拋膜釘齒式殘膜弧形起膜撿拾裝置設(shè)計(jì)與田間模擬試驗(yàn)

王海翼，李彥彬，王圓明，張兆國(guó)，陳 紅，王連瑞

(1.昆明理工大學(xué)農(nóng)業(yè)與食品學(xué)院，云南 昆明 650500；2.云南省高校中藥材機(jī)械化工程研究中心，云南 昆明 650500；3.重慶市農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所，重慶 401329)

地膜覆蓋具有顯著的增溫保墑、防病抗蟲、增產(chǎn)增效、抑制雜草等優(yōu)點(diǎn)[1-4]。隨著地膜覆蓋的推廣，地膜使用面積和單位面積地膜投入量的增加，地膜覆蓋栽培技術(shù)在助力農(nóng)作物優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的同時(shí)，也給自然環(huán)境和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展帶來了一系列問題，如地膜殘留導(dǎo)致的“白色污染”等[5-7]。

耕層殘留的地膜在覆膜年限和覆膜面積增加下逐年累積，致使土壤板結(jié)，減少了土壤中水分滲透，阻礙根系生長(zhǎng)，導(dǎo)致農(nóng)作物大幅減產(chǎn)[8-10]。因此，回收殘膜、治理污染是農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展的重要內(nèi)容。如何加強(qiáng)地膜的回收與再利用，已經(jīng)成為全國(guó)各地農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要難題[11-14]。從我國(guó)國(guó)情和云南省整體經(jīng)濟(jì)情況分析，聚乙烯地膜仍將持續(xù)使用，農(nóng)田殘膜人工撿拾效率低、漏揀率高，機(jī)械化回收成為解決殘膜治理的有效手段[15-17]。

國(guó)外農(nóng)業(yè)栽培覆蓋通常采用強(qiáng)度高、耐風(fēng)化的較厚地膜，揭膜回收后，統(tǒng)一進(jìn)行集中處理；國(guó)內(nèi)使用地膜較薄，力學(xué)性能較差，殘膜拉伸強(qiáng)度低、膜面破損嚴(yán)重，在機(jī)械化回收過程中膜雜分離困難[18]?，F(xiàn)有殘膜回收裝備大都與秸稈粉碎裝備一起聯(lián)合使用，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、撿拾效率較低、成本高[19]。根據(jù)工作原理和地塊的差別，可將現(xiàn)有的殘膜回收機(jī)械分為彈齒式、釘齒式、夾持式、鏈齒式、伸縮桿式等[20]。起膜釘齒是殘膜回收機(jī)械的最重要工作部件，其結(jié)構(gòu)和性能對(duì)回收機(jī)作業(yè)指標(biāo)起決定性作用。其一般驅(qū)動(dòng)設(shè)備為拖拉機(jī)，依靠扎入土壤的被動(dòng)反作用力提供滾筒動(dòng)力，釘齒的運(yùn)動(dòng)受到滾筒、起膜桿齒、驅(qū)動(dòng)鏈輪等部件的多維約束，理論分析和建模的難度都較大，且現(xiàn)有起膜齒撿拾效果較差，漏揀率較高。

本文設(shè)計(jì)了一種弧形起膜撿拾裝置，對(duì)其關(guān)鍵部件進(jìn)行受力分析和運(yùn)動(dòng)機(jī)理分析，建立了運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，分析其運(yùn)動(dòng)軌跡，并利用多體動(dòng)力學(xué)方法對(duì)弧形起膜撿拾裝置的工作過程進(jìn)行田間模擬試驗(yàn)，探究不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)殘膜起膜撿拾穩(wěn)定性的影響，得到起膜撿拾裝置最優(yōu)參數(shù)組合，為殘膜回收起膜撿拾裝置設(shè)計(jì)提供依據(jù)，為后續(xù)物理樣機(jī)的試制提供了理論與試驗(yàn)依據(jù)。

1 弧形起膜撿拾裝置主要結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 主要結(jié)構(gòu)

弧形起膜撿拾裝置主要由傳動(dòng)鏈輪、輸膜輥、喂入輥、U形喂入齒、起膜桿齒、滾筒、弧形釘齒、安裝機(jī)架等組成。通過增設(shè)起膜部件，重置弧形釘齒排布，提升了收膜裝置的殘膜撿拾性能。其中滾筒直徑為420 mm，弧形釘齒末端滾筒軸中心距為480 mm，釘齒最大入土深度為180 mm，周向齒數(shù)為5個(gè)，軸向間距為180 mm?；⌒纹鹉焓把b置結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.傳動(dòng)鏈輪；2. 輸膜輥；3.喂入輥；4.U形喂入齒；5.起膜桿齒；6.滾筒；7.弧形釘齒；8.安裝機(jī)架1.Drive sprocket; 2. Film conveying roller; 3. Feeding roller;4. U-shaped feeding teeth; 5. Film lifting rod teeth; 6. Roller;7. Arc shaped nail teeth; 8. Mounting frame圖1 弧形起膜撿拾裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of arc film collector pickup device

1.2 工作原理

機(jī)具傳動(dòng)系統(tǒng)如圖2所示，牽引架通過3點(diǎn)懸掛方式與拖拉機(jī)連接，拖拉機(jī)后動(dòng)力輸出軸與變速箱連接，變速箱將動(dòng)力分別傳遞到螺旋粉碎升運(yùn)裝置動(dòng)力輸入軸和拋膜裝置、螺旋粉碎升運(yùn)裝置驅(qū)動(dòng)帶輪上，帶動(dòng)喂入輥轉(zhuǎn)動(dòng)，并給滾筒提供被動(dòng)驅(qū)力。

1.滾筒；2.端蓋；3.拋膜裝置；4.弧形釘齒；5.鉸接桿；6. 曲軸；7.軸承；8.機(jī)架 1. Drum; 2. End cover; 3. Film throwing device;4. Arc shaped pin teeth; 5. Hinged rod;6. Crankshaft; 7. Bearing; 8. Rack圖2 偏心弧形齒撿拾機(jī)構(gòu)傳動(dòng)系統(tǒng)Fig.2 Frame drive system of eccentric arc tooth pickup mechanism

機(jī)具由拖拉機(jī)后懸掛牽引前進(jìn)，行走抬升系統(tǒng)液壓調(diào)控機(jī)具調(diào)整至預(yù)定工作位置，啟動(dòng)動(dòng)力輸出軸，動(dòng)力傳至弧形起膜撿拾裝置帶動(dòng)傳動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)后續(xù)部件工作。作業(yè)時(shí)，起膜撿拾裝置在重力和彈簧壓力作用下隨地仿形旋轉(zhuǎn)，弧形起膜刀片始終置于土壤中，機(jī)組前進(jìn)時(shí)掘起一定深度的耕層土壤并與殘膜一并拋出，在慣性力和離心力作用下，膜土混合物被拋向拋膜裝置，進(jìn)一步分離膜土后，混合物通過撥雜裝置撥送到輸送裝置上，與兩級(jí)輸送輥接觸后，殘膜與土壤向后拋射并進(jìn)一步破碎土塊，再通過鏈齒輸送裝置實(shí)現(xiàn)殘膜與土壤的分離和殘膜后輸；莖稈等雜物由上喂料輥喂入螺旋粉碎清雜裝置，殘膜從上下輥間流出。

1.3 主要技術(shù)參數(shù)

該裝置主要應(yīng)用于田間殘膜回收，要求體積適宜、盡可能減阻降耗，并提高分離效率，因而采用弧形釘齒拋送分離，與拖拉機(jī)懸掛配合，主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 主要技術(shù)參數(shù)

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

如圖3所示，分段式偏心弧形齒起膜撿拾機(jī)構(gòu)由主軸、機(jī)架、弧形起膜釘齒、安裝架、起膜桿齒、端蓋等構(gòu)成?；⌒螕焓褒X呈星型式繞滾筒圓周均布成5排，并在滾筒上成3段式橫向排布，其中曲軸偏心距50 mm、撿拾滾筒半徑為210 mm。以期解決現(xiàn)有起膜裝置殘膜回收率較低、轉(zhuǎn)軸運(yùn)動(dòng)阻力較大及漏撿率高的問題，通過對(duì)偏心弧形齒撿膜特性進(jìn)行分析，合理選取前進(jìn)速度、曲軸轉(zhuǎn)速、釘齒參數(shù)、入土深度、偏心距參數(shù)，為優(yōu)化殘膜回收機(jī)工作參數(shù)提供理論基礎(chǔ)。該殘膜撿拾機(jī)構(gòu)采用弧形齒，借鑒深松鏟與松壟割刀的設(shè)計(jì)原理[20]，采用桿齒結(jié)構(gòu)從耕層松土鏟膜，最大限度保證起膜完整，弧形齒與曲軸通過套筒鉸接，弧形齒與套筒焊接且穿過卸膜板齒孔，套筒在曲軸上做周向轉(zhuǎn)動(dòng)但不能軸向滑動(dòng)；曲軸由曲柄和主軸構(gòu)成，通過螺栓連接，曲軸與機(jī)架固連；撿膜作業(yè)時(shí)弧形齒通過套筒帶動(dòng)繞曲軸主軸周向轉(zhuǎn)動(dòng)。套筒在曲柄的作用下，推動(dòng)弧形齒做往復(fù)式伸出及縮回卸膜板齒孔運(yùn)動(dòng)，弧形齒運(yùn)動(dòng)為繞曲軸自轉(zhuǎn)和隨機(jī)具平移運(yùn)動(dòng)的合成，根據(jù)平面機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，可將其簡(jiǎn)化為曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，如圖2(5、6、7)所示。

1.傳動(dòng)主軸；2.機(jī)架；3.弧形起膜釘齒；4.滾筒；5.起膜桿齒；6.端蓋1. Drive spindle; 2. Frame; 3. Arc film lifting nail teeth;4. Drum; 5. Film lifting rod teeth; 6. End cover圖3 偏心弧形齒撿拾機(jī)構(gòu)Fig.3 Eccentric arc gear pickup mechanism

起膜撿拾裝置兩端安裝有可調(diào)入土角15°～45°的調(diào)整圓盤，其內(nèi)有間隙5°的調(diào)整銷孔，根據(jù)覆膜農(nóng)藝，田間覆膜范圍內(nèi)地表多呈凹凸不平狀，為達(dá)到良好的起膜效果，起膜桿齒采取中間寬松間隔式排布，桿齒長(zhǎng)度在套筒內(nèi)調(diào)節(jié)。

機(jī)具田間回收作業(yè)時(shí)，起膜裝置在重力和彈簧壓力作用下隨地仿形，且起膜桿齒始終置于土壤中，機(jī)具前進(jìn)時(shí)，起膜齒將緊貼地表的地膜起松，地膜撿拾鏈排上的撿拾釘齒扎入土壤中，將地膜挑起，要求入土阻力小的同時(shí)，盡可能積累地膜并平滑后送，桿齒上膜土混合物受力分析如圖4所示。

圖4 起膜桿齒安裝結(jié)構(gòu)及受力分析Fig.4 Installation structure and stress analysis of the teeth of the membrane lifting rod

殘膜在起膜桿齒上處于平衡狀態(tài)時(shí)，其平衡方程為：

(1)

f=μFN

(2)

式中，F(xiàn)為起膜桿齒所受阻力(N)；FN為起膜桿齒對(duì)殘膜的支持力(N)；α為起膜桿齒入土角(°)；G為殘膜所受重力(N)；μ為起膜鏟與殘膜間的摩擦因數(shù)。

從式(1)可以看出，起膜桿齒入土角較小時(shí)，阻礙殘膜掘起的力較小，桿齒入土阻力較小，對(duì)殘膜的二次破壞程度較小，但此時(shí)碎土性能差，起膜不充分，易壅土；反之，起膜桿齒入土角較大時(shí)，阻礙殘膜沿起膜桿齒向后運(yùn)動(dòng)的力較大，入土性能下降， 殘膜的二次破壞程度較大。

3 弧形釘齒運(yùn)動(dòng)分析

3.1 弧形釘齒運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

弧形釘齒起膜過程可以分為扎膜和挑膜，機(jī)具工作時(shí)釘齒隨滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)深入耕層撿拾殘膜，撿拾機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)速度影響拾膜效果。當(dāng)釘齒入土瞬時(shí)速度過快時(shí)，沖擊力較大，易變形，同時(shí)釘齒將力學(xué)性能下降的殘膜貫穿撕裂成條狀，導(dǎo)致殘膜無法被撿拾且造成纏繞；當(dāng)釘齒入土瞬時(shí)速度較慢時(shí)，殘膜無法被挑起，導(dǎo)致漏撿嚴(yán)重和后續(xù)部件嚴(yán)重壅堵。為確定弧形撿拾釘齒的合理布置參數(shù)，探明運(yùn)動(dòng)規(guī)律，提高撿拾率，降低破損率和漏檢率，對(duì)釘齒拾膜過程進(jìn)行分析[21]。

如圖5所示，取滾筒軸心O點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，取平行于機(jī)具前進(jìn)方向?yàn)閤軸正方向，取垂直滾筒軸線向上的方向?yàn)閥軸正方向，機(jī)具以初速度(v0)從初始相位沿x軸方向勻速前進(jìn)，滾筒以角速度(ω)勻速旋轉(zhuǎn)，一段時(shí)間(t)后，滾筒轉(zhuǎn)過φ(φ=ωt)角， 弧形釘齒齒尖A的運(yùn)動(dòng)軌跡為L(zhǎng)?；⌒吾旪X齒尖A的運(yùn)動(dòng)方程為：

(3)

式中，R為弧形釘齒旋轉(zhuǎn)半徑(m)。減少殘膜漏撿，任意一釘齒離開土壤時(shí)，其相鄰的下一個(gè)釘齒應(yīng)進(jìn)入土壤開始扎膜，拾膜釘齒運(yùn)動(dòng)軌跡如圖5a所示。

圖5 偏心弧形釘齒運(yùn)動(dòng)分析Fig.5 Movement analysis of eccentric arc nail teeth

將式(3)對(duì)時(shí)間求導(dǎo)可以得到弧形釘齒任意時(shí)刻的分速度。

(4)

由式(4)可以得機(jī)具向后的水平分速度由vx的大小決定，向后的水平分速度保證了弧形釘齒的入膜效果。當(dāng)v0=ωRsin(ωt)時(shí)，有：

(5)

令弧形釘齒圓周線速度(v1)與機(jī)具前進(jìn)速度(v0)比值為：

(6)

由式(6)可以看出，當(dāng)λ<1時(shí)，弧形釘齒向后分速度為0，不能完成拾膜撿拾；當(dāng)λ>1時(shí)，弧形釘齒在隨滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)相對(duì)地面在挑膜區(qū)域內(nèi)有向后的分速度，部分土壤伴著殘膜被挑起并撿拾隨下一部件向上運(yùn)動(dòng)。因此， 速度比(λ)的取值對(duì)能否挑起殘膜有重要影響，λ值太小，易出現(xiàn)漏挑現(xiàn)象，起膜桿齒易壅土；λ值太大，弧形釘齒易發(fā)生回帶現(xiàn)象，造成殘膜卷結(jié)。

3.2 釘齒末端運(yùn)動(dòng)分析

釘齒由扎膜到挑膜的過渡過程如圖5b所示，機(jī)具以初速度(v0)開始作業(yè)，并且在滾筒帶動(dòng)下繞其中心點(diǎn)O以轉(zhuǎn)速ω勻速轉(zhuǎn)動(dòng)；以滾筒中心O建立坐標(biāo)原點(diǎn)，運(yùn)動(dòng)過程中有OE、O1E1、O2E23條作業(yè)半徑，E1E2表示釘齒末端由E點(diǎn)入土到E2點(diǎn)出土的拾膜運(yùn)動(dòng)軌跡，整段工作時(shí)間為t。由扎膜到挑膜的過渡可分為EE1釘齒入土扎膜和A1A2釘齒出土挑膜。釘齒處于E點(diǎn)時(shí)，與y軸保持夾角ψ，釘齒此時(shí)為拾膜起始位置，機(jī)具工作t/2 時(shí)，釘齒繞軸心轉(zhuǎn)動(dòng)ω/2到達(dá)E1點(diǎn)，滾筒位移為vt/2，釘齒扎膜軌跡方程：

(7)

3.3 釘齒不漏扎的條件

根據(jù)作業(yè)條件要求樣機(jī)在回收殘膜的作業(yè)過程中不存在漏扎現(xiàn)象，為保證所有起膜桿齒上挑起的殘膜都被分錯(cuò)排列的弧形釘齒依次扎拾，根據(jù)相鄰兩排弧形釘齒末端的扎膜運(yùn)動(dòng)軌跡，t時(shí)刻內(nèi)兩相鄰弧形釘齒A和B的運(yùn)動(dòng)軌跡分別為L(zhǎng)1和L2，工作時(shí)弧形釘齒由懸空狀態(tài)扎入到起膜桿齒上的膜雜混合物中呈一定深度(h)?；⌒吾旪X在運(yùn)行t2時(shí)段后與挑膜區(qū)域表面形成交會(huì)截面A1A2；同理在t4時(shí)段內(nèi)，釘齒與挑膜區(qū)域表面形成交會(huì)截面B1B2，S0工作狀態(tài)下兩相鄰挑膜下釘齒A與B之間的水平距離。由圖6a可知，若要使運(yùn)動(dòng)過程中不存在漏挑現(xiàn)象，則需兩相鄰釘齒的運(yùn)動(dòng)軌跡在挑膜區(qū)域的表面形成重合區(qū)域，因此殘膜不漏扎的條件為：

Sa-Sb≥0

(8)

式中，Sa為弧形釘齒A扎入膜雜混合物中并在其內(nèi)滑行的有效距離(m)；Sb為弧形釘齒B扎入膜雜混合物中并在其內(nèi)滑行的有效距離(m)。

3.4 釘齒不漏挑的條件

將y=-R+h代入式(3)可得：

(9)

(10)

將式(10)帶入式(3)：

(11)

(12)

由圖5可知：

1.人員素質(zhì)低?；鶎雨?duì)伍中，特別是村防疫員大多為臨時(shí)雇傭人員，年齡偏大，不能獨(dú)立完成移動(dòng)智能識(shí)讀器的信息錄入和上傳工作，嚴(yán)重影響畜禽標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)工作的落實(shí)。

Sb=Sa=x1-x2

(13)

將式(11)、式(12)帶入式(13)：

(14)

(15)

同理可得：

(16)

將式(15)帶入式(14)：

(17)

(18)

欲使Sa-Sb≥0，則要滿足：

(19)

求解式(19)，可求得：

(20)

(21)

根據(jù)田間的實(shí)測(cè)參數(shù)，結(jié)合粘性紅壤的結(jié)構(gòu)，配套收獲機(jī)設(shè)定機(jī)具工作參數(shù)h=25 mm，R=200 mm，V0=1.2 m·s-1代入式(19)，可得輸膜鏈耙轉(zhuǎn)速n≥168 r·min-1，根據(jù)實(shí)際作業(yè)情況及弧形釘齒運(yùn)動(dòng)分析，為保證殘膜不漏挑，最終確定滾筒轉(zhuǎn)速范圍為180～210 r·min-1。

3.5 釘齒末端運(yùn)動(dòng)軌跡

對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)間(t)進(jìn)行一階、二階求導(dǎo)分別得到釘齒末端的速度及加速度:

(22)

(23)

則由此推出弧形齒末端速度和加速度：

(24)

弧形齒入土持續(xù)完成扎膜作業(yè)，滾筒向前的同時(shí)，弧形齒末端由E1點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到E2點(diǎn)的軌跡，該運(yùn)動(dòng)完成挑膜作業(yè)，其運(yùn)動(dòng)軌跡為：

(25)

(26)

(27)

則弧形齒末端運(yùn)動(dòng)的速度及加速度：

(28)

式(22)～(28)中，t為機(jī)具工作時(shí)間(s)；ω為滾筒中心旋轉(zhuǎn)角速度(rads)；v為機(jī)具行進(jìn)速度(m·s-1)；ψ1為初始相位角；h為釘齒扎入膜土混合物的深度(mm)；θ1為滾筒周向相鄰釘齒夾角(°)；R為釘齒末端與滾筒中心之間的距離(mm)。

如圖5b所示，工作中，弧形釘齒隨滾筒滾動(dòng)到入土位置E，此時(shí)與之周向相鄰的土上釘齒位置為B。為滿足設(shè)計(jì)要求，設(shè)弧形釘齒在滾筒上周向一共分布z個(gè)齒，即弧形齒以相鄰?qiáng)A角θ=2π/z周向分布。為保證機(jī)具作業(yè)的連續(xù)性和完整性，保證殘膜不漏挑，要求任意弧形釘齒出土?xí)r，與之相鄰的另一根弧形釘齒必須立即入土挑膜，故弧形釘齒由B位置過渡到E位置的時(shí)間與弧形釘齒入土挑膜的時(shí)間相同。T時(shí)刻后弧形釘齒在B點(diǎn)的速度v=Rω。為了保證不漏撿，弧形釘齒由B點(diǎn)到達(dá)E點(diǎn)的位移應(yīng)滿足：

(29)

由圖5可知：

(30)

為了保證撿拾機(jī)構(gòu)的整段工作不出現(xiàn)漏檢現(xiàn)象，則要求弧形齒末端工作狀態(tài)下入土點(diǎn)上方B位置水平位移(xB)與垂直位移(yB)應(yīng)滿足：

(31)

將式(30)和式(31)帶入式(29)，求得：

(32)

由式(32)得：

(33)

整理得:

(34)

(35)

由以上分析可知，要保持釘齒末端與滾筒中心的直線距離、弧形釘齒的入土深度(膜土混合物)、同軸向上的弧形釘齒總數(shù)、角速度等都要滿足以上關(guān)系，才能實(shí)現(xiàn)殘膜的連續(xù)挑拾。根據(jù)高原紅壤殘膜回收機(jī)具的作業(yè)要求，機(jī)具行進(jìn)速度為0.8～1.2 m·s-1，弧形釘齒末端滾筒軸中心距為480 mm，釘齒最大入土深度為120 mm，滾筒前進(jìn)時(shí)角速度為1.19～2.58 rad·s-1，設(shè)計(jì)計(jì)算周向齒數(shù)為5個(gè)?？紤]漏撿率和卸膜的效率和便捷性，取軸向間距為180 mm，所以拾膜滾筒釘齒數(shù)量為80個(gè)。

4 田間模擬試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)方法

依據(jù)《GB/T25412-2010殘地膜回收機(jī)》[22]、《NYT1227-2006殘地膜回收機(jī)作業(yè)質(zhì)量》[23]設(shè)計(jì)試驗(yàn)。實(shí)際田間操作時(shí)，設(shè)定機(jī)具測(cè)試行程為長(zhǎng)90 m、寬1 m的收后馬鈴薯壟，共計(jì)進(jìn)行4行程測(cè)試。為簡(jiǎn)化模擬計(jì)算量，減少干擾，試驗(yàn)中簡(jiǎn)化弧形起膜撿拾裝置的軸承座、安裝孔、螺栓等部分，僅保留主軸和弧形釘齒部分，利用Solidedge軟件建模，另存為igs格式后導(dǎo)入Comsol軟件。

如圖5a所示，挑膜齒尖的軌跡為余擺線，設(shè)計(jì)采用16組均布挑膜釘齒組，理論上擺線有更為密集的重合度，從而保證殘膜在挑起的過程中不致從縫隙中脫落，減少漏拾率?？紤]挑膜裝置滾筒的轉(zhuǎn)速、機(jī)具作業(yè)速度和弧形釘齒入土深度對(duì)殘膜撿拾的干擾，將這3個(gè)工作參數(shù)作為試驗(yàn)水平進(jìn)行模擬試驗(yàn)[24]。

4.2 起膜撿拾過程模擬

利用Comsol中的模型開發(fā)器，分別給土壟、機(jī)架、釘齒、凸輪圓盤、起膜桿齒、滾筒之間添加合適的約束。為使殘膜撿拾機(jī)構(gòu)的模擬工作能準(zhǔn)確反映實(shí)際運(yùn)動(dòng)情況，分別按真實(shí)材料給各部件賦予屬性。

表2 因素水平

為提高模擬試驗(yàn)的運(yùn)算速度、減少擾動(dòng)，刪除其他多余釘齒、起膜擺桿、收膜輥、滾筒等部件，只保留了1根弧形釘齒，將釘齒置于平行于釘齒切線的速度場(chǎng)中，速度場(chǎng)中均布?xì)埬?，機(jī)具行進(jìn)速度為0.8～1.2 m·s-1，滾筒前進(jìn)時(shí)角速度為1.19～2.58 rad·s-1。經(jīng)計(jì)算，添加在機(jī)架上的平移驅(qū)動(dòng)速度為1 088.89 mm·s-1，作用在滾簡(jiǎn)上的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)的角速度值為268.36°·s-1。設(shè)定參數(shù)后，Comsol模型開發(fā)器中，單偏心弧形釘齒運(yùn)動(dòng)模擬過程如圖6所示。

4.3 模擬試驗(yàn)結(jié)果及后處理

將模擬結(jié)果導(dǎo)出為Excel表，導(dǎo)入Comsol & Matlab聯(lián)合模塊中，預(yù)處理后，使用插值函數(shù)對(duì)釘齒起膜撿拾過程殘膜的斷裂層數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，得到結(jié)果如圖7。將單偏心弧形釘齒運(yùn)動(dòng)模擬的試驗(yàn)數(shù)據(jù)導(dǎo)入Comsol后處理模塊中，解析后得到釘齒位移隨時(shí)間的變化曲線如圖8所示。

圖6 單偏心弧形釘齒運(yùn)動(dòng)模擬Fig.6 Movement simulation of single eccentric arc nail teeth

圖7 斷裂層應(yīng)力應(yīng)變變化曲線Fig.7 Stress strain curve of residual film fracture layer

圖8 釘齒位移變化曲線Fig.8 Displacement curve of nail tooth

4.4 模擬試驗(yàn)結(jié)果分析

殘膜破碎后，對(duì)其顆粒進(jìn)行軌跡跟蹤，整體平均橫向顆粒流率和顆粒質(zhì)量流率均出現(xiàn)明顯波動(dòng)變化，對(duì)比動(dòng)態(tài)過程可發(fā)現(xiàn)，殘膜破碎物在弧形釘齒的作用下，在運(yùn)動(dòng)過程中，呈不規(guī)則“柱狀”波動(dòng)，此時(shí)顆粒質(zhì)量流率與顆粒速度起伏變化。運(yùn)動(dòng)總力矩也有明顯波動(dòng)變化，但整體平穩(wěn)。斷裂層應(yīng)力應(yīng)變先整體波動(dòng)后趨于平穩(wěn)，說明主要工作部件效果較好，性能較佳。

5 正交試驗(yàn)結(jié)果與分析

以工作速度(A)、入土深度(B)、挑膜轉(zhuǎn)速(C)為試驗(yàn)因素，設(shè)各因素之間不存在交互作用，選定正交試驗(yàn)表L9(34)，具體試驗(yàn)如表3所示。

表3 四因素三水平正交試驗(yàn)

經(jīng)極差分析(表4)，工作速度對(duì)平均顆粒流速影響最為顯著，入土深度對(duì)平均橫向顆粒速度影響最為顯著，挑膜轉(zhuǎn)速對(duì)質(zhì)量流率及釘齒總力矩影響最顯著。3個(gè)因素影響質(zhì)量流率的主次順序?yàn)镃>A>B,獲得最高平均顆粒流速試驗(yàn)條件為A3B2C1；3個(gè)因素影響平均橫向顆粒速度的主次順序?yàn)锽>A>C,獲得平均縱向顆粒速度最高的試驗(yàn)條件為A3B2C1；質(zhì)量流率反映了起膜撿拾裝置的綜合作業(yè)能力，3個(gè)因素影響質(zhì)量流率的主次順序?yàn)镃>A>B,挑膜轉(zhuǎn)速對(duì)混合物顆粒的輸送影響最大，其次是工作速度，入土深度影響最小。獲得最高質(zhì)量流率試驗(yàn)條件為A3B3C2，即工作速度1.2 m·s-1、入土深度45 mm、挑膜轉(zhuǎn)速60 r·min-1，旋轉(zhuǎn)軸總力矩反映了混合顆粒速度過程中的“聚和束狀”下落狀態(tài)的總功耗情況，總力矩越小，輸送越流暢，能耗越小。3個(gè)因素影響質(zhì)量流率的主次順序?yàn)镃>B>A,獲得最低旋轉(zhuǎn)軸總力矩試驗(yàn)條件為A3B1C1,即工作速度1.0 m·s-1、入土深度25 mm、挑膜轉(zhuǎn)速55 r·min-1。綜合考慮，選取試驗(yàn)最佳參數(shù)組合為A3B2C1，即工作速度1.2 m·s-1、入土深度35 mm、挑膜轉(zhuǎn)速55 r·min-1。以該工作參數(shù)進(jìn)行田間模擬試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果為平均顆粒流速為0.9738 m·s-1，平均橫向顆粒速度為0.0278 m·s-1，質(zhì)量流率為0.0091 kg·s-1，釘齒總力矩為38.9576 N·m。

表4 試驗(yàn)結(jié)果極差分析

6 結(jié) 論

本文基于云南省馬鈴薯種植地塊地膜殘留情況，進(jìn)行了新型拋膜彈齒式殘膜回收機(jī)的設(shè)計(jì)與理論分析，得出如下結(jié)論。

1)通過對(duì)弧形釘齒機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，結(jié)合實(shí)際作業(yè)情況及弧形釘齒運(yùn)動(dòng)規(guī)律，為保證殘膜不漏挑，最終確定滾筒轉(zhuǎn)速范圍為180～210 r·min-1。

2)根據(jù)總體機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型和釘齒尖運(yùn)動(dòng)模型的對(duì)比計(jì)算，得出兩相鄰釘齒的運(yùn)動(dòng)軌跡需在挑膜區(qū)域的表面形成重合區(qū)域才能保證殘膜不漏挑。實(shí)現(xiàn)殘膜的連續(xù)挑拾的條件為保持釘齒末端與滾筒中心的直線距離、弧形釘齒的入土深度(膜土混合物)、同軸向上的弧形釘齒總數(shù)、角速度等都要滿足相關(guān)函數(shù)關(guān)系。根據(jù)高原紅壤殘膜回收機(jī)具的作業(yè)要求，設(shè)計(jì)機(jī)具行進(jìn)速度為0.8～1.2 m·s-1，弧形釘齒末端滾筒軸中心距為480 mm，釘齒入土深度為120 mm，滾筒前進(jìn)時(shí)角速度為1.19～2.58 rad·s-1。

3)利用Comsol軟件對(duì)該機(jī)的弧形起膜撿拾裝置進(jìn)行田間模擬試驗(yàn)，并聯(lián)合Matlab后處理得到平均顆粒流速、平均橫向顆粒速度、質(zhì)量流率及弧形釘齒總力矩等指標(biāo)影響的顯著性及主次順序，試驗(yàn)結(jié)果整機(jī)最優(yōu)參數(shù)組合為工作速度1.2 m·s-1、入土深度35 mm、挑膜轉(zhuǎn)速55 r·min-1，該工作參數(shù)下試驗(yàn)結(jié)果分別為平均顆粒流速0.9738 m·s-1，平均橫向顆粒速度0.0278 m·s-1，質(zhì)量流率0.0091 kg·s-1，釘齒總力矩38.9576 N·m。

4)通過分析和田間模擬試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，通過優(yōu)化相鄰弧形釘齒之間的有效間距，實(shí)時(shí)調(diào)整余擺線間的距離，可進(jìn)一步提高該裝置的起膜撿拾效果，為物理樣機(jī)的試制和開發(fā)提供理論依據(jù)。