拨轮式膜秆分离机的设计

郭振华，陈换美，王莹莹

（1.石河子大学机械电气工程学院，新疆 石河子832000；2.巴音郭楞职业技术学院）

0 引言

秋后棉田残膜回收过程中，棉秆容易跟残膜发生缠绕，对残膜回收率造成一定影响。因此，棉秆的清理对残膜回收工作的顺利进行非常重要。目前，棉秆的清理方式主要包括两种：棉秆粉碎还田和将棉秆整体拔出运到田外。棉秆粉碎还田是应用棉秆粉碎设备将棉秆打碎成10～20 cm 的小段均匀散在棉田中，棉秆粉碎还田机械减少了机具下地次数，提高了农机作业效率。但是，粉碎的棉秆容易对后续的播种工作造成影响，播种时棉秆容易插入穴播器中，降低播种效率。棉秆整体拔出运至田外是利用拔秆机械将棉秆拔出，抛送至拖斗，运到田外。这种作业方式与棉秆粉碎还田相比，主要有两个优点：（1）棉田清理更干净，棉秆被拔出运走后，棉田地表只剩地膜和少量杂秆，便于残膜回收工作的顺利进行，有利于提高残膜回收率；（2）棉秆可用于喂牛羊等牲畜料，也可用于造纸，棉秆的利用可以增加社会经济效益。

本文主要对抛杆机构进行设计和试验，为拔轮式残膜回收机的设计优化提供参考。

1 整机结构与工作原理

拔轮式残膜回收机的总体结构如图1。机型采用半悬挂式，动力由拖拉机后动力输出轴输送至变速箱，经带传动传递至各转动机构。工作时，棉秆被拨秆轮向后拨送，同时根部被提辊旋切铲断，棉秆在抛秆轮和拨秆轮的共同作用下拔出并向后抛送，落到输送带上，经输送带送至机架后方的拖斗内。在作业过程中，棉秆被拔出运送到田外，残膜留在田间，由输送带下方的残膜回收机构收起。该机型可以实现膜秆分离，有一定的实际应用意义。

2 膜秆分离机关键部件及主要参数

抛秆机构主要包括提辊、拨秆轮、抛秆轮和输送带。棉秆拔出后抛送效果如图2，作业时，提辊从根部将棉秆铲断，同时在旋切的作用下将棉秆根部从土壤中翻到地表，拨秆轮将棉秆向后拨送，与抛秆轮共同作用将棉秆拔出抛送至输送带上，实现膜秆分离。

2.1 拨秆轮的各项参数

2.1.1 拨秆轮直径

主要由棉秆的平均株高l、棉秆的重心位置及拨秆轮速比λ 来决定。拨秆轮直径可由下式求得：

棉秆的高度l 在60～90 cm 之间，棉秆刚度从上端到根部逐渐变大，抗弯能力逐渐变弱。棉秆弯曲曲率逐渐减小，为避免在拨秆过程中棉秆过度弯曲而折断，拨秆轮对棉秆的拨送位置O 点应位于棉秆质心上部。拨秆轮下端离地高度h 在30～45 cm 间，λ=1.3，考虑到拨秆轮中心轴高度应高于棉秆，拨秆轮直径设计为D=90～130 cm 较为合适。

2.1.2 拨秆轮轴的安装高度

拨秆轮离地高度影响棉秆进入抛秆轮与拨秆轮之间的状态：如果离地过高，拨秆轮只能拨到较高的棉秆；如果离地高度太低，拨秆轮对棉秆的拨送位置偏低会造成大量棉秆的折断，对残膜回收造成一定的影响。

拨秆轮轴的安装高度H 为满足拨杆竖直插入棉秆丛和使拨杆位置在棉秆重心略偏上的要求，即：

式中l—棉秆平均株高，cm；h—拨秆轮下端离地高度，cm；D—拨秆轮直径，cm；λ—拨秆轮速比，取1.3。

拨秆轮轴的安装高度需根据棉秆实际平均高度和稀疏情况选用上述公式。利用上述公式求得拨秆轮轴安装高度H 的取值范围为65～95 cm。

2.1.3 拨秆轮与提辊水平距离

拨秆轮轴以处于提辊正上方为正中位置。为使拨秆轮在提辊上方仍有水平拨棉秆至抛杆轮的能力，拨秆轮轴与提辊间水平极限距离为：

如果棉秆茂密，不倒状，拨秆轮可适当后移，增加其拨送棉秆的能力。代入相应数值可计算得b 最大取值为41.6 cm。

2.2 转速设计

棉秆根部被提辊铲断后，由拨秆轮和抛秆轮共同作用将其抛送至输送带，输送到机架后方运到田外。

拨秆轮转速要求：能够起到将棉秆向后拨送，在棉秆根部被铲断的同时，与抛秆轮共同作用将棉秆向后抛送。抛送的棉秆满足能量守恒定律：

棉秆被抛送的初始速度由拨秆轮和抛秆轮决定，考虑到抛秆轮与棉秆抛送初速度不会完全相同，有一定的速度损失，所以抛秆的初始速度与拨秆轮线速度满足：

式中v0—棉秆被抛出速度；vp—为抛秆轮线速度；vb—拨秆轮线速度，ε—速度损失系数。

2.3 拨秆轮的运动轨迹分析

拨秆轮的运动轨迹方程为：

式中x—拨秆轮上任意一点水平坐标；y—拨秆轮上任意一点垂直坐标；vm—机器前进速度；t—时间；R—拨秆轮半径；ω—拨秆轮角速度；H—拨秆轮轴安装高度。

从方程可知，拨秆轮上任意一点的运动轨迹为余摆线。根据拨秆轮在圆周上的不同位置和拨秆轮回转一周机器前进的距离S 的关系，拨秆轮运动轨迹可用作图法求得。先按下式求得S：

式中n—拨秆轮转速。

拨秆轮外端运动轨迹取决于机器前进速度vm与拨秆轮转速vb的比值λ。拨秆轮外端运动轨迹形状随λ 值的变化规律如图3。λ 值的取值范围为0 到∞，拨秆轮的外端运动轨迹为直线（λ=0）、短幅摆线（λ＜1）、普通摆线（λ=1）、长幅摆线（λ＞1）直至圆（λ=∞）逐渐变化。为满足拨秆轮对棉秆的引导、扶持和推送作用，须使拨秆轮具有向后的水平分速度。轨迹曲线上各点切线的方向，就是拨秆轮在各种位置时的绝对速度方向。由图3 的分析可以看出，当比值λ＞1 时，拨秆轮端点运动轨迹形状为长幅摆线（余摆线），此时运动轨迹形成扣环，在扣环的下部，即扣环最长横弦AA1的下方，拨秆轮具有向后的水平分速度。

由此可知，拨秆轮正常工作的必要条件是拨秆线速度比λ＞1。

只有在上述条件下合成的运动轨迹在轴的水平线以下才能构成一个扣环。扣环的最大横弦AA1上A 点的绝对速度是垂直向下，A1点是垂直向上，最低点B 的绝对速度是水平向后，因此，只在ABA1线段范围内才有向后拨杆的水平分向量。如果提辊在A1点的正下面，则拨秆轮直接拨秆的前后范围等于最大横弦的长度，即：

如果提辊在B 点下方，直接拨秆的前后范围为：

为了充分利用ABA1轨距拨秆，应当调节好拨秆轮的位置，使AA1线与棉秆的顶部平均高度一致，同时使拨杆竖直插入棉秆丛，进入深度为：

3 结论

针对棉田残膜回收效率低，残膜回收困难的问题，本文设计一种膜秆分离机构，该机构主要由提辊、拨秆轮、抛秆轮等部分组成。试验表明，该机构工作时，提辊通过入土旋切的方式可以将棉秆从根部铲断，同时将地膜翻出地表便于残膜回收，棉秆在拨秆轮和抛秆轮的共同作用下被抛送至机架后方的拖斗中，达到膜秆分离的作业效果。该机构可以完成膜秆分离任务，为残膜的高效回收创造条件。