鏈齒耙式耕層殘膜回收機(jī)撿拾機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

趙攸樂，張學(xué)軍，靳 偉，袁盼盼，劉家強(qiáng)

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，烏魯木齊 830052)

0 引言

地膜覆蓋在農(nóng)業(yè)種植中得到廣泛應(yīng)用，通過覆膜種植可以達(dá)到保墑、節(jié)水、降低雜草生長(zhǎng)及加速作物早熟的目的。土壤中的殘膜對(duì)作物的生長(zhǎng)會(huì)造成危害，主要是對(duì)出苗率造成影響，使得單位面積收獲的植株數(shù)量降低；同時(shí)造成棉花的生長(zhǎng)不良，單產(chǎn)降低[1]。另外，殘膜將對(duì)土樣的理化性質(zhì)造成影響，使得土樣中氮磷等營(yíng)養(yǎng)含量下降，水分分布不均勻。通過與無殘膜植株的對(duì)比發(fā)現(xiàn)，生物量、根系的表面積及根冠比等指標(biāo)都有較明顯差別。所以，殘膜對(duì)土地的可持續(xù)利用也構(gòu)成較大影響[2]。

殘膜回收成為秋收后及春播前覆膜種植用地的常見作業(yè)項(xiàng)目。目前，人工拾膜效率低，勞動(dòng)力成本高，通過機(jī)械方式回收殘膜是必然趨勢(shì)。殘膜回收機(jī)撿拾機(jī)構(gòu)是殘膜殘膜回收的核心，主要分為摟耙式、滾筒式及釘齒式等，存在對(duì)土地適應(yīng)性差、耕層碎膜撿拾效果不佳及撿拾效率低等問題。為此，設(shè)計(jì)了一種鏈齒耙式耕層殘膜撿拾機(jī)構(gòu)，作業(yè)效率高，工作可靠，適用于春播前殘膜回收[3-4]。

1 設(shè)計(jì)方案及工作原理

1.1 設(shè)計(jì)方案

鏈齒耙式耕層殘膜回收機(jī)撿拾機(jī)構(gòu)由機(jī)架、傳動(dòng)系統(tǒng)、懸掛架、起膜鏟、鏈齒耙、起膜彈齒及行走輪等組成，如圖1所示。

1.機(jī)架 2.皮帶 3.小帶輪 4.齒輪減速箱 5.懸掛架 6.起膜鏟 7.起膜彈齒 8.鏈齒耙 9.抖動(dòng)裝置 10.行走輪 11.鏈輪 12.大帶輪

其中，傳動(dòng)系統(tǒng)由減速箱輸出動(dòng)力，與之配合傳動(dòng)軸帶動(dòng)小皮帶輪，隨后通過皮帶傳動(dòng)帶動(dòng)大皮帶輪，再由與之同軸的鏈輪帶動(dòng)鏈齒耙運(yùn)動(dòng)，完成整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)路線。

1.2 工作原理

該機(jī)構(gòu)拾膜時(shí)，分為起膜鏟鏟膜階段、彈齒挑膜階段及殘膜升運(yùn)階段。殘膜回收機(jī)構(gòu)的懸掛架與拖拉機(jī)后懸掛，采用三點(diǎn)式連接，通過拖拉機(jī)液壓頂桿，調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)入土深度；由拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸提供扭矩，帶動(dòng)減速箱經(jīng)變速后，通過皮帶傳動(dòng)，帶動(dòng)升運(yùn)鏈及收膜彈齒移動(dòng)。同時(shí)，拖拉機(jī)與懸掛架相連，帶動(dòng)整體前進(jìn)。起膜鏟將土膜一并鏟起，并沿著鏟面抬升，后移；然后，含膜土塊越過起膜鏟落在升運(yùn)鏈上，經(jīng)過運(yùn)輸、抖動(dòng)，到達(dá)升運(yùn)鏈末端大部分土壤被抖落，殘膜在起膜彈齒的作用下也被運(yùn)輸?shù)缴\(yùn)鏈末端，后置土膜分離裝置和膜箱，即可完成整個(gè)收膜過程。

2 主要零部件的設(shè)計(jì)

2.1 起膜鏟設(shè)計(jì)

起膜鏟安裝在機(jī)架的前端，工作過程中起膜鏟可以將耕層中的膜土一并鏟起，使撿拾裝置與土膜更好地接觸；同時(shí)，松碎土壤，減小土壤對(duì)起膜彈齒和鏈齒耙的沖擊，降低機(jī)具磨損，提高使用壽命。鏟刀還可切斷殘留作物或閑置土地雜草根莖，減小撿拾阻力。本機(jī)要求起膜鏟的作業(yè)深度為150mm[5]。

2.1.1 鏟面傾角設(shè)計(jì)

起膜鏟傾角設(shè)計(jì)的原則是松碎土壤，降低前進(jìn)阻力，在保證土膜順暢向上、向后移動(dòng)的同時(shí)，防止鏟后大量壅土。起膜鏟的受力分析如圖2所示。

圖2 土膜在起膜鏟面受力分析

由圖2可得起膜鏟鏟起膜土的受力平衡方程為

(1)

式中α—起膜鏟相對(duì)地面傾角(°)；

F—后端堆積土塊對(duì)起膜鏟面堆積土塊作用力(N)；

N—起膜鏟對(duì)殘膜及土塊垂直于鏟面方向作用力(N)；

G—?dú)埬ぜ巴翂K所受重力(N)；

f—?dú)埬ぜ巴翂K受到的摩擦阻力(N)；

μ—起膜鏟與土塊之間的摩擦因數(shù)。

沙性土的摩擦因數(shù)f取0.25～0.35，土壤的密度取9.65g/cm3[6]。

由式(1)得

(2)

由式(2)可知：牽引阻力的大小與起膜鏟傾角有關(guān)。傾角變小，挖掘阻力相應(yīng)減少，但傾角過小，作業(yè)深度不夠，碎土能力差；反之，傾角變大，挖掘阻力相應(yīng)變大，碎土能力好，但前進(jìn)阻力增大，容易出現(xiàn)壅土現(xiàn)象[7]。

2.1.2 起膜鏟長(zhǎng)度設(shè)計(jì)

土塊和殘膜所做的總功WL(即沿鏟面前進(jìn)長(zhǎng)度L、克服摩擦力所做功)及抬升高度H克服重力勢(shì)能所做的功WH為

WH=GH=GLsinα

(3)

WL=μN(yùn)L=μGLcosα

(4)

假設(shè)土塊與殘膜沿起膜鏟滑移到鏟面最后端速度v降為0，此時(shí)剛好能夠落入下方的鏈齒耙上。根據(jù)動(dòng)能定理，土塊及殘膜運(yùn)動(dòng)到后端的動(dòng)能為

(5)

土塊及殘膜運(yùn)動(dòng)的能量平衡方程為

(6)

起膜鏟的總長(zhǎng)度L為[8]

(7)

式中WH—土膜在鏟面運(yùn)動(dòng)克服重力勢(shì)能所做的功(J)；

WL—土膜在鏟面運(yùn)動(dòng)克服摩擦力所做功(J)；

v—土膜在起膜鏟上的運(yùn)動(dòng)速度(m/s)；

L—起膜鏟總長(zhǎng)度(mm)。

起膜鏟傾角的大小與工作土質(zhì)本身特性有關(guān)。平面挖掘鏟的傾角一般α=16°～20°(較大的傾角適用于有一定粘度的土壤，較小的傾角適用于沙性土質(zhì))[9]。機(jī)構(gòu)田間試驗(yàn)土質(zhì)為沙性土，但土壤有部分板結(jié)的情況，所以取α=20°，作業(yè)深度100～150mm，取挖掘鏟的入土深度約為150mm。所以，根據(jù)公式，可計(jì)算出起膜鏟的長(zhǎng)度L不應(yīng)大于420mm，以減小上土阻力及部件成本等。由公式(7)知，當(dāng)機(jī)構(gòu)前進(jìn)速度取最大時(shí)，L約為290mm。

根據(jù)計(jì)算及機(jī)構(gòu)作業(yè)實(shí)際條件，同時(shí)保證起膜鏟輸出端與升運(yùn)鏈的相對(duì)位置合理及土膜順暢輸送,取挖掘鏟的總長(zhǎng)L取300mm。

2.1.3 起膜鏟寬度設(shè)計(jì)

新疆機(jī)采棉鋪膜種植模式(株距100mm、行距660mm、地膜兩邊各覆膜75mm)，同時(shí)考慮到拖拉機(jī)行走軌跡的誤差及起膜鏟的強(qiáng)度等因素影響，設(shè)計(jì)起膜鏟寬度1 700mm。

2.2 鏈齒耙設(shè)計(jì)

鏈齒耙主要由多排固定在輸送鏈條上的齒桿組成。動(dòng)力經(jīng)鏈輪帶動(dòng)輸送鏈條運(yùn)動(dòng)，固定鏈條上的齒桿也隨之運(yùn)動(dòng)。鏈齒耙的主要作用有3方面：一是通過鏈齒耙上的起膜彈齒將土中的殘膜挑起；二是將撿拾的殘膜通過鏈齒耙在可靠不漏膜的情況下運(yùn)輸?shù)酵聊し蛛x裝置處；三是通過與抖動(dòng)裝置相配合，在重力作用下，實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸過程中部分土塊抖動(dòng)分離。鏈齒耙與地面成一定傾角θ1，組成結(jié)構(gòu)如圖3所示。

1.起膜彈齒 2.下端支撐輪 3.鏈齒耙托輥 4.抖動(dòng)裝置 5.驅(qū)動(dòng)鏈輪圖3 鏈齒耙結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

鏈齒耙彈齒齒尖在土中移動(dòng)的長(zhǎng)度L1為[10]

式中l(wèi)—彈齒桿長(zhǎng)(mm)；

R—下端支撐輪中心到鏈條外緣垂直距離(mm)；

θ1—鏈齒耙與地面夾角(°)；

θ2—為彈齒桿與地面夾角(°)；

h—下端支撐輪離地高度(mm)；

V—機(jī)構(gòu)前進(jìn)速度(m/s)。

由公式(8)可知：當(dāng)其他參數(shù)不變時(shí)，彈齒桿越長(zhǎng)，桿齒及鏈齒耙與地面夾角增大時(shí)，機(jī)器前進(jìn)速度加快，支撐輪與地面距離越大，則彈齒齒尖在土中移動(dòng)距離越長(zhǎng)。彈齒入土的階段是作業(yè)階段，彈齒土中移動(dòng)距離越長(zhǎng)，則作業(yè)階段所占時(shí)間越多,則彈齒拾膜效率越高，漏膜也就越少；但以上參數(shù)過高，會(huì)導(dǎo)致零部件強(qiáng)度不夠及殘膜被撕裂等問題，反而影響拾膜效果[11]。根據(jù)彈齒強(qiáng)度入土深度等因素，彈齒長(zhǎng)度取100mm。

2.3 彈齒排列方式設(shè)計(jì)

收膜效果與彈齒的排列間距有關(guān)。彈齒間距太大，容易導(dǎo)致?lián)焓皡^(qū)域有遺漏，殘膜回收率降低；而間距太小，收膜率就高，但壅土量會(huì)增大，土膜分離難度增加，同時(shí)鏈齒耙的阻力也會(huì)加大。彈齒采用交錯(cuò)排列方式，在保證合理間距的同時(shí)又能減小漏膜的可能，如圖 4所示[12]。其中，a為相鄰兩排彈齒間距；b為同排彈齒間距；c為鏈齒耙長(zhǎng)度；d為鏈齒耙寬度。

1.彈齒 2.機(jī)架 3.篩桿

3 撿拾機(jī)構(gòu)試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)條件

在新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)農(nóng)一師六團(tuán)進(jìn)行田間試驗(yàn)，以測(cè)試機(jī)構(gòu)的工作運(yùn)轉(zhuǎn)情況及撿拾效果。試驗(yàn)地為春播前棉花地，棉花秸稈及滴灌帶已回收；土壤類型為沙性土，地面較平整；配備動(dòng)力為56kW約翰迪爾-754型拖拉機(jī)。

3.2 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)將工作地塊4個(gè)地角連對(duì)角線，采用五點(diǎn)法測(cè)點(diǎn)，分別在對(duì)角線1/4及1/8位置及對(duì)角線的交點(diǎn)取點(diǎn),分別為A1、A2、A3、A4、A0。然后，在撿拾作業(yè)后5點(diǎn)附近非重疊區(qū)域再取對(duì)角線的分點(diǎn)及交點(diǎn)，分別為B1、B2、B3、B4、B0。

以所測(cè)點(diǎn)為中心，在每個(gè)點(diǎn)挖掘深度20cm、長(zhǎng)寬分別為1m的立方體區(qū)域，將其中的殘膜全部撿拾、洗凈、晾干后稱重。稱重儀器采用OHAUS CP3102電子天平，精度0.01g(單位為g)。將撿拾前及撿拾后5點(diǎn)殘膜的質(zhì)量分別相加，求加權(quán)平均值。

撿拾率γ的表達(dá)式為

(9)

式中γ—撿拾率(%)；

m1—機(jī)構(gòu)已撿拾地膜質(zhì)量(g)；

m2—未被撿起的殘膜質(zhì)量(g)。

作業(yè)效率ξ(hm2/h)的表達(dá)式為[13]

ξ=V·T·0.36

(10)

式中V—機(jī)構(gòu)前進(jìn)作業(yè)速度(m/s);

T—撿拾機(jī)構(gòu)作業(yè)寬度(m)。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

撿拾機(jī)構(gòu)的試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 機(jī)構(gòu)撿拾結(jié)果折線圖Fig.5 The organization pick up result line chart

試驗(yàn)分別取0.7、1.0、1.3、1.6、1.9m/s等5種前進(jìn)速度測(cè)試。由圖5可知：隨著作業(yè)速度的提高，殘膜撿拾率降低；機(jī)構(gòu)前進(jìn)作業(yè)速度越慢，則彈齒對(duì)同樣面積地塊的作業(yè)次數(shù)就越多；如果作業(yè)速度過高，存在彈齒來不及撿拾地面殘膜的問題，相應(yīng)殘膜回收率就會(huì)降低,零件的強(qiáng)度要求較高，磨損也較大。

當(dāng)作業(yè)速度為0.7m/s時(shí)拾膜率最高；當(dāng)作業(yè)速度為0.7～1.3m/s時(shí)，拾膜率變化較平緩；大于1.3m/s時(shí)，變化較大。用公式(10)可算出：作業(yè)速度1.0m/s時(shí)，作業(yè)效率0.61hm2/h；1.3m/s時(shí),作業(yè)效率0.8hm2/h,收膜率差值較小，但作業(yè)效率相差較大。所以，經(jīng)綜合考慮，采用1.3m/s前進(jìn)速度。

4 結(jié)論

1)對(duì)鏈齒耙式耕層殘膜回收機(jī)撿拾機(jī)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，明確了牽引阻力與起膜鏟的傾角有關(guān)，確定了傾角α取20°。根據(jù)土膜運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析及結(jié)合實(shí)際作業(yè)情況，確定了起膜鏟長(zhǎng)度L取300mm，寬度取1 700mm。通過分析，確定了彈齒長(zhǎng)度l取100mm及其在鏈齒耙上的排列方式。

2)田間試驗(yàn)表明：機(jī)構(gòu)作業(yè)運(yùn)行流暢，起膜鏟及彈齒的入土深度合適，耕層碎膜撿拾效果較理想。根據(jù)機(jī)構(gòu)前進(jìn)的速度對(duì)拾膜率影響的試驗(yàn)，確定了合適的機(jī)器運(yùn)行作業(yè)速度取1.3m/s，殘膜撿拾率大于90%，達(dá)到了較好的撿拾效果。