張大斌，劉祖國，余朝靜，盧 澤，曹 陽

(貴州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，貴陽 550025)

0 引言

目前，地膜覆蓋技術(shù)已廣泛用于農(nóng)業(yè)的種植和生產(chǎn)，但由于農(nóng)民在地膜回收方面不夠重視，導(dǎo)致大量地膜殘留在田間，嚴(yán)重地影響了土壤結(jié)構(gòu)，大大降低了來年的收成[1-5]。因此，開展地膜回收機(jī)械化的研究具有重要意義。

從我國對(duì)殘膜回收的類型來看，殘膜回收機(jī)主要分為3個(gè)階段進(jìn)行地膜的回收，分別是苗期、秋后、播種前。其中，秋后和播種前主要的收膜方式是耙爪式且研究較為成熟，而針對(duì)苗期作物殘膜回收機(jī)械的研究較少。雖然目前已經(jīng)有了苗期地膜回收機(jī)械，但大多采用的是懸掛的方式進(jìn)行殘膜回收[6-7]，針對(duì)的是無壟種植模式的地膜回收，這些機(jī)型無法適應(yīng)山區(qū)壟間地膜的回收作業(yè)。為此，研制了一種可靠性較高、田間通過性較強(qiáng)的自走式山地割膜、耙膜及卷膜一體機(jī)，并通過田間單因素和多因素試驗(yàn)，確定了最佳的作業(yè)參數(shù)，降低了作業(yè)成本，有效保證了地膜的完整性，實(shí)現(xiàn)了地膜回收再利用。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 農(nóng)藝指標(biāo)和整機(jī)結(jié)構(gòu)

本文主要針對(duì)的是我國西南山區(qū)煙草苗期地膜的回收，根據(jù)山區(qū)的農(nóng)藝要求可知，煙農(nóng)在種植煙草過程中的起壟標(biāo)準(zhǔn)大多都是采用單壟種植的標(biāo)準(zhǔn)，壟距為1 050～1 150mm，壟高為250～300mm，地膜厚度為0.008～0.01mm中，大多采用的是0.008mm的厚度，寬度為1 200mm。在鋪設(shè)地膜時(shí)，壟溝兩側(cè)均需要翻起300～500mm的土覆蓋在地膜上，防止地膜被風(fēng)吹起和起到保溫的作用。地膜鋪設(shè)好后，需要打追肥孔，方便施肥和種植煙苗，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)可知，揭膜的最佳時(shí)間是在煙苗生長的旺長期，如圖1所示。

圖1 農(nóng)藝種植作物指標(biāo)

依據(jù)農(nóng)藝要求設(shè)計(jì)了一種自走式山地割膜、耙膜、卷膜一體機(jī)，其主要由耙膜主件、發(fā)動(dòng)機(jī)、割膜刀、收膜箱及琉璃條等關(guān)鍵部件組成，如圖2所示。工作時(shí)，整機(jī)前進(jìn)主要由割膜刀從壟中間割開，再由耙膜主件把膜趴到壟溝，通過發(fā)動(dòng)機(jī)傳動(dòng)軸由皮帶帶動(dòng)變速器輸出經(jīng)過皮帶輪帶動(dòng)卷膜傳送帶，進(jìn)行卷膜-收膜操作。

1.2 煙草地膜回收機(jī)技術(shù)指標(biāo)

根據(jù)煙農(nóng)種植煙草的農(nóng)藝要求和本課題對(duì)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)規(guī)定，設(shè)計(jì)的地膜回收機(jī)應(yīng)當(dāng)達(dá)到如下指標(biāo)：

配套動(dòng)力/kW：宗申汽油發(fā)動(dòng)機(jī)(8kW)

殘膜回收率/%：≥90

作業(yè)速度/km·h-1：≥1.1

生產(chǎn)率/ hm2·h-1：≥0.12

工作幅寬/mm：1 100～1 200

(a) 整機(jī)左視圖

(b) 整機(jī)主視圖

1.3 傳動(dòng)系統(tǒng)

傳統(tǒng)收膜機(jī)的行走機(jī)構(gòu)主要分為牽引式和自走式兩種方式，由于本設(shè)計(jì)主要是在山地?zé)熖镏行凶撸绻捎脿恳綄?huì)損傷煙葉，應(yīng)采用龍門式的結(jié)構(gòu)，所以本文優(yōu)先考慮自走式的方式，利用變速箱進(jìn)行速度的匹配。整機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)如圖3所示。

本設(shè)計(jì)中采用的動(dòng)力源為宗申牌汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，將其安裝在地膜回收機(jī)的機(jī)架上通過皮帶將動(dòng)力傳遞到變速箱內(nèi)，再通過齒輪和過渡鏈輪一部分傳遞到卷膜輥軸，一部分傳遞到行走輪上；通過機(jī)具行走帶動(dòng)地膜鏟將掩埋在土壤下的地膜鏟除，再通過皮帶式卷膜輥將地膜挑起并在機(jī)架上設(shè)置有護(hù)苗板，在保證收膜率的請(qǐng)況下能有效防止傷苗。

1.驅(qū)動(dòng)鏈輪 2.變速箱輸出軸 3.過渡齒輪 4.過渡齒輪 5.分動(dòng)鏈輪 6.輸出鏈輪 7.過渡鏈輪 8.分動(dòng)皮帶卷膜輥鏈輪 9.皮帶卷膜輥軸 10.過渡鏈輪 11.行走輪軸 12.行走鏈輪 13.過渡鏈輪 14.變速箱 15.發(fā)動(dòng)機(jī)輸出軸 16.發(fā)動(dòng)機(jī)皮帶輪 17.變速箱皮帶輪

2 功率匹配

2.1 行走功率

揭膜機(jī)行走過程中，地膜鏟與地面摩擦，受行走阻力約束，其行走部件所需功率與機(jī)組的前進(jìn)速度、整機(jī)質(zhì)量及土壤狀況有關(guān)。行走功率為

P1=mgfvδ

式中P1—行走功率(W);

m—整機(jī)總質(zhì)量(kg);

g—物體重力的常數(shù)，取值9.8N/kg ;

f—滾動(dòng)阻力系數(shù)；

v—機(jī)組行走速度(m/s)，v=0.6;

δ—經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，取3～4。

整機(jī)質(zhì)量為250kg,f取0.8，經(jīng)計(jì)算v=0.6m/s,δ取3.5。因此，P1=mgfvδ=3kW。

2.2 卷膜功率

卷膜功率公式為

P輥=F輥×V輥

V=ω×r=190mm/s

式中V輥—卷膜輥額定線速度約為0.2m/s。

依據(jù)經(jīng)驗(yàn)可取F輥=100N，可得P輥=20W。

由于滾筒是兩個(gè)，所以P輥=40W，輸出到卷膜輥時(shí)經(jīng)過了5級(jí)傳動(dòng)(3級(jí)鏈傳動(dòng)，2級(jí)減速箱傳動(dòng))可得到需要發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的功率為：P輥=40/0.85=122W。地膜鏟功率為

P鏟=F阻×V

通過試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)取F阻=600N，V為機(jī)具行走的速度取0.6m/s。由此可以計(jì)算出P鏟=3 600W。

由于在機(jī)具傳遞動(dòng)力時(shí)有一部分要用來克服鏈輪摩擦及變速箱內(nèi)部所損失的功，所以在計(jì)算總功率時(shí)需要確定傳遞的效率來確定發(fā)動(dòng)真實(shí)應(yīng)當(dāng)確定的功率，則有

發(fā)動(dòng)機(jī)總功率最小值應(yīng)為

根據(jù)上述分析可以知道選用8kW的發(fā)動(dòng)機(jī)滿足要求,額定功率為2 400r/min。

3 主要工作部件

3.1 送膜及收膜機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

在整個(gè)回收地膜系統(tǒng)中，送膜裝置主要由挑膜齒、皮帶及帶動(dòng)皮帶旋轉(zhuǎn)的滾筒組成，在皮帶上設(shè)置的挑膜齒呈弧形排列，使得在挑膜時(shí)地膜向皮帶中間靠攏，不致使地膜卡在滾筒內(nèi)。卸膜裝置中，在卸膜箱上設(shè)置有卸膜齒且卸膜齒與挑膜齒之間的排列方式也是呈錯(cuò)位排列的方式且有一定的間隙，有效地防止地膜一直纏在皮帶齒上造成的滯留堵塞現(xiàn)象。由于揭膜機(jī)在作業(yè)過程中會(huì)倒退，而皮帶卷膜輥轉(zhuǎn)動(dòng)方向也會(huì)發(fā)生變化，為了避免挑膜齒與卸膜箱發(fā)生剛性接觸，使挑膜齒發(fā)生失效，在卸膜箱中的卸膜齒板設(shè)為可前后移動(dòng)，可有效防止因揭膜機(jī)倒退發(fā)生的剛性接觸，如圖4所示。

(a) 三維圖 (b) 二維平面圖

其中，各部分都是利用幅度為2mm的鋼板焊接而成的，長×寬×高=700mm×200mm×350mm，利用卸膜板上分布的齒將地膜刮入收膜箱中。

國內(nèi)對(duì)于地膜回收機(jī)的研究中送膜方式多數(shù)采用的是氣吸/氣吹和偏心伸縮式的方式直接將地膜從田間回收到收膜箱內(nèi)，采用這種方式回收地膜回收率不高還會(huì)出現(xiàn)卡死、堵塞的現(xiàn)象且脫膜困難。所以，本設(shè)計(jì)采用的是皮帶式送膜，帶齒式收膜箱收膜的方式將地膜進(jìn)行收集。輸送皮帶與地面的水平角度不能太大，如果太大，地膜由于自身的重力將會(huì)出現(xiàn)下滑，為了避免這種現(xiàn)象的發(fā)生，設(shè)計(jì)中采用的皮帶為帶齒式的皮帶。為了收膜箱能夠順利地將輸送過來的地膜刮下，設(shè)計(jì)中皮帶上的齒為錯(cuò)位排列的方式進(jìn)行排布，能夠有效地提高地膜的回收率且保證地膜回收過程的穩(wěn)定性，如圖5所示。

1.煙田地膜 2.傳動(dòng)軸1 3.輸送皮帶 4.挑膜齒 5.傳動(dòng)軸2 6.收膜箱

在對(duì)輸送帶進(jìn)行設(shè)計(jì)中，主要考慮的因素是地膜回收率及軸的轉(zhuǎn)速。地膜的回收率公式為

Q=SVK

式中Q—回收率(m3/s)；

V—皮帶的線速度(m/s)；

K—輸送帶與地面的夾角對(duì)回收率的影響系數(shù)；

S—皮帶的橫向?qū)挾鹊拿娣e。

工作中，由于皮帶安置在機(jī)架內(nèi)側(cè)，設(shè)計(jì)中壟溝的寬度取最大400mm，所以皮帶可工作地區(qū)域局限在150～200mm之間，再通過將回收效率及機(jī)具工作時(shí)的實(shí)際參數(shù)代入即可以求出皮帶的橫向?qū)挾鹊拿娣e約為138mm。

在皮帶輸送過程中，對(duì)皮帶的作業(yè)強(qiáng)度也有一定的要求，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式有

式中Z—代表輸送帶的厚度；

F—在工作過程中皮帶受到的最大張力；

B—皮帶的寬度；

σ—輸送帶縱向扯斷強(qiáng)度(N/m)；

n—安全系數(shù)。

根據(jù)上述公式即可驗(yàn)證設(shè)計(jì)是否滿足強(qiáng)度要求。

需要對(duì)輸送帶的長度進(jìn)行設(shè)計(jì)，長度的設(shè)計(jì)牽涉到是否能更好地與地膜鏟與行走速度的配合。根據(jù)工況條件，皮帶設(shè)置為長方形狀，依據(jù)公式有

L=πD

式中D—卷膜滾筒的直徑。

在設(shè)計(jì)中卷膜滾筒的直徑設(shè)置為80mm,將其代入公式中即可得到，皮帶上的水平距離(不包括兩邊半圓弧)251.2mm。

圖6 挑膜齒的排列圖

3.2 護(hù)苗機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

護(hù)苗機(jī)構(gòu)主要是在回收地膜過程中防止煙葉被機(jī)架及地膜鏟和卷膜輥刮傷煙葉，其通過控制伸縮管架來調(diào)節(jié)扶苗機(jī)構(gòu)的長短，有效保證了煙葉是附在流利條上。由于割膜刀要沿著煙稈根部將地膜劃開，所以在保證伸縮管架緊貼在煙桿根部，依靠自身重力割膜刀將進(jìn)行割膜。設(shè)計(jì)中，采用流利條來護(hù)煙葉，將以往的滑動(dòng)摩擦變?yōu)闈L動(dòng)摩擦，大大降低了煙葉的損傷，提高了地膜的回收率。此結(jié)構(gòu)主要由支撐管架、流利條、伸縮管架及割膜刀等構(gòu)成。

通過農(nóng)藝要求可以知道：壟溝的設(shè)置寬度設(shè)置為400mm，設(shè)置為1 100mm。根據(jù)煙田起壟的壟面的傾斜度以及壟面到壟溝的距離，設(shè)置流利條的寬度為134mm，長度設(shè)為817mm。支撐管架是連接在機(jī)架上，所以設(shè)置長度為27mm，寬度為143mm，如圖7所示。

圖7 護(hù)苗機(jī)構(gòu)尺寸側(cè)視圖

4 田間試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)場(chǎng)地建設(shè)

為了進(jìn)行田間試驗(yàn)，項(xiàng)目組在貴州大學(xué)農(nóng)場(chǎng)內(nèi)種植了煙苗，并按照農(nóng)藝要求將地膜厚度為0.008mm的地膜覆在壟上。煙田的總體長為30m，寬為25m，壟溝平整，煙田中有少量雜草，將壟溝兩側(cè)的地膜掩埋在0.015～0.03m之間，由宗申188F牌發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力。整機(jī)田間試驗(yàn)如圖8所示。

圖8 田間試驗(yàn)

4.2 單因素試驗(yàn)結(jié)果與分析

在作業(yè)過程中，前進(jìn)速度是影響整機(jī)收膜率的因素之一，先分別設(shè)定前進(jìn)速度為0.2、0.3、0.4、0.5m/s的4種作業(yè)速度，并記錄試驗(yàn)現(xiàn)象和參數(shù)，得到試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

地膜鏟在作業(yè)過程中也是影響作業(yè)性能及收膜率的因素之一，通過將地膜鏟的入土深度控制在0.04、0.05、0.06m的深度，將力傳感器設(shè)置在地膜鏟上，觀察膜土分離效果及阻力變化情況，得到結(jié)果如表2所示。

表1 作業(yè)速度對(duì)地膜回收率的影響

表2 不同入土深度膜土分離效果

挑膜齒的安裝角度也是影響地膜回收率的因素，在收膜過程中能否有效的保證地膜完整性及回收再利用，挑膜齒的安裝角度是關(guān)鍵。由于挑膜齒是可拆卸的，可以將挑膜齒的安裝角度設(shè)置為30°、60°、90°、120°，得到試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 挑膜齒安裝角度對(duì)地膜完整性的影響

4.3 多因素試驗(yàn)結(jié)果與分析

地膜回收率是評(píng)價(jià)整機(jī)工作性能的關(guān)鍵指標(biāo)[8]，通過設(shè)計(jì)一組正交試驗(yàn)，研究作業(yè)速度、地膜鏟入土深度及挑膜齒安裝角度3因素對(duì)地膜回收率的影響。

在試驗(yàn)過程中，將地膜回收率作為評(píng)價(jià)指標(biāo)(%)、作業(yè)速度(m/s)、地膜鏟入土深度(m)及挑膜齒安裝角度(°)為實(shí)驗(yàn)因素，每組因素設(shè)置3個(gè)水平進(jìn)行正交試驗(yàn)。試驗(yàn)因素水平和正交試驗(yàn)結(jié)果如表4和表5所示。

表4 試驗(yàn)因素水平

表5 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)結(jié)果

續(xù)表5

通過對(duì)各個(gè)因素進(jìn)行分析、計(jì)算可得到顯著性和正交試驗(yàn)方差如表6所示。其中，偏差平方和為S，自由度為f，均方為MS，F(xiàn)比為Si/SE。

表6 顯著性和正交試驗(yàn)方差

4.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

由表6中的顯著性和正交試驗(yàn)方差可以看出：整機(jī)在田間試驗(yàn)過程中因素A[作業(yè)速度(m/s)]對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響相對(duì)于因素B和因素要顯著，而因素C相對(duì)于因素B要顯著。所以，得到三因素的主次順序依次為A，C，B。通過表5中的偏差(Kij)可以得到：地膜回收率試驗(yàn)最優(yōu)的組合為A2B1C2,即當(dāng)作業(yè)速度為0.3m/s、地膜鏟入土深度0.04m、挑膜齒安裝角度90°時(shí)，地膜回收率可以達(dá)到95%。

5 結(jié)論

自走式山地割膜耙膜卷膜多功能一體機(jī)是在研究秋后及播種前殘膜回收機(jī)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的，主要在作物苗期時(shí)進(jìn)行地膜的回收，能有效保證地膜的完整性，大大改善了人工揭膜效率低的問題。此外，對(duì)卷模皮帶和收膜箱的設(shè)計(jì)使得整機(jī)能夠自動(dòng)完成卷膜和收膜的過程，通過田間單因素與多因素試驗(yàn)得到了最優(yōu)參數(shù)匹配，且多功能一體機(jī)的各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

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