張愛民，廖培旺，李 偉，劉玉京

(濱州市農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究所，山東 濱州 256600)

0 引言

黃河三角洲棉區(qū)是中國重要的棉花種植區(qū)之一，地膜覆蓋種植技術(shù)因能夠大幅提高農(nóng)作物的單產(chǎn)而被廣泛應(yīng)用[1]。2015年，山東棉區(qū)種植面積已達(dá)51.6萬hm2,占全國植棉面積的13.6%[2]，2003-2012年，10年內(nèi)棉田累計(jì)投入地膜25萬t以上 ，20年以上棉田的土壤地膜殘留量為18.84～53.53 kg/hm2。而黃河三角洲地區(qū)是山東省的棉花主產(chǎn)區(qū)，其種植面積超出全省的1/3[3]。殘膜積累在土壤中，不僅會嚴(yán)重影響棉花產(chǎn)量，還會影響農(nóng)機(jī)具的田間作業(yè)質(zhì)量[4-5]。因此，必須采取措施將殘留在地里的殘膜回收。目前，回收殘膜的方法主要有人工和機(jī)械兩種。由于人工回收存在勞動強(qiáng)度大、效率低等問題，因此目前我國普遍使用機(jī)械回收的方式回收殘膜。

目前，中國已經(jīng)研制了多種殘膜回收機(jī)具，根據(jù)回收時(shí)間的不同可分為3類：苗期殘膜回收機(jī)械、秋后殘膜回收機(jī)械和播前殘膜回收機(jī)械[6]。由于棉花采摘后，當(dāng)年的地膜不僅在地表殘留比較完整而且強(qiáng)度也比較高，因此秋后是殘膜回收的最佳時(shí)機(jī)[7-10]。用于秋后殘膜回收的機(jī)械有很多種。由新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械化農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所研制的1SM-1.8(2.0)型牽引式棉田殘膜回收機(jī)將回收的殘膜收集到殘膜收集箱內(nèi)，后期處理和運(yùn)輸不方便[11]。由新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)械交通學(xué)院研制的釘刺式殘膜回收機(jī)不能夠把埋在地里的根茬一起回收[12]。

針對上述問題，本文提出了一種能將殘膜和根茬一起回收并打捆的棉田殘茬廢膜收集打捆機(jī)。該機(jī)主要用于秋后殘膜的回收，并能將廢膜(當(dāng)年的新膜和往年的大部分舊膜)和埋在地下的根茬一起回收并打捆。

1 結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)

由濱州市農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究所研發(fā)的棉田殘茬廢膜收集打捆機(jī)主要由限深地輪、懸掛機(jī)架、變速箱及傳動機(jī)構(gòu)、殘茬廢膜清理齒輥、挑膜齒、刷膜輪、松土鏟、導(dǎo)流板、圓捆機(jī)及護(hù)罩等組成，如圖1所示。

1.限深地輪 2.變速箱及傳動機(jī)構(gòu) 3.懸掛機(jī)架 4.刷膜輪 5.圓捆機(jī) 6.導(dǎo)流板 7.殘茬廢膜清理齒輥 8.挑膜齒 9.松土鏟 10.護(hù)罩 圖1 棉田殘茬廢膜收集打捆機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of structure of cotton stubble collecting waste film bundling machine

1.2 工作原理

棉花殘茬廢膜收集打捆機(jī)采用三點(diǎn)懸掛方式與拖拉機(jī)連接。工作時(shí)，動力經(jīng)拖拉機(jī)輸出軸傳遞給變速箱，經(jīng)變速箱變速后分別由側(cè)輸出軸傳遞給殘茬廢膜清理齒輥和刷膜輥，由后輸出軸傳遞給圓捆機(jī)；限深地輪上的帶刃齒板在滾動過程中將地膜埋邊切斷，松土鏟入土10cm，通過正對行膜邊覆土位置，將邊膜與外側(cè)覆土有效分離，同時(shí)殘留在土壤里的殘茬與土壤分離；殘茬廢膜清理齒輥在轉(zhuǎn)動的過程中將廢膜和殘茬同時(shí)挑起，被殘茬廢膜清理齒輥帶動沿順時(shí)針方向移動，移動過程中土壤分離下落；殘茬和殘膜移動至刷膜輪位置被刷膜輪刷到導(dǎo)流板上，最后殘茬和殘膜沿導(dǎo)流板進(jìn)入圓捆打捆機(jī)進(jìn)行打捆。

2 理論分析

2.1 殘茬廢膜清理齒輥和刷膜輪的轉(zhuǎn)速比分析

在機(jī)具工作過程中，殘茬廢膜清理齒輥上的挑膜齒板入土20mm，在機(jī)具以一定速度前進(jìn)的同時(shí)，殘茬廢膜清理齒輥和刷膜輪的轉(zhuǎn)向如圖2所示。由圖2可知：要想讓挑起的殘茬和廢膜每次都能從殘茬廢膜清理齒輥上的挑膜齒板上刷下，殘茬廢膜清理齒輥上的挑膜齒板和刷膜輪上的齒必須在A處“嚙合”。因此，為了使兩者能夠始終在A處“嚙合”，必須保證殘茬廢膜清理齒輥和刷膜輪具有一定的轉(zhuǎn)速比。

1.殘茬廢膜清理齒輥 2.刷膜輪 圖2 挑膜和刷膜示意圖Fig.2 Schematic diagram of picking the film

由圓周旋轉(zhuǎn)的線速度公式V=πrn/30(r為旋轉(zhuǎn)圓周的半徑，n為旋轉(zhuǎn)圓周的轉(zhuǎn)速)，可分別得到殘茬廢膜清理齒輥上的挑膜齒板和刷膜輪上的齒的線速度，再由弧長公式L=2πr/z(z為齒數(shù))，可分別得到殘茬廢膜清理齒輥上相鄰兩個(gè)挑膜齒板和刷膜輪上相鄰兩個(gè)齒的長度，最后由公式T=L/V,可分別得到殘茬廢膜清理齒輥上相鄰兩個(gè)挑膜齒板和刷膜輪上相鄰兩個(gè)齒到達(dá)A處的時(shí)間。

因始終在A處“嚙合”，所以殘茬廢膜清理齒輥上的相鄰兩個(gè)挑膜齒板和刷膜輪上相鄰兩個(gè)齒到達(dá)A處的時(shí)間T相等。最終，推出殘茬廢膜清理齒輥和刷膜輪的轉(zhuǎn)速關(guān)系為

(1)

式中n1—?dú)埐鐝U膜清理齒輥的轉(zhuǎn)速(r/min)；

z1—?dú)埐鐝U膜清理齒輥的齒數(shù)；

n2—刷膜輪的轉(zhuǎn)速(r/min)；

z2—刷膜輪的齒數(shù)。

2.2 殘茬廢膜清理齒輥齒尖的運(yùn)動軌跡分析

殘茬廢膜清理齒輥的結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 殘茬廢膜清理齒輥的結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure diagram of waste-film-cleaning-tooth-roller

因該殘膜回收機(jī)是由拖拉機(jī)牽引前進(jìn)，因此殘茬廢膜清理齒輥?zhàn)陨碓谧鰟蛩賵A周運(yùn)動的同時(shí)，還隨拖拉機(jī)向前行走。因此，殘茬廢膜清理齒輥齒頂點(diǎn)C處的運(yùn)動方程為

(2)

式中v—拖拉機(jī)前進(jìn)速度；

t—機(jī)具運(yùn)動時(shí)間；

ω—?dú)埐鐝U膜清理齒輥的角速度；

R—?dú)埐鐝U膜清理齒輥齒頂點(diǎn)C到輥?zhàn)又行牡木嚯x。

殘茬廢膜清理齒輥齒頂點(diǎn)C處的運(yùn)動軌跡L1如圖4所示。

3 基于Adams的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)分析

分析可得，在殘膜回收機(jī)具中挑膜部件和脫膜部件是最關(guān)鍵的部件[13]。因此，本章節(jié)主要利用Adams虛擬樣機(jī)技術(shù)對殘茬廢膜清理齒輥和刷膜輪進(jìn)行運(yùn)動學(xué)分析。又因?yàn)樵跉埬せ厥諜C(jī)具中挑膜部件是主要的受力部件，因此利用Adams虛擬樣機(jī)技術(shù)對殘茬廢膜清理齒輥進(jìn)行動力學(xué)分析。

圖4 殘茬廢膜清理齒輥齒的運(yùn)動軌跡Fig.4 Trajectory of tooth of waste-film-cleaning-tooth-roller

對挑膜和刷膜部件利用SolidWorks建模[14]，然后導(dǎo)入Adams中，定義約束和驅(qū)動，得到如圖5所示的Adams分析模型。

3.1 運(yùn)動學(xué)分析

3.1.1 殘茬廢膜清理齒輥和刷膜輪齒數(shù)分析

選取殘茬廢膜清理齒輥的一個(gè)齒和在刷膜輪上與這個(gè)“嚙合”的一個(gè)齒，并分別在這兩個(gè)齒的外部建立

標(biāo)記點(diǎn)POINT_M點(diǎn)和POINT_N點(diǎn)作為研究對象。由理論分析可知，殘茬廢膜清理齒輥和刷膜輪的轉(zhuǎn)速應(yīng)與相應(yīng)的齒數(shù)成反比。

圖5 Adams分析模型Fig.5 Adams analysis model

設(shè)刷膜輪的齒數(shù)為13個(gè)，殘茬廢膜清理齒輥的齒數(shù)為8個(gè)，因此選取殘茬廢膜清理齒輥和刷膜輪的角速度分別為1 300°/s和800°/s。分別得出POINT_M點(diǎn)和POINT_N點(diǎn)隨時(shí)間變化的位置圖，如圖6所示。

設(shè)刷膜輪的齒數(shù)為8個(gè)，殘茬廢膜清理齒輥的齒數(shù)為13個(gè)，因此選取殘茬廢膜清理齒輥和刷膜輪的角速度分別為800°/s和1 300°/s。分別得出POINT_M點(diǎn)和POINT_N點(diǎn)隨時(shí)間變化的位置圖，如圖7所示。

分析圖6和仿真過程可知：當(dāng)殘茬廢膜清理齒輥的轉(zhuǎn)速比刷膜輪的轉(zhuǎn)速大時(shí)，刷膜輪齒到達(dá)起始位置要滯后殘茬廢膜清理齒輥齒到達(dá)起始位置，這樣容易導(dǎo)致還沒到達(dá)“嚙合”點(diǎn)A處(見圖2)時(shí)，殘茬廢膜清理齒輥齒上的殘膜就在B處被掛在刷膜輪齒的上端(見圖8)，最終導(dǎo)致脫膜困難。

圖8 挑膜和刷膜示意圖Fig.8 Schematic diagram of picking the film and brushing film

分析圖7和仿真過程可知：當(dāng)殘茬廢膜清理齒輥的轉(zhuǎn)速比刷膜輪的轉(zhuǎn)速小時(shí)，刷膜輪齒到達(dá)起始位置要超前殘茬廢膜清理齒輥齒到達(dá)起始位置，這樣能夠使殘茬廢膜清理齒輥齒上的殘膜在“嚙合”點(diǎn)A(見圖2)處被刷膜輪刷下。

綜上所述，因?yàn)闅埐鐝U膜清理齒輥和刷膜輪的轉(zhuǎn)速應(yīng)與相應(yīng)的齒數(shù)成反比，又因?yàn)闅埐鐝U膜清理齒輥的轉(zhuǎn)速必須比刷膜輪的轉(zhuǎn)速小時(shí)殘膜才能被順利的刷下來，因此殘茬廢膜清理齒輥的齒數(shù)應(yīng)該大于刷膜輪的齒數(shù)，即z1>z2。

3.1.2 殘茬廢膜清理齒輥的運(yùn)動軌跡驗(yàn)證

通過Adams分析模型，驗(yàn)證理論分析的殘茬廢膜清理齒輥齒的運(yùn)動軌跡是否正確。同樣，在Adams分析模型中標(biāo)記如圖4所示的C點(diǎn)，通過仿真分析，得到C點(diǎn)的運(yùn)動軌跡如圖9所示。

圖9 殘茬廢膜清理齒輥齒的運(yùn)動軌跡Fig.9 Trajectoryof tooth of waste film cleaning tooth roller

通過觀察圖4和圖9可知：理論分析的殘茬廢膜清理齒輥齒的軌跡與Adams分析模型的仿真結(jié)果是一致的，因此可得出殘茬廢膜清理齒輥齒的運(yùn)動軌跡是正確的。

3.2 動力學(xué)分析

棉田殘茬廢膜收集打捆機(jī)的動力選擇約翰迪爾的N850拖拉機(jī)，該拖拉機(jī)的行進(jìn)速度為3～27.9km/h。通過Adams分別分析拖拉機(jī)行進(jìn)速度和殘茬廢膜清理齒輥的轉(zhuǎn)速對殘茬廢膜清理齒輥齒與地面的碰撞力的影響。

3.2.1 拖拉機(jī)行進(jìn)速度對碰撞力的影響

保持殘茬廢膜清理齒輥的轉(zhuǎn)速不變，利用函數(shù)step建立拖拉機(jī)行進(jìn)速度函數(shù)為[15]

833+step(time,0.1,0,0.101,1000)+step(time,0.2,0,0.201,1000)+step(time,0.3,0,0.301,1000)+step(time,0.4,0,0.401,1000)+step(time,0.5,0,0.501,1000)+step(time,0.6,0,0.601,1000)+step(time,0.7,0,0.701,917)

選擇仿真時(shí)間為0.72s，仿真結(jié)果如圖10所示。在圖10中，實(shí)線代表拖拉機(jī)的行進(jìn)速度，虛線代表殘茬廢膜清理齒輥齒所受的碰撞力。

分析圖10和仿真過程可知：在殘茬廢膜清理齒輥齒入土?xí)r受到的碰撞力大，入土之后拖拉機(jī)的行進(jìn)速度對碰撞力的影響很小，因此在考慮碰撞力時(shí)可忽略拖拉機(jī)行進(jìn)速度對其的影響。

3.2.2 廢膜清理齒輥的轉(zhuǎn)速對碰撞力的影響

保持拖拉機(jī)行進(jìn)速度不變，利用函數(shù)step建立殘茬廢膜清理齒輥的轉(zhuǎn)速函數(shù)為

800+step(time,0.1,0,0.101,1000)+step(time,0.2,0,0.201,1000)+step(time,0.3,0,0.301,1000)+step(time,0.4,0,0.401,1000)+step(time,0.5,0,0.501,1000)+step(time,0.6,0,0.601,1000)+step(time,0.7,0,0.701,1000)

選擇仿真時(shí)間為0.72s，仿真結(jié)果如圖11所示。圖11中，實(shí)線代表殘茬廢膜清理齒輥的轉(zhuǎn)速，虛線代表殘茬廢膜清理齒輥齒所受的碰撞力。

圖10 行進(jìn)速度對碰撞力的影響Fig.10 Affect advance speed speed of collision force

圖11 轉(zhuǎn)速對碰撞力的影響Fig.11 Affect the speed of collision force

分析圖11和仿真過程可知：殘茬廢膜清理齒輥的轉(zhuǎn)速對碰撞力的影響要比拖拉機(jī)行進(jìn)速度的影響大很多，且這個(gè)影響是折線式的影響。

綜上所述，在研究殘茬廢膜清理齒輥齒的碰撞力時(shí)，主要考慮因素因?yàn)闅埐鐝U膜清理齒輥的轉(zhuǎn)速，可忽略拖拉機(jī)行進(jìn)速度的影響。

4 結(jié)論

1)該棉田殘茬廢膜收集打捆機(jī)一次性完成殘茬、廢膜清理、輸送和打捆，打捆后便于收集和運(yùn)輸，能夠有效防止堆放于田間地頭的殘膜被大風(fēng)吹散造成二次污染。

2)該機(jī)具殘茬廢膜清理齒輥和刷膜輪的轉(zhuǎn)速與齒數(shù)成反比關(guān)系。

3)該機(jī)具殘茬廢膜清理齒輥的齒數(shù)必須大于刷膜輪的齒數(shù)。

4)分析得到了該機(jī)具的殘茬廢膜清理齒輥齒的運(yùn)動軌跡。

5)影響殘茬廢膜清理齒輥齒與地面的碰撞力主要因素是殘茬廢膜清理齒輥的轉(zhuǎn)速，拖拉機(jī)行進(jìn)速度對其影響很小。

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