玉米苗期收膜機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

吳善華，周福君，張春雷

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院，哈爾濱　150030)

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玉米苗期收膜機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

吳善華，周福君，張春雷

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院，哈爾濱150030)

摘要：為解決玉米苗期收膜機(jī)卸膜工序復(fù)雜、困難的問(wèn)題，設(shè)計(jì)出一種新型既撿拾又卸膜的機(jī)構(gòu)，建立了玉米苗期收膜機(jī)的三維模型，并應(yīng)用ADAMS軟件進(jìn)行虛擬樣機(jī)的仿真，得到該機(jī)構(gòu)的相對(duì)和絕對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡。對(duì)苗期地膜進(jìn)行地膜力學(xué)特性試驗(yàn)，測(cè)出地膜的撕斷力FΔ和延伸率δ，并通過(guò)對(duì)撿膜齒出土過(guò)程的力學(xué)分析找出撿膜齒對(duì)殘膜水平作用力F與殘膜撿拾滾筒最大角速度ω之間的關(guān)系。同時(shí)，以玉米苗期殘膜撿拾機(jī)為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了玉米苗期殘膜撿拾卸膜機(jī)構(gòu)，選取機(jī)具的前進(jìn)速度、入土角度、入土深度為影響因素，以地膜收凈率和傷苗率為試驗(yàn)指標(biāo)進(jìn)行土槽模擬試驗(yàn)。結(jié)果表明：該機(jī)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、合理，收膜效率高，能夠滿足預(yù)期的設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞：玉米；收膜機(jī)；撿拾卸膜機(jī)構(gòu)

0引言

地膜覆蓋栽培技術(shù)以其增溫、保墑、抑制雜草生長(zhǎng)、增加作物產(chǎn)量及延長(zhǎng)生長(zhǎng)期等顯著特點(diǎn)，已在我國(guó)許多地方迅速推廣。 覆蓋種植技術(shù)在帶來(lái)增產(chǎn)、增效的同時(shí)，也產(chǎn)生了地膜污染土地的嚴(yán)重問(wèn)題，破壞了農(nóng)田的生態(tài)環(huán)境[1]。因此，如何減輕和消除殘膜的污染問(wèn)題已經(jīng)成了社會(huì)日益關(guān)注的事情。目前，東北農(nóng)業(yè)大學(xué)研制的MS-2型玉米苗期收膜機(jī)，存在著膜完全卷在卷膜筒上，卸膜時(shí)需用刀從中間將膜切斷來(lái)卸下膜，卸膜比較繁瑣、困難[2]等問(wèn)題。筆者在前人研究的基礎(chǔ)上，根據(jù)我國(guó)北方氣候特點(diǎn)及農(nóng)藝要求，為提高地膜的收凈率并解決卸膜繁瑣困難，設(shè)計(jì)了本玉米苗期殘膜撿拾機(jī)。該機(jī)的核心機(jī)構(gòu)—玉米苗期殘膜撿拾卸膜機(jī)構(gòu)通過(guò)凸輪滑道來(lái)控制撿膜齒的伸縮，能夠達(dá)到既撿拾又卸膜的目的。

1總體方案設(shè)計(jì)

1.1整機(jī)結(jié)構(gòu)

玉米苗期殘膜撿拾機(jī)主要由機(jī)架、撿拾卸膜滾筒、卸膜輪、曲柄搖桿總成、集膜箱、支撐輪及鏈輪傳動(dòng)系統(tǒng)等組成，總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.機(jī)架　2.殘膜撿拾滾筒　3.卸膜輪

1.2 工作原理

玉米苗期殘膜撿拾機(jī)作業(yè)過(guò)程如下：此機(jī)具設(shè)置為隨動(dòng)，由18kW的配套動(dòng)力牽引，撿膜齒扎進(jìn)土壤的阻力與撿拾卸膜滾筒與土壤的摩擦力共同作用，使得撿拾卸膜滾筒旋轉(zhuǎn)，從而進(jìn)行地膜的撿拾卸膜。由于撿拾卸膜滾筒的高度有限，為安裝集膜箱并盡量使得集膜箱空間大，采取增加卸膜輪的方法使得高度增加；撿拾卸膜滾筒、卸膜輪、曲柄搖桿機(jī)構(gòu)通過(guò)鏈輪傳動(dòng)系統(tǒng)連接，當(dāng)旋轉(zhuǎn)到集膜箱刮板的位置時(shí)，撿膜齒與刮板空隙交錯(cuò)排列，很容易將殘膜掛掉，從而完成卸膜工序；當(dāng)殘膜掉進(jìn)集膜箱中時(shí)，曲柄搖桿總成不斷地往復(fù)運(yùn)動(dòng)，將掉進(jìn)集膜箱里的殘膜推進(jìn)壓實(shí)；隨著機(jī)具的前進(jìn)，地膜被連續(xù)地?fù)焓安⑹占郊は洹?/p>

2關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)與力學(xué)分析

2.1撿拾卸膜機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

撿拾卸膜機(jī)構(gòu)主要由滾筒、支撐滾筒、撿膜齒、凸輪滑道、滑輪、心軸、滾子、凹槽、側(cè)板、鏤空側(cè)板、軌道輪及支撐圓盤等組成,如圖2所示。

圖2　殘膜撿拾卸膜滾筒

機(jī)構(gòu)進(jìn)行作業(yè)時(shí)，由滾筒提供動(dòng)力，撿膜齒由滾筒孔和支撐滾筒孔共同作用，使得撿膜齒始終指向滾筒中心，由心軸將滑輪、滾子、撿膜齒串聯(lián)在一起，滾子在凹槽中的滾動(dòng)，使得撿膜齒不受徑向限制，可達(dá)到變徑的目的。通過(guò)凸輪滑道來(lái)控制撿膜齒的伸縮，完成撿拾卸膜。

2.1.1凸輪滑道的設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)殘膜撿拾滾筒工作的連續(xù)性，及時(shí)地進(jìn)行脫膜是有必要的，因?yàn)闅埬だp繞在殘膜撿拾滾筒表面，會(huì)造成不斷的累積，不便于地膜的撿拾。因此，設(shè)計(jì)了一種殘膜撿拾卸膜機(jī)構(gòu)，來(lái)實(shí)現(xiàn)一邊撿拾一邊卸膜。撿膜齒伸出部分相對(duì)滾筒的運(yùn)動(dòng)軌跡區(qū)域如圖3所示。

圖3中，撿膜齒從伸出最大至完全縮回殘膜撿拾滾筒，在此區(qū)域內(nèi)通過(guò)凸輪滑道撿膜齒實(shí)現(xiàn)了從撿拾殘膜到完全脫掉的過(guò)程。其中，AB、BC、CD、DE、EA分別對(duì)應(yīng)于撿膜齒的放齒、撿拾、升運(yùn)、清雜及收齒[3]。為了滿足撿膜齒在撿拾過(guò)程中最大入土深度為0.08m，設(shè)計(jì)該凸輪滑道及加工凸輪滑道的如圖4所示[4]。

2.1.2撿膜齒的設(shè)計(jì)

撿膜齒的長(zhǎng)度主要根據(jù)扎膜的入土深度決定，依據(jù)壟側(cè)的寬度大約為200mm，因此初步設(shè)定3列，如圖5所示。

圖3　撿膜齒撿拾區(qū)域示意圖

圖4　凸輪滑道

圖5　 撿膜齒

撿膜齒齒尖為漸開線型齒尖，根據(jù)漸開線的性質(zhì)1，發(fā)生線沿基圓滾過(guò)的長(zhǎng)度BK等于基圓上被滾過(guò)的弧長(zhǎng)AB，即長(zhǎng)度BK等于弧長(zhǎng)AB，如圖6所示。又根據(jù)漸開線性質(zhì)2，漸開線上任意一點(diǎn)的法線恒與基圓相切，因此可以確定：當(dāng)撿膜齒位于A點(diǎn)時(shí)撿膜齒尖端的形狀應(yīng)為此漸開線的一小部分。當(dāng)殘膜撿拾滾筒滾到K點(diǎn)時(shí)，撿膜齒可以垂直扎入地膜，這樣設(shè)計(jì)漸開線齒尖利于扎膜，相對(duì)于成角度的扎進(jìn)地膜，不易撕膜，保證了拾膜的連續(xù)性。

撿膜齒的最大入土深度0.08m，根據(jù)軌跡線的劃土長(zhǎng)度Lm，為了保證拾膜過(guò)程的連續(xù)性，相鄰撿膜齒的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡曲線應(yīng)有一定的重疊量Δ，即撿膜齒的實(shí)際劃土長(zhǎng)度Lmp=Lm-Δ。因此，滾筒圓周上應(yīng)布置的撿膜齒數(shù)為n[5]，則

n=L0/Lmp=2πR/(Lm-L)

(1)

圖6　漸開線型齒尖

2.2撿拾卸膜機(jī)構(gòu)的力學(xué)分析

2.2.1地膜力學(xué)特性試驗(yàn)

地膜撕膜力試驗(yàn)是在東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院力學(xué)實(shí)驗(yàn)室完成。設(shè)備為濟(jì)南東方試驗(yàn)儀器有限公司的LDZ系列智能電子拉力機(jī)[6]，取地膜長(zhǎng)100mm、寬30mm、厚0.008mm共4份進(jìn)行地膜拉伸試驗(yàn)，通過(guò)讀數(shù)直接測(cè)出地膜的撕斷力、延伸率、抗拉強(qiáng)度，如圖7所示。測(cè)試結(jié)果如表1所示。

圖7　地膜的拉伸試驗(yàn)

最大撕斷力/N延伸率/%抗拉強(qiáng)度/kN·m18.199.60.527.9112.70.538.1102.70.5

續(xù)表1

2.2.2撿拾地膜過(guò)程的力學(xué)分析

當(dāng)玉米苗期殘膜撿拾機(jī)作業(yè)時(shí)，撕膜口的大小也同樣是衡量機(jī)具性能的指標(biāo)。因此，對(duì)撿膜齒在出土過(guò)程進(jìn)行受力分析，如圖8所示。

圖8　撿膜齒出土過(guò)程的受力分析

由于撿膜齒是沿著凸輪滑道相對(duì)殘膜撿拾滾筒做周向轉(zhuǎn)動(dòng)，其端點(diǎn)A并非做等速圓周運(yùn)動(dòng)，因此不僅要考慮其向心加速度，也要考慮撿膜齒端軌跡的切向加速度。

設(shè)撿膜齒對(duì)殘膜的作用的法向力為N，由圖8可得出以下關(guān)系，即

(2)

式中G—?dú)埬ぶ亓Γ?/p>

Gn—重力的法向分力；

Pb—被撿殘膜的慣性力；

θ1— 撿膜齒出土位置角；

ρ—被撿殘膜重心A的瞬時(shí)半徑。

通過(guò)分析可知

(3)

式中L— 撿膜齒長(zhǎng)度；

h— 撿膜齒最大入土深度。

水平作用力為

Nx=N·cos(90°-θ1)

撿膜齒對(duì)殘膜水平作用力為F=Nx-N阻，則

(4)

為了不使殘膜撕斷，則必要條件是F≤FΔ。其中，F(xiàn)Δ為殘膜的最大撕膜力。因此，可以得出撿膜齒對(duì)殘膜水平作用力F與ω之間的關(guān)系，以及殘膜撿拾滾筒最大角速度ω。

3運(yùn)動(dòng)軌跡分析

應(yīng)用ADAMS軟件，對(duì)撿拾缷膜機(jī)構(gòu)進(jìn)行虛擬仿真，得到撿膜齒在伸縮過(guò)程中的軌跡，如圖9所示。由圖9可以看出：仿真得到的軌跡與理論軌跡基本一致，能夠使該機(jī)構(gòu)在作業(yè)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)撿拾和卸膜。

圖9　撿膜齒的相對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡

撿拾卸膜機(jī)構(gòu)在作業(yè)時(shí)撿膜齒的運(yùn)動(dòng)軌跡對(duì)拾膜效率起著關(guān)鍵性作用。撿膜齒的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡如圖10所示。

圖10　撿膜齒的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡

其中，A線、B線、水平線分別代表滾筒伸縮孔的軌跡線、撿膜齒端點(diǎn)的行走軌跡、中心軸的運(yùn)動(dòng)軌跡。入土行程S’與每排撿膜齒旋轉(zhuǎn)1周的進(jìn)距S，結(jié)合圖10的運(yùn)動(dòng)軌跡可知：入土深度愈深，形成的脫膜環(huán)扣愈大，因此在卸膜過(guò)程中卸膜輪齒與撿拾缷膜滾筒有充分的接觸，從而完成脫膜卸膜。但由于各方面條件的限制，入土深度不宜過(guò)深，保持在50～80mm最為適宜。因此，S’/S的比例關(guān)系決定著脫膜環(huán)扣的大小，入土愈深，便于脫膜[7]。

4初步試驗(yàn)

4.1試驗(yàn)材料與試驗(yàn)臺(tái)架

在東北農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)具實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行土槽模擬試驗(yàn)，試驗(yàn)所用的地膜為國(guó)標(biāo)0.008mm的地膜。土槽土壤含水率為14%～17%，土壤堅(jiān)實(shí)度為12.8N/cm,所用儀器包括土壤水分速測(cè)儀、EMT260D轉(zhuǎn)速表、土壤堅(jiān)實(shí)度測(cè)試儀。實(shí)驗(yàn)臺(tái)裝置如圖11所示[8-9]。

1.臺(tái)車行進(jìn)傳動(dòng)系統(tǒng)　2.臺(tái)車　3.實(shí)驗(yàn)臺(tái)支撐架　4.電控柜

4.2試驗(yàn)驗(yàn)證

在優(yōu)化后的參數(shù)組合中隨機(jī)選取3組數(shù)據(jù)，并在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行試驗(yàn)，得出結(jié)果如表2所示。其殘膜收凈率達(dá)85%以上，進(jìn)一步驗(yàn)證了此參數(shù)組合提高了收膜效率，及優(yōu)化結(jié)果的正確性。

表2　試驗(yàn)結(jié)果

5結(jié)論

1)設(shè)計(jì)了玉米苗期殘膜撿拾機(jī)，在試驗(yàn)臺(tái)上對(duì)以殘膜收凈率為試驗(yàn)指標(biāo)進(jìn)行試驗(yàn)研究，殘膜收凈率可達(dá)85%以上，提高了收膜效率。

2)漸開線型撿膜齒克服了直齒型彈齒撿膜易撕膜的缺點(diǎn),能夠保證撿膜的連續(xù)性。

3)對(duì)地膜進(jìn)行力學(xué)特性試驗(yàn)，測(cè)得撕膜力大小平均為8.075N；對(duì)撿拾地膜出土過(guò)程進(jìn)行受力分析，得到F與ω之間的關(guān)系。

4)通過(guò)ADAMS軟件對(duì)殘膜撿拾卸膜機(jī)構(gòu)進(jìn)行虛擬仿真。通過(guò)對(duì)相對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡的仿真，可直觀地看出撿膜齒通過(guò)凸輪滑道控制伸縮，從而完成地膜的撿拾與卸膜；對(duì)絕對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡的分析得出撿膜齒尖端軌跡成環(huán)扣式，便于脫膜。

5)采用Design-Expert6.0.10軟件進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明：當(dāng)前進(jìn)速度為0.75～0.80m/s、入土深度為45～55mm、入土角度為50°時(shí)，可以保證較高的收膜率及較小的傷苗率。驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果在優(yōu)化性能指標(biāo)區(qū)間內(nèi)，表明優(yōu)化結(jié)果是可信的。

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Structural Design and Experiment of Plastic Film Collector for Corn Fields During Seedling Period

Wu Shanhua, Zhou Fujun, Zhang Chunlei

(Department of Engineering, Northeast Agricultural University, Harbin 150030, China)

Abstract：To solve the problem of unloading membrane process during seedling period of corn, designed a new type of collecting and discharging of the membrane. Corn seedling membrane machine 3d model is set up, and the application of virtual prototype simulation of ADAMS software, getting the relative and absolute motion curve. On seedling mulch film mechanical properties test, to measure the tear strength F△ and elongation δ of film, and through the analysis of the mechanical process of picking up membrane teeth unearthed, find out the relative of the residual film collector maximum angular velocity of roller ω.Based on the corn seedling remnant film collecting machine as the research object, designing the corn seedling stage discharge residual film collector membrane, I do select the speed of machine ,angle of the grave, the depth of the grave as influencing factors, and have the soil bin simulation text with regarding film net rate and injuring rate as test index. The results prove that the machine has simple and reasonable design, the membrane with high efficiency, it can meet the expected design requirements.

Key words：corn; plastic film collector; pick up and unloading mechanism

文章編號(hào)：1003-188X(2016)04-0061-05

中圖分類號(hào)：S223.5

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：吳善華(1989-)，男，哈爾濱人，碩士研究生，(E-mail)wushanhua.happy@163.com。通訊作者：周福君(1969-)，男，哈爾濱人，教授，博士生導(dǎo)師，(E-mail)fjzhou@163.com。

基金項(xiàng)目：“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2014BAD06B04-1-04)

收稿日期：2015-03-30