弹齿链耙式残膜回收机链耙装置的设计与试验.pdf
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1、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
2、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
3、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
4、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
5、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
6、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
7、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/
8、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
9、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
10、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
11、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
12、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
13、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
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