Design of Residual Film Picker Drum Structure
张建锐 ZHANG Jian-rui；孙旖彤 SUN Yi-tong；王建吉 WANG Jian-ji；
贺文江 HE Wen-jiang；敬志臣 JING Zhi-chen
（陇东学院机械工程学院，庆阳 745000）
（School of Mechanical Engineering，Longdong University，Qingyang 745000，China）
摘要：残膜捡拾机在地膜捡拾过程中，为了提高工作效率，卸膜时可将捡膜齿完全收缩至工作滚筒内部，拾膜时将捡膜齿伸出到工作滚筒外部。对该机构的外部滚筒进行计算和受力分析，满足残膜捡拾机整机的相关技术要求。
Abstract: In the process of picking up the film in the residual film picker, in order to improve the working efficiency, the film teeth can be completely shrunk to the inside of the work roll when the film is unloaded, and the film teeth are extended to the outside of the work roll when the film is picked up. This paper calculates and analyzes the external roller of the mechanism to meet the relevant technical requirements of the residual film pick-up machine.
关键词：残膜捡拾；滚筒；残膜变形
Key words: residual film picking；drum；residual film deformation
中图分类号：S223.5 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）36-0188-02
0 引言
为了使残膜在田间尽量减少，回收时尽可能代替或减轻人们的劳动强度，对地表残膜回收机具的研究是保持农业生产的关键[1]。经过实际调研和查阅相关资料，现有残膜回收机在工作时存在将残膜直接粉碎、造成卡死、取膜繁琐等问题[2]，设计了一种捡拾齿可伸缩的残膜捡拾机构[3]，能有效解决上述问题。针对残膜捡拾机中的关键零件——滚筒，进行结构设计和受力分析。
1 滚筒结构
残膜捡拾机捡拾滚筒部分由支架、滚筒、捡膜齿（刺）、链轮等组成，利用定块机构和曲柄滑块机构的原理，实现捡膜齿的伸缩，如图1所示。其中，定块机构由捡膜齿（刺）、曲柄、摇杆和滚筒限位孔组成；曲柄滑块机构由拉杆、滑块以及摇杆1组成。手动拉环与滑块相连，摇杆1与曲柄、摇杆由销连接，当拉动手动拉杆时，捡膜齿（刺）便做伸缩运动。捡膜齿（刺）伸出的最大长度为300mm。工作时，将滚筒通过液压系统降到地面，将手动拉杆推回去，刺全部伸出，当工作完成后，将手动拉杆拉出，刺全部缩回，便完成残膜的回收工作，再次通过液压系统将滚筒提升远离地面。
2 参数及受力计算
2.1 滚筒长度和直径
经过实地调研，农用地膜大多数的长度为1200mm，留有一定的富余量，故滚筒的长度定为1300mm。根据定块机构及捡膜齿伸出的长度尺寸要求，计算出滚筒最小内径为910mm，为满足强度要求，滚筒材料选45#钢，厚度为3mm，则其外径为916mm。
2.2 滚筒内刺的孔的分布
根据地膜捡拾机的实际应用应用情况，可以将孔设置为一排四个，滚筒周围分布为一圈是三排，每排的的角度为120°，而每个孔之间的中心距则要通过曲柄的长度来确定。
2.3 筒身受力分析
根据设计原理，在残膜回收的过程中，筒身受到由残膜拉力对筒壁造成的负载有弯矩MW，扭矩MN，残膜对筒壁的压力Pr，残膜対刺的应力Pz等。在进行滚筒应力计算时，主要考虑残膜对滚筒的压力Pr产生的影响，其他的负荷产生的应力都很小，不及Pr的10%。
根据材料力学薄壁圆筒的公式，筒身受到由残膜径向压力Pr作用时，其筒身内壁的切向压力σθmax最大。
σθmax=-Prb/δ
滚筒在径向压力的作用下，筒身r=b处的径向位移是：
ur=b=-Pr■（■-μ）
设α=■（■-μ），则ur=b=-αPrb
式中，Pr—筒身受到的压力，N/m2；E1-筒身材料的弹性模量，N/m2；a-筒身的内半径，m；b-筒身的外半径，m；δ-筒身的壁厚。
2.4 筒身缠绕残膜时受力
为便于计算，可以假设在每圈残膜对筒身的压力均为作用在厚度为d的圆环上，则圆环上的受力平衡条件如图2所示，残膜的拉力T与环残膜的反力的垂直分力相平衡。
2T=2■Pr·b·dθ·d·sinθ=2b·d·Pr
式中，T-残膜受到的拉力，N；d-残膜的厚度。
因为残膜受到的拉力是由工作机的转矩产生，所以残膜每毫米受到的拉力等于工作机的转矩，调研可知地膜的厚度为d=0.012mm，滚筒的外半径b=460mm，则：
Pr=■=■N=4483.49N
■
2.5 筒身受力变形分析
此时筒身在压力Pr作用下收缩变形为：
u=αbPr
残膜在拉力T的作用下，缠绕在滚筒上，可以想象为周长为L的圆环上，在一定的拉力下，紧套在2b的筒身上。此时筒身收缩，半径缩小量为u，圆环周长增加，增加量为ΔL，此时圆环的拉力为T。
根据胡克定律，残膜的拉力与残膜的长度增加关系为：
T=■E2A
残膜和筒身的协调方程为：
L+ΔL=2π（b-u）
联解上述两式得：
ΔL=■ L=■
根据验算式中b>>u，E2A>>T，则上式可简化为：
ΔL=2πb■ L=2πb
查资料可知地膜的弹性模量E2=0.54-0.75，其截面积
A=0.012×1200mm2=14.4mm2
故
L=2πb=2×3.14×460mm=2888.8mm
ΔL=2πb■=2×3.14×460×■mm
=9194244.984mm
3 结论
通过对残膜捡拾机滚筒部分的参数计算和受力分析，满足整机的技术要求，有效解决了捡膜齿运动空间及收缩的问题，这对于地膜捡拾机整体设计具有重要的参考价值。
参考文献：
[1]郭俊先，张学军，靳伟.曲轴滚筒式捡膜机构设计与运动特性分析[J].中国农机化学报，2016，37（5）：23-26.
[2]吴一非，戴飞，赵武云，等.全膜双垄沟地膜捡拾机的设计[J].干旱地区农业研究，2016，34（6）：292-296.
[3]王建吉，孙旖彤，马强维.1FMJ-100型残膜捡拾机结构优化与试验研究[J].农业机械，2017（12）：94-97. |
