CMQ-3型殘膜清除機理論分析與試驗研究

李肖婷

（山西省農(nóng)業(yè)機械發(fā)展中心，山西 太原 030002）

農(nóng)田殘膜對土地的污染是當(dāng)前農(nóng)村環(huán)境保護的難題。當(dāng)前山西省北部地區(qū)旱作農(nóng)業(yè)生產(chǎn)面臨的問題就是地膜不用不行，用了又清除不出去，回收不回來。為提高耕地安全利用率，研究一種可靠的殘膜回收清除技術(shù)及配套裝備，對地表及淺耕層殘膜進行大面積回收清除，對恢復(fù)土壤的性能，保證農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

通過大量調(diào)研地膜種植情況，市場急需適合本地大田地膜種植作物收獲后的殘膜清除機具。2018 年承擔(dān)了省科技攻關(guān)項目，CMQ-3 殘膜清除機研制成功，實現(xiàn)了松土起膜、摟膜、集膜、卸膜等工序的作業(yè)，為技術(shù)研發(fā)人員提供參考借鑒。

1 整機結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機結(jié)構(gòu)

CMQ-3殘膜清除機主要由懸掛架、主梁、翼型鏟、仿行機構(gòu)、鎮(zhèn)壓輥等組成，見圖1。

圖1 仿形機構(gòu)示意圖Fig.1 The schematic diagram of profiling mechanism

1.2 工作原理

整機以懸掛架和縱梁為牽引，仿形架和浮動架全部靠縱梁支撐拖動，前后有限深裝置、起膜裝置、碎土裝置，整機分左右2 個部分。主要依靠定制彈性耙齒松土、收集并清除殘膜，可將收集的殘膜落在地頭以方便進行集中回收處理。

1.3 主要技術(shù)參數(shù)

按照國家回收標(biāo)準(zhǔn)的要求，本機主要參數(shù)，見表1。

表1 CMQ-3主要技術(shù)參數(shù)Tab.1 The main technical parameters of CMQ-3

2 主要部件的理論分析及參數(shù)確定

2.1 仿形機構(gòu)的理論分析及參數(shù)確定

仿形機構(gòu)是田間作業(yè)機具的重要工作部件，可以充分保證作業(yè)深度的一致性。CMQ-3 型殘膜清除機采用了扇形板微調(diào)功能，在作業(yè)過程中，面對的殘茬地不同作業(yè)深度也不一樣，特別是在平作地和起壟地區(qū)別較大。這就要求作業(yè)深度調(diào)整方便簡單，而且調(diào)整間隔量越小越好，本機采用四連桿扇形板機構(gòu)調(diào)節(jié)作業(yè)深度，可以定量調(diào)節(jié)到1 cm。

扇形板有2排大小相等的孔，兩排交錯排列，垂直方向等間距1cm，孔的直徑為16 mm，CD 是主框架作為固定架部分，鉸接點是D 和C 點，ABCD 構(gòu)成平行四連桿機，因為每調(diào)節(jié)1個相鄰孔（一里一外）則A 點在垂直方向移動1 cm，則AB 平行移動1 cm，工作部件固定在AB 上，作業(yè)深度可以做到1 cm微調(diào)，見圖2。

圖2 四連桿扇形板結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 The structural diagram of four link sector plate

2.2 摟膜齒的理論分析及參數(shù)的確定

2.2.1 摟膜齒的設(shè)計

摟膜齒是CMQ-3 農(nóng)田殘膜清除機的關(guān)鍵工作部件，直接影響整機的工作性能及可靠性。設(shè)計要求在殘茬地和土壤堅實度較高的地塊，有很好的入土效果；有適當(dāng)?shù)膶挾?，不能太光滑，能掛膜，掛膜性能好；材料強度高，彈性好，適宜復(fù)雜土壤阻力的變化；有一定容量的空間，所摟膜茬存留空間要滿足地塊長度，見圖3。

圖3 摟膜齒鏟圖Fig.3 The film raking tooth shovel

摟膜齒能否入土，入土是否迅速，是涉及到整機能否正常工作和生產(chǎn)效率高低的問題。清除殘膜的程序是在作物收獲之后，此時農(nóng)田地表相對堅實，試驗地忻府區(qū)種植的辣椒地土壤堅實度為110 kPa，所以摟膜齒的入土性能必須優(yōu)良。實踐證明，入土性能除了受土壤條件影響外，還有機具本身的原因。

2.2.2 摟膜齒工作原理

由于受條件的限制土壤往往不能選擇，從機具的入土過程、入土角、入土能力3個角度分析摟膜齒的入土性能。

入土過程：通過機具的下落由于自重產(chǎn)生，下落結(jié)束后摟膜齒開始入土破土。本機共設(shè)計4 排摟膜齒，第一排先入土，二、三、四排依次入土。在入土的過程中摟膜齒略呈前傾，再呈水平狀態(tài)，入土過程結(jié)束。同時用高度調(diào)節(jié)法控制作業(yè)深度，限深輪（仿形輥）落地起限深作用。

入土角：本機把三點懸掛機構(gòu)在縱向垂直面內(nèi)的瞬心π1設(shè)計在工作部件的前方，這樣摟膜齒開始入土?xí)r就有一定的入土角γ，它隨著摟膜齒的入土逐漸變小，達(dá)到穩(wěn)定作業(yè)深度時，為設(shè)計入土角。理論上，γ 值增大有利于入土，因此設(shè)計時增加隙角ε。實際入土角γs=γ+ε。

入土能力：由于過多地增加入土角和隙角，對提高入土的性能起的作用并不大，主要還是取決于機具上各種作用力的綜合效果。摟膜齒的入土運動主要在縱向垂直面，所以要分析此平面內(nèi)的各種力和入土的關(guān)系。

圖4 摟膜齒入土示意圖Fig.4 The schematic diagram of film raking teeth in soil

R和通過瞬心π1的上方，形成順時針力矩R和l，即入土力矩。這是定性分析，定量表達(dá)必須把入土力矩轉(zhuǎn)化成等效力P。根據(jù)P對瞬心π1的力矩和入土力矩等效得Pm=R和l。

綜上所述，入土角和入土能力2個條件都要具備，而且配合得當(dāng)，才有良好的入土性能。

掛膜性能從兩方面考慮，一個是摟膜齒截面形狀，一個是表面光滑度。從試驗來看，用直徑14 mm 表面光滑的圓鋼做摟膜齒，田間試驗結(jié)果是排列齒間間隔100 mm 不掛殘膜，排列齒間間隔65～70 mm 壅土嚴(yán)重。改用摟膜齒后，在試驗的過程中發(fā)現(xiàn)單個摟膜齒也可以掛出殘膜，但由于摟膜齒的齒柄和齒刀兩部分接觸有間隙，所以入土部分橫截面不是圓形，表面不是光滑的，所掛殘膜殘茬相互纏繞，形成較好的摟膜效果。試驗表明細(xì)、圓、光滑的材料形狀掛膜效果很差。

2.2.3 摟膜齒排列

摟膜組架由浮動框架和摟膜齒組成。摟膜齒在矩形管上用螺栓固定，可以移動以便于調(diào)整齒間距。在排列摟膜齒時，應(yīng)滿足條件：左右排列盡量對稱均勻，使整個工作部件受力平衡。本機是由兩組單組組成，相鄰單組間摟膜齒在繞縱梁轉(zhuǎn)動時不會撞擊。

在經(jīng)過多次的排列摟膜齒試驗結(jié)果表明：摟膜齒的排列方式對摟膜效果有著非常大的影響。本機中前后共四排摟膜齒，每排所起的作用和功能都是不相同的。前三排的摟膜齒在摟膜時有一定的松土作用，都為最后一排密摟提供必要的條件。松土?xí)r應(yīng)滿足不漏松，也不能因密排而壅土。在調(diào)節(jié)摟膜齒前后、左右之間的距離應(yīng)根據(jù)摟膜齒工作時產(chǎn)生的土壤變形影響區(qū)確定。前面是與摟膜齒法線成角的平面，兩側(cè)是與摟膜齒幅寬所限定的垂直面成β角度的平面，見圖5。

圖5 單個摟膜齒產(chǎn)生土壤變形影響區(qū)示意圖Fig.5 The schematic diagram of soil deformation affected area caused by single film holding tooth

由此得

式中，K——變形區(qū)的寬度；k0——摟膜齒工作幅寬；s——摟膜齒作業(yè)深度；β——兩側(cè)破裂面夾角；α——摟膜齒入土角。

由式（1）可知，變形區(qū)域的寬度與土壤類型、作業(yè)深度、及摟膜齒入土角有關(guān)。

摟膜齒前面影響范圍L有下式確定

式中，l——摟膜齒伸出的長度；L——摟膜齒前面影響的范圍。

圖6 摟膜齒橫向排列松土范圍示意圖Fig.6 The schematic diagram of loosening range of film raking teeth in transverse arrangement

由此得出摟膜齒橫向排列松土不漏的條件

式中，B——前三排兩齒之間中心線的距離。

經(jīng)過分析計算后可得：第一排的主要起摟膜、摟地面大殘茬根莖、松土的作用。每2 個摟膜齒之間的中心距31 cm為宜，減掉齒寬距離4.5 cm 得到齒間距離為26.5 cm；第二排的主要作用為摟膜、松土。在安裝時需要與第一排交錯，摟膜齒間中心距還是以31 cm 為宜，減去齒寬距離4.5 cm 得齒間距離為26.5 cm；第三排的作用也是摟膜、松土。安裝時位置要與第一、二排交錯，摟膜齒之間中心31 cm 為宜，減去齒寬距離4.5 cm 得齒間距離為26.5 cm；最后一排的摟膜齒作用為梳摟殘膜殘茬，齒距離密度越大效果越好，過密造成壅土嚴(yán)重，摟膜齒間中心距18 cm 為宜，減去齒寬距離4.5 cm 得齒之間距離13.5 cm。作業(yè)深度6～12cm，作業(yè)速度7.5～8.5 km/h。第二、三排不能合并成一排是因為密排壅土。

3 試驗測試結(jié)果

3.1 試驗條件

在忻州市忻府區(qū)安邑村省農(nóng)科研種子研究所試驗基地進行，對CMQ-3 殘膜清除機進行了田間生產(chǎn)性試驗和可靠性試驗，殘茬為覆膜辣椒地和甘藍(lán)地，共進行了26.67 hm2強度考核試驗，并進行了殘膜回收指標(biāo)測試，測得作業(yè)后殘膜清除率見表2。

表2 作業(yè)后殘膜清除率Tab.2 The clearance rate of residual film after operation

3.2 性能試驗結(jié)論

該CMQ-3 殘膜清除機用John deer 1204 約翰迪爾拖拉機進行了試驗，機具入土穩(wěn)定后作業(yè)，下拉桿與水平成5°夾角，基本水平扇形板定位在外排第3 孔作業(yè)深度12cm，實測作業(yè)速度9.3 km/h。

3.3 結(jié)論

該機具有前后、左右4個方向的仿形能力，能夠?qū)崿F(xiàn)全方位地面仿形。在結(jié)構(gòu)原理上，利用前整平限位輥與后鎮(zhèn)壓輥輪的配合，完成了前后地面仿形。有效解決寬幅作業(yè)機組地面凹凹不平問題。

利用平面四桿機構(gòu)原理，將仿形架與浮動架之間的連架桿設(shè)計成扇形板形式，實現(xiàn)了單體耕深獨立調(diào)整，調(diào)整精度精確到厘米級別。