棉田耕層殘膜回收機的設計與機架模態(tài)分析

張鳳奎 李 平* 張 宏 廖結安 蘭海鵬劉 揚 張永成 于福鋒

（1塔里木大學機械電氣化工程學院，新疆 阿拉爾 843300）

（2新疆維吾爾自治區(qū)普通高等學?，F(xiàn)代農業(yè)工程重點實驗室，新疆 阿拉爾 843300）

為減少殘膜對土壤環(huán)境的污染，秋收后覆蓋在地表上的殘膜，一般采用人工回收或使用地表殘膜回收機回收，但仍有部分殘膜留在土壤中。未被回收的殘膜被后續(xù)耕整地機具翻至地表以下，地膜殘留量在42～540 kg/hm2之間，平均殘留量在200 kg/hm2以上［1］，且逐年增加。調查結果表明留在距地表0～200 mm深度的殘膜較多［2］，在200 mm深度以下的殘膜相對較少。目前大多學者針對地表殘膜回收機研究較多，耕層殘膜回收機研究較少，主要由于殘膜殘留在土壤中的時間過長，易碎易斷，屈服強度只有新膜的40%左右［3-13］，機械回收難度較大?，F(xiàn)有殘膜回收機大多是針對地表殘膜進行回收，且在殘膜撿拾和脫膜過程中，彈齒易發(fā)生彎曲。針對以上問題，本文基于軋輥和旋轉鍬原理，提出深翻土、少碎膜、土膜分離、多齒掛膜結合的方式對棉田耕層深度為0～180 mm殘膜進行回收，為棉田耕層殘膜回收機械設計提供一種思路。

1 整機結構及工作原理

1.1 整機結構及主要技術參數(shù)

針對以往殘膜回收機撿拾深度不夠、旋耕后殘膜過碎不易撿拾、纏繞工作部件和撿拾彈齒易彎曲等問題，設計了一種深松鏟翻土，軋輥和旋轉鍬拋膜，多齒頭彈齒裝置收膜的棉田耕層殘膜回收機，該機結構如圖1所示。主要由牽引裝置、總傳動箱、拋土機構傳動箱、鏈條傳動機構、機架、彈性刷膜裝置、收膜箱、多齒頭收膜裝置、拋土機構、翻土機構、齒輪箱和深松機構等組成。主要技術參數(shù)如表1所示。

圖1 棉田耕層殘膜回收機結構圖

表1 主要技術參數(shù)

1.2 工作原理

該機由拖拉機提供前進動力，工作時通過拖拉機液壓懸掛機構將整機高度降低，深松機構入土，翻土機構轉動并完成碎土、松土、翻土作業(yè)。拋土輥上的拋土鏟將混雜殘膜的土壤拋出，拋出的土壤與殘膜落在地表上。多齒收膜裝置將地表上的殘膜拾起，在多齒彈齒與刷膜輥接觸時，殘膜被刷膜輥刷下，并掉落到收膜箱中。多齒收膜裝置鏈條外圈安裝掛膜多齒，內圈安裝輸送帶。當殘膜面積較大時，可被彈齒掛住，最后送入收獲膜箱中；當殘膜面積較小時，先被彈齒掛住，再在機械振動作用下掉落到輸帶上，最后隨著鏈條轉動也落入收膜箱中。該機工作原理如圖3所示。

圖2 工作原理示意圖

2 關鍵機構參數(shù)設計

2.1 深松機構設計

深松機構完成棉田土壤的深松作業(yè)，主要由深松支架、深松臂和深松鏟等組成。深松機構長2 020 mm，高625 mm；深松支架前后都安裝有深松臂，每行深松臂距離242 mm，每列深松臂距離121 mm。深松臂排列方式如圖3所示。深松鏟型式采用鑿形深松鏟，深松深度200 mm，高度可調。

圖3 深松機構示意圖

2.2 翻土機構設計

翻土機構完成碎土、松土、拋膜拋土作業(yè)，為其后面的拋土機構提供良好的工作環(huán)境。該機構完成松土時，能夠減少對殘膜的破壞。

翻土機構主要由齒輪箱、聯(lián)軸器、翻土板、刀輥、刀座、軸承座和支撐側板等組成，如圖4所示。刀輥安裝在齒輪箱右側，刀輥的另一側通過支撐側板上的軸承座固定，為保證刀輥穩(wěn)定工作，相鄰兩塊翻土板錯開排列。刀輥長2 000 mm，刀片高200 mm，寬4 mm，刀座高100 mm，長650 mm，相鄰兩刀座間隙為25 mm。

圖4 翻土機構結構示意圖

該機動力機械輸出功率為46.35 KW，轉速960 r/min。通過齒輪、鏈傳動比計算可知：翻土裝置轉速為150 r/min，總傳動比6.4，各裝置轉速數(shù)值如圖5所示。

該機的翻土功耗需小于動力機械總功率，翻土功耗如下式［14］：

式中d--耕深（cm）

Vm--機組前進速度（m/s）

B--耕幅（m）

Kλ--旋耕比阻（N/cm2）

查表計算出Kλ=5.051 904，該機耕深d=18 cm，前進速度Vm=2 m/s，耕幅B=2 m，計算得出翻土功耗N=36.4 KW。

圖5 齒輪傳動示意圖

2.3 拋土機構設計

基于旋轉鍬原理設計拋土機構，主要針對翻松后混有殘膜的土壤進行拋送，殘膜在拋送的過程中在自身重力作用下集中于地表，便于后續(xù)裝置進行撿拾。拋土機構主要由拋土機構傳動箱、拋土鏟、拋土臂、支撐架和拋土輥等組成，結構示簡圖如圖6所示。拋土機構傳動方式為側邊鏈傳動。拋土輥通過聯(lián)軸器連接安裝在拋土機構傳動箱左側，拋土輥的另一側通過支撐側板上的軸承座固定。由參考文獻［3］可知：拋膜速比λ可用式（2）計算。

式中V--刨膜輥刀的旋轉切線速度(m/s)

Vm--機具的前進速度(m/s)

R--拋土鏟半徑(cm)

ω--拋土鏟角速度(rad/s）

當λ＞1時，拋膜鏟轉向拋土輥的最高位置時，拋土鏟絕對速度在水平方向分量與機具前進方向相反。此時，拋土鏟運動有利于實現(xiàn)殘膜與土壤分離，并將部分殘膜和土壤向后拋送，可以完成拋土拋膜工作。當λ＞5時，拋膜過高，不利于殘膜回收，λ范圍在2～5時能滿足要求。

圖6 拋土機構結構示意圖

拋土機構作業(yè)幅寬為2 004 mm，拋土輥長2 185 mm，側邊拋土鏟距離拋土輥側壁102 mm，相鄰拋土鏟距離225 mm，相鄰拋土鏟空隙25 mm，拋土輥上平均分布9個拋土鏟，拋土鏟與拋土臂夾角75°，拋土鏟排列方式如圖7所示。

圖7 拋土鏟排列方式

2.4 多齒頭收膜裝置設計

多齒頭收膜裝置主要由鏈條傳動機構、張緊鏈輪、收膜鏈條及輸送帶組成，多齒頭收膜裝置結構簡圖如圖8所示。收膜鏈條在鏈條傳動機構帶動下順時針轉動，收膜鏈條主要輸較大塊的殘膜。輸送帶安裝在收膜鏈條內圈，當鏈條轉動產生振動，較小塊的殘膜掉落到輸送帶上，在輸送帶的運輸下，最終落入收膜箱中。

圖8 多齒頭收膜裝置結構示意圖

鏈條傳動機構傳動比為1：2，通過計算收膜鏈條上的鏈輪轉速為480r/min。鏈條傳動機構和多齒收膜裝置均裝有張緊裝置，以防止鏈條在工作過程中脫落。收膜鏈條與水平方向呈45°夾角。

收膜鏈條上裝有彈齒如圖9所示。齒長120 mm，直徑4 mm，相鄰短齒距離為30 mm，齒頭均呈彎曲狀，齒頭數(shù)量增加可以提高殘膜的撿拾效率。

圖9 多齒彈齒

2.5 彈性刷膜裝置設計

當多齒彈齒與刷膜輥碰觸時，與刷膜輥發(fā)生摩擦并帶動刷膜輥轉動，在摩擦力的作用下彈齒上的殘膜脫落掉入收膜箱中。刷膜輥在摩擦力作用下轉動時，能夠避免多齒彈齒與刷膜輥碰觸時產生彎曲。當刷膜輥受到多齒彈齒的作用力時，刷膜架隨之轉動；當刷膜輥不受力時，通過復位彈簧復位，可以減少彈齒損壞。彈性刷膜裝置簡圖如圖10所示。

圖10 彈性刷膜裝置示意圖

3 機架的有限元模態(tài)分析

該機整機結構組件多，組件安裝跨度大，各組件又均是運動件，對機架的作用力復雜，為了保證后期機架加工制作后，不產生較大的應力集中及形變，可通過有限元軟件進行機架模態(tài)分析，該分析結果可為機架實體加工提供依據(jù)與參考。

該機機架的三維模型如圖11所示，由等距分布的3根橫梁、1塊錐齒輪變速箱支撐板及兩側固定梁和側板組成。固定梁結構均采用方鋼管，側板厚度取10 mm，機架模型其它相關參數(shù)見表2。

圖11 三維模型

表2 機架相關參數(shù)

該機具機架三維模型由Solidworks軟件完成，通過軟件接口導入到ANSYSWorkbench16.0中。先在軟件中進行材料選型和模型網(wǎng)格劃分，機架模型有限元網(wǎng)格劃分模型如圖12所示。

圖12有限元模型

對機架三點懸掛連接處施加固定約束，仿真時只需提取機架前6階模態(tài)頻率和振型，機架前6階模態(tài)振型云圖如圖13所示。通過軟件仿真可以得到固有頻率和振型變化。固有頻率及變形量數(shù)據(jù)見表3。

圖13 機架模態(tài)分析云圖

表3 機架前6階模態(tài)分析表

由機架模態(tài)云圖可知：機架尾端兩側的固定梁、側板以及中間等距分布的固定梁，易發(fā)生變形；前端錐齒輪變速箱支撐板寬度較寬，整體剛度較大，不易變形；機架后端無固定梁支撐，剛度小，易變形；機架兩端側板尾端也因無固定梁支撐而易發(fā)生變形。

該機在工作過程中，機架受到的主要外界激勵源有地表路況、翻土機構、拋土機構、傳動機構和拖拉機輸出軸。該機在深松土壤時，可忽略地表路況對機架的激振；仿真分析表明：翻土刀輥轉速為150 r/min，最大激振頻率為7.82 Hz；拋土輥轉速為192 rad/min，最大激振頻率為8.32 Hz，拖拉機動力輸出軸轉速為960 r/min，最大激振頻率為17.5Hz，可見拖拉機輸出軸的激振頻率是引起機架振動的主要因素，但其激振頻率不在機架固有頻率范圍21.084～57.865 Hz內，因此機具作業(yè)過程中不會引起機架共振。

4 結論

1）通過分析當前殘膜回收機優(yōu)缺點，設計一種具有深松翻、少碎膜、撿拾干凈、并減少彈齒彎曲等特點的棉田耕層殘膜回收機。

2）對深松機構、翻土機構、拋土機構、多齒收膜裝置和彈性刷膜裝置的作用及運動分析，確定了各裝置主要結構參數(shù)和運行參數(shù)。

3）由于該機整機結構復雜，對機架要求較高，本文利用ANSYS軟件對機架進行了模態(tài)仿真分析，分析表明：拖拉機輸出軸的振動是引起機架振動的主要因素，其激振頻率不在機架固有頻率范圍21.084～57.865 Hz內，作業(yè)時不會引起機架共振。該結論可為樣機后續(xù)制造提供依據(jù)。