一種玉米地殘膜撿拾機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

王建吉，孫旖彤，彌 寧，敬志臣，帥忠奎

(1.隴東學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，甘肅 慶陽(yáng) 745000；2.慶陽(yáng)市前進(jìn)機(jī)械制造有限公司，甘肅 慶陽(yáng) 745000)

0 引言

干旱地區(qū)農(nóng)作物種植采用地膜覆蓋技術(shù)，可起到抗旱保墑、除草保肥的作用，從而達(dá)到增產(chǎn)的目的。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2017年甘肅省地膜覆蓋總面積達(dá)到195.5萬(wàn)hm2，地膜使用量超過(guò)17萬(wàn)t。地膜技術(shù)在保障農(nóng)作物增產(chǎn)增收的同時(shí)，廢棄的地膜殘留在土壤中，破壞了生態(tài)環(huán)境[1]。為了降低殘膜的危害，農(nóng)機(jī)研究人員設(shè)計(jì)和發(fā)明了各種殘膜撿拾機(jī)回收廢棄的地膜，將其回收再利用。然而，由于殘膜風(fēng)化和農(nóng)作物根莖黏附在一起，造成撿拾殘膜難度大。當(dāng)前國(guó)內(nèi)研制的殘膜撿拾機(jī)大致有5種，即滾筒伸縮式、耙齒式、氣吸式、鏈齒式、彈齒式。針對(duì)這5種結(jié)構(gòu)，研究人員做了不同形式的改進(jìn)和優(yōu)化。

李亞麗等[2]為了卸膜方便設(shè)計(jì)了一種錐形卷膜輥，當(dāng)纏繞在卷膜輥上的殘膜達(dá)到一定厚度時(shí)，停機(jī)取下卷膜輥，拆掉撿膜齒，人工從兩端將殘膜拽下。該結(jié)構(gòu)雖然卸膜相對(duì)容易，但卷膜輥和撿膜齒的連接可靠性低，連接過(guò)緊，卸膜時(shí)不容易拆除，連接過(guò)松，撿膜齒工作時(shí)容易脫落。張琴等[3]對(duì)殘膜撿拾機(jī)起膜鏟進(jìn)行了優(yōu)化，設(shè)計(jì)了一種柵叉式起膜鏟，減小了土壤對(duì)起膜鏟的阻力。賈晶霞等[4]對(duì)挖掘鏟的參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，通過(guò)有限元分析發(fā)現(xiàn)，凹面鏟的挖掘性能優(yōu)于平面鏟。劉青海[5]發(fā)明的彈齒式殘膜撿拾機(jī)，撿膜率高，膜土分離也很干凈；但卸膜困難，依靠人工用刀割的方法，卸膜時(shí)間長(zhǎng)嚴(yán)重影響了整個(gè)作業(yè)效率；后期雖然改進(jìn)了卸膜機(jī)構(gòu)，但由于農(nóng)業(yè)機(jī)械作業(yè)環(huán)境差，將撿膜齒與撿膜架采用螺紋連接，金屬生銹后不易卸下，所以仍存在卸膜難的問(wèn)題。陳智[6]發(fā)明了錐形卷膜輥，提高了卸膜效率，對(duì)于膜厚尺寸大的殘膜使用效果良好。戴飛等[7-9]結(jié)合當(dāng)?shù)剞r(nóng)藝要求，設(shè)計(jì)了全膜雙壟溝殘膜撿拾機(jī)，考慮了地形結(jié)構(gòu)、起膜深度等因素，并通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的合理性。以上的研究均未考慮硬茬農(nóng)作物根茬對(duì)撿膜效果的影響，尤其在隴東地區(qū)，玉米根茬粗大，氣候條件惡劣，地膜和根茬黏附在一起，采用常用機(jī)具，很難將殘膜撿拾干凈。

本文在深入分析現(xiàn)有殘膜撿拾機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)后，在功能和結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了改進(jìn)，并結(jié)合甘肅省本地土壤的特征和現(xiàn)有的破茬裝置[10-12]，設(shè)計(jì)了一種新型的玉米地破茬殘膜撿拾機(jī)。該機(jī)由深松機(jī)構(gòu)、破茬機(jī)構(gòu)、仿地形起膜機(jī)構(gòu)、撿拾機(jī)構(gòu)、卸齒機(jī)構(gòu)及切膜機(jī)構(gòu)等部件組成。同時(shí)，對(duì)關(guān)鍵零部件載荷進(jìn)行了計(jì)算和應(yīng)力分析，結(jié)構(gòu)優(yōu)化后加工制造樣機(jī)，經(jīng)過(guò)田間試驗(yàn)驗(yàn)證，基本達(dá)到預(yù)期目的。

1 整機(jī)機(jī)構(gòu)及工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

殘膜撿拾機(jī)由機(jī)架、傳動(dòng)系統(tǒng)、深松器、破茬組件、挑膜齒、撿膜組件、卸齒機(jī)構(gòu)、割膜裝置及地輪等部分組成，如圖1所示。其中，破茬組件由3組可沿軸向移動(dòng)的刀盤組成，動(dòng)力通過(guò)帶傳動(dòng)傳遞；挑膜機(jī)構(gòu)由挑膜齒和彈簧組成，挑膜齒具有仿地形的性能；卸膜機(jī)構(gòu)通過(guò)扳手推動(dòng)撿膜齒架，使得撿膜齒從卡槽中退出；割膜裝置由切片、切片電機(jī)、絲杠及絲杠電機(jī)組成。

(a) 主視圖

(b) 俯視圖 1.機(jī)架 2.減速換向器 3.深松器 4.破茬機(jī)構(gòu) 5.撿膜割膜機(jī)構(gòu) 6.挑膜齒 7.地輪圖1 殘膜撿拾機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 The structure sketch map of the pickup machine for residual plastic film

1.2 工作原理

工作時(shí)，利用四輪拖拉機(jī)三點(diǎn)懸掛牽引，拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸與減速換向器輸入軸連接，換向減速器通過(guò)帶傳動(dòng)，帶動(dòng)破茬裝置和撿拾機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)。深松器與機(jī)架相連接，調(diào)節(jié)兩個(gè)深松器的距離，使之與田地壟寬相同，將壟兩側(cè)土翻起，便于殘膜撿拾。挑膜齒將地膜與地面分離，并做高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，齒尖將地膜挑起纏繞在卷膜輥上；當(dāng)卷膜輥上的廢膜纏繞到一定厚度時(shí)，停機(jī)，扳動(dòng)撿膜齒架，將撿膜齒從撿膜齒架上的卡槽退出；啟動(dòng)切片電機(jī)和絲杠電機(jī)，切片將卷膜輥上的膜沿軸向切開(kāi)，再人工轉(zhuǎn)動(dòng)卷膜輥，使之轉(zhuǎn)動(dòng)180°，再切一刀，殘膜將從卷膜輥上自動(dòng)脫落；待膜脫落后，將撿膜齒插入撿膜齒架的卡槽中，完成1個(gè)周期的殘膜撿拾工作。

1.3 基本參數(shù)

結(jié)合當(dāng)?shù)剞r(nóng)藝參數(shù)，樣機(jī)在工作過(guò)程中的性能指標(biāo)及基本技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 殘膜撿拾機(jī)基本參數(shù)Table 1 The essential parameter of the residual film pickup machine

2 核心部件設(shè)計(jì)

殘膜撿拾機(jī)核心部件包括深松鏟、破茬機(jī)構(gòu)、起膜機(jī)構(gòu)及撿膜機(jī)構(gòu)等，各部分的幾何尺寸對(duì)整機(jī)的可靠性和撿拾效果均有影響。

2.1 深松鏟設(shè)計(jì)

雙壟溝種植玉米覆膜后，壟兩側(cè)地膜被壓實(shí)，由于地膜長(zhǎng)期和土壤接觸，在殘膜撿拾時(shí)，壟兩側(cè)的殘膜不容易直接被撿膜齒撿拾，這也是造成現(xiàn)有殘膜撿拾機(jī)撿拾率地的一個(gè)重要原因。本設(shè)計(jì)采用一種深松鏟將壟兩側(cè)土壤疏松，便于殘膜撿拾，結(jié)構(gòu)和受力分析如圖2所示。

1.支撐架 2.調(diào)節(jié)螺栓 3.入土鏟圖2 深松器結(jié)構(gòu)與受力分析Fig.2 The Structure and force analysis of deep looser

為了適用不同參數(shù)的土壤，通過(guò)調(diào)節(jié)深松器螺母，調(diào)整鏟尖的入土角，達(dá)到不同的入土深度要求。入土深度影響深松器的工作阻力，通過(guò)對(duì)深松器進(jìn)行受力分析，可得到深松器工作阻力與深松器及土壤參數(shù)之間的關(guān)系。根據(jù)式(1)可計(jì)算出工作阻力FR的大小，即

(1)

其中，F(xiàn)R為深松器工作阻力；G為深松器上土壤與地膜的質(zhì)量；n為深松器個(gè)數(shù)；C為土壤內(nèi)聚力系數(shù)；A為土壤剪切面積；T為土壤沿深松器面運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力 ；δ為鏟面傾角；μ為土壤內(nèi)摩擦因數(shù)；γ為土壤與金屬附著力參數(shù)；μq為深松器與土的摩擦因數(shù)。

2.2 破茬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

破茬機(jī)構(gòu)由3組刀盤組成，每個(gè)刀盤安裝4把圓弧刀，根據(jù)玉米行間距調(diào)節(jié)刀盤之間的軸向距離，如圖3所示。拖拉機(jī)牽引機(jī)器向前運(yùn)動(dòng)，輸出軸通過(guò)換向器后，利用帶傳動(dòng)帶動(dòng)刀輥旋轉(zhuǎn)，刀輥傳遞扭矩使得刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)；圓弧刀入土后，土壤和根茬的阻力迫使圓弧刀有向前局部滑移實(shí)現(xiàn)破茬，同時(shí)隨刀盤繞刀輥轉(zhuǎn)動(dòng)。根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)際情況，一般玉米收割后，根茬伸出地面約100mm，設(shè)計(jì)刀盤回轉(zhuǎn)半徑為300mm。

1.破茬刀 2.刀架 3.傳動(dòng)軸圖3 破茬刀組件示意圖Fig.3 The Schematic diagram of stubble cutter assembly

2.2.2 運(yùn)動(dòng)分析

以刀尖的運(yùn)動(dòng)為研究對(duì)象，分析其運(yùn)動(dòng)軌跡。以刀盤回轉(zhuǎn)中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，設(shè)刀尖坐標(biāo)為M(x,y)，在水平面內(nèi)，以拖拉機(jī)運(yùn)動(dòng)方向?yàn)闄M坐標(biāo)，垂直方向?yàn)榭v坐標(biāo)，建立坐標(biāo)系，刀尖運(yùn)動(dòng)為轉(zhuǎn)動(dòng)和移動(dòng)的合成運(yùn)動(dòng)。刀尖運(yùn)動(dòng)示意圖如圖4所示，其運(yùn)動(dòng)函數(shù)為

(2)

其中，v為拖拉機(jī)牽引速度(m/s)；ω為刀盤角速度(rad/s)；r為刀盤半徑(mm)；t為時(shí)間(s)。根據(jù)式(3)確定刀盤轉(zhuǎn)速，即

(3)

圖4 刀尖運(yùn)動(dòng)分析示意圖Fig.4 A sketch map of tool tip motion analysis

2.3 挑膜機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.3.1 挑膜齒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于西北地區(qū)殘膜撿拾一般都在春播前或秋收后，地膜風(fēng)化后和土壤板結(jié)在一起，所以在撿拾殘膜作業(yè)時(shí)，利用挑膜機(jī)構(gòu)將一定深度的土壤和地膜一起挑起，在疏松土壤的同時(shí)，將大部分地膜與土壤分離，漂浮在地表，便于撿膜齒撿拾。挑膜齒與機(jī)架采用鉸鏈連接，挑膜齒后端利用彈簧彈性固定在機(jī)架上，如圖5所示。

圖5 挑膜齒示意圖Fig.5 The structure sketch map of the membrane tooth

由于地面凹凸不平，齒尖受力也不斷變化，為了對(duì)挑膜齒的剛度和強(qiáng)度進(jìn)行分析，根據(jù)文獻(xiàn)[2]的計(jì)算方法，工作阻力挑膜齒結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)，具體大小根據(jù)式(4)計(jì)算，即

F=ρgBT2tan(α+φ)

(4)

其中，g為重力加速度；ρ為土壤密度；B為挑膜齒工作寬度，取1 100mm；T為撿拾齒入土深度，取60～100mm；α為挑膜齒刃傾角，取18°；φ為土壤和金屬的摩擦因數(shù)。

2.3.2 挑膜齒有限元靜力學(xué)分析

為了驗(yàn)證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，對(duì)挑膜齒進(jìn)行靜強(qiáng)度分析，將挑膜齒結(jié)構(gòu)參數(shù)帶入式(4)中，計(jì)算挑膜齒的工作阻力的大小約為400N。利用ANSYS軟件，分析挑膜齒的應(yīng)力和變形分布，分析結(jié)果如圖6和圖7所示。由圖6可以看出，變形最大出現(xiàn)在齒尖，最大變形量為1.155mm；由圖7可以看出：應(yīng)力最大值出現(xiàn)在挑膜齒連接鉸鏈處，最大應(yīng)力為103.62MPa，最小值出現(xiàn)在齒尖。由于應(yīng)力最大值小于材料的許用應(yīng)力235MPa，證明挑膜齒能夠達(dá)到應(yīng)用要求。但是，為了提高挑膜齒可靠性，仍需進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

圖6 挑膜齒應(yīng)變圖Fig.6 The strainFigure of the membrane tooth

圖7 挑膜齒應(yīng)力圖Fig.7 The stressFigure of the membrane tooth

2.4 撿膜割膜組件設(shè)計(jì)

2.4.1 撿膜機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及工作原理

撿膜齒利用卡槽安裝在撿膜齒架上，借助于彈簧的彈性力將撿膜齒壓緊在卡槽當(dāng)中。撿膜齒架端部加工成四方體，與卷膜輥的四方孔配合連接，通過(guò)帶傳動(dòng)提供動(dòng)力做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，利用撿膜齒齒尖將地膜從土壤中挑起使其纏繞在卷膜輥上面，如圖8所示。為了保證撿膜齒有足夠的強(qiáng)度和剛度，選擇撿膜齒長(zhǎng)度為420mm，直徑為15mm，需淬火處理；采用單排11個(gè)齒，如果布置多排齒，使得單位時(shí)間內(nèi)齒接觸地膜的次數(shù)增多，將地膜撕破，留在地表而不能纏繞在卷膜輥上。

1.帶輪 2.彈簧 3.撿膜齒 4.撿膜齒架 5.卷膜輥圖8 撿膜機(jī)構(gòu)示意圖Fig.8 The schematic diagram of film picking mechanism

2.4.2 割膜工作原理及零部件設(shè)計(jì)

當(dāng)卷膜輥上的殘膜達(dá)到一定厚度時(shí)，應(yīng)停機(jī)，將卸齒扳手向上抬起，把撿膜齒從撿膜齒架上拔出；調(diào)節(jié)卷膜輥角度，使得切片與卷膜輥表面的凹槽對(duì)齊；啟動(dòng)絲杠電機(jī)和切片電機(jī)，切片將纏繞在沿卷膜輥的殘膜沿軸向切開(kāi)，待切片走刀至起始位置時(shí)，將卷膜輥旋轉(zhuǎn)180°；再重復(fù)切一次，這時(shí)地膜在重力作用下，掉在地面上，割膜工作結(jié)束。切片直徑為150mm, 絲杠電機(jī)和切片電機(jī)功率為1kW,結(jié)構(gòu)如圖9所示。

1.絲杠 2.機(jī)架 3.絲杠電機(jī) 4.切片電機(jī) 5.卸齒扳手圖9 撿膜割膜部件圖Fig.9 Picking up the film and cutting the membrane part diagram

2.4.3 撿膜齒應(yīng)力分析

為了驗(yàn)證撿膜齒在工作阻力作用下的可靠性，對(duì)挑膜齒利用ANSYS軟件進(jìn)行應(yīng)變分析，挑膜齒材料為Q235，齒尖受土壤和廢膜的阻力，通過(guò)計(jì)算加載在齒尖的載荷為400N。模擬靜力學(xué)變形過(guò)程，變形結(jié)果如圖10所示。其齒尖變形量最大，最大值為0.724mm，變形量能夠滿足設(shè)計(jì)要求。

圖10 撿膜齒應(yīng)變圖Fig.10 The picking up film tooth strain diagram

3 試驗(yàn)方法

根據(jù)殘膜撿拾機(jī)使用標(biāo)準(zhǔn)，撿拾率和破茬率是衡量機(jī)器性能的重要指標(biāo)，具體計(jì)算方法如下。

3.1 撿拾率計(jì)算

在試驗(yàn)田隨機(jī)選取5段20m的玉米地作為試驗(yàn)地段，根據(jù)種植經(jīng)驗(yàn)計(jì)算20m所需要地膜的質(zhì)量m1；然后開(kāi)始計(jì)時(shí)，利用殘膜撿拾機(jī)撿拾收集殘膜，將每段玉米地的殘膜分別保存；撿拾結(jié)束后，把每段所撿拾的殘膜洗凈曬干后稱重，設(shè)質(zhì)量為m2，分別利用下式計(jì)算撿拾率η，然后求平均值，有

3.2 破茬率計(jì)算

破茬的目的不僅為了提高撿拾率，也是為了保護(hù)挑膜齒，減小其彎矩，提高使用壽命。參考文獻(xiàn)可知，根茬破茬率表達(dá)式為

其中，ε為破茬率；np為被破茬刀破開(kāi)的根茬的數(shù)量；nz為試驗(yàn)段總的根茬數(shù)量。

4 田間試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)方法

殘膜撿拾機(jī)樣機(jī)2018年3月在甘肅省慶陽(yáng)市西峰區(qū)進(jìn)行田間試驗(yàn)。試驗(yàn)地為全膜玉米地，土壤為黃綿土，配套動(dòng)力為29.4kW雷沃-404輪式拖拉機(jī)，土壤堅(jiān)實(shí)度1 138kPa。深松器入土角度可通過(guò)調(diào)節(jié)螺栓調(diào)節(jié)，挑膜齒的入土深度通過(guò)挑膜齒上的銷孔調(diào)節(jié)。為了選擇不同的土壤含水率，田間試驗(yàn)選擇雨后，隔一天試驗(yàn)一次。試驗(yàn)按照殘膜撿拾機(jī)田間試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，試驗(yàn)樣機(jī)如圖11所示，主要影響因素如表2所示。

圖11 試驗(yàn)樣機(jī)圖片F(xiàn)ig.11 The test prototype picture表2 主要影響因素Table 2 The main influencing factors

序號(hào)入土深度A/mm牽引速度B/m·s-1土壤含水率C/%1601.013.82801.214.531001.518.6

4.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

采用正交試驗(yàn)的方法[13]，設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案，驗(yàn)證含水率、入土深度、牽引速度3個(gè)因素對(duì)殘膜撿拾率的影響，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 試驗(yàn)結(jié)果對(duì)照表Table 3 The comparison of test results

由表3可以看出：挑膜齒入土深度越大，撿拾效果越好。這是由于挑膜齒入土深可將地表的殘膜有效的托起，使其與土壤分離，漂浮在地表之上，便于撿膜齒的撿拾。含水率過(guò)低時(shí)，土壤干燥，挑膜齒容易犁過(guò)土壤將地膜劃破，不便于地膜撿拾；含水率過(guò)高時(shí)，挑膜齒入土后，土壤和廢膜粘附在挑膜齒上，撿拾效率降低。前進(jìn)速度的快慢決定了撿膜齒的轉(zhuǎn)速，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，撿膜齒轉(zhuǎn)速太慢，撿膜齒將殘膜劃破導(dǎo)致一部分殘膜無(wú)法拾起；轉(zhuǎn)速過(guò)快時(shí)，撿膜齒單位時(shí)間內(nèi)接觸地膜的次數(shù)增加，地面對(duì)挑膜齒的阻力增加，導(dǎo)致一部分地膜被扎破，來(lái)不及被纏繞到撿膜棍上，就使得撿拾效果降低。綜上分析，在挑膜齒入土深度大、含水率及前進(jìn)速度中等時(shí)，撿拾效果越好；牽引速度對(duì)破茬率影響最大，最優(yōu)方案為A3B2C2 。機(jī)器本身的性能參數(shù)對(duì)破茬率的影響不大，主要與玉米種植標(biāo)準(zhǔn)程度有關(guān)。

5 結(jié)論

1)根據(jù)當(dāng)?shù)剞r(nóng)藝要求，設(shè)計(jì)制造了一臺(tái)新型玉米地破茬殘膜撿拾機(jī)，是集破茬、深松、挑膜、撿膜、切膜及回收為一體的組合機(jī)構(gòu)。

2)該機(jī)采用桿齒式撿拾機(jī)構(gòu)，利用離心力將土甩出，起到膜土分離的效果，并設(shè)計(jì)了切膜機(jī)構(gòu)來(lái)提高工作效率。

3)田間試驗(yàn)表明：殘膜撿拾率達(dá)到90%以上，破茬率達(dá)到80%以上，工作效率較滾筒式殘膜撿拾機(jī)提高了15%，性價(jià)比滿足農(nóng)戶要求。