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

(1.新疆农垦科学院 机械装备研究所,新疆 石河子 832000; 2.石河子大学 机械电气工程学院,新疆 石河子 832000)

新疆是我国棉花主产省份之一,棉田覆膜率100%[1-2]。2020年,新疆农田地膜总覆盖面积为355.34×104hm2,地膜总使用量为23.85×104t,分别占我国农田地膜总覆盖面积的20.44%和农田地膜总使用量的17.58%,居全国首位[3-4]。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[5-6],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[7-8]。

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0.017 mm;美国,最薄厚度0.020 mm;欧洲,最薄厚度0.024 mm。高强度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[9-10]。我国使用的地膜厚度大多为0.01 mm,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[11]。

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[12-13]。谢建华等[14]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87.2%,缠膜率为1.6%。赵岩等[15]设计了CMJY-1500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,地表残膜捡拾率为92.8%。牛琪等[16]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3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90.96%,含杂率为77.35%。施丽莉等[17]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93%。

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:1)残膜回收率不高,捡拾率易受到其他因素的影响;2)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;3)机具作业容错率较低,收膜部件接触到田间砖石等硬块容易出现变形、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。

1 棉花种植环境与残膜的物料特性

1.1 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[18-19]。新疆棉花采用66 cm+10 cm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50～100 mm,膜面和膜边是残膜分布的主要区域[20]。棉田覆膜情况如图1所示。

1,棉花植株;2,膜面;3,膜边;a1,膜边宽度,mm;a2,膜面宽度,mm;S1,宽行行距,mm;S2,窄行行距,mm。1, Cotton plant; 2, Membrane surface; 3, Membrane edge; a1, Width of the membrane edge, mm; a2, Width of membrane surface, mm; S1 ,Wide line spacing, mm; S2, Narrow line spacing, mm. 图1 棉田覆膜示意图Fig.1 Special drawing of film mulching in cotton field

1.2 残膜物料特性

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60、120 d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0.01 mm。测试结果(表1)表明,随着覆膜时间延长,农膜的纵向拉伸载荷和拉伸断裂标称应变均减小。

表1 力学性能测试结果

2 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2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的无芯打包装置进行压缩打包。链耙架后部设有镇压轮,可以根据作业要求调节高度。

1,牵引架;2,主机架;3,打包前门;4,打包开关油缸;5,主打包系统;6,链耙架;7,弹齿;8,收膜链耙限深调节装置。1, Traction frame; 2, Main frame; 3, Packing front door; 4, Packing switch cylinder; 5, Main packing system; 6, Chain rake frame; 7, Spring teeth; 8, Wrap-up chain rake depth limit adjustment device.图2 整机结构Fig.2 Structure of whole machine

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2。

表2 主要技术参数

3 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。捡拾弹齿外伸长度(L)的测算方法为

L=Rtan(δ/2)tanφ。

(1)

式(1)中:R为链轮半径;δ为相邻捡拾弹齿的圆心角;φ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6 mm的65Mn弹簧钢制成),收膜弹齿外伸长度为18 cm,弹齿螺旋部分内径为4 cm,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15 cm的链轮上(图3)。

1,弹齿;2,弹齿轴;3,带座轴承。1, Spring tooth; 2, Elastic tooth shaft; 3, Mounted bearings.图3 弹齿装配图Fig.3 Drawing of spring teeth assembly

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(E)为200 GPa,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80 N·m-1,弹齿轴截面的二次矩为1.25×10-7m4,弹齿轴最大挠度为9.76×10-4m,弹齿轴最大转角为0.08°。

(2)

(3)

式(2)、(3)中:ω为弹齿轴的最大挠度,mm;q为均布载荷,N·m-1;l为弹齿轴长度,m;E为碳素结构钢弹性模量,GPa;I为弹齿轴截面的二次矩,m4;θ为弹齿轴的最大转角,(°);D为弹齿轴外径,mm;d为弹齿轴内径,mm;M为弹齿轴质量,kg;m为弹齿质量,kg;g为重力加速度,m·s-2。

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:1)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。2)达到动平衡要求。弹齿轴应等间距均匀排布在链条上,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2 200 mm的弹齿轴等距错行安装10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4)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。

图4 弹齿排布图(左)与弹齿作业划痕(右)Fig.4 Diagram of spring teeth layout (left) and spring tooth work scratches (right)

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5所示。

图5 弹齿运动轨迹(A点到B点)Fig.5 Trajectory of spring teeth (from point A to point B)

弹齿端部切线方向速度垂直于弹齿斜向下,将其分解为x方向和y方向,并增加x方向的机具行驶速度V0,则弹齿尖直线运动和圆周运动组合的摆线运动速度方程为

(4)

式(4)中:vx、vy分别为弹齿尖水平(x)和竖直(y)方向上的分速度;ω为链耙角速度;V0为机具行驶速度。

机具作业过程中,收膜弹齿对残膜的作用力如图6所示。

图6 残膜受力分析图Fig.6 Force analysis of residual film

在上升过程中,残膜受力平衡的条件如下:

(5)

式(5)中:G为残膜的重力,N;Ff为残膜与弹齿之间的摩擦力,N;FN为弹齿对残膜的支持力,N;FV为残膜所受离心力,N;β为弹齿与竖直方向的夹角,(°)。

为保证残膜不脱落,残膜所受离心力应不小于弹齿切线方向的合力,即:

(6)

式(6)中μ为弹齿与残膜间的摩擦系数。

由式(1)可知,弹齿尖的摆线运动轨迹与机具前进速度、链耙角速度和弹齿回转半径有关。令弹齿尖旋转线速度与机具前进速度之比为λ,用Python软件绘制弹齿尖运动轨迹(图7):当λ<1时,弹齿做具有滑移的圆周运动,单位时间内,弹齿尖圆周运动的弧长小于机具前进的距离,即小于应收残膜的长度,容易造成漏捡的现象,即使残膜被捡起,但由于两排弹齿之间的距离小于残膜长度,弹齿无法将残膜拉紧,会包裹多余的秸秆等杂质;当λ=1时,弹齿做圆周运动,没有相对滑移,单位时间内,弹齿尖圆周运动的弧长等于机具前进的距离,被捡起的残膜处于自然伸直状态,残膜和弹齿之间没有相对作用力;当λ>1时,单位时间内,弹齿尖圆周运动的弧长大于机具前进的距离,即大于被收起残膜的长度,残膜绷紧,处于拉伸状态,不易包裹杂质,便于清杂作业,同时由于残膜的回弹,增加了弹齿和残膜之间的摩擦力,使残膜不易脱落,利于捡拾。

a,λ<1;b,λ=1;c,λ>1。图7 弹齿尖运动轨迹Fig.7 Trajectory of spring teeth tip

基于上述分析,弹齿链耙式捡拾机构正常作业的速比(λ)应大于1。根据测定的残膜物料特性可知,覆膜时间120 d的残膜最大断裂标称应变为328%,可确定速比的取值范围为>1～<3.3,机具行驶速度为>2～<3.5 m·s-1。相应地,可算得链耙角速度不低于8.3 rad·s-1。

为了保证较好的作业效果,令机具行驶速度为2.5 m·s-1、链耙角速度为14.5rad·s-1,算得弹齿尖的绝对运动轨迹为余摆线(图8)。

1,弹齿尖运动轨迹;2,残膜面;h,弹齿入土深度,mm;L0,起膜有效距离,mm。1, Motion trajectory of spring teeth tip; 2, Residual film surface; h, Depth of spring teeth into soil, mm; L0, Effective distance of filming, mm.图8 弹齿尖的绝对运动轨迹Fig.8 Absolute motion trajectory of spring teeth

设弹齿尖深入地表残膜面以下的深度为h,弹齿起膜的有效距离为L0,则h越深,L0越大,且链耙转速越低,弹齿在地表残膜面以下停留的时间越久,有效起膜的距离越长,收膜效果越显著[21-23]。

链耙装置的转速可以通过改变链轮直径大小来控制,当链条转速一定时,即链轮线速度一定时,链轮直径越小,角速度越快。

(7)

式(7)中:P为链轮齿距,mm;Z为链轮齿数;n1为主动轮齿数;n2为从动轮齿数;R1为主动轮半径,mm;R2为从动轮半径,mm;V为链轮线速度,m·s-1。

计算可知:当主动轮齿数为24齿、半径为119.2 mm时,主动齿轮对应的角速度为11.2 rad·s-1;当主动轮齿数为19齿、半径为94.37 mm时,主动齿轮对应的角速度为14.1 rad·s-1;当主动轮齿数为16齿、半径为79.47 mm时,主动齿轮对应的角速度为16.8 rad·s-1。

为验证不同的速比(λ)对收膜效果的影响,在同一链耙转速下,使用John Deere 1354拖拉机,分别在B2、B3、C1挡(对应的行驶速度分别为6.49、7.78、11.2 km·h-1)进行试验。在弹齿入土深度不变的情况下,速比越大,弹齿划痕交接越显著,有效收膜距离越长,收膜效果越好(图9)。

a、b、c图对应的行驶速度分别为6.49、7.78、11.2 km·h-1。Velocity in a, b, c is 6.49, 7.78, 11.2 km·h-1, respectively.图9 不同行驶速度下的弹齿划痕Fig.9 Scratch of spring teeth under different velocity

设相邻弹齿的运动轨迹分别为L1和L2(图10),弹齿入土深度为h,L1的入土点和出土点分别为A1、A2,L2的入土点和出土点分别为B1、B2,S0为前后两排弹齿的水平距离,则保证残膜捡拾率的条件为相邻两排弹齿运动轨迹在膜下有效收膜距离有较多的重合区域,捡拾残膜应满足

图10 相邻两排弹齿的运动轨迹Fig.10 Trajectory of two adjacent rows of spring teeth

Sa=Sb>S0。

(8)

式(8)中:Sa为运动轨迹L1在膜下的有效收膜距离,m;Sb为运动轨迹L2在膜下的有效收膜距离,m。

为准确得到弹齿在土壤中的受力变化情况,利用EDEM 2019.1软件对弹齿的作业过程进行仿真。变量参数设定如下:土壤的泊松比为0.388,密度为1.162 g·cm-3,剪切模量为0.97×106Pa;弹齿的泊松比为0.350,密度为7 830 g·cm-3,剪切模量为7.27×106Pa;土壤与弹齿的恢复系数为0.32,动摩擦因数为0.06,静摩擦因数为0.54。

对试验区域的土壤进行分级,50%以上的土壤属于粗砂粒(粒径0.25～1.00 mm),颗粒外形主要包括块状、核状和柱状3种。利用EDEM软件生成土壤颗粒(图11),设置土槽长、宽、高分别为1 500、400、300 mm,为节省运算时长,将土壤颗粒半径设置为2 mm。

a,块状;b,核状;c,柱状。a, Block; b, Nucleated; c, Columnar.图11 土壤颗粒模型Fig.11 Soil particle model

以弹齿水平放置为起始位置,设置水平前进速度为3.5m·s-1,角速度为16 rad·s-1,入土深度为80 mm,步长为0.05 s,将SolidWorks 2018软件创建的弹齿模型以“.x-t”格式导入EDEM 2019.1软件中,模拟其受到的作用力与转过的角度的变化曲线(图12)。结果表明,当弹齿转过123°时,受力最大,为137.2 N。在此状态下,弹齿不会因塑性变形而失效,可正常完成收膜作业。

图12 弹齿受力变化Fig.12 Changes of force of spring teeth

4 优化试验

4.1 Box-Behnken试验设计

以链耙角速度(X1)、机具行驶速度(X2)和弹齿入土深度(X3)为试验因素,残膜捡拾率(J,%)和含杂率(Z,%)为响应值,运用Box-Behnken中心组合试验原理[24-25],开展三因素三水平正交试验,并应用Design-Expert 10软件分析上述因素对捡拾率和含杂率的影响规律。根据残膜回收机作业条件,以及被收残膜的物料特性确定上述各因素不同水平对应的参数值:链耙角速度,编码水平-1、0、1分别对应于11、14、17 rad·s-1;机具行驶速度,编码水平-1、0、1分别对应于6、9、12 km·h-1;弹齿入土深度,编码水平-1、0、1分别对应于50、65、80 mm。

表3 试验设计与结果

残膜捡拾率和含杂率的计算公式如下:

(9)

(10)

式(9)、(10)中:m0为已脱下的残膜质量,g;m1为残留在弹齿上的残膜质量,g;m2为试验区内地膜铺设净质量,g;m3为试验区内夹杂在膜捆里杂质的质量,g。

4.2 试验结果与分析

4.2.1 试验结果

试验过程未出现残膜阻塞转轴,及弹齿和弹齿轴发生大变形和折断的现象,可以完成拾膜、脱膜的任务,作业性能可靠,机具动作执行流畅,稳定性良好,残膜捡拾干净,可长时间保持成捆形状。将试验结果整理于表3。

4.2.2 方差分析

用Design-Expert 10软件对试验数据(以各因素的编码水平为相应自变量的值)开展多元回归拟合,剔除掉对因变量影响不显著(P>0.05)的项,并对构建的模型进行方差分析,结果显示:无论是对残膜捡拾率还是对含杂率拟合的回归模型的P值均小于0.01,模型极显著,且失拟项不显著[26-27],说明所拟合的回归方程能准确反映出残膜捡拾率或含杂率与各因素的关系,利用回归模型可以较好地对试验结果进行预测。

拟合的回归方程如下:

(11)

Z=61.25+6.06X1-3.52X2-2.04X3+6.21X1X3。

(12)

4.2.3 响应面分析

为了直观分析链耙角速度、机具行驶速度和弹齿入土深度对残膜捡拾率和含杂率的影响,构建响应曲面(图13)。残膜捡拾率随着链耙角速度的加快而增大,原因是链耙角速度增加时,捡拾弹齿的有效收膜距离增加,捡拾更加彻底;随着机具行驶速度的加快而减少,原因是机具行驶速度增加时,链耙的速比减小,弹齿有效收膜距离减少,导致残膜无法被彻底捡起;随着弹齿入土深度的增加而增大,原因是入土深度增加时,捡拾更加彻底,不易遗漏。含杂率随着链耙角速度的加快而增大,原因是链耙角速度增加时,收起来的秸秆、土块等杂质增多,输膜过程膜杂分离不彻底;随着机具行驶速度的加快而减小,原因是机具行驶速度增加时,弹齿对土块与秸秆的撞击和撕扯,以及有效捡拾长度变小,捡起的杂质减少;随着弹齿入土深度的增加而减少,原因是入土深度增加时,弹齿对残膜、土块、秸秆等杂质的压力增大,对秸秆和土块有碾碎作用,而对残膜的摩擦力增加,使得残膜不易脱落,因而含杂率降低。

4.2.4 优化分析

根据残膜回收机的田间作业效率、回收效果和方差分析结果,以残膜捡拾率最大值为目标,对作业参数进行优化,得到的理论最优值如下:链耙角速度14.73 rad·s-1,机具行驶速度9.7 km·h-1,弹齿入土深度74.75 mm。在此条件下,预测的残膜捡拾率为93.2%,含杂率为61.3%。

5 田间试验

选择新疆生产建设兵团第八师沙湾市商户地乡湖西村开展田间验证试验,试验时间为2021-11-09—2021-11-15。试验地较为平坦,土壤质地为壤土。采用传统的机采棉种植模式,地膜厚度为0.01 mm,土地耕层中留有大量的往年残膜,于试验前将膜下滴灌带清理完毕。地块长100 m,宽80 m,日均温度14.9 ℃,试验地碎土率为67.3%,土壤含水率为8.57%,土壤坚实度为0.53 MPa。

以John Deere 1354拖拉机和弹齿式残膜回收机为试验机械,以优化得到的作业参数取整开展试验,现场照片如图14所示。经现场实测,平均残膜捡拾率为92.8%,平均含杂率为63.6%。试验期间,未出现残膜阻塞转轴的现象,未发生弹齿和弹齿轴大变形或折断的情况,可以完成拾膜、脱膜任务,作业性能可靠,能够满足残膜回收机的作业要求。

图14 试验现场照片Fig.14 Photo of test site

6 结论

针对残膜回收机链耙装置的作业特点,建立弹齿与土壤的动态相互作用模型,分析弹齿收膜过程中作用力的变化情况,验证最大受力工况下弹齿不会因塑性变形而失效,能够保证弹齿顺利作业。基于Box-Behnken试验设计原理,以残膜捡拾率和含杂率为响应值,分析链耙角速度、机具行驶速度、弹齿入土深度对响应值的影响,并对上述因素的参数值进行优化,优化结果为:链耙角速度14.73 rad·s-1,机具行驶速度9.7 km·h-1,弹齿入土深度74.75 mm。在此条件下,残膜捡拾率和含杂率的理论预测值分别为93.2%、61.3%。按照优化的作业参数取整开展田间试验,试验区的平均残膜捡拾率92.8%,平均含杂率为63.6%,作业性能可靠,可满足残膜回收机的作业要求。