楊松梅 陳學(xué)庚 顏利民 莫毅松 蔣德莉 張慧明

(1.海南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院， 海口 570228； 2.石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院， 石河子 832003；3.常州漢森機(jī)械股份有限公司， 常州 213034)

0 引言

地膜覆蓋技術(shù)由于其優(yōu)良的保墑增收效果而被我國(guó)干旱作物種植區(qū)廣泛使用，地膜年使用量從1981年的6×103t增長(zhǎng)到2018年的1.404×106t，其中新疆使用量為2.38×105t。隨著農(nóng)田覆膜面積的逐年增加，未能及時(shí)回收的殘膜在土壤中累積[1-3]，新疆農(nóng)田平均地膜殘留量約為206.46 kg/hm2[4]。殘留的地膜對(duì)土壤理化性質(zhì)和作物產(chǎn)量產(chǎn)生極大的影響，不利于農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[5-7]。

機(jī)械回收殘膜是目前解決殘膜污染問(wèn)題的主要手段[8-9]。機(jī)械集膜作業(yè)是殘膜回收過(guò)程的重要環(huán)節(jié)，其作業(yè)方式主要包括集膜箱收膜、卷膜等[10-11]。國(guó)外一般采用厚膜種植，使用后殘膜基本完整，可以直接打卷回收[12-13]。集膜箱結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造成本低廉，但是殘膜收集后自然堆放，占用空間大、儲(chǔ)存和運(yùn)輸成本高，而且在大風(fēng)天氣易造成二次污染[10]。目前，有科研人員對(duì)殘膜壓縮打包機(jī)進(jìn)行研究[14-16]，殘膜經(jīng)打包機(jī)構(gòu)壓縮、卸料，便于裝運(yùn)。文獻(xiàn)[17-18]設(shè)計(jì)了利用摩擦驅(qū)動(dòng)卷膜輥的浮動(dòng)式卷膜機(jī)構(gòu)，而脫膜和卸膜工作仍需借助人力來(lái)完成。

現(xiàn)有研究中，卷膜裝置的動(dòng)力通常直接傳遞給卷膜芯軸，卷膜芯軸作為主動(dòng)部件旋轉(zhuǎn)纏膜，但隨著膜卷直徑的增大，卷膜角速度不變，殘膜纏繞線速度逐漸增大，易造成殘膜拉斷。課題組前期主要針對(duì)隨動(dòng)式殘膜回收機(jī)的撿拾、清雜等機(jī)構(gòu)[8,19]進(jìn)行研究。本文在隨動(dòng)式殘膜回收機(jī)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究回收機(jī)卷膜裝置膜卷緊實(shí)度，以期達(dá)到最佳卷膜效果。

1 結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 卷膜裝置結(jié)構(gòu)

殘膜回收機(jī)卷膜裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示，其主要由機(jī)架、卷膜帶、卷膜滾筒、卷膜輥裝置、翻轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)、地輪和傳動(dòng)系統(tǒng)等組成。其中，地輪布置在卷膜裝置下部，與土壤接觸為裝置提供動(dòng)力。卷膜帶為閉環(huán)的柔性帶，在卷膜滾筒及卷膜輥裝置的支撐下呈L形。

卷膜輥裝置主要由卷膜芯軸、連接臂、卸膜油缸及導(dǎo)向軸組成，是自動(dòng)卸膜的核心部件，如圖2所示。卷膜芯軸分左右兩部分，每個(gè)卷膜芯軸與對(duì)應(yīng)側(cè)連接臂可隨卸膜油缸活塞的伸縮而分離或連接。

卷膜輥裝置通過(guò)兩側(cè)布置的安裝銷軸與機(jī)架連接，卷膜輥裝置整體可繞安裝銷軸轉(zhuǎn)動(dòng)。卸膜油缸及導(dǎo)向軸安裝在閉環(huán)的卷膜帶內(nèi)部，卷膜芯軸布置在卷膜帶L形的拐角處，如圖1c所示。殘膜回收作業(yè)時(shí)殘膜纏繞在卷膜芯軸上。

1.2 傳動(dòng)系統(tǒng)與工作原理

卷膜裝置傳動(dòng)系統(tǒng)如圖3所示，卷膜裝置的動(dòng)力來(lái)自地輪，隨機(jī)具前進(jìn)地輪受到土壤摩擦力的作用轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)傳動(dòng)系統(tǒng)帶動(dòng)卷膜芯軸運(yùn)動(dòng)將殘膜纏繞在卷膜芯軸上，實(shí)現(xiàn)卷膜作業(yè)。卷膜裝置安裝在殘膜回收機(jī)機(jī)架上，當(dāng)拖拉機(jī)牽引機(jī)具作業(yè)時(shí)地輪轉(zhuǎn)動(dòng)，地輪外側(cè)鏈帶動(dòng)變速箱中齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，動(dòng)力經(jīng)變速箱傳遞至中間卷膜滾筒，并在其左側(cè)鏈傳動(dòng)的作用下進(jìn)一步帶動(dòng)上部卷膜滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)，中間卷膜滾筒和上部卷膜滾筒共同將動(dòng)力傳遞至卷膜帶。同時(shí)，在摩擦力的作用下動(dòng)力由卷膜帶傳遞給卷膜芯軸。結(jié)合圖3可得到卷膜裝置傳動(dòng)比i為

(1)

式中Z1——地輪與變速箱間鏈傳動(dòng)主動(dòng)鏈輪齒數(shù)

Z2——地輪與變速箱間鏈傳動(dòng)從動(dòng)鏈輪齒數(shù)

Z3——變速箱中主動(dòng)齒輪齒數(shù)

Z4——變速箱中從動(dòng)齒輪齒數(shù)

機(jī)具卷膜作業(yè)時(shí)，其工況位置如圖4a所示，在氣彈簧的作用下，卷膜芯軸給卷膜帶施加壓力，保證卷膜帶繃緊。由于該壓力的存在，卷膜帶運(yùn)動(dòng)時(shí)對(duì)卷膜芯軸產(chǎn)生摩擦力，卷膜芯軸在摩擦力的作用下轉(zhuǎn)動(dòng)。殘膜由脫膜裝置落入到卷膜帶水平面上，當(dāng)其由卷膜芯軸和卷膜帶中間通過(guò)時(shí)，殘膜纏繞在卷膜芯軸上，完成卷膜。

當(dāng)膜卷直徑達(dá)到一定數(shù)值時(shí)可進(jìn)行卸膜作業(yè)。卷膜狀態(tài)時(shí)液壓翻轉(zhuǎn)油缸活塞處于伸出狀態(tài)，如圖4所示，卸膜作業(yè)開始時(shí)，翻轉(zhuǎn)油缸活塞收回，觸發(fā)氣彈簧釋放壓力，避免卷膜芯軸繼續(xù)對(duì)卷膜帶施壓?；钊栈貏?dòng)作為卷膜裝置提供轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，通過(guò)活塞端部銷軸施加拉力，使卷膜裝置繞中間卷膜滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)卷膜裝置內(nèi)其他機(jī)構(gòu)相對(duì)靜止。當(dāng)翻轉(zhuǎn)油缸活塞完全收回時(shí)達(dá)到卸膜狀態(tài)，如圖4b所示，此時(shí)，膜卷依然纏繞在卷膜芯軸上。液壓系統(tǒng)繼續(xù)供油，卷膜芯軸隨卸膜油缸活塞的運(yùn)動(dòng)而從中間分離，當(dāng)卷膜芯軸從膜卷中完全抽出時(shí)，膜卷在重力的作用下滾落，完成自動(dòng)卸膜。卸膜作業(yè)完成后，啟動(dòng)液壓系統(tǒng)使各裝置還原到工作位置，完成一個(gè)周期的卷膜和卸膜作業(yè)。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)與參數(shù)確定

2.1 卷膜帶

卷膜帶采用表面有花紋的防滑膠帶，用在帶式輸送機(jī)上，是橡膠與纖維的復(fù)合制品。卷膜帶運(yùn)動(dòng)所需要的動(dòng)力來(lái)自驅(qū)動(dòng)滾筒，依靠驅(qū)動(dòng)滾筒與卷膜帶兩者之間的摩擦力，由驅(qū)動(dòng)滾筒傳遞給卷膜帶。卷膜帶在滾筒上趨入點(diǎn)是卷膜帶緊邊，其張力較大，奔離點(diǎn)張力較小，該張力差是卷膜帶運(yùn)行的必要條件。中間驅(qū)動(dòng)滾筒處卷膜帶受力如圖5a所示，經(jīng)分析[20]可知，當(dāng)卷膜裝置運(yùn)行時(shí)，卷膜帶在驅(qū)動(dòng)滾筒上不打滑的臨界條件為

(2)

式中Fj——卷膜帶在滾筒上的緊邊張力，N

Fs——卷膜帶在滾筒上的松邊張力，N

μ——驅(qū)動(dòng)滾筒與卷膜帶間摩擦因數(shù)，取0.35

θ——驅(qū)動(dòng)滾筒與卷膜帶圍包角，大于等于180°

F——圓周驅(qū)動(dòng)力，N

卷膜帶正常運(yùn)行時(shí)，實(shí)際的圓周驅(qū)動(dòng)力F和緊邊張力Fj應(yīng)遠(yuǎn)小于臨界條件，則由式(2)可得

(3)

由式(3)可得卷膜帶在滾筒上不打滑的條件為

(4)

由式(3)可知，影響圓周驅(qū)動(dòng)力的參數(shù)是卷膜帶在滾筒上的松邊張力Fs、驅(qū)動(dòng)滾筒與卷膜帶間的摩擦因數(shù)μ和驅(qū)動(dòng)滾筒與卷膜帶圍包角θ。參照帶式輸送機(jī)可知，松邊張力Fs由拉緊裝置提供，由于卷膜裝置結(jié)構(gòu)限制，無(wú)法布置拉緊裝置，即松邊張力Fs難以提高；同理，當(dāng)卷膜帶和滾筒材質(zhì)及結(jié)構(gòu)確定后，摩擦因數(shù)μ隨之確定。由式(4)可知，當(dāng)各參數(shù)確定后，卷膜裝置不打滑的條件是圍包角θ大于一定值，對(duì)于單滾筒驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)滾筒與卷膜帶的圍包角θ一般為180°[20]。

如圖6所示，卷膜裝置在卸膜時(shí)需要以點(diǎn)A為圓心整體旋轉(zhuǎn)，相對(duì)機(jī)架點(diǎn)A靜止，點(diǎn)B和C是運(yùn)動(dòng)的。動(dòng)力由地輪自下而上傳動(dòng)，因此，動(dòng)力傳動(dòng)必須經(jīng)過(guò)點(diǎn)A。在帶式輸送機(jī)中驅(qū)動(dòng)滾筒與傳送帶的圍包角一般為180°，才能保證傳送帶順利啟動(dòng)且不打滑。初始設(shè)計(jì)點(diǎn)A處的中間驅(qū)動(dòng)滾筒與卷膜帶的圍包角由于L形結(jié)構(gòu)限制應(yīng)為90°左右，由于點(diǎn)A的圍包角無(wú)法達(dá)到180°，因此采用雙滾筒驅(qū)動(dòng)，將動(dòng)力首先傳遞給點(diǎn)A處的中間驅(qū)動(dòng)滾筒，再傳遞到點(diǎn)B的滾筒處，點(diǎn)A和B均構(gòu)成主動(dòng)旋轉(zhuǎn)滾筒，所以點(diǎn)A和B兩滾筒包角之和大于180°，滿足了驅(qū)動(dòng)條件。根據(jù)卷膜和卸膜要求，綜合考慮功能和結(jié)構(gòu)布局，本設(shè)計(jì)點(diǎn)A處的圍包角取100°，此時(shí)點(diǎn)B處的圍包角為172°，兩驅(qū)動(dòng)滾筒的圍包角之和為272°，同時(shí)通過(guò)試驗(yàn)也驗(yàn)證了此方案可以使卷膜裝置在啟動(dòng)和滿載情況下正常作業(yè)。

2.2 卷膜輥

卷膜芯軸的作用除執(zhí)行卷膜作業(yè)外，還應(yīng)對(duì)卷膜帶施加壓力，使其滿足張力需求并平穩(wěn)運(yùn)行，防止卷膜帶與驅(qū)動(dòng)滾筒產(chǎn)生打滑[21]。卷膜帶運(yùn)行前，卷膜芯軸的受力如圖5所示，可得

Gcosβ+Fqcosγ=N

(5)

式中G——卷膜芯軸所受重力，為185 N

Fq——?dú)鈴椈勺饔迷诰砟ば据S上的力，為200 N

β——初始G與合力的夾角，為9°

γ——初始Fq與合力的夾角，為0°

N——卷膜帶對(duì)膜卷的反作用力，N

由于卷膜帶啟動(dòng)時(shí)張力較大，如果施加給卷膜帶的壓力不足，會(huì)出現(xiàn)卷膜帶打滑、卷膜芯軸跳動(dòng)的現(xiàn)象。結(jié)合2018年秋季田間試驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)對(duì)卷膜帶施加Fq為200 N時(shí)，卷膜裝置在啟動(dòng)和滿載時(shí)均可滿足要求，作業(yè)質(zhì)量相對(duì)穩(wěn)定。由式(5)可得，初始運(yùn)行時(shí)卷膜帶受卷膜芯軸的壓力為383 N，隨著膜卷質(zhì)量逐漸增大，增加了卷膜帶的張力，提高了卷膜帶的張緊力，更加利于卷膜工作的進(jìn)行。

為保證脫膜作業(yè)時(shí)芯軸順利從膜卷中抽出，將卷膜芯軸設(shè)計(jì)成兩段具有一定錐度的錐形軸，錐頭連接處在芯軸中間位置。其優(yōu)點(diǎn)是由于卷膜芯軸存在錐度，卷膜時(shí)膜卷與卷膜芯軸端部纏繞緊密，而與芯軸中間連接處具有一定的間隙，此結(jié)構(gòu)可避免殘膜纏繞過(guò)緊芯軸難以抽出。為便于卷膜芯軸復(fù)位時(shí)順利對(duì)中，將一段芯軸的軸頭設(shè)計(jì)成錐形，使其在錐形面的導(dǎo)向作用下與另一段芯軸接合。

為了校驗(yàn)卷膜芯軸連接處的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，采用INVENTOR三維軟件對(duì)卷膜輥進(jìn)行建模，并用ANSYS Workbench有限元分析軟件進(jìn)行應(yīng)力、位移分析，如圖7所示。卷膜芯軸工作時(shí)最大變形量發(fā)生在兩段卷膜芯軸的中間連接處，為0.068 mm；卷膜芯軸整體所受的應(yīng)力較小，在與連接臂固定的芯軸根部應(yīng)力最大為18.129 MPa，遠(yuǎn)小于材料的屈服強(qiáng)度355 MPa，最大應(yīng)力小于材料許用應(yīng)力(142～237 MPa)，因此，卷膜芯軸強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

2.3 氣彈簧

卷膜初始工作的預(yù)緊力由氣彈簧提供。將卷膜輥裝置與氣彈簧簡(jiǎn)化并對(duì)其進(jìn)行受力分析，以確定氣彈簧的選型和支撐力。裝置幾何關(guān)系和受力分析如圖8所示，圖中點(diǎn)A為氣彈簧固定接頭，點(diǎn)B為卷膜輥裝置轉(zhuǎn)動(dòng)中心點(diǎn)，點(diǎn)C為氣彈簧與卷膜輥裝置鉸接點(diǎn)，點(diǎn)D為卷膜芯軸中心點(diǎn)，其中BC與BD剛性連接。

氣彈簧的工作行程為其展開與壓縮長(zhǎng)度的差值。如圖8狀態(tài)1所示，卷膜芯軸在初始卷膜位置D時(shí)，氣彈簧的展開長(zhǎng)度為S1。隨著卷膜工作的進(jìn)行，膜卷直徑增大，氣彈簧繞點(diǎn)A旋轉(zhuǎn)的同時(shí)逐漸壓縮，卷膜完成后如狀態(tài)2所示，卷膜芯軸在位置D′，此時(shí)氣彈簧的長(zhǎng)度為S2。根據(jù)氣彈簧長(zhǎng)度的幾何關(guān)系，可計(jì)算出氣彈簧的理論工作行程為S1和S2的差值，即105 mm?？紤]氣彈簧的安全尺寸，其行程可選范圍為[22]：S1-S2+50～1/2(S1-100)，因此，本文選取氣彈簧行程最小值為110 mm。

由卷膜輥裝置受力分析可知，點(diǎn)B為卷膜輥裝置轉(zhuǎn)軸，忽略卷膜輥裝置的自重。根據(jù)力矩平衡原理，氣彈簧支撐力為

Fa=KFpb/(na)

(6)

式中Fa——?dú)鈴椈商峁┑闹瘟?，N

Fp——卷膜芯軸在垂直于BD方向的受力，N

a——Fa的力臂，為232 mm

b——Fp的力臂，為518 mm

K——安全系數(shù)，取1.3

n——?dú)鈴椈蓴?shù)量，取2

分析可知，初始作業(yè)時(shí)Fp與Fq是一對(duì)作用力與反作用力，大小相等，方向相反。由前文可知，當(dāng)Fq為200 N時(shí)，由式(6)得出氣彈簧提供的支撐力Fa為290 N，即選擇氣彈簧時(shí)，其提供的支撐力大于290 N。根據(jù)以上分析，選擇規(guī)格為YQ 14/28—160—390(O—M)300的自由型氣彈簧。

2.4 殘膜受力分析

利用電子式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)(SANS-PowerTest-D00C型)對(duì)鋪設(shè)時(shí)間為180 d、厚度為0.01 mm的耐候殘膜試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，結(jié)果如圖9所示。地膜試樣取自石河子市145團(tuán)三分場(chǎng)二連耐候地膜基地，試驗(yàn)按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1040.3—2006《塑料 拉伸特性的測(cè)定》進(jìn)行，試驗(yàn)共制備20個(gè)地膜試樣，試樣無(wú)扭曲，表面和邊緣無(wú)肉眼可見劃痕、空洞、凹陷和毛刺，夾具初始距離為50 mm。

由圖9可知，在拉伸試驗(yàn)中應(yīng)變量在0～10 mm時(shí)，殘膜處于彈性變形階段；當(dāng)應(yīng)變量大于10 mm時(shí)，殘膜在此階段由于存在無(wú)法恢復(fù)原狀的塑性形變，殘膜回彈力較小，因此卷膜時(shí)殘膜處于變形量10 mm之內(nèi)的彈性變形階段最佳，此時(shí)殘膜斷裂伸長(zhǎng)率為

(7)

式中ε——?dú)埬嗔焉扉L(zhǎng)率，%

ΔL——?dú)埬ぷ冃魏髽?biāo)距伸長(zhǎng)量，mm

L——?dú)埬ぷ冃吻皹?biāo)距距離，mm

殘膜變形前標(biāo)距距離為50 mm，變形后標(biāo)距伸長(zhǎng)量為10 mm，則彈性變形范圍內(nèi)的殘膜最大伸長(zhǎng)率為20%。在卷膜時(shí)，膜卷上殘膜伸長(zhǎng)率為

(8)

式中εj——膜卷上殘膜伸長(zhǎng)率，%

S——相同時(shí)間內(nèi)卷膜裝置卷膜長(zhǎng)度，mm

S′——相同時(shí)間內(nèi)機(jī)具前進(jìn)距離，mm

卷膜芯軸卷膜瞬間做圓周運(yùn)動(dòng)，由式(8)可得

(9)

式中ω——卷膜芯軸角速度，rad/s

t——作業(yè)時(shí)間，s

R——膜卷半徑，mm

vm——機(jī)具前進(jìn)速度，m/s

令膜卷線速度與機(jī)具前進(jìn)速度之比為λ，結(jié)合式(9)可得

(10)

式中λ——膜卷線速度與機(jī)具前進(jìn)速度之比

由式(10)可得膜卷線速度與機(jī)具前進(jìn)速度之比為1～1.2，即相同時(shí)間內(nèi)膜卷上纏繞殘膜的長(zhǎng)度大于機(jī)具前進(jìn)距離，此時(shí)膜卷上的殘膜處于拉伸狀態(tài)。分析可知，只有當(dāng)卷膜帶線速度大于膜卷線速度[23]時(shí)，卷膜帶與膜卷之間為滑動(dòng)摩擦，才可滿足上述要求。因此，令卷膜帶線速度與前進(jìn)速度之比為卷膜速比，則卷膜速比范圍略大于式(10)，通過(guò)計(jì)算卷膜裝置傳動(dòng)比，得到了適合的卷膜速比為1～1.25。

由于卷膜芯軸對(duì)卷膜帶的壓力，殘膜在通過(guò)卷膜帶和卷膜芯軸中間位置時(shí)受到的滑動(dòng)摩擦力達(dá)到最大，在該摩擦力的作用下殘膜被拉伸產(chǎn)生張力。殘膜張力隨卷膜帶對(duì)殘膜施加的摩擦力而出現(xiàn)，其大小與摩擦力相等，即

fdm=Ft

(11)

式中fdm——卷膜帶對(duì)殘膜施加的滑動(dòng)摩擦力，N

Ft——?dú)埬埩Γ琋

殘膜在拉伸過(guò)程中依次出現(xiàn)彈性變形—彈塑性變形—塑性變形(頸縮)現(xiàn)象，只有當(dāng)殘膜在彈性變形或彈塑性變形狀態(tài)下具有彈力，即卷膜時(shí)必要的張力。因此，卷膜時(shí)殘膜所受的彈力應(yīng)小于發(fā)生頸縮時(shí)所受到的拉力。則由式(11)得

fdm=μdmN=Ft

(12)

式中μdm——卷膜帶與殘膜間的滑動(dòng)摩擦因數(shù)

Fm——?dú)埬ぐl(fā)生頸縮時(shí)受到的拉力，N

當(dāng)卷膜芯軸上膜卷質(zhì)量較大時(shí)，卷膜帶對(duì)膜卷的反作用力N近似等于膜卷重力，則式(12)變換為

(13)

式中d——膜卷直徑，m

l——膜卷長(zhǎng)度，m

Y——膜卷密度，kg/m3

由殘膜拉伸試驗(yàn)結(jié)果可知，殘膜發(fā)生頸縮現(xiàn)象時(shí)寬度為10 mm試樣所受拉力最大為1.1 N，則殘膜發(fā)生頸縮時(shí)所受的拉力為225.5 N。由于田間試驗(yàn)中膜卷中含有雜質(zhì)，在相同撿拾和清雜裝置條件下，膜卷長(zhǎng)度l和密度ρ分別取1.9 m和120 kg/m3[14]。

利用摩擦系數(shù)儀(GX-MCY05P型)對(duì)卷膜帶和殘膜之間的摩擦因數(shù)進(jìn)行測(cè)定，卷膜帶與殘膜間平均滑動(dòng)摩擦因數(shù)μdm為0.47，則式(13)計(jì)算結(jié)果為膜卷直徑d應(yīng)小于0.52 m。膜卷直徑大于0.52 m時(shí)，由于殘膜張力下降，會(huì)出現(xiàn)殘膜緊實(shí)度不足甚至殘膜斷裂的情況。因此，為卷膜輥裝置連接臂設(shè)置限位塊，限制膜卷最大直徑為0.5 m。

2.5 卷膜傾角

殘膜運(yùn)動(dòng)到卷膜帶和卷膜芯軸中間時(shí)，受到重力、卷膜帶對(duì)其運(yùn)動(dòng)方向的摩擦力、卷膜芯軸對(duì)其運(yùn)動(dòng)方向反方向的摩擦力、卷膜芯軸的壓力和卷膜帶的支持力，其中殘膜所受的壓力和支持力相等。當(dāng)殘膜起始端運(yùn)動(dòng)到卷膜帶和卷膜芯軸分離位置時(shí)，其受力和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)決定了殘膜是否可以順利纏繞在卷膜芯軸上。圖10為殘膜在卷膜帶和卷膜芯軸分離點(diǎn)的受力分析，其中分離點(diǎn)卷膜帶與水平面夾角為卷膜傾角。由圖10可知，當(dāng)殘膜所受作用力在卷膜芯軸上有指向圓心方向的分力時(shí)，該分力提供了向心力，殘膜才能附著在卷膜芯軸上，順利完成卷膜作業(yè)。因此，只有當(dāng)分離點(diǎn)卷膜帶與水平面夾角小于90°時(shí)，才滿足作業(yè)要求，如圖10c所示。

通過(guò)以上分析可知卷膜傾角應(yīng)小于90°，同時(shí)卷膜傾角過(guò)小對(duì)卷膜效果的提升影響不大，但帶來(lái)的弊端比較明顯，如卷膜傾角越小脫膜需要翻轉(zhuǎn)的角度越大，需要的卸膜時(shí)間越長(zhǎng)，而且傾角越小容納相同直徑膜卷所需結(jié)構(gòu)的空間越大，不利于翻轉(zhuǎn)液壓油缸的選擇。本文通過(guò)卷膜性能試驗(yàn)，確定卷膜傾角取值范圍為70°～90°。

2.6 自動(dòng)卸膜液壓系統(tǒng)

自動(dòng)卸膜液壓系統(tǒng)原理圖如圖11a所示，液壓系統(tǒng)包括翻轉(zhuǎn)油缸和卸膜油缸兩組順序動(dòng)作的液壓缸。

結(jié)合圖11b理解自動(dòng)卸膜作業(yè)過(guò)程。每組液壓缸由2個(gè)相同參數(shù)的缸體組成，卸膜作業(yè)時(shí)，翻轉(zhuǎn)油缸首先啟動(dòng)，翻轉(zhuǎn)油缸活塞逐漸收回，卷膜裝置隨之翻轉(zhuǎn)。當(dāng)翻轉(zhuǎn)油缸活塞到位后，在液壓油的作用下單向順序閥3打開，液壓系統(tǒng)繼續(xù)給卸膜油缸供油。兩卸膜油缸活塞伸出，通過(guò)連接臂帶動(dòng)卷膜芯軸從中間分離逐漸脫膜，當(dāng)卸膜油缸伸出到位后，卷膜芯軸從膜卷中完全抽出。

復(fù)位時(shí)，觸發(fā)電磁換向閥，液壓系統(tǒng)首先給卸膜油缸供油，卸膜油缸活塞帶動(dòng)卷膜芯軸收回。卸膜油缸到位、卷膜芯軸合并后，單向順序閥6在液壓油的作用下打開，液壓系統(tǒng)給翻轉(zhuǎn)油缸供油，翻轉(zhuǎn)油缸活塞逐漸伸出，當(dāng)翻轉(zhuǎn)油缸到位后，卷膜裝置復(fù)位完成，可進(jìn)行下一輪殘膜回收作業(yè)。

3 試驗(yàn)與結(jié)果分析

3.1 試驗(yàn)條件

2019年11月，在石河子市145團(tuán)三分場(chǎng)二連耐候地膜基地進(jìn)行田間試驗(yàn)(圖12)，基地內(nèi)的棉花已經(jīng)采摘完畢，滴灌帶已抽出。試驗(yàn)裝置為棉花秸稈還田-前置清雜殘膜回收聯(lián)合作業(yè)機(jī)，由約翰迪爾904型拖拉機(jī)、土壤堅(jiān)實(shí)度儀(SPECTRUM SC-900型，量程0～7 000 kPa，精度103 kPa)、土壤水分速測(cè)儀(SPECTRUM TDR300型，量程0～100%，精度為0.1%)、電子秤(量程0～60 kg，精度為0.001 kg)、皮尺(量程50 m)和鋼板尺等組成。試驗(yàn)基地內(nèi)鋪設(shè)厚度為0.01 mm的耐候地膜，鋪設(shè)時(shí)間為2019年4月，試驗(yàn)前測(cè)得深度為50 mm土壤堅(jiān)實(shí)度平均值為1.18 MPa、土壤平均含水率為19.2%。

3.2 試驗(yàn)因素與指標(biāo)

相同作業(yè)機(jī)具和環(huán)境下，膜卷中雜質(zhì)比例相近，因此忽略雜質(zhì)對(duì)卷膜作業(yè)的影響。殘膜回收機(jī)在田間作業(yè)，其作業(yè)速度影響作業(yè)效率和卷收效果，因此選擇殘膜回收機(jī)的前進(jìn)速度作為試驗(yàn)因素之一，同時(shí)依據(jù)殘膜回收機(jī)帶式卷膜裝置關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)與分析結(jié)果，共選取機(jī)具前進(jìn)速度、卷膜速比、卷膜傾角3個(gè)工作參數(shù)為試驗(yàn)因素。

為確定試驗(yàn)因素的取值范圍，對(duì)殘膜回收機(jī)進(jìn)行單因素田間試驗(yàn)。當(dāng)殘膜回收機(jī)的前進(jìn)速度低于5 km/h時(shí)，殘膜撿拾效果較好，但是作業(yè)效率低；當(dāng)機(jī)具前進(jìn)速度大于6 km/h時(shí)，由于整機(jī)運(yùn)動(dòng)過(guò)快沒(méi)有足夠的時(shí)間排雜，雜質(zhì)會(huì)隨殘膜一起進(jìn)入卷膜裝置，造成回收的殘膜膜卷內(nèi)雜質(zhì)含量過(guò)高，影響回收效果。因此，確定前進(jìn)速度范圍為5～6 km/h。依據(jù)2.4節(jié)殘膜受力分析可知，只有當(dāng)卷膜帶線速度大于膜卷線速度時(shí)，卷膜帶與膜卷之間為滑動(dòng)摩擦，才可順利卷膜，但是卷膜帶線速度過(guò)大會(huì)造成殘膜發(fā)生塑性形變，導(dǎo)致膜殘膜張力不足，不能繃緊膜卷，因此通過(guò)計(jì)算和分析得到了卷膜速比取值為1～1.25。通過(guò)2.5節(jié)分析可知，只有當(dāng)初始?xì)埬づc卷膜芯軸分離點(diǎn)卷膜帶與水平面夾角小于90°時(shí)，才能順利完成初始卷膜作業(yè)，在機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)調(diào)整卷膜傾角小于70°時(shí)，由于卷膜裝置上部與脫膜裝置間距變小，導(dǎo)致殘膜從脫膜裝置落入到卷膜裝置的空間過(guò)于狹小，初始作業(yè)過(guò)程中殘膜易受到風(fēng)力作用而無(wú)法落入卷膜裝置，不利于殘膜回收，因此，卷膜傾角范圍為70°～90°。試驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)改變拖拉機(jī)前進(jìn)速度控制機(jī)具前進(jìn)速度，通過(guò)更換傳動(dòng)鏈輪改變卷膜速比，通過(guò)液壓控制卷膜傾角。

多因素試驗(yàn)采用三因素三水平的Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理與安排進(jìn)行組合試驗(yàn)[24-25]，各因素編碼如表1所示。由于目前尚無(wú)關(guān)于殘膜機(jī)械化卷收評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，查閱相關(guān)資料并結(jié)合殘膜回收實(shí)際作業(yè)可知，在目前的殘膜機(jī)械化清雜技術(shù)水平下，殘膜膜卷緊實(shí)程度是檢驗(yàn)?zāi)ぞ碣|(zhì)量的重要指標(biāo)。緊實(shí)程度高的膜卷密度大，因此選取殘膜膜卷密度Y為評(píng)價(jià)膜卷質(zhì)量的試驗(yàn)指標(biāo)，計(jì)算式為

表1 試驗(yàn)因素編碼Tab.1 Factors and codes

(14)

式中M——膜卷質(zhì)量，kgV——膜卷體積，m3

3.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)方案與結(jié)果如表2所示。通過(guò)Design-Expert 8.0.5.0軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和方差分析，得到試驗(yàn)指標(biāo)和因素編碼的回歸模型為

表2 試驗(yàn)方案與結(jié)果Tab.2 Design of tests and results

(15)

回歸模型(15)的P<0.000 1，失擬項(xiàng)P>0.05，

表明模型能夠正確反映試驗(yàn)指標(biāo)與因素之間的關(guān)系。根據(jù)模型各因素回歸系數(shù)，可得到影響卷膜密度Y的主次順序?yàn)閄2、X3、X1。

為直觀分析試驗(yàn)指標(biāo)與因素間的關(guān)系，運(yùn)用Design-Expert 8.0.5.0軟件得到相應(yīng)曲面如圖13所示。對(duì)各因素影響規(guī)律進(jìn)行分析，根據(jù)回歸方程和響應(yīng)曲面圖可知前進(jìn)速度對(duì)膜卷密度影響不顯著，卷膜速比和卷膜傾角對(duì)膜卷密度影響顯著。前進(jìn)速度對(duì)膜卷密度影響不顯著，說(shuō)明卷膜裝置可以更好地適應(yīng)殘膜回收機(jī)其他關(guān)鍵部件的作業(yè)條件。

由圖13a可知，當(dāng)前進(jìn)速度由5 km/h增大到6 km/h，膜卷密度先增大后減小。當(dāng)前進(jìn)速度固定在某一水平時(shí)，隨著卷膜速比由1變化到1.25，膜卷密度先增大后減小。由圖13b可知，當(dāng)前進(jìn)速度由5 km/h增大到6 km/h，膜卷密度先增大后減小。當(dāng)前進(jìn)速度固定在某一水平時(shí)，隨著卷膜傾角由70°變化到90°，膜卷密度先增大后減小。由圖13c可知，當(dāng)卷膜速比由1增大到1.25，膜卷密度先增大后減小。當(dāng)卷膜速比固定在某一水平時(shí)，隨著卷膜傾角由70°變化到90°，膜卷密度先增大后減小。

在此基礎(chǔ)上，應(yīng)用Design-Expert 8.0.5.0軟件中的優(yōu)化模塊對(duì)回歸方程模型進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)合試驗(yàn)因素邊界條件，最優(yōu)試驗(yàn)參數(shù)為：機(jī)具前進(jìn)速度5.38 km/h、卷膜速比1.19、卷膜傾角80.1°。為了驗(yàn)證優(yōu)化結(jié)果下的膜卷密度，依據(jù)上述試驗(yàn)安排進(jìn)行了3次田間試驗(yàn)，其中為便于對(duì)卷膜傾角進(jìn)行調(diào)整，將其圓整為80°，得到平均膜卷密度為122.7 kg/m3。誤差在可接受的范圍之內(nèi)，可滿足殘膜回收的卷膜作業(yè)要求。同時(shí)，統(tǒng)計(jì)卷膜裝置的平均卸膜復(fù)位時(shí)間為33 s，卸膜和復(fù)位作業(yè)在液壓系統(tǒng)的控制下自動(dòng)完成，無(wú)需人工操作。

4 結(jié)論

(1)根據(jù)農(nóng)田殘膜機(jī)械化卷膜和自動(dòng)卸膜作業(yè)要求，設(shè)計(jì)了帶式卷膜裝置，該裝置利用卷膜帶和膜卷間摩擦力進(jìn)行卷膜，通過(guò)氣彈簧和膜卷對(duì)卷膜帶的壓力提升卷膜帶圓周驅(qū)動(dòng)力，其卷膜效果良好，能夠滿足棉田殘膜回收機(jī)械化卷膜的作業(yè)要求。

(2)通過(guò)對(duì)卷膜裝置關(guān)鍵部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和分析，確定了卷膜裝置的驅(qū)動(dòng)形式為雙滾筒驅(qū)動(dòng)；通過(guò)理論分析，確定氣彈簧選型；對(duì)影響卷膜作業(yè)質(zhì)量的關(guān)鍵參數(shù)范圍進(jìn)行了分析計(jì)算。

(3)采用多因素組合試驗(yàn)研究了卷膜裝置卷膜速比、卷膜傾角、前進(jìn)速度對(duì)卷膜作業(yè)性能的交互影響，運(yùn)用Design-Expert 8.0.5.0軟件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析和多因素優(yōu)化。結(jié)果表明，當(dāng)機(jī)具前進(jìn)速度為5.38 km/h、卷膜速比為1.19、卷膜傾角為80°時(shí)，膜卷質(zhì)量最優(yōu)，此時(shí)平均膜卷密度為122.7 kg/m3，平均卸膜復(fù)位時(shí)間為33 s。田間試驗(yàn)表明，卷膜裝置作業(yè)性能穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)適用性強(qiáng)，能夠滿足殘膜機(jī)械化卷收作業(yè)需求。