郭繼杰 溫浩軍 緱海嘯 黃國聰 景武輝

摘要：針對現(xiàn)有殘膜回收機起膜機構(gòu)易堵塞、脫膜難等問題，設(shè)計一種推送式旋齒起膜機構(gòu)，該機構(gòu)可同時完成起膜及輔助上膜工作。設(shè)計平行四桿結(jié)構(gòu)、旋齒結(jié)構(gòu)、排列方式及間距；構(gòu)建旋齒運動軌跡方程，分析相鄰旋齒軌跡，檢驗不漏膜條件，確定影響起膜性能的主要因素；分析旋齒與輸送裝置作用下膜土混合物的受力情況，確定影響殘膜撿拾性能的主要因素為機具作業(yè)速度、旋齒起膜機構(gòu)轉(zhuǎn)速、掛膜輸送帶與旋齒起膜機構(gòu)水平距離、豎直距離，根據(jù)工作條件確定因素取值范圍。設(shè)計四因素五水平試驗，探究機具作業(yè)速度、旋齒起膜機構(gòu)轉(zhuǎn)速、掛膜輸送帶與旋齒起膜機構(gòu)水平距離、豎直距離對殘膜撿拾率的影響規(guī)律。開展田間試驗，利用Design-Expert軟件對試驗結(jié)果進行參數(shù)優(yōu)化分析，并以最優(yōu)參數(shù)組合，進行田間試驗驗證。試驗結(jié)果表明，當(dāng)機具作業(yè)速度為1.43 m/s、旋齒起膜機構(gòu)轉(zhuǎn)速為60.5 r/min、掛膜輸送帶與旋齒起膜機構(gòu)水平距離為308.24 mm、豎直距離為91.22 mm時，預(yù)測殘膜撿拾率為91.8%，實際殘膜撿拾率為91.2%，滿足殘膜回收機具作業(yè)要求。

關(guān)鍵詞：殘膜回收；推送式；旋齒起膜機構(gòu)；平行四桿結(jié)構(gòu)

中圖分類號：S223.5

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：2095-5553 （2023） 04-0040-10

Abstract： Aiming at the problems of the existing film lifting mechanism of the residual film recycling machine， such as easy plugging and difficult film removal， a push type rotary tooth film lifting mechanism is designed， which can simultaneously complete film lifting and auxiliary film loading. Design parallel four bar structure， rotary gear structure， arrangement and spacing; The motion track equation of the rotary gear is constructed， the adjacent rotary gear track is analyzed， the main factors affecting the film forming performance are determined， and the film leakage condition is checked; The stress of membrane soil mixture under the action of rotary gear and conveyor is analyzed， and the main factors affecting the performance of residual film picking are determined as the operating speed of the machine， the rotational speed of the rotary gear film lifting mechanism， the horizontal distance and vertical distance between the film hanging conveyor belt and the rotary gear film lifting mechanism. Determine the factor value range according to the working conditions. The four factor five level test was designed to explore the influence of the machine speed， the rotating speed of the rotary tooth film lifting mechanism， the horizontal distance between the film hanging conveyor belt and the rotary tooth film lifting mechanism， and the vertical distance on the residual film picking rate. The field test was carried out， and the parameters of the test results were optimized and analyzed by using Design-Expert software， and the field test was verified by using the optimal parameter combination. The test results show that when the operating speed of the machine is 1.43 m/s， the rotating speed of the rotary tooth film lifting mechanism is 60.5 r/min， the horizontal distance between the film hanging conveyor belt and the rotary tooth film lifting mechanism is 308.24 mm， and the vertical distance is 91.22 mm， the predicted residual film picking rate is 91.8%， and the actual residual film picking rate is 91.2%， meeting the operating requirements of the residual film recovery machine.

Keywords：? residual membrane recovery; push type; rotary tooth film lifting mechanism; parallel four-bar structure

0 引言

覆膜種植模式具有增溫保墑、抑制雜草、促進作物早熟、提高作物產(chǎn)量等優(yōu)勢，可大幅提升農(nóng)作物經(jīng)濟效益，因此被廣泛應(yīng)用于農(nóng)作物生產(chǎn)過程中，但與此同時，殘膜污染問題也逐漸加重［1-3］。由于地膜不易自然降解且長期缺乏有效回收方式，未被清理完全的殘膜殘留在土壤中逐年積累，污染農(nóng)田環(huán)境，影響作物正常生長，農(nóng)田地膜殘留問題已成為我國農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的一大隱患［4-7］。地膜回收方式主要包括人工撿拾和機械回收，相比于人工撿拾，機械化回收具有成本低、作業(yè)效率高等優(yōu)勢，是解決殘膜污染的重要手段［8-10］。

我國研究開發(fā)了多種殘膜回收機具，按撿拾裝置的結(jié)構(gòu)形式可分為彈齒式、桿齒式、偏心滾筒式、齒鏈?zhǔn)降?。作業(yè)流程主要包括起膜、撿拾、輸送、脫膜、集膜等［11-13］。起膜裝置是殘膜回收機具的重要部件，主要可分為固定式和旋轉(zhuǎn)式兩種類型，我國學(xué)者針對這兩種類型都開展了相關(guān)研究?？到鞯龋?4］設(shè)計了一種起膜鏟，對起膜鏟導(dǎo)曲面進行設(shè)計，并研究不同入土角、起膜鏟間距對起膜率的影響；楊松梅［15］設(shè)計三種起膜齒，在棉田中測試，探究不同起膜齒對起膜率、機具牽引力、土壤擾動特性及棉花起茬效果的影響；孫岳等［16］為解決耕層殘膜回收問題，設(shè)計一種旋轉(zhuǎn)式起膜裝置，并對其起膜機理進行分析，研究起膜裝置轉(zhuǎn)速、起膜裝置與輸送裝置距離對起膜率和膜土分離效果的影響；張新超［17］設(shè)計一種釘齒滾筒式起膜裝置，利用反向轉(zhuǎn)動的毛刷脫膜，滾筒可隨地面高度變化而變化；王昭宇等［18］針對隨動式殘膜回收機工作過程中出現(xiàn)的起膜鏟易堵塞問題設(shè)計起膜輪，并分析起膜輪結(jié)構(gòu)參數(shù)與工作參數(shù)對殘膜回收率、清雜率的影響。

固定式起膜裝置存在工作阻力大、易積累雜質(zhì)、造成堵塞等問題。旋轉(zhuǎn)式起膜裝置可解決雜質(zhì)堵塞問題，但易纏膜，導(dǎo)致機具可靠性較低。因此本文針對上述問題，設(shè)計一種推送式旋齒起膜機構(gòu)，該機構(gòu)通過平行四桿結(jié)構(gòu)保持旋齒在作業(yè)過程中始終處于豎直狀態(tài)，有效防止旋齒出土后挑起膜土混合物，實現(xiàn)自動脫膜；與布置在起膜機構(gòu)前方的撿拾輸送機構(gòu)聯(lián)合作業(yè)將起膜過程中積累在旋齒前端的膜土混合物撿拾并輸送。通過理論分析與田間試驗研究確定推送式旋齒起膜機構(gòu)的最優(yōu)結(jié)構(gòu)及工作參數(shù)，提升旋齒式殘膜回收機作業(yè)性能，為殘膜回收機的機構(gòu)部件設(shè)計提供參考。

1 整機結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機結(jié)構(gòu)

如圖1所示，旋齒式殘膜回收機主要由推送式旋齒起膜機構(gòu)、掛膜輸送帶、卷膜機構(gòu)、機架、變速箱等組成。推送式旋齒起膜機構(gòu)被固定在機架末端，掛膜輸送帶傾斜設(shè)置在推送式旋齒起膜機構(gòu)前方；油缸將機架與輪胎連接，以此來實現(xiàn)機具運輸與工作深度調(diào)整；卷膜機構(gòu)位于掛膜輸送帶上端的下部，變速箱布置在機架最前端。

1.2 工作原理

工作時，拖拉機牽引機具前進，動力由拖拉機后輸出軸輸入至變速箱，繼而通過其兩側(cè)輸出軸輸出至機具各部分。左側(cè)鏈傳動驅(qū)動推送式旋齒起膜機構(gòu)工作，右側(cè)鏈傳動驅(qū)動掛膜輸送帶與卷膜機構(gòu)工作。機具向左側(cè)運動，推送式旋齒起膜機構(gòu)順時針旋轉(zhuǎn)，旋齒入土將地膜與土壤向前堆積，膜土混合物被推壓至掛膜輸送帶下端，在旋齒與掛膜輸送帶共同作用下將地膜撿拾并向上輸送。在輸送過程中，部分土壤與秸稈從掛膜輸送帶間隙掉落，掛膜輸送帶在末端反轉(zhuǎn)，地膜在掛膜輸送帶離心力及自身重力作用下從掛膜輸送帶掉落，被底端高速轉(zhuǎn)動的卷膜機構(gòu)纏繞。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計

如圖2所示，推送式旋齒起膜機構(gòu)主要由轉(zhuǎn)軸、支撐盤、動盤、搖臂、旋齒梁等部件組成，兩側(cè)結(jié)構(gòu)對稱分布。轉(zhuǎn)軸與機架兩側(cè)通過帶座軸承連接，內(nèi)側(cè)與支撐盤鍵接，支撐盤內(nèi)側(cè)與法蘭盤利用螺絲螺桿固定連接，搖臂下端與穿過支撐盤的旋齒梁軸頭鍵接，上端與動盤圓周方向布置的滾動軸承連接，定盤與機架固定連接。旋齒梁由方管和兩側(cè)軸頭組成，旋齒梁沿支撐盤圓周方向等距分布，旋齒穿過旋齒梁被上下兩側(cè)螺絲固定。動盤外側(cè)均勻設(shè)置外掛軸承，并安裝外掛導(dǎo)向輪，外掛導(dǎo)向輪外側(cè)邊沿與定盤相切，以此來約束動盤，使動盤只可圍繞固定中心旋轉(zhuǎn)。

2.1 平行四桿結(jié)構(gòu)

如圖3所示，推送式旋齒起膜機構(gòu)由四組偏心平行四桿機構(gòu)組成，OO1AB為其中一組，B-B′為旋齒梁，長度為2 234.5 mm，其上豎直安裝旋齒FG。

兩側(cè)結(jié)構(gòu)對稱分布，O、O1兩點分別為支撐盤和動盤的固定軸心，O-O′為轉(zhuǎn)軸；E點為O點在動盤平面上的投影點，O1E為偏心距，AB為搖臂，其上端與動盤平面相交于A點，下端與支撐盤平面相交于B點。根據(jù)旋齒式殘膜回收機撿拾輸送裝置尺寸，將旋齒梁運動半徑OB設(shè)計為190 mm，偏心距O1E設(shè)計為90 mm。

2.2 旋齒

2.2.1 旋齒結(jié)構(gòu)

文獻［15］中研究結(jié)果表明，當(dāng)土壤與部件的接觸面和土壤水平面垂直時，地膜與土壤分離效果最好。分析現(xiàn)有殘膜回收機旋轉(zhuǎn)式起膜裝置可知，當(dāng)釘齒在出土后與豎直方向成一定角度時，地膜不易脫離釘齒。因此將旋齒類型設(shè)計為直齒形式且始終保持豎直向下的狀態(tài)。釘齒下端采用圓錐式結(jié)構(gòu)可減小入土阻力；齒身采用圓柱式結(jié)構(gòu)可增大地膜接觸面，有效防止起膜過程中地膜撕裂現(xiàn)象。因此，旋齒結(jié)構(gòu)采用尖頭直式釘齒形式，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖5所示為推送式旋齒起膜機構(gòu)簡化結(jié)構(gòu)—平行四桿機構(gòu)，旋轉(zhuǎn)半徑為R，旋齒長度為L，OO1=AB=90 mm，OB=O1A=190 mm。當(dāng)平行四桿機構(gòu)處于上端死點位置時，連桿O1A、OB、AB與旋齒BC共線，為避免此時旋齒與轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生干涉，旋齒長度應(yīng)小于旋齒梁中心與轉(zhuǎn)軸外邊緣間距；當(dāng)旋齒梁位置低于掛膜輸送帶下端時易引起殘膜回帶，因此，在滿足機構(gòu)力學(xué)性能和結(jié)構(gòu)設(shè)計要求情況下，應(yīng)盡可能增大旋齒長度。通過前期試驗，將旋齒長度L設(shè)計為150 mm。

2.2.2 旋齒排列及間距

如圖6所示，新疆棉田普遍實行一膜六行的寬窄行種植模式，窄行相鄰棉株間距為100 mm，寬行相鄰棉株間距為660 mm［19］；地膜寬度最大距離為2 050 mm，為保證旋齒工作范圍滿足作業(yè)需求，旋齒最大工作距離需超過地膜寬度最大距離，因此將旋齒最大工作距離D設(shè)計為2 100 mm。旋齒排列方式采用交錯式排列，兩種齒數(shù)不同的旋齒梁沿軸向間隔分布［17］。

前期田間試驗測得最大棉稈長度L1=180 mm，將參數(shù)代入式（1）、式（2）可得，129.52≤D1≤180。根據(jù)前期田間試驗，將旋齒間距D1設(shè)計為150 mm。

3 工作過程分析

3.1 起膜過程分析

圖7所示為推送式旋齒起膜機構(gòu)工作示意圖。以轉(zhuǎn)軸軸心O為原點建立平面直角坐標(biāo)系，設(shè)機具沿x軸正方向做速度v0的勻速直線運動，推送式旋齒起膜機構(gòu)以角速度ω順時針轉(zhuǎn)動，初始相位角為φ，根據(jù)圖中幾何關(guān)系可求得旋齒末端點C的軌跡方程。

4.3 試驗結(jié)果與分析

4.3.1 回歸模型及顯著性檢驗

試驗結(jié)果如表2所示，利用Design-Expert 8.0.6軟件對試驗結(jié)果進行方差分析，如表3所示。

4.3.2 試驗因素對殘膜撿拾率的影響

由表（3）中F值可檢驗各因素對殘膜撿拾率影響作用，由大至小依次為豎直距離x4、機具作業(yè)速度x1、水平距離x3、轉(zhuǎn)速x2。在顯著因素交互作用中，機具作業(yè)速度與水平距離交互作用x1x3對殘膜撿拾率影響作用最大，然后依次為機具作業(yè)速度與轉(zhuǎn)速x1x2、機具作業(yè)速度與豎直距離x1x4，轉(zhuǎn)速與水平距離x2x3。通過響應(yīng)曲面圖可對因素間交互作用進行分析［28-29］。

圖11（a）所示為掛膜輸送帶與旋齒起膜機構(gòu)之間水平距離、豎直距離處于（1，-1）水平時，殘膜撿拾率隨機具作業(yè)速度和旋齒起膜機構(gòu)轉(zhuǎn)速交互作用的變化規(guī)律。當(dāng)旋齒起膜機構(gòu)轉(zhuǎn)速不變時，殘膜撿拾率隨著機具作業(yè)速度逐漸增大呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，機具作業(yè)速度在1.46 m/s附近時，殘膜撿拾率有最大值；轉(zhuǎn)速不變時，水平距離增大，殘膜撿拾率先增大后減小，當(dāng)轉(zhuǎn)速在60 r/min左右時，殘膜撿拾率有最大值。機具作業(yè)速度與轉(zhuǎn)速過大或過小都會導(dǎo)致殘膜撿拾率降低，當(dāng)與掛膜輸送帶和旋齒起膜機構(gòu)間距相匹配時殘膜撿拾率高。

圖11（b）所示為旋齒起膜機構(gòu)轉(zhuǎn)速、掛膜輸送帶與旋齒起膜機構(gòu)豎直距離處于（0，1）水平時，殘膜撿拾率在機具作業(yè)速度和水平距離交互作用下的變化規(guī)律。當(dāng)水平距離不變時，殘膜撿拾率隨著機具作業(yè)速度的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，水平距離在310 mm附近時殘膜撿拾率達到最大值，然后緩慢減小。當(dāng)轉(zhuǎn)速不變時，機具作業(yè)速度增大，旋齒起膜長度增長，旋齒與掛膜輸送帶對膜土混合物的作用力增大，撿拾率上升明顯。當(dāng)機具作業(yè)速度過大，導(dǎo)致積累在旋齒前膜土混合物過多，小部分不能被及時向上運送，殘膜撿拾率逐漸減小。

圖11（c）所示為旋齒起膜機構(gòu)轉(zhuǎn)速、掛膜輸送帶與旋齒起膜機構(gòu)水平距離處于（0，1）水平時，殘膜撿拾率在機具作業(yè)速度與豎直距離交互作用下的變化規(guī)律。機具作業(yè)速度不變，撿拾率隨著豎直距離增大呈先增大后減小的趨勢，豎直距離在0水平附近時殘膜撿拾率有最大值。其主要原因是當(dāng)豎直距離由低水平逐漸增大，旋齒入土深度減小，出土?xí)r積累膜土混合物減少，殘膜撿拾率增大，當(dāng)豎直距離越過0水平后，膜土混合物體積小，旋齒與掛膜輸送帶對膜土混合物的作用力減小，殘膜不易被掛膜齒撿拾，殘膜撿拾率降低。

4.4 參數(shù)優(yōu)化及驗證

為實現(xiàn)最優(yōu)作業(yè)效果，在試驗因素范圍內(nèi)尋找殘膜撿拾率最大值。利用Design-Expert軟件尋優(yōu)模塊，對建立的回歸模型進行優(yōu)化求解，確定最優(yōu)參數(shù)組合：機具作業(yè)速度為1.43 m/s、旋齒起膜機構(gòu)轉(zhuǎn)速為60.5 r/min、水平距離為308.24 mm、豎直距離為91.22 mm，預(yù)測撿拾率為91.8%。

為驗證優(yōu)化結(jié)果的可靠性，以最優(yōu)參數(shù)組合進行3次田間試驗，對3次試驗結(jié)果取平均值，試驗結(jié)果如表4所示。殘膜撿拾率均值為91.2%，與預(yù)測值相差0.6%，小于3%，在誤差范圍內(nèi)，表明回歸模型具有可靠性。

5 結(jié)論

1） 針對現(xiàn)有殘膜回收機起膜裝置存在的易堵塞和脫膜難等問題，設(shè)計一種推送式旋齒起膜機構(gòu)。設(shè)計推送式旋齒起膜機構(gòu)結(jié)構(gòu)及工作原理，并通過實際作業(yè)條件對其關(guān)鍵部件進行設(shè)計，確定平行四桿結(jié)構(gòu)曲柄長度為190 mm，偏心距為90 mm，旋齒長度為150 mm，旋齒間距為150 mm。

2）? 通過分析起膜過程中旋齒運動軌跡來確定影響起膜性能的主要因素，檢驗不漏膜條件。通過對輔助撿拾過程中膜土混合物受力分析來確定影響殘膜撿拾性能的主要因素，通過分析工作條件確定因素取值范圍。確定以機具作業(yè)速度、旋齒起膜機構(gòu)轉(zhuǎn)速、掛膜輸送帶與旋齒起膜機構(gòu)水平距離、豎直距離為試驗因素，以殘膜撿拾率為試驗指標(biāo)。

3） 采用二次回歸正交組合試驗設(shè)計方法設(shè)計試驗方案并進行田間試驗。根據(jù)試驗結(jié)果建立二次回歸模型并分析響應(yīng)曲面，得出各因素對殘膜撿拾率的影響作用從大到小依次為掛膜輸送帶與旋齒起膜機構(gòu)豎直距離、機具作業(yè)速度、掛膜輸送帶與旋齒起膜機構(gòu)水平距離、旋齒起膜機構(gòu)轉(zhuǎn)速。

4） 利用Design-Expert 8.0.6軟件尋找最優(yōu)參數(shù)，最優(yōu)參數(shù)組合為：機具作業(yè)速度為1.43 m/s、旋齒起膜機構(gòu)轉(zhuǎn)速為60.5 r/min、掛膜輸送帶與旋齒起膜機構(gòu)水平距離為308.24 mm，豎直距離為91.22 mm，預(yù)測殘膜撿拾率為91.8%。根據(jù)參數(shù)優(yōu)化結(jié)果將機構(gòu)改進設(shè)計并進行3次田間驗證試驗，試驗結(jié)果表明推送式旋齒起膜機構(gòu)在最優(yōu)參數(shù)組合條件下，殘膜撿拾率為91.2%，試驗結(jié)果滿足殘膜回收作業(yè)要求，研究結(jié)果可為殘膜回收機設(shè)計及參數(shù)優(yōu)化提供參考。

參 考 文 獻

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