弹齿链耙式残膜回收机链耙装置的设计与试验.pdf

浙江农业学报 ():/.王海基王敏卢勇涛等.弹齿链耙式残膜回收机链耙装置的设计与试验.浙江农业学报():.:/.收稿日期:基金项目:新疆生产建设兵团中青年科技创新领军人才计划项目()作者简介:王海基()男甘肃武威人硕士研究生研究方向为机械设计:.通信作者王敏:.弹齿链耙式残膜回收机链耙装置的设计与试验王海基王 敏卢勇涛营雨琨王吉亮薛 理秦朝民何玉泽(.新疆农垦科学院 机械装备研究所新疆 石河子 .石河子大学 机械电气工程学院新疆 石河子)摘 要:为深入研究弹齿链耙式残膜回收机链耙装置作业过程中不同工作参数对机具运行和作业质量的影响利用 软件建立弹齿与土壤相互作用的三维离散元模型模拟弹齿收膜过程中所受作用力的变化情况验证此工况下作业的可靠性发现其不会因塑性变形而失效弹齿能够顺利作业 用 软件绘制不同速比下的弹齿尖运动轨迹发现运动轨迹为摆线 采用三因素三水平 试验设计方法建立链耙角速度、机具行驶速度、弹齿入土深度与残膜捡拾率和含杂率之间的数学模型寻求残膜回收机的最优作业参数组合并进行田间验证试验 结果表明优化的作业参数为链耙角速度 机具行驶速度 弹齿入土深度 在此条件下开展田间验证试验残膜捡拾率为 含杂率为 可满足残膜回收机的作业要求关键词:残膜回收链耙装置响应面法中图分类号:文献标志码:文章编号:()(.):.:.:新疆是我国棉花主产省份之一棉田覆膜率 年新疆农田地膜总覆盖面积为 地膜总使用量为 分别占我国农田地膜总覆盖面积的 和农田地膜总使用量的 居全国首位 棉田土壤耕层中残留的地膜会影响土壤物理性状使得土壤结块降低土壤透气性阻碍水肥运移抑制作物根系生长改变土壤气孔连续性减少土 壤 深 层 的 水 分 含 量 削 弱 农 田 抗 旱 能力 地膜使用与农业生态环境保护和农业绿色可持续发展之间的矛盾日益突出 可降解地膜虽可在一定程度上缓解残膜污染问题但由于降解时间不确定、成本高昂等尚无法全面推广当下残膜回收机械的应用依旧是解决残膜污染问题的主要途径 日本、美国以及欧洲的一些国家为了防止残膜污染强制使用加厚耐候膜使用标准分别为:日本最薄厚度 美国最薄厚度 欧洲最薄厚度 高强度耐候地膜具有较强的延展性和拉伸强度便于回收一般以卷收为主 我国使用的地膜厚度大多为 与国外使用的地膜差异较大经过一季覆膜和机具碾压达不到卷收的强度要求因此需结合自身情况治理残膜污染目前新疆地区使用的残膜回收机按收膜关键部件可分为齿链式、滚筒式、弹齿式、耙齿式 谢建华等设计了一种齿链复合式残膜回收机齿链式捡拾机构和杆齿式拾膜机构先后进行二次拾膜捡拾起来的残膜经刮板式卸膜机构卸进集膜箱 最后卸在地头 拾膜率 为 缠膜率为 赵岩等设计了 型农田残膜捡拾打包联合作业机齿钉辊将混有杂质的残膜物料抛起捡拾机构钩住残膜向上输送到打包箱内再由液压油缸压缩和卸载一次性可实现捡拾、压缩和打包联合作业地表残膜捡拾率为 牛琪等设计了一种集条残膜打包机捡拾清理装置作业时耙齿与土壤和残膜接触前、中、后 排搂膜耙齿间距不等且交错排列分别收集大小不同的残膜碎片机具作业至地头进行卸膜利用清杂辊对残膜进行两次膜杂分离表层残膜拾净率为 含杂率为 施丽莉等设计了一种耙齿式垄作花生残膜回收机捡拾机构与清杂辊快速旋转完成残膜的捡拾抛送和清杂处理脱膜辊将捡拾弹齿上的残膜脱下并抛送至打包箱中压缩后卸下残膜回收率为 总结目前市面上已有的和还处于研究阶段的残膜回收装置发现主要存在以下问题:)残膜回收率不高捡拾率易受到其他因素的影响)缺少清杂装置回收的残膜含杂率较高导致后续回收再利用成本增加)机具作业容错率较低收膜部件接触到田间砖石等硬块容易出现变形、残膜缠绕旋转部件等故障 为了解决上述问题本文针对弹齿链耙式残膜回收机的链耙装置进行优化设计旨在改善其收膜不彻底、卸膜不干净等问题提升机具作业水平 棉花种植环境与残膜的物料特性 棉花种植环境棉花是喜光作物适宜在阳光充沛的环境下生长 选择抗枯耐黄、高产优质的品种于棉花种植前翻耕施入底肥用联合播种机完成滴灌带铺设、覆膜、播种等工作 采用机采棉的种植模式双膜覆盖播种于幼苗出土之后进行放苗和补苗后期进行水分管理和合理追肥直至棉花成熟适时收获 新疆棉花采用 的机采种植模式通过播种、植保、收获等作业机具的碾压使宽行膜面比窄行膜面低 膜面和膜边是残膜分布的主要区域棉田覆膜情况如图 所示 残膜物料特性残膜的力学性能是影响其回收的关键因素但由于缺乏对残膜力学性能的研究目前大多数浙江农业学报 第 卷 第 期棉花植株膜面膜边膜边宽度膜面宽度宽行行距窄行行距 .图 棉田覆膜示意图.研究只能依靠经验数据忽略了不同地区光照强度和气候条件对地膜的影响易导致捡拾机构对残膜的作用力过大或过小从而产生二次撕裂和漏捡的现象致使捡拾效果不理想 为此分别选取新疆地区覆膜、的聚乙烯吹塑农用地面覆盖薄膜开展力学测试测试内容主要包括纵向拉伸载荷和拉伸断裂标称应变 测试样品均为使用过的薄膜土褐色表面有大量泥污并且有破损厚度为 测试结果(表)表明随着覆膜时间延长农膜的纵向拉伸载荷和拉表 力学性能测试结果 /拉伸载荷/拉伸断裂标称应变 /伸断裂标称应变均减小 整机结构与工作原理弹齿链耙式残膜回收机的整机结构如图 所示 将链耙架前高后低倾斜安装在机架上链耙架内设有链耙装置包括链轮、链条、弹齿、弹齿轴其中链条连接上、下链轮弹齿轴沿链条周侧等距分布弹齿安装在弹齿轴上 链条带动弹齿轴运动使弹齿运动至最低点与地面接触完成收膜作业 弹齿捡起残膜往上输送在与底板接触之前链耙装置产生的抖动对残膜进行第一次除杂弹齿与底板接触之后弹齿带动残膜向上运动进行第二次清杂杂质沿着底板滑落 机架上设有换向挡板和橡胶脱膜板弹齿轴运动至换向挡板处换向挡板将弹齿轴的运动方向改变为与脱膜板垂直以便于脱膜板刮下弹齿上的残膜脱下的残膜掉入脱膜板下方的无芯打包装置进行压缩打包 链耙架后部设有镇压轮牵引架主机架打包前门打包开关油缸主打包系统链耙架弹齿收膜链耙限深调节装置 .图 整机结构.王海基 等.弹齿链耙式残膜回收机链耙装置的设计与试验可以根据作业要求调节高度拖拉机牵引机具作业时收膜弹齿在机具的重力作用下扎入土壤 机具前进过程带动链轮转动链条带动弹齿运动当弹齿退出土壤时在残膜与弹齿之间拉力、残膜自身张力和摩擦力的作用下残膜随着弹齿向上运动在运动过程中土块、秸秆等杂质在自身重力和弹齿旋转离心力的作用下实现膜杂分离 当弹齿轴运动至换向挡板处时弹齿运动方向改变为脱膜板法线方向通过脱膜板上的弹齿缝时将残膜刮下掉入无芯打包系统的后打捆皮带上进行压缩打捆当膜捆达到一定直径或作业到地头时通过操控油缸升起收膜链耙和打包盖门膜捆在重力作用下自动卸下收膜链耙越过膜捆后进行下一轮作业 作业过程中根据地势和作物留茬情况调整作业高度改变弹齿入土深度以达到相应的作业要求 将主要技术参数总结于表 表 主要技术参数 项目 参数 整机尺寸 /()作业幅宽 /配备动力 /生产率/()卸膜方式 自动 运输间隙 /残膜捡拾率 /含杂率 /关键零部件设计弹齿链耙是捡拾机构的重要组成部分在作业时既要平稳上升又要保证捡拾效率 弹齿外伸长度决定了收膜的效果外伸长度过长会增大机具功率损耗但机具外形尺寸过大、外伸长度过短又不利于捡拾低洼处的残膜且捡拾的残膜容易脱落 捡拾弹齿外伸长度()的测算方法为 (/)()式()中:为链轮半径 为相邻捡拾弹齿的圆心角 为捡拾弹齿入土角根据上述分析本文采用直齿型弹齿(由直径 的 弹簧钢制成)收膜弹齿外伸长度为 弹齿螺旋部分内径为 弹齿通过中心线处的固定孔等距安装在弹齿轴上弹齿轴通过带座轴承安装在半径 的 链 轮 上(图)在弹齿、弹齿轴的自重作用下弹齿轴会产生一定的挠度 将弹齿轴两端固定于机架所受合力为均布载荷受力模型可近似看作简支梁弹齿轴材料为碳素结构钢其弹性模量()为 最大挠度发生在简支梁中间最大转角发生在简支梁两端 经测算其均布载荷为 弹齿轴截面的二次矩为 弹齿轴最大挠度为 弹齿轴最大转角为 ()()()式()、()中:为弹齿轴的最大挠度 为均布载荷 为弹齿轴长度 为碳素结构钢弹性模量 为弹齿轴截面的二次矩 为弹齿轴的最大转角()为弹齿轴外径 为弹齿轴内径 为弹齿轴质量 为弹齿质量 为重力加速度 田间作业环境复杂坑洼起伏的地面和砖石等硬物杂质会造成残膜漏捡 作业连续性是保证机械化回收的关键连续性越好越有利于残膜回收 捡拾弹齿的排布方式影响机具的回转动平衡和收膜作业的效果其排布一般应满足以下要求:)满足作业要求 为了使弹齿轴均匀捡拾地表残膜达到良好的残膜拾净率与膜杂分离弹齿弹齿轴带座轴承 .图 弹齿装配图.浙江农业学报 第 卷 第 期效果将弹齿不对行错峰安装前一排弹齿安装在后一排弹齿中间)达到动平衡要求 弹齿轴应等间距均匀排布在链条上使链耙作业旋转时弹齿轴受力均匀根据新疆棉田地膜的宽度将长度为 的弹齿轴等距错行安装 组捡拾弹齿后一排弹齿可以对前一排弹齿空行处残膜无法捡拾的情况进行补充提高弹齿作业的容错性能 弹齿和弹齿轴构成一个多刚体转子理论上其转动惯量不是一个常数错行等距排布(图)下前后两组弹齿轴构成一个整体在运动中各单元体的合力始终在同一平面在高速旋转时可迅速恢复到平衡状态具有良好的平衡性且交错平衡排布的方式更有利于捡拾残膜结构简单安装方便 通过拖拉机下悬挂臂和限深辊位置可调节弹齿入土深度以链轮中心为坐标原点建立坐标系 弹齿在收膜作业时由链耙带动作圆周运动并在拖拉机牵引下作直线运动运动轨迹如图 所示图 弹齿排布图(左)与弹齿作业划痕(右).()()图 弹齿运动轨迹(点到 点).()弹齿端部切线方向速度垂直于弹齿斜向下将其分解为 方向和 方向并增加 方向的机具行驶速度 则弹齿尖直线运动和圆周运动组合的摆线运动速度方程为 ()()()式()中:、分别为弹齿尖水平()和竖直()方向上的分速度 为链耙角速度为机具行驶速度机具作业过程中收膜弹齿对残膜的作用力如图 所示在上升过程中残膜受力平衡的条件如下:()式()中:为残膜的重力为残膜与弹齿之间的摩擦力为弹齿对残膜的支持力为残膜所受离心力 为弹齿与竖直方向的夹角()为保证残膜不脱落残膜所受离心力应不小于弹齿切线方向的合力即:()()式()中 为弹齿与残膜间的摩擦系数由式()可知弹齿尖的摆线运动轨迹与机具前进速度、链耙角速度和弹齿回转半径有关令弹齿尖旋转线速度与机具前进速度之比为 用 软件绘制弹齿尖运动轨迹(图):当 时单位时间内弹齿尖圆周运动的弧长大于机具前进的距离即大于被收起残膜的长度残膜绷紧处于拉伸状态不易包裹杂质便于清杂作业同时由于残膜的回弹增加了弹齿和残膜之间的摩擦力使残膜不易脱落利于捡拾基于上述分析弹齿链耙式捡拾机构正常作业的速比()应大于 根据测定的残膜物料特性可知覆膜时间 的残膜最大断裂标称应变为 可确定速比的取值范围为 相应地可算得链耙角速度不低于 为了保证较好的作业效果令机具行驶速度为 、链耙角速度为 算得弹齿尖的绝对运动轨迹为余摆线(图)设弹齿尖深入地表残膜面以下的深度为 弹齿起膜的有效距离为 则 越深越大且链耙转速越低弹齿在地表残膜面以下停留的时 图 弹齿尖运动轨迹.弹齿尖运动轨迹残膜面弹齿入土深度起膜有效距离 .图 弹齿尖的绝对运动轨迹.间越久 有效起膜的距离越长 收膜效 果 越显著 链耙装置的转速可以通过改变链轮直径大小来控制当链条转速一定时即链轮线速度一定时链轮直径越小角速度越快 ()式()中:为链轮齿距 为链轮齿数为主动轮齿数为从动轮齿数为主动轮半径为从动轮半径 为链轮线速度 计算可知:当主动轮齿数为 齿、半径为 时主动齿轮对应的角速度为 当主动轮齿数为 齿、半径为 时主动齿轮对应的角速度为 当主动轮齿数为 齿、半径为 时主动齿轮对应的角速度为 为验证不同的速比()对收膜效果的影响在同一链耙转速下使用 拖拉机分别在、挡(对应的行驶速度分别为 、)进行试验 在弹齿入土深度不变的情况下速比越大弹齿划痕交接越显著有效收膜距离越长收膜效果越好(图)设相邻弹齿的运动轨迹分别为 和(图)弹齿入土深度为 的入土点和出土点分别为、的入土点和出土点分别为、为前后两排弹齿的水平距离则保证残膜捡拾浙江农业学报 第 卷 第 期、图对应的行驶速度分别为 、.图 不同行驶速度下的弹齿划痕.图 相邻两排弹齿的运动轨迹.率的条件为相邻两排弹齿运动轨迹在膜下有效收膜距离有较多的重合区域捡拾残膜应满足 ()式()中:为运动轨迹 在膜下的有效收膜距离为运动轨迹 在膜下的有效收膜距离为准确得到弹齿在土壤中的受力变化情况利用 软件对弹齿的作业过程进行仿真 变量参数设定如下:土壤的泊松比为 密度为 剪切模量为 弹齿的泊松比为 密度为 剪切模量为 土壤与弹齿的恢复系数为 动摩擦因数为 静摩擦因数为 对试验区域的土壤进行分级 以上的土壤属于粗砂粒(粒径 )颗粒外形主要包括块状、核状和柱状 种 利用 软件生成土壤颗粒(图)设置土槽长、宽、高分别为、为节省运算时长将土壤颗粒半径设置为 以弹齿水平放置为起始位置设置水平前进速度为 角速度为 入土深度为 步长为 将 软件创建的弹齿模型以“.”格式导入 软件中模拟其受到的作用力与转过的角度的变化曲线(图)结果表明当弹齿转过时受力最大为 在此状态下弹齿不会因塑性变形而失效可正常完成收膜作业 优化试验 试验设计以链耙角速度()、机具行驶速度()和弹齿入土深度()为试验因素残膜捡拾率()王海基 等.弹齿链耙式残膜回收机链耙装置的设计与试验块状核状柱状 .图 土壤颗粒模型.图 弹齿受力变化.和含杂率()为响应值运用 中心组合试验原理 开展三因素三水平正交试验并应用 软件分析上述因素对捡拾率和含杂率的影响规律 根据残膜回收机作业条件以及被收残膜的物料特性确定上述各因素不同水平对应的参数值:链耙角速度编码水平、分别对应于、机具行驶速度编码水平、分别对应于、弹齿入土深度编码水平 、分别对应于、残膜捡拾率和含杂率的计算公式如下:()()式()、()中:为已脱下的残膜质量为残留在弹齿上的残膜质量为试验区内地膜铺设净质量为试验区内夹杂在膜捆里杂质的质量 试验结果与分析 试验结果试验过程未出现残膜阻塞转轴及弹齿和弹齿轴发生大变形和折断的现象可以完成拾膜、脱膜的任务作业性能可靠机具动作执行流畅稳定性良好残膜捡拾干净可长时间保持成捆形状 将试验结果整理于表 方差分析用 软件对试验数据(以各因表 试验设计与结果 序号./链耙角速度机具行驶速度弹齿入土深度残膜捡拾率含杂率、列下给出的为相应的水平代码 .浙江农业学报 第 卷 第 期素的编码水平为相应自变量的值)开展多元回归拟合剔除掉对因变量影响不显著()的项并对构建的模型进行方差分析结果显示:无论是对残膜捡拾率还是对含杂率拟合的回归模型的 值均小于 模型极显著且失拟项不显著 说明所拟合的回归方程能准确反映出残膜捡拾率或含杂率与各因素的关系利用回归模型可以较好地对试验结果进行预测拟合的回归方程如下:()()响应面分析为了直观分析链耙角速度、机具行驶速度和弹齿入土深度对残膜捡拾率和含杂率的影响构建响应曲面(图)残膜捡拾率随着链耙角速度的加快而增大原因是链耙角速度增加时捡拾弹齿的有效收膜距离增加捡拾更加彻底随着机具行驶速度的加快而减少原因是机具行驶速度增加时链耙的速比减小弹齿有效收膜距离减少导致残膜无法被彻底捡起随着弹齿入土深度的增加而增大原因是入土深度增加时捡拾更加彻底不易遗漏 含杂率随着链耙角速度的加快而增大原因是链耙角速度增加时收起来的秸秆、土块等杂质增多输膜过程膜杂分离不彻底随着机具行驶速度的加快而减小原因是机具行驶速度增加时弹齿对土块与秸秆的链耙角速度机具行驶速度弹齿入土深度残膜捡拾率含杂率 .图 各因素交互的响应曲面图.王海基 等.弹齿链耙式残膜回收机链耙装置的设计与试验撞击和撕扯以及有效捡拾长度变小捡起的杂质减少随着弹齿入土深度的增加而减少原因是入土深度增加时弹齿对残膜、土块、秸秆等杂质的压力增大对秸秆和土块有碾碎作用而对残膜的摩擦力增加使得残膜不易脱落因而含杂率降低 优化分析根据残膜回收机的田间作业效率、回收效果和方差分析结果以残膜捡拾率最大值为目标对作业参数进行优化得到的理论最优值如下:链耙角速度 机具行驶速度 弹齿入土深度 在此条件下预测的残膜捡拾率为 含杂率为 田间试验选择新疆生产建设兵团第八师沙湾市商户地乡湖西村开展田间验证试验试验时间为 试验地较为平坦土壤质地为壤土 采用传统的机采棉种植模式地膜厚度为 土地耕层中留有大量的往年残膜于试验前将膜下滴灌带清理完毕 地块长 宽 日均温度 试验地碎土率为 土壤含水率为 土壤坚实度为 以 拖拉机和弹齿式残膜回收机为试验机械以优化得到的作业参数取整开展试验现场照片如图 所示 经现场实测平均残膜捡拾率为 平均含杂率为 试验期间未出现残膜阻塞转轴的现象未发生弹齿和弹齿轴大变形或折断的情况可以完成拾膜、脱膜任务作业性能可靠能够满足残膜回收机的作业要求图 试验现场照片.结论针对残膜回收机链耙装置的作业特点建立弹齿与土壤的动态相互作用模型分析弹齿收膜过程中作用力的变化情况验证最大受力工况下弹齿不会因塑性变形而失效能够保证弹齿顺利作业 基于 试验设计原理以残膜捡拾率和含杂率为响应值分析链耙角速度、机具行驶速度、弹齿入土深度对响应值的影响并对上述因素的参数值进行优化优化结果为:链耙角速度 机具行驶速度 弹齿入土深度 在此条件下残膜捡拾率和含杂率的理论预测值分别为 、按照优化的作业参数取整开展田间试验试验区的平均残膜捡拾率 平均含杂率为 作业性能可靠可满足残膜回收机的作业要求参考文献():温浩军 牛琪 纪超.地膜机械化技术现状及分析.中国农业大学学报 ():.():.()蒋永新 刘晨 郭兆峰 等.新疆棉田残膜机械化回收技术现状分析及建议.农机化研究 ():.():.()吕钊钦 张磊 张广玲 等.链条导轨式地膜回收机的设计与试验.农业工程学报 ():.():.().:.王海基 王敏 王吉亮 等.新疆农田残膜污染治理技术与防控策略.中国农机化学报 ():浙江农业学报 第 卷 第 期.():.().:.王晓明.抖动链式残膜回收机传动系统与膜土分离机构的研究.北京:中国农业大学.:.()胡宏亮 韩之刚 张国平.生物降解地膜对玉米的生物学效应及其降解特性.浙江大学学报(农业与生命科学版)():.()():.()王旭峰 胡灿 鲁兵 等.抛膜链齿输送式残膜回收机设计与试验.农业机械学报 ():.():.()坎杂 郭文松 张若宇 等.网状滚筒式机采籽棉残膜分离机的设计.农业工程学报 ():.():.()张学军.残膜分离与输送装置的研究.长春:吉林大学.:.().:.:.康晓悦 陈学庚 赵岩 等.齿带式残膜回收机脱膜装置的设计与试验.农机化研究 ():.():.()谢建华 唐炜 曹肆林 等.齿链复合式残膜回收机设计与试验.农业工程学报 ():.():.()赵岩 郑炫 陈学庚 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