曲轴式棉田地表残膜回收机捡膜特性分析及工作参数优化

针对"11SM-1.7型曲轴式残膜回收机"核心捡膜部件作业参数不合理、残膜回收率较低、卸膜阻力较大等问题,该文分析了曲轴式残膜回收机结构与工作原理,建立弧形齿捡拾装置的运动模型,运用MATLAB编程分析了往复式偏心弧形齿尖运动特性和漏捡率。在棉杆收获后进行田间正交试验,分析捡拾齿角速度、捡拾齿半径、捡拾齿入土深度、残膜回收机前进速度不同参数组合对残膜回收率和卸膜率的影响并优化参数组合。结果表明捡拾齿入土深度35 mm、机具前进速度1.3 m/s、捡拾齿转动角速度60 r/min、捡拾齿半径245 mm时,残膜捡拾率最高为93.2%、卸膜率最高为94.6%、残膜漏捡率为1.61%,研究结果可为新型残膜回收机的研制提供理论基础和参考。     

滚筒式残膜回收机的性能试验研究

针对“11SM-1.5型滚筒式残膜回收机”核心工作参数匹配不合理,机具在作业时,常常由于使用者操作方式与水平存在差异,影响残膜回收的总体拾膜性能,进而降低残膜拾净率.滚筒式残膜回收机是一种以弧线往复式挑膜装置为核心部件的典型残膜回收机具,该研究根据滚筒式残膜回收机的结构和工作原理,分析弧线往复式挑膜装置的挑膜齿尖运动轨迹特点,确定影响机具性能的主要因子为挑膜装置转速、机具前进速度和挑膜齿入土深度,采用正交试验分析法进行田间试验,分析不同参数配比对残膜拾净率的影响,得出各因素的影响显著性及主次顺序.综合考虑挑膜装置各项指标,选择最优的水平组合,获取机具的最佳工作参数匹配,即:挑膜装置转速45 r/min、机具工作速度4km/h和挑膜齿入土深度35 mm时,残膜拾净率为88.2％,达到残膜回收机设计标准,比目前成熟的秸秆还田联合式残膜回收机的官方测定捡拾率高6.2个百分点,为机具优化设计提供数据参考,进而指导实际生产.     

随动式残膜回收机清杂系统作业参数优化

残膜是一种可循环利用材料,残膜回收过程中只有将残膜和作物秸秆、土壤等杂质分离,才能实现残膜的回收利用,减少残膜污染。针对目前回收残膜含杂率高的问题,该文设计了一种随动式残膜回收机清杂系统。为明确该系统的作业性能,提高残膜回收作业质量,进行了随动式残膜回收机清杂系统作业参数优化。通过对工作原理、工作条件及膜杂分离影响因素的分析,确定以机具前进速度、地膜输送链速度、捡拾滚筒安装位置和二级杂质输送装置转速为试验因素,以残膜捡拾率、膜杂分离率和杂质输送效率为试验指标,根据二次回归正交组合试验设计原理,进行了四因素五水平回归正交组合田间试验设计。利用Design-Expert软件对试验结果进行响应面分析,得到各因素与试验指标之间的数学模型,分析得出影响残膜捡拾率和膜杂分离率的主次因素依次是捡拾滚筒安装位置、机具前进速度、地膜输送链速度和二级杂质输送装置转速;影响杂质输送效率的主次因素依次为二级杂质输送装置转速、捡拾滚筒安装位置、地膜输送链速度和机具前进速度。根据优化目标的重要程度,对回归模型进行多目标优化,得出清杂系统最佳作业参数组合为:机具前进速度1.26 m/s、地膜输送链速度1.55 m/s、捡拾滚筒安装位置-17 mm(即以支架长孔中心与捡拾滚筒中心在竖直方向重合为原点,向机具前进方向调整17 mm)、二级杂质输送装置转速为205 r/min,在最优参数组合下残膜捡拾率为90.19%,膜杂分离率为92.21%,杂质输送效率为89.6%。并通过田间试验验证了最优组合,试验结果显示:残膜捡拾率为91.54%、膜杂分离率为90.37%、杂质输送效率为88.4%,与预测值误差分别为1.50%、2.00%和1.34%,参数优化结果可靠。研究结果可为提升随动式残膜回收机清杂系统作业质量提供参考。     

铲筛式残膜回收机输膜机构参数优化与试验

垄作残膜回收对机具幅宽要求较高、地膜利用低、垄体高、垄沟残膜回收难、残膜碎片多、埋膜深等特点。铲筛式残膜回收机对土下残膜具有回收能力,在垄作残膜回收领域具有良好的应用前景。输膜机构缠膜率高和收获后残膜含土率高是制约铲筛式残膜回收机推广的主要问题,为了提高铲筛式残膜回收机输膜机构作业质量,降低输膜机构的缠膜率及收获后残膜的含土率,该文运用单因素试验方法得出最优筛面结构形式,在单因素试验基础上运用Box-Benhnken的中心组合试验方法对残膜回收机输膜机构的工作参数进行了试验研究,以振动筛振动频率、振动筛振幅、齿片间距进行三因素三水平二次回归正交试验设计。建立了响应面数学模型,分析了各因素对作业质量的影响,同时,对影响因素进行了综合优化。试验结果表明:缠膜率影响显著性顺序为振动筛振动频率?齿片间距?振动筛振幅;含土率影响显著性顺序为齿片间距?振动筛振动频率?振动筛振幅;最优工作参数组合为振动筛振动频率3.9 Hz、振动筛振幅42 mm,齿片间距15 mm,对应的缠膜率和含土率分别为1.72%、32.81%,且各评价指标与其理论优化值的相对误差均小于5%。研究结果可为铲筛式残膜回收机输膜机构的结构完善设计和作业参数优化提供参考。     

基于FEM-SPH耦合的卷辊式耕层残膜回收部件结构优化与试验

针对棉田耕作层内残膜力学性能差及膜土分离困难,残膜拾净率低和回收的残膜含土量高等问题,该研究对卷辊式残膜回收部件进行优化。在分析起膜捡膜工作过程和建立卷辊弹齿与膜土团聚体之间动力学关系的基础上,采用有限元法(finite element method,FEM)和光滑粒子流体动力学(smoothed particle hydrodynamics,SPH)耦合算法,建立卷辊弹齿-膜土团聚体接触计算模型,探究卷辊弹齿与膜土团聚体之间相互作用机理,分析卷辊弹齿接触膜土团聚体后残膜受力程度和土壤扰动程度的变化规律。以卷辊回转半径、弹齿直径、弹齿顶端折弯角为试验因素,以残膜平均峰值应力及土壤最大应变为指标开展仿真试验,分析各因素对指标的影响规律并对卷辊弹齿结构参数进行优化,获得卷辊弹齿最优结构参数为：卷辊回转半径100 mm、弹齿直径5 mm、弹齿顶端折弯角42°,此时残膜平均峰值应力为0.1201 MPa,土壤最大应变为3.7584。为了验证优化后卷辊弹齿的捡拾作业性能,以拾净率和含土率为试验指标进行田间试验,结果表明：机具拾净率为80.34%,含土率为37.13%,与初代研制的样机相比拾净率提升了8.74个百分点,含土率下降了12.18个百分点,机具作业性能明显提升且试验指标达到设计要求。本文建立的有限元模型可为残膜回收机关键部件的结构优化提供参考。     

弧形齿滚扎式残膜回收机的设计及参数优化

针对现有残膜回收机具存在残膜捡拾机构复杂、可靠性差、边膜回收率及卸膜率低等问题,从工作部件受力、捡拾机构运动轨迹的角度对起膜铲、残膜捡拾机构、卸膜机构等关键部件进行了研究,设计了一种弧形齿滚扎式残膜回收机。为探明拾膜钉齿扎膜过程中钉齿、地膜和土壤的形变、受力情况,从而指导机具的设计,运用ANSYS软件对弧形齿滚扎式捡拾机构捡拾地膜过程进行非线性有限元动力学仿真分析,仿真结果显示:在捡拾地膜过程中,钉齿末端变形最大,根部应力最大;地膜最大变形发生在与钉齿末端接触位置;土壤受到钉齿扰动变形量小。运用Box-Benhnken的中心组合方法,以机具行进速度、边膜铲铲翼与铲柄夹角、钉齿入土深度为试验因素,起边膜率、残膜捡拾率、卸膜率为试验指标,进行三因素三水平二次回归试验,建立了响应面回归模型,分析了各因素对试验指标的显著性并对因素进行了综合优化。确定最优试验参数为:机具行进速度为4.0 km/h、边膜铲铲翼与铲柄夹角为90°和钉齿入土深度为55 mm。在该条件下进行田间试验,得到起边膜率为93.5%、残膜捡拾率为87.4%、卸膜率为87.1%,与优化理论值相对误差均小于4个百分点,研究结果为残膜回收机具结构设计及工作参数选择提供理论基础和技术参考。     

齿链复合式残膜回收机设计与试验

针对摆杆驱动式残膜回收机拾膜机构漏捡、卸膜机构回带地膜等问题,该文设计了一种齿链复合式残膜回收机。为了提高残膜回收率,该机具采用齿链式拾膜机构和杆齿式拾膜机构配合拾膜,并采用固定刮板式卸膜机构卸膜。为确保机具的可靠性,通过对拾膜、卸膜机构工作机理和动力学分析,获得拾膜机构运动轨迹和方程,确定了实现残膜捡拾、输送和脱卸的条件。以机具行进速度、拾膜齿入土深度、齿链式拾膜机构与杆齿式拾膜机构转速比(速比)为试验因素,拾膜率和缠膜率为响应值,进行了三因素三水平响应面试验,得到各因素的响应面模型,分析了各因素对作业效果的影响,并对各因素进行优化。结果表明,试验因素对拾膜率的影响大小顺序为:速比>机具行进速度>拾膜齿入土深度;对缠膜率的影响大小顺序为:机具行进速度>拾膜齿入土深度>速比。以优化后的结果进行验证试验,结果表明,当机具行进速度0.9 m/s,拾膜齿入土深度42 mm,速比0.6时作业效果最佳,拾膜率87.2%,缠膜率1.6%,拾膜率与理论优化值相差1.3%,缠膜率与理论优化值相差6.3%,误差较小,优化模型可靠,研究结果可为齿链复合式残膜回收机最佳工作参数的选择提供参考。     

摆杆驱动式残膜回收机的设计与参数优化

针对现有的杆齿式残膜回收机存在拾膜弹齿轴易卡顿、卸膜不可靠等问题,改进设计了摆杆驱动式残膜回收机。在原杆齿式残膜回收机的基础之上增加了起膜装置,改变了拾膜齿轴与支撑盘的连接方式,利用四杆机构将卸膜机构的回转运动转变为摆动往复运动。为确定机具作业时的最优参数组合,优化整机结构,以拾膜齿入土深度、土槽台车前进速度、拾膜齿线速度与土槽台车前进速度比(速比)为主要因素,拾膜率、卸膜率为评价指标,对拾膜机构和卸膜机构进行三因素三水平响应面试验。通过Design-Expert数据分析软件,建立各因素与拾膜率、卸膜率的二次回归模型,分析了各因素对拾膜率、卸膜率的显著性,结果表明各因素影响拾膜、卸膜率的大小顺序为:土槽台车前进速度、拾膜齿线速度与土槽台车前进速度比、拾膜齿入土深度。并对试验参数进行优化,确定了最佳工作参数组合为拾膜齿入土深度为65 mm,土槽台车前进速度为1.2 m/s,速比为1.0。根据优化结果进行验证试验,结果表明拾膜率为85.6%,卸膜率为86.7%,预测模型与试验结果相差较小,优化后的模型可靠。     

随动式秸秆还田与残膜回收联合作业机设计与试验

针对新疆棉田秋后残膜捡拾率低、膜杂分离效果差等问题,设计了一种随动式秸秆还田与残膜回收联合作业机,整机主要由秸秆粉碎装置和残膜捡拾装置组成。根据新疆棉花种植模式与作业要求对整机的关键部件进行了设计,确定了粉碎刀轴、甩刀、链板总成和起膜齿等零部件的结构参数。选取甩刀转速、机器前进速度和起膜齿入土深度为影响因素,秸秆粉碎长度合格率、残膜捡拾率和膜杂分离率为响应指标,进行了三因素五水平正交旋转中心组合试验。通过Design-Expert V8.0.6.1软件进行方差分析,建立了影响因素与评价指标的数学回归模型,分析了显著因素对响应指标的影响,优化试验参数,确定最优参数组合为:甩刀转速1200 r/min,机器前进速度4.5 km/h,起膜齿入土深度100 mm。根据最优参数组合进行田间试验,结果表明:在优化参数组合下,秸秆粉碎长度合格率的均值为89.37%、残膜捡拾率和膜杂分离率的均值分别为90.31%和93.16%,表明该联合作业机满足秸秆粉碎还田与残膜回收的技术要求。该研究成果有利于提高残膜捡拾机作业效果,解决新疆棉田残膜污染问题。     

耙齿式垄作花生残膜回收机设计及参数优化

为解决垄作花生收获后残膜回收问题,针对耙齿式残膜回收机进行试验研究及参数优化使其适用于垄作花生残膜回收。针对主要工作部件进行研究,确定整机结构参数。前、中、后耙齿直径分别为10、8、8 mm;耙齿材料为65号锰钢;耙齿入土角度α范围为10°~35°;3排齿的齿间距分别为120、100、80 mm;对机具前进速度,耙齿入土深度,耙齿曲率半径进行试验且做了MATLAB四维切片和响应面分析,可知3个因素对残膜回收率均有显著影响,影响程度依次为:机具前进速度耙齿入土深度耙齿曲率半径。应用Design expert寻优功能进行优化,优化后机具前进速度1.2 m/s,耙齿入土深度11 mm,耙齿曲率半径222 mm,残膜回收率为93%。经田间试验验证,证明了该优化方案的可行性,将为相关设备的改进提供理论依据。     

导向链耙式地表残膜回收机设计与试验

针对耙齿式残膜回收机工作过程中存在漏捡、脱膜不彻底、耙齿回带残膜等问题,该研究设计了导向链耙式地表残膜回收机。设计了导向链耙式拾膜机构以及耙齿总成与输送链的连接结构,以解决现有链齿式拾膜装置需要输送链弯折实现脱膜的问题;确定了耙齿结构和耙齿的排布;采用旋转式脱膜装置配合导向耙齿提升脱膜效果;在膜箱后部设计了推膜机构以提高装载量;应用机械加液压的组合方式实现拾膜、脱膜与推膜的传动需求;通过运动分析确定了各主要运动部件的结构参数。为了验证机具关键部件的可靠性与作业效果,以机具前进速度、耙齿入土深度、链耙输入转速为试验因素,以拾膜率与缠膜率为指标,进行了拟水平正交试验。试验结果表明：影响拾膜率的主次因素为链耙输入转速、机具行进速度、耙齿入土深度;影响缠膜率的主次因素为链耙输入转速、耙齿入土深度、机具行进速度。以拾膜率为主要指标,利用综合平衡法确定较优的作业参数组合为机具行进速度8 km/h、耙齿入土深度30 mm、链耙输入转速143 r/min。利用较优参数组合进行田间验证试验,拾膜率为88.73%,缠膜率为1.91%,研究结果可为残膜回收机的优化提供参考。     

残膜捡拾压缩车及其作业工艺设计与试验

为解决残膜回收时捡拾率低、机具集膜箱存储量小、机械化作业过程不连续等问题,研制了一种棉田残膜捡拾压缩车,该机主要由清杂机构、捡膜机构、脱膜输送机构、压缩机构等组成,可同时完成残膜杂质分离、残膜捡拾、脱膜输送和压缩作业.通过对样机关键作业部件的设计,确定了清杂辊、捡膜机构和脱膜输送装置的结构及工作参数,并分析了机具作业过程.样机分别在3种残膜分段回收工艺:搂集—捡压、秸秆还田—搂集—捡压、秸秆还田—捡压中进行试验,田间试验表明,机具作业速度在5~7 km/h,清杂辊转速为240 r/min,捡膜机构转速为90 r/min,脱膜辊转速为1000 r/min时,在回收工艺一搂膜距离≤40 m,回收工艺二搂膜距离≤60 m时,膜堆残膜捡拾率大于80%,清杂率大于78%;在回收工艺三中,棉杆残留根茬高度≤80 mm时,未集堆地表残膜捡拾率达到88.21%,机具缠膜率小于2%,机具可一次性捡拾压缩回收8 hm2田间残膜.     

滚刀式青贮玉米起茬及残膜回收联合作业机的设计与试验

为提高新疆青贮玉米地残膜机械化回收水平,研究大根茬对残膜机械化回收的影响,解决残膜回收率低、膜茬缠绕易堵塞等机具工作难题,该文研究设计了一种滚刀式青贮玉米起茬及残膜回收联合作业机。该机关键工作部件为滚刀起茬、滚筒拾膜和脱膜辊等装置,作业时采取滚刀结构将玉米大根茬起出,解决了大根茬对残膜回收的影响,随后通过滚筒拾膜机构将地膜挑起,由脱膜辊装置将滚筒上的地膜拨送至膜箱。根茬起茬率、地膜捡拾率是评价起茬及残膜回收联合作业机性能的主要指标,该文利用Design Expert软件设计了三因素三水平二次回归正交试验,以滚刀入土深度、机具前进速度、滚刀刀轴转速为影响因素,建立了响应面三维模型。分析得到滚刀入土深度及机具前进速度对机具残膜捡拾率影响显著(P0.01),而滚刀入土深度及滚刀刀轴转速对机具根茬起茬率影响显著(P0.01),通过方程推导出机具最佳工作参数为滚刀入土深度18.50 mm、机具前进速度4.57 km/h、滚刀刀轴转速906.43 r/min。大田试验结果表明,在工作参数为前进速度4.5 km/h,滚刀入土深度20 mm,刀轴转速900 r/min作业条件下,根茬起茬率达到88.25%、残膜捡拾率达到84.62%,与理论推导值对比误差均小于4%。该机通过滚刀式起茬能够解决青贮玉米地根茬对残膜回收的影响,可为玉米等大根茬类作物残膜回收机的研究提供参考。     

梳齿起膜气力脱膜式耕层残膜回收机研制

为了解决耕层残膜污染问题，该研究设计了一种梳齿起膜气力脱膜式耕层残膜回收机。该机主要由机架、梳齿、梳齿辊、重力沉降室、离心风机组成。梳齿辊是该回收机的核心机构，其辊筒上布置有多排梳齿，通过梳齿辊的旋转实现松土和残膜-土壤分离；利用EDEM离散元软件建立梳齿辊模型，仿真研究了梳齿排列方式和梳齿结构对梳齿辊入土过程中前进阻力和阻力矩的影响，确定了齿刀螺旋排列方式。吸膜机构的作用是实现残膜的连续回收及膜土分离。建立了残膜在吸膜区的运动学方程，通过对方程分析求解，探明了梳齿辊转速和吸膜口风速对残膜运动轨迹的影响，确定梳齿辊转速应小于120 r/min，吸膜口风速应大于15 m/s。为了获得回收机的最佳作业参数组合，进行了土槽响应曲面优化试验，得出最佳参数组合：吸膜口与竖直面之间的角度为-7°、机具前进速度为2 km/h、梳齿辊转速为100 r/min、吸膜口风速为22 m/s。田间试验结果表明：最佳参数组合作业时，残膜拾净率为55.04%，比预测值小1.63%，优化方法可靠。     

棉秆粉碎及地膜随动集条机设计与试验

针对现有残膜回收机在棉田残膜回收过程中存在边膜回收难、回收残膜含杂率高的问题以及后续残膜捡拾打包运输的需要,该研究根据棉秆和残膜处理分段作业要求设计了一种棉秆粉碎及地膜随动集条机,可完成棉秆粉碎还田及残膜集条作业。将粉碎的棉秆被抛送至集条装置后方侧面交接行,解决了现有秸秆粉碎残膜回收联合作业时存在棉秆与残膜同时被捡拾的问题。以机具前进速度、秸秆粉碎刀轴中心离地高度和指盘入土深度为主要因素,以地膜集条率、秸秆粉碎长度合格率和残膜含杂率为响应值,进行三因素三水平二次回归试验,得到各指标的响应面数学模型,分析了各因素对作业效果的影响。结果表明,机具前进速度对地膜集条率影响极显著,指盘入土深度影响显著,秸秆粉碎刀轴中心离地高度无显著影响;机具前进速度和秸秆粉碎刀轴中心离地高度对秸秆粉碎长度合格率影响极显著,指盘入土深度无显著影响;机具前进速度和指盘入土深度对残膜含杂率影响极显著,秸秆粉碎刀轴中心离地高度影响显著。验证试验结果表明,机具前进速度为5 km/h、秸秆粉碎刀轴中心离地高度为340 mm和指盘入土深度为60 mm时,地膜集条率为94.5%,秸秆粉碎长度合格率为96.5%,残膜含杂率为20.2%,作业性能满足要求。研究结果可为棉秆粉碎及地膜随动集条机最佳工作参数的选择提供参考。     

压秆式棉田地膜回收机的设计与试验

针对棉秆回收需求和现有滚筒式地膜捡拾机构可靠性差、缠膜严重、回收地膜含膜率低等问题，该研究设计了一种压秆式棉田地膜回收机，可一次性完成拾膜、脱膜以及除杂作业。结合相关作业性能要求，通过运动学和动力学分析确定了束秆盒、拾膜滚筒和脱膜机构的结构参数，并完成了关键部件的工作参数分析。为验证机具捡拾除杂作业性能，以机具前进速度、钩齿入土深度、拾膜滚筒转速为试验因素，拾膜率、含膜率为试验指标，进行了三因素三水平响应面试验，得到各因素的响应面模型，分析了各因素对作业效果的影响，并对各因素进行优化。试验结果表明，当拾膜滚筒转速为65 r/min，机具前进速度为5 km/h，钩齿入土深度为50 mm时作业效果最佳，以优化后的结果进行验证试验，结果表明，平均拾膜率为86.8 %，平均含膜率为14.9 %，研究结果可为后续留秆收膜机具的设计提供参考。