玉米苗期收膜机结构设计与试验

吴善华，周福君，张春雷

(东北农业大学 工程学院，哈尔滨　150030)



玉米苗期收膜机结构设计与试验

吴善华，周福君，张春雷

(东北农业大学 工程学院，哈尔滨150030)

摘要：为解决玉米苗期收膜机卸膜工序复杂、困难的问题，设计出一种新型既捡拾又卸膜的机构，建立了玉米苗期收膜机的三维模型，并应用ADAMS软件进行虚拟样机的仿真，得到该机构的相对和绝对运动轨迹。对苗期地膜进行地膜力学特性试验，测出地膜的撕断力FΔ和延伸率δ，并通过对捡膜齿出土过程的力学分析找出捡膜齿对残膜水平作用力F与残膜捡拾滚筒最大角速度ω之间的关系。同时，以玉米苗期残膜捡拾机为研究对象，设计了玉米苗期残膜捡拾卸膜机构，选取机具的前进速度、入土角度、入土深度为影响因素，以地膜收净率和伤苗率为试验指标进行土槽模拟试验。结果表明：该机设计简单、合理，收膜效率高，能够满足预期的设计要求。

关键词：玉米；收膜机；捡拾卸膜机构

0引言

地膜覆盖栽培技术以其增温、保墒、抑制杂草生长、增加作物产量及延长生长期等显著特点，已在我国许多地方迅速推广。 覆盖种植技术在带来增产、增效的同时，也产生了地膜污染土地的严重问题，破坏了农田的生态环境[1]。因此，如何减轻和消除残膜的污染问题已经成了社会日益关注的事情。目前，东北农业大学研制的MS-2型玉米苗期收膜机，存在着膜完全卷在卷膜筒上，卸膜时需用刀从中间将膜切断来卸下膜，卸膜比较繁琐、困难[2]等问题。笔者在前人研究的基础上，根据我国北方气候特点及农艺要求，为提高地膜的收净率并解决卸膜繁琐困难，设计了本玉米苗期残膜捡拾机。该机的核心机构—玉米苗期残膜捡拾卸膜机构通过凸轮滑道来控制捡膜齿的伸缩，能够达到既捡拾又卸膜的目的。

1总体方案设计

1.1整机结构

玉米苗期残膜捡拾机主要由机架、捡拾卸膜滚筒、卸膜轮、曲柄摇杆总成、集膜箱、支撑轮及链轮传动系统等组成，总体结构如图1所示。

1.机架　2.残膜捡拾滚筒　3.卸膜轮

1.2 工作原理

玉米苗期残膜捡拾机作业过程如下：此机具设置为随动，由18kW的配套动力牵引，捡膜齿扎进土壤的阻力与捡拾卸膜滚筒与土壤的摩擦力共同作用，使得捡拾卸膜滚筒旋转，从而进行地膜的捡拾卸膜。由于捡拾卸膜滚筒的高度有限，为安装集膜箱并尽量使得集膜箱空间大，采取增加卸膜轮的方法使得高度增加；捡拾卸膜滚筒、卸膜轮、曲柄摇杆机构通过链轮传动系统连接，当旋转到集膜箱刮板的位置时，捡膜齿与刮板空隙交错排列，很容易将残膜挂掉，从而完成卸膜工序；当残膜掉进集膜箱中时，曲柄摇杆总成不断地往复运动，将掉进集膜箱里的残膜推进压实；随着机具的前进，地膜被连续地捡拾并收集到集膜箱。

2关键部件的设计与力学分析

2.1捡拾卸膜机构的设计

捡拾卸膜机构主要由滚筒、支撑滚筒、捡膜齿、凸轮滑道、滑轮、心轴、滚子、凹槽、侧板、镂空侧板、轨道轮及支撑圆盘等组成,如图2所示。

图2　残膜捡拾卸膜滚筒

机构进行作业时，由滚筒提供动力，捡膜齿由滚筒孔和支撑滚筒孔共同作用，使得捡膜齿始终指向滚筒中心，由心轴将滑轮、滚子、捡膜齿串联在一起，滚子在凹槽中的滚动，使得捡膜齿不受径向限制，可达到变径的目的。通过凸轮滑道来控制捡膜齿的伸缩，完成捡拾卸膜。

2.1.1凸轮滑道的设计

为实现残膜捡拾滚筒工作的连续性，及时地进行脱膜是有必要的，因为残膜缠绕在残膜捡拾滚筒表面，会造成不断的累积，不便于地膜的捡拾。因此，设计了一种残膜捡拾卸膜机构，来实现一边捡拾一边卸膜。捡膜齿伸出部分相对滚筒的运动轨迹区域如图3所示。

图3中，捡膜齿从伸出最大至完全缩回残膜捡拾滚筒，在此区域内通过凸轮滑道捡膜齿实现了从捡拾残膜到完全脱掉的过程。其中，AB、BC、CD、DE、EA分别对应于捡膜齿的放齿、捡拾、升运、清杂及收齿[3]。为了满足捡膜齿在捡拾过程中最大入土深度为0.08m，设计该凸轮滑道及加工凸轮滑道的如图4所示[4]。

2.1.2捡膜齿的设计

捡膜齿的长度主要根据扎膜的入土深度决定，依据垄侧的宽度大约为200mm，因此初步设定3列，如图5所示。

图3　捡膜齿捡拾区域示意图

图4　凸轮滑道

图5　 捡膜齿

捡膜齿齿尖为渐开线型齿尖，根据渐开线的性质1，发生线沿基圆滚过的长度BK等于基圆上被滚过的弧长AB，即长度BK等于弧长AB，如图6所示。又根据渐开线性质2，渐开线上任意一点的法线恒与基圆相切，因此可以确定：当捡膜齿位于A点时捡膜齿尖端的形状应为此渐开线的一小部分。当残膜捡拾滚筒滚到K点时，捡膜齿可以垂直扎入地膜，这样设计渐开线齿尖利于扎膜，相对于成角度的扎进地膜，不易撕膜，保证了拾膜的连续性。

捡膜齿的最大入土深度0.08m，根据轨迹线的划土长度Lm，为了保证拾膜过程的连续性，相邻捡膜齿的绝对运动轨迹曲线应有一定的重叠量Δ，即捡膜齿的实际划土长度Lmp=Lm-Δ。因此，滚筒圆周上应布置的捡膜齿数为n[5]，则

n=L0/Lmp=2πR/(Lm-L)

(1)

图6　渐开线型齿尖

2.2捡拾卸膜机构的力学分析

2.2.1地膜力学特性试验

地膜撕膜力试验是在东北农业大学工程学院力学实验室完成。设备为济南东方试验仪器有限公司的LDZ系列智能电子拉力机[6]，取地膜长100mm、宽30mm、厚0.008mm共4份进行地膜拉伸试验，通过读数直接测出地膜的撕断力、延伸率、抗拉强度，如图7所示。测试结果如表1所示。

图7　地膜的拉伸试验

最大撕断力/N延伸率/%抗拉强度/kN·m18.199.60.527.9112.70.538.1102.70.5

续表1

2.2.2捡拾地膜过程的力学分析

当玉米苗期残膜捡拾机作业时，撕膜口的大小也同样是衡量机具性能的指标。因此，对捡膜齿在出土过程进行受力分析，如图8所示。

图8　捡膜齿出土过程的受力分析

由于捡膜齿是沿着凸轮滑道相对残膜捡拾滚筒做周向转动，其端点A并非做等速圆周运动，因此不仅要考虑其向心加速度，也要考虑捡膜齿端轨迹的切向加速度。

设捡膜齿对残膜的作用的法向力为N，由图8可得出以下关系，即

(2)

式中G—残膜重力；

Gn—重力的法向分力；

Pb—被捡残膜的惯性力；

θ1— 捡膜齿出土位置角；

ρ—被捡残膜重心A的瞬时半径。

通过分析可知

(3)

式中L— 捡膜齿长度；

h— 捡膜齿最大入土深度。

水平作用力为

Nx=N·cos(90°-θ1)

捡膜齿对残膜水平作用力为F=Nx-N阻，则

(4)

为了不使残膜撕断，则必要条件是F≤FΔ。其中，FΔ为残膜的最大撕膜力。因此，可以得出捡膜齿对残膜水平作用力F与ω之间的关系，以及残膜捡拾滚筒最大角速度ω。

3运动轨迹分析

应用ADAMS软件，对捡拾缷膜机构进行虚拟仿真，得到捡膜齿在伸缩过程中的轨迹，如图9所示。由图9可以看出：仿真得到的轨迹与理论轨迹基本一致，能够使该机构在作业过程中实现捡拾和卸膜。

图9　捡膜齿的相对运动轨迹

捡拾卸膜机构在作业时捡膜齿的运动轨迹对拾膜效率起着关键性作用。捡膜齿的绝对运动轨迹如图10所示。

图10　捡膜齿的绝对运动轨迹

其中，A线、B线、水平线分别代表滚筒伸缩孔的轨迹线、捡膜齿端点的行走轨迹、中心轴的运动轨迹。入土行程S’与每排捡膜齿旋转1周的进距S，结合图10的运动轨迹可知：入土深度愈深，形成的脱膜环扣愈大，因此在卸膜过程中卸膜轮齿与捡拾缷膜滚筒有充分的接触，从而完成脱膜卸膜。但由于各方面条件的限制，入土深度不宜过深，保持在50～80mm最为适宜。因此，S’/S的比例关系决定着脱膜环扣的大小，入土愈深，便于脱膜[7]。

4初步试验

4.1试验材料与试验台架

在东北农业大学农具实验室进行土槽模拟试验，试验所用的地膜为国标0.008mm的地膜。土槽土壤含水率为14%～17%，土壤坚实度为12.8N/cm,所用仪器包括土壤水分速测仪、EMT260D转速表、土壤坚实度测试仪。实验台装置如图11所示[8-9]。

1.台车行进传动系统　2.台车　3.实验台支撑架　4.电控柜

4.2试验验证

在优化后的参数组合中随机选取3组数据，并在实验台上进行试验，得出结果如表2所示。其残膜收净率达85%以上，进一步验证了此参数组合提高了收膜效率，及优化结果的正确性。

表2　试验结果

5结论

1)设计了玉米苗期残膜捡拾机，在试验台上对以残膜收净率为试验指标进行试验研究，残膜收净率可达85%以上，提高了收膜效率。

2)渐开线型捡膜齿克服了直齿型弹齿捡膜易撕膜的缺点,能够保证捡膜的连续性。

3)对地膜进行力学特性试验，测得撕膜力大小平均为8.075N；对捡拾地膜出土过程进行受力分析，得到F与ω之间的关系。

4)通过ADAMS软件对残膜捡拾卸膜机构进行虚拟仿真。通过对相对运动轨迹的仿真，可直观地看出捡膜齿通过凸轮滑道控制伸缩，从而完成地膜的捡拾与卸膜；对绝对运动轨迹的分析得出捡膜齿尖端轨迹成环扣式，便于脱膜。

5)采用Design-Expert6.0.10软件进行参数优化分析和试验验证，结果表明：当前进速度为0.75～0.80m/s、入土深度为45～55mm、入土角度为50°时，可以保证较高的收膜率及较小的伤苗率。验证试验结果在优化性能指标区间内，表明优化结果是可信的。

参考文献：

[1]侯书林，刘英超，霍丽丽，等.一种直杆作物残膜回收拾膜卸膜机构：中国，201210203758.6[P].2012-06-19.

[2]侯书林,张佳喜,赵焕平,等.一种除茬残膜回收机:中国,201210560808.6[P].2013-04-03.

[3]赵海军.残膜捡拾滚筒的运动学和动力学研究[D].乌鲁木齐:新疆农业大学,2005.

[4]陈发,史建新,赵海军,等.固定凸轮残膜捡拾机构的优化设计[J].农业机械学报,2005,36(12):43 -46.

[5]冯远静,卢博友,杨青.曲齿型弹齿滚筒式残膜捡拾机构特性分析[J].西北农业大学学报,2000,28(6):163-167.

[6]白圣男.弹齿式收膜机拾膜装置的试验研究[D].哈尔滨:东北农业大学, 2006.

[7]徐良庆.伸缩扒杆式残地膜捡拾装置[J].农业机械学报,1994,25(2):60-64.

[8]周福君，芦杰，杜佳兴.玉米钵苗移栽机圆盘式栽植机构参数优化及试验[J].农业机械学报， 2014,30(1):18 -24.

[9]杜佳兴.玉米纸筒钵苗移栽机关键部件设计及试验[D].哈尔滨:东北农业大学,2013.

Structural Design and Experiment of Plastic Film Collector for Corn Fields During Seedling Period

Wu Shanhua, Zhou Fujun, Zhang Chunlei

(Department of Engineering, Northeast Agricultural University, Harbin 150030, China)

Abstract：To solve the problem of unloading membrane process during seedling period of corn, designed a new type of collecting and discharging of the membrane. Corn seedling membrane machine 3d model is set up, and the application of virtual prototype simulation of ADAMS software, getting the relative and absolute motion curve. On seedling mulch film mechanical properties test, to measure the tear strength F△ and elongation δ of film, and through the analysis of the mechanical process of picking up membrane teeth unearthed, find out the relative of the residual film collector maximum angular velocity of roller ω.Based on the corn seedling remnant film collecting machine as the research object, designing the corn seedling stage discharge residual film collector membrane, I do select the speed of machine ,angle of the grave, the depth of the grave as influencing factors, and have the soil bin simulation text with regarding film net rate and injuring rate as test index. The results prove that the machine has simple and reasonable design, the membrane with high efficiency, it can meet the expected design requirements.

Key words：corn; plastic film collector; pick up and unloading mechanism

文章编号：1003-188X(2016)04-0061-05

中图分类号：S223.5

文献标识码：A

作者简介：吴善华(1989-)，男，哈尔滨人，硕士研究生，(E-mail)wushanhua.happy@163.com。通讯作者：周福君(1969-)，男，哈尔滨人，教授，博士生导师，(E-mail)fjzhou@163.com。

基金项目：“十二五”国家科技支撑计划项目(2014BAD06B04-1-04)

收稿日期：2015-03-30