夾指鏈?zhǔn)綒埬せ厥諜C(jī)清雜裝置的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

羅 威，王吉奎，牛海龍，羅新豫，布爾蘭·卡力木別克，段文獻(xiàn)，李 陽

(石河子大學(xué) 機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子 832003)

夾指鏈?zhǔn)綒埬せ厥諜C(jī)清雜裝置的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

羅 威，王吉奎，牛海龍，羅新豫，布爾蘭·卡力木別克，段文獻(xiàn)，李 陽

(石河子大學(xué) 機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子 832003)

針對(duì)目前殘膜回收含雜率高的問題，結(jié)合夾指鏈?zhǔn)綒埬せ厥諜C(jī)，提出一種曲柄搖桿式清雜裝置。介紹了清雜裝置的結(jié)構(gòu)組成和工作原理，對(duì)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)建立了數(shù)學(xué)模型，通過理論分析得出曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的重要參數(shù)，并通過ADAMS軟件對(duì)該機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析，完成機(jī)構(gòu)技術(shù)參數(shù)的優(yōu)化。田間試驗(yàn)表明：該裝置的膜雜分離率達(dá)到93.8%，證明了該裝置設(shè)計(jì)方案的可行性，能夠滿足清雜作業(yè)的要求。

殘膜回收；清雜；曲柄搖桿機(jī)構(gòu)；優(yōu)化

0 引言

地膜覆蓋種植技術(shù)自20世紀(jì)80年代初引進(jìn)我國后迅速掀起一場“白色革命”，在北方低溫、干旱和半干旱地區(qū)被廣為使用，已成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)不可或缺的重要技術(shù)手段[1-3]。農(nóng)用地膜是地膜覆蓋種植技術(shù)的主要生產(chǎn)資料，主要成分是聚乙烯高分子化合物，耐酸堿侵蝕，化學(xué)穩(wěn)定性好，殘留在土壤中需200年才能分解。使用后的地膜被稱為殘膜，若不及時(shí)回收，會(huì)隨土地耕作進(jìn)入土壤耕作土層,對(duì)農(nóng)業(yè)生態(tài)造成嚴(yán)重污染[4-5]。

目前，我國農(nóng)機(jī)科研人員所研制的各類型殘膜回收設(shè)備均有其優(yōu)點(diǎn)與不足，影響殘膜回收的一大關(guān)鍵問題在于田間環(huán)境惡劣、地表散落大量雜物、膜雜難以分離，使得回收的殘膜含雜率高，影響殘膜回收率[6-7]。尤其是新疆收獲后的棉田，棉花秸桿粉碎還田后與殘膜摻雜在一起，機(jī)具在對(duì)殘膜進(jìn)行回收時(shí)雜物會(huì)隨殘膜一并收起，回收的殘膜含鈴殼、秸稈等雜物太多，殘膜回收箱在短時(shí)間內(nèi)會(huì)因?yàn)殡s物過多而收滿；此時(shí)必須返回地頭將殘膜回收箱清理后再進(jìn)行作業(yè)，不僅會(huì)嚴(yán)重影響殘膜回收的作業(yè)效率，而且回收的殘膜無法直接利用[8-10]。因此，研制一種結(jié)構(gòu)簡單、高效可靠的清雜裝置十分必要。文中結(jié)合夾指鏈?zhǔn)綒埬せ厥諜C(jī)，設(shè)計(jì)了一種曲柄搖桿式清雜裝置，并確立了該裝置的結(jié)構(gòu)組成和重要參數(shù)，為后續(xù)此類清雜裝置的設(shè)計(jì)提供參考。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

該機(jī)具主要由牽引裝置、仿形裝置、收膜機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)系統(tǒng)、清雜裝置、脫膜輥及收膜箱等構(gòu)成，如圖1所示。

1.牽引裝置 2.傳動(dòng)系統(tǒng) 3.夾指 4.上收膜鏈輪 5.脫膜輥 6.收膜箱 7.清雜裝置 8.地輪 9.收膜鏈 10.下收膜鏈輪 11.仿形輪 12.仿形架圖1 夾指鏈?zhǔn)綒埬せ厥諜C(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of clamping finger-chain type

device for recycling agricultural plastic film

1.2 工作原理

樣機(jī)通過牽引裝置與拖拉機(jī)連接，作業(yè)時(shí)機(jī)具順著苗行前行，地輪通過傳動(dòng)系統(tǒng)帶動(dòng)收膜裝置和清雜裝置工作；仿形輪緊貼地面，通過仿形架帶動(dòng)收膜裝置靠近地表，從而實(shí)現(xiàn)收膜裝置對(duì)地表的仿形，當(dāng)夾指隨夾指鏈轉(zhuǎn)過下收膜鏈輪時(shí)，夾指在下收膜鏈輪節(jié)圓曲線的作用下指端張開，劃過地表土層將殘膜掛在夾指上，夾指在離開地表時(shí)逐漸閉合，掛在夾指上的殘膜被夾緊，隨收膜鏈向上運(yùn)動(dòng)；當(dāng)夾指夾持殘膜運(yùn)動(dòng)到清雜裝置時(shí)，清雜裝置做往復(fù)擺動(dòng)；當(dāng)清雜刮板在擺動(dòng)過程中碰撞到被夾指夾持的殘膜時(shí)，殘膜上的雜物會(huì)受到振動(dòng)而被拍落，清理干凈的殘膜則繼續(xù)隨收膜鏈向上輸送；當(dāng)轉(zhuǎn)過上收膜鏈輪時(shí)夾指張開，在受到重力和脫膜輥的作用下落入收膜箱，完成殘膜的回收作業(yè)。

2 清雜裝置的工作原理

本文提出的清雜裝置為曲柄搖桿式清雜機(jī)構(gòu)，運(yùn)用曲柄搖桿的往復(fù)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)殘膜的清理，主要由清雜刮板、搖桿架、搖桿軸、曲柄軸、套筒、曲柄和驅(qū)動(dòng)軸組成，如圖2所示。

工作過程：機(jī)組作業(yè)時(shí)，傳動(dòng)系統(tǒng)帶動(dòng)收膜裝置和清雜裝置工作，當(dāng)懸掛在夾指上的殘膜被夾在夾指與收膜鏈之間向上輸送時(shí)，驅(qū)動(dòng)軸帶動(dòng)曲柄做整周轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)搖桿往復(fù)擺動(dòng)，使得清雜刮板同時(shí)做往復(fù)擺動(dòng)；當(dāng)清雜刮板在擺動(dòng)過程中碰撞到被夾指夾持的殘膜時(shí)，殘膜上的雜物會(huì)受到振動(dòng)而被拍落至清雜刮板，由于清雜刮板的運(yùn)動(dòng)，雜物最終被拍落至田間，從而實(shí)現(xiàn)殘膜清雜作業(yè)。

該清雜裝置的最大特點(diǎn)是利用曲柄搖桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了對(duì)夾指鏈?zhǔn)綒埬せ厥諜C(jī)收膜過程中所夾持的殘膜進(jìn)行清雜，結(jié)構(gòu)簡單，避免傳統(tǒng)滾動(dòng)輪式或滾動(dòng)刷式的清雜裝置在作業(yè)時(shí)易纏繞殘膜而影響殘膜回收率的問題。

2.1 曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化

夾指鏈?zhǔn)綒埬せ厥諜C(jī)清雜裝置的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)如圖3所示。其中，AB為曲柄，CD為搖桿，BC為連桿，AD為機(jī)架，CE為連桿BC端的延長部分，CE可將抖落在清雜刮板上的雜物輸送至收膜箱。設(shè)AB為lCE,BC為lBC,CD為lCD，AD為lAD,該曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的兩個(gè)極限位置為AB1C1D和AB2C2D，γ為傳動(dòng)角，Ψ為搖桿擺角，θ為極位夾角，W為曲柄的角速度。

圖3 曲柄搖桿機(jī)構(gòu)原理圖Fig.3 Schematic Diagram of Crank-Rocker Mechanism

1)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型。運(yùn)用向量解析法得出曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的封閉向量多邊形在XY軸上的投影方程式,并得出運(yùn)動(dòng)軌跡。曲柄搖桿機(jī)構(gòu)簡圖如圖4所示。圖4中，取A為原點(diǎn)，機(jī)架AD與x軸共線的直角坐標(biāo)系，α1、α2、α3分別是AB、BC、CD與x軸之間的夾角。

圖4 曲柄搖桿機(jī)構(gòu)簡圖Fig.4 Diagram of Crank-Rocker Mechanism

封閉矢量方程為

lAB+lBC=lCD+lAD

分別向x和y軸投影，得代數(shù)方程為

(1)

2)位置分析。

將式(1)改寫為

lBCcosα2=lCDcosα3+lAD-lABcosα1

lBCsinα2=lCDsinα3-lABsinα1

公式兩邊平方后相加整理得

Hsinα3+Pcosα3+Q=0

(2)

將式(2)轉(zhuǎn)化為二次方程，則

(P-Q)n2-2Hn-(P+Q)=0

解得

(3)

同理

(4)

圖(4)中，劃分有兩個(gè)三角形ABD和BCD。對(duì)于式(3)、式(4)的解而言，當(dāng)曲柄與搖桿同側(cè)時(shí)取“+”，否則取“-”。

3)位移分析。在連桿BC上有任意一點(diǎn)Z1，BZ1的長度為lBZ1，Z1Z的長度為lZ1Z,則B、Z1、Z、C這4點(diǎn)的軌跡坐標(biāo)值分別為：

B點(diǎn)坐標(biāo)值為

xB=lABcosα1;yB=lABsinα1

Z1點(diǎn)坐標(biāo)值為

xZ1=xB+lBZ1cosα2;yZ1=yB+lBZ1sinα2

Z點(diǎn)坐標(biāo)值為

C點(diǎn)坐標(biāo)值為

xC=lAD+lCDcosα3;yC=lCDsinα3

4)桿長的分析。根據(jù)機(jī)架空間和清雜裝置的安裝位置，初定機(jī)架AD的桿長lAD=620mm。曲柄存在約束條件：lAB≤lBC，lAB≤lCD，lAB≤lAD，lAB﹢lBC≤lCD﹢lAD，lAB﹢lCD≤lBC﹢lAD，lAB﹢lAD≤lBC﹢lCD。所以，當(dāng)曲柄為AB時(shí)，此機(jī)構(gòu)為曲柄搖桿機(jī)構(gòu)。在運(yùn)動(dòng)過程中，曲柄AB以A點(diǎn)為圓心，lAB為半徑在B點(diǎn)做圓周運(yùn)動(dòng)；搖桿CD以D點(diǎn)為圓心、lCD為半徑在C點(diǎn)做圓弧擺動(dòng)，同時(shí)也參與連桿BC的運(yùn)動(dòng)。

5)傳動(dòng)角的分析。當(dāng)主動(dòng)件運(yùn)動(dòng)時(shí)，經(jīng)過連桿作用于從動(dòng)件上的力的作用線與該力作用點(diǎn)速度之間所夾的銳角α為機(jī)構(gòu)的壓力角，壓力角的余角γ為四桿機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)角[11]。在連桿機(jī)構(gòu)中，傳動(dòng)角的大小反映了傳動(dòng)性能的好壞，傳動(dòng)角越大，則機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)性能越好。由圖3分析可知：該機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)角γ是連桿BC與搖桿CD所成的銳角，為保證機(jī)構(gòu)的傳力性能，通常使γmin=min∠BCD≥40°。由結(jié)構(gòu)角度關(guān)系得

∠B2C2D<90°

或

∠B2C2D>90°

其中，γ″、γ′中的小者即為γmin。

6)極位夾角分析。在曲柄搖桿機(jī)構(gòu)中，從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)至兩極限位置時(shí)，對(duì)應(yīng)的曲柄兩位置之間所夾的銳角稱為極位夾角[12]。極位夾角是分析機(jī)構(gòu)急回特性的重要參數(shù)。如圖3所示。當(dāng)曲柄AB1和連桿B1C1拉直共線時(shí)與曲柄AB2和連桿B2C2重疊共線時(shí)所形成的銳角即為該機(jī)構(gòu)的極位夾角θ。

行程速度變化系數(shù)K為

(5)

當(dāng)θ>0°、K>1時(shí)，則機(jī)構(gòu)有急回特性。

2.2 清雜裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化

根據(jù)機(jī)架空間和清雜裝置的安裝位置，將圖3中AB、BC、CE的長度lAB、lBC、lCE分別設(shè)定為100、630、90mm。將CD的長度lCD和清雜刮板頂點(diǎn)E(x，y)設(shè)為變量，通過ADAMS仿真實(shí)驗(yàn)分析出在不同長度lCD下頂點(diǎn)E相對(duì)于機(jī)身的運(yùn)動(dòng)軌跡。

經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比對(duì)，取出5組具有代表性的lCD和E(x，y)數(shù)值，如表1所示。圖5是ADAMS仿真實(shí)驗(yàn)得出與5組數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的清雜刮板頂點(diǎn)E的運(yùn)動(dòng)軌跡。為了有效將雜物從殘膜上拍落，則需要曲柄搖桿機(jī)構(gòu)在實(shí)現(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)的前提下，清雜刮板在運(yùn)動(dòng)時(shí)既要接觸到被夾持的殘膜且保證有效的接觸面，又不能超過與其上方夾指鏈之間的最大距離，防止與夾指鏈產(chǎn)生撞擊，影響機(jī)具作業(yè)。根據(jù)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的急回運(yùn)動(dòng)可知：清雜刮板在做往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)是從軌跡右端開始沿凸線慢速經(jīng)過最高位置，最終達(dá)到左端；然后從最左端沿凹線快速回到右端起點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的搖桿長度lCD決定了其運(yùn)動(dòng)的最高位置。由圖5可知：軌跡a顯示搖桿由左極限位置C1D往右極限位置C2D回程時(shí)軌跡形成尖銳的夾角，反映出該曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)性差；軌跡b顯示在去程時(shí)會(huì)有一段較陡峭的上升階段然后是快速下降階段，表明清雜刮板只能與少量的殘膜接觸，且接觸面和接觸時(shí)間有限；軌跡d和e的最高點(diǎn)超出了清雜刮板與夾指鏈之間的最大距離。綜合上述情況，軌跡c對(duì)應(yīng)的搖桿長度為最優(yōu)值，即lCD=180mm，則對(duì)應(yīng)的E(x，y)=(-72，218)。

表1 不同軌跡線對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)

Table 1 Different Structural Parameters Corresponding to Different Trajectories mm

軌跡線lCDE(x,y)a160-74,196b170-73,209c180-72,218d190-67,232e200-66,243

圖5 不同結(jié)構(gòu)參數(shù)清雜刮板運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.5 Moving Track of the Scraper with Different Structure Parameters

3 田間試驗(yàn)

本試驗(yàn)于2016年10月在新疆建設(shè)兵團(tuán)石河子市149團(tuán)收獲后的棉田進(jìn)行。棉田秸稈已被切碎并散落在殘膜表面，地面較平整，土壤硬度適中，滴灌帶已回收；在田間滯留的殘膜已經(jīng)有5～6個(gè)月左右，大部分地膜位于地表，地膜幅寬為2m，地膜中部和作物根部有覆土，厚度為25～35mm，地膜有一定程度的破損。試驗(yàn)機(jī)具為本課題組研制的夾指鏈?zhǔn)綒埬せ厥諜C(jī)，將該清雜裝置安裝于試驗(yàn)機(jī)上，動(dòng)力由福田雷沃M800-D拖拉機(jī)提供。根據(jù)實(shí)際的市場效益和作業(yè)效率的問題，機(jī)組將試驗(yàn)作業(yè)速度設(shè)置為5～5.5km/h。試驗(yàn)場景如圖6所示。

圖6 田間試驗(yàn)Fig.6 Fied experiment

試驗(yàn)在一個(gè)膜幅上進(jìn)行，田間隨機(jī)選取5個(gè)試驗(yàn)區(qū)，每個(gè)試驗(yàn)區(qū)長度為50m，寬度為2m，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄并整理。試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 試驗(yàn)結(jié)果

機(jī)具作業(yè)過程中，清雜裝置的運(yùn)動(dòng)軌跡較為理想，能與夾持的殘膜保持較大的接觸面，且能夠順利地將被夾持殘膜之間兜起的秸稈、土壤等雜物清理干凈，殘膜纏繞的問題基本沒有發(fā)生；但有少量秸稈或土壤被夾指夾住，且田間殘膜粘附的泥土具有一定的濕度，沒有被清雜裝置抖落分離，對(duì)膜雜分離率有一定的影響，需要在后續(xù)工作中進(jìn)行優(yōu)化。

4 結(jié)論

1)針對(duì)夾指鏈?zhǔn)綒埬せ厥諜C(jī)清雜效果不佳的問題，設(shè)計(jì)了一種曲柄搖桿式清雜裝置，并介紹了該裝置的結(jié)構(gòu)組成和工作原理。

2)對(duì)清雜裝置進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，并建立曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型，得到曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)lAB、lBC、lCD、lAD、lCE分別為100、630、180、620、90mm，E(x，y)為(-72，218)。

3)田間試驗(yàn)結(jié)果表明：機(jī)具的工作效率大于0.4hm2/h，清雜裝置的膜雜分離率達(dá)93.8%。作業(yè)過程中未出現(xiàn)殘膜纏繞問題，滿足清雜作業(yè)要求。

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Design and Test on Debris Clean-up Device of Clamping Finger-chain Type Device for Recycling Agricultural Plastic Film

Luo Wei， Wang Jikui， Niu Hailong， Luo XinYu，Burlen·Halembek， Duan Wenxian， Li Yang

(College of Mechanical and Electrical Engineering,Shihezi University,Shihezi 832003,China)

For the problem that film impurity separation rate is higher in plastic film recycling,combined with the clamping finger-chain type device for recycling agricultural plastic film,this paper proposed a crank-rocker mechanism for debris clean-up device.Design principle and working principle of debris clean-up device was introduced, mathematic models of the crank-rocker mechanism was built. The important parameters for crank-rocker mechanism is obtained by the theoretical analysis.The proposed machine were simulated and optimized with ADAMS simulation software,completed technical parameter optimization.The experimental results showed that the machine film impurity separation rate of 93.8% which proved the feasibility of the device and meet the technical requirements of the debris clean-up work.

plastic film recycling; debris clean-up; crank-rocker mechanism; optimization

2016-12-05

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51465050)

羅 威(1991-)，男，湖北隨州人，碩士研究生，(E-mail)542164273@qq.com。

王吉奎(1970-)，男，新疆瑪納斯人，教授，(E-mail)shzwjk@126.com。

S223.5

A

1003-188X(2018)02-0075-05