棉稈對行起拔及殘膜回收一體機的設計

韓林壯，劉金秀，王旭峰，劉恩帥，胡 燦，邢劍飛，賀小偉※

（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(nóng)業(yè)工程重點實驗室）

0 引言

我國是世界上主要的產(chǎn)棉區(qū)，棉花收獲后留下的棉稈是一種重要的生物質(zhì)資源，充分利用棉花秸稈資源并不斷提高其綜合利用效果將帶來良好的經(jīng)濟效益和生態(tài)效益[1-3]。經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，新疆地區(qū)廣泛采用（66+10）cm寬窄行密植種植模式，如圖1[4]。

圖1 機采棉（66+10）cm密植種植模式

目前，棉花種植已全面應用地膜覆蓋技術，地膜覆蓋技術的應用為作物提供了溫暖、濕潤的環(huán)境，利于作物扎根，大幅提高了作物成活率，縮短了作物生育期，有利于提高作物品質(zhì)和產(chǎn)量。但地膜在自然條件下很難自行降解，研究表明在自然條件下殘膜需要30～50年才能完全降解[5-6]。地膜的逐年累積會阻礙種子的發(fā)芽，降低棉花的產(chǎn)量，影響棉農(nóng)的經(jīng)濟收入。

利用機械化實現(xiàn)棉稈收獲和殘膜回收是解決棉稈利用率低、殘膜污染嚴重等問題的有效手段。目前國內(nèi)學者已開展了秸稈與殘膜聯(lián)合回收作業(yè)方面的研究。新疆農(nóng)業(yè)科學院研制了4JSM-2100秸稈粉碎還田殘膜回收聯(lián)合作業(yè)機，將粉碎后的棉稈拋送至膜箱后側(cè)，該機型粉塵較大[7]；胡凱等人設計了一種秸稈粉碎與殘膜回收聯(lián)合作業(yè)機，采用了氣力脫膜裝置進行脫膜，提高了脫膜可靠性，但是棉稈粉碎后多功能利用途徑受限[8]；郭振華、王瑩瑩等研制的棉稈集堆及殘膜回收聯(lián)合作業(yè)機在作業(yè)過程中棉稈與殘膜沒有完全分離，棉稈上纏繞部分殘膜，不利于棉稈的回收利用，而且在收膜過程中會出現(xiàn)棉稈與雜質(zhì)被一起收入膜箱的情況，使膜箱的有效利用空間減小，增加了倒膜的次數(shù)，降低了作業(yè)效率低[9-10]。董遠德等設計了一種棉稈集條與殘膜回收聯(lián)合作業(yè)機，該機能夠?qū)崿F(xiàn)鏟棉稈、棉稈集條、挑膜、殘膜回收等多項功能，但該機作業(yè)幅寬較小，不適用于目前正廣泛推廣的1膜6行種植模式[11]。

針對上述問題，本文基于密植農(nóng)藝設計了一種棉稈對行起拔及殘膜回收一體機，對撿膜滾筒鏈輪和棉稈起拔帶輪進行了計算，對棉稈起拔機構(gòu)的機架等進行了ANSYS靜力學分析，并對地輪、拔禾機構(gòu)、機架板進行了疲勞壽命分析，檢驗機架選材和結(jié)構(gòu)的合理性，為該機型進一步優(yōu)化設計提供理論依據(jù)。

1 整機結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 整機結(jié)構(gòu)

棉稈對行起拔及殘膜回收一體機結(jié)構(gòu)如圖2，主要包括拔稈裝置、前掛接系統(tǒng)、拖拉機、后掛接系統(tǒng)、殘膜回收裝置。本機適用于目前廣泛推行的1膜6行機采棉（66+10）cm寬窄行種植模式。

圖2 整機結(jié)構(gòu)

1.2 拔稈裝置及其工作原理

如圖3，拔稈裝置包括撥稈軸、撥禾輪、傳動帶輪、傳動V帶、變速箱、機架、攪龍、地輪、拔稈機構(gòu)、鏟刀和扶禾器等。機組作業(yè)時，扶禾器先將倒伏的棉稈扶起，接著撥禾機構(gòu)在液壓馬達的驅(qū)動下轉(zhuǎn)動將棉稈撥動至拔稈機構(gòu)處，拔稈機構(gòu)在地輪的帶動下轉(zhuǎn)動，在其上固定的V形起拔齒隨之轉(zhuǎn)動，V型槽上開有鋸齒，起拔棉稈時這些鋸齒有利于增加V型槽與棉稈的摩擦力，從而增加了棉稈起拔力，保證棉稈被順利拔起。起拔鏈輪上安裝有鏟刀，可以把覆蓋在邊膜上的土鏟開，利于后方殘膜回收裝置中弧形起膜鏟的工作，起拔后的棉稈在攪龍作用下不斷向機體右側(cè)輸送，最終把棉稈有序的鋪倒在田間，方便棉稈后續(xù)的回收利用。

圖3 拔稈裝置結(jié)構(gòu)

1.3 殘膜回收裝置及其工作原理

如圖4，殘膜回收機構(gòu)包括機架、撿膜機構(gòu)變速箱、變速器傳動帶輪、脫模滾筒傳動帶、脫膜板、脫膜圓盤、集膜箱、弧形起膜鏟、撿膜滾筒和伸縮彈齒等組成。拖拉機輸出動力到撿膜機構(gòu)變速箱，撿膜機構(gòu)變速箱安裝在脫膜機構(gòu)機架前端橫梁上，帶動后端的撿膜滾筒和脫膜圓盤轉(zhuǎn)動，前端拔稈裝置上安裝的鏟刀把覆蓋在邊膜上的土鏟開，利于弧形起膜鏟的作業(yè)。拔起棉稈后，后方的殘膜回收機把棉田表層膜收起，不僅可以收起田間大片地膜，而且可以回收邊膜，提高殘膜回收率。隨著機具的前進，弧形起膜鏟鏟起地膜，伸縮彈齒把地膜撿起，在脫膜板的作用下刷掉殘膜，使殘膜進入集膜箱，達到殘膜回收的目的。

圖4 殘膜回收裝置結(jié)構(gòu)

2 主要技術參數(shù)

參照寬窄行棉花播種機的作業(yè)參數(shù)[12]及下文計算，確定整機主要技術參數(shù)如下:

工作幅寬（m） 2.1

鏟刀作業(yè)深度（mm） 0~50

機具作業(yè)前進速度（km/h） 5

作業(yè)行數(shù)（行） 6

地輪直徑（mm） 669

帶輪直徑（mm）200

生產(chǎn)率（hm2/h）1.05

配套動力（kW）36.7~58.8

3 關鍵結(jié)構(gòu)設計與分析

3.1 撿膜裝置設計

如圖5，撿膜裝置包括伸縮彈齒、曲柄、凸輪和撿膜滾筒。其中凸輪與主軸固定在一起，主軸通過花鍵固定在機架上。工作時由鏈輪直接帶動滾筒轉(zhuǎn)動，曲柄的一端固定在滾筒上，另一端安裝軸承并在凸輪上沿著凸輪外部曲線運動，伸縮彈齒焊接在曲柄上隨曲柄一起運動。凸輪的最大推程為250mm，最小推程為150mm，最大推程與最小推程相差100mm，即伸縮彈齒的伸縮距離為100mm。滾筒帶動曲柄及伸縮齒在凸輪上運動，運動到凸輪最大推程時伸縮齒將殘膜撿起，運動到凸輪最小推程時伸縮彈齒完全收回滾筒內(nèi)，殘膜被脫下。

圖5 撿膜裝置結(jié)構(gòu)

3.2 弧形起膜鏟結(jié)構(gòu)設計

如圖6，弧形起膜鏟的工作長度為2 000 mm，與撿膜滾筒工作長度相對應?；⌒纹鹉ょP的側(cè)視圖為直徑為950mm的圓的1/4圓弧。安裝時與撿膜滾筒同心配合，撿膜滾筒外徑為806mm，加上伸縮齒伸出的最大長度，剛好與弧形起膜鏟相配合，保證被弧形起膜鏟鏟起的殘膜全部能夠被伸縮彈齒撿起?；⌒纹鹉ょP的間隙分為窄間隙與寬間隙，窄間隙寬度為10 mm，伸縮齒直徑為6 mm，工作時從窄間隙通過將殘膜撿起，寬間隙為60 mm，被弧形起膜鏟鏟起的大土塊從大間隙落向地面。

圖6 撿膜裝置結(jié)構(gòu)

3.3 拔稈機構(gòu)結(jié)構(gòu)設計

如圖7和圖8，拔稈機構(gòu)包括拔稈圓盤、起拔齒支架、起拔主軸、V型起拔齒和傳動帶輪。V型齒板通過螺栓螺母連接在拔稈圓盤上，每個拔稈圓盤上安裝3個V型齒板，3個V型齒板均勻分布在拔稈圓盤上，兩兩間隔120°。拔稈圓盤用鍵和擋圈固定并定位在拔稈主軸上，拔稈圓盤的直徑為300mm。由于新疆棉花的寬窄行種植模式中寬行的距離為660mm，窄行的距離約100 mm，故主軸上3個拔稈圓盤間距均為760mm。V型齒板上兩個V型槽的距離為100 mm，棉稈直徑約為4~15 mm，故設計槽口寬為30mm，確保棉稈可以順利導入V型槽。每個拔稈圓盤可同時起拔2行棉稈，3個圓盤就可以同時起拔6行，剛好滿足新疆棉花1膜6行的種植模式，每次作業(yè)能拔1個地膜的寬度（2050mm），與殘膜回收機構(gòu)作業(yè)寬度相對應。

圖7 拔稈機構(gòu)結(jié)構(gòu)

圖8 拔稈圓盤結(jié)構(gòu)

3.4 地輪機構(gòu)設計

整機的拔稈部件所需的動力全部來自于地輪機構(gòu)（圖9），而且拔稈部件拔稈的頻率也是由地輪機構(gòu)決定，所以地輪機構(gòu)設計的是否合理直接決定了該拔稈機具的拔稈效果。地輪需要傳遞動力，故對地輪結(jié)構(gòu)強度要求較高。地輪外圈有均勻分布的三角鐵，以增加地輪的抓地能力。地輪的的寬度約為50mm，可以有效防止因土地過于松軟而導致地輪陷入泥土，從而影響拔稈精度。地輪的直徑通過以下計算得到：參照精量穴播器株距參數(shù)表，當精量穴播期鴨嘴數(shù)為10時，棉花株距約為140mm，因此地輪必須滿足每滾動140 mm就能帶動起拔部件進行一次起拔。每個拔稈圓盤上有3個V型齒板，故地輪直徑需要滿足每轉(zhuǎn)動140mm帶動拔稈圓盤轉(zhuǎn)動120°。設地輪的直徑為D，選用傳動比為5的變速箱。則每起拔一次地輪需要轉(zhuǎn)過的角度應為：

圖9 地輪機構(gòu)結(jié)構(gòu)

可計算出地輪直徑應為669mm。

4 傳動系統(tǒng)的計算

4.1 撿膜滾筒鏈輪的計算

棉稈對行起拔及殘膜回收一體機結(jié)合實際工作情況及傳動系統(tǒng)的設計要求，殘膜回收裝置、撿膜機構(gòu)變速箱、脫膜滾筒等均選用鏈傳動，鏈傳動系統(tǒng)在正常工作時不僅要保證機具能夠正常地傳動工作，同時還要保證機具傳動系統(tǒng)具備足夠的可靠性，因此，傳動鏈條、鏈輪均采用45鋼，并經(jīng)過熱處理使其滿足鏈傳動系統(tǒng)剛度要求。

撿膜滾筒由拖拉機提供動力，拖拉機功率為120馬力，由拖拉機輸出主軸通過齒輪減速器帶動鏈輪。主軸鏈輪轉(zhuǎn)速為180r/min，傳動比為i=1.5。根據(jù)《機械設計》[13]中的計算公式，得到小鏈輪齒數(shù)Z1=21，Z2=32，根據(jù)功率計算出鏈條型號為40A-1，鏈條節(jié)距為p=63.5 mm，進而得到鏈節(jié)數(shù)Lp=90，中心距a=2013mm。

4.2 棉稈起拔帶輪的計算

棉稈起拔機構(gòu)的動力由地輪經(jīng)過減速器變速后通過帶傳動來帶動，所以帶傳動的設計至關重要。起拔機構(gòu)每次能起拔5根棉稈，每根棉稈的起拔阻力約為282~471N[14-15]，5根則為1410N~2355N，由于土壤的含水率以及能量碰撞會影響起拔力[16]，故起拔總阻力取F1=1450N。棉稈起拔時拔稈齒與地面的夾角約45°，拔稈盤的受力點與拔稈主軸距離為L=0.2m。由已知F1=1500N，根據(jù)受力關系，則法向力F2=切向力，F(xiàn)3=F1sin45°=1025.15N。

根據(jù)計算，帶輪需要提供的扭距為205N·m，拖拉機的作業(yè)速度為v=5km/h，棉稈的株距為s=140mm，拔稈輪每轉(zhuǎn)動120°實現(xiàn)一次起拔。得到拔稈輪的轉(zhuǎn)速n1=198r/min，拔稈主軸上帶輪工作的功率Pca=4.25kW。

因此可以得到帶傳動的工作數(shù)據(jù)為：

表1 V帶傳動數(shù)據(jù)

根據(jù)以上數(shù)據(jù)，由《機械設計》選用B型V帶，取帶輪基準直徑dd1=dd2=200mm。根據(jù)公式，初定中心距a0=500 mm，計算帶所需要的基準長度Ld=1 560 mm，計算實際中心距a=466mm。

考慮帶的制造誤差、帶長誤差、帶的彈性以及因帶的松弛而產(chǎn)生的補充張緊的需要，給出中心距的變動范圍如下：

式中a—實際中心距（mm）；dd—帶輪的基準直徑（mm）。

中心距的變化范圍為443mm~513mm。

經(jīng)計算與考慮到慣性沖量，取V帶的根數(shù)為4。

由表2得B型帶單位長度質(zhì)q=0.170kg/m，所以：

表2 V帶傳動數(shù)據(jù)

5 關鍵零部件靜力學仿真試驗

應用ANSYS Workbench對拔稈裝置的機架進行靜力學仿真試驗，根據(jù)模型求解的結(jié)果來檢驗機架的設計結(jié)構(gòu)與選用材料是否合理，如不合理，要進一步改進[17]。利用Solidworks軟件對棉稈對行起拔及殘膜回收一體機進行建模，再提取拔稈裝置的機架部分保存為x-t格式，導入到ANSYSworkbench平臺上進行有限元靜力學試驗。

機架受到的載荷主要來自安裝在機架上的扶禾裝置、拔稈機構(gòu)、鏟刀、地輪和絞龍。根據(jù)分析，扶禾裝置提供的力約為160 N，作用于機架懸臂的最頂端；拔稈機構(gòu)和鏟刀提供的力為鏟切裝置提供的力，約3 200 N，作用于機架前端；地輪提供的力約為5 200 N，作用于機架邊板上；絞龍?zhí)峁┑牧s為280N，作用于機架板的后端。三點懸掛架連接在拖拉機上，起牽引及固定作用，因此對機架上的三點懸掛架的三個連接面添加固定約束關系，對各部件進行仿真試驗。

使用ANSYS workbench軟件中的Static Structural對機架進行相應試驗分析來顯示各部件在外力作用下所發(fā)生的一些形變。主要分析的內(nèi)容有在施加了外部載荷后各部件的應力和應變。

由試驗結(jié)果可知：機架的最大變形是0.51605mm，位于機架板上，由于該處安裝地輪，地輪轉(zhuǎn)動為拔稈機構(gòu)工作提供動力，所需的力較大且載荷較為集中，易出現(xiàn)較大變形。機架的最大應力為78.75MPa，比材料Q235結(jié)構(gòu)鋼的最大屈服強度235 MPa低，因此機架結(jié)構(gòu)強度和剛度滿足要求，其余各部件也都滿足強度和剛度要求。

表3 仿真試驗結(jié)果

圖10 棉稈起拔機構(gòu)機架的有限元模型

圖11 機架總變形云圖

圖12 機架所受應力云圖

圖13 地輪應力圖

圖14 地輪應變圖

圖15 拔禾機構(gòu)應力圖

圖16 拔禾機構(gòu)應變圖

圖17 擋板應力圖

圖18 擋板應變圖

6 關鍵零部件疲勞分析

零件失效大部分為疲勞失效，材料或者零件在反復加載下某些部位產(chǎn)生永久性損傷，在重復到一定次數(shù)時就會產(chǎn)生裂紋甚至斷裂，進而影響機具的作業(yè)效果以及使用壽命[18]。在載荷作用下構(gòu)件產(chǎn)生疲勞破壞所需的應力或應變的循環(huán)次數(shù)即為疲勞壽命[19]。

本文使用Workbench中的疲勞工具下的壽命工具，對棉稈對行起拔及殘膜回收一體機的地輪、拔禾機構(gòu)、機架擋板進行壽命分析，循環(huán)次數(shù)設定為10萬次。分析結(jié)果如圖19。

圖19 地輪疲勞壽命云圖

對于地輪的旋轉(zhuǎn)力矩而言，地輪的最少及最大循環(huán)次數(shù)在10萬次以上，也就是需要循環(huán)10萬次才能發(fā)生疲勞失效。在實際的土地環(huán)境作業(yè)中，拔禾機構(gòu)才是棉稈起拔的關鍵，因為還需要對拔禾機構(gòu)進行壽命分析，結(jié)果如圖20。

由圖20可知，拔禾機構(gòu)及鏟刀最少在10萬次時會出現(xiàn)疲勞斷裂，且最大等效交變應力為80.39 Mpa，滿足使用要求。如圖21，對機架板壽命進行了有限元分析，其在10萬次循環(huán)之內(nèi)不會產(chǎn)生疲勞失效，因此不會影響機器的作業(yè)效果以及壽命。

圖20 拔稈機構(gòu)壽命云圖

圖21 機架板疲勞壽命云圖

7 結(jié)論

（1）本文設計了一種棉稈對行起拔及殘膜回收一體機，可完成邊膜鏟切和棉稈對行分禾、導稈、拔稈、輸送、側(cè)邊鋪放及表層殘膜全量回收作業(yè)。

（2）對撿膜滾筒鏈輪進行計算，得出鏈條型號為40A-1、鏈輪齒數(shù)Z1=21，Z2=32、鏈條節(jié)數(shù)Lp=90、中心距a=2013mm；對棉稈起拔帶輪進行計算，得出選用B型普通V帶4根、帶的基準長度為1 560 mm、帶輪直徑dd1=dd2=200 mm、中心距控制在a=443mm~513mm、單根帶初拉力F0=422N。

（3）利用Solidworks軟件對棉稈對行起拔及殘膜回收一體機進行整機建模，再提取受力較大的棉稈起拔機構(gòu)的機架保存為x-t格式，導入到ANSYSWorkbench上進行靜力學分析，經(jīng)過分析可知機架設計的結(jié)構(gòu)和選材合理。

（4）對該機具的核心起拔部件進行了靜力學仿真試驗，在模擬工作條件下受力情況，得出了最大應力為78.75MPa，最大變形0.51605mm，最大等效交變應力為80.39MPa，皆小于Q235、45號鋼、鑄鐵的許用應力，關鍵零部件疲勞壽命也都達到標準，滿足使用要求。

（5）棉稈側(cè)邊鋪條后經(jīng)后續(xù)回收利用可以緩解能源緊張；殘膜回收裝置對邊膜的回收極大地提高了殘膜回收率。機具性能穩(wěn)定，達到了棉稈對行起拔及殘膜回收一體機的設計要求，研究結(jié)果將為該機后續(xù)的改進設計提供理論參考。