王志歡，畢新勝，張新超，蔡 賀

（石河子大學(xué) 機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子 832003）

1 引言

地膜覆蓋栽培技術(shù)廣泛應(yīng)用于我國(guó)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。滯留在農(nóng)田里的殘膜若不能及時(shí)回收，將會(huì)破壞土壤結(jié)構(gòu)，造成嚴(yán)重的白色污染[1-2]。目前，國(guó)內(nèi)雖已研制出多種類型的殘膜回收機(jī)具，但大都是先將殘膜和雜物一起撿拾，然后再進(jìn)行除雜分離[3-7]。因殘膜具有柔軟、易吸附和易纏繞等特性，膜雜一起撿拾很容易使殘膜與秸稈等雜物進(jìn)一步纏繞在一起，使膜雜分離效果不佳，殘膜含雜率過高，殘膜回收箱很快會(huì)被盛滿，在長(zhǎng)地塊作業(yè)時(shí)頻繁到地頭停機(jī)卸膜。這不僅嚴(yán)重的影響了作業(yè)效率，而且不便于殘膜的回收利用。

因此，回收時(shí)必須先將秸稈和待收殘膜進(jìn)行提前分離，利用先挑起除雜后夾持輸送的原理設(shè)計(jì)了一種新型地膜撿拾機(jī)構(gòu)。

2 總體結(jié)構(gòu)與工作原理

2.1 總體結(jié)構(gòu)

該機(jī)具主要由切膜機(jī)構(gòu)、挑桿裝置、夾持輸送裝置、脫膜裝置、殘膜收集箱等部件組成，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，如圖1所示。其中，挑桿機(jī)構(gòu)由松土鏟、挑膜桿、曲柄搖桿機(jī)構(gòu)組成；夾持輸送裝置由夾塊機(jī)構(gòu)、鏈板輸送等組成；脫模裝置由撐開齒、脫模輥。

圖1 挑夾式農(nóng)田殘膜撿拾機(jī)Fig.1 Picking and Gripping Farmland Residual Film Recycle Machine

2.2 工作原理

樣機(jī)以牽引方式與拖拉機(jī)連接，傳動(dòng)系統(tǒng)通過傳動(dòng)軸與拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸相聯(lián)。作業(yè)時(shí)，機(jī)具順著苗行前行，前端的起膜鏟將兩邊埋在土壤里的地膜鏟起?？v向切膜裝置從寬行中間把膜切割成兩部分，橫向切膜裝置再進(jìn)行橫向切割，最終將膜切成矩形的塊狀。隨后，挑膜桿在曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的帶動(dòng)下產(chǎn)生往復(fù)挑起運(yùn)動(dòng)，挑膜桿將塊狀地膜挑起并塞入輸送的夾鉗裝置中，隨后迅速?gòu)膴A鉗裝置中脫出，進(jìn)行下一塊地膜的挑起運(yùn)動(dòng)。夾鉗裝置夾著地膜隨輸送向上運(yùn)動(dòng)，到達(dá)集膜箱后脫膜裝置將夾口裝置撐開并將薄膜刷下，完成一個(gè)收膜動(dòng)作。

3 撿拾機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化

提出的撿拾部件為曲柄搖桿挑膜機(jī)構(gòu)[8-9]，如圖2所示。主要由挑膜桿、曲柄搖桿機(jī)構(gòu)等組成。鉸鏈A、B，可分別看成人類的肩部和肘部，使撿拾機(jī)構(gòu)更好的模擬人類用手臂撿拾殘膜的動(dòng)作。

圖2 挑膜機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.2 Force Diagram of Plastic Film

3.1 挑膜機(jī)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型

為使挑膜機(jī)構(gòu)更好的將膜挑起，并可靠地將殘膜送入輸送夾口中，需對(duì)挑膜機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和影響挑膜桿運(yùn)動(dòng)軌跡的主要技術(shù)參數(shù)進(jìn)行分析，首先建立挑膜機(jī)構(gòu)的二維平面模型[10]。

由圖2可知：

由此可得E點(diǎn)的位置方程：

進(jìn)而可得F點(diǎn)的位置方程：

式中：θ=140°為定值。

由式（3）、式（4）式及 M、N、L、H、P、Q 可知，在 F 點(diǎn)的位置方程7中對(duì)F點(diǎn)坐標(biāo)影響較大的參數(shù)是DA（x，y）和lAB、lBC。

3.2 挑膜機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化

根據(jù)機(jī)身空間以及挑膜機(jī)構(gòu)安裝方位，將圖2中的BC、CD、CE、EF 的 長(zhǎng) 度 lBC、lCD、lCE、lEF分 別 設(shè) 定 為 332、230、389.5、128.5mm，θ為定值。將DA（x，y）和lAB設(shè)為變量，通過Adams仿真實(shí)驗(yàn)分析出挑膜桿頂點(diǎn)F相對(duì)于機(jī)身的運(yùn)動(dòng)軌跡[11]。

在大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中挑出的對(duì)應(yīng)DA（x，y）和lAB有代表性的6組值，如表1所示。通過仿真實(shí)驗(yàn)得出的與這六組值對(duì)應(yīng)的F點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡，如圖3所示。為了將膜較有效的挑起，挑膜機(jī)構(gòu)在參數(shù)優(yōu)化時(shí)，需滿足如下目標(biāo)要求：軌跡的最低點(diǎn)應(yīng)深入地面以下40mm；為防止在挑起過程中殘膜從挑膜桿脫落，在保證與夾持輸送機(jī)構(gòu)可靠耦合的前提下軌跡最高點(diǎn)應(yīng)盡量低；處在地面下部分的軌跡線應(yīng)足夠長(zhǎng)，以避免在機(jī)具工作過程中，挑膜頻率過高增加機(jī)具的負(fù)荷。軌跡上兩個(gè)線速度方向變化較迅速的圓弧段均應(yīng)處在地面上方，以保證挑膜桿有較好的入土角度及出土角度，使挑膜動(dòng)作更加順暢；因此，從圖中可以看出曲線5所對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)開發(fā)樣機(jī)，即lAB=70mm，DA（x，y）=（262mm，-188mm）。

圖3 不同結(jié)構(gòu)參數(shù)挑膜桿運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.3 Moving Trajectory of Pick Membrane Rod to Different Structural Parameters

表1 不同軌跡線對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Different Structural Parameters Corresponding to Different Trajectories/mm

3.3 挑膜機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)參數(shù)的確定

挑膜機(jī)構(gòu)挑膜計(jì)算公式：

式中：S—挑膜節(jié)距，m；

Vm—機(jī)具前進(jìn)速度，m/s；

n2—曲柄轉(zhuǎn)速，r/min。

挑膜節(jié)距S挑的值，直接影響到挑膜的效果，由式（10）可知，要使挑膜節(jié)距S挑減小，則必須使機(jī)具前進(jìn)速度Vm降低或使曲柄的轉(zhuǎn)速n2增加.綜合考慮實(shí)際作業(yè)條件及撿拾可靠性，將挑膜節(jié)距S的值設(shè)為250mm，機(jī)具前進(jìn)的速度Vm=3.6km/h，則曲柄轉(zhuǎn)速n2=240r/min。

取挑膜桿上E、F兩點(diǎn)為測(cè)試對(duì)象，采用軌跡曲線5所對(duì)應(yīng)的挑膜機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)以及上述的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，利用Adams軟件對(duì)挑膜機(jī)構(gòu)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，得到的F點(diǎn)水平速度曲線和E、F兩點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡曲線，如圖4所示。在圖中可以看出，F(xiàn)點(diǎn)從入土到出土的整個(gè)過程中水平速度的方向始終是向前的。由此證明，挑膜機(jī)構(gòu)各運(yùn)動(dòng)參數(shù)的選取是合適的。

圖4 挑膜桿運(yùn)動(dòng)軌跡和水平速度分量Fig．4 Moving Trajectory of Pick Membrane Rod and Horizontal Velocity Component

4 夾持輸送機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

4.1 夾持輸送機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定

夾持輸送機(jī)構(gòu)，如圖5所示。此裝置由夾塊機(jī)構(gòu)、鏈板輸送、固定機(jī)構(gòu)等幾部分組成。每個(gè)夾塊機(jī)構(gòu)固定在鏈板上，隨鏈板做往復(fù)回形運(yùn)動(dòng)。綜合考慮田間作業(yè)條件、機(jī)架允許空間以及挑膜桿末端運(yùn)動(dòng)軌跡，選定夾鉗頂端軌跡曲線的圓弧半徑r=165mm、輸送上夾鉗的高度s=115mm、輸送與豎直方向夾角β=12°。

圖5 夾持輸送機(jī)構(gòu)Fig．5 Gripping Delivery Mechanism

4.2 挑膜與夾持輸送機(jī)構(gòu)相對(duì)位置的確定

圖6 挑膜機(jī)構(gòu)與夾持輸送機(jī)構(gòu)相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系簡(jiǎn)圖Fig．6 Pick Membrane Rod and Gripping Delivery Mechanism Relative Motion Relationship Diagram

由于坐標(biāo)系中的曲柄搖桿的機(jī)架A、D點(diǎn)坐標(biāo)以及對(duì)應(yīng)的E、F點(diǎn)的軌跡曲線是從Adams中精確導(dǎo)入的，因此本問題可通過圖解法來解決。由挑膜桿上E、F點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡可知，在一個(gè)周期內(nèi)，挑膜桿末端插入土壤向前運(yùn)動(dòng)過程中，殘膜會(huì)在挑膜桿上E點(diǎn)附近形成堆積，所以挑膜桿應(yīng)盡量選在E點(diǎn)處與夾鉗接觸。由圖6可知，在挑膜桿末端F點(diǎn)剛離開地面的瞬間使挑膜桿和夾鉗開始接觸并使兩者相互垂直（圖6中實(shí)線所示），不但可以保證更多的殘膜送入夾鉗，而且可以減少挑膜桿所受的阻力，使挑膜桿和夾持輸送的配合更加可靠。

另外為避免夾持輸送在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中與地面接觸，根據(jù)實(shí)際作業(yè)條件，將夾鉗頂端運(yùn)動(dòng)軌跡最低點(diǎn)與地面的距離h設(shè)定為30mm。

通過以上兩段分析可知，在圖4坐標(biāo)系中夾鉗頂端運(yùn)動(dòng)軌跡曲線應(yīng)同時(shí)和EF所在直線以及距離地面h的直線相切。依此可確定出夾持輸送機(jī)構(gòu)相對(duì)于挑膜機(jī)構(gòu)的位置。綜合考慮機(jī)架空間，及作業(yè)條件將夾鉗高度s設(shè)定為115mm，夾鉗頂點(diǎn)旋轉(zhuǎn)半徑r設(shè)定為165，β設(shè)為12°。于是G點(diǎn)對(duì)A點(diǎn)的相對(duì)位置GA（x，y）=（365mm，-600mm）。

4.3 夾持輸送機(jī)構(gòu)工作參數(shù)的確定

挑膜桿與夾鉗觸后并繼續(xù)產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，挑膜桿逐漸將膜塞入夾鉗內(nèi)，待挑膜桿末端運(yùn)動(dòng)到夾鉗凹槽處時(shí)兩者開始脫離，殘膜因被夾鉗夾持住留在夾鉗上。通過作圖可知，以G點(diǎn)為圓心以?shī)A鉗的凹槽邊線到G點(diǎn)距離為半徑畫圓與F點(diǎn)軌跡曲線的交點(diǎn)（圖6中虛線所示）即為挑膜桿和夾鉗的脫離點(diǎn)。

通過以上分析可知，夾持輸送的轉(zhuǎn)速n1由下式得出：

式中：T—挑膜周期；δ—挑膜桿與夾鉗從接觸到分離的時(shí)間段內(nèi)曲柄轉(zhuǎn)過角度；α—挑膜桿與夾鉗從接觸到分離的時(shí)間段內(nèi)夾鉗轉(zhuǎn)過角度；

由上節(jié)可知 T=0．25s，通過圖解法測(cè)得 δ=68°，α=23°。帶入數(shù)值可得 n1≈81．18r/min。

由上式可進(jìn)一步求得輸送上夾鉗的間距即：

式中：l—輸送上夾鉗的間距；r—夾鉗頂端軌跡曲線的圓弧半徑；s—夾鉗總高度；

帶入數(shù)值后求得夾鉗間距l(xiāng)≈106．2mm．由圖6可知，機(jī)具運(yùn)動(dòng)過程中并無部件間的干涉，且部件間相對(duì)運(yùn)動(dòng)順暢可靠。由此可證明，以上各參數(shù)的設(shè)置是恰當(dāng)?shù)摹?/p>

5 田間試驗(yàn)

試驗(yàn)地在新疆某團(tuán)，作業(yè)地塊為秋后收獲后的棉田，秸稈已被粉碎并散落在殘膜表面，秸稈茬平均高度小于120mm、地面相對(duì)較平整，滴管帶已被回收。試驗(yàn)在一個(gè)膜幅上進(jìn)行，薄膜幅寬為210cm棉花種植行距為（660+100）mm，株距為110mm，薄膜厚度0．01mm，地膜邊緣被埋入土中，機(jī)具前進(jìn)速度為（3～4）km/h。配備動(dòng)力為約翰迪爾454型拖拉機(jī)。

試驗(yàn)在一個(gè)膜幅上進(jìn)行，薄膜幅寬為210cm，作業(yè)長(zhǎng)度100m，從試驗(yàn)地塊上隨機(jī)選取5個(gè)區(qū)域重復(fù)試驗(yàn)，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄并處理。實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如表2所示。

表2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Experient Result

機(jī)具工作過程中，挑膜機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)軌跡較為理想，能順利的將膜挑起并塞入夾鉗內(nèi)，基本沒有殘膜纏繞問題出現(xiàn)；但由于秸稈茬的存在，機(jī)具在撿拾過程中會(huì)有少量殘膜被秸稈茬鉤掛住，對(duì)殘膜回收率有一定影響。另外挑膜機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)過程中有較明顯振動(dòng)，在以后研究中，還需對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)。

6 結(jié)論

（1）通過對(duì)挑膜機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參 數(shù) lAB、lBC、lCD、lCE、lEF分 別 為 70mm、332mm、230mm、389.5mm、128.5mm，DA（x，y）為（262mm，-188mm）。

（2）通過圖解法分析得到夾持輸送鏈板的旋轉(zhuǎn)半徑為50mm，夾鉗高度為115mm，夾鉗間隔為106.2mm，相對(duì)豎直方向偏轉(zhuǎn)角度為12°。

（3）挑夾式殘膜撿拾輸送機(jī)構(gòu)較好的模仿了人類用手臂撿拾殘膜的動(dòng)作，試驗(yàn)證明，挑膜機(jī)構(gòu)曲柄轉(zhuǎn)速n=240r/min，夾持輸送機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)速n=81.18r/min時(shí)，機(jī)構(gòu)能可靠的將膜挑起并輸送到集膜箱，基本能夠滿足殘膜回收的田間作業(yè)要求。