劉進寶，鄭 炫，趙 巖，劉興愛，葛士林

(1.新疆科神農(nóng)業(yè)裝備科技開發(fā)股份有限公司， 新疆 石河子 832000；2.新疆農(nóng)墾科學院機械裝備研究所， 新疆 石河子 832000； 3.中國農(nóng)業(yè)大學工學院， 北京 100083)

田間殘膜回收難題目前還未得到有效的解決，目前，殘膜回收主要由播前回收、苗期回收和收獲后回收三種回收工藝，機型主要有齒式、鏟式、鏈式、卷膜式、氣吸式等結(jié)構(gòu)，作業(yè)模式大致分為單一作業(yè)、秸稈還田殘膜回收聯(lián)合作業(yè)和整地殘膜回收聯(lián)合作業(yè)[1-4]。

目前，彈齒式殘膜撿拾機構(gòu)主要有凸輪滑道彈齒滾筒式和伸縮桿齒滾筒式。凸輪滑道彈齒滾筒式撿膜機構(gòu)應用較為廣泛，主要由滾筒、凸輪盤、凸輪軸、彈齒等構(gòu)成，滾筒繞凸輪軸轉(zhuǎn)動，彈齒上的滾輪軸沿著凸輪槽軌道滑動，其中凸輪軸與滾筒不同軸，運動時，彈齒相對滾筒表面做伸縮運動，彈齒形狀有弧形和直桿兩種。但是凸輪滑道的設計及加工具有一定的難度，凸輪工作時磨損嚴重[5-10]。伸縮桿齒滾筒式撿膜機構(gòu)主要利用偏心輪的原理設計，伸縮桿齒轉(zhuǎn)子與偏心滾筒同步轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)撿膜與脫膜的功能。伸縮桿齒適用于平整地塊，但是在滾筒上的圓孔與桿齒之間存在夾膜現(xiàn)象，導致滾筒出現(xiàn)擁堵，并且彈齒作業(yè)時碰到硬物而產(chǎn)生變形，使彈齒無法從滾筒圓孔中縮回[11-15]。

現(xiàn)有的殘膜回收方式無法解決回收殘膜運輸?shù)碾y題，為此新疆農(nóng)墾科學院提出了新型棉田殘膜回收工藝[16]，大致分為四道工序：(1) 秸稈粉碎還田機先開出集條膜堆卸膜區(qū)； (2) 立桿摟膜機將回收殘膜堆積在集條膜堆卸膜區(qū)； (3) 殘膜撿拾打捆機對集條膜堆撿拾打捆作業(yè)； (4) 裝載運輸回收壓縮膜捆。而殘膜撿拾打捆機是一種新型殘膜回收機具，其撿膜機構(gòu)采用新型彈齒滾筒式結(jié)構(gòu)，撿膜機構(gòu)的作業(yè)可靠性將直接影響殘膜撿拾率。

1 桿齒滾筒式殘膜撿拾機構(gòu)

殘膜撿拾打捆機主要撿拾集條后的殘膜，集條后的殘膜特點是地膜集中在土壤表面，摻雜有秸稈、少量碎土等雜質(zhì)，集條殘膜具有一定的厚度，在不同深度都有分布。彈齒在作業(yè)時將殘膜從雜質(zhì)中挑出，在撿拾時彈齒不需要入土很深，因此，設計了一種新型的桿齒滾筒式殘膜撿拾機構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.偏心滾筒; 2.滾筒法蘭盤; 3.轉(zhuǎn)軸盤; 4.桿齒轉(zhuǎn)軸; 5.卡子; 6.桿齒; 7.方鋼; 8.連桿; 9.銷軸

1.Eccentric roller; 2.Roller flange; 3.Shaft plate; 4.Rod-tooth shaft; 5.Clip; 6.Rod-tooth; 7.Square; 8.Connecting rod; 9.Pin shaft

圖1撿膜機構(gòu)結(jié)構(gòu)

Fig.1 The structure of pickup film mechanism

偏心滾筒與滾筒法蘭盤組成滾筒總成；桿齒轉(zhuǎn)軸、轉(zhuǎn)軸盤、伸縮桿齒、方鋼組成伸縮桿齒總成，桿齒轉(zhuǎn)軸與轉(zhuǎn)軸盤焊接，桿齒方鋼通過卡子固定在轉(zhuǎn)軸盤上，桿齒以一定的角度安裝在桿齒方鋼上。其中桿齒轉(zhuǎn)軸通過軸承座安裝在機架上；偏心滾筒通過支撐件與機架相連，偏心滾筒可繞滾筒軸心轉(zhuǎn)動。桿齒總成和滾筒總成通過連桿鉸接。安裝后偏心滾筒相對于桿齒轉(zhuǎn)軸具有一個偏心距。

由于伸縮桿齒和偏心滾筒在安裝時有一個偏心距離，在做回轉(zhuǎn)運動時，兩者的相對位置會隨著轉(zhuǎn)動情況變化，使得伸縮桿齒在入土時伸出滾筒的長度最長，而在相反的方向上，伸縮桿齒伸出的長度最短，從而實現(xiàn)了在伸出長度最長處撿膜，在伸出長度最短處脫膜，達到伸縮桿齒入土撿拾殘膜，偏心滾筒脫膜的目的。對于雜質(zhì)較多的田間地膜，可在桿齒滾筒前安裝一個小彈齒輥，通過小彈齒輥將地膜從雜質(zhì)中挑出，起到清雜撿拾的作用，提高了桿齒滾筒的撿凈率。

2 桿齒滾筒的運動分析

2.1 桿齒滾筒模型

簡化桿齒滾筒運動模型，其中A點為連桿與轉(zhuǎn)軸盤鉸接點，B點為連桿與滾筒法蘭盤鉸接點，O點為桿齒轉(zhuǎn)軸中心，O1點為滾筒軸心，OA為轉(zhuǎn)軸盤半徑，O1B為滾筒法蘭盤與連桿鉸接點距偏心滾筒中心的距離，OO1為偏心滾筒與桿齒轉(zhuǎn)軸的偏心距，AC為伸縮桿齒，E點為伸縮桿齒與偏心滾筒柵縫的交點，D點為O1B延伸與偏心滾筒外圓的交點。機構(gòu)運動簡圖如圖2所示。

圖2撿膜機構(gòu)運動簡圖

Fig.2 The kinematic diagram of pickup film mechanism

2.2 桿齒滾筒運動方程

撿膜機構(gòu)作業(yè)時，設桿齒轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動角速度為ω、機具前進作業(yè)速度為v，轉(zhuǎn)軸盤半徑OA為r，伸縮桿齒AC長度為L，伸縮桿齒的安裝角即AC與OA的夾角為α，偏心距OO1為e，分析可知O1B的長度與OA長度相等，連桿AB長度即為偏心距e，伸縮桿齒末端距桿齒轉(zhuǎn)軸中心距離為R，建立動坐標系x′oy′，伸縮桿齒末端C點相對動坐標系x′oy′的相對運動方程為

(1)

(2)

其中

(3)

C點絕對運動方程為

xC=vt+Rsinωt

(4)

yC=Rcosωt

(5)

O1D為偏心滾筒半徑，設O1D為r1，則O1B延伸與偏心滾筒外圓的交點D相對運動方程為

(6)

(7)

D點絕對運動方程為

xD=vt+r1sinωt

(8)

yD=r1cosωt

(9)

分析可知，撿膜機構(gòu)運動類似于平行四桿機構(gòu)，可看作為短桿OO1作為機架、長桿OA作為曲柄的運動。伸縮桿齒末端與滾筒外圓的絕對運動軌跡為余擺線，軌跡環(huán)扣由彈齒末端運動線速度與機具前進速度比λ決定，當λ小于和等于1時沒有環(huán)扣，當λ大于1時有環(huán)扣。

λ分別取1、1.2、1.5、2在ADAMS軟件中進行運動仿真分析，得到伸縮桿齒末端C點軌跡曲線如圖3所示?？梢钥闯?，當速度比λ的值越大，環(huán)扣越大，同一伸縮桿齒在相鄰的兩次挑膜點水平距離越小，漏檢區(qū)域越小，在保證不漏撿的情況下，伸縮桿齒在圓周上的排列個數(shù)就越少，機構(gòu)將會更加緊湊。

圖3桿齒末端運動軌跡

Fig.3 The moving track of the rod-tooth end

2.3 伸縮桿齒在滾筒圓周上的排列

為了確保伸縮桿齒挑膜作業(yè)的連續(xù)性，兩桿齒運動軌跡曲線重疊情況如圖4所示。

相鄰兩伸縮桿齒末端的運動軌跡分別為曲線L1、L2，假設集條殘膜厚度為H，其中重疊區(qū)域為A1，高度為h1；無伸縮桿齒挑膜軌跡的區(qū)域即挑膜盲區(qū)為A2，高度為h2。

圖4挑膜過程簡圖

Fig.4 Film picking process diagram

其中軌跡曲線L1的坐標為(xL1，yL1)，軌跡坐標方程表達式為伸縮桿齒末端絕對運動方程

xL1=vt+Rsinωt

(10)

yL1=Rcosωt

(11)

軌跡曲線L2的坐標為(xL2，yL2)

xL2=vt+Rsin(ωt+θ)

(12)

yL2=Rcos(ωt+θ)

(13)

其中θ為兩個相鄰伸縮桿齒之間的安裝夾角。

當yL1=yL2=ymin時，可計算出S2的長度

(14)

可以得出S2的長度由機具作業(yè)速度v、伸縮桿齒轉(zhuǎn)動角速度ω、兩個相鄰伸縮桿齒之間的安裝夾角θ決定。在重疊區(qū)域A1內(nèi)，兩個相鄰伸縮桿齒可實現(xiàn)重復挑膜作業(yè)，水平方向重疊量S1越長，則伸縮桿齒重復挑膜的區(qū)域越大。在挑膜盲區(qū)A2內(nèi)，兩個相鄰伸縮桿齒都無法實現(xiàn)挑膜作業(yè)，水平方向S2越短，挑膜盲區(qū)越小。重疊區(qū)域越大，挑膜盲區(qū)越小，則殘膜撿凈率越高。綜合殘膜撿凈率和作業(yè)效率，主要由殘膜碎片的最小尺寸δ決定S2的長度，即

S2≤δ

(15)

保證伸縮桿齒末端可以接觸到挑膜盲區(qū)A2中的殘膜，從而確定最佳的挑膜運動軌跡曲線。在只考慮撿凈率的情況下，可以使伸縮桿齒在工作時深入土壤深度為h2，便可消除兩個相鄰伸縮桿齒的挑膜盲區(qū)。

本結(jié)構(gòu)取滾筒圓周上均布排列8組伸縮桿齒，相鄰伸縮桿齒之間的安裝夾角θ為45°，當λ=2時，桿齒轉(zhuǎn)軸軸心位于坐標原點，相鄰兩伸縮桿齒末端的運動軌跡如圖5所示，地表位于縱坐標-540 mm處，當集條殘膜鋪設厚度為240 mm左右，從軌跡圖中可以看出，相鄰兩伸縮桿齒末端軌跡相交點的縱坐標為-500 mm，其中h2為40 mm，S2為190 mm，挑膜盲區(qū)面積很小。

圖5相鄰兩桿齒的運動軌跡

Fig.5 The motion track of two adjacent rod-tooth

減小挑膜盲區(qū)使漏撿區(qū)域變小的方法有兩種，方法1：調(diào)節(jié)限深輪，使伸縮桿齒作業(yè)時入土深度40 mm以上，可消除挑膜盲區(qū)；方法2：提高彈齒末端運動線速度，即增大λ值，可減小挑膜盲區(qū)，但不能消除挑膜盲區(qū)。當機具前進作業(yè)速度保持恒定時，即作業(yè)效率不變的情況下，λ值越小，彈齒入土深度越大，土壤阻力越大，功率消耗也越大；λ值越大，彈齒入土深度越小，土壤阻力越小，功率消耗也越??；所以在綜合考慮機具作業(yè)時的功率消耗和作業(yè)效率的情況下，結(jié)合方法1、2，既增加λ值，又使彈齒入土但深度較淺，保證作業(yè)效率不變的前提下，以較小的功率消耗來消除挑膜盲區(qū)。

當作業(yè)速度為1.7 m·s-1時，為消除挑膜盲區(qū)，不同λ速度比下桿齒軸轉(zhuǎn)速和彈齒入土深度值見表1所示。

表1 不同速度比下桿齒入土深度

隨著λ值的不斷增大，為消除挑膜盲區(qū)，桿齒入土深度不斷減小，相應的桿齒軸轉(zhuǎn)速在不斷增加，但是，由于滾筒半徑較大，而且有偏心距的存在，所以桿齒軸轉(zhuǎn)速也不宜太大，避免機構(gòu)轉(zhuǎn)動時產(chǎn)生較大的振動。

2.4 桿齒與滾筒的相對運動分析

伸縮桿齒和偏心滾筒在做回轉(zhuǎn)運動時，伸縮桿齒相對于滾筒伸出的長度有規(guī)律的變化，在滾筒頂部的位置，伸縮桿齒縮回滾筒內(nèi)部，在滾筒底部的位置，伸縮桿齒伸出滾筒的長度達到最長，實現(xiàn)了在底部伸縮桿齒挑膜、在頂部偏心滾筒脫膜的功能。如圖6所示，在運動過程中，伸縮桿齒與偏心滾筒柵縫的交點E相對于伸縮桿齒的位置在不斷變化，在完成一周回轉(zhuǎn)運動時，伸縮桿齒相對于偏心滾筒會產(chǎn)生一個相對轉(zhuǎn)動角度，所以在設計偏心滾筒時需要考慮滾筒柵縫的長度要與相對轉(zhuǎn)動的角度相匹配，避免撿膜機構(gòu)在做回轉(zhuǎn)運動時，伸縮桿齒與偏心滾筒發(fā)生干涉現(xiàn)象。

圖6桿齒與滾筒的相對運動

Fig.6 Relative motion between rod-tooth and roller

(16)

(17)

(18)

其中O1E為偏心滾筒直徑r1，CE為伸縮桿齒伸出偏心滾筒的長度，假設伸縮桿齒最長伸出距離為l，可知0≤CE≤l，便可求得DE長度值的范圍及其對應圓心角φ的取值范圍[φmin，φmax]，從而得出兩者相對運動產(chǎn)生的弧長I為

I=(φmax-φmin)·r

(19)

假設伸縮桿齒初始位置恰好處于滾筒正上方縮回處，即OA、OB與y軸重合，當機構(gòu)回轉(zhuǎn)一周，以OA相對于y軸夾角計算，伸縮桿齒相對于偏心滾筒的運動可分為兩段行程：

第一段行程：0°～180°，伸縮桿齒伸出滾筒長度由最短運動到最長；

第二段行程：180°～360°，伸縮桿齒伸出滾筒長度由最長運動到最短。

因此，為了使兩者運動時不產(chǎn)生干涉，設計時適當加大弧長長度，使兩者之間在極限點存在一定的間隙，這樣便可確定滾筒柵縫的最佳長度。

2.5 撿膜機構(gòu)轉(zhuǎn)動性能分析

伸縮桿齒總成與偏心滾筒總成通過連桿相連，運動模式類似于平行四桿機構(gòu)，伸縮桿齒總成作為主動件，偏心滾筒作為從動件，偏心滾筒鉸接點B運動情況如下圖7所示。

圖7撿膜機構(gòu)受力情況

Fig.7 The force stress condition of the pickup film mechanism

α為壓力角，β為傳動角，F(xiàn)為連桿AB對偏心滾筒鉸接點B的作用力，切向分力Ft，法向分力Fn，點B的瞬時運動方向為切線方向，即圖7中所示vB的方向。切向分力Ft=Fcosα為有效分力，可以看出，α+β=90°，壓力角α越小，傳動角β越大，對機構(gòu)運動越有利；反之，壓力角α越大，對機構(gòu)運動越不利。當壓力角α為90°時，驅(qū)動偏心滾筒的有效分力Ft為零，連桿對偏心滾筒所做有效功率為零。

分析撿膜機構(gòu)可知，當點B位于運動軌跡的最高點和最低點時，瞬時速度方向為水平方向，壓力角α為90°，處于“死點位置”，不利于機構(gòu)的傳動，此時只能通過機構(gòu)的運動慣性沖過“死點位置”。為避免在“死點位置”出現(xiàn)機構(gòu)卡死及運轉(zhuǎn)不順暢現(xiàn)象，采取兩組連桿連接的方式，兩連桿安裝在相鄰兩伸縮桿齒處，一組連桿處于“死點位置”時，另一組連桿可以提供有效分力，避免機構(gòu)在運動過程中卡死。

3 田間試驗

3.1 試驗條件

通過制作殘膜撿拾打捆機試驗樣機，于2015年10月16日在新疆兵團五家渠共青團進行田間試驗，作業(yè)地塊為平作區(qū)秋后棉花收獲后的棉田，所用殘膜為厚度0.008 mm聚乙烯農(nóng)用地膜。

棉田先進行前兩道工序的作業(yè)：首先利用秸稈粉碎還田機在垂直于種行的方向開出集條膜道，集條膜道每隔100 m設置一個；然后利用立桿摟膜機將回收殘膜堆積在集條膜道上。集條后殘膜堆積情況如圖8所示。

對集條殘膜膜堆的厚度和寬度進行測量統(tǒng)計，如表2所示，膜堆平均寬度為116 cm，平均厚度為38 cm。

表2 集條殘膜尺寸

3.2 試驗方法

隨機選取測試區(qū)，每一個測試區(qū)的作業(yè)面積相等，試驗樣機以速度比λ為2進行撿膜打捆作業(yè)。分別稱量每個測試區(qū)的膜堆總重、回收后殘膜毛重，并且對回收后的殘膜和未收回殘膜進行清洗稱重，測得其凈重。

其中，清雜率ε、膜堆重量m、殘膜總質(zhì)量mc、回收殘膜毛重m1、回收殘膜凈重m2之間的關系為：

(20)

撿拾率n、回收殘膜凈重m2、未收回殘膜凈重ma之間的關系為：

(21)

其中一定面積內(nèi)集條膜堆中殘膜凈重所占比重k為：

(22)

3.3 試驗結(jié)果

先選取5個測試區(qū)，每個測試區(qū)的膜堆面積相等，分析膜堆中殘膜與雜質(zhì)的含量，測得撿拾作業(yè)前集條膜堆中殘膜所占的比重，如表3所示，平均殘膜所占比重為1.512%。

另選5個測試區(qū)測試集條殘膜撿拾率和清雜率，試驗結(jié)果如表4所示。試驗證明，整機工作運轉(zhuǎn)順暢，撿膜機構(gòu)工作穩(wěn)定可靠，滾筒柵縫未出現(xiàn)殘膜擁堵現(xiàn)象，圖9為樣機試驗作業(yè)情況，撿膜效果如圖10所示。

表3 殘膜所占比重

圖8 作業(yè)前集條殘膜

圖9 桿齒撿拾殘膜作業(yè)痕跡

圖10 撿拾后地表殘膜殘留情況

試驗表明，撿膜效果和脫膜效果均達到了設計要求，平均撿拾率為90.66%，平均清雜率為82.14%，機具主要性能指標如表5所示。

在試驗作業(yè)過程中發(fā)現(xiàn)，當集條殘膜中棉桿、棉葉、碎土等雜質(zhì)較多時，殘膜和棉桿棉葉分離效果下降，殘膜的壓縮特性也隨之改變，因此，后續(xù)工作需要提高殘膜撿拾的清雜率，殘膜含雜率對應的殘膜壓縮特性也有待于進一步研究。

4 結(jié) 論

1) 針對殘膜回收新模式設計了一種集條殘膜撿拾機構(gòu)，分析表明桿齒末端軌跡主要由速度比λ決定，λ值越大，軌跡環(huán)扣就越大，漏檢率就越小。

2) 分析了桿齒在圓周上的排列方式與撿膜性能之間的關系，以及為避免出現(xiàn)挑膜盲區(qū)的桿齒最小入土深度；通過分析得出，設置兩組連桿機構(gòu)使撿膜機構(gòu)運動更為穩(wěn)定可靠，有效避免了連桿運動產(chǎn)生“死點位置”。

3) 通過田間試驗表明，伸縮桿齒的撿膜性能和偏心滾筒的脫膜性能良好，未出現(xiàn)滾筒柵縫殘膜擁堵現(xiàn)象，伸縮桿齒實際運動情況與理論仿真結(jié)果一致，平均撿拾率為90.66%，平均清雜率為82.14%。

表5 殘膜撿拾機構(gòu)的主要性能指標

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