殘膜回收機拾膜卸膜機構運動分析及實驗

謝建華，孫超偉，楊業(yè)龍，曹曉冉

(新疆農業(yè)大學 機械交通學院，烏魯木齊 830052)

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殘膜回收機拾膜卸膜機構運動分析及實驗

謝建華，孫超偉，楊業(yè)龍，曹曉冉

(新疆農業(yè)大學 機械交通學院，烏魯木齊 830052)

根據摟草機滑道彈齒機構設計了桿齒式殘膜回收機，對機構運動進行了仿真分析和正交試驗。運用仿真分析得出桿齒末端的運動軌跡和不同速比下桿齒末端的加速度曲線，并利用土槽臺架試驗系統(tǒng)，對影響機具拾膜率及卸膜率的行進速度、速比(機具行進速度與桿齒軸轉動線速度比)、桿齒入土深度3個主要因素進行了正交試驗。試驗結果表明：速比的變化對機構拾膜率的影響程度大于機具行進速度和桿齒入土深度的變化，當機具行進速度為0.85m/s、速比為1.5、托膜鏟入土深度為50mm時，桿齒式拾膜機構、卸膜機構的拾膜率和卸膜率均達到優(yōu)水平。

殘膜回收；拾膜機構；卸膜機構；正交試驗

0 引言

地膜覆蓋栽培技術是一種先進的農業(yè)栽培技術，自20世紀70年代引入我國后得到大力推廣，目前已經覆蓋多個省市[1-3]。我國大部分地區(qū)使用的地膜是厚度為0.006～0.008mm的超薄農膜，這種地膜易破損，抗拉強度差[4]。隨著塑料農膜用量的不斷增加，加之不能有效及時回收，致使農田殘膜堆積越來越多，堆積的殘膜不僅破壞土壤結構，而且影響作物的生長發(fā)育，將最初使用地膜帶來的作物的高產、優(yōu)質逐漸轉為低產、劣質[5-6]。為了解決地膜使用后造成的“白色污染”，我國農機科研人員針對殘膜回收技術展開了研究并制造出多種殘膜回收機具，現(xiàn)有殘膜回收機常用的撿拾機構有輪齒式、桿齒式、伸縮桿齒式和鏈齒式等幾種[7-8]。其中，桿齒式結構相對簡單，地膜收凈率較高，具有較好的研究意義[9-10]。衡量桿齒式拾膜機構的主要指標是機構的拾膜率和卸膜率，對于機構自身來說，桿齒末端的運動姿態(tài)和桿齒的入土深度均對拾膜機構的拾膜率有一定的影響，而桿齒的運動姿態(tài)與桿齒軸的轉速和機具行進速度密切相關。為了確定桿齒式拾膜機構的最優(yōu)工作條件，針對優(yōu)化滑道后的桿齒式拾膜機構進行運動機理分析，通過UG軟件對拾膜、卸膜機構進行三維建模和運動仿真，觀察拾膜卸膜機構的運動情況，排除機構運動干涉。同時，運用正交試驗，研究機具行進速度、桿齒軸轉速及桿齒入土深度等工作參數(shù)對拾膜率、卸膜率的影響。為桿齒式拾膜機構的設計優(yōu)化和最優(yōu)工作條件的選擇提供理論和試驗依據。

1 機具的結構及工作原理

桿齒式殘膜回收機主要由桿齒式撿拾機構、卸膜機構、地輪、集膜箱、機架、鏈傳動系統(tǒng)及懸掛架等組成，如圖1所示。桿齒式殘膜回收機具工作時，拖拉機牽引機具前進，地輪驅動撿拾機構逆時針轉動，桿齒連同桿齒軸在凸輪滑道的約束下，逆時針旋轉低頭入土，先將殘膜挑起，在桿齒軸和凸輪滑道的作用下，桿齒再平移回收。卸膜機構由桿齒式撿拾機構上的鏈傳動帶動，實現(xiàn)卸膜機構與撿拾機構的同向轉動。卸膜機構的卸膜刮板在桿齒平移回收階段與桿齒接觸，將桿齒上的殘膜捋至集膜箱完成回收。

1.懸掛架 2.桿齒式撿拾機構 3.地輪 4.鏈傳動系統(tǒng) 5.卸膜機構固定架 6.卸膜機構 7.集膜箱 8.機架

2 拾膜、卸膜機構運動學分析

2.1 拾膜機構運動學分析坐標系建立

拾膜機構工作示意圖如圖2所示。

圖2 機構工作示意圖

為了規(guī)范桿齒式拾膜機構的運動分析,在進行運動學分析前,首先需要確定分析采用的坐標系及角速度方向,統(tǒng)一設定分析中用到的常量和變量。

1)設定坐標系方向。為了便于對桿齒式拾膜機構的運動進行分析,需要建立機構的數(shù)學模型,在建模之前,首先設定坐標系,確定坐標方向。本文采用右手笛卡爾坐標系對桿齒式拾膜機構進行運動學和動力學分析。機構中各部分的直線位移和作用力均沿坐標正半軸方向為正,相反為負。

2)設定旋轉矢量的方向。本文中角位移的設置以X軸正方向為始邊,角位移、角速度、角加速度及力矩均以逆時針轉動方向為正,反之為負。

3)設定坐標原點根據拾膜機構結構的工作特點將坐標原點設定為芯軸的轉動中心。

2.1.1 位移模型

如圖2所示：桿齒軸在帶座軸承的帶動下繞芯軸轉動,若殘膜回收機具前進速度為零,則各點的相對位移方程如下：

桿齒末端G點相對位移方程為

(1)

滾子中心B點的相對位移方程為

(2)

當機具前進速度為V時,桿齒末端G點的絕對位移為

(3)

滾子中心F點的絕對位移為

(4)

2.1.2 速度模型

將上述各點的絕對位移方程對時間進行求導,可以得到絕對速度方程。當桿齒軸勻速轉動時,其角速度ω為常數(shù)，桿齒末端G點的絕對速度為

(5)

滾子中心F點的絕對速度為

(6)

2.1.3 加速度模型

對各點角速度和絕對速度方程分別對時間t求導,則求出各點角加速度和加速度方程。桿齒末端G點的加速度為

(7)

滾子中心F點的加速度為

(8)

式中 v—機具前進速度；

t—時間；

ω—桿齒軸轉動角速度；

lNG—桿齒長度；

R—桿齒軸旋轉半徑；

φ0—凸輪滑道初始擺角；

φ—凸輪滑道擺角；

ψ—曲柄與桿齒的夾角。

由圖3可知：滑道初始擺角φ0為

(9)

式中 r—凸輪滑道基圓半徑。

圖3卸膜機構示意圖

2.2 卸膜機構的運動學分析

研究型資源是學科建設與發(fā)展的基礎。為了實現(xiàn)更深層次的文獻服務，可以考察資源與學科評估、學術評價的相關性，以ESI，SCIE，NATURE自然指數(shù)評估等來源期刊為參照，分析學科期刊資源的保障率、保障水平［11］，為學術期刊的調整與訂購提供依據。對用戶迫切需要的領域權威期刊或新興期刊，可以采用單電子期刊訂購模式，為用戶提供精準服務。

卸膜機構主要由卸膜輥和卸膜刮板組成。桿齒式殘膜回收機構工作時，動力輸出通過鏈傳動帶動拾膜機構桿齒芯軸轉動，桿齒芯軸上裝有雙排鏈輪，桿齒芯軸轉動的同時通過鏈傳動帶動卸膜輥轉動，完成卸膜工作。為保證沒有殘膜漏卸，一排桿齒一次拾膜過程卸膜刮板至少進行兩次刮捋動作，選取卸膜輪轉速與桿齒軸轉速定比為2∶1。

2.2.1 卸膜機構的運動模型的建立

由于卸膜機構在整個過程中勻速轉動，所以卸膜刮板的不存在角加速度，卸膜刮板末端P點速度為

v=ω·r

(10)

式中 r—卸膜刮板末端到卸膜輥旋轉中心距離；

ω—卸膜輥轉動角速度。

卸膜刮板末端P點位移為

S=v·t

(11)

式中 S—卸膜刮板末端P點位移；

t—卸膜輥的轉動時間。

3 桿齒式拾膜機構運動仿真

拾膜機構是殘膜回收機具的關鍵部件，其運動過程直接影響機構的拾膜性能及卸膜性能[11]。通過仿真軟件對建立的機構模型添加約束和運動驅動，運用軟件對機構的實際工作情況進行仿真，觀察機構在工作過程中各部件在工作位置的變化和重要部件的速度變化，為機構的性能分析提供參考依據。

3.1 建模及施加約束

通過UG軟件對機構進行三維建模及虛擬裝配，為了使仿真模型可以模擬機構實際工作情況，按照機構中各個零部件之間的連接方式和相對運動方式，對零部件添加約束和驅動，完成機構的運動仿真。表1為拾膜機構零部件間的約束。

表1 桿齒式拾膜機構的約束

為拾膜機構設定驅動，整體機構移動副上添加水平移動速度(機具行進速度)為0.85m/s，桿齒芯軸分別按照不同的速比(機具行進速度與桿齒挑膜線速度比)對應不同的轉速，速比為1.0、1.3、1.5時分別對應的轉速為25.5、28、36r/min。

3.2 仿真結果分析

在運動仿真過程中，由于每根桿齒軸和桿齒裝配關系相同，每個桿齒及桿齒軸在滑道的約束下運動軌跡和加速度均相同，為了提高仿真效率，現(xiàn)將機構簡化至保留一根桿齒軸和軸上的一個桿齒，完成約束和驅動的添加后在UG中進行解算。通過UG中的追蹤功能繪制出桿齒末端的運動軌跡，如圖4所示。

(a) 桿齒相對運動軌跡

(b) 不同速比時桿齒末端加速度曲線

圖4(a)為不同速比情況下桿齒末端從運動軌跡桿齒將要進入拾膜段開始的加速度隨時間變化情況。拾膜階段，自桿齒入土后，桿齒末端的曲率半徑不變；桿齒升運地膜到卸膜階段，桿齒末端軌跡的曲率逐漸減小，流暢過渡到卸膜階段；卸膜時桿齒平移回收，桿齒回收長度相同，便于卸膜；其余階段軌跡平滑。

如圖4(b)所示：機具行進速度相對于桿齒軸轉速的速比越小，桿齒末端的加速度相應就越大，并且，其加速度的峰值出現(xiàn)得也越早。速比為1.5、1.3和1.0時，加速度的最大值分別為3.21、5.84、8.60m/s2，速比值越小加速度曲線越陡峭，同樣時間段加速度增幅越大。不同速比的桿齒末端加速度在拾膜段、脫膜段、升運段波動不大，在回復段由于加速度方向變化較大使得加速度急速下降。速比較小時，在拾膜段，桿齒末端的速度在較短時間內達到拾膜要求，并且，桿齒升運地膜的時間較短，有利于被撿拾的地膜不在運動過程中滑落。

4 拾膜卸膜機構試驗

為了找到桿齒式殘膜回收機具最佳匹配參數(shù)，驗證拾膜、卸膜機構工作性能是否滿足要求，采用臺架試驗對機構主要因素進行正交試驗。

4.1 試驗參數(shù)選擇

通過對桿齒式撿拾機構的結構設計及運動分析，考慮到桿齒末端的運動姿態(tài)是機具行進速度和桿齒軸轉速共同作用的結果，并且，桿齒伸入土壤一定深度是保證桿齒拾膜的必要條件，選擇機具行進速度、機具行進速度與桿齒軸線速度之比和桿齒入土深度作為試驗因素。

4.2 試驗評價指標

桿齒式殘膜回收機作業(yè)效果的主要評價指標是殘膜回收率，影響殘膜回收率的主要指標為拾膜機構的拾膜率和卸膜機構的卸膜率。

拾膜率的計算公式為

(12)

式中 S1—拾膜率；

m1—已撿拾的殘膜質量；

m2—未撿拾的殘膜質量。

卸膜率的計算公式

(13)

式中 S2—卸膜率；

m1—已撿拾的殘膜質量；

ms—回收到集膜箱的殘膜質量。

試驗采用L9(34)正交試驗表，通過對單因素試驗的分析和試驗臺控制器的量程，初步確定各因素的取值范圍:機具行進速度(土槽小車行進速度)(A)為0.6～1.2m/s，機具行進速度與桿齒軸線速度比為1～1.5，桿齒入土深度在20～80mm。試驗發(fā)現(xiàn)：卸膜過程中桿齒被卸膜刮板連續(xù)刮捋兩次，基本保證沒有殘膜漏卸，選取卸膜輪轉速與桿齒軸轉速定比為2∶1。選取的試驗因素及水平如表2所示。

表2 試驗因素與水平

4.3 正交試驗結果

正交試驗結果見表3所示。

表3 正交試驗方案與試驗結果

續(xù)表3

4.4 試驗結果分析

如表4所示：上述各因素影響桿齒式拾膜機構拾膜率的主次順序為機具行進速度與桿齒軸線速度比n(B)、機具行進速度v(A)、桿齒入土深度L(C)。最優(yōu)組合為機具行進速度0.85 m/s、桿齒軸與機具行進速比1.5、桿齒入土深度為50mm，此時機構拾膜率較高。由表4可知：19

表4 試驗結果分析

5 結論

1)對桿齒式拾膜、卸膜機構進行理論分析，通過理論分析得出凸輪滑道作用下的桿齒末端狀態(tài)対拾膜、卸膜機構性能有關鍵影響。

2)運動仿真表明：拾膜桿齒的末端最大加速度為8.60m/s2，拾膜過程中殘膜不易滑落，桿齒末端軌跡滿足拾膜、卸膜要求，利于殘地膜回收。

3)通過正交試驗找到機具較優(yōu)工作匹配參數(shù)，當機具行進速度與桿齒軸轉速比為1.5、機具行進速度為0. 85m/s、桿齒的入土深度為50mm時，拾膜率和卸膜率均較優(yōu)。

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Motion Simulation and Orthogonal Experiment on Pole-teeth Plastic Film Residue Collector

Xie Jianhua, Sun Chaowei, Yang Yelong,Cao Xiaoran

Pole-teeth plastic film collector was designed in accordance with slide-way pole-teeth hay rake mechanism. The pose of pole-teeth was determined its collection ratio and unloading film performance when the machine is operating. To further investigate the pose variation of pole-teeth collection and determine the optimal working condition, the motion simulation and the Orthogonal experiment were carried out. Motion simulation was presented pole-teeth end trajectory in the motion of plastic film collector and pole-teeth end acceleration curve in different speed ratio. By using the soil-bin trolley experiment, the orthogonal experiment with influence factors of machine operating speed, speed ratio (the ratio of the speed of machine operating and spring-tooth axis speed) and the embedded depth of the pole-teeth for lifting film was carried out. The results was indicated that the variation of speed ratio have greater influence to machine performance compared with that of machine operating speed and the embedded depth of the pole-teeth. Moreover, the collection ratio of mechanism could reach the optimal level when the machine operating speed was 0.85m/s, the speed ratio was 1.5,and the embedded depth of the pole-teeth for lifting film was 50mm.

plastic film residue collector; pick-up residual plastic film mechanism; unloading residual plastic film mechanism; orthogonal experiment

2016-04-05

國家自然科學基金項目(51465057)

謝建華(1975-)，女，四川安岳人，副教授，博士，( E-mail)xjh199032@.163.com。

S223.5

A

1003-188X(2017)05-0063-05