撥輪式膜稈分離機(jī)的設(shè)計(jì)

郭振華，陳換美，王瑩瑩

（1.石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子832000；2.巴音郭楞職業(yè)技術(shù)學(xué)院）

0 引言

秋后棉田殘膜回收過(guò)程中，棉稈容易跟殘膜發(fā)生纏繞，對(duì)殘膜回收率造成一定影響。因此，棉稈的清理對(duì)殘膜回收工作的順利進(jìn)行非常重要。目前，棉稈的清理方式主要包括兩種：棉稈粉碎還田和將棉稈整體拔出運(yùn)到田外。棉稈粉碎還田是應(yīng)用棉稈粉碎設(shè)備將棉稈打碎成10～20 cm 的小段均勻散在棉田中，棉稈粉碎還田機(jī)械減少了機(jī)具下地次數(shù)，提高了農(nóng)機(jī)作業(yè)效率。但是，粉碎的棉稈容易對(duì)后續(xù)的播種工作造成影響，播種時(shí)棉稈容易插入穴播器中，降低播種效率。棉稈整體拔出運(yùn)至田外是利用拔稈機(jī)械將棉稈拔出，拋送至拖斗，運(yùn)到田外。這種作業(yè)方式與棉稈粉碎還田相比，主要有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：（1）棉田清理更干凈，棉稈被拔出運(yùn)走后，棉田地表只剩地膜和少量雜稈，便于殘膜回收工作的順利進(jìn)行，有利于提高殘膜回收率；（2）棉稈可用于喂牛羊等牲畜料，也可用于造紙，棉稈的利用可以增加社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

本文主要對(duì)拋桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)和試驗(yàn)，為拔輪式殘膜回收機(jī)的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供參考。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

拔輪式殘膜回收機(jī)的總體結(jié)構(gòu)如圖1。機(jī)型采用半懸掛式，動(dòng)力由拖拉機(jī)后動(dòng)力輸出軸輸送至變速箱，經(jīng)帶傳動(dòng)傳遞至各轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。工作時(shí)，棉稈被撥稈輪向后撥送，同時(shí)根部被提輥旋切鏟斷，棉稈在拋稈輪和撥稈輪的共同作用下拔出并向后拋送，落到輸送帶上，經(jīng)輸送帶送至機(jī)架后方的拖斗內(nèi)。在作業(yè)過(guò)程中，棉稈被拔出運(yùn)送到田外，殘膜留在田間，由輸送帶下方的殘膜回收機(jī)構(gòu)收起。該機(jī)型可以實(shí)現(xiàn)膜稈分離，有一定的實(shí)際應(yīng)用意義。

2 膜稈分離機(jī)關(guān)鍵部件及主要參數(shù)

拋稈機(jī)構(gòu)主要包括提輥、撥稈輪、拋稈輪和輸送帶。棉稈拔出后拋送效果如圖2，作業(yè)時(shí)，提輥從根部將棉稈鏟斷，同時(shí)在旋切的作用下將棉稈根部從土壤中翻到地表，撥稈輪將棉稈向后撥送，與拋稈輪共同作用將棉稈拔出拋送至輸送帶上，實(shí)現(xiàn)膜稈分離。

2.1 撥稈輪的各項(xiàng)參數(shù)

2.1.1 撥稈輪直徑

主要由棉稈的平均株高l、棉稈的重心位置及撥稈輪速比λ 來(lái)決定。撥稈輪直徑可由下式求得：

棉稈的高度l 在60～90 cm 之間，棉稈剛度從上端到根部逐漸變大，抗彎能力逐漸變?nèi)?。棉稈彎曲曲率逐漸減小，為避免在撥稈過(guò)程中棉稈過(guò)度彎曲而折斷，撥稈輪對(duì)棉稈的撥送位置O 點(diǎn)應(yīng)位于棉稈質(zhì)心上部。撥稈輪下端離地高度h 在30～45 cm 間，λ=1.3，考慮到撥稈輪中心軸高度應(yīng)高于棉稈，撥稈輪直徑設(shè)計(jì)為D=90～130 cm 較為合適。

2.1.2 撥稈輪軸的安裝高度

撥稈輪離地高度影響棉稈進(jìn)入拋稈輪與撥稈輪之間的狀態(tài)：如果離地過(guò)高，撥稈輪只能撥到較高的棉稈；如果離地高度太低，撥稈輪對(duì)棉稈的撥送位置偏低會(huì)造成大量棉稈的折斷，對(duì)殘膜回收造成一定的影響。

撥稈輪軸的安裝高度H 為滿足撥桿豎直插入棉稈叢和使撥桿位置在棉稈重心略偏上的要求，即：

式中l(wèi)—棉稈平均株高，cm；h—撥稈輪下端離地高度，cm；D—撥稈輪直徑，cm；λ—撥稈輪速比，取1.3。

撥稈輪軸的安裝高度需根據(jù)棉稈實(shí)際平均高度和稀疏情況選用上述公式。利用上述公式求得撥稈輪軸安裝高度H 的取值范圍為65～95 cm。

2.1.3 撥稈輪與提輥水平距離

撥稈輪軸以處于提輥正上方為正中位置。為使撥稈輪在提輥上方仍有水平撥棉稈至拋桿輪的能力，撥稈輪軸與提輥間水平極限距離為：

如果棉稈茂密，不倒?fàn)?，撥稈輪可適當(dāng)后移，增加其撥送棉稈的能力。代入相應(yīng)數(shù)值可計(jì)算得b 最大取值為41.6 cm。

2.2 轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)

棉稈根部被提輥鏟斷后，由撥稈輪和拋稈輪共同作用將其拋送至輸送帶，輸送到機(jī)架后方運(yùn)到田外。

撥稈輪轉(zhuǎn)速要求：能夠起到將棉稈向后撥送，在棉稈根部被鏟斷的同時(shí)，與拋稈輪共同作用將棉稈向后拋送。拋送的棉稈滿足能量守恒定律：

棉稈被拋送的初始速度由撥稈輪和拋稈輪決定，考慮到拋稈輪與棉稈拋送初速度不會(huì)完全相同，有一定的速度損失，所以拋稈的初始速度與撥稈輪線速度滿足：

式中v0—棉稈被拋出速度；vp—為拋稈輪線速度；vb—撥稈輪線速度，ε—速度損失系數(shù)。

2.3 撥稈輪的運(yùn)動(dòng)軌跡分析

撥稈輪的運(yùn)動(dòng)軌跡方程為：

式中x—撥稈輪上任意一點(diǎn)水平坐標(biāo)；y—撥稈輪上任意一點(diǎn)垂直坐標(biāo)；vm—機(jī)器前進(jìn)速度；t—時(shí)間；R—撥稈輪半徑；ω—撥稈輪角速度；H—撥稈輪軸安裝高度。

從方程可知，撥稈輪上任意一點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡為余擺線。根據(jù)撥稈輪在圓周上的不同位置和撥稈輪回轉(zhuǎn)一周機(jī)器前進(jìn)的距離S 的關(guān)系，撥稈輪運(yùn)動(dòng)軌跡可用作圖法求得。先按下式求得S：

式中n—撥稈輪轉(zhuǎn)速。

撥稈輪外端運(yùn)動(dòng)軌跡取決于機(jī)器前進(jìn)速度vm與撥稈輪轉(zhuǎn)速vb的比值λ。撥稈輪外端運(yùn)動(dòng)軌跡形狀隨λ 值的變化規(guī)律如圖3。λ 值的取值范圍為0 到∞，撥稈輪的外端運(yùn)動(dòng)軌跡為直線（λ=0）、短幅擺線（λ＜1）、普通擺線（λ=1）、長(zhǎng)幅擺線（λ＞1）直至圓（λ=∞）逐漸變化。為滿足撥稈輪對(duì)棉稈的引導(dǎo)、扶持和推送作用，須使撥稈輪具有向后的水平分速度。軌跡曲線上各點(diǎn)切線的方向，就是撥稈輪在各種位置時(shí)的絕對(duì)速度方向。由圖3 的分析可以看出，當(dāng)比值λ＞1 時(shí)，撥稈輪端點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡形狀為長(zhǎng)幅擺線（余擺線），此時(shí)運(yùn)動(dòng)軌跡形成扣環(huán)，在扣環(huán)的下部，即扣環(huán)最長(zhǎng)橫弦AA1的下方，撥稈輪具有向后的水平分速度。

由此可知，撥稈輪正常工作的必要條件是撥稈線速度比λ＞1。

只有在上述條件下合成的運(yùn)動(dòng)軌跡在軸的水平線以下才能構(gòu)成一個(gè)扣環(huán)。扣環(huán)的最大橫弦AA1上A 點(diǎn)的絕對(duì)速度是垂直向下，A1點(diǎn)是垂直向上，最低點(diǎn)B 的絕對(duì)速度是水平向后，因此，只在ABA1線段范圍內(nèi)才有向后撥桿的水平分向量。如果提輥在A1點(diǎn)的正下面，則撥稈輪直接撥稈的前后范圍等于最大橫弦的長(zhǎng)度，即：

如果提輥在B 點(diǎn)下方，直接撥稈的前后范圍為：

為了充分利用ABA1軌距撥稈，應(yīng)當(dāng)調(diào)節(jié)好撥稈輪的位置，使AA1線與棉稈的頂部平均高度一致，同時(shí)使撥桿豎直插入棉稈叢，進(jìn)入深度為：

3 結(jié)論

針對(duì)棉田殘膜回收效率低，殘膜回收困難的問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)一種膜稈分離機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)主要由提輥、撥稈輪、拋稈輪等部分組成。試驗(yàn)表明，該機(jī)構(gòu)工作時(shí)，提輥通過(guò)入土旋切的方式可以將棉稈從根部鏟斷，同時(shí)將地膜翻出地表便于殘膜回收，棉稈在撥稈輪和拋稈輪的共同作用下被拋送至機(jī)架后方的拖斗中，達(dá)到膜稈分離的作業(yè)效果。該機(jī)構(gòu)可以完成膜稈分離任務(wù)，為殘膜的高效回收創(chuàng)造條件。