棉田耕层残膜回收机的设计与机架模态分析

张凤奎 李 平* 张 宏 廖结安 兰海鹏刘 扬 张永成 于福锋

（1塔里木大学机械电气化工程学院，新疆 阿拉尔 843300）

（2新疆维吾尔自治区普通高等学校现代农业工程重点实验室，新疆 阿拉尔 843300）

为减少残膜对土壤环境的污染，秋收后覆盖在地表上的残膜，一般采用人工回收或使用地表残膜回收机回收，但仍有部分残膜留在土壤中。未被回收的残膜被后续耕整地机具翻至地表以下，地膜残留量在42～540 kg/hm2之间，平均残留量在200 kg/hm2以上［1］，且逐年增加。调查结果表明留在距地表0～200 mm深度的残膜较多［2］，在200 mm深度以下的残膜相对较少。目前大多学者针对地表残膜回收机研究较多，耕层残膜回收机研究较少，主要由于残膜残留在土壤中的时间过长，易碎易断，屈服强度只有新膜的40%左右［3-13］，机械回收难度较大。现有残膜回收机大多是针对地表残膜进行回收，且在残膜捡拾和脱膜过程中，弹齿易发生弯曲。针对以上问题，本文基于轧辊和旋转锹原理，提出深翻土、少碎膜、土膜分离、多齿挂膜结合的方式对棉田耕层深度为0～180 mm残膜进行回收，为棉田耕层残膜回收机械设计提供一种思路。

1 整机结构及工作原理

1.1 整机结构及主要技术参数

针对以往残膜回收机捡拾深度不够、旋耕后残膜过碎不易捡拾、缠绕工作部件和捡拾弹齿易弯曲等问题，设计了一种深松铲翻土，轧辊和旋转锹抛膜，多齿头弹齿装置收膜的棉田耕层残膜回收机，该机结构如图1所示。主要由牵引装置、总传动箱、抛土机构传动箱、链条传动机构、机架、弹性刷膜装置、收膜箱、多齿头收膜装置、抛土机构、翻土机构、齿轮箱和深松机构等组成。主要技术参数如表1所示。

图1 棉田耕层残膜回收机结构图

表1 主要技术参数

1.2 工作原理

该机由拖拉机提供前进动力，工作时通过拖拉机液压悬挂机构将整机高度降低，深松机构入土，翻土机构转动并完成碎土、松土、翻土作业。抛土辊上的抛土铲将混杂残膜的土壤抛出，抛出的土壤与残膜落在地表上。多齿收膜装置将地表上的残膜拾起，在多齿弹齿与刷膜辊接触时，残膜被刷膜辊刷下，并掉落到收膜箱中。多齿收膜装置链条外圈安装挂膜多齿，内圈安装输送带。当残膜面积较大时，可被弹齿挂住，最后送入收获膜箱中；当残膜面积较小时，先被弹齿挂住，再在机械振动作用下掉落到输带上，最后随着链条转动也落入收膜箱中。该机工作原理如图3所示。

图2 工作原理示意图

2 关键机构参数设计

2.1 深松机构设计

深松机构完成棉田土壤的深松作业，主要由深松支架、深松臂和深松铲等组成。深松机构长2 020 mm，高625 mm；深松支架前后都安装有深松臂，每行深松臂距离242 mm，每列深松臂距离121 mm。深松臂排列方式如图3所示。深松铲型式采用凿形深松铲，深松深度200 mm，高度可调。

图3 深松机构示意图

2.2 翻土机构设计

翻土机构完成碎土、松土、抛膜抛土作业，为其后面的抛土机构提供良好的工作环境。该机构完成松土时，能够减少对残膜的破坏。

翻土机构主要由齿轮箱、联轴器、翻土板、刀辊、刀座、轴承座和支撑侧板等组成，如图4所示。刀辊安装在齿轮箱右侧，刀辊的另一侧通过支撑侧板上的轴承座固定，为保证刀辊稳定工作，相邻两块翻土板错开排列。刀辊长2 000 mm，刀片高200 mm，宽4 mm，刀座高100 mm，长650 mm，相邻两刀座间隙为25 mm。

图4 翻土机构结构示意图

该机动力机械输出功率为46.35 KW，转速960 r/min。通过齿轮、链传动比计算可知：翻土装置转速为150 r/min，总传动比6.4，各装置转速数值如图5所示。

该机的翻土功耗需小于动力机械总功率，翻土功耗如下式［14］：

式中d--耕深（cm）

Vm--机组前进速度（m/s）

B--耕幅（m）

Kλ--旋耕比阻（N/cm2）

查表计算出Kλ=5.051 904，该机耕深d=18 cm，前进速度Vm=2 m/s，耕幅B=2 m，计算得出翻土功耗N=36.4 KW。

图5 齿轮传动示意图

2.3 抛土机构设计

基于旋转锹原理设计抛土机构，主要针对翻松后混有残膜的土壤进行抛送，残膜在抛送的过程中在自身重力作用下集中于地表，便于后续装置进行捡拾。抛土机构主要由抛土机构传动箱、抛土铲、抛土臂、支撑架和抛土辊等组成，结构示简图如图6所示。抛土机构传动方式为侧边链传动。抛土辊通过联轴器连接安装在抛土机构传动箱左侧，抛土辊的另一侧通过支撑侧板上的轴承座固定。由参考文献［3］可知：抛膜速比λ可用式（2）计算。

式中V--刨膜辊刀的旋转切线速度(m/s)

Vm--机具的前进速度(m/s)

R--抛土铲半径(cm)

ω--抛土铲角速度(rad/s）

当λ＞1时，抛膜铲转向抛土辊的最高位置时，抛土铲绝对速度在水平方向分量与机具前进方向相反。此时，抛土铲运动有利于实现残膜与土壤分离，并将部分残膜和土壤向后抛送，可以完成抛土抛膜工作。当λ＞5时，抛膜过高，不利于残膜回收，λ范围在2～5时能满足要求。

图6 抛土机构结构示意图

抛土机构作业幅宽为2 004 mm，抛土辊长2 185 mm，侧边抛土铲距离抛土辊侧壁102 mm，相邻抛土铲距离225 mm，相邻抛土铲空隙25 mm，抛土辊上平均分布9个抛土铲，抛土铲与抛土臂夹角75°，抛土铲排列方式如图7所示。

图7 抛土铲排列方式

2.4 多齿头收膜装置设计

多齿头收膜装置主要由链条传动机构、张紧链轮、收膜链条及输送带组成，多齿头收膜装置结构简图如图8所示。收膜链条在链条传动机构带动下顺时针转动，收膜链条主要输较大块的残膜。输送带安装在收膜链条内圈，当链条转动产生振动，较小块的残膜掉落到输送带上，在输送带的运输下，最终落入收膜箱中。

图8 多齿头收膜装置结构示意图

链条传动机构传动比为1：2，通过计算收膜链条上的链轮转速为480r/min。链条传动机构和多齿收膜装置均装有张紧装置，以防止链条在工作过程中脱落。收膜链条与水平方向呈45°夹角。

收膜链条上装有弹齿如图9所示。齿长120 mm，直径4 mm，相邻短齿距离为30 mm，齿头均呈弯曲状，齿头数量增加可以提高残膜的捡拾效率。

图9 多齿弹齿

2.5 弹性刷膜装置设计

当多齿弹齿与刷膜辊碰触时，与刷膜辊发生摩擦并带动刷膜辊转动，在摩擦力的作用下弹齿上的残膜脱落掉入收膜箱中。刷膜辊在摩擦力作用下转动时，能够避免多齿弹齿与刷膜辊碰触时产生弯曲。当刷膜辊受到多齿弹齿的作用力时，刷膜架随之转动；当刷膜辊不受力时，通过复位弹簧复位，可以减少弹齿损坏。弹性刷膜装置简图如图10所示。

图10 弹性刷膜装置示意图

3 机架的有限元模态分析

该机整机结构组件多，组件安装跨度大，各组件又均是运动件，对机架的作用力复杂，为了保证后期机架加工制作后，不产生较大的应力集中及形变，可通过有限元软件进行机架模态分析，该分析结果可为机架实体加工提供依据与参考。

该机机架的三维模型如图11所示，由等距分布的3根横梁、1块锥齿轮变速箱支撑板及两侧固定梁和侧板组成。固定梁结构均采用方钢管，侧板厚度取10 mm，机架模型其它相关参数见表2。

图11 三维模型

表2 机架相关参数

该机具机架三维模型由Solidworks软件完成，通过软件接口导入到ANSYSWorkbench16.0中。先在软件中进行材料选型和模型网格划分，机架模型有限元网格划分模型如图12所示。

图12有限元模型

对机架三点悬挂连接处施加固定约束，仿真时只需提取机架前6阶模态频率和振型，机架前6阶模态振型云图如图13所示。通过软件仿真可以得到固有频率和振型变化。固有频率及变形量数据见表3。

图13 机架模态分析云图

表3 机架前6阶模态分析表

由机架模态云图可知：机架尾端两侧的固定梁、侧板以及中间等距分布的固定梁，易发生变形；前端锥齿轮变速箱支撑板宽度较宽，整体刚度较大，不易变形；机架后端无固定梁支撑，刚度小，易变形；机架两端侧板尾端也因无固定梁支撑而易发生变形。

该机在工作过程中，机架受到的主要外界激励源有地表路况、翻土机构、抛土机构、传动机构和拖拉机输出轴。该机在深松土壤时，可忽略地表路况对机架的激振；仿真分析表明：翻土刀辊转速为150 r/min，最大激振频率为7.82 Hz；抛土辊转速为192 rad/min，最大激振频率为8.32 Hz，拖拉机动力输出轴转速为960 r/min，最大激振频率为17.5Hz，可见拖拉机输出轴的激振频率是引起机架振动的主要因素，但其激振频率不在机架固有频率范围21.084～57.865 Hz内，因此机具作业过程中不会引起机架共振。

4 结论

1）通过分析当前残膜回收机优缺点，设计一种具有深松翻、少碎膜、捡拾干净、并减少弹齿弯曲等特点的棉田耕层残膜回收机。

2）对深松机构、翻土机构、抛土机构、多齿收膜装置和弹性刷膜装置的作用及运动分析，确定了各装置主要结构参数和运行参数。

3）由于该机整机结构复杂，对机架要求较高，本文利用ANSYS软件对机架进行了模态仿真分析，分析表明：拖拉机输出轴的振动是引起机架振动的主要因素，其激振频率不在机架固有频率范围21.084～57.865 Hz内，作业时不会引起机架共振。该结论可为样机后续制造提供依据。