釘齒式馬鈴薯殘膜復(fù)合收獲機(jī)的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)研究

高明青，簡建明，侯書林，郭文松，散鋆龍，孫 岳，田玉泰，翟浩州

(中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，北京 100083)

0 引言

地膜覆蓋技術(shù)可優(yōu)化和改善栽培條件，克服農(nóng)作物生長的的不利影響，具有保持水分、提高土壤溫度及抑制雜草生長等特點(diǎn)；但這種技術(shù)廣泛地使用導(dǎo)致 “白色污染”問題卻日益嚴(yán)重。機(jī)械收膜方式能提高生產(chǎn)效率、降低勞動(dòng)成本，研發(fā)改進(jìn)適用性高的殘膜回收機(jī)已成為農(nóng)業(yè)機(jī)械化發(fā)展的迫切任務(wù)[1-2]。據(jù)中國國家統(tǒng)計(jì)局國家數(shù)據(jù)(2015)統(tǒng)計(jì)：2014 年我國馬鈴薯種植面積557.3萬hm2(約占全球種植面積的21.7%；全國馬鈴薯產(chǎn)量1 910.3萬t約占全球總產(chǎn)量的45.1%。馬鈴薯種植方式分為平作、壟作，尤以壟作使用最為廣泛。壟作播種可方便排灌、防止田間積水和爛果，有利于馬鈴薯的發(fā)育，比平作種植產(chǎn)量高10%以上[3-5]。但其田間殘膜會(huì)破壞土地結(jié)構(gòu)，易導(dǎo)致土壤結(jié)板失去供養(yǎng)能力，影響馬鈴薯產(chǎn)量響馬鈴薯產(chǎn)量和農(nóng)業(yè)機(jī)械的使用順暢性?，F(xiàn)有殘膜回收機(jī)主要分為滾筒式、鏟鏈?zhǔn)健㈢P篩式及耙齒式等[6]，卻少有針對(duì)壟作馬鈴薯殘膜回收的機(jī)具。目前，殘膜回收機(jī)研發(fā)的焦點(diǎn)在玉米、棉花等作物，我國現(xiàn)階段的馬鈴薯殘膜回收機(jī)只有有限的幾種，且大部分是在馬鈴薯收獲后再進(jìn)行殘膜回收，只存在少數(shù)的機(jī)型可以實(shí)現(xiàn)馬鈴薯收獲和殘膜回收，所以解決壟作馬鈴薯殘膜污染問題難度高且意義重大。

本文所設(shè)計(jì)的機(jī)型機(jī)構(gòu)簡便，不需要專門的卸膜裝置，工作效率高。為此，設(shè)計(jì)確定了挖掘鏟、輸送裝置和收膜裝置等關(guān)鍵參數(shù)，并進(jìn)行了田間試驗(yàn)。結(jié)果表明：該機(jī)具有挖掘和輸送穩(wěn)定、收膜率高、傷薯率低的特點(diǎn)。

1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工作原理

釘齒式壟作馬鈴薯殘膜復(fù)合收獲收實(shí)物圖如圖1所示。

圖1 釘齒式壟作馬鈴薯殘膜復(fù)合機(jī)

機(jī)具結(jié)構(gòu)簡圖如圖2所示。復(fù)合收獲機(jī)由復(fù)合機(jī)由挖掘鏟、運(yùn)送裝置和收膜裝置組成組成。機(jī)具作業(yè)時(shí)，四輪拖拉機(jī)尾部將動(dòng)力傳輸?shù)阶兯倨鳎瑐魉蛶Р捎肞VC材質(zhì)，PVC傳送帶帶體彈性好，不易變形[7]，將釘齒安裝PVC傳送帶上。從變速器傳遞來的動(dòng)力通過三角帶傳遞到PVC傳送帶和運(yùn)送鏈，釘齒隨著傳送帶轉(zhuǎn)動(dòng)。拖拉機(jī)驅(qū)動(dòng)復(fù)合收獲機(jī)前進(jìn)，挖掘鏟深入地下，將馬鈴薯和帶有殘膜的土壤鏟起；隨著運(yùn)送鏈運(yùn)動(dòng)，當(dāng)馬鈴薯運(yùn)輸?shù)綑C(jī)具尾部時(shí)土豆掉到機(jī)具外面，殘膜被掛在釘齒上隨著傳送袋轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)殘膜隨著挑膜齒運(yùn)動(dòng)到b時(shí)，由于殘膜自身的重力慢慢掉落在集膜箱中。機(jī)具進(jìn)行田間作業(yè)時(shí)發(fā)現(xiàn)殘膜到達(dá)b以后會(huì)過早掉落，易掉落在集膜箱壁上進(jìn)而脫落在膜箱外面，或者直接掉落在集膜箱外，所以通過加入張緊輪將ab段設(shè)計(jì)成一段斜面，有效解決了殘膜過早掉落的現(xiàn)象。收膜完成后，打開集膜箱將殘膜取出。

1.挖掘鏟 2.懸掛 3.變速器 4.集膜箱 5.張緊輪 6.釘齒 7.傳送帶 8.行走輪 9.三角帶 10.運(yùn)送鏈

plastic film composite potato harvester

2 關(guān)鍵部件機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及參數(shù)確定

2.1 振動(dòng)挖掘鏟

2.1.1 挖掘鏟的關(guān)鍵尺寸

馬鈴薯收獲后，田間的殘膜、石塊及馬鈴薯秧苗殘留，都會(huì)對(duì)殘膜回收機(jī)的工作效率和性能產(chǎn)生影響，所以對(duì)挖掘鏟設(shè)計(jì)要點(diǎn)之一就是要滿足田間工作要求。在工作過程中，起膜鏟有主要由兩個(gè)功用：①挖掘出土壤中的馬鈴薯；②將土壤表層和深層的殘膜傳遞到輸送鏈中。將馬鈴薯從土壤中挖掘出來，鏟刃斜角α、挖掘鏟的入土角β對(duì)挖掘起著決定性作用，其設(shè)計(jì)不合理時(shí)造成壅土現(xiàn)象，阻礙機(jī)器的前進(jìn)速度，降低作業(yè)效率，且容易造成挖掘鏟損壞，影響整個(gè)機(jī)器的穩(wěn)定性[6]。挖掘鏟橫截面如圖3所示。

圖3 挖掘鏟橫截面示意圖

圖3中，α為鏟刃斜角；β為挖掘鏟入土角；h為挖掘鏟的高度；L為挖掘鏟的長度；Fn為地膜在挖掘鏟面所受的摩擦力；Ff為地膜在挖掘鏟面所受的摩擦力；G為地膜的重力；F為挖掘鏟掘起物移動(dòng)所需的力。由圖3可知β、h、L之間的數(shù)學(xué)關(guān)系為

(1)

由查閱文獻(xiàn)可知[8]：入土角為β為28°時(shí)，挖掘鏟的整體性最好。由于馬鈴薯種植壟高一般為250～300mm，所以挖掘鏟的高度不能超過300mm。取h=120mm，帶入公式(1)取整，可得L=256cm。

2.1.2 挖掘鏟振動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)原理

挖掘鏟的振動(dòng)裝置主要由偏心輪、連桿、挖掘鏟、連接橫梁、銷及螺栓緊固件等組成，如圖4所示。

1.偏心輪 2.連桿 3.銷座 4.連接橫梁 5.挖掘鏟

拖拉機(jī)將動(dòng)力傳遞到變速器端的主動(dòng)軸，帶動(dòng)軸端的偏心曲柄連桿機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)，挖掘鏟隨之做往復(fù)運(yùn)動(dòng)。挖掘鏟振動(dòng)的工作性能與挖掘鏟的入土深度、偏心距、機(jī)具的前進(jìn)速度及挖掘鏟的長度有關(guān)。機(jī)器在工作時(shí)，可以通過拖拉機(jī)后面的液壓裝置改變挖掘鏟的入土深度及偏心輪的偏心距大小來調(diào)整挖掘鏟的偏心運(yùn)動(dòng)幅度。機(jī)器前進(jìn)速度隨拖拉機(jī)的速度而變化。挖掘鏟的振動(dòng)裝置可減小機(jī)器前進(jìn)所受的阻力，大大減少壅土現(xiàn)象的發(fā)生，有利于增加馬鈴薯的挖掘效率和對(duì)殘膜的回收率。

2.2 運(yùn)送裝置

運(yùn)送裝置主要由主從動(dòng)輪、支撐輪、抖動(dòng)輪、運(yùn)送桿等組成，如圖5所示。工作原理：位于前方的振動(dòng)挖掘鏟深入土壤，將馬鈴薯、土壤及殘膜崛起；然后輸送到運(yùn)送裝置的前端，傾斜升運(yùn)桿條在向后運(yùn)動(dòng)的過程中會(huì)不斷受到兩側(cè)兩個(gè)抖動(dòng)輪的抖動(dòng)作用，挖入的土壤就會(huì)變松，而脫離馬鈴薯的土塊就會(huì)往下落入土地中[9]。此裝置的關(guān)鍵部件為抖動(dòng)輪，兩側(cè)的抖動(dòng)輪間歇性地與桿條接觸，桿條就會(huì)上下抖動(dòng)。

1.挖掘鏟 2.從動(dòng)輪 3.運(yùn)送桿 4.支撐輪 5.抖動(dòng)輪 6.主動(dòng)輪圖5 運(yùn)送裝置示意圖

運(yùn)動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)簡圖如圖6所示。

圖6 運(yùn)送裝置結(jié)構(gòu)簡圖

圖6中，L為兩軸中心距；α為運(yùn)送鏈的傾斜角度。根據(jù)運(yùn)送鏈?zhǔn)捷斔脱b置線速度vp與機(jī)組速度vm的比值λ來確定運(yùn)送帶的線速度，即

(2)

試驗(yàn)表明，收膜率與輸送帶的線速度成反比例。當(dāng)線速度在1.15～1.80m/s之間變化時(shí)，收膜率較高。為了保證機(jī)組的行進(jìn)速度以及收獲質(zhì)量，通常取λ=1，使輸送帶的速度略高于機(jī)組的行進(jìn)速度。為此，取輸送帶的線速度v=1.5m/s。

兩軸中心距L的公式為

(3)

Lmin=0.75m

式中v-輸送帶線速度；

f-馬鈴薯滾動(dòng)時(shí)的摩擦因數(shù)；

α-輸送帶傾斜角。

因此，設(shè)計(jì)主從驅(qū)動(dòng)輪的中心距L為1 300mm，升運(yùn)鏈的傾角α為23°，升運(yùn)的高度為391mm。

3 收膜裝置

殘膜回收裝置采用釘齒PVC傳送帶式回收裝置，釘齒通過螺栓固定在傳送帶上?？紤]到挑膜齒不能太密，容易刮傷土豆，采用同一排齒數(shù)量在4個(gè)最為合理。釘齒采用Q235材質(zhì)鋼筋，公稱直徑為8mm，長度為170mm，橫向間距為250mm，縱向間距為400mm。傳送帶具有花紋，為了增大摩擦力在傳動(dòng)輪上纏上相同材質(zhì)的PVC傳送帶，通過兩個(gè)部分的摩擦面接觸，靠摩擦力帶動(dòng)傳送帶轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)馬鈴薯和殘膜經(jīng)運(yùn)輸鏈后，馬鈴薯掉在地上，殘膜掛著挑膜齒上隨著布袋轉(zhuǎn)動(dòng)，由于自身重力掉入集膜箱中。機(jī)具工作過程中，當(dāng)殘膜隨著挑膜齒運(yùn)動(dòng)到b時(shí)，由于殘膜自身的重力而掉落，殘膜掉落早集膜箱壁上進(jìn)而脫落在膜箱外面。所以，要將ab段設(shè)計(jì)成一段斜面，ab段傾斜的角度α的大小由張緊輪調(diào)節(jié)。經(jīng)過田間試驗(yàn)，可得角度最佳為45°。傳送帶示意圖如圖7所示。

1.主動(dòng)輪 2.殘膜 3.張緊輪 4.PVC傳送帶 5.釘齒 6.從動(dòng)輪

4 田間試驗(yàn)與結(jié)果

4.1 試驗(yàn)條件

田間試驗(yàn)在選定在河北省固安縣清泉機(jī)械有限公司試驗(yàn)基地基地進(jìn)行，馬鈴薯的種植面積約為0.5hm2，該地區(qū)覆膜壟作馬鈴薯地土壤各項(xiàng)指標(biāo)適宜。其種植采用雙壟覆膜方式，株距250mm，雙行1m寬壟；地膜為白色地膜，寬度1 500mm，厚度為0.008mm；田間作業(yè)時(shí)采用東方紅-404拖拉機(jī)，前進(jìn)速度定位低速Ⅰ擋，輸出轉(zhuǎn)速為540r/min。

4.2 試驗(yàn)方法

釘齒式馬鈴薯殘膜復(fù)合收獲機(jī)試驗(yàn)的依據(jù)是NY/T648—2002《馬鈴薯收獲機(jī)作業(yè)質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》[10]和GB/T25412—2010 《殘地膜回收機(jī)》[11-12]。在試驗(yàn)田中隨機(jī)選取1塊長度為100m、寬度為1m試驗(yàn)區(qū)，把試驗(yàn)區(qū)分割成10m×1m的10塊區(qū)域分別進(jìn)行試驗(yàn)，記錄試驗(yàn)相關(guān)數(shù)據(jù)；取10次試驗(yàn)的平均值來測定馬鈴薯殘膜復(fù)合收獲機(jī)的殘膜撿拾率和傷薯率。

4.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

馬鈴薯殘膜復(fù)合收獲機(jī)的平均殘膜撿拾率為90.3%，平均傷薯率為4.72%，滿足馬鈴薯收獲機(jī)和殘地膜回收機(jī)的技術(shù)要求。復(fù)合收獲機(jī)作業(yè)時(shí)，拖拉機(jī)行走流暢，各運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)行穩(wěn)定，沒發(fā)生壅土現(xiàn)象。通過復(fù)合收獲機(jī)在田間的作業(yè)情況和地膜的狀態(tài)可知，影響殘膜回收率的主要原因是：殘膜的面積較小時(shí)，隨運(yùn)輸鏈傳動(dòng)到尾部時(shí)不能被釘齒掛住從而掉到土地表面；殘膜壓土較多并已經(jīng)板結(jié)時(shí)，膜土分離不理想，影響殘膜的回收。影響傷薯率的主要原因是：機(jī)具的前進(jìn)速度及運(yùn)輸鏈的旋轉(zhuǎn)速度速度過大時(shí)，相應(yīng)的挑膜齒的線速度增大，導(dǎo)致傷薯率增大。

5 結(jié)論

1)馬鈴薯殘膜復(fù)合收獲機(jī)的性能參數(shù)為：配合動(dòng)力≥25.7kW，整機(jī)外形尺寸為2 500mm×1 100mm×2 100mm，釘齒長度為17cm，生產(chǎn)率為0.3hm2/h，殘膜回收率為90.3%，傷薯率為4.72%。

2)釘齒安裝PVC傳送帶上將殘膜從馬鈴薯殘膜復(fù)合收獲機(jī)的運(yùn)輸鏈鏈中挑起，并輸送到機(jī)器上方的膜箱中。其機(jī)構(gòu)簡單，殘膜依靠自身重力掉落到集膜箱中，不需要專門的卸膜裝置。

3)復(fù)合收獲機(jī)對(duì)田間小片殘膜的回收存在一定的困難，殘膜面積太小難以被釘齒掛住影響了殘膜回收率。