于云海，陳學(xué)庚,，溫浩軍

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秸稈粉碎與殘膜集條聯(lián)合作業(yè)機(jī)的研制與試驗(yàn)

于云海1，陳學(xué)庚1,2※，溫浩軍2

（1. 石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院，石河子 832003； 2. 新疆農(nóng)墾科學(xué)院機(jī)械裝備研究所，石河子 832000）

地膜殘留已經(jīng)成為影響新疆棉區(qū)可持續(xù)發(fā)展的一個(gè)主要因素，而現(xiàn)有的殘膜回收機(jī)具大多存在適應(yīng)性差、工作效率低、回收的地膜含雜率高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等問(wèn)題。針對(duì)上述實(shí)際情況，該文提出了先將地膜集條再撿拾回收的分步作業(yè)思路，設(shè)計(jì)了一種用于秋后的秸稈粉碎與地膜集條聯(lián)合作業(yè)機(jī)，主要由懸掛裝置、動(dòng)力傳遞系統(tǒng)、秸稈粉碎裝置、秸稈輸送裝置、地膜集條裝置、脫模裝置等部件組成。該機(jī)采用拋送式秸稈粉碎裝置，將粉碎的秸稈后拋至集條后的地面上，有利于殘膜回收秸稈分離；采用仿形式地膜集條裝置，適應(yīng)性好，集條率高。樣機(jī)試驗(yàn)結(jié)果表明，機(jī)具作業(yè)速度為5～7 km/h、刀軸轉(zhuǎn)速為1 880 r/min、集條裝置的轉(zhuǎn)速在150～160 r/min時(shí)，平均工作效率可達(dá)到1.15 hm2/h，平均地膜集條率可達(dá)到92.6%；平均膜稈分離率可達(dá)90.5%；平均粉碎秸稈長(zhǎng)度合格率可達(dá)97.5%，各主要參數(shù)均滿足農(nóng)藝和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求。該研究可為中國(guó)主要棉區(qū)的殘膜污染治理提供參考。

農(nóng)業(yè)機(jī)械；設(shè)計(jì)；試驗(yàn)；秸稈粉碎；地膜；集條

0 引 言

新疆作為世界上重要的棉花種植區(qū)，2015新疆維吾爾自治區(qū)棉花種植面積227.31萬(wàn)hm2[1]，棉田鋪膜率已達(dá)100%，每年新地膜使用量就在10萬(wàn)t以上，而覆蓋20 a的土壤中每平方米殘留有地膜30 g以上[2]（相當(dāng)于7層新地膜的質(zhì)量）。在自然條件下，地膜可在土壤中可以殘留200～400 a[3]，如果不能及時(shí)有效處理，地膜長(zhǎng)時(shí)間在農(nóng)田殘留，勢(shì)必影響農(nóng)作物產(chǎn)量和中國(guó)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[4-7]。處理殘膜的方法有填埋、焚燒、人工回收和機(jī)械回收等，但是由于填埋、焚燒和人工回收的方法存在浪費(fèi)土地、污染環(huán)境、勞動(dòng)強(qiáng)度大等弊端，所以，現(xiàn)在國(guó)內(nèi)外普遍采用機(jī)械化回收的方式來(lái)處理殘留地膜[8-11]。

目前，中國(guó)研制了多種形式機(jī)械化殘膜回收機(jī)具，按照棉花的生長(zhǎng)周期可分為播前、苗期和收獲后收膜3類[12-13]。由于在作物收獲后，當(dāng)年的地膜在地表殘留比較完整、強(qiáng)度較高，易于回收，且可以結(jié)合秸稈粉碎聯(lián)合作業(yè)，因此，秋后殘膜回收與秸稈粉碎聯(lián)合作業(yè)機(jī)械將成為今后研究的主要方向[14-18]。用于新疆棉區(qū)的秋后聯(lián)合作業(yè)機(jī)械已經(jīng)有多種機(jī)型。石河子大學(xué)研制的SMS-1500型秸稈粉碎與殘膜回收機(jī)，該機(jī)在收膜時(shí)易將秸稈殘枝收起，回收后的殘膜含雜率較高[19]；新疆農(nóng)墾科學(xué)院農(nóng)機(jī)化所研制的4SJ-1.6型殘膜回收與秸稈粉碎還田機(jī)，該機(jī)通過(guò)莖稈輸送絞龍和殘膜撿拾滾筒來(lái)分離膜稈和回收殘膜，整機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，膜稈分離率低，容易擁堵[20]；新疆農(nóng)科院農(nóng)機(jī)化所研制的4JSM-1800型拋送式棉稈粉碎還田及殘膜回收聯(lián)合作業(yè)機(jī)，該機(jī)通過(guò)起膜、挑膜、收膜的方式進(jìn)行殘膜回收，由于棉田地形復(fù)雜，機(jī)具沒(méi)有仿形功能，導(dǎo)致起膜的效果通常難以保證[21-22]。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出了一種先將殘膜集條再撿拾回收的殘膜回收方法，研究設(shè)計(jì)了一種用于秋后的秸稈粉碎與地膜集條聯(lián)合作業(yè)機(jī)。該機(jī)一次作業(yè)可實(shí)現(xiàn)秸稈粉碎、地膜集條和膜稈分離。地膜集條后再配合殘膜撿拾打包機(jī)作業(yè)，完成地膜打包回收[23-25]。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

秸稈粉碎與殘膜集條聯(lián)合作業(yè)機(jī)由懸掛裝置、動(dòng)力傳遞系統(tǒng)、秸稈粉碎裝置、秸稈輸送裝置、地膜集條裝置、脫模裝置、機(jī)架和地輪等主要部件組成。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

其中秸稈粉碎還田裝置由刀軸、刀座、動(dòng)刀、定刀等組成；秸稈輸送裝置主要由風(fēng)道、物料導(dǎo)流槽等組成；集條裝置主要由彈齒、彈齒固定架、鏈條、鏈輪軸、仿形調(diào)節(jié)拉桿、脫模裝置等組成，兩側(cè)集條裝置末端安裝有脫模裝置。

a. 主視圖

a. Front view

b. 俯視圖

b. Plan view

1.懸掛裝置 2.傳動(dòng)系統(tǒng) 3.風(fēng)道 4.液壓系統(tǒng) 5.機(jī)架 6.物料導(dǎo)流槽 7.仿形拉桿 8.彈齒 9.傳動(dòng)鏈 10.護(hù)罩 11.彈齒固定架 12.鏈輪軸 13.脫模裝置 14.地輪 15.起膜鏟 16.刀軸 17.L型動(dòng)刀 18.壓膜裝置 19.定刀 20.扶禾器

1.Suspension device 2.Transmission system 3.Air passage 4.Hydraulic system 5.Frame 6.Materials guide channel 7.Profiling device 8.Spring-tooth 9.Transmission chain 10.Protecting cover 11.Supporting structure 12.Sprocket shaft 13.De-film device 14.Ground wheel 15.Film shovel 16.Cutter shaft 17.L-type moving blade 18.Pressed film device 19.Fixed cutter 20.Crop lifter

圖1 秸稈粉碎與殘膜集條聯(lián)合作業(yè)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

Fig.1 Sketch diagram of straw chopping and plastic film strip-collection combined machine

1.2 工作原理

如圖1所示，整機(jī)通過(guò)懸掛裝置與拖拉機(jī)后三點(diǎn)懸掛裝置連接，機(jī)具的傳動(dòng)系統(tǒng)2通過(guò)傳動(dòng)軸與拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸連接，帶動(dòng)秸稈粉碎裝置工作；液壓系統(tǒng)4通過(guò)液壓油管與拖拉機(jī)的液壓輸出端連接，帶動(dòng)兩側(cè)地膜集條裝置工作。機(jī)具作業(yè)時(shí)，順著膜行方向前進(jìn)，棉秸稈在扶禾器20的作用下，進(jìn)入到粉碎室，粉碎室的刀軸16在獲得傳動(dòng)系統(tǒng)2的動(dòng)力后作高速旋轉(zhuǎn)，通過(guò)固定在刀軸上的動(dòng)刀17和固定在機(jī)架上的定刀19的共同作用，將進(jìn)入到粉碎室的一個(gè)工作幅寬的秸稈粉碎，粉碎的秸稈被向后拋送進(jìn)入風(fēng)道3，再經(jīng)物料導(dǎo)流槽6拋出，秸稈出料口設(shè)計(jì)成“八”字型，使粉碎后的秸稈被拋撒在機(jī)具兩側(cè)。在秸稈粉碎過(guò)程中，壓膜裝置18始終壓在殘膜上，防止地膜在秸稈粉碎裝置產(chǎn)生的強(qiáng)風(fēng)作用下，被吸進(jìn)粉碎室與秸稈一起被粉碎。同時(shí)，液壓系統(tǒng)通過(guò)鏈條帶動(dòng)鏈輪軸12轉(zhuǎn)動(dòng)，彈齒8通過(guò)彈齒固定架11，固定在鏈條9上，鏈輪軸通過(guò)傳動(dòng)鏈9帶動(dòng)彈齒8轉(zhuǎn)動(dòng)，將殘膜向中間收集。當(dāng)彈齒8轉(zhuǎn)動(dòng)到將要脫離地面時(shí)，彈齒沿著導(dǎo)槽進(jìn)入到脫模裝置13中，將纏繞在彈齒上的殘膜脫掉。兩側(cè)集條裝置通過(guò)仿形拉桿7隨地仿形。殘膜集條作業(yè)完成后，再用相關(guān)的殘膜撿拾打包機(jī)統(tǒng)一打包回收。

1.3 主要技術(shù)指標(biāo)

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和農(nóng)藝要求，并結(jié)合新疆地區(qū)棉花種植的實(shí)際情況，秸稈粉碎與殘膜集條聯(lián)合作業(yè)機(jī)主要技術(shù)指標(biāo)如下表1所示。

表1 主要技術(shù)指標(biāo)

2 主要部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 秸稈粉碎還田裝置

本機(jī)采用橫軸錘片式秸稈粉碎裝置，結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由刀軸、L型動(dòng)刀、定刀、前、后擋板等組成。

2.1.1 動(dòng)刀在刀軸上的排列方式

動(dòng)刀在刀軸上的排列方式對(duì)秸稈粉碎還田裝置的作業(yè)效果有著重要的影響，其排列一般應(yīng)滿足以下要求[23]：1）滿足工作性能的要求。在滿足切割質(zhì)量且不漏割的前提下，應(yīng)盡量加大刀片間的軸向和徑向間距，以免發(fā)生干涉和秸稈堵塞；2）滿足動(dòng)平衡要求。動(dòng)刀應(yīng)在刀軸上均勻分布，每組動(dòng)刀在徑向要等角度分布，夾角一般要大于60°，以使機(jī)具空載旋轉(zhuǎn)時(shí)刀軸受力均勻，達(dá)到動(dòng)平衡計(jì)算要求。

動(dòng)刀和刀軸構(gòu)成一個(gè)多剛體轉(zhuǎn)子，理論上其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量不是常量，但是合理的排列動(dòng)刀可使刀軸高速旋轉(zhuǎn)時(shí)很快恢復(fù)到平衡位置。當(dāng)前常用的排列方式主要有3種：螺旋線排列、對(duì)稱排列和交錯(cuò)平衡排列。由于交錯(cuò)平衡排列的動(dòng)刀結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝方便，在運(yùn)動(dòng)中相對(duì)的兩組動(dòng)刀離心力的合力在同一平面內(nèi)，使得整機(jī)具有良好的平衡性，同時(shí)能保證碎秸稈有足夠的拋送高度和距離，因此本機(jī)采用交錯(cuò)平衡排列方式，如圖3所示。

2.1.2 刀軸轉(zhuǎn)速的確定

秸稈粉碎還田機(jī)屬于橫軸臥式旋轉(zhuǎn)機(jī)械，粉碎秸稈的方式是無(wú)支撐逆向切割，對(duì)動(dòng)刀切割端的線速度要求較高。研究結(jié)果表明，對(duì)具有一定剛度的秸稈進(jìn)行無(wú)支撐切割的最小速度min=48 m/s[26-28]。

動(dòng)刀是秸稈粉碎裝置的主要工作部件，作業(yè)時(shí)在刀軸的帶動(dòng)下高速旋轉(zhuǎn)，為了提高機(jī)具的粉碎效果，要求動(dòng)刀在工作時(shí)，刀尖的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡是一條余擺線[27]，且擺線的橫弦越大對(duì)粉碎越有利[29]，如圖4所示。

設(shè)動(dòng)刀刀端運(yùn)動(dòng)軌跡上任一點(diǎn)坐標(biāo)為(,)，由圖4可得點(diǎn)運(yùn)動(dòng)方程為

由式（1）微分得

（2）

由速度合成原理得動(dòng)刀切割端絕對(duì)速度

式中0為動(dòng)刀切割端回轉(zhuǎn)半徑，m；0為機(jī)具牽引速度，m/s；0為刀軸旋轉(zhuǎn)角速度，rad/s；V為刀端上點(diǎn)在軸方向的分速度，m/s；V為刀端上點(diǎn)在軸上的分速度，m/s；為動(dòng)刀切割端絕對(duì)速度，m/s。

通常情況下，秸稈粉碎裝置的動(dòng)刀對(duì)棉稈的切割點(diǎn)是在動(dòng)刀運(yùn)動(dòng)軌跡的最下端，此時(shí)動(dòng)刀切割方向與機(jī)具前進(jìn)方向相同。

即：

刀軸最小轉(zhuǎn)速0可以根據(jù)下式確定

（4）

根據(jù)農(nóng)戶對(duì)棉田秸稈粉碎效率的要求，機(jī)具的牽引速度應(yīng)達(dá)到1.4～1.9 m/s。給定0=0.282 m，當(dāng)0=1.4 m/s時(shí)，由式（4）可得，刀軸轉(zhuǎn)速0≥1 562 r/min。

2.2 壓膜裝置

L型動(dòng)刀工作時(shí)在粉碎室內(nèi)產(chǎn)生很強(qiáng)的風(fēng)場(chǎng)，處于粉碎室下面的地膜很容易在風(fēng)力的作用下被吸附、粉碎并隨秸稈一起排出，這將大大影響膜稈分離率和殘膜集條回收的效率[30]。壓膜裝置是降低動(dòng)刀對(duì)殘膜吸附作用的重要工作部件，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

1. 連接架 2.壓膜板

1.Connect frame 2.Pressed film plate

注：連接架可以通過(guò)鉸接點(diǎn)O轉(zhuǎn)動(dòng)，壓膜板可以繞O點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)使壓膜裝置具有一定的活動(dòng)空間。

Note: Connect frame can rotate around the pointOand the plate can rotate around the pointO. Through the rotation, it will make some motion space for squeeze-film device.

圖5 壓膜裝置

Fig.5 Pressed film device

該裝置通過(guò)連接架1鉸接在機(jī)架上。在前進(jìn)過(guò)程中遇到較大土塊等障礙物時(shí)，連接架和壓膜板可分別繞鉸接點(diǎn)O和O旋轉(zhuǎn)，越過(guò)障礙。為避免壓膜裝置2在膜行上滑行時(shí)刮破地膜，壓膜板2采用橡膠材質(zhì)。機(jī)架上安裝有限位擋板，防止壓膜裝置在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中與秸稈粉碎裝置發(fā)生干涉。

2.3 地膜集條裝置

2.3.1 仿形角和彈齒作業(yè)高度

地膜集條裝置主要由多排彈齒、傳動(dòng)鏈、張緊裝置、液壓系統(tǒng)、脫模裝置等組成，左右兩側(cè)錯(cuò)開(kāi)布置在秸稈輸送裝置的下方，由液壓系統(tǒng)統(tǒng)一分配動(dòng)力。在整個(gè)集條裝置的傳動(dòng)鏈、張緊裝置、機(jī)架等四周包裹有護(hù)罩，以避免地膜飛起時(shí)產(chǎn)生纏繞現(xiàn)象。其結(jié)構(gòu)如圖6所示。

集條裝置是機(jī)具的主要工作部件，彈齒的間距、傾角、轉(zhuǎn)速、入土深度等因素直接影響集條效率。傳動(dòng)鏈上的每排彈齒，其在棉田表面方向上劃行運(yùn)動(dòng)的距離可由下式得出

式中為彈齒在從動(dòng)鏈輪上的回轉(zhuǎn)半徑，m；為彈齒入土傾角，(°)；為彈齒在主動(dòng)輪正下方距離地面高度，m；為彈齒作業(yè)傾角，(°)；為一側(cè)主動(dòng)鏈輪和從動(dòng)鏈輪軸心連線與地面夾角，(°)；為彈齒在從動(dòng)輪正下方入土深度，m，和的值可通過(guò)式（6）求得。

（6）

由式（5）可得，當(dāng)彈齒回轉(zhuǎn)半徑、鏈輪中心距等設(shè)計(jì)參數(shù)一定時(shí)，彈齒刮行距離隨著高度的增大而增長(zhǎng)，隨著集條裝置仿形角的減小而增長(zhǎng)。通過(guò)試驗(yàn)得彈齒刮行的距離越長(zhǎng)、入土深度越深，彈齒對(duì)地面殘膜的收集作用越大，地膜集條的效果越好。同時(shí)彈齒對(duì)地面上棉稈等雜物的收集量和彈齒轉(zhuǎn)動(dòng)的阻力也會(huì)隨之增加，而且也會(huì)影響到脫膜裝置的脫凈率。經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)，取彈齒在主動(dòng)輪正下方距離地面高=0.04 m，集條裝置仿形角=4°。

a. 主視圖

a. Front view

b. 俯視圖

b. Plan view

1.機(jī)架 2.彈齒 3.仿形拉桿 4.張緊裝置 5.液壓系統(tǒng) 6.脫模裝置 7.傳動(dòng)鏈 8.護(hù)罩

1.Frame 2.Spring-tooth 3.Profiling device 4.Chain tension device 5.Hydraulic system 6.De-film device 7.Transmission chain 8.Hood

注：為集條裝置從動(dòng)鏈輪軸旋轉(zhuǎn)角速度，rad·s-1；為彈齒安裝傾角，(°)；為集條裝置仿形角，(°)；為彈齒作業(yè)傾角，(°)；為彈齒入土角，(°)；為彈齒回轉(zhuǎn)半徑，mm；為彈齒在地面上的刮行距離，mm；為彈齒在從動(dòng)輪正下方入土深度，mm；為彈齒在主動(dòng)輪正下方距離地面高度，mm；為工作幅寬，mm；0為每排彈齒的安裝間距，mm；v為集條裝置在與0垂直方向的水平分速度，m·s-1；為彈齒間距，mm。

Note:represents angular velocity of driven shaft of collection strip device, rad·s-1;represents setting dip angle, (°);represents profiling angle, (°);represents working dip angle, (°);represents penetrating angle, (°);represents gyration radius of spring-toothmm;represents the scratching distance of the tooth on the ground, mm;represents penetration depth of tooth underneath of driven shaft, mm;represents height from ground underneath of driving shaft, mm;represents working width, mm;0represents installation distance of each row of tooth, mm;vrepresents the horizontal velocity perpendicular to the0, m·s-1;represents distance of tooth in each pair, mm.

圖6 集條裝置

Fig.6 Collection strip device

2.3.2 彈齒轉(zhuǎn)速

集條裝置在轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)，也在拖拉機(jī)的牽引下作用向前運(yùn)動(dòng)，向前運(yùn)動(dòng)的速度0為機(jī)具的牽引速度。每排彈齒在前進(jìn)方向上的運(yùn)動(dòng)如圖7所示。

彈齒收集地膜的作業(yè)效果與彈齒排列的密度密切相關(guān)，密度越大集膜率越高，但是收集的地膜的含雜率也會(huì)顯著提高，為后續(xù)膜稈分離帶來(lái)了不便；密度太小容易造成遺漏，影響殘膜回收率。綜合考慮以上情況，根據(jù)田間試驗(yàn)，單個(gè)彈齒間距設(shè)計(jì)為=80 mm，每彈齒在傳動(dòng)鏈上的安裝間距設(shè)計(jì)為

為了保證集條的連續(xù)性和集條率，設(shè)相鄰每排彈齒運(yùn)動(dòng)的時(shí)間間隔為0，傳動(dòng)鏈的平均運(yùn)動(dòng)速度為，則應(yīng)滿足下列關(guān)系

（8）

式中為所選鏈條的節(jié)距，mm；0為每排彈齒在傳動(dòng)鏈上的安裝間距，mm；為單個(gè)彈齒設(shè)計(jì)間距，mm。

傳動(dòng)鏈的平均速度為

式中為鏈輪齒數(shù)；為集條裝置從動(dòng)鏈輪軸旋轉(zhuǎn)角速度，rad/s。

轉(zhuǎn)速為

由式（8）、式（9）、式（10）可得

（11）

取機(jī)具牽引速度0=5 km/h，可得集條裝置轉(zhuǎn)速的取值范圍為130～173 r/min。集膜彈齒的實(shí)際運(yùn)動(dòng)應(yīng)為機(jī)具牽引速度0和傳動(dòng)鏈的平均速度的合運(yùn)動(dòng)，速度夾角為，可得

為使殘膜保持良好的收集狀態(tài)，避免彈齒在前進(jìn)方向上纏膜的現(xiàn)象，角度應(yīng)小于45°，結(jié)合式（9）和式（10）得在牽引速度0=5 km/h、集條裝置仿形角=4°時(shí)，的取值在35.7°～43.5°之間。

2.4 傳動(dòng)系統(tǒng)

秸稈粉碎與地膜集條機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)由機(jī)械和液壓2種傳動(dòng)系統(tǒng)組成。機(jī)械傳動(dòng)雷沃歐豹754-A輪式拖拉機(jī)系統(tǒng)有兩路，一路主要由變速箱和帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)組成，動(dòng)力從拖拉機(jī)后輸出軸經(jīng)傳動(dòng)軸輸出，再經(jīng)變速箱增速后傳遞給皮帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)；另一路主要由變速箱和鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)組成，動(dòng)力由液壓馬達(dá)輸出，經(jīng)變速箱減速后傳遞給鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)；液壓傳動(dòng)系統(tǒng)主要由液壓馬達(dá)、流量閥和輔助原件組成，動(dòng)力從拖拉機(jī)的液壓輸出端經(jīng)液壓油管傳遞給液壓馬達(dá)。如圖8所示。

3 試驗(yàn)與分析

3.1 試驗(yàn)條件

田間試驗(yàn)是在2015年10月10-15日，昌吉回族自治州瑪納斯縣六戶地鎮(zhèn)秋天收獲后的棉田進(jìn)行。試驗(yàn)地面積為400 m×50 m，地面平整度較好（有較淺的車(chē)轍），屬栗鈣土；滴灌帶已經(jīng)被回收，土壤平均含水率12.6%（0～10 cm內(nèi)）；棉花種植模式為：行距660 mm，株距100 mm，膜邊壓入土中75 mm；棉稈有少量倒伏，秸稈平均含水率15.24%，平均直徑為11.31 mm，秸稈高度在50～80 cm之間；膜寬為2 050 mm，厚度為0.008 mm，膜中間有少量土塊和秸稈，抽出滴灌帶時(shí)地膜被從行間撕開(kāi)；拖拉機(jī)選用福田雷沃754，拖拉機(jī)牽引速度為5～7 km/h，輸出軸轉(zhuǎn)速為760 r/min，集條裝置轉(zhuǎn)速為130～170 r/min。

3.2 試驗(yàn)方法

按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T24675.6-2009《保護(hù)性耕作機(jī)械秸稈粉碎還田機(jī)》和GB/T 25412-2010《殘地膜回收機(jī)》對(duì)秸稈粉碎與地膜集條機(jī)的相關(guān)性能進(jìn)行的試驗(yàn)，試驗(yàn)的內(nèi)容主要包括：留茬高度和秸稈粉碎長(zhǎng)度合格率、膜稈分離率、當(dāng)年地膜集條率等，同時(shí)檢測(cè)機(jī)具的秸稈粉碎、輸送能力和脫模裝置的脫模能力以及機(jī)具的整體工作性能。試驗(yàn)器材包括：便攜式土壤水分測(cè)定儀（華控興業(yè)HSTL-TRCS02型，精度±3%）、激光轉(zhuǎn)速表（勝利儀器VICTOR6234P型）、秒表、卷尺、天平（深圳市無(wú)限量衡量器有限公司）、鐵鍬等。

3.2.1 留茬高度合格率

每個(gè)行程在測(cè)區(qū)長(zhǎng)度上選擇一個(gè)測(cè)量點(diǎn)，測(cè)量范圍為；一個(gè)工作幅寬×1 m，根茬高度≤8 cm視為合格，分別在5個(gè)工作行程上隨機(jī)測(cè)量5個(gè)點(diǎn)，記錄下每個(gè)點(diǎn)的測(cè)量結(jié)果，最后取5個(gè)測(cè)量點(diǎn)的平均值。

3.2.2 秸稈粉碎長(zhǎng)度合格率

選取2個(gè)工作行程，在膜行長(zhǎng)度方向上，每個(gè)行程等間距測(cè)定3個(gè)點(diǎn)，每點(diǎn)測(cè)量面積為：一個(gè)工作幅寬×1 m，粉碎后秸稈的長(zhǎng)度≤20 cm視為合格。撿拾測(cè)量范圍內(nèi)的所有秸稈稱質(zhì)量，再?gòu)闹刑舫龇鬯殚L(zhǎng)度大于20 mm的秸稈稱質(zhì)量。按照式（13）～式（14）計(jì)算每點(diǎn)粉碎秸稈合格率和工況平均值。

（14）

式中M為測(cè)區(qū)秸稈總質(zhì)量，kg；M為測(cè)區(qū)秸稈不合格的質(zhì)量，kg；F為測(cè)區(qū)秸稈合格率，%；為工況平均合格率，%。

3.2.3 膜稈分離率

采用五點(diǎn)法，每個(gè)行程在測(cè)區(qū)長(zhǎng)度方向上中間位置選取一個(gè)點(diǎn)，在5個(gè)行程上進(jìn)行測(cè)量，每點(diǎn)測(cè)量面積為：一個(gè)幅寬×1 m，作為工作前的測(cè)點(diǎn)；然后再在靠近工作前的測(cè)量區(qū)域處，挑選5個(gè)點(diǎn)作為作業(yè)后的測(cè)點(diǎn)。按照式（15）～式（16）計(jì)算每點(diǎn)膜稈分離率和工況平均值。

（16）

式中w為工作前測(cè)量區(qū)域內(nèi)留茬高度（120 mm）以上秸稈總質(zhì)量，kg；w為工作后測(cè)區(qū)摻雜在集條后的地膜中的秸稈的質(zhì)量，kg；F為測(cè)區(qū)膜稈分離率，%；為工況平均值，%。

3.2.4 地膜集條率

地膜集條率直接反應(yīng)出了秸稈粉碎還田與地膜集條機(jī)的工作性能，測(cè)定方法同3.2.3。集條率可由式（17）～式（18）求得。

（18）

式中J為測(cè)區(qū)地膜集條率，%；W為測(cè)區(qū)被集條后的當(dāng)年地膜質(zhì)量，kg；W為測(cè)區(qū)工作前的當(dāng)年地膜總之量，kg；為工況平均值，%。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

田間試驗(yàn)結(jié)束后，測(cè)得秸稈粉碎與殘膜集條聯(lián)合作業(yè)機(jī)的主要性能指標(biāo)如表2所示。

在選取的棉區(qū)進(jìn)行了多次試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：機(jī)具運(yùn)轉(zhuǎn)靈活、平穩(wěn)、安全可靠，當(dāng)集條裝置的轉(zhuǎn)速為150～160 r/min時(shí)，整機(jī)性能良好，可進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間作業(yè)；樣機(jī)的平均工作效率可達(dá)到1.15 hm2/h,大于0.5 hm2/h的設(shè)計(jì)要求；平均地膜集條率可達(dá)到92.6%；平均膜稈分離率可達(dá)90.5%；平均粉碎秸稈長(zhǎng)度合格率可達(dá)97.5%，大于92%的設(shè)計(jì)要求；平均留茬高度為78.3 mm，小于80 mm的設(shè)計(jì)要求。

表2 主要性能指標(biāo)測(cè)試結(jié)果

影響地膜集條率的因素主要有2點(diǎn)：首先農(nóng)戶進(jìn)行滴灌帶回收作業(yè)時(shí)，將當(dāng)年的地膜撕裂，撕裂的地膜有少量纏繞在棉花秸稈上，使得這部分地膜與秸稈一起粉碎，從而對(duì)地膜集條率產(chǎn)生了一定的影響；其次，彈齒在集條時(shí)，會(huì)有部分地膜纏繞在根茬上，也會(huì)影響集條率。影響膜稈分離率的主要原因是粉碎的秸稈在自然風(fēng)的作用下會(huì)散落在地膜集條區(qū)域，與集條后的地膜摻雜在一起。

4 結(jié) 論

1）本文研制并試驗(yàn)了秸稈粉碎與殘膜集條聯(lián)合作業(yè)機(jī)，與目前研制的莖稈粉碎還田與地膜回收機(jī)具相比，首先，提出了先集條再回收的分步地膜回收模式，將復(fù)雜的地膜回收分化為“集條—撿拾—回收”，降低了地膜回收的難度。其次，地膜集條與秸稈粉碎聯(lián)合作業(yè)，作業(yè)后將集條后的地膜與粉碎的秸稈分開(kāi)，在沒(méi)有自然風(fēng)的情況下，膜稈分離率可達(dá)90%以上，可大大減少回收后的地膜中棉秸稈等雜質(zhì)的含量。最后，集條裝置采用仿形機(jī)構(gòu)，可以根據(jù)地面的平整度在一定范圍內(nèi)自動(dòng)調(diào)節(jié)彈齒與地面的距離，使得集條裝置更能適應(yīng)棉田復(fù)雜地形。

2）整機(jī)的性能試驗(yàn)表明：在機(jī)具作業(yè)速度為5～7 km/h、刀軸轉(zhuǎn)速為1 880 r/min、集條裝置的轉(zhuǎn)速在150～160 r/min時(shí)，樣機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)、集條效果較好，平均工作效率可達(dá)到1.15 hm2/h，平均地膜集條率可達(dá)到92.6%；平均膜稈分離率可達(dá)90.5%；平均粉碎秸稈長(zhǎng)度合格率可達(dá)97.5%，可以滿足GB/T24675.6-2009和GB/T 25412-2010對(duì)樣機(jī)工作性能的要求。

3）由于受自然風(fēng)和土壤平整度等不確定因素的影響，在作業(yè)的過(guò)程中有時(shí)會(huì)出現(xiàn)纏膜和漏集的情況；集條裝置的設(shè)計(jì)是將地膜收集于膜行中間，膜行中間有根茬這可能會(huì)影響后續(xù)地膜的撿拾回收。因此，后續(xù)還需要一系列的改進(jìn)和優(yōu)化。

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Development and experiment of straw chopping and plastic film strip-collection combined machine

Yu Yunhai1, Chen Xuegeng1,2※, Wen Haojun2

(1.,832003,; 2.832000,)

The plastic film mulch has the function of increasing soil temperature and preserving moisture, and it also can suppress weeds and maintain soil structure. Because of these special physical and chemical properties, agricultural mulching is extensively applied to cotton and other crops. Xinjiang is currently the largest cotton planting region in China, and all cotton cultivation involves film mulching. However, because plastic film itself is difficult to degrade and without scientific management and recovery in long-term use, a large amount of residual plastic film is left in the fields after harvesting, which has caused serious pollution problem to both the soil and the ecological environment. The mechanical collection of the plastic mulch is one of the effective ways to resolve plastic mulch pollution at present. Therefore, it is significant and urgent to study the residual film recovery methods and operation machines. Many kinds of mulching residues recovery machines have been developed and used, but there are some problems with the machines such as bad adaptability, low recovery rate, poor work efficiency in removing the collected film, and plastic films being easy to wind in cotton straw chopping, which needs further improvement for the machines. With a view to solving the above problems, a new method of operation step by step was proposed, which could collect plastic film in strip at first and then recover it, and a cotton straw chopping and plastic film strip-collection combined machine was designed. The machine mainly consisted of suspension device, power transmission system, straw chopping device, straw conveying device, strip-collection device, stripping device, and so on. Compared with the existing cotton straw chopping and plastic film collection combined machines, the machine proposed in this paper was simplified and efficient. The machine adopted the way of throwing cotton stalk into a certain height and distance to create a condition to separate cotton stalk from the residual film. Moreover, because of the ground profile modeling, this machine could be adapted to complex operating environments and operating requirements, and had a good performance on the strip-collection ratio. It could not only realize the straw chopper returning and the straw separation with plastic film, but also collect plastic film in strip with one operation, which ensured that it was easy to recover plastic film and recycle it. Based on the underlying theory analysis and experimental study, its basic structure and main parameters were determined, and the rational kinematic relationship among the knife-roller speed, the forward speed of unit, and the speed of strip-collection device was obtained by experiments. Field trials were conducted in Manas County of Xinjiang. The experiment results showed that the working efficiency could reach 1.15 hm2/h, plastic film collection stripe ratio was 92.6%, the straw chopping qualification rate was 97.5%, and the film-straw separation ratio was 90.5%, when the machine operating speed was 5-7 km/h, the cutter shaft speed was 1 880 r/min, and the speed of strip-collection device was 150-160 r/min, which could satisfy not only the agricultural requirements but also national standards. The research results can provide a reference to solve the problem of plastic film pollution in cotton-growing areas of China.

agricultural machinery; design; experiments; straw chopping; plastic films; collection strip

10.11975/j.issn.1002-6819.2016.24.001

S223.5

A

1002-6819(2016)-24-0001-08

2016-08-30

2016-11-21

公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專項(xiàng)（201503105）

于云海，男，安徽阜陽(yáng)人，研究方向?yàn)闄C(jī)械CAD/CAE/CAM一體化技術(shù)。石河子 石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院，832003。Email：995280385@qq.com

陳學(xué)庚，男，江蘇泰興人，中國(guó)工程院院士，研究員，博士生導(dǎo)師，主要從事農(nóng)機(jī)研究和推廣工作。石河子 石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院，832003。Email：chenxg130@sina.com