羅 威，王吉奎,2，羅新豫，牛海龍，段文獻(xiàn)，李 陽，布爾蘭·卡力木別克，畢新勝,2

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夾指鏈?zhǔn)綒埬せ厥昭b置仿形及收膜機(jī)構(gòu)的改進(jìn)設(shè)計與試驗

羅 威1，王吉奎1,2※，羅新豫1，牛海龍1，段文獻(xiàn)1，李 陽1，布爾蘭·卡力木別克1，畢新勝1,2

（1. 石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院，石河子 832000；2. 農(nóng)業(yè)部西北農(nóng)業(yè)裝備重點實驗室，石河子 832000）

針對現(xiàn)有夾指鏈?zhǔn)綒埬せ厥昭b置收膜作業(yè)地面仿形性差、作業(yè)性能不穩(wěn)定的問題，設(shè)計了一種單鉸接仿形及收膜機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)主要由仿形機(jī)構(gòu)和收膜機(jī)構(gòu)兩部分組成，整個收膜裝置由多個單鉸接仿形及收膜機(jī)構(gòu)并排組成，每個單鉸接仿形及收膜機(jī)構(gòu)作業(yè)時可以單獨仿形。仿形機(jī)構(gòu)主要由仿形架、切膜圓盤、仿形輪、壓緊機(jī)構(gòu)和刮土板組成，切膜圓盤固連在仿形輪一側(cè)，將地表殘膜切成帶狀的同時對地表進(jìn)行仿形，壓緊彈簧產(chǎn)生的預(yù)壓力使仿形機(jī)構(gòu)始終緊貼地表仿形，通過對仿形機(jī)構(gòu)的設(shè)計，確定了其結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)，并對該裝置的上仿形運(yùn)動和下仿形運(yùn)動進(jìn)行了分析與討論。田間試驗表明，在機(jī)具作業(yè)5.5 km/h、切膜圓盤直徑為280 mm、仿形輪直徑為220 mm時，殘膜回收率達(dá)93.1%，能夠滿足殘膜回收技術(shù)要求，研究成果有利于解決殘膜污染問題。

農(nóng)業(yè)機(jī)械；設(shè)計；膜；殘膜回收；單鉸接；仿形

0 引 言

夾指鏈?zhǔn)綒埬せ厥昭b置采用夾持原理回收殘膜，收膜時殘膜被夾在夾指和收膜鏈之間，殘膜不易滑落，收膜可靠性高，可以收起目前廣泛使用的超薄地膜[1-4]。當(dāng)年使用后的殘膜附在地表，夾指夾取殘膜時夾指前端必須適當(dāng)伸入土層。由于田間環(huán)境復(fù)雜，尤其在作物收獲后，地表土壤堅實度大，且經(jīng)一個作業(yè)季的耕作地面不平整，為保證夾指的入土深度，夾指夾取殘膜時需對地面進(jìn)行仿形[5-9]。但現(xiàn)有夾指鏈?zhǔn)綒埬せ厥昭b置固聯(lián)在機(jī)架上，夾指收膜仿形主要靠地輪仿形，夾指的入土深度有限，受機(jī)組作業(yè)顛頗和地面不平的影響，作業(yè)時夾指有可能不能入土，造成殘膜漏收，致使收膜效果不穩(wěn)定[10-15]。因此，需要在夾指鏈?zhǔn)綒埬せ厥昭b置上設(shè)置仿形機(jī)構(gòu)[16-18]，確保夾指可靠入土，夾取殘膜。

目前殘膜回收裝置的仿形普遍采用整體仿形，整體仿形是指收膜部件與機(jī)架剛性連接，整機(jī)依靠地輪隨地表上下起伏實現(xiàn)收膜仿形。整體仿形結(jié)構(gòu)比較簡單，適用于一些收膜部件入土深度較大的機(jī)型[19-23]。夾指鏈?zhǔn)綒埬せ厥昭b置由于其入土深度受到限制，不易采用整體仿形。

當(dāng)前單鉸接仿形機(jī)構(gòu)廣泛運(yùn)用于播種機(jī)械的開溝器作業(yè)，而在殘膜回收裝置上應(yīng)用較少[24-30]。本文結(jié)合夾指鏈?zhǔn)綒埬せ厥昭b置的結(jié)構(gòu)和工作特點，對現(xiàn)有仿形裝置進(jìn)行了改進(jìn)，設(shè)計了一種單鉸接仿形及收膜機(jī)構(gòu)，改進(jìn)的夾指鏈?zhǔn)綒埬せ厥昭b置由多個單鉸接仿形及收膜機(jī)構(gòu)組成，每個單鉸接仿形及收膜機(jī)構(gòu)與機(jī)架獨立鉸接，工作中各個收膜機(jī)構(gòu)根據(jù)地形起伏單獨仿形，其仿形不受機(jī)組顛簸和其他收膜機(jī)構(gòu)的影響。試驗表明，單鉸接仿形能使收膜機(jī)構(gòu)緊貼地表，隨地面高低浮動，確保夾指可靠入土，提高了夾指鏈?zhǔn)綒埬せ厥昭b置的工作可靠性。研究成果對促進(jìn)殘膜污染治理具有重要意義。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

改進(jìn)的夾指鏈?zhǔn)綒埬せ厥昭b置由牽引裝置、機(jī)架、地輪、殘膜箱、單鉸接仿形及收膜機(jī)構(gòu)、脫膜裝置、傳動系統(tǒng)組成，單鉸接仿形及收膜機(jī)構(gòu)有多個，橫向并列布置在機(jī)架上，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

每個單鉸接仿形及收膜機(jī)構(gòu)由仿形機(jī)構(gòu)和收膜機(jī)構(gòu)兩部分組成，其中仿形機(jī)構(gòu)由仿形架、切膜圓盤、仿形輪、壓緊機(jī)構(gòu)和刮土板組成，收膜機(jī)構(gòu)由收膜架、上收膜鏈輪、下收膜鏈輪、收膜鏈、夾指、托輪和張緊機(jī)構(gòu)組成，仿形架前端鉸接在機(jī)架上，后端鉸接在下收膜鏈輪軸上，仿形輪設(shè)在下收膜鏈輪軸端，切膜圓盤固連在仿形輪一側(cè)，壓緊機(jī)構(gòu)上端設(shè)在機(jī)架上，下端鉸接在仿形輪和下收膜鏈輪之間。

1.牽引裝置 2.機(jī)架 3.脫膜傳動系統(tǒng) 4.張緊機(jī)構(gòu) 5.夾指 6.收膜鏈 7.收膜架 8.上收膜鏈輪 9.脫膜裝置 10.殘膜箱 11.托輪 12.地輪 13.刮土板 14.壓緊機(jī)構(gòu) 15.下收膜鏈輪 16.切膜圓盤 17.仿形輪 18.仿形架 19.收膜傳動系統(tǒng)

1.2 工作原理

拖拉機(jī)通過牽引裝置與機(jī)具相聯(lián)組成作業(yè)機(jī)組，作業(yè)時機(jī)組順著苗行前進(jìn)，地輪通過傳動系統(tǒng)帶動單鉸接仿形及收膜機(jī)構(gòu)和脫膜裝置工作。機(jī)具行進(jìn)時，收膜機(jī)構(gòu)通過仿形架被拖行在地表，切膜圓盤和仿形輪在壓緊機(jī)構(gòu)和重力作用下緊貼地面滾動，切膜圓盤將地表殘膜切成帶狀，仿形輪隨地面高低起伏，由于下收膜鏈輪與仿形輪同軸，下收膜鏈輪則隨仿形輪一起起伏，同時收膜架可在托輪上上下移動，夾指隨夾指鏈轉(zhuǎn)過下收膜鏈輪時夾指與地面間距穩(wěn)定，實現(xiàn)夾指夾持殘膜時對地表實現(xiàn)仿形。夾指入土將帶狀殘膜夾起，膜上土壤、秸稈和根莖等雜物會在殘膜夾持上升的過程中從殘膜兩側(cè)掉落于地表，殘膜隨著夾指鏈運(yùn)動到上收膜鏈輪時夾指張開，殘膜落入殘膜箱，其收膜過程詳見文獻(xiàn)[1]。

1.3 主要技術(shù)指標(biāo)

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合新疆地區(qū)棉花種植模式，改進(jìn)的夾指鏈?zhǔn)綒埬せ厥昭b置主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示[1]。

表1 主要技術(shù)指標(biāo)

2 收膜部件改進(jìn)設(shè)計

2.1 單鉸接仿形及收膜機(jī)構(gòu)

作物收獲后殘膜成片貼附在地表，夾指鏈?zhǔn)綒埬せ厥昭b置收膜時夾指必須入土夾取殘膜，試驗證明僅就夾指而言夾指入土越深，則夾指入土后劃過地面的距離越長，夾指夾取殘膜的能力越強(qiáng)。但由于夾指工作長度有限，受夾指鏈?zhǔn)綒埬せ厥昭b置結(jié)構(gòu)限制，夾指入土深度不能太深，否則收膜鏈會入土將成片殘膜劃破，夾指設(shè)在收膜鏈外側(cè)，夾指夾取殘膜時正處于殘膜劃破部位，夾指有可能夾取不到殘膜，故收膜作業(yè)時既要保證夾指入土深度而且收膜鏈不能過度刮破待收殘膜。因此，收膜裝置作業(yè)時必須對地面進(jìn)行仿形，防止夾指入土深度過大或不足。

為提高仿形性能，將現(xiàn)有夾指鏈?zhǔn)綒埬せ厥昭b置收膜機(jī)構(gòu)各個夾指鏈分離，形成獨立的收膜機(jī)構(gòu)，且每個收膜機(jī)構(gòu)可對地面進(jìn)行獨立仿形，獨自回收殘膜。單鉸接仿形機(jī)構(gòu)是一種簡單仿形機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)通過鉸接方式與機(jī)架相聯(lián)，在輔助部件的作用下可以使工作部件緊貼地面，比較適合殘膜回收的仿形。基于此，現(xiàn)將單鉸接仿形機(jī)構(gòu)用于夾指鏈?zhǔn)綒埬せ厥昭b置的仿形，與收膜機(jī)構(gòu)一起組成單鉸接仿形及收膜機(jī)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.收膜傳動系統(tǒng) 2.仿形架 3.切膜圓盤 4.仿形輪 5.下收膜鏈輪 6.壓緊機(jī)構(gòu) 7.刮土板 8.收膜鏈 9.夾指 10.收膜架 11.張緊機(jī)構(gòu) 12.托輪 13.上收膜鏈輪

其中，托輪設(shè)在收膜架下側(cè)，收膜架可在托輪上自由滑動。作業(yè)時在壓緊機(jī)構(gòu)和重力的作用下仿形輪緊貼地表滾動，因下收膜鏈輪與仿形輪同軸，所以下收膜鏈輪隨仿形輪在地面高低起伏，確保夾指轉(zhuǎn)過下收膜鏈輪時的入土深度。調(diào)整壓緊彈簧的壓力可以減少仿形過敏，且根據(jù)機(jī)構(gòu)分析，這種仿形機(jī)構(gòu)沒有仿形滯后現(xiàn)象發(fā)生。刮土板的作用是刮去黏在仿形輪上的泥土，防止仿形輪黏土過多，尺寸增大，導(dǎo)致夾指入土深度不足。各收膜機(jī)構(gòu)間有合適的預(yù)留空間，仿形輪和夾指鏈隨機(jī)組滾動前進(jìn)，地面秸稈和土塊不會壅堵收膜機(jī)構(gòu)。

2.1.1 仿形架

仿形架前端鉸接在與機(jī)架相聯(lián)的主傳動軸上，后端與收膜架下端、切膜圓盤和仿形輪同軸聯(lián)接，作業(yè)時，仿形輪在仿形架的拖曳下在地面自由滾動，實現(xiàn)對地表的仿形。仿形架的結(jié)構(gòu)如圖3所示。仿形架通過2個雙球面軸承與主傳動軸聯(lián)接。

1.軸承 2.主傳動軸 3.仿形架 4.地表 5.仿形輪

1.Bearing 2.Main driving shaft 3.Profiling frame 4.Land surface 5.Profiling wheel

注：為仿形架的長度，mm；為仿形架與豎直向下方向的夾角，(°)；為鉸接點到水平面的距離，mm。

Note:is length of profiling frame, mm;is the angle between profiling frame and the vertical downward direction, (°);is the distance from the hinge point to horizontal surface, mm.

圖3 仿形架示意圖

Fig.3 Schematic diagram of profiling frame

在主傳動軸高度一定的情況下，影響仿形輪作業(yè)平穩(wěn)性的主要因素主要是仿形架的長度，當(dāng)仿形輪在平整地表運(yùn)動時，仿形架與豎直方向上的夾角=arccos(-)/。為仿形輪的半徑，mm。

由式（1）可知，Δ的變化率小于0在主傳動軸和地表凸起高度一定的情況下，夾角的變化量隨仿形架長度的增大而減小，即仿形架越長仿形輪在地面滾動越過凸起時擺動越小，整個收膜機(jī)構(gòu)工作越平穩(wěn)?？紤]到機(jī)具的通過性和整機(jī)空間結(jié)構(gòu)，主傳動軸離地高度取值為300 mm，確定仿形架的長度=450mm。

2.1.2 仿形輪與切膜圓盤

作業(yè)時，仿形輪被壓在地面滾動，其作用是保證同軸一側(cè)的下收膜鏈輪經(jīng)過不平整的地面時，下收膜鏈輪與地面保持在合理間距范圍內(nèi)，使夾指夾取殘膜時能夠入土。受機(jī)具空間限制，為簡化結(jié)構(gòu)，將切膜圓盤固聯(lián)在仿形輪側(cè)面，切膜圓盤內(nèi)圈做仿形輪輪輻。這樣以來切膜圓盤在切膜作業(yè)過程中也可實現(xiàn)地面仿形。另外，為疏松地表殘膜，切膜圓盤側(cè)面設(shè)有碎土齒。仿形輪與切膜圓盤的組合結(jié)構(gòu)如圖4所示。

仿形輪的直徑大小決定下收膜鏈輪與地面的間距，在殘膜不被劃破的前提下，下收膜鏈輪與地面的間距越小，夾指的入土深度越大，夾指夾持殘膜越可靠。殘膜有一定的彈性和韌性，夾指鏈與地面剛接觸的情況下對殘膜損傷不大。因此，在不計夾指直徑參數(shù)的條件下，仿形輪的直徑可由夾指鏈轉(zhuǎn)過下收膜鏈輪的最大回轉(zhuǎn)直徑確定，即仿形輪的直徑1=220 mm。仿形輪的寬度影響仿形輪作業(yè)時在地面的壓陷深度，壓陷深度越大則對殘膜回收來說仿形性越差。作物收獲后田間地表土壤比較堅實，且單個夾指鏈殘膜回收單元質(zhì)量不大，仿形輪一側(cè)固聯(lián)切膜圓盤，切膜圓盤需要入土，調(diào)節(jié)壓緊彈簧的壓力可以調(diào)節(jié)仿形輪對地面的壓力，以適應(yīng)不同地面情況，因此仿形輪寬度不宜過大。另外，作物收獲后，田間殘膜有一定的強(qiáng)度和韌性，仿形輪在地表有一定的壓痕深度，不影響殘膜回收。田間試驗仿形輪寬度=25 mm可以滿足要求。

1.仿形輪 2.碎土齒 3.切膜圓盤

切膜圓盤直徑2的大小對切膜效果有直接影響。當(dāng)直徑2過小時，由于殘膜有一定韌性，且有地表不平整和地面秸稈的影響，則切膜圓盤與土壤的相互擠壓力不足以將殘膜徹底切開；當(dāng)直徑2過大時，若切膜圓盤遇到堅實的地面或秸稈會難以切入土層，使下收膜鏈輪離開地面，夾指不能充分入土，影響收膜。由于下收膜鏈輪直徑加上夾指直徑約為200 mm，在仿形輪限深作用下切膜圓盤直徑2=280 mm既可以切開殘膜，而且可以防止地面過硬或切到秸稈使切膜圓盤入土深度不足，仿形輪和夾指被支撐離開地面，造成殘膜漏收。

鋪在地表的殘膜膜邊壓在土壤下，作物根部有密封膜孔的土壤，為防止鋪好的地膜被風(fēng)吹走，膜上有壓膜土壤。經(jīng)農(nóng)作物一個生長季后，膜上的土壤已板結(jié)成塊，并將殘膜固定在地表，回收時殘膜易被拉斷，造成漏收。碎土齒的作用是將覆蓋于殘膜上的板結(jié)土壤擠碎，疏松土壤中的殘膜，以減少膜上土壤對殘膜在地面的固定作用，提高殘膜回收率。碎土齒呈等腰直角三角形，底邊固定于切膜圓盤外側(cè)，兩腰開有刃口，碎土齒與水平面間的夾角，對碎土效果有直接影響，結(jié)合田間試驗，碎土齒與水平面的夾角=15°。

2.1.3 壓緊機(jī)構(gòu)

仿形輪和切膜圓盤合成一體，為保證收膜質(zhì)量，作業(yè)時要確保切膜圓盤切入地表的同時仿形輪壓在地面上滾動。由于田間地表情況比較復(fù)雜，若切膜圓盤入土深度不夠，會造成仿形輪離開地面，導(dǎo)致夾指不能充分入土夾取殘膜。壓緊機(jī)構(gòu)的作用是給仿形輪施加一向下的作用力，使仿形輪能可靠壓緊在地面，其結(jié)構(gòu)如圖5所示，其中壓緊彈簧套在導(dǎo)桿上，導(dǎo)桿上端設(shè)在機(jī)架上；調(diào)節(jié)張緊螺母可以調(diào)整壓緊機(jī)構(gòu)對仿形輪的壓力。

圖5 壓緊機(jī)構(gòu)示意圖

仿形輪隨地面高低起伏，仿形輪相對機(jī)架上升時，壓緊彈簧被壓縮，仿形輪受壓緊彈簧壓力增大，此時應(yīng)避免壓緊彈簧變形，仿形輪下降時，壓緊彈簧伸長，壓緊彈簧壓力變小，此時應(yīng)防止切膜圓盤入土能力變?nèi)醵狗滦屋嗠x開地面，因此，壓緊彈簧的長度和勁度系數(shù)對仿形有直接影響。根據(jù)所受負(fù)載和田間試驗，并結(jié)合彈簧設(shè)計手冊[31]，選用材料為碳素彈簧鋼絲的I類C級彈簧，壓緊彈簧直徑為5 mm，中徑為25 mm，總?cè)?shù)32圈，有效圈數(shù)28圈，自由長度300 mm。

2.2 傳動設(shè)計

夾指鏈?zhǔn)漳ぱb置收膜作業(yè)時夾指鏈的線速度是作業(yè)機(jī)組前進(jìn)速度的0.5倍[1]，為保證這一傳動比，夾指鏈?zhǔn)漳ぱb置的傳動由地輪帶動。地輪通過地輪鏈輪將動力傳遞到主傳動軸，主傳動軸由3個固聯(lián)在機(jī)架上的外球面軸承支撐，主傳動軸剛度增大，仿形架通過兩個鉸接點連接在主傳動軸上，仿形架橫向擺動小，鏈傳動轉(zhuǎn)速低，可以保證運(yùn)動傳遞的可靠性。改進(jìn)的夾指鏈?zhǔn)漳ぱb置各個收膜機(jī)構(gòu)獨自仿形，其傳動亦需單獨實施，傳動系統(tǒng)如圖6所示。

動力傳遞路線：機(jī)組前進(jìn)時地輪在地面滾動，地輪鏈輪隨地輪轉(zhuǎn)動，地輪鏈輪將動力傳遞給中間鏈輪，中間鏈輪再將動力傳遞給主傳動鏈輪，主傳動鏈輪帶動主傳動軸轉(zhuǎn)動，主傳動軸上固聯(lián)有多個分傳動鏈輪，分傳動鏈輪將動力傳遞給固聯(lián)在下收膜鏈輪一側(cè)的小鏈輪上。

圖6 傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

3 仿形分析

作物收獲后地面高低不平，待收殘膜附在地表，回收殘膜時要求仿形輪與地面緊貼，確保夾指能入土夾取殘膜。當(dāng)經(jīng)過凸起地表時仿形輪相對地面向上運(yùn)動，當(dāng)經(jīng)過低洼地面時仿形輪相對地面向下運(yùn)動，在此過程中下收膜鏈輪伴隨仿形輪同步運(yùn)動，實現(xiàn)夾指夾取殘膜的同時對地面仿形。因此，就本設(shè)計而言，分析仿形輪的地面仿形性能就相當(dāng)于分析夾指夾取殘膜時的地面仿形。

3.1 上仿形

為研究方便，設(shè)地面凸起斷面為三角形，且凸起在仿形輪經(jīng)過時不變形，地面凸起模型如圖7所示。當(dāng)仿形輪經(jīng)過凸起時，在不計仿形輪與地面沖擊的情況下，仿形輪由水平地面運(yùn)動轉(zhuǎn)為沿凸起的上坡面上升，壓緊彈簧壓縮，仿形輪受彈簧壓力增大，仿形輪始終被壓在坡面上；當(dāng)仿形輪轉(zhuǎn)過凸起頂部點時，在慣性的作用下，仿形輪做斜拋運(yùn)動，離開地面，然后在重力和壓緊彈簧力的作用下落到凸起另一側(cè)下坡面點，最后仿形輪沿下坡面從凸起地面上下來。在仿形輪經(jīng)過凸起地面過程中，只在經(jīng)過凸起頂部后，仿形輪離開地面，沒有對地面仿形。

注：vA為仿形輪在垂直方向上的速度，m·s-1；v為機(jī)組前進(jìn)速度，m·s-1；l1為仿形輪由A點跳落至B點之間的跳躍距離，mm；h1為地面凸起高度，mm；γ為凸起下坡面與水平面之間的夾角，(°)；β為凸起上坡面與水平面之間的夾角，(°)。

設(shè)仿形輪由點跳落至點之間的跳躍距離為1，跳躍距離1的大小對夾指能否對該距離上的殘膜進(jìn)行有效的回收有重要影響。當(dāng)距離1過大時，單個夾指回收殘膜的地面面積增大，若地面殘膜被土塊等壓住，殘膜易被夾指拉斷，造成漏收。因此，跳躍距離1要盡可能的小。

仿形架前端鉸接在主傳動軸上，仿形輪隨地面高低起伏時，仿形輪繞主傳動軸轉(zhuǎn)動，因仿形架有一定的長度，仿形輪轉(zhuǎn)動角度較小，這里假設(shè)仿形輪經(jīng)過凸起時在垂直方向做直線運(yùn)動。則仿形輪由凸起最高點跳落至點的過程中，在垂直地面方向上能量守恒，可以得到下式

式中為單個仿形收膜機(jī)構(gòu)的質(zhì)量，kg；為壓緊彈簧的勁度系數(shù)，N/m；為仿形輪的重力加速度，=9.8 m/s2；v為仿形輪落到點時垂直方向的速度，m/s。

壓緊彈簧的彈力作用于整個仿形收膜機(jī)構(gòu)，但仿形收膜機(jī)構(gòu)的仿形架前端鉸接在主傳動軸上，收膜架托在托輪上，可沿托輪滑動，為簡化計算這里可設(shè)為單個仿形收膜機(jī)構(gòu)的質(zhì)量，kg。

根據(jù)圖7，在凸起上坡面仿形輪垂直向上的速度由式（3）得出。

仿形輪由點運(yùn)動到點所用的時間1為

在重力和彈簧壓力作用下，仿形輪離開點和到達(dá)點時的加速度與分別為

式中0為仿形輪在水平運(yùn)動時壓緊彈簧的預(yù)壓縮量，m。

仿形輪離開點后在豎直方向上做變加速運(yùn)動，由積分法得仿形輪由點運(yùn)動到點的加速度和垂直方向的速度表達(dá)式分別為

式中為仿形輪加速度的變化率，m/s3；1、2為常數(shù)。

將在點時設(shè)為初始條件，把式（3）和式（5）分別代入式（8）和式（7），可以得到1和2的值，將仿形輪在點的加速度式（6）、常數(shù)1和仿形輪由點運(yùn)動到點所用的時間表達(dá)式（4）代入式（7），可以得到加速度變化率的值。

再將加速度變化率的值、式（4）、常數(shù)1和2的值代入式（8），可得仿形輪落在點時垂直方向的速度為

將式（3）、式（9）代入式（2）中，利用MatLab軟件求解，得出仿形輪由點跳落至點之間的跳躍距離的表達(dá)式（1的表達(dá)式過于復(fù)雜，這里不列出）。

由1的表達(dá)式可知，在上仿形作業(yè)時，仿形輪由仿形輪由點跳落至點之間的跳躍距離1主要與機(jī)具作業(yè)速度、仿形輪在水平運(yùn)動時壓緊彈簧的初始形變量、仿形輪運(yùn)動至凸起上坡面頂端時壓緊彈簧的形變量、壓緊彈簧的勁度系數(shù)、地面凸起斷面參數(shù)有關(guān)。其中，跳躍距離1與壓緊彈簧的勁度系數(shù)呈負(fù)相關(guān)，勁度系數(shù)和壓緊彈簧的預(yù)壓縮量越大，仿形輪跳躍距離1就越小；與機(jī)具作業(yè)速度正相關(guān)，作業(yè)速度越大仿形輪跳躍距離1越大。

3.2 下仿形

下仿形時仿形輪由水平運(yùn)動轉(zhuǎn)為下坡運(yùn)動，仿形輪的運(yùn)動模型如圖8所示。仿形輪轉(zhuǎn)過坡面頂端點時，在慣性的作用下仿形輪做平拋運(yùn)動，離開地面，然后在重力和壓緊彈簧力的作用下落到坡面點。

注：l2為仿形輪由C點跳落至D點之間的跳躍距離，mm；ψ為凹陷下坡面與水平面之間的夾角，(°)；vD為仿形輪落到D點時垂直方向的速度，m·s-1。

Fig.8Schematic diagram of lower profiling operation

仿形輪由最高點跳落至點的過程中，在垂直地面方向上能量守恒，可以得到式（10）。

仿形輪由點運(yùn)動到點所用的時間2為

在重力和彈簧壓力作用下，仿形輪離開點和到達(dá)點時的加速度與分別為

將在點時設(shè)為初始條件，同理可得仿形輪落在點時垂直方向的速度為

將式（14）代入式（10）中，利用Matlab軟件求解，得出仿形輪由點跳落至點之間的跳躍距離2的表達(dá)式。

由跳躍距離2的表達(dá)式可知，在下仿形作業(yè)時，仿形輪由點跳落至點之間的跳躍距離l隨機(jī)具作業(yè)速度增大而增大，隨壓緊彈簧的勁度系數(shù)和預(yù)壓縮量增大而減小。

單鉸接仿形及收膜機(jī)構(gòu)在上仿形或下仿形時均存在跳躍，導(dǎo)致夾指離開地面不能夾取殘膜。因此，在作業(yè)速度一定和其他結(jié)構(gòu)參數(shù)不變的情況下應(yīng)適當(dāng)選用勁度系數(shù)大的彈簧，并給予一定的預(yù)壓緊力。

4 收膜對比試驗

4.1 試驗條件

1）試驗儀器。米尺（0～2 m）、卷尺（0～100 m）、電子稱（上?；ǔ彪娖饔邢薰荆⑾鄼C(jī)（佳能數(shù)碼單反相機(jī)EOS700D）。

2）配套動力。選用福田雷沃M800-D拖拉機(jī)、標(biāo)定功率59 kW，要求拖拉機(jī)技術(shù)狀態(tài)良好，駕駛員駕駛技術(shù)熟練，并了解殘膜回收裝置的使用和要求。

本試驗于2016年10月在新疆建設(shè)兵團(tuán)農(nóng)八師石河子市145團(tuán)20連收獲后的棉田進(jìn)行。棉花種植模式為寬窄行密植（660 mm×100 mm×660 mm），株距為85 mm，棉田秸稈已被切碎并清理，地面不平整，土壤硬度適中，滴灌帶已回收，在田間滯留的殘膜已經(jīng)有5～6個月左右，大部分地膜位于地表，地膜幅寬為2 000 mm，厚度為0.008 mm，地膜中部和作物根部有覆土，厚度為25～35 mm，地膜有一定程度的破損，動力由福田雷沃M800-D拖拉機(jī)提供。根據(jù)實際的市場效益和作業(yè)效率的問題，機(jī)組將試驗作業(yè)速度設(shè)置為5～5.5 km/h，試驗場景如圖9所示。

圖9 對比試驗現(xiàn)場圖

4.2 試驗方法

本試驗選取環(huán)境復(fù)雜、地表不平整、地表土壤堅實度大的試驗田進(jìn)行試驗，將殘膜回收率作為主要參數(shù)，分A、B兩組進(jìn)行現(xiàn)場對比測試。A組為現(xiàn)有的夾指鏈?zhǔn)綒埬せ厥昭b置，田間隨機(jī)選取5個試驗區(qū)域進(jìn)行試驗，每個試驗區(qū)域長度為100 m，寬度為1.8 m，在每個試驗區(qū)域隨機(jī)選取5個測試點，每個測試點長度為10 m，寬度為1.8 m，將每個測試點回收的殘膜進(jìn)行整理，并清洗曬干后采用花潮黃金微型天平秤精密電子稱（200 g/0.001 g）稱其質(zhì)量，得出該試驗區(qū)域回收的殘膜平均質(zhì)量1；B組為改進(jìn)的夾指鏈?zhǔn)綒埬せ厥昭b置，田間隨機(jī)選取與A組不重合的試驗區(qū)域，其余試驗方法與A組相同，得出該試驗區(qū)域回收的殘膜平均質(zhì)量2，各測試點當(dāng)年所鋪地膜質(zhì)量=76.47 g。

A組殘膜回收率可由式（15）得出，B組殘膜回收率可由式（16）得出。

式中1為A組現(xiàn)有的夾指鏈?zhǔn)綒埬せ匮b置的殘膜回收率；1為A組各試驗區(qū)域回收的殘膜平均質(zhì)量，g；為各測試點當(dāng)年所鋪地膜質(zhì)量，g；2為B組改進(jìn)的夾指鏈?zhǔn)綒埬せ匮b置的殘膜回收率；2為B組各試驗區(qū)域回收的殘膜平均質(zhì)量，g。

4.3 試驗結(jié)果

經(jīng)田間試驗測試，結(jié)果如表2所示，現(xiàn)有的夾指鏈?zhǔn)綒埬せ厥昭b置平均殘膜回收率為82.9%，改進(jìn)的夾指鏈?zhǔn)綒埬せ厥昭b置平均殘膜回收率達(dá)到93.1%，與現(xiàn)有的樣機(jī)在性能上有明顯的提升。殘膜回收率的提升主要是單體式仿形裝置靈活的仿形性，在先前的基礎(chǔ)上又將凸起和低洼地表上的殘膜進(jìn)行了有效的回收。

由試驗觀察，受作物行間地面不平的影響，機(jī)具在作業(yè)過程中有一定的顛簸，現(xiàn)有的夾指鏈?zhǔn)綒埬せ厥昭b置夾指地面入土劃痕不連續(xù)，表明夾指入土不連續(xù)；改進(jìn)的夾指鏈?zhǔn)綒埬せ厥昭b置仿形輪相對機(jī)架有明顯的上下起伏運(yùn)動，作業(yè)后地面有夾指留下的較為規(guī)整的劃痕，表明夾指入土可靠性增強(qiáng)。由仿形輪地面印痕可知，仿形輪經(jīng)過地面凸起或凹地時沒有發(fā)生明顯的彈跳，主要是因為地面土壤強(qiáng)度低，仿形輪受地面沖擊力小，且壓緊彈簧始終將其壓向地面。經(jīng)試驗，改進(jìn)的夾指鏈殘膜回收裝置殘膜回收率有明顯的提升。

表2 夾指鏈?zhǔn)綒埬せ厥昭b置改進(jìn)前后對比試驗數(shù)據(jù)

5 結(jié) 論

1）改進(jìn)的夾指鏈?zhǔn)綒埬せ厥昭b置可以實現(xiàn)每個收膜機(jī)構(gòu)單獨對地面進(jìn)行仿形，在壓緊機(jī)構(gòu)的作用下仿形輪隨地面高低起伏，使夾指入土仿形受地面不平和機(jī)具顛簸的影響減弱，回收殘膜可靠性增強(qiáng)。

2）仿形輪與下收膜鏈輪并排安裝，可以防止仿形滯后和仿形過敏現(xiàn)象發(fā)生。

3）仿形輪在經(jīng)過地面凸起和凹地時雖有彈跳，但在地面土壤條件下，仿形輪可以碾壓土壤，減弱仿形輪高低起伏運(yùn)動的慣性，適當(dāng)調(diào)節(jié)壓緊彈簧的預(yù)壓力可以避免仿形輪明顯的彈跳。

4）樣機(jī)的田間試驗表明，在機(jī)具作業(yè)速度5～5.5 km/h時，殘膜回收率達(dá)到93.1%，仿形效果顯著，能夠滿足殘膜回收的田間作業(yè)要求。

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Improved design and experiment of profiling and recycling plastic film mechanism for clamping finger-chain type device of recycling residual plastic film

Luo Wei1, Wang Jikui1,2※, Luo Xinyu1, Niu Hailong1, Duan Wenxian1, Li Yang1, Burlen·Halembek1, Bi Xinsheng1,2

(1.,,832000; 2.,832000,)

The existing clamping finger-chain type device of recycling plastic film has the problem of poor profiling quality of film collecting operation and instable work performance, so the profiling and recycling plastic film mechanism with single hinge has been designed. The designed device is mainly composed of 2 parts which are profiling mechanism and film collecting mechanism. Whole film collecting device consists of multiple mechanisms of profiling and recycling plastic film mechanism with single hinge. And profiling can be separately performed when each profiling and recycling plastic film mechanism with single hinge is operating. The profiling mechanism is mainly composed of the profiling frame, the film cutting disc, the profiling wheel, compression mechanism and scraping plate, and so on. The role of the scraping plate is to scrape the soil on the profiling wheel, in order to avoid too much clay on the profiling wheel and the increase in size, which result in insufficient finger insertion depth. The mechanism for collecting residual plastic film is mainly composed of film collecting frame, upper film-collecting sprocket, lower film-collecting sprocket, film collecting chain, clamping finger, supporting wheel and tension mechanism. The front part of the profiling frame is hinged on the frame, and the rear part is hinged on the lower film-collecting sprocket shaft. In addition, the profiling wheel is arranged at the shaft end of the lower film-collecting sprocket. The film cutting disc is fixedly connected to the side of the profiling wheel. Under the effect of compression mechanism and the gravity, the film cutting disc and the profiling wheel roll close to the ground. Because the lower film-collecting sprocket is coaxial with the profiling wheel, the lower film-collecting sprocket is undulating along with the profiling wheel. At the same time, the film collecting frame can move up and down on the supporting wheel. When the clamping finger chain turns around the lower chain sprocket, it has a stabilized distance between the clamping finger and the ground. Then the surface profiling can be completed when the residual film is clamped by the clamping finger. When the profiling wheel and finger chain roll forward, the mechanism for collecting residual plastic film will not be blocked, because there is suitable reserved space between mechanisms for collecting residual plastic film. After the upper and lower profiling operation of the device are analyzed and discussed, the structure size parameters of profiling mechanism are determined. By analyzing the movement of the device, it is concluded that the jump distance from the highest point to the landing point is negatively correlated with the stiffness coefficient of the compression spring, and is positively related to the operation speed of the machine. The experiment was conducted on a test ground with complex field environment, uneven ground and large surface firmness. When the traction speed of tractor was 5-5.5 km/h, the diameter of film cutting disc was 280 mm and the diameter of profiling wheel was 220 mm, the recovery rate of residual plastic film was 93.1%, and the profiling wheel had obvious up and down movement relative to the frame. After the operation of the device, there were regular scratches under the effect of fingers on the surface ground, which indicated that the reliability of finger entering into the soil has been increased. There were no obvious bounce and impresses when the profiling wheel passed the convex and concave on the ground. The profiling hysteresis and profiling hypersensitivity did not occur in the experiment, which indicated that profiling and recycling plastic film mechanism with single hinge can meet the technical requirements of residual film collecting. The research results can be helpful to solve the problem of pollution of residual plastic film.

agricultural machinery; design; films; residual film recovery; single hinged; profiling

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.22.004

S223.5

A

1002-6819(2017)-22-0027-09

2017-05-16

2017-08-18

國家自然科學(xué)基金資助項目（51465050，51765057）

羅 威，研究方向為農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備創(chuàng)新與性能設(shè)計。Email：542164273@qq.com

王吉奎，教授，主要從事農(nóng)業(yè)機(jī)械化工程研究。 Email：shzwjk@126.com