摟膜機的設計與研究

梁曉兵

(河南機電職業學院，河南 鄭州 451191)

0 引言

隨著地膜技術在作物種植的廣泛運用，產生了大量廢棄的地膜。廢棄地膜不僅污染環境，也降低了土壤的各項理化性能。人工撿拾勞動強度大，現有機械殘膜回收作業撿拾率不高。

按照殘膜回收機械按工作原理可分為：彈齒式、摟膜機、輪齒式、齒鏈式、伸縮桿齒式以及篩筒式殘膜回收機等[1-3]。因此本文根據2TM、4LM-2型立桿摟膜機的結構及原理[4]，設計具有獨立仿形的摟膜機。

1 結構及工作原理

1.1 整機結構

摟膜機通過懸掛架與配套動力連接，配套動力液壓接頭與摟膜機液壓系統連接。其主要由懸掛架、平行四桿仿形機構、機架、限深輪、起膜機構以及護禾板等構成，整機結構如圖1所示。

1.脫膜裝置；2.機架；3.護禾板；4.彈齒；5.起膜機構；6.平行四桿仿形；7.懸掛架；8.限深輪圖1 摟膜機整機模型

摟膜機的整機技術參數如表1所示。

表1 整機技術參數

1.2 工作原理

整機工作前通過調整限深輪與起膜機構，使彈齒與起膜盤的入土深度分別為3 cm、5 cm，可將壓于土壤中的膜邊翻出土壤，配套動力牽引著整機沿鋪膜行以4～8 km/h速度進行殘膜回收作業。摟膜機可通過平行四桿仿形進行小幅度調節對行誤差，以使摟膜彈齒能更好地對準地膜行進行殘膜回收作業。工作過程中限深輪在地面滾動進行仿形，使彈齒始終與地面保持緊密接觸并伸入地表淺層的土壤耕層。護禾板可使作物秸稈與摟膜彈齒分隔開，避免秸稈干擾殘膜回收作業，同時起膜盤會在整機前進過程中滾動，將土壤破碎并推出殘膜，當彈齒前收集了大量殘膜，將摟膜機升起，大部分殘膜在重力作用下自然下落堆積在一起，少量掛在摟膜齒末端部位的殘膜通過液壓缸帶動雙搖桿驅動裝置，將掛在彈齒末端部分的殘膜撥下，實現對淺層土壤耕層殘膜的回收。

2 關鍵零部件的設計分析

2.1 彈齒受力分析

彈齒是摟膜機的主要工作部件，在作業過程中主要受到機具的牽引力Fq、懸掛架、護禾板及機架的壓力Fg、土壤對彈齒的阻力Ff及土壤對彈齒的支持力Fn。受力分析如圖2所示。

圖2 彈齒受力分析

(1)

式中：Ff—土壤對摟膜彈齒的阻力，N；Fq—拖拉機的牽引力，N；n—摟膜彈齒個數；k—土壤比阻，N/cm2；a—摟膜彈齒直徑，mm；b—摟膜彈齒入土深度，mm；λ—牽引力的利用系數。

整機彈齒數量為44個，已知土壤比阻k=6000 N/cm2，彈齒直徑為12 mm，彈齒入土深度30 mm；牽引力的利用系數λ取0.8。因此計算可得Fq=Ff=1502.8 N。

2.2 脫膜裝置受力分析

摟膜機脫膜裝置由脫膜架、平行四桿機構及液壓缸3個部分組成，摟膜機脫膜裝置的作用是脫去摟膜彈齒上殘余的殘膜。

摟膜機脫膜裝置的工作原理是通過螺栓及脫膜架壓板將脫膜架固接在平行四桿豎桿下端的腳板上，并且通過帶座軸承及螺栓將脫膜架鉸接在機架上，使脫膜架可與平行四桿機構聯動，液壓缸驅動平行四桿機構帶動脫膜架繞軸旋轉，進行脫膜作業，脫膜結束后液壓缸會通過平行四桿機構帶動脫膜架復位，從而完成整個脫膜過程。

液壓系統在脫膜裝置中起到了至關重要的作用，液壓缸的設計選型直接影響到到脫膜的工作效果，所以選擇適當的液壓缸型號、液壓工作油路非常關鍵。脫模裝置受力分析如圖3所示。

圖3 脫模裝置受力分析

FG·cosα·L1=2·L2·FN

(2)

式中：FG—液壓缸推力，N；α—液壓缸軸線與平行四桿豎桿垂直面夾角，°；L1—液壓缸銷接點到脫膜架軸承座的距離，mm；L2—脫膜架寬度，mm；FN—脫膜阻力，N。

根據已知參數代入上式中，可計算得液壓缸推力為4523.3 N，選擇液壓缸型號主要參數如表2所示：

表2 液壓缸主要參數

2.3 限深輪力學分析

限深輪主要結構有深度調節螺桿、限深輪輪架、限深輪等組成。限深輪在拖拉機的牽引下，向前運動，受力分析如圖4所示。

圖4 限深輪受力分析

限深輪工作中在每一瞬時，都處于力平衡狀態，則

∑Fx=P-Rx=0

(3)

∑Fy=Q-Ry=0

(4)

∑Mm=P·rd-Q·d=0

(5)

注：νm—摟膜機運動方向；ω—限深輪轉動方向；Q—限深輪承受垂直載荷；N—土壤對限深輪法向作用力的合力；T—土壤對限深輪切向摩擦力的合力；R—N和T的合力(土壤對限深輪的總作用力)分別沿x軸和y軸分解為Rx和Ry；A—力的作用點，與輪心的水平距離為d，垂直距離為rd；Z0—限深輪入土深度；Mm—限深輪軸套中的摩擦力矩；P—拖拉機的牽引力。

對限深輪沉陷進行分析，如圖5所示。

圖5 限深輪沉陷

(6)

式中：n—沉陷指數；kc—土壤粘聚變形模量，N/cmn+1；kφ—土壤內摩擦變形模量，N/cmn+2；b—輪緣寬，mm；D—限深輪直徑，mm。

限深輪滾動阻力為

3 結語

針對我國針對我國地膜危害嚴重、人工撿拾地膜效率低、勞動強度大等問題設計了一種能夠自動仿形的摟膜機，本文對摟膜機關鍵零部件彈齒、脫模裝置以及限深輪的設計依據進行詳細闡述，通過自動仿形與限深輪結合能夠有效提高撿拾率。