1MSF-2型立稈式地膜回收機(jī)的研制

任　萍，胡　斌，羅　昕

(石河子大學(xué) 機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子　832000)

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1MSF-2型立稈式地膜回收機(jī)的研制

任萍，胡斌，羅昕

(石河子大學(xué) 機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子832000)

摘要：針對(duì)秋后棉田的地膜回收率低、適應(yīng)性差、人工卸膜效率低及強(qiáng)度大等技術(shù)問(wèn)題，在整體仿形摟膜機(jī)基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)研制了一種具有單體動(dòng)態(tài)仿形摟膜、自動(dòng)卸膜、起邊膜和株間斷膜等功能的1MSF-2立稈式地膜回收機(jī)。介紹了其總體結(jié)構(gòu)和工作原理，分析確定了該機(jī)懸掛機(jī)架、雙立軸四桿仿形機(jī)構(gòu)、雙排彈齒摟膜機(jī)構(gòu)、液力式轉(zhuǎn)軸卸膜機(jī)構(gòu)、仿形護(hù)禾板，以及起膜邊機(jī)構(gòu)等關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)及參數(shù)，并進(jìn)行了田間性能試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：該機(jī)在平均作業(yè)速度為7.4km/h的情況下，平均地膜回收率為88.1%，平均生產(chǎn)效率可達(dá)到5hm2/h，各指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。該機(jī)能實(shí)現(xiàn)單行獨(dú)立仿形殘膜回收作業(yè)，適應(yīng)機(jī)采棉種植模式下秋后棉田立稈回收殘膜的農(nóng)藝技術(shù)要求。

關(guān)鍵詞：地膜回收機(jī)；單體仿形；雙立軸四桿；收邊膜；自動(dòng)卸膜

0引言

覆膜種植是新疆棉花的主要種植模式[1]，但隨著覆膜年限的增長(zhǎng)，地膜殘留帶來(lái)的環(huán)境污染日益明顯[2]。機(jī)械回收是治理地膜污染的主要方式，現(xiàn)有的地膜回收機(jī)按工作形式可分為兩個(gè)大的種類：一是秸稈還田和地膜回收聯(lián)合作業(yè)機(jī)[3-4]。其造價(jià)成本高、功耗大、適應(yīng)性較差，作業(yè)時(shí)所摟的地膜夾雜大量秸稈，破壞了秸稈還田有機(jī)肥有效再利用[5]，并沒(méi)有得到應(yīng)用與推廣。二是膜與稈分開(kāi)處理的分段作業(yè)機(jī)，如摟膜機(jī)[6-7]，由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性好、成本低、摟膜效率較高，是目前生產(chǎn)應(yīng)用最為廣泛的一種機(jī)型；但該機(jī)采用整體仿形，人工卸膜，始終存在作業(yè)適應(yīng)性差、地膜回收率低及人工卸膜強(qiáng)度大等技術(shù)問(wèn)題。

石河子大學(xué)2014年研制了一種具有單體動(dòng)態(tài)仿形摟膜、自動(dòng)卸膜、起邊膜和株間斷膜功能的新型摟膜機(jī)[8](專利號(hào)：201410229064.9)，較好地解決了上述技術(shù)問(wèn)題。

1整機(jī)設(shè)計(jì)與作業(yè)原理

1.1　整機(jī)設(shè)計(jì)

該機(jī)由懸掛機(jī)架和4組獨(dú)立仿形收膜單體組成，每組單體由雙立軸四桿機(jī)構(gòu)、雙排彈齒摟膜機(jī)構(gòu)、液力式轉(zhuǎn)軸卸膜機(jī)構(gòu)、仿形護(hù)禾板、起膜邊機(jī)構(gòu)等零部件所組成，如圖1所示。

1.懸掛主梁　2.連接板　3.銷軸　4.四桿支架　5.四桿連接桿

每?jī)山M單體組合完成一幅膜的回收，每組單體通過(guò)四桿機(jī)構(gòu)與主梁連接，有隨地面起伏的仿形和自動(dòng)對(duì)行仿形的功能，不同數(shù)量的單體組合可以滿足不同作業(yè)幅寬或行數(shù)的要求。

1.2　工作原理

該機(jī)適用于機(jī)采棉種植模式的秋后立稈(莖稈切碎還田前)作業(yè)。樣機(jī)與51.5～66.2kW拖拉機(jī)配套,通過(guò)三點(diǎn)懸掛聯(lián)接，拖拉機(jī)的液壓系統(tǒng)通過(guò)液壓管連接卸膜油缸。作業(yè)時(shí)，拖拉機(jī)牽引機(jī)具利用棉秸稈與仿形護(hù)板相互作用產(chǎn)生的力引導(dǎo)雙立軸四桿仿形機(jī)構(gòu)帶動(dòng)摟膜部件對(duì)準(zhǔn)每幅膜，同時(shí)引導(dǎo)邊膜起膜盤(pán)準(zhǔn)確扎進(jìn)覆土的膜邊，然后通過(guò)具有動(dòng)態(tài)仿形功能的摟膜部件將行間地膜和已起出的膜邊地膜摟起；每隔一定距離將收集一定量的地膜通過(guò)液壓自動(dòng)卸落機(jī)構(gòu)將地膜卸于地膜打包作業(yè)帶上，完成自動(dòng)對(duì)行、起膜邊、仿形地膜及自動(dòng)脫膜等工序。

1.3　主要技術(shù)參數(shù)

地膜回收機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1　主要技術(shù)參數(shù)

2主要部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1　懸掛機(jī)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

懸掛機(jī)架由主梁和連接板等零部件組成，功能在于支撐和牽引其他零部件。機(jī)架主梁采用了U型螺栓連接方式，即安裝雙立軸四桿仿形機(jī)構(gòu)(通過(guò)U型螺栓和連接板固定在主梁上)。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，主梁的長(zhǎng)度為4 400mm，如圖2所示。

1.主梁　2.U型螺栓　3.連接板

2.2　四桿仿形機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

四桿仿形機(jī)構(gòu)是該機(jī)的特色創(chuàng)新機(jī)構(gòu)，也是整機(jī)設(shè)計(jì)的技術(shù)難點(diǎn)，由四桿連接桿、四桿支架和兩個(gè)立軸組成，如圖3所示。

四桿機(jī)構(gòu)具有上下限位和左右限位功能。四桿支架和四桿連接桿通過(guò)立軸連接，可以實(shí)現(xiàn)上下活動(dòng)空間，同時(shí)限位。四桿支架和下懸架之間通過(guò)立軸連接，下懸架的材料是槽鋼，起到左右限位的作用。根據(jù)田間試驗(yàn)，確定四桿連接桿總長(zhǎng)320mm，四桿支架高260mm。

1.軸銷　2.四桿支架　3.四桿連接桿

2.3　摟膜機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

摟膜機(jī)構(gòu)是立稈殘膜回收機(jī)的核心，是決定殘膜回收率的重要因素，由摟膜支架、定位卡片和雙排彈尺構(gòu)成。摟膜支架由摟膜轉(zhuǎn)軸支梁、摟膜支梁、油缸支座、摟膜橫梁、摟膜齒支架連接梁和摟膜齒支架等組成，如圖4所示。

1.摟膜支架　2.定位卡片　3.雙排彈尺

摟膜機(jī)構(gòu)采用雙排摟膜齒安裝結(jié)構(gòu)，第2排摟膜齒可將第1排作業(yè)后未能清理的田間殘膜進(jìn)行二次摟拾。摟膜支架用于與其他零部件的連接及安裝摟膜齒。摟膜齒選用雙排彈齒，采用直徑12mm的彈簧鋼制造，保證了摟膜齒的使用強(qiáng)度、彈性和回位能力，能防止摟膜齒瞬間因沖擊載荷過(guò)大而損壞，可適應(yīng)于不同地況的棉田。在整機(jī)牽引式作業(yè)時(shí)，彈齒入土深度約為2~4cm。

每組單體摟膜機(jī)構(gòu)中株間彈齒的個(gè)數(shù)為4個(gè)，膜邊彈齒的個(gè)數(shù)為2個(gè)。挑膜齒間距及個(gè)數(shù)的確定原則主要根據(jù)當(dāng)前新疆機(jī)采棉種植模式下棉花株距100mm、行距660mm、兩邊覆土壓膜各75mm確定。相鄰摟膜齒的間距為70mm。摟膜齒的安裝間距會(huì)對(duì)殘膜回收率產(chǎn)生很大影響，若排列間距過(guò)大，殘膜被摟膜齒摟起后，容易造成殘膜漏收；若間距過(guò)小，摟膜齒摟起的殘膜含雜率較高，摟膜齒上夾雜的殘膜在較短的時(shí)間大量堆積，大大降低了摟膜效率，同時(shí)摟起的殘膜很難回收再利用。

2.4　卸膜機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

卸膜機(jī)構(gòu)由帶座球軸承、卸膜推桿、卸膜連接桿、液壓油缸和卸膜桿等組成，如圖5所示。其主要由液壓油缸帶動(dòng)轉(zhuǎn)軸驅(qū)動(dòng)卸膜推桿擺動(dòng)，卸膜推桿擺動(dòng)的過(guò)程中帶動(dòng)卸膜桿繞固定點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而將摟膜彈齒上的殘膜脫卸；卸膜連接桿連接前后兩排的卸膜桿，起到力傳遞的作用，同時(shí)保證前后卸膜桿同時(shí)同速作業(yè)。

1.帶座球軸承2.卸膜推桿3.卸膜連接桿4.液壓油缸5.卸膜桿

圖5卸膜機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

卸膜桿采用直徑12mm的圓鋼加工，長(zhǎng)度為560mm。根據(jù)摟膜機(jī)構(gòu)摟膜齒間距與個(gè)數(shù)，設(shè)計(jì)每組單體的自動(dòng)卸膜機(jī)構(gòu)中株間卸膜桿的個(gè)數(shù)為7個(gè)，膜邊卸膜桿的個(gè)數(shù)為3個(gè)，每相鄰兩個(gè)卸膜桿之間的距離為70mm。整機(jī)作業(yè)時(shí)，每隔一定距離液壓油缸會(huì)帶動(dòng)卸膜推桿將收集了一定量的地膜從摟膜齒上卸落，防止摟膜齒上殘膜堆積過(guò)多而影響摟膜；與其它殘膜回收機(jī)比較，可節(jié)省人工，且卸膜快速?gòu)氐住?/p>

2.5　仿形護(hù)禾板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

仿形護(hù)禾板由固定板鋼板、護(hù)板支架和護(hù)板殼體構(gòu)成，如圖6所示。護(hù)禾板是前端為漏斗式開(kāi)口，后端為長(zhǎng)方體的折面殼體，整個(gè)裝置通過(guò)U型螺栓安裝在懸掛主梁上，主要起到仿形導(dǎo)向和隔離的作用。

1.護(hù)板殼體　2.護(hù)板支架　3.固定板鋼板

護(hù)禾板的參數(shù)設(shè)計(jì)非常重要，是保證其作業(yè)效果的關(guān)鍵。根據(jù)田間實(shí)地調(diào)研，棉稈的高度在40~70cm之間，取護(hù)禾板裝置的高為60cm、長(zhǎng)160cm。前端主要是利用棉稈和護(hù)禾板的相互作用力來(lái)引導(dǎo)雙立軸四桿仿形機(jī)構(gòu)帶動(dòng)摟膜部件對(duì)準(zhǔn)每幅膜行，起到仿形導(dǎo)向的作用，所以護(hù)板殼體前端寬度取40cm。根據(jù)機(jī)采棉種植模式下棉田的實(shí)際情況，護(hù)板殼體后端寬度取15cm。

2.6　起膜邊機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

起膜邊機(jī)構(gòu)是該機(jī)的創(chuàng)新之處，由起膜盤(pán)、調(diào)節(jié)桿和固定支架等組成，如圖7所示。調(diào)節(jié)桿和固定支架通過(guò)螺栓連接，可以調(diào)節(jié)起膜盤(pán)的入土高度和入土角度。

1.起膜盤(pán)　2.調(diào)節(jié)桿　3.固定支架

膜邊起膜盤(pán)采用65Mn鋼加工，直徑350mm。其刃口平面與機(jī)具前進(jìn)方向有一垂直于地面的夾角，在牽引力的作用下，起膜盤(pán)滾動(dòng)前進(jìn)，在機(jī)具的重力和土壤的反力作用下，切入土壤一定的深度；起膜盤(pán)滾動(dòng)時(shí)，在刃口和曲面的綜合作用下，進(jìn)行推土、鏟土，并使土壤沿起膜盤(pán)的凹面上升和跌落，將邊膜上的覆土切開(kāi)并導(dǎo)向一邊，減小摟膜部件的摟拾阻力；同時(shí)，帶有弧度和豁口起膜盤(pán)會(huì)將邊膜拔出，有利于摟膜齒順利地將邊膜摟起，提高殘膜回收率。

2.7　株間斷膜機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

株間斷膜機(jī)構(gòu)由圓盤(pán)刀支架、圓盤(pán)刀調(diào)節(jié)座和圓盤(pán)切刀等組成，如圖8所示。

圓盤(pán)切刀直徑400mm。株間斷膜機(jī)構(gòu)的功能在于將各行間殘膜切成段，避免殘膜的韌性引起殘膜摟拾阻力增大，使得摟膜齒更輕便地將殘膜摟起。同時(shí)，殘膜切斷可減少纏繞，有助于自動(dòng)卸摸，為殘膜打包再利用做準(zhǔn)備。通過(guò)調(diào)節(jié)圓盤(pán)刀支架與圓盤(pán)刀調(diào)節(jié)座的配合長(zhǎng)度，可調(diào)節(jié)圓盤(pán)切刀的入土深度。

1.圓盤(pán)刀支架　2.圓盤(pán)刀調(diào)節(jié)座　3.圓盤(pán)切刀

3田間性能試驗(yàn)

試驗(yàn)依據(jù)JB/T 10363《農(nóng)田廢膜撿拾機(jī)》和《農(nóng)業(yè)機(jī)械實(shí)驗(yàn)規(guī)范和程序》相關(guān)規(guī)定[9-10]，以作業(yè)效率和地膜回收率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)2MLF-2型立稈式地膜回收機(jī)的實(shí)際作業(yè)性能進(jìn)行測(cè)試研究。

3.1　試驗(yàn)條件

田間試驗(yàn)在新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)農(nóng)八師149團(tuán)進(jìn)行。試驗(yàn)地為機(jī)采棉種植模式下的秋收后棉田，采用膜下滴灌技術(shù)，滴管帶已回收；地面平整，有少量碎石，土壤類型為粘土；壤堅(jiān)實(shí)度為398kPa，土壤體積含水率19.46%；前茬作物為棉花，未清理；地膜寬度2 050mm、厚度0.008mm，秸稈株距100mm，秸稈行距660mm，秸稈高度700～800mm；田間管理按照北疆棉區(qū)高產(chǎn)田要求進(jìn)行。機(jī)具平均作業(yè)速度4.3～7.4km/h，配套動(dòng)力為雷沃M800H-D輪式拖拉機(jī)，標(biāo)定功率59kW。

3.2　試驗(yàn)方法

3.2.1測(cè)試區(qū)確定

沿作業(yè)地塊長(zhǎng)寬方向的中線，將其劃為4塊，以對(duì)角的兩塊隨機(jī)選取6個(gè)測(cè)試區(qū)，每個(gè)測(cè)試區(qū)在同一作業(yè)行上，長(zhǎng)度為20m，在地頭和地尾處分別預(yù)留出10m掉頭區(qū)域，測(cè)試區(qū)兩端用標(biāo)桿做好標(biāo)記。測(cè)點(diǎn)采用五點(diǎn)法，從測(cè)區(qū)的4個(gè)地角沿對(duì)角線，在1/4～1/8對(duì)角線長(zhǎng)度范圍內(nèi)隨機(jī)確定4個(gè)作業(yè)后測(cè)點(diǎn)的位置；然后在作業(yè)后的4個(gè)測(cè)點(diǎn)附近不重復(fù)的區(qū)域再選4個(gè)作業(yè)前測(cè)點(diǎn)。

3.2.2評(píng)價(jià)指標(biāo)測(cè)試方法

作業(yè)效率為

式中η—機(jī)具的作業(yè)效率(hm2/h)；

L—測(cè)試區(qū)長(zhǎng)度(m)；

t—機(jī)具每經(jīng)過(guò)一個(gè)測(cè)試區(qū)所需時(shí)間(s)；

D—機(jī)具作業(yè)寬度(m)。

地膜回收率為

式中C—地膜回收率(%)；

W—作業(yè)后地膜質(zhì)量(g)；

W0—作業(yè)前地膜質(zhì)量(g)。

由人工撿拾4個(gè)測(cè)試點(diǎn)內(nèi)未收起的地膜，運(yùn)用質(zhì)量法，將各測(cè)點(diǎn)取出的地膜去除塵土和水分后稱其質(zhì)量。選取4個(gè)測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行重復(fù)試驗(yàn)，每次試驗(yàn)后記錄相關(guān)數(shù)據(jù)，最后取4次試驗(yàn)的平均值。

3.3　試驗(yàn)結(jié)果與分析

1MSF-2立稈式地膜回收機(jī)田間試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2　試驗(yàn)結(jié)果

立稈式地膜回收機(jī)隨著拖拉機(jī)擋位的升高，地膜回收速度加快，地膜回收率升高。當(dāng)拖拉機(jī)在快2擋位(7.4km/h)作業(yè)時(shí)，地膜回收率較高，且生產(chǎn)效率最高，可達(dá)到5hm2/h。

4結(jié)論

1)1MSF-2型立稈式地膜回收機(jī)的成功研制，提高了殘膜回收率，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度和作業(yè)成本，緩解了農(nóng)田的白色污染，增加了生產(chǎn)企業(yè)和機(jī)具手收入，具有很大的市場(chǎng)空間。田間試驗(yàn)表明：在平均作業(yè)速度為7.4km/h的情況下，平均地膜回收率為88.1%，平均生產(chǎn)效率可達(dá)到5hm2/h。各指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

2)針對(duì)現(xiàn)有摟膜機(jī)整體仿形摟膜率低的問(wèn)題，提輸了雙立軸四桿仿形機(jī)構(gòu)。田間試驗(yàn)表明：該機(jī)構(gòu)可滿足設(shè)計(jì)要求，實(shí)現(xiàn)上下對(duì)地仿形和左右對(duì)行仿形的功能。

3)針對(duì)現(xiàn)有摟膜機(jī)需人工卸膜的技術(shù)難點(diǎn)，創(chuàng)新設(shè)計(jì)了液壓帶動(dòng)轉(zhuǎn)軸式自動(dòng)卸膜機(jī)構(gòu)。田間試驗(yàn)表明：該機(jī)可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)卸膜功能，有效降低摟膜作業(yè)過(guò)程中的人工勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了殘膜脫卸效率。

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Research on Manufacturing the 1MSF-2 Plastic Flim Recycling Machine

Ren Ping, Hu Bin, Luo Xin

(Machinery and Electricity Engineering College，Shihezi University，Shihezi 832000，China)

Abstract：To solve the technical problem of low plastic film recycling rate, poor adaptability, low efficiency and big intensity artificial unloading residual plastic film on residual plastic film in cotton field after the autumn harvest, a 1MSF-2 vertical stem type of plastic film recycling machine with the functions of separate individual imitation hugging up the plastic film, automatic unloading the plastic film, stirring up the edge of plastic film and cutting off between plants has been developed. Introducing the overall structure and working principle, analysis to determine the structure and parameters of key components of the suspension frame, the double vertical shaft four-link imitation institutions, the double elastic tooth recycling institutions, the hydraulic type turned shaft unloading plastic film institutions, imitation protected plants plates, the recycling edge of plastic film institutions.The field experiment was carried out, the results show that the when the machine with the average operating speed is 7.4 km/h. the plastic film recycling rate was 88.1%, the production efficiency could reach 5 hm2/h. Each indicator could achieve the design requirements.The machine can realize single independent the residual plastic film recycling operation, and adapt to recycling residual plastic film agricultural technical requirements of the planting mode of the pick cotton machine after the autumn harvest.

Key words：plastic film recycling machine; separate individual imitation; double vertical shaft four-link; recycling edge of plastic film; unloading plastic film

中圖分類號(hào)：S224.9

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-188X(2016)09-0136-05

作者簡(jiǎn)介：任萍(1988-),女，陜西渭南人，碩士研究生，(E-mail) 461983250@qq.com。通訊作者：羅昕(1969-)，女，四川隆昌人，教授，碩士生導(dǎo)師，(E-mail)lx_mac@shzu.edu.cn。

基金項(xiàng)目：新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)重大科技專項(xiàng)(2014AA002)；農(nóng)業(yè)部行業(yè)專項(xiàng)(201503105)

收稿日期：2015-08-27