殘膜回收滅茬聯(lián)合作業(yè)機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

王新年，王 智

(1.黑龍江農(nóng)業(yè)工程職業(yè)學(xué)院，哈爾濱 150088；2.東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院，哈爾濱 150030)

0 引言

地膜覆蓋技術(shù)是一項(xiàng)能大幅度提高作物產(chǎn)率及縮短生長(zhǎng)周期的栽培技術(shù)[1]，尤其在增溫、抗?jié)?、抗旱、通光及防病蟲(chóng)方面效果顯著[2-5]。其帶來(lái)的問(wèn)題也很明顯，具體表現(xiàn)為：聚乙烯類(lèi)薄膜降解難度大；存在時(shí)間持久；作物秋收后，地表的殘茬多，地膜的破損程度嚴(yán)重，殘膜的回收難度大；長(zhǎng)時(shí)間耕種后，由殘膜殘茬產(chǎn)生的“白色污染”日漸嚴(yán)重，致使糧食產(chǎn)量逐年降低[6]。針對(duì)上述問(wèn)題，目前主要以人工和機(jī)械回收方式處理殘膜。與人工撿拾相比，機(jī)械作業(yè)的生產(chǎn)率有很大提升，但也有回收殘膜潔凈度差、漏膜，揚(yáng)塵嚴(yán)重、機(jī)組作業(yè)速度低、靈活度差、機(jī)械工作性能單一及增加機(jī)具進(jìn)地次數(shù)等問(wèn)題[7-13]。為此，在著重改良了機(jī)具的傳動(dòng)系統(tǒng)與拾膜部件機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種殘膜回收及滅茬聯(lián)合作業(yè)機(jī)，大大提高和改善了機(jī)具的各方面性能。

1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該機(jī)具由機(jī)架、減速器、松土鏟、拾膜部、滅茬刀、集膜箱、行走輪、輸膜板及推膜部件組成，滅茬傳動(dòng)部件安放在機(jī)架的右側(cè)，動(dòng)力由拖拉機(jī)輸出軸經(jīng)過(guò)減速器經(jīng)雙排鏈輸入，如圖1所示。殘膜回收部件的傳動(dòng)系統(tǒng)安放在機(jī)架的左側(cè)，動(dòng)力由行走輪經(jīng)鏈傳動(dòng)輸入；推膜部件安放在機(jī)架的上部，動(dòng)力由行走輪經(jīng)鏈傳動(dòng)輸入；松土鏟安放在機(jī)架的兩側(cè)；卸膜板一端安裝在機(jī)架上，另一端搭在收膜滾筒的上部。

1.機(jī)架 2.減速器 3.松土鏟 4.拾膜部件 5.滅茬刀 6.集膜箱 7.行走輪 8.輸膜板 9.推膜部件

1.2 工作原理

工作時(shí)，由拖拉機(jī)牽引，拖拉機(jī)輸出軸帶動(dòng)減速器，經(jīng)過(guò)鏈傳動(dòng)帶動(dòng)滅茬刀進(jìn)行滅茬作業(yè)；行走輪經(jīng)過(guò)鏈傳動(dòng)帶動(dòng)拾膜部件滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)，在滾筒內(nèi)偏心安裝的伸縮齒桿與滾筒做同時(shí)針圓周運(yùn)動(dòng)。當(dāng)轉(zhuǎn)到滾筒上面后方時(shí)，齒桿被顯露出來(lái)留到空中；當(dāng)繼續(xù)向后下方轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，齒桿便穿透農(nóng)收后的地膜進(jìn)入田地里；當(dāng)繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，齒桿便會(huì)離開(kāi)田地，帶著地膜沿筒壁轉(zhuǎn)動(dòng)方向勻速運(yùn)動(dòng)，齒桿慢慢地回入滾筒，此時(shí)地膜脫離，由推膜部件送入集膜箱，從而完成收膜工作。松土鏟便于松弛土地，可使兩側(cè)邊膜得到更好的回收。輸膜板是為了防止收起的地膜隨滾筒卷出集膜箱。

1.3 主要性能參數(shù)

作業(yè)幅寬/cm：40(2壟)

生產(chǎn)率/hm2·h-1：0.27～0.33

收膜率/%：≥85

外形尺寸/mm：2 000 ×1 400×800

配套動(dòng)力/kW：20～40拖拉機(jī)

滅茬深度/mm：50

滅茬轉(zhuǎn)速/r·min-1：350

滾筒轉(zhuǎn)速/r·min-1： 120

2 主要工作部件設(shè)計(jì)

2.1 伸縮桿拾膜筒的設(shè)計(jì)及原理

伸縮桿拾膜滾筒主要由螺栓、偏心軸墊圈、左法蘭盤(pán)、左心軸、左偏心管、彈齒、轉(zhuǎn)動(dòng)套、偏心軸、外筒、右偏心管、右法蘭盤(pán)、右偏心管、定位裝置及鍵組成，如圖2所示。左法蘭盤(pán)左端與鏈輪相連，右端與外筒經(jīng)螺栓連接；偏心軸左端與左心軸焊合，左心軸與左法蘭盤(pán)間隙配合，右端通過(guò)鍵與右心軸連接，右心軸通過(guò)鍵與定位裝置連接；定位裝置一端通過(guò)鍵與右心軸相連，另一端固定在機(jī)架上；彈齒為16根，安裝在心軸上，可以繞心軸轉(zhuǎn)動(dòng)。

工作時(shí)，左法蘭盤(pán)帶動(dòng)滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)帶動(dòng)伸縮桿齒繞偏心軸轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)伸縮桿齒轉(zhuǎn)到滾筒的后上方時(shí)，齒桿被顯露出來(lái)留到空中；繼續(xù)向后下方轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，齒桿便穿透農(nóng)收后的地膜進(jìn)入田地里；當(dāng)齒桿繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，齒桿便會(huì)離開(kāi)田地，帶著地膜沿筒壁轉(zhuǎn)動(dòng)方向勻速運(yùn)動(dòng)，齒桿慢慢地回入滾筒，此時(shí)地膜脫離齒桿，完成收膜作業(yè)。

1.螺栓 2.偏心軸墊圈 3.左法蘭盤(pán) 4.左心軸 5.左偏心管 6.彈齒 7.轉(zhuǎn)動(dòng)套 8.偏心軸 9.外筒 10.右偏心管 11.右法蘭盤(pán) 12.右偏心管 13.定位裝置 14.鍵

2.1.1 滾筒的設(shè)計(jì)

滾筒設(shè)計(jì)如圖3所示。外筒直徑確定為500mm，工作幅寬800mm。由螺絲固定外圈部分與支撐圓，外筒表面有若干橡膠圈，可帶動(dòng)伸縮桿齒隨滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)防止伸縮桿齒縮回滾筒內(nèi)部。

2.1.2 左法蘭盤(pán)的設(shè)計(jì)

左法蘭盤(pán)左部由鍵與鏈輪連接，右部通過(guò)4個(gè)螺絲與滾筒連接，如圖4所示。其內(nèi)孔連接左偏心軸，外圓和內(nèi)孔經(jīng)過(guò)砂輪磨削，保證了精度。內(nèi)孔和外圓要有精確的形位公差，保持運(yùn)行穩(wěn)定。

1.螺絲 2.橡膠圈 3.外筒表面圖3 滾筒Fig.3 Roller

圖4 左法蘭盤(pán)Fig.4 Left flange

2.1.3 曲軸的設(shè)計(jì)

曲軸由左曲軸、偏心軸、右曲軸3個(gè)主要部件組成，如圖5所示。其中，左曲軸由定心軸、左臂和齒軸組成，連接為焊接；右曲軸連接心軸定位裝置，根據(jù)實(shí)際情況調(diào)節(jié)來(lái)調(diào)節(jié)伸縮桿齒的拾膜高度。

1.左曲軸 2.偏心軸 3.右曲軸圖

2.1.4 卸膜板的設(shè)計(jì)

卸膜板設(shè)計(jì)如圖6所示。由扁鋼彎成具有一定弧度的卸膜板，有弧度的部分貼在滾筒表面，空隙部分讓開(kāi)橡皮圈，避免與伸縮桿齒碰撞而破壞正常工作。下半扁平部分通過(guò)螺絲與一長(zhǎng)方形鋼料螺絲連接，長(zhǎng)方形鋼料兩端與機(jī)架固定。

2.2 松土鏟的設(shè)計(jì)

壓入田間土地中的部分殘膜是相對(duì)完整的,收膜時(shí)將松土部件從壟側(cè)膜緣壓入膜下,使地膜面上和面下的土壤松弛遍好。因此，要求松土工具應(yīng)有強(qiáng)入土及工作深度穩(wěn)定的性能。松土鏟的材料為扁鋼50×12，分為鏟柄、鏟壁、鏟體3部分，如圖7所示。鏟身上有固定孔可以調(diào)節(jié)鏟的高度。由圖7可以看出：鏟臂和鏟體不但與水平地面有一定的角度，還與運(yùn)動(dòng)方向形成一定的角度。

圖6 卸膜板Fig.6 Board for unloading plastic film

1.鏟柄 2.鏟壁 3.鏟體

2.3 機(jī)架的設(shè)計(jì)

機(jī)架由方鋼、角鋼和鋼板焊接而成，如圖8所示。

1.方管 2.連接架 3.連接架 4.連接架 5.方管 6.方管 7.方管 8.方管 9.方管 10.方管 11.方管 12.連接塊

連接塊13作用是固定松土鏟，加工精度為2.5；連接架2、3、4是與拖拉機(jī)相接，三點(diǎn)固定，十分牢固；方管1、5作用是固定減速器；方管7、8、9、10焊合成集膜箱；方管11是用來(lái)固定推膜部件，焊接時(shí)必須保證機(jī)架零件之間的垂直度和平行度。

3 傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1 滅茬系統(tǒng)的傳動(dòng)

3.1.1 刀輥轉(zhuǎn)速的確定

打茬作業(yè)需要的刀輥轉(zhuǎn)速比旋耕機(jī)的刀輥轉(zhuǎn)速要高，刀齒的線速度要大于6m/s，但是速度愈高，功率消耗愈大。因此，應(yīng)合理選擇打茬機(jī)的速度參數(shù)，以獲得較高的作業(yè)效率。

以黑龍江省為例，在春季打茬作業(yè)中，根茬水分少，所需打茬速度較低，一般為4.5m/s；而秋季玉米茬還沒(méi)有枯死，根茬水分大，所需打茬速度偏高，一般為5.5m/s。大量試驗(yàn)與經(jīng)驗(yàn)表明：打茬速度越高，玉米茬被處理效果(打茬率)越好。當(dāng)速度提到一定程度后，打茬率的上升效果就趨于平穩(wěn)；當(dāng)打茬速度為5.5m/s時(shí)，即使是秋季，打茬率也可達(dá)到95%左右，能夠滿(mǎn)足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)要求。

刀軸轉(zhuǎn)速的選擇，主要取決于打茬速度和機(jī)具前進(jìn)速度。打茬速度可根據(jù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)要求和試驗(yàn)進(jìn)行確定，該機(jī)為5.5m/s。

式中R—刀輥回轉(zhuǎn)半徑(m)；

ω—刀輥角速度(r/s)；

h—打茬深度(m)。

計(jì)算得出該滅茬機(jī)的刀輥轉(zhuǎn)速為310r/min。

3.1.2 傳動(dòng)比的確定

拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸額定轉(zhuǎn)速為632r/min，刀輥轉(zhuǎn)速為350r/min，所以總速比為i=632/350=1.8。從拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸傳出的動(dòng)力進(jìn)人中央減速箱，再通過(guò)雙排鏈傳動(dòng)滅茬機(jī)構(gòu)。由于總傳動(dòng)比不大，因此確定減速箱的傳動(dòng)比為1.8:1，鏈輪箱的速比為1:1。

3.2 地膜回收系統(tǒng)的傳動(dòng)

地膜回收系統(tǒng)的傳動(dòng)可分為兩個(gè)部分：一是地輪與拾膜滾筒之間的傳動(dòng)，二是地輪與推膜部件的傳動(dòng)。其中，地輪與拾膜滾動(dòng)之間的傳動(dòng)由鏈傳動(dòng)和齒輪傳動(dòng)組成。齒輪傳動(dòng)的目的是改變傳動(dòng)的方向，如圖9所示。

1.行走輪鏈輪 2.換向齒輪 3.推膜部件鏈輪 4.滾筒鏈輪

4 驗(yàn)證與分析

4.1 齒輪的選擇與確定

本機(jī)具以滾筒的最宜轉(zhuǎn)速120 r/min為標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速進(jìn)行了測(cè)試，作業(yè)幅寬為140cm(兩壟)，生產(chǎn)率為0.27～0.33hm2/h，地輪半徑為300mm。由此確定地輪轉(zhuǎn)速為20r/min，齒輪傳動(dòng)比為3，鏈輪傳動(dòng)比為2，且選取直齒圓柱齒輪進(jìn)行傳動(dòng)。小齒輪材料為40Cr(調(diào)質(zhì))，硬度為280HBS，大齒輪材料為45鋼(調(diào)質(zhì))，硬度為240HBS,二者材料硬度差為40HBS。使用個(gè)數(shù)為小齒輪24個(gè)，大齒輪72個(gè)[14]。

4.2 齒輪強(qiáng)度試算與驗(yàn)證

表1 齒輪各項(xiàng)目數(shù)值選取Table 1 Numerical selection of gear items

經(jīng)驗(yàn)算，小齒輪分度直徑應(yīng)大于91.9mm。以91.9mm為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行驗(yàn)證得：圓周速率為0.577m/s，齒寬為91.9mm，齒寬與齒高比為10.7。根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，輔助計(jì)算出載荷系數(shù)k=1.584。所以，按實(shí)際載荷系數(shù)校正分度圓直徑為104mm，模數(shù)為4.3。

表2 大小齒輪各項(xiàng)目數(shù)值選取Table 2 Numerical selection of gear and gear

經(jīng)比較YFαYFβ/[σF]，得出大齒輪比值較大，故帶入公式的m=3mm。

對(duì)比驗(yàn)算結(jié)果表明：齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算的模數(shù)大于由齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算的模數(shù)。由彎曲強(qiáng)度算得的模數(shù)為3mm，按接觸強(qiáng)度算得的分度圓直徑為91.9mm，小齒輪齒數(shù)為30，大齒輪齒數(shù)為90。所以，分度圓直徑分別為90、270mm，中心距為180mm。

5 田間試驗(yàn)

田間試驗(yàn)在香坊區(qū)東北農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗(yàn)田進(jìn)行，在2016年一年春秋兩季的時(shí)間里前后進(jìn)行了4次收膜滅茬試驗(yàn)。第1次試驗(yàn)因裝備初次使用和經(jīng)驗(yàn)不足，試驗(yàn)結(jié)果不是很理想，出現(xiàn)了遺漏、卡機(jī)等現(xiàn)象，其余3次結(jié)果良好，各項(xiàng)技術(shù)性能指標(biāo)均達(dá)到理想要求。試驗(yàn)綜合結(jié)果如表3所示。

表3 性能檢測(cè)報(bào)告Table 3 Report of performance test

6 結(jié)論

殘膜回收滅茬作業(yè)機(jī)的設(shè)計(jì)難度主要是如何保證回收率和保證機(jī)器運(yùn)行的穩(wěn)定性。本設(shè)計(jì)在考慮各個(gè)零部件都能達(dá)到正常工作和使用壽命的情況下，對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)和回收裝置進(jìn)行了系統(tǒng)優(yōu)化。設(shè)計(jì)根據(jù)所給作業(yè)要求，確定了滅茬速度及系統(tǒng)傳動(dòng)比。參考國(guó)內(nèi)外資料，確定收膜方案為伸縮桿式。

本設(shè)計(jì)的伸縮桿齒式殘膜回收滅茬機(jī)具有如下特點(diǎn)：①殘膜的撿取、運(yùn)輸、回收和滅茬等工序連續(xù)完成，維修方便，工作效率高，殘膜殘茬回收率達(dá)85%以上。②與普通單一作業(yè)機(jī)具相比節(jié)省成本30%以上。