郭文松，王釗英，孫岳，田玉泰，胡燦，散鋆龍

(1.塔里木大學機械電氣化工程學院，新疆阿拉爾 843300；2.中國農業(yè)大學工學院，北京 100083；3.新疆農業(yè)科學院，烏魯木齊 830091)

0 引 言

【研究意義】膜下滴灌技術在提高農業(yè)用水效率、農民增產(chǎn)增收以及生態(tài)環(huán)境建設等方面發(fā)揮著重要作用[1-3]，此技術在農田灌溉作業(yè)中普遍應用，滴灌帶使用量日益增加，尤其在新疆地區(qū)應用廣泛[4-6]?；厥胀瓿傻牡喂鄮遁d困難，降低工作效率；回收過程中，滴灌帶易斷帶，影響作業(yè)的連續(xù)性。設計一種模仿人工挑帶動作的挑帶式滴灌帶回收機，對減輕農田滴灌帶人口回收勞動力有實際意義。對農田中大量的滴灌帶進行機械化回收。【前人研究的進展】丁雙雙等[7]設計了4HS型滴灌帶回收機，可以一次性完成滴灌帶的挑起、輸送、收集等作業(yè)；湯愛民等[8]設計了2JMSD-4.5型揭膜、回收滴灌帶機，該機春季可用于揭膜作業(yè)，秋季可用于滴灌帶回收作業(yè)；龔賀賀等[9]設計了4HR 型滴灌帶回收機，該機具有較好的適用性?！颈狙芯壳腥朦c】人工回收滴灌帶勞動強度大、經(jīng)濟成本高、回收效率低，而現(xiàn)有的滴灌帶回收機存在著卸載困難、易斷帶等問題[10]。研究一種仿人工挑帶動作的挑帶式滴灌帶回收機?！緮M解決的關鍵問題】研究設計一種仿人工挑帶動作的挑帶式滴灌帶回收機，對滴灌帶回收機的關鍵作業(yè)機構進行建模分析，確定滴灌帶卷帶機構、導向機構以及挑帶機構方案，并進行樣機田間試驗研究。

1 材料與方法

1.1 材 料

挑帶式滴灌帶回收機主要由卷帶機構、導向機構、挑帶機構、機架等組成。圖1

注:1.車輪;2.機架; 3.卷帶機構; 4.支撐軸承; 5.卷帶主軸; 6.導向機構; 7.挑帶機構; 8.安全離合器
Note:1.Vehicle wheel; 2.Frame; 3.Belt mechanism;4.Axial bearing; 5.The principal axis of belt mechanism; 6.Guiding mechanism; 7.Suspension mechanism; 8.SafeClutch

圖1 挑帶式滴灌帶回收機
Fig.1 The picking up mode drip irrigation belt recovery machine

1.2 方 法

回收機由小四輪拖拉機牽引前進，依靠地輪為卷帶機構、導向機構、挑帶機構提供動力。工作時，將滴灌帶的首端穿過導向機構和挑帶機構，然后固定在卷帶機構上。利用挑帶機構帶著滴灌管豎直方向上下擺動將埋藏于土壤表層的滴灌帶抖出地面，利用導向機構水平往復擺動引導滴灌帶均勻的纏繞于卷帶機構上。當?shù)喂鄮Юp滿時，停止拖拉機，將卷帶機構的限位滑塊向內側移動，卷帶機構的外側口徑變小，回收的滴灌帶便可以輕松拆卸。

地輪和卷帶機構之間的離合器采用安全離合器。開始工作時，滴灌帶回收機的前進速度和卷帶機構的纏繞速度一致，當卷帶機構上滴灌帶越來越多時，卷帶機構的工作半徑也逐漸增大，作用在卷帶機構上的力矩逐漸增大，當卷帶機構承受的力矩大于安全離合器的設定值時，安全離合器自動松開，卷帶機構停止轉動；當?shù)喂鄮Щ厥諜C前進一段距離后，滴灌帶不在拉緊卷帶機構，卷帶機構繼續(xù)工作。當卷帶機構，卷到一定程度時，利用安全離合器，采用卷帶機構間歇運行的方法，緩解前進速度和卷帶速度不匹配的問題。

2 結果與分析

2.1 卷帶機構

卷帶機構由卷帶主軸、固定支桿、活動支桿、卷繞桿、滑塊、限位銷組成。卷帶機構采用連桿結構組成，機構的一端固定，另一端可沿著卷帶主軸滑動。卷帶主軸上有限位孔，利用限位孔和滑塊可以將卷帶機構調整為兩種狀態(tài)：工作狀態(tài)，如圖2(a)；卸載狀態(tài)，如圖2(b)。工作狀態(tài)時卷帶機構呈完全撐開狀，卷帶主軸帶動卷帶機構旋轉，將滴灌帶卷繞在卷帶機構上；卸載狀態(tài)時活動支桿內移、外側口徑收縮，可實現(xiàn)滴灌帶的快速卸載。圖2

注:1.卷帶主軸; 2.固定支桿; 3.卷繞桿; 4.活動支桿; 5.滑塊; 6.限位銷;7.銷孔
Note:1.The principal axis of belt mechanism; 2.Fixed support; 3.Winding bar; 4.Movable support; 5.Sliding block; 6.Arresting pin; 7.Pin hole

圖2 卷帶機構不同狀態(tài)下的三維模型
Fig.2 The three-dimensional model in the different state of the belt mechanism

2.2 導向機構

2.2.1 導向機構的設計

導向機構安裝在機架后端的橫梁上，主要由傳動機構、連桿、搖桿、導向滑塊，等組成。導向機構的動力由卷帶主軸經(jīng)鏈傳動傳遞給錐齒輪機構，驅動導向機構運動，從而使得導向滑塊引導滴灌帶沿橫梁水平方向往復運動。導向機構的三維結構。圖3

注:1.連桿; 2.橫梁; 3.錐齒輪傳動; 4.鏈輪; 5.搖桿;6.導向滑塊
Note:1.Connecting rod; 2.Crossgirder; 3.Bevel gearing; 4.Chain wheel; 5.Rocker bar; 6.The sliding block of guiding

圖3 導向機構的三維模型
Fig.3 Three-dimensional model of guiding mechanism

2.2.2 導向機構的參數(shù)優(yōu)化

為了求解導向機構傳動效果最佳時，導向機構的參數(shù)，建立了導向機構的數(shù)學模型，結構示意圖如圖4所示。以滑塊行程和行程速比一定，最小傳動角γ最大的設計方法，對導向機構運動學模型進行求解[11-13]。圖4

圖4 導向機構運動示意
Fig.4 The motion diagram of guiding mechanism

圖4中，m為曲柄的長度，n為連桿的長度，s為滑塊的行程，e為偏距，γ為傳動角。

由于卷帶機構的長度為400 mm，因此滑塊行程s為400 mm。導向機構在運動過程中，γ值是變化的，當曲柄與滑塊導路垂直時，γ值最小，其值為：

(1)

由式(1)可知，γ的最小值與m，n，e三個參數(shù)有關，按照設計方法，只要確定這3個參數(shù)能夠保證γ最小值最大即可。

記滑塊在左端極限位置為C1，右端極限位置為C2，AC1，AC2的夾角為極位夾角θ，則：

把AC1的長度設為變量x，x=n-m。行程速比K一般取小于2的值[14]，此設計取K=1.5，則θ=36。

在△AC1C2中

S2=(m+n)2+(n-m)2-2(n-m)(n+m)cosθ.

(2)

把n=x+m代入(2)式得

(3)

由正弦定理得

(4)

將n=x+m代入(1)式得

(5)

聯(lián)立式(3)(4)(5)方程且代入s=400，θ=36可得：

γ=

(6)

由式6可知γ僅與x有關，由圖4知設計變量x的取值范圍為[0,S/tanθ]，通過Matlab優(yōu)化分析此式，得到γ與x關系曲線如圖5所示[15-16]:

由圖5可知當x=284時，最小傳動角最大，為55.097 6°，將x=284代入式(3)(4)及n=x+m，可得：曲柄m=155 mm，連桿n=439 mm，偏心距e=248 mm。圖5

圖5 γ與x的曲線關系
Fig.5 The relation between γ and x

2.3 挑帶機構

2.3.1 挑帶機構的結構設計

為了模擬人工在回收滴灌帶過程中的挑動滴灌帶的動作將滴灌帶從表層土壤中挑出來。設計了一種挑帶機構，主要由傳動軸、曲柄、挑桿、導向孔組成。工作時，滴灌帶穿過導向孔，地輪通過鏈傳動將動力傳遞給傳動軸，驅動挑桿上下往復運動，不斷的挑動滴灌帶從表層土壤中挑出。圖6

注:1.固定支架; 2.鏈輪; 3.傳動軸; 4.曲柄;5.挑桿; 6.導向孔; 7.滑塊
Note:1.Fixed support; 2.Chain wheel; 3.Transmission shaft; 4.Crank; 5.Take-up lever; 6.Pilot hole; 7.Sliding block

圖6 挑帶機構的三維模型
Fig.6 Three-dimensional model of pick the belt mechanism

2.3.2 挑帶機構的參數(shù)優(yōu)化

為獲得較為理想的挑帶效果，設定挑帶高度為500 mm，即挑桿末端CC'間的垂直距離。

挑帶機構的運動簡圖中，AB為曲柄l1，OA為固定連桿l2，OC為挑桿l3，C、C'分別代表挑桿擺動的下極限位置和上極限位置?？紤]到合理利用機構空間，取l2=200 mm；考慮到挑桿的擺動角度以及C點距地面的高度，取∠COC'=90°，即OC⊥OC'，搖桿下極限位置與水平方向夾角β=90°。圖7

根據(jù)挑桿挑帶高度，建立曲柄搖桿機構的幾何數(shù)學模型，求解能夠滿足其挑帶高度的曲柄l1及挑桿l3的長度。

由上述條件可知：

α+β=90°.

(7)

根據(jù)上述幾何模型在豎直方向的長度分量得：

l3sinα+l3sinβ=500.

(8)

建立桿長與挑桿擺動角度的方程式：

(9)

聯(lián)立上述方程解得：l1=141 mm，l3=366 mm

因此，挑帶機構曲柄長度141mm，挑桿長度366 mm時，挑帶高度可達到設定要求。

圖7 挑帶機構運動
Fig.7 The schematic diagram of picking-belt mechanism

2.4 滴灌帶回收過程虛擬樣機仿真

為了優(yōu)化挑帶式滴灌帶回收機挑帶機構和導向機構的轉速，解決滴灌帶回收機在工作過程中斷帶問題，建立了滴灌帶回收機的虛擬樣機模型，并仿真研究不同的工作參數(shù)時滴灌帶內部的張力。

根據(jù)GB/T19812.1-2005《塑料節(jié)水灌溉器材單翼迷宮式滴灌帶》拉伸性能試驗規(guī)定：滴灌帶的最大承受拉力不應小于130 N[17]。當?shù)喂鄮葟埩Υ笥?30 N時，滴灌帶可能出現(xiàn)斷帶。

2.4.1 虛擬樣機的建立

采用Adams動力學仿真軟件來建立挑帶式滴灌帶回收機虛擬樣機[18-20]。將卷帶機構、導向機構、挑帶機構分別進行簡化，簡化后的虛擬樣機模型。圖8

注:1.卷帶機構; 2.導向機構; 3.挑帶機構; 4.滴灌帶
Note:1.Belt mechanism; 2.Guiding device; 3.Suspension device; 4.Drip irrigation

圖8 滴灌帶虛擬樣機
Fig.8 The virtual prototype of drip irrigation belt

虛擬樣機中將卷帶機構簡化為旋轉的圓柱體，導向機構和挑帶機構僅建立了單側模型，并簡化掉了傳動機構。滴灌帶則采用Adams 軟件自帶的Cable模塊建模，該模塊可以對復雜柔索機構進行建模仿真[21-22]。滴灌帶的建模過程為：在卷帶機構和地塊上分別設置一個錨點，地塊上的錨點建立在僅可以水平移動的小球上，用小球僅可在水平方向移動來模擬滴灌帶真實地面上滴灌帶的移動。在導向機構的滑塊和挑帶機構的導向塊上各固定一個滑輪，則滑輪可隨著挑帶機構和導向機構運動，最后將繩索按照一定的順序纏繞在錨點和滑輪上。

2.4.2 仿真試驗結果

為了保證良好的卷帶效果，卷帶機構的線速度和滴灌帶回收機的前進速度應基本保持一致。卷帶機構的周長為2 m，當回收機前進速度為7.2 Km/h時，卷帶轉速為1 r/s。此虛擬樣機仿真，設定卷帶轉速為1 r/s。

采用的簡化模型的方法，仿真時間為2 s。這種方法的優(yōu)點是建模方便、仿真效率高，可以有效的傳遞力和運動。設置的仿真參數(shù)主要為：滴灌帶參數(shù)和接觸參數(shù)。滴灌帶參數(shù)：密度設定為910 kg/m3；楊氏模量為4E7 N/mm2，阻尼系數(shù)設定為0.01，網(wǎng)格設定為0.15，其它值設定為默認值。滴灌帶和滑輪之間的接觸參數(shù)設置：接觸剛度為1E4 N/mm；阻尼系數(shù)為0.2 N*sec/mm；剛度貢獻因子設定為1.5。

2.4.2.1 導向機構轉速對滴灌帶內張力的影響

卷帶轉速為1r/s，挑帶機構轉速為0.8 r/s時。設置仿真時間設置為2 s，步數(shù)為300。仿真得到的導向機構轉速為1、2、3、4 r/s時滴灌帶內張力的變化規(guī)律。圖9

當轉速為1、2、3、4 r/s，滴灌帶內最大張力分別為110、125、160、200 N。隨著導向機構轉速的增加，滴灌帶內張力逐漸增加。當轉速為3 r/s、4 r/s時，滴灌內最大張力值為160 N，200 N大于滴灌帶的最大拉力130 N，極有可能會出現(xiàn)斷帶問題。當轉速為2 r/s時，滴灌帶內張力125 N，接近130 N。因此挑帶機構的轉速應<1 r/s，選取導向機構轉速為0.8 r/s。圖9

圖9 導向機構轉速下滴灌帶內張力變化
Fig.9 Simulation of the influence of the speed of guiding mechanism on the internal tension of drip irrigation

2.4.2.2 挑帶機構轉速對滴灌帶內張力的影響

卷帶機構轉速為1.0 r/s，導向機構轉速為0.6 r/s。設置仿真時間設置為2 s，步數(shù)為300。仿真得到的挑帶機構的轉速為1、2、3和4 r/s時，滴灌帶內張力的變化規(guī)律為，當挑帶機構轉速為1、2、3和4 r/s時，滴灌帶內最大張力分別為125、150、160、185 N。隨著挑帶機構轉速的增加，滴灌帶內最大張力值逐漸增加。當轉速為1 r/s時，滴灌帶內最大張力值125 N<130 N，由此可知，挑帶機構的轉速應<1 r/s，選取挑帶機構轉速為0.6 r/s。圖10

2.5 田間試驗

新疆阿拉爾市9團團場的青儲飼料地；覆膜滴灌作業(yè)地，試驗區(qū)的長度約為500 m，寬度約為200 m；滴灌帶為當年鋪設在田間的新滴灌帶；20馬力的輪式拖拉機；2017年9月。通過對田間作業(yè)試驗，1 h作業(yè)約1 hm2，對滴灌帶的損傷較小，無明顯的斷帶等現(xiàn)象出現(xiàn)。

圖10 挑帶機構轉速下滴灌帶內張力變化
Fig.10 Force curve of the drip irrigation belt under different rotating speed of the beltmechanism

3 討 論

3.1 仿人工挑帶式滴灌帶回收機，能夠模擬人工回收滴灌帶動作，解決人工回收勞動強度大、卸載困難、易斷帶等問題，同時提高了回收效率，大大減輕農民負擔。

3.2 按照國家標準采用了滴灌帶的最大拉力為130 N為設計依據(jù)，并按此值進行虛擬樣機優(yōu)化分析。在實際生產(chǎn)中，如果大田中鋪設的為往年的滴灌帶或者劣質滴灌帶，其最大拉力小于130 N?；厥沾祟惖喂鄮r會容易出現(xiàn)斷帶現(xiàn)象。

3.3 大田實驗中的滴灌帶埋藏于土壤表層，在挑帶過程中，滴灌帶受到土壤、雜草、地膜等的阻力作用，如果阻力過大也會出現(xiàn)斷帶現(xiàn)象，下一步在建立虛擬樣機時應考慮到以上的阻力的影響。

4 結 論

4.1 針對現(xiàn)有的滴灌帶回收機存在卸載困難、易斷帶問題，研制了一種挑帶式滴灌帶回收機，主要由機架、卷帶機構、導向機構、挑帶機構，安全離合器等組成。利用安全離合器采用卷帶機構間歇運行的方法，緩解前進速度和卷帶速度不匹配的問題；卷帶機構由多連桿機構組成，通過移動滑塊減小卷帶機構的口徑，可快速的完成滴灌帶的卸載。

4.2 建立并求解了導向機構的數(shù)學模型，獲得導向機構的最佳結構參數(shù)為：曲柄長度為155 mm，連桿長度為439 mm，偏心距e為248 mm，此時的最小傳動角的最大，傳動效果最優(yōu)；建立并求解了挑帶機構的數(shù)學模型，獲得：挑帶機構曲柄長度為141 mm，挑桿長度為366 mm時，可滿足挑帶高度500 mm的要求。

4.3 建立了滴灌帶回收機的虛擬樣機模型，通過仿真研究發(fā)現(xiàn)：隨著導向機構和挑帶機構轉速的增加，滴灌帶內最大張力值逐漸增加，最終確定導向機構的轉速為0.8 r/s，挑帶機構轉速為0.6 r/s。

4.4 對當年鋪設在田間的新滴灌帶進行回收作業(yè)試驗，1 h作業(yè)面積約1 hm2(15畝)，作業(yè)效果較好，對滴灌帶的損傷較小，無明顯的斷帶等現(xiàn)象。