导向伸缩式残膜捡拾装置设计与试验

赵昱宇　谢建华　曹肆林　赵维松　张雁鸿　周金豹

摘要：針对传统伸缩杆齿式残膜捡拾装置可靠性差、捡拾率低、缠膜率高等问题，基于定心直动滚子凸轮机构，设计一种导向伸缩式残膜捡拾装置。根据残膜捡拾的工作要求对捡拾装置关键部件进行设计，确定残膜捡拾装置中凸轮导轨盘、拾膜滚筒以及弹齿轴总成的主要结构参数。为验证捡拾装置作业性能，以机具前进速度、拾膜滚筒转速、弹齿入土深度为试验因素，以拾膜率和缠膜率为试验指标开展正交试验。试验结果表明：影响拾膜率和缠膜率的因素主次顺序均为拾膜滚筒转速、弹齿入土深度、机具前进速度，较优参数组合为拾膜滚筒转速55r/min、弹齿入土深度40mm、机具前进速度4km/h。在较优参数组合下进行田间验证试验，结果表明，拾膜率为88.87%，缠膜率为1.51%，满足残膜回收作业要求，为导向伸缩式残膜捡拾装置的结构设计、优化提供参考。

关键词：残膜回收；捡拾装置；凸轮导轨盘；弹齿轴总成；正交试验

中图分类号：S223.5文献标识码：A文章编号：20955553 （2023） 11001407

Design and test of guided telescopic film pickup device

Zhao Yuyu Xie Jianhua Cao Silin Zhao Weisong Zhang Yanhong Zhou Jinbao

（1. College of Mechanical and Electronical Engineering， Xinjiang Agricultural University， Urumqi， 830052， China；

2. Xinjiang Key Laboratory of Intelligent Agricultural Equipment， Urumqi， 830052， China； 3. Mechanical Equipment

Research Institute， Xinjiang Academy of Land Reclamation Sciences， Shihezi， 832000， China； 4. Nanjing Institute

of Agricultural Mechanization， Ministry of Agricultural and Rural Affairs， Nanjing， 210014， China）

Abstract：Aiming at the problems of poor reliability， low film pickup rate and high wrapping rate of the traditional telescopic pole tine type film pickup device， a guided telescopic film pickup device was designed based on the centered direct-action roller cam. The key components of the pickup device were designed according to the working requirements of film picking， and the main structural parameters of the cam guide disc， pickup drum and spring tooth shaft assembly in the film pickup device were determined. In order to verify the operational performance of the pickup device， orthogonal tests were conducted with the machine advancing velocity， the speed of the film pickup roller， and the depth of the teeth into the soil as the test factors， and the film pickup rate and film wrapping rate as the test indexes. The test results showed that the primary and secondary factors affecting the film pickup rate and wrapping rates were the speed of the film pickup roller， the depth of the bullet teeth into the soil and the machine advancing velocity. The optimal operating parameters were the speed of the film pickup roller by 55 r/min， the depth of the bullet teeth into the soil by 40 mm and the machine advancing velocity by 4 km/h. The results showed that the film pickup rate was 88.87% and the film wrapping rate was 1.51%， which satisfied the requirements of the residual film recovery operation. The research results can provide reference for the structural design and optimization of the guided telescopic film pickup device.

Keywords：residual film recovery; pickup device; cam guide discs; spring tooth shaft assembly; orthogonal test

0引言

捡拾装置作为残膜回收机械的核心部件，其工作性能是影响残膜回收效果的关键［13］。欧美发达国家常采用的厚地膜其力学特性较优，多采用卷收方式回收地膜［46］，如Parry［9］研制的卷膜机，但该机型仅适用于对厚地膜回收，且收膜时间要求苛刻，新疆地区所使用的地膜普遍较薄，抗拉强度较低，不适用于卷收方式回收，因此国外研制卷膜机等成熟产品难以直接用于地区地膜回收作业。当前，国内自主研制的残膜回收机其捡拾装置主要有弹齿式、轮齿式、链耙式等［78］，伸缩杆齿式捡拾装置通常采用凸轮或偏心机构来控制拾膜齿位姿，但其存在结构复杂、故障率高、缠膜率高等问题。为提高捡拾装置可靠性，降低缠膜率，陈发等［9］借助MATLAB实现了对固定凸轮残膜捡拾机构的优化，提高了捡拾机构工作稳定性；刘旋峰等［10］设计的弧线往复式挑膜装置拾膜效果较优，通过在整机中增设送膜轮装置，实现二次脱膜，可在一定程度上降低缠膜率；刘进宝等［11］基于双曲柄工作原理设计的新型杆齿滚筒式残膜捡拾机拾膜效果好，但对作业前膜面清杂情况要求较高。

伸缩杆齿式捡拾装置膜杂分离效果好，拾膜率较高。本文基于伸缩杆齒式捡拾装置工作原理，设计了导向伸缩式残膜捡拾装置，滚筒侧板U型槽配合凸轮导轨盘滑道实现对弹齿总成的位姿控制，可有效避免弹齿伸出滚筒时沿弹齿安装轴轴向转动大对滚筒罩壳造成冲击导致滚筒罩壳损坏问题发生，研制样机并进行田间试验，为进一步优化导向伸缩式残膜捡拾装置的设计提供参考。

1导向伸缩式捡拾装置结构与工作原理

导向伸缩式捡拾装置主要由凸轮导轨盘、拾膜滚筒和弹齿轴总成组成，结构如图1（a）所示。滚筒侧板及支撑板的U型槽将弹齿总成隔开，滚筒罩壳焊接在滚筒侧板及支撑板外沿，其上脱膜孔与弹齿总成同步转动；凸轮导轨盘通过连接板焊接在机架上，与U型槽共同控制弹齿总成位姿。

该捡拾装置拾膜时，主要分为4个阶段：准备过程—拾膜过程—输膜过程—脱膜过程，捡拾装置工作过程如图1（b）所示。田间作业时，拖拉机牵引机具前进，动力由拖拉机动力输出轴经减速器减速后驱动链传动系统，带动导向伸缩式捡拾装置转动，弹齿总成在拾膜滚筒、凸轮导轨盘、滚筒侧板和支撑板U型槽限制下，沿U型槽由滚筒内向滚筒外运动，直至弹齿杆达到满足作业需求的最大伸出量完成准备过程；拾膜过程滚筒带动弹齿总成顺时针转动挑起地膜；脱膜过程弹齿总成沿U型槽从滚筒外向滚筒内运动，直至弹齿杆完全缩入滚筒内部，在滚筒罩壳脱膜孔的作用下，残膜从弹齿杆脱落进入后侧打包装置，完成残膜捡拾作业。

2关键部件设计

2.1凸轮导轨盘

凸轮导轨盘是捡拾装置完成残膜捡拾作业的关键部件，其基本参数和轮廓曲线设计直接决定和影响弹齿轴总成的运动规律，进而控制不同阶段弹齿轴总成位姿，最终影响作业性能。

2.1.1基本参数设计

2.1.2轮廓曲线设计

2.2拾膜滚筒

拾膜滚筒结构如图3所示，其主体部分由滚筒侧板支撑板连接板、滚筒侧板支撑板、挡护板连接板、滚筒支撑板、挡护板、滚筒侧板和滚筒主轴组成。

残膜捡拾过程中滚筒侧板上的U型槽与凸轮导轨盘共同控制弹齿轴总成位姿；脱膜孔尺寸直接影响机具的作业性能，故需确定U型槽和脱膜孔关键参数。

2.2.1滚筒侧板关键参数确定

2.2.2滚筒罩壳设计

2.3弹齿轴总成

经田间测量可知，残膜经集条作业后膜道宽度为800～1000mm，取单个弹齿距离为100mm，相邻两弹齿间距为200mm，则故每根弹齿轴安装弹齿为5组（10齿）或5组+半弹齿（11齿）并按照错齿排布的方式均布在弹齿轴上。

2.4滚筒转速确定

3田间试验

3.1试验条件

试验在新疆石河子市白龙滩村棉花地开展田间试验。棉花地秸秆均被粉碎还田，通过钢板尺测得平均留茬高度11.24cm。试验地地势平坦、滴灌带及其附属配件均已回收，试验地块长约750m，宽约100m，铺设符合国家标准宽度为2050mm，厚度为0.010mm的农用地膜，铺膜时间为10月。

试验配套动力选用科尔KE704B型拖拉机，额定功率51.5kW。试验设备有电子天平（HZ-C5033，最大称量500g，最小感量0.001g）、卷尺（量程100m）、光电转速表（AR926，测量范围：2.5～99999r/min）、土壤紧实度测定仪（TJSD-750-2）、土壤含水率测定仪（TZS-1K-G）和标签纸等。测得平均土壤紧实度为1820.21kPa，平均土壤含水率为19.42%。

3.2试验与方法

3.3试验结果与分析

由方差分析结果可知，拾膜滚筒转速对拾膜率和缠膜率的影响为极显著，弹齿入土深度为显著因素，机具前进速度有一定影响。拾膜滚筒转速是影响作业性能的极显著因素。当拾膜滚筒转速增加时，弹齿总成上弹齿的直杆端部线速度增加，在拾膜过程中瞬时速度较大，相邻弹齿之间的重合度增加，增大了与残膜的接触次数，有利于对残膜的捡拾，故拾膜率和缠膜率均增大；随时拾膜滚筒转速的持续增大，弹齿总成上弹齿的齿端线速度无法满足与机具前进速度之间的关系，同时由于拾膜滚筒转速的不断增大，弹齿与地膜之间的作用力持续增加，在拾膜过程容易将残膜拉断成更小的片状，不利于对残膜的捡拾，导致拾膜率和缠膜率均减小。

弹齿入土深度是影响作业性能的显著因素，当弹齿入土深度增加时，地膜在土壤的反作用力下被推至弹齿直杆根部，弹齿出土后弹齿直杆所粘连的土壤颗粒使得地膜与弹齿直杆间摩擦力增大，在输送过程中不利于脱落，从而导致拾膜率和缠膜率的上升，但弹齿入土深度过深时，在捡拾过程中弹齿会发生严重变形，增加作业阻力，影响作业性能及弹齿自身寿命；反之，弹齿直杆与地膜接触不充分，不利于对地膜的捡拾，导致拾膜率和缠膜率下降。

当机具行进速度增加时，拾膜钉齿之间的运动重合度增加，对地膜的捡拾次数相应的提高，所以拾膜率和缠膜率呈上升趋势，当机具前进速度继续增加时，机具前进速度将大于弹齿总成上弹齿的直杆端部线速度，破坏了连续作业的条件，导致拾膜率和缠膜率下降。

根据导向伸缩式残膜捡拾装置性能要求，选取较优参数组合为：拾膜滚筒转速55r/min，弹齿入土深度40mm，机具前进速度4km/h。

3.4试验验证

为验证较优组合的工作效果，将较优组合按照3.2节所述试验方法进行3次动态验证性试验，结果如表4所示。导向伸缩式残膜捡拾装置拾膜率平均值为88.87%，缠膜率平均值为1.51%，在满足拾膜率的同时具有较低缠膜率，满足GB/T 25412—2010《残地膜回收机》关于拾膜率和缠膜率要求。

4结论

1） 为解决捡拾装置结构复杂、残膜回收过程中缠膜率高的问题，设计了一种导向伸缩式残膜捡拾装置，介绍了主要零部件与工作原理，对凸轮导轨盘进行了分析，确定了滚筒侧板U型槽和滚筒罩壳上脱膜孔的结构参数；根据运动分析和受力分析得到了捡拾装置主要工作参数。

2） 制作物理样机，以拾膜滚筒转速、弹齿入土深度和机具前进速度为试验因素，以拾膜率和缠膜率为试验指标，进行田间试验。试验结果表明，拾膜滚筒转速对拾膜率和缠膜率影响极显著，弹齿入土深度对拾膜率和缠膜率影响显著，机具前进速度对拾膜率和缠膜率具有一定影响。选取较优参数组合为拾膜滚筒转速55r/min，弹齿入土深度40mm，机具前进速度4km/h，在较优参数组合下平均拾膜率为88.87%，平均缠膜率为1.51%，满足残膜回收机具作业要求。

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