玉米全膜雙壟溝殘膜回收機的改進設計與試驗

李 強， 趙武云， 王久鑫， 王天福

(甘肅農業(yè)大學機電工程學院，甘肅 蘭州 730070)

地膜覆蓋技術于20世紀70年代引入我國，因其具有顯著的高效增溫、抑制雜草、提高種植產量等作用，給農業(yè)生產帶來極大的利益，被稱為農業(yè)中的“白色革命”。隨著科學技術的進步，我國農業(yè)機械化水平不斷提高，農業(yè)產值逐年上升，地膜的使用量也在逐年增加[1-2]。玉米全膜雙壟溝播種技術因其具有壟溝集雨、壟溝種植等優(yōu)點，在甘肅省旱作農業(yè)生產中得到廣泛應用[3-5]。由于重使用，輕回收，土壤中地膜殘留問題日趨嚴重，殘留在土壤中的地膜會破壞土壤耕層結構，使土壤板結，嚴重影響種子發(fā)芽、生長。我省使用地膜厚度約為0.008～0.01 mm，秋收后抗拉強度相對較差，其次玉米根茬的初生根及次生根扎入地表后在生長過程中長出氣生根，氣生根從地面上方呈傘型從地膜上穿過扎入土壤，將地膜緊密包裹，導致作業(yè)機具在殘膜回收過程中出現(xiàn)玉米根茬易被挑起、膜雜分離難等問題。殘膜回收率較低，殘膜在土壤中的累積日趨嚴重，已影響到我國農業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展[6-8]。

殘膜機械化回收是解決殘膜污染的有效途徑，近年來我國多名學者研究了各種殘膜回收機，殘膜回收技術取得了顯著進步。趙武云[9]等設計玉米全膜雙壟溝殘膜回收機，通過仿形起膜鏟起膜、偏心伸縮桿齒來實現(xiàn)挑膜和收膜，但存在偏心伸縮桿齒挑膜滾筒偏心軸易彎曲變形，作業(yè)效率低、根茬易被挑起等問題。郭文松[10]等設計了梳齒起膜氣力脫膜式耕層殘膜回收機，其中采用氣吸式殘膜回收方法，能很好地實現(xiàn)膜雜分離，但殘膜回收作業(yè)中會帶來大量塵土，污染環(huán)境。針對上述存在的問題及全膜雙壟溝種植的農藝要求，本文設計了一種偏心伸縮桿齒挑膜滾筒卷捆自卸式殘膜回收機，通過田間試驗確定機具最佳工作參數(shù)，為殘膜回收機的優(yōu)化設計提供理論和技術支撐。

1 整機結構與工作原理

1.1 整機結構和主要技術參數(shù)

該機具主要由三點懸掛架、減速器、機架、傳動裝置、起膜裝置、輸膜裝置及地膜回收裝置等部件組成，整機結構如圖1所示。其中起膜裝置由邊膜鏟和偏心伸縮桿齒挑膜滾筒組成；輸膜裝置主要由升運鏈等部件組成；地膜回收裝置主要由卷膜輥、集膜箱等部件組成。作業(yè)參數(shù)見表1。

表1 作業(yè)機主要技術參數(shù)

1.2 工作原理

如圖1所示，機具通過三點懸掛裝置與拖拉機相連，拖拉機前進時，動力由后輸出軸經減速器和鏈傳動機構傳遞至工作機構，地輪橫跨在大壟膜接茬處，首先邊膜鏟將覆土帶的邊膜刮起，偏心伸縮桿齒扎入土壤表層，挑起地膜，伸縮桿齒隨著滾筒的旋轉運動至最高點后縮回滾筒內，殘膜與伸縮桿齒分離，殘膜在慣性力的作用下，掉入升運鏈上方，升運鏈不斷旋轉、上升和抖動，實現(xiàn)升運鏈上的膜雜混合物初步分離和殘膜輸送，殘膜在升運鏈最高處掉落到集膜箱中，集膜箱中的卷膜輥不斷旋轉，進一步完成膜雜的分離和殘膜的壓縮、打捆，當集膜箱裝滿殘膜時，操縱液壓缸使集膜箱旋轉實現(xiàn)卸膜。

圖1 殘膜回收機結構示意圖1.邊膜鏟；2.三點懸掛架；3.減速器；4.偏心伸縮桿齒挑膜滾筒；5.升運鏈；6.地輪；7.卷膜輥；8.張緊裝置；9.液壓缸；10.集膜箱

2 關鍵部件的設計與分析

2.1 偏心伸縮桿齒挑膜滾筒的設計與分析

偏心伸縮桿齒挑膜滾筒是殘膜撿拾機的關鍵部件，其結構如圖2所示。偏心伸縮桿齒挑膜滾筒半徑為300 mm，偏心導軌與滾筒中心的偏心距e為35 mm，與水平方向夾角為40°。圓周方向有6個伸縮桿齒，軸線方向上有6排桿齒。偏心導軌固定在機架上，連接臂與滾筒固連，中心軸與連接臂固連，連桿與連接軸鉸接，連桿與伸縮桿齒通過桿齒固定軸固接，桿齒固定軸鑲嵌在偏心導軌槽內。機具作業(yè)時，拖拉機動力經減速器通過鏈傳動機構傳遞給中心軸，中心軸轉動帶動滾筒旋轉，通過連桿的作用，桿齒固定軸沿著偏心導軌順時針方向轉動，當伸縮桿齒運動到滾筒最下端時，伸縮桿齒伸出最長，伸縮桿齒扎入地表挑起殘膜，當伸縮桿齒運動到滾筒最上端時，伸縮桿齒完全縮回滾筒內，殘膜與桿齒分離，隨著滾筒的繼續(xù)轉動，殘膜在慣性力的作用下掉落到輸膜裝置上，完成挑膜作業(yè)，避免玉米根茬被挑起，桿齒固定軸在一定程度上解決了以往偏心伸縮桿齒挑膜滾筒的偏心軸易彎曲現(xiàn)象[11-13]。

圖2 偏心伸縮桿齒挑膜滾筒結構示意圖1.滾筒；2.中心軸；3.伸縮桿齒；4.偏心導軌；5.連接臂；6.桿齒固定軸；7.連接軸；8.連桿

偏心伸縮桿齒挑膜滾筒的運動是其繞中心軸圓周運動和機具前進運動的合成運動，其運動軌跡為余擺線，挑膜效果的好壞主要取決于挑膜速比λ，對其進行理論分析，挑膜速比滿足下式：

(1)

va=ωr

(2)

式中：va為偏心伸縮桿齒挑膜滾筒線速度，m/s；vm為機具前進速度，m/s；ω為偏心伸縮桿齒挑膜滾筒角速度，rad/s；r為偏心伸縮桿齒挑膜滾筒半徑，m。

根據(jù)上述關系，設定機具前進速度為1.3 m/s，偏心伸縮桿齒挑膜滾筒圓周線速度分別為1.3 m/s、1.9 m/s、2.6 m/s時，利用Adams軟件對挑膜裝置進行運動仿真分析，得到不同挑膜速比時伸縮桿齒尖端的運動軌跡，如圖3所示。

圖3 伸縮桿齒運動軌跡圖

經分析可知：當λ小于1時，伸縮桿齒運動軌跡為短幅擺線，伸縮桿齒不能及時將殘膜挑起，有漏膜現(xiàn)象。當λ大于1時，伸縮桿齒運動軌跡為長幅擺線，隨著λ不斷增大，伸縮桿齒挑膜次數(shù)增加。當機具前進速度一定時，增大λ值，要么提高偏心伸縮桿齒挑膜滾筒轉速ω，要么增大偏心伸縮桿齒挑膜滾筒半徑r。若r過大，則偏心伸縮桿齒挑膜滾筒占用空間大，挑膜行程變長，容易出現(xiàn)漏膜現(xiàn)象。若ω過大，則偏心伸縮桿齒挑膜滾筒轉速過快，易使殘膜過度破碎。經分析，λ值應取1.2～1.8，即機具前進速度為1.3 m/s時，滾筒轉速為50～75 r/min。

2.2 輸膜裝置的設計與分析

輸膜裝置主要由驅動輪、升運鏈、抖動輪、釘齒、側板等組成，其結構如圖4所示。升運鏈上每根柵條上分布著8個釘齒，釘齒保證殘膜輸送過程中不會脫落；抖動輪形狀為橢圓形，與升運鏈相互作用使升運鏈產生一定幅值的振動。殘膜具有質量輕的特點，當升運鏈旋轉時，殘膜混雜物從偏心伸縮桿齒挑膜滾筒掉落至升運鏈上，在釘齒的輔助下向上輸送，升運鏈快速抖動[15-16]，將殘膜上的土塊、秸稈等雜質進行二次分離，殘膜隨著升運鏈運動到達最高處，落入集膜箱中，完成輸膜任務。

圖4 輸送裝置結構示意圖1.驅動輪；2.升運鏈；3.抖動輪；4.釘齒；5.側板

為使殘膜上的土塊、秸稈等雜質及時抖落，應在輸送裝置上安裝被動式抖動輪，提高升運鏈振動頻率。被動式抖動輪在工作時由升運鏈運動而帶動，其形狀主要有橢圓、雙頭和三頭三種，因橢圓抖動輪對升運鏈沖擊力較小，可以滿足機具正常工作要求，因此本文采用橢圓型抖動輪。

抖動輪轉速、周長與升運鏈線速度關系[14]如下：

(3)

(4)

(5)

(6)

f=Zn

(7)

式中：R為抖動輪大節(jié)圓半徑，mm；r為抖動輪小節(jié)圓半徑，mm；n為抖動輪轉速，r/s；v為升運鏈線速度，m/s；L為抖動輪周長，m；f為抖動輪抖動頻率，Hz。

查閱相關文獻資料，抖動輪選取MS-2型號，其大節(jié)圓半徑為75 mm，小節(jié)圓半徑為59 mm，抖動輪周長為0.394 m，通過式(3)計算得出升運鏈最低線速度為1.14 m/s。抖動輪抖動頻率不應過大，過大會使升運鏈急劇抖動，縮短機具壽命，也不應過小，過小不能使殘膜上的土塊、秸稈等雜質及時抖落，影響殘膜的含雜率。綜合分析，抖動輪抖動頻率取9 Hz，由上式計算得出抖動輪轉速為4.5 r/s，升運鏈線速度為1.8 m/s。

圖5 膜雜分離示意圖

對殘膜混雜物在輸送過程時進行動力學分析，如圖5所示，以o點為坐標原點，平行于地面為橫坐標軸x，豎直方向為縱坐標軸y，建立直角坐標系xoy。為滿足雜質能及時從升運鏈落下，雜質在水平方向的速度必須小于機具前進速度，所以：

vcosδ-v0<0

(8)

式中：v為升運鏈線速度，m/s；δ為升運鏈與水平方向夾角，°；v0——機具前進速度，m/s。

由前面分析計算可知機具前進速度為1.3 m/s，升運鏈線速度為1.8 m/s，殘膜混雜物隨升運鏈上升過程中，殘膜混雜物上升速度視為升運鏈線速度，計算可知，升運鏈與水平方向夾角δ須大于43.9°，綜合分析，本文δ取45°。

2.3 卷膜裝置的設計與分析

卷膜裝置位于殘膜回收機后方，主要由卷膜輥、側板、側板連接桿、鏈輪、鏈條等組成，其機構示意圖如圖6。其中，卷膜輥共11個，卷膜輥采用圓形轉輥，每根圓形轉輥外表面在軸線方向上安裝四條角鋼，增加地膜與卷輥的摩擦力，體積較小，結構簡單，卷膜輥外圓直徑為130 mm，卷膜輥通過PF206軸承與側板固定。卷膜輥通過鏈傳動實現(xiàn)同向旋轉。工作過程中，二次分離后的殘膜從輸送裝置落入集膜箱中，卷膜輥旋轉將殘膜進行打捆，少量的土塊等雜物從卷膜輥縫隙中掉落，進一步完成膜雜分離。打捆過程中，殘膜不與卷膜輥發(fā)生纏繞，殘膜在集膜箱中不斷旋轉形成較緊實的膜捆，當殘膜體積達到集膜箱容積時，操作多路閥使液壓缸外伸實現(xiàn)集膜箱旋轉，進行卸膜[17-18]。

圖6 集膜箱結構示意圖1.卷膜輥；2.側板連接桿；3.側板；4.張緊裝置；5.鏈條；6.鏈輪

由于殘膜質量較輕、比較薄，在集膜箱打包的作業(yè)過程中，殘膜會落入集膜箱底部，并在此堆積。卷膜輥之間有一定間距，殘膜上的雜質會隨著卷膜輥的旋轉從縫隙漏下。假設堆積殘膜為圓柱形，且在打包過程中殘膜保持在最底部，則殘膜圓捆在集膜箱底部受力分析如圖7所示。

對殘膜捆進行靜力學分析，在水平和垂直方向的受力情況可用下式表示：

f1cosβ+N2sinα+f2cosα=N1sinβ

(9)

圖7 殘膜在集膜箱底部受力圖 注：N1為左側卷膜輥對殘膜的支持力，N；N2為右側卷膜輥對殘膜的支持力，N；f1為左側卷膜輥與殘膜間的摩擦力，N；f2為右側卷膜輥與殘膜間的摩擦力，N；α為右側卷膜輥支持力與豎直方向的夾角，°；β為左側卷膜輥支持力與豎直方向的夾角，°；G為殘膜捆的重力，N；ω為卷膜輥角速度，rad/s，運動方向如箭頭所示。ωt為殘膜旋轉角速度，rad/s，運動方向如箭頭所示。L為卷膜輥中心距距離，m。

N2sinα+N1sinβ+f1sinβ=G+f2sinα

(10)

f1=μN1

(11)

f2=μN2

(12)

由上式可得集膜箱內部卷膜輥對殘膜的支持力分別為：

(13)

(14)

則殘膜所受的轉動力矩可用下式表達：

M=(f1+f2)r

(15)

式中：M為殘膜受到轉動力矩，N/m；r為殘膜中心至卷膜輥的距離，m。

將(13)和(14)式帶入(15)式得：

(16)

由上述分析可知，殘膜受到的轉動力矩越來越大，則集膜箱底部殘膜越容易轉動形成殘膜捆。由式(16)可知，殘膜所受轉動力矩M與右側卷膜輥支持力與豎直方向的夾角α、左側卷膜輥支持力與豎直方向的夾角β、卷膜輥與殘膜摩擦系數(shù)μ有關。通過對其求導分析，其它參數(shù)一定時，力矩隨夾角α和β值的減小而增大。因此，增大卷膜捆的轉動力矩，要減小α和β值，可以通過減小卷膜輥二者之間中心距L來實現(xiàn)，又因卷膜輥直徑為130 mm，同時要求卷膜輥之間有一定的間隙使集膜箱中的土塊等雜質能順利落下，綜合分析卷膜輥中心距為150 mm。當夾角α和β為定值時，通過對式(16)進一步分析可知，轉動力矩M隨摩擦系數(shù)μ值增大而增大，故可改變卷膜輥與殘膜間的摩擦系數(shù)來增大轉動力矩，因此，外表面在軸線方向上安裝四條角鋼，增大摩擦力。

3 田間試驗

3.1 試驗目的

為了檢驗殘膜回收機的穩(wěn)定性，以及機具前進速度、偏心伸縮桿齒挑膜滾筒轉速、升運鏈線速度等運動參數(shù)對殘膜回收效果的影響，通過田間試驗分析，確定出最佳運動參數(shù)組合，提高殘膜拾凈率，降低含雜率。

3.2 試驗條件及方法

2021年10月，在甘肅省定西市安定區(qū)李家堡鎮(zhèn)進行殘膜回收機田間作業(yè)性能試驗，如圖8所示。試驗田地為旱地，為全膜雙壟溝播玉米秋收地，土壤為黃綿土，含水率約為15.4%～19.2%，土壤堅實度為18.4 kPa，地膜厚度為0.01 mm，寬度為1 200 mm。試驗參考《GB/T 25412-2010殘地膜回收機》規(guī)定進行，試驗玉米已收獲完成，地面相對平整，地面含有少量秸稈，秸稈留茬高度為50～100 mm，試驗時，作業(yè)速度為4～6 km/h，偏心伸縮桿齒挑膜滾筒轉速為60 r/min。試驗地隨機選取100 m長的壟斷地膜，在每塊試驗地上先進行殘膜回收機作業(yè)，作業(yè)結束后，將集膜箱內的殘地膜卸下，分離殘地膜與雜質，再由人工撿拾將試驗區(qū)地表殘留地膜進行回收，用電子秤分別測出回收殘地膜、未回收殘地膜和雜質的質量，分別計算出殘膜拾凈率、含雜率[19]。計算公式如下：

(17)

(18)

式中：N1為殘膜拾凈率，%；N2為殘膜含雜率，%；w1為測區(qū)內殘膜回收機撿拾地膜質量，g；w2為測區(qū)內地表殘留地膜質量，g；w3為測區(qū)內殘膜回收機撿拾地膜中雜質質量，g。

圖8 殘膜回收作業(yè)性能試驗

3.3 試驗結果

該機具在田間重復進行6次實驗，實驗結果見表2。

表2 試驗結果

4 結論

(1)針對現(xiàn)存殘膜回收所存在的問題，設計了一種新型偏心伸縮桿齒挑膜滾筒卷捆自卸式殘膜回收機，并對該機具各裝置進行理論分析，且通過田間試驗驗證了該機具的可靠性。

(2)運用Adams軟件對偏心伸縮桿齒挑膜滾筒進行動力學仿真，最終確定機具前進速度4.6 km/h和偏心滾筒轉速范圍50～75 r/min為最佳參數(shù)。對輸送裝置進行設計和改進，通過動力學分析，確定抖動輪振動頻率9 Hz、升運鏈與水平面夾角45°、升運鏈線速度6.5 km/h等參數(shù)，解決膜雜難分離問題，降低殘膜回收機的含雜率。對卷膜輥和殘膜作用力進行靜力學分析，通過改變卷膜輥中心距及卷膜輥外表面摩擦因數(shù)，提高卷膜效率。

(3)通過田間試驗，結果表明：該殘膜回收機殘膜拾凈率為90.1%，含雜率為9.3%，符合國家標準。