行星架式伸縮桿齒拾膜機構(gòu)的改進設(shè)計及試驗

謝建華，劉鴻智，鞏懷仁，曹曉冉，李建維

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學 ，烏魯木齊　830052；2.北方重工集團有限公司，沈陽　110000)

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行星架式伸縮桿齒拾膜機構(gòu)的改進設(shè)計及試驗

謝建華1，劉鴻智1，鞏懷仁1，曹曉冉1，李建維2

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學 ，烏魯木齊830052；2.北方重工集團有限公司，沈陽110000)

摘要：為了克服伸縮桿齒式拾膜機構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的缺點，對其進行了改進設(shè)計，并對桿齒拾膜軌跡進行了理論和仿真分析。同時，通過土槽臺架試驗系統(tǒng)對影響機構(gòu)拾膜性能的機具行進速度、拾膜桿齒末端挑膜線速度與機具行進速度比和桿齒入土角度3個主要因素進行了正交試驗。試驗結(jié)果表明：當機具行進速度為0.9m/s、拾膜桿齒末端挑膜線速度與機具行進速度比為1.2、桿齒入土角度為55°時，拾膜率較高。

關(guān)鍵詞：拾膜機構(gòu)；行星架式；仿真分析；正交試驗

0引言

地膜覆蓋技術(shù)自20世紀70年代引進我國以來，憑借其增溫保墑、抑制雜草生長、增加農(nóng)作物產(chǎn)量等優(yōu)點，深受廣大農(nóng)民歡迎。但是，隨著地膜使用量的增多，對環(huán)境的污染越來越嚴重，殘膜的回收已經(jīng)刻不容緩。由于地膜人工撿拾消耗大量人力物力，所以機械撿拾尤為重要?，F(xiàn)有的拾膜機構(gòu)有抖動鏈式拾膜機構(gòu)、彈齒式拾膜機構(gòu)及伸縮桿式拾膜機構(gòu)。其中，通過對伸縮桿式拾膜機構(gòu)的使用和分析，發(fā)現(xiàn)伸縮桿齒式拾膜機構(gòu)拾膜率較高，但其拾膜機構(gòu)比較復(fù)雜、易磨損、工作可靠性差，所使用不是很廣泛[1-2]，且桿齒與滾筒磨損嚴重。本文對伸縮桿齒式拾膜機構(gòu)進行改進，并對影響拾膜性能的桿齒的運動軌跡進行了理論分析和仿真，利用正交試驗優(yōu)化了機構(gòu)工作參數(shù)，為提高殘膜回收機具的研究水平提供基礎(chǔ)。

1結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1行星架式伸縮桿式拾膜機構(gòu)的結(jié)構(gòu)

拾膜機構(gòu)是殘膜回收機的關(guān)鍵工作部件，拾膜機構(gòu)的設(shè)計要符合：①能把土壤表層內(nèi)所有長度大于50mm的殘地膜撿拾干凈；②在撿拾過程中，不能將殘膜二次破壞；③能保證撿拾起的殘膜順利的輸送到下一工作部件[3]。改進后的伸縮桿齒式拾膜機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。

1.帶輪　2.左支架　3.左端主軸　4.太陽輪　5.行星輪　6.曲柄

拾膜機構(gòu)是殘膜回收機的核心機構(gòu)，也是影響拾膜率的決定性因素。行星架式伸縮桿式拾膜機構(gòu)為齒輪傳動的偏心結(jié)構(gòu)，由帶輪、左支架及左端主軸、太陽輪、行星輪、曲柄、偏心軸、拾膜桿齒、滾筒、右端主軸、右支架及調(diào)節(jié)手柄等部件構(gòu)成。機構(gòu)工作時，動力源驅(qū)動帶輪轉(zhuǎn)動，帶輪將動力輸送至左端主軸；左端主軸通過滾動軸承安裝在左支架上，主軸與滾筒采用固定連接，主軸通過齒輪將動力輸送給曲軸；曲軸上的軸套固定在曲軸上，桿齒與軸套采用螺紋連接，方便拆卸與更換，主軸與曲軸之間用行星架連接。其右端主軸與右支架同樣采用滾動軸承聯(lián)接，調(diào)節(jié)手柄與曲軸連接，通過改變調(diào)節(jié)手柄的角度，可以改變行星架與鉛垂線的角度，進而改變桿齒的入土角度。

拾膜機構(gòu)工作時，由動力裝置輸送動力到主軸上，主軸帶動滾筒和曲軸同向轉(zhuǎn)動；桿齒伸出滾筒的長度在入土時達到最大值，隨著曲軸的轉(zhuǎn)動挑起殘膜，當桿齒轉(zhuǎn)動到上方時，桿齒伸出滾筒長度最小，在卸膜輪刮板的作用下，將桿齒上殘膜捋下，輸送到集膜箱里。

1.2影響機構(gòu)拾膜率的因素

拾膜率是衡量拾膜機構(gòu)性能好壞的主要指標，行星架式伸縮桿齒拾膜機構(gòu)的拾膜率主要受機具的行進速度、拾膜桿齒末端挑膜線速度與機具行進的速度比、桿齒入土角度、田間作物殘茬的情況以及地膜老化的程度等因素影響[4]。由于田間作物殘茬的情況和地膜老化的程度跟農(nóng)藝有關(guān)，針對于伸縮桿式拾膜機構(gòu)本身來說，拾膜性能跟拾膜機構(gòu)的工作參數(shù)有關(guān)。機具行進速度過快會影響機器的穩(wěn)定性，影響拾膜效果；當機具行進速度較慢時，機構(gòu)工作穩(wěn)定，但是由于行進速度比較慢，會降低工作效率。拾膜桿齒末端挑膜線速度與機具行進的速度比較低時，被挑起的殘膜會因為桿齒轉(zhuǎn)動過慢造成滑落；拾膜桿齒末端挑膜線速度與機具行進的速度比過高，桿齒挑膜線速度相對較快，容易造成殘膜拉伸破損，對殘膜造成二次破壞；同時，機具轉(zhuǎn)速過高，機具的振動也會增大，影響機構(gòu)使用壽命。同樣，桿齒的入土角度(拾膜桿齒與鉛垂夾角)對拾膜率也有影響：當入土角度過小時，桿齒工作行程過短，影響殘膜回收效果；若入土角度過大，拾膜桿齒工作行程會有很大的提高，但由于入土角度過大，與土壤間的載荷也會增大，會導(dǎo)致拾膜桿齒受力過大造成變形。因此，選擇適當?shù)墓ぷ鲄?shù)對提高伸縮桿齒式拾膜機構(gòu)的拾膜性能至關(guān)重要[5]。

2機構(gòu)運動分析及仿真

2.1拾膜桿齒的運動分析

行星架式伸縮桿齒拾膜機構(gòu)要求能將地表及土壤耕作層深度為50mm范圍內(nèi)的殘膜從土壤中拾起，隨著滾筒的轉(zhuǎn)動將殘膜卷致機構(gòu)上方，在卸膜輪的配合下，將殘膜卸下，順著托膜板滑落到集膜箱里。拾膜機構(gòu)的運動狀態(tài)直接影響著殘膜回收機的回收效果，殘膜是否能被挑起主要由桿齒末端的運動軌跡決定，拾膜桿齒的運動是機具行進運動與桿齒圍繞曲軸旋轉(zhuǎn)的合運動，所以拾膜桿齒末端挑膜線速度與拾膜機構(gòu)行進速度比也是影響拾膜率的重要因素。若拾膜滾筒轉(zhuǎn)速過高，拾膜過程中容易將殘膜拉伸破壞，卸膜時，由于轉(zhuǎn)速過高可能將挑起的殘膜帶回，造成纏繞現(xiàn)象，會與地面產(chǎn)生較大的作用力，易造成桿齒的變形，減少桿齒的使用壽命；如果拾膜機構(gòu)轉(zhuǎn)速過低，挑起的殘膜容易脫落，影響回收率，所以要針對殘膜回收機的拾膜機構(gòu)進行運動學分析。

桿齒的運動是機具行進運動與桿齒圍繞曲軸旋轉(zhuǎn)的合運動，通過對桿齒末端運動軌跡的分析，可以觀察出拾膜機構(gòu)在拾膜過程中拾膜桿齒末端的位置變化和運動狀態(tài)，進而確定拾膜機構(gòu)上拾膜桿齒的工作參數(shù)及性能。拾膜桿齒裝配在滾筒內(nèi)的曲軸上，當主軸帶動滾筒和曲軸轉(zhuǎn)動時，曲軸就帶動桿齒一起旋轉(zhuǎn)。由于曲軸軸心O1與滾筒中心O存在偏心距，所以拾膜桿齒就相對于滾筒產(chǎn)生了伸縮效果[6]，如圖2所示。

圖2　桿齒運動軌跡

在xoy坐標系中,滾筒半徑為r,桿齒O1A1B1長度為L,行星架OO1長度為E，行星架偏離垂線的角度為α1，曲軸轉(zhuǎn)動角速度為ω。假定桿齒從O1A1B1位置經(jīng)過時間t轉(zhuǎn)動到O1A2B2位置，A2點為桿齒穿過筒壁的交點，則滾筒所轉(zhuǎn)過的角度為ωt。桿齒端部B點的運動軌跡方程為

(1)

其中，Vm為機具前進的速度；α為經(jīng)過t時間桿齒的相應(yīng)轉(zhuǎn)角。

根據(jù)設(shè)計結(jié)果，行星架OO1長度E取50mm，桿齒O1A1B1長度L取220mm，α1=55o，將以上數(shù)據(jù)代入式(1)可以得出：

(2)

由于ZGrapher具有操作簡單、曲線準確的優(yōu)點，將式(2)桿齒端部B點運動軌跡方程輸入ZGrapher軟件中。當機具前進速度為0.9m/s時，在拾膜桿齒末端線速度和機具前進速度比分別為1.0、1.2、1.4時，得出B點軌跡如圖3所示。

圖3　桿齒末端B點的運動軌跡

其中，桿齒末端的運動軌跡可以很好地將拾膜機構(gòu)桿齒的拾膜情況表達出來。由圖3可以看出：當拾膜桿齒末端挑膜線速度與機具行進速度比為1時，拾膜機構(gòu)運動時，沒有脫膜環(huán)扣；當速度比為1.2～1.4時，都有脫膜環(huán)扣；當速度比為1.4時，脫膜環(huán)扣比較理想，但機構(gòu)轉(zhuǎn)動速度比較快，桿齒可能由于受到較大的沖擊導(dǎo)致桿齒變形。

2.2拾膜機構(gòu)運動仿真

由于桿齒末端的運動狀態(tài)直接影響拾膜機構(gòu)的性能，為了驗證運動軌跡的數(shù)學模型是否正確，將UG中建立的三維模型導(dǎo)入ADAMS中進行運動仿真，觀察拾膜桿齒末端的運動情況。由于拾膜機構(gòu)零件過多，在仿真時會消耗較多時間，所以在不影響仿真結(jié)果的前提下對其結(jié)構(gòu)進行簡化，取其中一個拾膜桿齒觀察桿齒末端的運動軌跡，并對其進行分析。根據(jù)理論分析的結(jié)果取機具行進速度為0.9m/s，拾膜桿齒末端挑膜線速度與機具的行進速度比i為1.0、1.2、1.4時，得出桿齒末端的運動軌跡如圖4所示。

圖4　不同速度比i(i=1.0、1.2、1.4)時桿齒末端運動軌跡

3臺架試驗及結(jié)果分析

為了驗證理論與仿真的正確性和各因素對拾膜機構(gòu)拾膜率的影響，對拾膜機構(gòu)進行試驗。由于田間試驗周期較長，而臺架試驗可以模仿田間工作狀態(tài)，還可以解決試驗周期長的問題，故可以利用臺架試驗對機具的行進速度、拾膜桿齒末端挑膜線速度與機具行進的速度比和桿齒入土角度進行試驗。

試驗在土槽試驗臺上進行，如圖5所示。試驗臺由土槽臺車、機架、行星架式伸縮桿齒拾膜機構(gòu)、操作臺及電機等組成[7]。在試驗的過程中，將土槽的行進速度作為機具的行進速度，試驗土壤為濕度50%～70%的黏性土壤，試驗地膜為0.008mm厚的農(nóng)用新地膜，壟按照高100mm、寬300mm設(shè)定，邊膜壓入壟高下2/3～3/4處的農(nóng)藝要求鋪設(shè)。試驗過程中的稱重儀器為BSA23025電子天平，其最大量程為3 200g，精度為0.01g[8]。

3.1試驗評價指標

拾膜率是衡量伸縮桿式拾膜機構(gòu)拾膜性能好壞的主要評價指標，通過使用電子天平對殘膜的測量，得到拾膜率為

(3)

其中，S為拾膜率(%)；m1為拾膜機構(gòu)撿拾的地膜質(zhì)量(kg)；m2為拾膜機構(gòu)未撿拾的地膜質(zhì)量(kg)。

圖5　土槽試驗臺

3.2正交試驗設(shè)計

根據(jù)單因素試驗的分析結(jié)果，正交試驗主要針對機具行進速度、桿齒末端挑膜線速度與機具行進速度比及桿齒入土角設(shè)計，機具行進速度為0.8～1.0m/s、桿齒末端挑膜線速度與機具行進速度的比為1.0～1.4、桿齒入土角度為35°～55°。選用L9(34)正交試驗表進行試驗設(shè)計，試驗因素與水平如表1所示，正交試驗方案與試驗結(jié)果如表2所示。

表1　試驗因素與水平

表2　正交試驗方案與試驗結(jié)果

續(xù)表2

3.3試驗結(jié)果分析

表3拾膜率的極差分析結(jié)果表明：影響伸縮桿式拾膜機構(gòu)拾膜率的主次因素順序為拾膜桿齒末端挑膜線速度與機具行進速度的比>機具行進速度>桿齒入土角度。最佳工作參數(shù)為機具行進速度0.9m/s、拾膜桿齒末端挑膜線速度與機具行進速度的比為1.2、桿齒入土角度為55°。表4的拾膜率方差分析的結(jié)論與表3的拾膜率極差分析的結(jié)論是一致的，即拾膜桿齒末端挑膜線速度與機具行進速度比的變化對拾膜率的影響很顯著，機具行進速度的變化對拾膜率的影響比較顯著，而桿齒入土角度不顯著。

表3　拾膜率的極差分析

表4　拾膜率的方差分析

4結(jié)論

1)拾膜機構(gòu)工作時，應(yīng)確保拾膜機構(gòu)和卸膜輪很好地配合將拾起的殘膜卸掉，必須保證存在脫膜環(huán)扣。通過理論分析得出：當拾膜桿齒末端挑膜線速度與機具行進速度比大于1時，會產(chǎn)生脫膜環(huán)扣；當速度比在1.2～1.4時，拾膜機構(gòu)工作性能比較穩(wěn)定。

2)通過臺架試驗發(fā)現(xiàn)，拾膜桿齒末端挑膜線速度與機具行進速度比對拾膜性能的影響大于機具行進速度和桿齒的入土角度對拾膜性能的影響：當拾膜桿齒末端挑膜線速度與機具行進的速度比為1.2、機具行進速度為0.9m/s、桿齒入土角度為55°時，拾膜率較高；試驗結(jié)果與理論分析及運動仿真一致。

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Improved Design and Experiment of Planetary Type Telescopic Pole Teeth Collecting Plastic Film Machine

Xie Jianhua1, Liu Hongzhi1, Gong Huairen1,Cao Xiaoran1, Li Jianwei2

Abstract：In order to overcome the shortcomings of complex structure of telescopic pole teeth collecting plastic film machine, in this paper the machine was designed planetary type telescopic pole teeth collecting plastic film machine, the trajectory of pole tooth pick up the film was analyzed by the theoretical and emulational methods. The orthogonal experiment of influence factors including the speed of machine operating, the pole tooth end point pick film line speed and the speed ratio and the penetrating angle of pole tooth for lifting film was done by the soil-bin trolley experiment.The result shows that the collection ratio of the mechanism can close to the optimal when the speed of machine operating is 0.9m/s，the pole tooth end point pick film line speed and the speed ratio is 1.2，the penetrating angle of pole tooth is 55°.

Key words：film picking mechanism; simulation analysis; orthogonal test

文章編號：1003-188X(2016)05-0122-05

中圖分類號：S223.5

文獻標識碼：A

作者簡介：謝建華(1975-)，女，四川安岳人，副教授，碩士生導(dǎo)師，(E-mail)xjh199032@163.com。

基金項目：國家自然科學基金項目(51465057)

收稿日期：2015-05-05