明 光
(武威職業(yè)學(xué)院,甘肅 武威 733000)
地膜覆蓋種植技術(shù)是一種改善和優(yōu)化作物生長(zhǎng)環(huán)境,克服不良條件影響,取得早熟、高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)和高效等效果的先進(jìn)農(nóng)業(yè)種植技術(shù)。該技術(shù)不僅可增加有效積溫,延長(zhǎng)作物的生長(zhǎng)期,而且可以起到抑制雜草生長(zhǎng)的作用;同時(shí)還可以有效利用土地資源和水資源,起到增溫保墑的效果[1-8]。因此,地膜覆蓋技術(shù)對(duì)發(fā)展我國(guó)的農(nóng)業(yè),尤其是西北干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)有著重要的戰(zhàn)略意義。但由于需連年鋪膜,且使用過的地膜未能及時(shí)有效回收,對(duì)農(nóng)田土壤造成了嚴(yán)重的 “白色污染” ,導(dǎo)致農(nóng)作物產(chǎn)量連年下降,因此,地膜回收技術(shù)成為農(nóng)業(yè)領(lǐng)域亟需研究的一大重要課題。
目前,國(guó)內(nèi)已經(jīng)研制出多種類型殘膜回收機(jī),從市場(chǎng)及參考文獻(xiàn)來看,迄今現(xiàn)有的殘膜回收機(jī)械在地膜回收方面各有其優(yōu)點(diǎn)與不足。調(diào)查發(fā)現(xiàn),影響各類機(jī)具作業(yè)的一大關(guān)鍵問題在于田間作業(yè)環(huán)境比較復(fù)雜,地面雜物種類多種多樣,很難使各類收膜部件直接發(fā)揮作用[9-24]。且殘膜回收過程中殘膜與雜物難以分離,使得已回收后的殘膜含雜量較多,難以再次利用。
另外,由于現(xiàn)有的農(nóng)用地膜非常的薄,厚度只有0.006~0.008 mm,雖然有些地方要求地膜厚度不低于0.01 mm,但使用一定時(shí)間后,回收時(shí)抗拉強(qiáng)度下降,極易破碎。而現(xiàn)有地膜回收機(jī)在回收地膜過程中很難將回收的地膜與雜物分離開來,造成地膜重復(fù)利用率低。且地膜易纏繞在收膜工作部件上,進(jìn)而影響地膜回收機(jī)連續(xù)回收作業(yè),難以滿足地膜回收要求。
針對(duì)現(xiàn)有農(nóng)田地膜回收機(jī)工作過程存在的膜雜難分離的問題,設(shè)計(jì)了一種膜雜分離式殘膜回收機(jī)。該機(jī)具主要由縱向切膜裝置、清雜裝置、收膜裝置、輸膜裝置和脫膜裝置等組成,結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 膜雜分離式殘膜回收機(jī)Fig.1 The membrane impurity separation residual membrane recovery machine
整機(jī)作業(yè)時(shí),變速箱啟動(dòng),變速箱動(dòng)力輸出軸端部設(shè)置的第二鏈輪通過脫模傳動(dòng)鏈帶動(dòng)脫膜輥轉(zhuǎn)動(dòng),脫膜輥通過切膜傳動(dòng)鏈帶動(dòng)縱向切膜輪將地膜縱向沿著作物根部連續(xù)切斷。同時(shí),半圓形起膜鏟將地膜鏟起,后地輪通過收膜傳動(dòng)鏈帶動(dòng)收膜滾筒轉(zhuǎn)動(dòng),收膜滾筒帶動(dòng)輸膜夾持板周向轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行輸膜,在輸膜過程中,膜下的土壤從半圓形起膜鏟的間隙掉落,膜上的雜物則順著輸膜夾持板落入兩夾持板的收膜滾筒上。然后,輸膜夾持板將鏟的地膜輸送到半圓形鏟鏟柄最上端,接著,通過輸膜滾筒上的輸膜釘齒,將地膜輸送至脫膜輥處,脫膜輥上的脫膜毛刷將地膜從收膜釘齒刷離,落入收膜箱內(nèi),完成地膜的回收。同時(shí),輸膜過程中被輸膜夾持板夾住的雜物也會(huì)順著夾持板落入兩夾持板之間的收膜滾筒上,實(shí)現(xiàn)二次雜物分離。最后,當(dāng)輸膜夾持板轉(zhuǎn)到一定角度,其上的雜物會(huì)順著輸膜夾持板落入清雜絞龍中,最終將雜物排出,從而不影響繼續(xù)收膜。
收膜裝置主要包括弧形起膜鏟、輸膜夾板、滾筒等機(jī)構(gòu),見圖2?;⌒纹鹉ょP通過連接桿并列連接起來,中間留有一定間隔,滾筒上隔一定距離裝有夾持板。當(dāng)機(jī)具開始作業(yè)時(shí),整體式起膜鏟將地膜從土壤里鏟起,緊接著夾板在滾筒帶動(dòng)下依次將鏟起的地膜沿著弧形鏟進(jìn)行輸送,膜下的土在起膜鏟的間隔中漏掉,膜上的雜物隨著夾持板到達(dá)一定高度會(huì)順著夾持板掉落在兩夾持板間的滾筒上,實(shí)現(xiàn)起膜、輸膜過程中的膜雜分離。特別在地膜回收時(shí),本機(jī)具的收膜裝置采用弧形整體式起膜鏟,克服了起膜后用帶輪或鏈輪輸送殘膜時(shí)雜物壅堵以及纏繞的問題。
圖2 收膜裝置Fig.2 The film collecting device
起膜時(shí)膜下的雜物主要是土壤,考慮到地表土壤板結(jié)情況,本機(jī)具的起膜鏟設(shè)計(jì)為扁平傾斜式代替了圓尖式。當(dāng)起膜鏟鏟起土壤時(shí),土壤會(huì)在鏟面上有一個(gè)運(yùn)動(dòng)擠壓過程,這種狀態(tài)下利于土壤的破碎,進(jìn)而使得膜下土壤更易從起膜鏟間隔中掉落,其鏟面受力,見圖3。因地面土壤含有各種雜物,因此這里土壤的純切削阻力kb不能忽略。
圖3 松膜鏟受力圖Fig.3 The stress diagram of loose film shovel
在水平方向上列平衡方程可得如下方程式:
式中:F——松膜鏟作業(yè)時(shí)受到的牽引力水平分力,N;FN——土壤作用于鏟面的法向力,N;μ——土壤與鏟面的摩擦系數(shù);b——松膜鏟鏟面寬度,m;α——松膜鏟入土傾斜角度(此處入土傾角不能太大,避免增加作業(yè)油耗,根據(jù)經(jīng)驗(yàn),入土角設(shè)計(jì)為15°~20°)。
另外,整體式起膜鏟橫向排列間隔距離不能過大或過小。當(dāng)間隔距離過大時(shí),鏟起的地膜被輸膜夾板輸送過程中會(huì)在起膜鏟間隔形成凹形形狀,隨著輸膜夾板不斷上升凹形里兜起的雜物會(huì)從輸膜夾板縫掉落下來,最后會(huì)影響輸膜夾板輸膜甚至造成輸膜夾板的破壞;當(dāng)間隔距離過小時(shí),會(huì)造成膜下土壤等雜物難掉落,最后會(huì)影響殘膜回收。根據(jù)原有收膜裝置存在的問題以及作物行間距,本機(jī)具整體式輸膜鏟排列數(shù)量為6~8排。
在機(jī)具作業(yè)過程中,考慮到處在地膜上的農(nóng)作物根茬對(duì)起膜鏟起膜時(shí)會(huì)造成一定的影響。因此,在收膜裝置的前面設(shè)置了縱向切膜機(jī)構(gòu)。由于目前地膜鋪設(shè)方式采用一膜多行,因此本機(jī)具的縱向切膜刀具設(shè)置兩對(duì)以上,見圖4??v向切膜機(jī)構(gòu)核心部件為圓盤鋸齒形切膜刀,其傳動(dòng)系統(tǒng)間接連接拖拉機(jī)的變速箱。
圖4 縱向切膜機(jī)構(gòu)Fig.4 The longitudinal film cutting mechanism
圓盤鋸齒形切膜刀在切膜時(shí),刀刃上任意一點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)可由該點(diǎn)隨殘膜回收機(jī)的平動(dòng)和繞固定軸的轉(zhuǎn)動(dòng)合成。若忽略圓盤鋸齒形切膜刀沿地面的滑移,可以將圓盤鋸齒形切膜刀的運(yùn)動(dòng)視為純滾動(dòng),則圓盤鋸齒形切膜刀與入土深度最低點(diǎn)為其速度瞬心,見圖5。
圖5 圓盤鋸齒形切膜刀純滾動(dòng)時(shí)刀刃上任一點(diǎn)的速度Fig.5 The speed at any point of the blade when the disc saw tooth film cutter is rolling
在刀刃上任意取一點(diǎn)N,由于M點(diǎn)為此時(shí)的速度瞬心,所以N點(diǎn)的速度方向與MN垂直。當(dāng)圓盤鋸齒形切膜刀做純滾動(dòng)時(shí),由圖5可得M點(diǎn)的速度v為:
式中:v——M點(diǎn)速度,m/s;vO——?dú)埬せ厥諜C(jī)前進(jìn)速度,m/s;R——圓盤鋸齒形切膜刀半徑,m;hm——圓盤鋸齒形切膜刀入土深度,m。
由式(2)可得出:圓盤鋸齒形切膜刀在縱向切膜時(shí),假設(shè)殘膜回收機(jī)前進(jìn)的速度不變,其刀刃上任一點(diǎn)的速度與該點(diǎn)到入土最低點(diǎn)的距離為h和圓盤鋸齒形切膜刀半徑R有關(guān);隨著圓盤鋸齒形切膜刀的前進(jìn),h逐漸降低,切膜的速度也將會(huì)隨著減小。因此增加圓盤鋸齒形切膜刀半徑R,則會(huì)降低切膜的速度,所以圓盤刀半徑不宜過大。根據(jù)經(jīng)驗(yàn),這里圓盤鋸齒形切膜刀半徑設(shè)計(jì)為10~15 cm較為合適。
當(dāng)輸膜夾持板剛好夾住鏟的地膜的同時(shí),也會(huì)將膜上的秸稈、枝葉等雜物夾住,為了避免被輸膜夾持板夾住的雜物落入到殘膜回收箱里面,增加二次輸膜機(jī)構(gòu),其結(jié)構(gòu)見圖6。
圖6 二次輸膜機(jī)構(gòu)Fig.6 The secondary film transport mechanism
二次輸膜機(jī)構(gòu)主要包括滾筒、掛膜釘齒??紤]刀更好地將地膜掛起,這里掛膜釘齒采用傾斜方式安裝于滾筒上,當(dāng)輸膜夾持板夾著地膜運(yùn)動(dòng)到最高端將要松開夾住的地膜時(shí),掛膜釘齒瞬間將地膜掛起逆時(shí)針運(yùn)動(dòng),緊接著輸膜夾持板夾住的雜物會(huì)掉落且落入兩輸膜夾持板之間,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)輸膜過程中的第二次雜物清除,有效降低了殘膜回收的含雜率。
根據(jù)本機(jī)具的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)在收膜裝置前面增加了清雜裝置,其組成主要包括絞龍、絞龍整體式支撐架,其結(jié)構(gòu)見圖7。
圖7 清雜裝置Fig.7 The trash remover
當(dāng)殘膜回收機(jī)正常作業(yè)時(shí),兩輸膜夾持板之間的雜物在經(jīng)過最高端以后,到達(dá)一定傾斜角度時(shí),雜物會(huì)完全掉落到收膜裝置正前方,特別是雜物堆積過多對(duì)于輸膜夾持板運(yùn)動(dòng)會(huì)造成影響,甚至不能正常工作,因此設(shè)計(jì)了絞龍式清雜裝置。
設(shè)絞龍葉片在輸送雜物時(shí)的O點(diǎn)的牽連速度為Vo,相對(duì)速度AB,絕對(duì)速度為Vf,圖8為清除雜物時(shí)的速度分析圖。
圖8 清除雜物的運(yùn)動(dòng)速度Fig.8 The movement speed of debris removal
根據(jù)圖8的速度分析圖可得雜物沿軸向的運(yùn)動(dòng)速度。
式中:S——為絞龍葉片的螺距;n——絞龍軸的轉(zhuǎn)速;f,φ——摩擦系數(shù)和摩擦角。
由(7)式可知,當(dāng)1-f tgα≤0時(shí),VZ≤0,雜物將不能沿著軸向運(yùn)動(dòng),所以絞龍的葉片螺旋角應(yīng)滿足以下條件:
本文針對(duì)現(xiàn)有農(nóng)田殘膜回收機(jī)工作過程存在的殘膜與雜物難以分離的問題,設(shè)計(jì)了一種膜雜分離式殘膜回收機(jī)。通過對(duì)機(jī)具中的收膜裝置、二次輸膜裝置、切膜機(jī)構(gòu)和清雜裝置等核心部件的工作過程以及設(shè)計(jì)理念依次進(jìn)行了分析計(jì)算說明,結(jié)論如下:
(1)結(jié)合鋪膜實(shí)際情況以及現(xiàn)有機(jī)型在膜雜分離過程中存在的問題,設(shè)計(jì)起膜鏟為整體式結(jié)構(gòu)。其橫向排列數(shù)量設(shè)計(jì)為6~8排,起膜鏟入土角設(shè)計(jì)范圍為15°~20°,采用滾筒式輸膜夾持板分離膜上雜物。
(2)考慮植株對(duì)收膜的影響,在收膜裝置前端設(shè)置了縱向圓盤鋸齒形切膜刀,目的是將地膜沿著殘留植株根旁縱向切開,便于收膜。通過計(jì)算并結(jié)合實(shí)際情況,設(shè)計(jì)圓盤鋸齒形切膜刀的半徑為10~15 cm。
(3)為了進(jìn)一步降低殘膜回收含雜率,在整體起膜鏟前方設(shè)置了二次輸膜機(jī)構(gòu),其結(jié)構(gòu)為滾筒釘齒式,掛膜釘齒采用傾斜安裝,傾斜角為45°,有利于將地膜掛起。
(4)考慮機(jī)具作業(yè)前進(jìn)時(shí)不受雜物影響,在收膜裝置前面設(shè)置了清雜裝置的絞龍,為了更好的實(shí)現(xiàn)雜物清除,通過計(jì)算,得出葉片螺旋角為α≤90°-φ。
本設(shè)計(jì)機(jī)具結(jié)構(gòu)緊湊,體積小,各機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)巧妙,機(jī)構(gòu)間布局合理巧妙、環(huán)環(huán)相扣,動(dòng)力輸入小,能耗低,具有良好的推廣應(yīng)用價(jià)值。同時(shí),本設(shè)計(jì)也可為膜雜分離式地膜回收機(jī)械的研制提供參考。