒總成同步轉動；凸輪導軌盤通過連接板焊接在機架上，與U型槽共同控制彈齒總成位姿。

該撿拾裝置拾膜時，主要分為4個階段：準備過程—拾膜過程—輸膜過程—脫膜過程，撿拾裝置工作過程如圖1（b）所示。田間作業(yè)時，拖拉機牽引機具前進，動力由拖拉機動力輸出軸經減速器減速后驅動鏈傳動系統(tǒng)，帶動導向伸縮式撿拾裝置轉動，彈齒總成在拾膜滾筒、凸輪導軌盤、滾筒側板和支撐板U型槽限制下，沿U型槽由滾筒內向滾筒外運動，直至彈齒桿達到滿足作業(yè)需求的最大伸出量完成準備過程；拾膜過程滾筒帶動彈齒總成順時針轉動挑起地膜；脫膜過程彈齒總成沿U型槽從滾筒外向滾筒內運動，直至彈齒桿完全縮入滾筒內部，在滾筒罩殼脫膜孔的作用下，殘膜從彈齒桿脫落進入后側打包裝置，完成殘膜撿拾作業(yè)。

2關鍵部件設計

2.1凸輪導軌盤

凸輪導軌盤是撿拾裝置完成殘膜撿拾作業(yè)的關鍵部件，其基本參數(shù)和輪廓曲線設計直接決定和影響彈齒軸總成的運動規(guī)律，進而控制不同階段彈齒軸總成位姿，最終影響作業(yè)性能。

2.1.1基本參數(shù)設計

2.1.2輪廓曲線設計

2.2拾膜滾筒

拾膜滾筒結構如圖3所示，其主體部分由滾筒側板支撐板連接板、滾筒側板支撐板、擋護板連接板、滾筒支撐板、擋護板、滾筒側板和滾筒主軸組成。

殘膜撿拾過程中滾筒側板上的U型槽與凸輪導軌盤共同控制彈齒軸總成位姿；脫膜孔尺寸直接影響機具的作業(yè)性能，故需確定U型槽和脫膜孔關鍵參數(shù)。

2.2.1滾筒側板關鍵參數(shù)確定

2.2.2滾筒罩殼設計

2.3彈齒軸總成

經田間測量可知，殘膜經集條作業(yè)后膜道寬度為800～1000mm，取單個彈齒距離為100mm，相鄰兩彈齒間距為200mm，則故每根彈齒軸安裝彈齒為5組（10齒）或5組+半彈齒（11齒）并按照錯齒排布的方式均布在彈齒軸上。

2.4滾筒轉速確定

3田間試驗

3.1試驗條件

試驗在新疆石河子市白龍灘村棉花地開展田間試驗。棉花地秸稈均被粉碎還田，通過鋼板尺測得平均留茬高度11.24cm。試驗地地勢平坦、滴灌帶及其附屬配件均已回收，試驗地塊長約750m，寬約100m，鋪設符合國家標準寬度為2050mm，厚度為0.010mm的農用地膜，鋪膜時間為10月。

試驗配套動力選用科爾KE704B型拖拉機，額定功率51.5kW。試驗設備有電子天平（HZ-C5033，最大稱量500g，最小感量0.001g）、卷尺（量程100m）、光電轉速表（AR926，測量范圍：2.5～99999r/min）、土壤緊實度測定儀（TJSD-750-2）、土壤含水率測定儀（TZS-1K-G）和標簽紙等。測得平均土壤緊實度為1820.21kPa，平均土壤含水率為19.42%。

3.2試驗與方法

3.3試驗結果與分析

由方差分析結果可知，拾膜滾筒轉速對拾膜率和纏膜率的影響為極顯著，彈齒入土深度為顯著因素，機具前進速度有一定影響。拾膜滾筒轉速是影響作業(yè)性能的極顯著因素。當拾膜滾筒轉速增加時，彈齒總成上彈齒的直桿端部線速度增加，在拾膜過程中瞬時速度較大，相鄰彈齒之間的重合度增加，增大了與殘膜的接觸次數(shù)，有利于對殘膜的撿拾，故拾膜率和纏膜率均增大；隨時拾膜滾筒轉速的持續(xù)增大，彈齒總成上彈齒的齒端線速度無法滿足與機具前進速度之間的關系，同時由于拾膜滾筒轉速的不斷增大，彈齒與地膜之間的作用力持續(xù)增加，在拾膜過程容易將殘膜拉斷成更小的片狀，不利于對殘膜的撿拾，導致拾膜率和纏膜率均減小。

彈齒入土深度是影響作業(yè)性能的顯著因素，當彈齒入土深度增加時，地膜在土壤的反作用力下被推至彈齒直桿根部，彈齒出土后彈齒直桿所粘連的土壤顆粒使得地膜與彈齒直桿間摩擦力增大，在輸送過程中不利于脫落，從而導致拾膜率和纏膜率的上升，但彈齒入土深度過深時，在撿拾過程中彈齒會發(fā)生嚴重變形，增加作業(yè)阻力，影響作業(yè)性能及彈齒自身壽命；反之，彈齒直桿與地膜接觸不充分，不利于對地膜的撿拾，導致拾膜率和纏膜率下降。

當機具行進速度增加時，拾膜釘齒之間的運動重合度增加，對地膜的撿拾次數(shù)相應的提高，所以拾膜率和纏膜率呈上升趨勢，當機具前進速度繼續(xù)增加時，機具前進速度將大于彈齒總成上彈齒的直桿端部線速度，破壞了連續(xù)作業(yè)的條件，導致拾膜率和纏膜率下降。

根據(jù)導向伸縮式殘膜撿拾裝置性能要求，選取較優(yōu)參數(shù)組合為：拾膜滾筒轉速55r/min，彈齒入土深度40mm，機具前進速度4km/h。

3.4試驗驗證

為驗證較優(yōu)組合的工作效果，將較優(yōu)組合按照3.2節(jié)所述試驗方法進行3次動態(tài)驗證性試驗，結果如表4所示。導向伸縮式殘膜撿拾裝置拾膜率平均值為88.87%，纏膜率平均值為1.51%，在滿足拾膜率的同時具有較低纏膜率，滿足GB/T 25412—2010《殘地膜回收機》關于拾膜率和纏膜率要求。

4結論

1） 為解決撿拾裝置結構復雜、殘膜回收過程中纏膜率高的問題，設計了一種導向伸縮式殘膜撿拾裝置，介紹了主要零部件與工作原理，對凸輪導軌盤進行了分析，確定了滾筒側板U型槽和滾筒罩殼上脫膜孔的結構參數(shù)；根據(jù)運動分析和受力分析得到了撿拾裝置主要工作參數(shù)。

2） 制作物理樣機，以拾膜滾筒轉速、彈齒入土深度和機具前進速度為試驗因素，以拾膜率和纏膜率為試驗指標，進行田間試驗。試驗結果表明，拾膜滾筒轉速對拾膜率和纏膜率影響極顯著，彈齒入土深度對拾膜率和纏膜率影響顯著，機具前進速度對拾膜率和纏膜率具有一定影響。選取較優(yōu)參數(shù)組合為拾膜滾筒轉速55r/min，彈齒入土深度40mm，機具前進速度4km/h，在較優(yōu)參數(shù)組合下平均拾膜率為88.87%，平均纏膜率為1.51%，滿足殘膜回收機具作業(yè)要求。

參考文獻

［1］謝建華， 楊豫新， 曹肆林， 等. 導向鏈耙式地表殘膜回收機設計與試驗［J］. 農業(yè)工程學報， 2020， 36（22）： 76-86.Xie Jianhua， Yang Yuxin， Cao Silin， et al. Design and experiments of rake type surface residual film recycling machine with guide chain ［J］. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering， 2020， 36（22）： 76-86.

［2］康建明， 彭強吉， 王士國， 等. 彈齒式殘膜回收機撿拾裝置改進設計與試驗［J］. 農業(yè)機械學報， 2018， 49（S1）： 295-303.Kang Jianming， Peng Qiangji， Wang Shiguo， et al. Improved design and experiment on pickup unit of spring-tooth residual plastic film collector ［J］. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery， 2018， 49（S1）： 295-303.

［3］謝建華， 張鳳賢， 陳學庚， 等. 弧形齒滾扎式殘膜回收機的設計及參數(shù)優(yōu)化［J］. 農業(yè)工程學報， 2019， 35（11）： 26-37.Xie Jianhua， Zhang Fengxian， Chen Xuegeng， et al. Design and parameter optimization of arc tooth and rolling bundle type plastic film residue collector ［J］. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Engineering， 2019， 35（11）： 26-37.

［4］Cheale D， Randall B E， Martin E T. Baling machine ［P］. US Patent： 4198904， 1980-04-22.

［5］Brooks T W. Apparatus for recycling previously used agricultural plastic film mulch ［P］. US Patent： 54535224， 1997-06-03.

［6］Tuna E. Producing biodegradable plastics using activated-sludge polyhydroxyalkanoates in mixed composition ［M］. University of California， Davis， 2012.

［7］Parry J R. Farm machine for removing protective ground covers from a cultivated field ［P］. US Patent： 3687392， 1972-08-29.

［8］段威林. 桿齒式拾膜卸膜機構的改進設計與試驗研究［D］. 烏魯木齊： 新疆農業(yè)大學， 2018.Duan Weilin. The improved design of pole-tooth picking up and unloading film mechanism and experimental study ［D］. Urumqi： Xinjiang Agricultural University， 2018.

［9］陳發(fā)， 史建新， 趙海軍， 等. 固定凸輪殘膜撿拾機構的優(yōu)化設計［J］. 農業(yè)機械學報， 2005（12）： 43-46.Chen Fa， Shi Jianxin， Zhao Haijun， et al. Optimum design of fixing cam combination mechanism for collecting plastic residue ［J］. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery， 2005（12）： 43-46.

［10］劉旋峰， 石鑫， 郭兆峰， 等. 滾筒式殘膜回收機的性能試驗研究［J］. 農業(yè)工程學報， 2017， 33（16）： 26-31.Liu Xuanfeng， Shi Xin， Guo Zhaofeng， et al. Performance test on roller type residual film recycling machine ［J］. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering， 2017， 33（16）： 26-31.

［11］劉進寶， 鄭炫， 趙巖， 等. 新型桿齒滾筒式殘膜撿拾機構的設計與試驗［J］. 干旱地區(qū)農業(yè)研究， 2017， 35（6）： 300-306.Liu Jinbao， Zheng Xuan， Zhao Yan， et al. Design and experiment of a new rod-tooth-roller plastic film residue collector ［J］. Agricultural Research in the Arid Areas， 2017， 35（6）： 300-306.

［12］孫恒， 陳作模， 葛文杰. 機械原理［M］. 北京： 高等教育出版社， 2013.

［13］石明村， 劉明政， 李長河， 等. 凸輪搖桿雙向擠壓核桃破殼裝置設計與試驗［J］. 農業(yè)機械學報， 2022， 53（1）： 140-150.Shi Mingcun， Liu Mingzheng， Li Changhe， et al. Design and experiment of cam rocker bidirectional extrusion walnut shell breaking device ［J］. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery， 2022， 53（1）： 140-150.