张新超，毕新胜，王志欢，蔡 贺

(石河子大学 机械电气工程学院，新疆 石河子 832003)



钉齿滚筒式残膜回收机关键部件的设计与研究

张新超，毕新胜，王志欢，蔡 贺

(石河子大学 机械电气工程学院，新疆 石河子 832003)

地膜覆盖技术的广泛推广与应用极大地促进了我国农业现代化的发展，但残留在土地中的地膜在自然条件下极难降解，给农业可持续发展带来巨大危害。为此，针对目前残膜回收机回收率难以达标的问题，设计了一种钉齿式残膜回收机，介绍了残膜回收机的总体结构参数及工作原理，重点对钉齿滚筒进行运动学分析，推导得出钉齿滚筒的运动学方程及不漏捡残膜所满足的参数条件。同时，运用ADAMS对钉齿滚筒的钉齿运动轨迹仿真，得出了滚筒转速、机具行进速度及钉齿周向相邻角度对残膜回收机工作效果的影响。

残膜回收；钉齿滚筒；运动分析；收膜机构

0 引言

地膜覆盖种植技术广泛运用于我国的农业生产当中，此项种植技术具有抑制杂草生长、抗病虫害、抗旱、增温保墒及提高产量等一系列优点。但由于目前广泛运用于农业生产的地膜使用了难降解的聚乙烯等材料，致使地膜残存于土壤之中，破坏了农田的生态环境，严重影响农作物生长，导致农作物产量降低，阻碍了农业生产的可持续化发展[1-2]。

针对上述问题，农机科研人员开发研制了各种结构形式的残膜回收机，但存在结构复杂、可靠性较差及残膜捡拾率难以达标的缺点。因此，研制开发具有良好工作特性的残膜回收机具有十分重要的现实意义。播前残膜回收是目前主要的残膜回收方式之一，收膜机构是残膜回收机的关键工作部件，播前残膜回收工作要求收膜机构可将土壤表层内长度大于50mm的残膜尽可能收回收，并将残膜输送至脱膜机构。目前，残膜回收机的收膜机构按照其结构特点分为伸缩杆式、链齿式、弹齿式及滚筒式等几种常见形式。滚筒式的残膜回收机结构相对简单，残膜回收效果较好，有一定的研究意义[3-4]。在现有滚筒式残膜回收机的研究基础之上，本文设计了一种具有仿形功能的分段式钉齿滚筒残膜回收机，并对影响其钉齿滚筒收膜效果的主要因素进行理论与仿真分析，旨在为残膜回收机的设计提供理论依据。

1 主要结构及工作过程

该机主要由牵引装置、钉齿滚筒起膜机构、脱膜机构、气吸式残膜输送装置、动力传递系统及收膜箱构成，如图1所示。

1.牵引架 2.机架 3.齿轮箱 4.钉齿滚筒

样机通过牵引架与拖拉机连接，传动系统通过传动轴与拖拉机输出轴相连，拖拉机的传动系统带动脱膜装置和残膜输送装置工作。作业时，拖拉机通过牵引架带动整机行走，钉齿滚筒起膜机构随之运动时，钉齿插入土层之中，将地膜扎起；脱膜装置通过链轮与传动系统相连，传动轴带动脱膜装置转动，脱膜轴旋转方向与钉齿滚筒旋转方向相反，使得残膜从钉齿上被刷下来；气吸式残膜回收装置的气吸口对准脱膜装置与起膜机构交接之处，通过风机将残膜吸入风道口，输送到残膜回收箱内。

2 收膜机构的设计

2.1 收膜机构工作原理

收膜机构为具有仿形功能的分段式钉齿滚筒，钉齿滚筒通过固定架固定于机架上。拖拉机通过牵引架带动机具前进，带动钉齿滚筒在地面上自由向前滚动；滚筒上排布有钉刺状钉齿，在滚筒运动前进时，钉齿开始穿透铺在田地里残膜并深入土壤中；当机具继续向前运动时，钉齿作用在残膜上的作用力使残膜脱离土壤，带动残膜继续转动，当运动到脱膜棍上的毛刷与收膜滚筒钉齿接触的位置时，残膜在脱膜棍上的毛刷的作用力下脱离钉齿，从而被风机通过风道吸入残膜回收箱。

2.2 收膜机构的设计

机具的收膜装置是两个分段式钉齿滚筒，滚筒长为600mm，直径300mm；滚筒表面均布安装有15个隔板，隔板上均匀排布28个钉齿，每排中的钉齿等间距焊接在滚筒隔板上，间距为20mm，周向相邻两排弹齿的夹角为24°，弹齿的直径为12mm。弹齿的直径大小影响残膜的捡拾率，过大不利于捡拾残膜但便于脱膜，过小更利于捡拾残膜，但脱膜时残膜很难脱离。钉齿滚筒通过固定架与机架相连。固定架与支撑架之间有弹簧相连。当机具行走时，由于地面高度不一，滚筒随之做上下运动，起到了对地面进行仿形的作用，收膜更加彻底；另外，分段式的设计有利于机具适应不同的作业方式。钉齿滚筒收膜机构的结构包括钉刺状捡拾齿、滚筒及传动轴，如图2所示。

图2 钉齿滚筒结构示意图

残膜回收机随拖拉机的牵引向前运动，收膜滚筒随机具做圆周运动。作为关键工作部件，滚筒的转速影响到整个收膜工作的效率：滚筒的转速过高，增大了与地面之间的冲击，使得钉齿容易变形，整个部件的工作寿命会随之降低；滚筒的转速过低，会出现漏捡残膜的情况，不能完成实际工作的要求。因此，需要对收膜机构进行具体分析，从而选择适合的钉齿滚筒作业转速[5-7]。

2.3 钉齿的配置设计

钉齿在滚筒上的排布情况影响收膜滚筒的作业效果及工作可靠性。根据新疆春播前的棉田实际工作状况，因残膜过碎、块状小、性状不一等因素限制，设计钉齿的排布配置情况应注意：钉齿的轴向排布间距要适度减小，以免出现漏捡残膜的情况发生；在适度的轴向间距情况下，保证周向间距的合理性，不重复回收作业，减少杂物在收膜机构前的堆积；要适应棉区不同种植模式，均匀排布钉齿。

现有的钉齿排列方式有螺旋法和交错法。分析表明：螺旋法的排列方式虽能满足轴向的钉齿排列要求，但钉齿的总数量较少，导致出现漏捡现象的发生。如果增加齿数，使得钉齿之间间距缩短，会影响到机构的正常工作性能，故本机构采用的交错排列方法布置钉齿。将钉齿排布简化，如图3所示。设滚筒半径为r,滚筒长度为L,同一轴线上钉齿间距为d，交错排列的钉齿相距d/2，这样的配齿将缓解上述问题所造成的不良状况。要确定齿间距的具体参数，则需要对钉齿的运动进行进一步的理论分析。

图3 钉齿配置图

3 收膜机构的运动仿真分析

3.1 钉齿滚筒运动分析

为了确定收膜机构上钉齿的较为合理的配置参数，对机具匀速前进作业时钉齿的运动轨迹进行分析，如图4所示。图4中，钉齿从入土到出土的运动轨迹可简化为B2到B的圆弧，实际作业时是从入土压膜到挑起残膜的过程。

图4 钉齿滚筒的运动分析

钉齿滚筒随机具的牵引以v速度行进，且以转速ω绕钉齿滚筒中心O做匀速转动；设O1为坐标原点，BO、B1O1、B2O2表示钉齿滚筒的半径R，钉齿顶点从B点入土运动到B2出土所用时间为t，整个运动过程可从OO2分为两个阶段，OO1为入土压膜，O1O2为出土挑膜；钉齿在BO处与y轴呈φ1角为起始位置，当t/2时钉齿绕轴心转过ωt/2到O1B1，滚筒轴心沿x轴正方向移动了vt/2的距离，则钉齿顶点从B到B1的轨迹方程为

(1)

上述运动位移方程对t经行一阶、二阶求导，得到钉齿顶点的速度与加速度方程为

ux=u-Rωcos(ωt)

uy=-Rωsin(ωt)

ax=Rω2sin(ωt)

ay=-Rω2cos(ωt)

(2)

钉齿滚筒机械沿x轴正方向运动，钉齿顶点从B1运动到B2的轨迹方程为

(3)

如上述方法一样，继续对方程组时间t一阶、二阶求导得到钉齿顶点的速度与加速度方程为

ux=u+Rωcos(ωt+φ1)

uy=-Rωsin(ωt+φ1)

ax=-Rω2sin(ωt+φ1)

ay=-Rω2cos(ωt+φ1)

(4)

假设捡拾耕层内残膜作业时钉齿深入水平面以下的区域视为有效收膜面，钉齿滚筒与土地之间的相对运动可近似看作齿轮与齿条之间的啮合运动。为了收膜作业少出现漏捡现象，任意一个钉齿顶端经过有效收膜面离开点，应是下一个钉齿顶端的有效收膜面进入点，与齿轮与齿条连续传动时，任意时刻有且只有一个齿与齿条啮合的情况类似。钉齿滚筒的运动轨迹如图5所示。OB1表示即将入土的钉齿位置，OB表示周向相邻的钉齿所在位置。

图5 钉齿滚筒的运动轨迹

(5)

可得BC=R[1-sin(φ1+β)]。

若要满足收膜作业不漏捡要求，则点在入土前的水平方向位移xB与竖直方向位移yB应满足

(6)

已知

(7)

将式(5)、式(7)带入式(6)求解得

(8)

由式(8)得

即

(9)

经过整理，得

(10)

式中R—钉齿到滚筒中心的回转半径；

h—钉齿入土深度；

z—同一圆周上钉齿的个数；

ω—钉齿滚筒旋转角速度；

v—机具行进速度；

φ1—初始相位角。

通过理论分析可知：只要机具的钉齿滚筒半径、钉齿入土深度、滚筒的旋转角速度、钉齿滚筒周向钉齿个数满足上述数学关系，就能让钉齿滚筒捡膜机构实现连续捡膜且不漏捡残膜的性能。

因播前残膜回收机工作要求，确定钉齿入土深度为h=0.05m，钉齿到滚筒中心的回转半径为R=0.2m，机具前进速度为v=5.4km/h。为了满足关系式(9)、式(10)，得出钉齿滚筒角速度为ω=15.2rad/s，钉齿滚筒周向齿数z≈15。

3.2 单因素对钉齿滚筒的影响仿真分析

收膜滚筒的旋转速度对收膜效果有直接性的影响，为了对钉齿滚筒的旋转速度进行分析，利用仿真软件Adams对固定在滚筒上的钉齿进行运动轨迹的仿真分析[8]，可以得出在不同旋转速度与机具前进速度比下的钉齿滚筒上的钉齿运动轨迹，如图6所示。

图 6 钉齿顶部轨迹图

通过仿真改变钉齿滚筒转速与机具的前进速度之比，可得3种运动轨迹，滚筒运动轨迹的形状取决于滚筒旋转速度与行进速度之比。令

式中 u—机具作业时的行进速度；

ω—滚筒角速度；

R—钉齿顶端到滚筒的中心距离。

λ的取值有3种情况：λ<1、λ=1和λ>1。当λ<1时，运动轨迹为短板线，因机具前进速度过快，钉齿与残膜接触时间过短，还未进行挑起残膜的运动，就被机具带动向前运动，从而不能挑起残膜；当λ>1时，运动轨迹为余摆线，余摆线的环扣部分才具有钉齿挑起残膜的水平速度分量，才能具有将残膜从地面上挑起的运动轨迹[9]。根据分析，收膜滚筒线速度与机具前进速度之比λ取值应控制在1.1～1.5之间，能够保证最佳的收膜效果。

收膜滚筒上周向相邻两组钉齿的运动轨迹情况对于残膜捡拾率有很重要的影响[10]。根据之前运动分析得出周向钉齿数z≈15的结果，现对钉齿滚筒的周向相邻的钉齿排布情况进行仿真分析。相邻两组钉齿运动轨迹如图7所示。其中，L1、L2为周向相邻的两个钉齿的运动轨迹，Δx是两钉齿之间漏捡残膜区域。由图8可知：当周向钉齿数z<15时，周向相邻两组钉齿间距太大，则Δx增大，且残膜尺寸较小，残膜漏捡情况严重；周向相邻钉齿间距太小，则运动轨迹重合过多，钉齿布置困难。通过软件模拟仿真，当周向钉齿数为15时，该钉齿滚筒的周向相邻钉齿夹角为24°时，Δx可控制在合理的范围之内，保证了机构的工作性能满足机具设计条件。

图7 周向相邻夹角24°钉齿运动轨迹

图8 周向相邻夹角48°钉齿运动轨迹

4 结论

1)针对苗期田间残膜回收问题，本机具采用钉齿滚筒式回收方式回收残膜，可实现自动卸膜。介绍了钉齿滚筒残膜回收机的工作原理，并对关键部件进行了设计与分析。

2)为了保证收膜机构具有更好的工作性能，对收膜机构进行运动分析，得出钉齿顶部的运动轨迹，并求出钉齿滚筒不漏捡的数学模型，从而确定实现钉齿滚筒不漏捡膜的各参数之间的数学关系，以及关键设计参数。

3)对钉齿运动轨迹进行分析得知：控制λ在1.1～1.5范围内能够保持钉齿滚筒式收膜机构最佳的工作性能。

4)对周向相邻钉齿的轨迹进行分析，当周向相邻钉齿24°时，满足实际残膜回收机工作要求。

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The Design and Research of Key-parts of Spiked Tooth Plastic Film Residue Recovery

Zhang Xinchao, Bi Xinsheng, Wang Zhihuan, Cai He

(College of Mechanical Engineering of Shihezi University, Shihezi 832000, China)

Plastic mulching technology application and extension, greatly promote the development of Agricultural modernization in our country,But the residues in the soil mulch extremely difficult to degradation under natural conditions,do great harm to the sustainable development of agriculture. Aiming at the problems of the recovery of residual film recycling machine cannot be satisfied, we design a screw tooth residual film recycling machine. This paper introduces the structure and parameters of the device and the working principle, analysed of spike-tooth drum, deduced the kinematics equation of spike-tooth drum and the parameters meeting the condition of undetection. We use the ADAMS to simulate the spike-tooth of drum. The roller speed is obtained. The influences of the machine speed and adjacent spike-tooth angle on the film recycling machine is obtained.

residual film recovery; nail tooth roller; motion analysis; film collecting mechanism

2016-08-10

国家自然科学基金项目(51465050)

张新超(1992-)，男，新疆昌吉人，硕士研究生,(E-mail)1203660637@qq.com。

毕新胜(1971-)，男，河南镇平人，教授，硕士生导师,(E-mail)bxs_mac@shzu.edu.cn。

S223.5

A

1003-188X(2017)10-0072-05