挑夾式殘膜撿拾輸送機構的設計與研究

王志歡，畢新勝，張新超，蔡 賀

（石河子大學 機械電氣工程學院，新疆 石河子 832003）

1 引言

地膜覆蓋栽培技術廣泛應用于我國的農業(yè)生產中。滯留在農田里的殘膜若不能及時回收，將會破壞土壤結構，造成嚴重的白色污染[1-2]。目前，國內雖已研制出多種類型的殘膜回收機具，但大都是先將殘膜和雜物一起撿拾，然后再進行除雜分離[3-7]。因殘膜具有柔軟、易吸附和易纏繞等特性，膜雜一起撿拾很容易使殘膜與秸稈等雜物進一步纏繞在一起，使膜雜分離效果不佳，殘膜含雜率過高，殘膜回收箱很快會被盛滿，在長地塊作業(yè)時頻繁到地頭停機卸膜。這不僅嚴重的影響了作業(yè)效率，而且不便于殘膜的回收利用。

因此，回收時必須先將秸稈和待收殘膜進行提前分離，利用先挑起除雜后夾持輸送的原理設計了一種新型地膜撿拾機構。

2 總體結構與工作原理

2.1 總體結構

該機具主要由切膜機構、挑桿裝置、夾持輸送裝置、脫膜裝置、殘膜收集箱等部件組成，結構簡圖，如圖1所示。其中，挑桿機構由松土鏟、挑膜桿、曲柄搖桿機構組成；夾持輸送裝置由夾塊機構、鏈板輸送等組成；脫模裝置由撐開齒、脫模輥。

圖1 挑夾式農田殘膜撿拾機Fig.1 Picking and Gripping Farmland Residual Film Recycle Machine

2.2 工作原理

樣機以牽引方式與拖拉機連接，傳動系統(tǒng)通過傳動軸與拖拉機動力輸出軸相聯(lián)。作業(yè)時，機具順著苗行前行，前端的起膜鏟將兩邊埋在土壤里的地膜鏟起。縱向切膜裝置從寬行中間把膜切割成兩部分，橫向切膜裝置再進行橫向切割，最終將膜切成矩形的塊狀。隨后，挑膜桿在曲柄搖桿機構的帶動下產生往復挑起運動，挑膜桿將塊狀地膜挑起并塞入輸送的夾鉗裝置中，隨后迅速從夾鉗裝置中脫出，進行下一塊地膜的挑起運動。夾鉗裝置夾著地膜隨輸送向上運動，到達集膜箱后脫膜裝置將夾口裝置撐開并將薄膜刷下，完成一個收膜動作。

3 撿拾機構的設計與優(yōu)化

提出的撿拾部件為曲柄搖桿挑膜機構[8-9]，如圖2所示。主要由挑膜桿、曲柄搖桿機構等組成。鉸鏈A、B，可分別看成人類的肩部和肘部，使撿拾機構更好的模擬人類用手臂撿拾殘膜的動作。

圖2 挑膜機構結構簡圖Fig.2 Force Diagram of Plastic Film

3.1 挑膜機構的數(shù)學模型

為使挑膜機構更好的將膜挑起，并可靠地將殘膜送入輸送夾口中，需對挑膜機構的運動規(guī)律和影響挑膜桿運動軌跡的主要技術參數(shù)進行分析，首先建立挑膜機構的二維平面模型[10]。

由圖2可知：

由此可得E點的位置方程：

進而可得F點的位置方程：

式中：θ=140°為定值。

由式（3）、式（4）式及 M、N、L、H、P、Q 可知，在 F 點的位置方程7中對F點坐標影響較大的參數(shù)是DA（x，y）和lAB、lBC。

3.2 挑膜機構的結構參數(shù)的優(yōu)化

根據機身空間以及挑膜機構安裝方位，將圖2中的BC、CD、CE、EF 的 長 度 lBC、lCD、lCE、lEF分 別 設 定 為 332、230、389.5、128.5mm，θ為定值。將DA（x，y）和lAB設為變量，通過Adams仿真實驗分析出挑膜桿頂點F相對于機身的運動軌跡[11]。

在大量的實驗數(shù)據中挑出的對應DA（x，y）和lAB有代表性的6組值，如表1所示。通過仿真實驗得出的與這六組值對應的F點運動軌跡，如圖3所示。為了將膜較有效的挑起，挑膜機構在參數(shù)優(yōu)化時，需滿足如下目標要求：軌跡的最低點應深入地面以下40mm；為防止在挑起過程中殘膜從挑膜桿脫落，在保證與夾持輸送機構可靠耦合的前提下軌跡最高點應盡量低；處在地面下部分的軌跡線應足夠長，以避免在機具工作過程中，挑膜頻率過高增加機具的負荷。軌跡上兩個線速度方向變化較迅速的圓弧段均應處在地面上方，以保證挑膜桿有較好的入土角度及出土角度，使挑膜動作更加順暢；因此，從圖中可以看出曲線5所對應的結構參數(shù)開發(fā)樣機，即lAB=70mm，DA（x，y）=（262mm，-188mm）。

圖3 不同結構參數(shù)挑膜桿運動軌跡Fig.3 Moving Trajectory of Pick Membrane Rod to Different Structural Parameters

表1 不同軌跡線對應的結構參數(shù)Tab.1 Different Structural Parameters Corresponding to Different Trajectories/mm

3.3 挑膜機構運動參數(shù)的確定

挑膜機構挑膜計算公式：

式中：S—挑膜節(jié)距，m；

Vm—機具前進速度，m/s；

n2—曲柄轉速，r/min。

挑膜節(jié)距S挑的值，直接影響到挑膜的效果，由式（10）可知，要使挑膜節(jié)距S挑減小，則必須使機具前進速度Vm降低或使曲柄的轉速n2增加.綜合考慮實際作業(yè)條件及撿拾可靠性，將挑膜節(jié)距S的值設為250mm，機具前進的速度Vm=3.6km/h，則曲柄轉速n2=240r/min。

取挑膜桿上E、F兩點為測試對象，采用軌跡曲線5所對應的挑膜機構結構參數(shù)以及上述的運動參數(shù)，利用Adams軟件對挑膜機構進行仿真實驗，得到的F點水平速度曲線和E、F兩點運動軌跡曲線，如圖4所示。在圖中可以看出，F(xiàn)點從入土到出土的整個過程中水平速度的方向始終是向前的。由此證明，挑膜機構各運動參數(shù)的選取是合適的。

圖4 挑膜桿運動軌跡和水平速度分量Fig．4 Moving Trajectory of Pick Membrane Rod and Horizontal Velocity Component

4 夾持輸送機構的設計

4.1 夾持輸送機構結構參數(shù)的確定

夾持輸送機構，如圖5所示。此裝置由夾塊機構、鏈板輸送、固定機構等幾部分組成。每個夾塊機構固定在鏈板上，隨鏈板做往復回形運動。綜合考慮田間作業(yè)條件、機架允許空間以及挑膜桿末端運動軌跡，選定夾鉗頂端軌跡曲線的圓弧半徑r=165mm、輸送上夾鉗的高度s=115mm、輸送與豎直方向夾角β=12°。

圖5 夾持輸送機構Fig．5 Gripping Delivery Mechanism

4.2 挑膜與夾持輸送機構相對位置的確定

圖6 挑膜機構與夾持輸送機構相對運動關系簡圖Fig．6 Pick Membrane Rod and Gripping Delivery Mechanism Relative Motion Relationship Diagram

由于坐標系中的曲柄搖桿的機架A、D點坐標以及對應的E、F點的軌跡曲線是從Adams中精確導入的，因此本問題可通過圖解法來解決。由挑膜桿上E、F點的運動軌跡可知，在一個周期內，挑膜桿末端插入土壤向前運動過程中，殘膜會在挑膜桿上E點附近形成堆積，所以挑膜桿應盡量選在E點處與夾鉗接觸。由圖6可知，在挑膜桿末端F點剛離開地面的瞬間使挑膜桿和夾鉗開始接觸并使兩者相互垂直（圖6中實線所示），不但可以保證更多的殘膜送入夾鉗，而且可以減少挑膜桿所受的阻力，使挑膜桿和夾持輸送的配合更加可靠。

另外為避免夾持輸送在運轉過程中與地面接觸，根據實際作業(yè)條件，將夾鉗頂端運動軌跡最低點與地面的距離h設定為30mm。

通過以上兩段分析可知，在圖4坐標系中夾鉗頂端運動軌跡曲線應同時和EF所在直線以及距離地面h的直線相切。依此可確定出夾持輸送機構相對于挑膜機構的位置。綜合考慮機架空間，及作業(yè)條件將夾鉗高度s設定為115mm，夾鉗頂點旋轉半徑r設定為165，β設為12°。于是G點對A點的相對位置GA（x，y）=（365mm，-600mm）。

4.3 夾持輸送機構工作參數(shù)的確定

挑膜桿與夾鉗觸后并繼續(xù)產生相對運動，挑膜桿逐漸將膜塞入夾鉗內，待挑膜桿末端運動到夾鉗凹槽處時兩者開始脫離，殘膜因被夾鉗夾持住留在夾鉗上。通過作圖可知，以G點為圓心以夾鉗的凹槽邊線到G點距離為半徑畫圓與F點軌跡曲線的交點（圖6中虛線所示）即為挑膜桿和夾鉗的脫離點。

通過以上分析可知，夾持輸送的轉速n1由下式得出：

式中：T—挑膜周期；δ—挑膜桿與夾鉗從接觸到分離的時間段內曲柄轉過角度；α—挑膜桿與夾鉗從接觸到分離的時間段內夾鉗轉過角度；

由上節(jié)可知 T=0．25s，通過圖解法測得 δ=68°，α=23°。帶入數(shù)值可得 n1≈81．18r/min。

由上式可進一步求得輸送上夾鉗的間距即：

式中：l—輸送上夾鉗的間距；r—夾鉗頂端軌跡曲線的圓弧半徑；s—夾鉗總高度；

帶入數(shù)值后求得夾鉗間距l(xiāng)≈106．2mm．由圖6可知，機具運動過程中并無部件間的干涉，且部件間相對運動順暢可靠。由此可證明，以上各參數(shù)的設置是恰當?shù)摹?/p>

5 田間試驗

試驗地在新疆某團，作業(yè)地塊為秋后收獲后的棉田，秸稈已被粉碎并散落在殘膜表面，秸稈茬平均高度小于120mm、地面相對較平整，滴管帶已被回收。試驗在一個膜幅上進行，薄膜幅寬為210cm棉花種植行距為（660+100）mm，株距為110mm，薄膜厚度0．01mm，地膜邊緣被埋入土中，機具前進速度為（3～4）km/h。配備動力為約翰迪爾454型拖拉機。

試驗在一個膜幅上進行，薄膜幅寬為210cm，作業(yè)長度100m，從試驗地塊上隨機選取5個區(qū)域重復試驗，對試驗數(shù)據記錄并處理。實驗結果，如表2所示。

表2 實驗結果Tab.2 Experient Result

機具工作過程中，挑膜機構的運動軌跡較為理想，能順利的將膜挑起并塞入夾鉗內，基本沒有殘膜纏繞問題出現(xiàn)；但由于秸稈茬的存在，機具在撿拾過程中會有少量殘膜被秸稈茬鉤掛住，對殘膜回收率有一定影響。另外挑膜機構在運動過程中有較明顯振動，在以后研究中，還需對其進行改進。

6 結論

（1）通過對挑膜機構的優(yōu)化設計，得到曲柄搖桿機構的結構參 數(shù) lAB、lBC、lCD、lCE、lEF分 別 為 70mm、332mm、230mm、389.5mm、128.5mm，DA（x，y）為（262mm，-188mm）。

（2）通過圖解法分析得到夾持輸送鏈板的旋轉半徑為50mm，夾鉗高度為115mm，夾鉗間隔為106.2mm，相對豎直方向偏轉角度為12°。

（3）挑夾式殘膜撿拾輸送機構較好的模仿了人類用手臂撿拾殘膜的動作，試驗證明，挑膜機構曲柄轉速n=240r/min，夾持輸送機構轉速n=81.18r/min時，機構能可靠的將膜挑起并輸送到集膜箱，基本能夠滿足殘膜回收的田間作業(yè)要求。