基于钉刺式残膜回收机中起膜铲的设计分析

王海新，张学军，2，张朝书，史增录，鄢金山，靳　伟

(1.新疆农业大学 机械交通学院，乌鲁木齐　830052；2.新疆农业工程装备创新设计实验室重点实验室，乌鲁木齐　830052；3.阿克苏精准农机制造有限责任公司，新疆 阿克苏 　843013)



基于钉刺式残膜回收机中起膜铲的设计分析

王海新1，张学军1，2，张朝书3，史增录1，鄢金山1，靳伟1

(1.新疆农业大学 机械交通学院，乌鲁木齐830052；2.新疆农业工程装备创新设计实验室重点实验室，乌鲁木齐830052；3.阿克苏精准农机制造有限责任公司，新疆 阿克苏 843013)

摘要：对钉刺式残膜回收机的关键部件(起膜铲)进行了详细设计，对起膜铲的3种铲柄进行了受力分析，得知倾斜式铲柄和弯曲式铲柄比直腿式铲柄受到的阻力要小；倾斜式铲柄与弯曲铲柄的受力大小主要和本身倾斜角度有直接关系。同时，对起膜铲的铲刀进行了受力分析，得出铲刀的倾斜角度大导致起膜铲所受到的阻力大的结论。

关键词：残膜回收机；起膜铲；钉刺式

0引言

地膜覆盖应用于农业生产中，具有显著的抗病虫害、提升温度及提高农产品产量等作用；但如果不及时回收田间残膜，将会影响农作物生长、农机具工作及造成环境污染，阻碍农业生产的可持续发展。据农业部门调查，我国地膜的使用量为80万～90万t/年，由于我国生产地膜厚度为0.006～0.008mm，抗拉强度小，导致秋收后地膜被风化形成小块碎膜难以回收[1-3]。截至目前，我国研制的残膜回收机技术还不够成熟，仍存在机具功能较单一、故障率较高及田间捡拾残膜连续性较差等问题[4]。为此，设计了一种起膜铲，能够与捡拾装置更好地配合，增大扎膜的几率，从而更好地提高捡膜率。

残膜回收机在回收残膜的过程中，起膜铲的作用如下：一是将耕层中的残膜挑起，与捡拾装置更好地接触，同时增加捡拾装置挑膜几率；二是板结的土壤在托膜铲的作用下，把耕层中的残膜与土壤尽可能地分离开；三是起膜铲将会把根茬切断，方便把残膜回收。因此，起膜铲在工作中主要受到土壤和根茬阻力两方面的影响。

1整体结构与工作原理

1.1总体结构设计

根据深松铲与挖掘部件的设计原理及起膜铲的设计准则，确定起膜铲的结构。起膜铲一般由带刃的铲刀、铲柄及支撑臂组成，如图1所示。起膜铲的铲刀与地面倾斜，方便起膜铲入土。

1.支撑臂　2.铲柄　3.铲刀

1.2工作原理

起膜铲安装在捡拾装置后面的机架上，钉刺式残膜回收机具工作时，起膜铲入土，在铲刀的作用下，将土壤及残膜推挤、抬起，便于捡拾机构扎膜，同时增加了捡拾机构对残膜捡拾几率。

2影响起膜铲性能因素分析

通过查阅文献可知，影响起膜铲性能的主要参数是托膜铲的结构尺寸、土壤性能参数及相关配套动力参数等[5-6]，这些因素对起膜铲性能的影响集中表现在托膜铲所受阻力上。为了方便建立起膜铲所受阻力数学模型，首先要对影响起膜铲作业因素进行综合分析。起膜铲主要参数包括设计参数和工作参数：工作参数主要包括起膜铲入土深度及机具前进的速度；设计参数主要包括起膜铲本身入土角度及铲柄的调节高度等。

3起膜铲铲刀的设计及受力分析

为了使起膜铲在工作时不拥堵，起膜铲将土壤抬起一定高度，以增大捡拾装置扎膜几率。起膜铲受力分析如图2所示。

图2　起膜铲铲面受力分析示意图

由图2起膜铲铲起土壤及残膜时所受力平衡方程可以确定铲面入土角的理论值[9-10]为

(1)

式中F—起膜铲所受到工作阻力(N)；

N—起膜铲所铲残膜及土块的垂直作用力(N)；

G—所铲残膜及土块所受到的重力(N)；

T—起膜铲对所铲残膜及土块所受到的摩擦力(N)。

其中，T=μN，μ是起膜铲与土块之间的摩擦因数。

由式(1)可得

β=arctg(F-μG/μF+G)

(2)

如果β大于式(2)中的计算结果，起膜铲铲土就会拥堵，并导致阻力增大。实际上，β角由起膜铲所需要提升的角度和土壤本身特性而定。

4起膜铲铲柄的设计及受力分析

常见的起膜铲铲柄有直腿式铲柄、倾斜式铲柄及弯曲铲柄，下面分别对3种铲柄进行受力分析。对直腿式铲柄进行受力分析，其受力示意图如图3所示。经过分析可得：直腿式铲柄在工作过程中由于本身特征，只受到水平方向的阻力[7-8]。

图3　直腿式铲柄受力图

4.1直腿式铲柄设计及受力分析

由图3受力分析可知

f=G(V2-V1)/ △t

(3)

式中V1—土壤初始速度(m/s)；

V2—土壤最终速度(m/s)；

G—被扰动土壤的质量(kg)；

△t—土壤由初始速度Vt达到最终速度V2所经历的时间。

土壤质点的质量G为

G=ρV

式中ρ—土壤体积密度(kg/m3)；

V—被扰动土壤的体积(m3)。

为了方便分析计算，起膜铲刚开始运动时的初始速度V1=0，而起膜铲随机具前进的同时，也开始进入土层中，随土壤一起运动。在工作过程中，V2为起膜铲的工作速度，在整个工作的过程中，可认为起膜铲是匀速前进的；在起膜过程中，被土壤拥堵的体积达到工作速度这一过程可以视为匀加速运动，则起膜铲在整个运动过程中所行走的位移为

L=a(△t)2/2

(4)

式中a—起膜铲的加速度；

△t—此过程中所经历的时间。

由于此过程以匀加速过程进行设计分析，因此加速度为

a=(V2-V1)/t

(5)

在起膜铲刚开始运动时，V1=0，则将上式带入可得

L=V2△t/2

(6)

即被铲起的土壤体积V=LS=V2△tS/2。

其中，S为入土铲柄的横截面面积。

由式(6)可得

G=ρV=ρV2△t S/2

(7)

因此，把式(7)表达式带入上式，可以计算出直腿式起膜铲的受力表达式为

f=ρV22S/2

(8)

其中，S=Dd。D为铲柄的厚度(m)；d为铲入土层深度(m)。

联立上式，最终得出直腿式起膜铲阻力

f=ρV22Dd/2

(9)

4.2倾斜式铲柄受力分析

根据直腿式铲柄分析，同理可以得出倾斜铲柄所受到的阻力f计算表达式为

f=G(V2—V1)/ △t

(10)

倾斜式铲柄受力如图4所示。

图4　倾斜式铲柄受力简图

斜铲柄所受到的阻力f，位移为L=V2△t/2,土壤推挤的体积V=V2△tS1/2，S1为铲柄截面在垂直面上的分量，即S1=Ssinβ。

由上式可得：V=V2△tSsinβ，即M=ρV2△tSsinβ/2，得出f=M(V2-V1)/ △t=ρV2△tSsinβ(V2-V1)/2△t=ρ(V2)2Ssinβ/2。

同理，在计算公式中，铲柄的横截面面积是指倾斜铲柄入土部分的横截面积，即S=Dd。其中，D为柄深度(m)；d为铲柄入土深度(m)。d=d1/sinβ，d1为铲入总深度。

倾斜式铲柄受到阻力公式为

f=ρV22Dd1sinβ/2

(11)

4.3弯曲铲柄的设计

在分析弯曲铲柄受力的同时，其挠动土壤的体积则与前两种情况不同。弯曲铲柄受到的阻力如图5所示。

图5　弯曲铲柄受力图

由图5受力分析可得体积V为

V=LS-1/2LRsinβD2=L(S-RsinβD)

=1/2V2△t(S-RsinβD)

(12)

所以M=ρV=1/2ρV2△t(S-RsinβD)

式中ρ—代表土壤密度(kg/m3)；

V2—工作时的速度；

S—铲柄横截面面积；

D—铲柄厚度；

R—弧形半径；

β—地面以下部分的圆弧夹角的一半。

铲柄横截面面积S为S=LD。此处L为弯曲铲柄的总长度，所以L=R2β。

从以上式子可以得出S=R2βD。

综上，把上式带入阻力表达式中，可以得出

f=1/2ρV22RD(2β-Sinβ)

(13)

5讨论与结论

通过以上3种铲柄受力计算分析，得出3种铲柄所受到的阻力公式为

直腿式铲柄的所受阻力为

f=ρV22Dd/2

(14)

倾斜式铲柄所受到的阻力为

f=ρV22Ddsinβ/2

(15)

弯曲铲柄所受到的阻力为

f=1/2ρV22RD(2β-sinβ)

(16)

1)通过对铲柄的受力分析，可以比较3种铲柄受力大小，从而得出哪种铲柄受力情况最佳。

2)由铲柄受力分析可知，弯曲铲柄和倾斜式铲柄的受到的阻力小于直腿式铲柄。

3)对于弯曲铲柄与倾斜式铲柄哪个比较实用，就要看两种铲柄的倾斜角度。

参考文献：

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[3]张学军,吴成武,马少辉,等.残膜回收机搂膜连杆机构模糊优化设计[J].农业机械学报,2007,38(9):55-58.

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[6]马守峰.深耕铲工作状态受力分析与计算机模[D].郑州：河南农业大学，2004.

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[8]石林榕.马铃薯力学特性与挖掘铲减阻机理研究[D].兰州：甘肃农业大学，2013.

[9]王建波.小型马铃薯挖掘机的总体设计与关键部件性能研究[D].武汉：华中农业大学，2010.

[10]孙恒,陈作模,葛文杰.机械原理(7版)[M].北京:高等教育出版社,2006:151-173.

Based on the Stud Type Residual Film Recycling Machine in the Film the Design of the Spade

Wang Haixin1， Zhang Xuejun1,2， Zhang Chaoshu3, Shi Zenglu1， Yan Jinshan1， Jin Wei1

Abstract：In this paper, the key components of the stud type residual film recycling machine (membrane shovel), a detailed design of three of the membrane shovel shovel handle the stress analysis, draw a tilting shovel handle than straight leg type and bending type shovel handle shovel handle resistance is smaller. While tilting shovel handle and bending stress of the shovel handle size, angle has a direct relationship between main and itself. At the same time, this article on the film shovel shovel has carried on the force analysis, draw a shovel blade angle is large, resulting in a film by the great by the resistance of the shovel.

Key words：the residual film recycling machine；the membrane shovel; stud type

文章编号：1003-188X(2016)04-0118-04

中图分类号：S223.5

文献标识码：A

作者简介：王海新(1989-),男，山东临沂人，硕士研究生，(E-mail) wanghaixin_123@163.com。通讯作者：张学军(1966-)，男，乌鲁木齐人，教授，硕士生导师，博士，(E-mail)zhxjau@sina.com。

基金项目：国家农业科技成果转化资金项目(2013G4109001)

收稿日期：2015-05-26