謝建華，孫超偉，楊業(yè)龍，曹曉冉

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)械交通學(xué)院，烏魯木齊 830052)

?

殘膜回收機(jī)拾膜卸膜機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析及實(shí)驗(yàn)

謝建華，孫超偉，楊業(yè)龍，曹曉冉

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)械交通學(xué)院，烏魯木齊 830052)

根據(jù)摟草機(jī)滑道彈齒機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)了桿齒式殘膜回收機(jī)，對機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了仿真分析和正交試驗(yàn)。運(yùn)用仿真分析得出桿齒末端的運(yùn)動(dòng)軌跡和不同速比下桿齒末端的加速度曲線，并利用土槽臺(tái)架試驗(yàn)系統(tǒng)，對影響機(jī)具拾膜率及卸膜率的行進(jìn)速度、速比(機(jī)具行進(jìn)速度與桿齒軸轉(zhuǎn)動(dòng)線速度比)、桿齒入土深度3個(gè)主要因素進(jìn)行了正交試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：速比的變化對機(jī)構(gòu)拾膜率的影響程度大于機(jī)具行進(jìn)速度和桿齒入土深度的變化，當(dāng)機(jī)具行進(jìn)速度為0.85m/s、速比為1.5、托膜鏟入土深度為50mm時(shí)，桿齒式拾膜機(jī)構(gòu)、卸膜機(jī)構(gòu)的拾膜率和卸膜率均達(dá)到優(yōu)水平。

殘膜回收；拾膜機(jī)構(gòu)；卸膜機(jī)構(gòu)；正交試驗(yàn)

0 引言

地膜覆蓋栽培技術(shù)是一種先進(jìn)的農(nóng)業(yè)栽培技術(shù)，自20世紀(jì)70年代引入我國后得到大力推廣，目前已經(jīng)覆蓋多個(gè)省市[1-3]。我國大部分地區(qū)使用的地膜是厚度為0.006～0.008mm的超薄農(nóng)膜，這種地膜易破損，抗拉強(qiáng)度差[4]。隨著塑料農(nóng)膜用量的不斷增加，加之不能有效及時(shí)回收，致使農(nóng)田殘膜堆積越來越多，堆積的殘膜不僅破壞土壤結(jié)構(gòu)，而且影響作物的生長發(fā)育，將最初使用地膜帶來的作物的高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)逐漸轉(zhuǎn)為低產(chǎn)、劣質(zhì)[5-6]。為了解決地膜使用后造成的“白色污染”，我國農(nóng)機(jī)科研人員針對殘膜回收技術(shù)展開了研究并制造出多種殘膜回收機(jī)具，現(xiàn)有殘膜回收機(jī)常用的撿拾機(jī)構(gòu)有輪齒式、桿齒式、伸縮桿齒式和鏈齒式等幾種[7-8]。其中，桿齒式結(jié)構(gòu)相對簡單，地膜收凈率較高，具有較好的研究意義[9-10]。衡量桿齒式拾膜機(jī)構(gòu)的主要指標(biāo)是機(jī)構(gòu)的拾膜率和卸膜率，對于機(jī)構(gòu)自身來說，桿齒末端的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)和桿齒的入土深度均對拾膜機(jī)構(gòu)的拾膜率有一定的影響，而桿齒的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)與桿齒軸的轉(zhuǎn)速和機(jī)具行進(jìn)速度密切相關(guān)。為了確定桿齒式拾膜機(jī)構(gòu)的最優(yōu)工作條件，針對優(yōu)化滑道后的桿齒式拾膜機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)機(jī)理分析，通過UG軟件對拾膜、卸膜機(jī)構(gòu)進(jìn)行三維建模和運(yùn)動(dòng)仿真，觀察拾膜卸膜機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)情況，排除機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)干涉。同時(shí)，運(yùn)用正交試驗(yàn)，研究機(jī)具行進(jìn)速度、桿齒軸轉(zhuǎn)速及桿齒入土深度等工作參數(shù)對拾膜率、卸膜率的影響。為桿齒式拾膜機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)化和最優(yōu)工作條件的選擇提供理論和試驗(yàn)依據(jù)。

1 機(jī)具的結(jié)構(gòu)及工作原理

桿齒式殘膜回收機(jī)主要由桿齒式撿拾機(jī)構(gòu)、卸膜機(jī)構(gòu)、地輪、集膜箱、機(jī)架、鏈傳動(dòng)系統(tǒng)及懸掛架等組成，如圖1所示。桿齒式殘膜回收機(jī)具工作時(shí)，拖拉機(jī)牽引機(jī)具前進(jìn)，地輪驅(qū)動(dòng)撿拾機(jī)構(gòu)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，桿齒連同桿齒軸在凸輪滑道的約束下，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)低頭入土，先將殘膜挑起，在桿齒軸和凸輪滑道的作用下，桿齒再平移回收。卸膜機(jī)構(gòu)由桿齒式撿拾機(jī)構(gòu)上的鏈傳動(dòng)帶動(dòng)，實(shí)現(xiàn)卸膜機(jī)構(gòu)與撿拾機(jī)構(gòu)的同向轉(zhuǎn)動(dòng)。卸膜機(jī)構(gòu)的卸膜刮板在桿齒平移回收階段與桿齒接觸，將桿齒上的殘膜捋至集膜箱完成回收。

1.懸掛架 2.桿齒式撿拾機(jī)構(gòu) 3.地輪 4.鏈傳動(dòng)系統(tǒng) 5.卸膜機(jī)構(gòu)固定架 6.卸膜機(jī)構(gòu) 7.集膜箱 8.機(jī)架

2 拾膜、卸膜機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

2.1 拾膜機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析坐標(biāo)系建立

拾膜機(jī)構(gòu)工作示意圖如圖2所示。

圖2 機(jī)構(gòu)工作示意圖

為了規(guī)范桿齒式拾膜機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析,在進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析前,首先需要確定分析采用的坐標(biāo)系及角速度方向,統(tǒng)一設(shè)定分析中用到的常量和變量。

1)設(shè)定坐標(biāo)系方向。為了便于對桿齒式拾膜機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析,需要建立機(jī)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型,在建模之前,首先設(shè)定坐標(biāo)系,確定坐標(biāo)方向。本文采用右手笛卡爾坐標(biāo)系對桿齒式拾膜機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析。機(jī)構(gòu)中各部分的直線位移和作用力均沿坐標(biāo)正半軸方向?yàn)檎?相反為負(fù)。

2)設(shè)定旋轉(zhuǎn)矢量的方向。本文中角位移的設(shè)置以X軸正方向?yàn)槭歼?角位移、角速度、角加速度及力矩均以逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)方向?yàn)檎?反之為負(fù)。

3)設(shè)定坐標(biāo)原點(diǎn)根據(jù)拾膜機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)的工作特點(diǎn)將坐標(biāo)原點(diǎn)設(shè)定為芯軸的轉(zhuǎn)動(dòng)中心。

2.1.1 位移模型

如圖2所示：桿齒軸在帶座軸承的帶動(dòng)下繞芯軸轉(zhuǎn)動(dòng),若殘膜回收機(jī)具前進(jìn)速度為零,則各點(diǎn)的相對位移方程如下：

桿齒末端G點(diǎn)相對位移方程為

(1)

滾子中心B點(diǎn)的相對位移方程為

(2)

當(dāng)機(jī)具前進(jìn)速度為V時(shí),桿齒末端G點(diǎn)的絕對位移為

(3)

滾子中心F點(diǎn)的絕對位移為

(4)

2.1.2 速度模型

將上述各點(diǎn)的絕對位移方程對時(shí)間進(jìn)行求導(dǎo),可以得到絕對速度方程。當(dāng)桿齒軸勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),其角速度ω為常數(shù)，桿齒末端G點(diǎn)的絕對速度為

(5)

滾子中心F點(diǎn)的絕對速度為

(6)

2.1.3 加速度模型

對各點(diǎn)角速度和絕對速度方程分別對時(shí)間t求導(dǎo),則求出各點(diǎn)角加速度和加速度方程。桿齒末端G點(diǎn)的加速度為

(7)

滾子中心F點(diǎn)的加速度為

(8)

式中 v—機(jī)具前進(jìn)速度；

t—時(shí)間；

ω—桿齒軸轉(zhuǎn)動(dòng)角速度；

lNG—桿齒長度；

R—桿齒軸旋轉(zhuǎn)半徑；

φ0—凸輪滑道初始擺角；

φ—凸輪滑道擺角；

ψ—曲柄與桿齒的夾角。

由圖3可知：滑道初始擺角φ0為

(9)

式中 r—凸輪滑道基圓半徑。

圖3卸膜機(jī)構(gòu)示意圖

2.2 卸膜機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

研究型資源是學(xué)科建設(shè)與發(fā)展的基礎(chǔ)。為了實(shí)現(xiàn)更深層次的文獻(xiàn)服務(wù)，可以考察資源與學(xué)科評估、學(xué)術(shù)評價(jià)的相關(guān)性，以ESI，SCIE，NATURE自然指數(shù)評估等來源期刊為參照，分析學(xué)科期刊資源的保障率、保障水平［11］，為學(xué)術(shù)期刊的調(diào)整與訂購提供依據(jù)。對用戶迫切需要的領(lǐng)域權(quán)威期刊或新興期刊，可以采用單電子期刊訂購模式，為用戶提供精準(zhǔn)服務(wù)。

卸膜機(jī)構(gòu)主要由卸膜輥和卸膜刮板組成。桿齒式殘膜回收機(jī)構(gòu)工作時(shí)，動(dòng)力輸出通過鏈傳動(dòng)帶動(dòng)拾膜機(jī)構(gòu)桿齒芯軸轉(zhuǎn)動(dòng)，桿齒芯軸上裝有雙排鏈輪，桿齒芯軸轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)通過鏈傳動(dòng)帶動(dòng)卸膜輥轉(zhuǎn)動(dòng)，完成卸膜工作。為保證沒有殘膜漏卸，一排桿齒一次拾膜過程卸膜刮板至少進(jìn)行兩次刮捋動(dòng)作，選取卸膜輪轉(zhuǎn)速與桿齒軸轉(zhuǎn)速定比為2∶1。

2.2.1 卸膜機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)模型的建立

由于卸膜機(jī)構(gòu)在整個(gè)過程中勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，所以卸膜刮板的不存在角加速度，卸膜刮板末端P點(diǎn)速度為

v=ω·r

(10)

式中 r—卸膜刮板末端到卸膜輥旋轉(zhuǎn)中心距離；

ω—卸膜輥轉(zhuǎn)動(dòng)角速度。

卸膜刮板末端P點(diǎn)位移為

S=v·t

(11)

式中 S—卸膜刮板末端P點(diǎn)位移；

t—卸膜輥的轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間。

3 桿齒式拾膜機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真

拾膜機(jī)構(gòu)是殘膜回收機(jī)具的關(guān)鍵部件，其運(yùn)動(dòng)過程直接影響機(jī)構(gòu)的拾膜性能及卸膜性能[11]。通過仿真軟件對建立的機(jī)構(gòu)模型添加約束和運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)，運(yùn)用軟件對機(jī)構(gòu)的實(shí)際工作情況進(jìn)行仿真，觀察機(jī)構(gòu)在工作過程中各部件在工作位置的變化和重要部件的速度變化，為機(jī)構(gòu)的性能分析提供參考依據(jù)。

3.1 建模及施加約束

通過UG軟件對機(jī)構(gòu)進(jìn)行三維建模及虛擬裝配，為了使仿真模型可以模擬機(jī)構(gòu)實(shí)際工作情況，按照機(jī)構(gòu)中各個(gè)零部件之間的連接方式和相對運(yùn)動(dòng)方式，對零部件添加約束和驅(qū)動(dòng)，完成機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真。表1為拾膜機(jī)構(gòu)零部件間的約束。

表1 桿齒式拾膜機(jī)構(gòu)的約束

為拾膜機(jī)構(gòu)設(shè)定驅(qū)動(dòng)，整體機(jī)構(gòu)移動(dòng)副上添加水平移動(dòng)速度(機(jī)具行進(jìn)速度)為0.85m/s，桿齒芯軸分別按照不同的速比(機(jī)具行進(jìn)速度與桿齒挑膜線速度比)對應(yīng)不同的轉(zhuǎn)速，速比為1.0、1.3、1.5時(shí)分別對應(yīng)的轉(zhuǎn)速為25.5、28、36r/min。

3.2 仿真結(jié)果分析

在運(yùn)動(dòng)仿真過程中，由于每根桿齒軸和桿齒裝配關(guān)系相同，每個(gè)桿齒及桿齒軸在滑道的約束下運(yùn)動(dòng)軌跡和加速度均相同，為了提高仿真效率，現(xiàn)將機(jī)構(gòu)簡化至保留一根桿齒軸和軸上的一個(gè)桿齒，完成約束和驅(qū)動(dòng)的添加后在UG中進(jìn)行解算。通過UG中的追蹤功能繪制出桿齒末端的運(yùn)動(dòng)軌跡，如圖4所示。

(a) 桿齒相對運(yùn)動(dòng)軌跡

(b) 不同速比時(shí)桿齒末端加速度曲線

圖4(a)為不同速比情況下桿齒末端從運(yùn)動(dòng)軌跡桿齒將要進(jìn)入拾膜段開始的加速度隨時(shí)間變化情況。拾膜階段，自桿齒入土后，桿齒末端的曲率半徑不變；桿齒升運(yùn)地膜到卸膜階段，桿齒末端軌跡的曲率逐漸減小，流暢過渡到卸膜階段；卸膜時(shí)桿齒平移回收，桿齒回收長度相同，便于卸膜；其余階段軌跡平滑。

如圖4(b)所示：機(jī)具行進(jìn)速度相對于桿齒軸轉(zhuǎn)速的速比越小，桿齒末端的加速度相應(yīng)就越大，并且，其加速度的峰值出現(xiàn)得也越早。速比為1.5、1.3和1.0時(shí)，加速度的最大值分別為3.21、5.84、8.60m/s2，速比值越小加速度曲線越陡峭，同樣時(shí)間段加速度增幅越大。不同速比的桿齒末端加速度在拾膜段、脫膜段、升運(yùn)段波動(dòng)不大，在回復(fù)段由于加速度方向變化較大使得加速度急速下降。速比較小時(shí)，在拾膜段，桿齒末端的速度在較短時(shí)間內(nèi)達(dá)到拾膜要求，并且，桿齒升運(yùn)地膜的時(shí)間較短，有利于被撿拾的地膜不在運(yùn)動(dòng)過程中滑落。

4 拾膜卸膜機(jī)構(gòu)試驗(yàn)

為了找到桿齒式殘膜回收機(jī)具最佳匹配參數(shù)，驗(yàn)證拾膜、卸膜機(jī)構(gòu)工作性能是否滿足要求，采用臺(tái)架試驗(yàn)對機(jī)構(gòu)主要因素進(jìn)行正交試驗(yàn)。

4.1 試驗(yàn)參數(shù)選擇

通過對桿齒式撿拾機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)分析，考慮到桿齒末端的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)是機(jī)具行進(jìn)速度和桿齒軸轉(zhuǎn)速共同作用的結(jié)果，并且，桿齒伸入土壤一定深度是保證桿齒拾膜的必要條件，選擇機(jī)具行進(jìn)速度、機(jī)具行進(jìn)速度與桿齒軸線速度之比和桿齒入土深度作為試驗(yàn)因素。

4.2 試驗(yàn)評價(jià)指標(biāo)

桿齒式殘膜回收機(jī)作業(yè)效果的主要評價(jià)指標(biāo)是殘膜回收率，影響殘膜回收率的主要指標(biāo)為拾膜機(jī)構(gòu)的拾膜率和卸膜機(jī)構(gòu)的卸膜率。

拾膜率的計(jì)算公式為

(12)

式中 S1—拾膜率；

m1—已撿拾的殘膜質(zhì)量；

m2—未撿拾的殘膜質(zhì)量。

卸膜率的計(jì)算公式

(13)

式中 S2—卸膜率；

m1—已撿拾的殘膜質(zhì)量；

ms—回收到集膜箱的殘膜質(zhì)量。

試驗(yàn)采用L9(34)正交試驗(yàn)表，通過對單因素試驗(yàn)的分析和試驗(yàn)臺(tái)控制器的量程，初步確定各因素的取值范圍:機(jī)具行進(jìn)速度(土槽小車行進(jìn)速度)(A)為0.6～1.2m/s，機(jī)具行進(jìn)速度與桿齒軸線速度比為1～1.5，桿齒入土深度在20～80mm。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：卸膜過程中桿齒被卸膜刮板連續(xù)刮捋兩次，基本保證沒有殘膜漏卸，選取卸膜輪轉(zhuǎn)速與桿齒軸轉(zhuǎn)速定比為2∶1。選取的試驗(yàn)因素及水平如表2所示。

表2 試驗(yàn)因素與水平

4.3 正交試驗(yàn)結(jié)果

正交試驗(yàn)結(jié)果見表3所示。

表3 正交試驗(yàn)方案與試驗(yàn)結(jié)果

續(xù)表3

4.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

如表4所示：上述各因素影響桿齒式拾膜機(jī)構(gòu)拾膜率的主次順序?yàn)闄C(jī)具行進(jìn)速度與桿齒軸線速度比n(B)、機(jī)具行進(jìn)速度v(A)、桿齒入土深度L(C)。最優(yōu)組合為機(jī)具行進(jìn)速度0.85 m/s、桿齒軸與機(jī)具行進(jìn)速比1.5、桿齒入土深度為50mm，此時(shí)機(jī)構(gòu)拾膜率較高。由表4可知：19

表4 試驗(yàn)結(jié)果分析

5 結(jié)論

1)對桿齒式拾膜、卸膜機(jī)構(gòu)進(jìn)行理論分析，通過理論分析得出凸輪滑道作用下的桿齒末端狀態(tài)対拾膜、卸膜機(jī)構(gòu)性能有關(guān)鍵影響。

2)運(yùn)動(dòng)仿真表明：拾膜桿齒的末端最大加速度為8.60m/s2，拾膜過程中殘膜不易滑落，桿齒末端軌跡滿足拾膜、卸膜要求，利于殘地膜回收。

3)通過正交試驗(yàn)找到機(jī)具較優(yōu)工作匹配參數(shù)，當(dāng)機(jī)具行進(jìn)速度與桿齒軸轉(zhuǎn)速比為1.5、機(jī)具行進(jìn)速度為0. 85m/s、桿齒的入土深度為50mm時(shí)，拾膜率和卸膜率均較優(yōu)。

[1] 嚴(yán)昌榮,梅旭榮,何文清,等.農(nóng)用地膜殘留污染的現(xiàn)狀與防治[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2006,22(11)：269-272.

[2] 謝建華,侯書林,付宇,等.殘膜回收機(jī)桿齒式拾膜機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析與試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2013，44(S1)：95-99.

[3] 侯書林,胡三媛,孔建銘,等.國內(nèi)殘膜回收機(jī)研究的現(xiàn)狀[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2002,18(3)：186-190．

[4] 白圣男,張惠友,楊曉麗,等．桿齒式收膜機(jī)的桿齒預(yù)選軌跡方程的建立[J].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2007, 38(6)：832-834．

[5] 穆道歡,楊宛章.殘膜回收機(jī)桿齒式撿拾機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)及試驗(yàn)研究[J].農(nóng)機(jī)化研究2015，37(11)：91-94.

[6] 王吉奎，付威，王衛(wèi)兵，等.SMS-1500型秸稈粉碎與殘膜回收機(jī)的設(shè)計(jì)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2011,27(7)：168-172.

[7] 謝建華,侯書林,張學(xué)軍.基于預(yù)定軌跡的殘膜脫卸機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].農(nóng)機(jī)化研究，2015,37(6)：89-92.

[8] 張學(xué)軍. 殘膜分離與輸送裝置的研究[D].長春：吉林大學(xué)，2007：10-18.

[9] 趙海軍,史建新.殘膜回收工藝探討[J]. 中國農(nóng)機(jī)化，2004(6)：68-71.

[10] 薛文瑾,王春耀,朱振中,等.卷膜式棉花苗期殘膜回收的 設(shè)計(jì)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2005，36(3)：148-149,147．

[11] 陳發(fā),史建新,趙海軍,等.固定凸輪殘膜撿拾機(jī)構(gòu)的優(yōu)化 設(shè)計(jì)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2005,36(12)：43-46．

[12] 邰淑彩,孫韞玉,何娟娟,等.應(yīng)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)(2版)[M].武漢:武漢大學(xué)出版社，2005．Abstract ID:1003-188X(2017)05-0063-EA

Motion Simulation and Orthogonal Experiment on Pole-teeth Plastic Film Residue Collector

Xie Jianhua, Sun Chaowei, Yang Yelong,Cao Xiaoran

Pole-teeth plastic film collector was designed in accordance with slide-way pole-teeth hay rake mechanism. The pose of pole-teeth was determined its collection ratio and unloading film performance when the machine is operating. To further investigate the pose variation of pole-teeth collection and determine the optimal working condition, the motion simulation and the Orthogonal experiment were carried out. Motion simulation was presented pole-teeth end trajectory in the motion of plastic film collector and pole-teeth end acceleration curve in different speed ratio. By using the soil-bin trolley experiment, the orthogonal experiment with influence factors of machine operating speed, speed ratio (the ratio of the speed of machine operating and spring-tooth axis speed) and the embedded depth of the pole-teeth for lifting film was carried out. The results was indicated that the variation of speed ratio have greater influence to machine performance compared with that of machine operating speed and the embedded depth of the pole-teeth. Moreover, the collection ratio of mechanism could reach the optimal level when the machine operating speed was 0.85m/s, the speed ratio was 1.5,and the embedded depth of the pole-teeth for lifting film was 50mm.

plastic film residue collector; pick-up residual plastic film mechanism; unloading residual plastic film mechanism; orthogonal experiment

2016-04-05

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51465057)

謝建華(1975-)，女，四川安岳人，副教授，博士，( E-mail)xjh199032@.163.com。

S223.5

A

1003-188X(2017)05-0063-05