張亞萍， 胡志超， 游兆延， 顧峰瑋， 吳 峰， 陳有慶

(農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，江蘇南京 210014)

覆膜種植是一種農(nóng)業(yè)種植模式，具有保溫、保墑、提高土壤肥力、減輕病蟲害、抑制雜草生長(zhǎng)的作用，能夠有效提高作物產(chǎn)量和農(nóng)民收入。覆膜種植技術(shù)的應(yīng)用產(chǎn)生了巨大效益，但同時(shí)也帶來(lái)了一系列新的問題，殘留在田間地頭的塑料薄膜是主要的農(nóng)業(yè)污染源之一。從2010年至2014年，我國(guó)農(nóng)用塑料薄膜的使用量約增加了410萬(wàn)t，殘膜的高效回收與再利用成為科研人員面臨的新挑戰(zhàn)[1-5]。目前，我國(guó)殘膜回收已經(jīng)由人工挖掘撿拾逐步向機(jī)械化收獲發(fā)展。本研究通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)殘膜回收機(jī)的廣泛調(diào)研分析，介紹了2種典型的鏟篩組合式殘膜回收機(jī)，并對(duì)這2種機(jī)具的工作性能進(jìn)行了對(duì)比分析。

國(guó)內(nèi)殘膜回收機(jī)種類較多，按照分離輸送裝置的結(jié)構(gòu)形式，一般分為鏟篩組合式殘膜回收機(jī)、鏟鏈組合式殘膜回收機(jī)、鏟柵一體式殘膜回收機(jī)和耙齒式殘膜回收機(jī)。鏟篩式挖掘收獲機(jī)可以將振動(dòng)分離篩做成可更換的形式，因此容易實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用，從而延長(zhǎng)機(jī)具的工作時(shí)間，提高機(jī)器的利用率，有利于改善機(jī)具短時(shí)工作、長(zhǎng)時(shí)閑置的現(xiàn)狀，適應(yīng)了目前我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械產(chǎn)品向多用途多功能方向發(fā)展的趨勢(shì)[6-8]。

本研究介紹的是2種鏟篩組合式殘膜回收機(jī)，以農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所研制的2種機(jī)型為例：一種是1MCS-100型殘膜回收機(jī)，另一種是1MCDS-100A型殘膜回收機(jī)。2種機(jī)型均是將挖掘鏟固定在機(jī)架前部，鏟后方配置分離輸送裝置，該裝置由篩板和篩床組成，篩床與機(jī)架固定，篩板通過(guò)螺栓固定在篩床上，可根據(jù)作業(yè)環(huán)境和具體收獲對(duì)象更換不同形式和參數(shù)的篩板，因此可完成不同作業(yè)對(duì)象的收獲，作業(yè)過(guò)程中篩床和篩板一同抖動(dòng)完成收獲物的分離輸送。

殘膜回收機(jī)在中國(guó)起步較晚，國(guó)內(nèi)對(duì)鏟篩組合式殘膜回收機(jī)的研究較少。因此，對(duì)2種常見的鏟篩組合式殘膜回收機(jī)進(jìn)行田間對(duì)比試驗(yàn)和性能分析，可以為殘膜回收機(jī)的后續(xù)研制提供參考，具有重要意義。

1 2種鏟篩組合式殘膜回收機(jī)的特性

選用1MCS-100型、1MCDS-100A型殘膜回收機(jī)進(jìn)行田間對(duì)比試驗(yàn)。這2種機(jī)型是目前國(guó)內(nèi)常用鏟篩組合式殘膜回收機(jī)的主要類型，具有一定的代表性。

1.1 1MCS-100型殘膜回收機(jī)的機(jī)構(gòu)與工作原理

1MCS-100型殘膜回收機(jī)為單篩型鏟篩組合式殘膜回收機(jī)，主要由挖掘裝置、分離輸送裝置、驅(qū)振裝置、集膜裝置4個(gè)部分組成，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。其中，驅(qū)振裝置由1對(duì)關(guān)于機(jī)架中心線左右對(duì)稱安裝的連桿機(jī)構(gòu)組成，帶動(dòng)振動(dòng)篩往復(fù)抖動(dòng)，偏心塊用來(lái)平衡連桿機(jī)構(gòu)往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的慣性力；分離輸送裝置為16 mm間距的鋸齒篩，鋸齒可以破土、碎土，并有利于殘膜的向后輸送。機(jī)具在田間作業(yè)時(shí)，需要提供配套動(dòng)力源，一般為中小型農(nóng)用拖拉機(jī)。機(jī)具的懸掛裝置與拖拉機(jī)通過(guò)三點(diǎn)懸掛聯(lián)接，整機(jī)在拖拉機(jī)的牽引下前行。拖拉機(jī)的動(dòng)力輸出軸通過(guò)萬(wàn)向節(jié)將動(dòng)力傳輸給機(jī)具，驅(qū)動(dòng)機(jī)具內(nèi)部結(jié)構(gòu)的運(yùn)轉(zhuǎn)。作業(yè)時(shí)，挖掘裝置將土壤和殘膜同時(shí)掘起，通過(guò)鏟后方的分離柵條對(duì)掘起物進(jìn)行初步膜土分離，剩余物料繼續(xù)向后運(yùn)動(dòng)，到達(dá)往復(fù)抖動(dòng)的分離輸送裝置時(shí)，進(jìn)行更徹底的膜土分離，并將殘膜和殘余土雜向后輸送到集膜裝置內(nèi)，集膜裝置布滿小孔，以篩去夾雜的碎土。當(dāng)集膜裝置裝滿殘膜后，手動(dòng)調(diào)節(jié)卸膜裝置進(jìn)行卸膜。

1.2 1MCDS-100A型殘膜回收機(jī)的機(jī)構(gòu)與工作原理

1MCDS-100A型殘膜回收機(jī)為雙篩型鏟篩組合式殘膜回收機(jī)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2所示。在結(jié)構(gòu)組成上，該機(jī)具除分離輸送裝置、驅(qū)振裝置和卸膜裝置以外，其他部分機(jī)構(gòu)和 1MCS-100型殘膜回收機(jī)類似。1MCDS-100A型殘膜回收機(jī)的分離輸送裝置由上下平行排布的前篩和后篩2個(gè)部分組成，篩型采用16 mm鋸齒篩，且前篩后端和后篩前端上下重疊，兩篩在驅(qū)振裝置的作用下反向同頻等幅振動(dòng)；驅(qū)振裝置由飛輪、連桿機(jī)構(gòu)和1對(duì)偏心驅(qū)振臂組成；卸膜裝置由電動(dòng)推桿、控制器和開關(guān)組成，可以實(shí)現(xiàn)集膜裝置的自動(dòng)卸膜。田間工作時(shí)，機(jī)具由拖拉機(jī)牽引作業(yè)，挖起裝置將殘膜和部分土雜掘起后向后輸送，通過(guò)前篩和后篩進(jìn)行較為充分的膜土分離，分離后的殘膜被送入到集膜裝置內(nèi)，卸膜時(shí)按下開關(guān)，電動(dòng)推桿收縮，驅(qū)動(dòng)集膜裝置完成卸膜動(dòng)作。

2 田間性能對(duì)比試驗(yàn)

田間試驗(yàn)是機(jī)具在真實(shí)作業(yè)環(huán)境下進(jìn)行的試驗(yàn)研究，其試驗(yàn)結(jié)果是評(píng)價(jià)機(jī)具機(jī)械性能的重要指標(biāo)，也是機(jī)具研制與優(yōu)化提升的重要依據(jù)。在試驗(yàn)過(guò)程中，應(yīng)選擇環(huán)境條件較均勻的試驗(yàn)田，盡量避免土壤條件等因素對(duì)試驗(yàn)的干擾，同時(shí)需要進(jìn)行合理的重復(fù)試驗(yàn)，以減小試驗(yàn)誤差對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響[9-10]。

在相同條件下，對(duì)2種殘膜回收機(jī)進(jìn)行田間試驗(yàn)，確定并對(duì)比2種機(jī)型的殘膜回收率、膜土比、振動(dòng)加速度。綜合分析試驗(yàn)結(jié)果，比較2種機(jī)型的田間作用性能，為鏟篩式殘膜回收機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

2.1 試驗(yàn)條件

2016年7月，在山東省青島市膠州膠萊鎮(zhèn)進(jìn)行殘膜回收試驗(yàn)，所選試驗(yàn)田較為平整，土壤濕度、肥力較均勻，土壤類型為沙壤土，含水率7.31%，平均堅(jiān)實(shí)度為0.41 MPa。該試驗(yàn)田為收獲后的馬鈴薯地，一壟雙行覆膜種植，壟作技術(shù)參數(shù)：壟距900 mm，小行距300 mm，株距250 mm，開溝深80 mm，溝寬250 mm。所覆膜為厚度0.008 mm的白色地膜，膜寬700 mm。

2.2 試驗(yàn)設(shè)備

本試驗(yàn)所用主要試驗(yàn)設(shè)備如表1所示。

2.3 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

在相同條件下，通過(guò)田間試驗(yàn)，確定2種不同機(jī)型的殘膜回收率、膜土比、振動(dòng)加速度，對(duì)比2種機(jī)型的試驗(yàn)結(jié)果，綜合分析機(jī)具的田間作業(yè)性能， 為鏟篩式殘膜回收機(jī)的后續(xù)研究和優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

表1 主要試驗(yàn)設(shè)備

2.4 試驗(yàn)指標(biāo)

本試驗(yàn)的試驗(yàn)指標(biāo)為殘膜回收率、膜土比、均方根加速度。

2.5 試驗(yàn)內(nèi)容

試驗(yàn)時(shí)參考《殘地膜回收機(jī)》(GB/T 25412—2010)和《殘地膜回收機(jī) 作業(yè)質(zhì)量》(NY/T 1227—2006)，分別測(cè)定2種機(jī)型的殘膜回收率、膜土比、振動(dòng)加速度。測(cè)區(qū)長(zhǎng)度取 100 m，測(cè)區(qū)寬度滿足機(jī)具3個(gè)往返的工作寬度。測(cè)點(diǎn)確定采用五點(diǎn)法，在離田塊四邊1～2 m遠(yuǎn)處，隨機(jī)選擇5個(gè)點(diǎn)，作為作業(yè)前的5個(gè)測(cè)點(diǎn)，在這5個(gè)點(diǎn)附近但不重疊的區(qū)域再隨機(jī)選取5個(gè)測(cè)點(diǎn)，作為作業(yè)后的5個(gè)測(cè)點(diǎn)。測(cè)點(diǎn)長(zhǎng)5 m，寬為1個(gè)膜幅[11-14]。按照上述方法另取1個(gè)測(cè)區(qū)，進(jìn)行重復(fù)試驗(yàn)。

2.5.1 殘膜回收率的測(cè)定 在殘膜回收作業(yè)前與作業(yè)后，分別對(duì)兩測(cè)區(qū)內(nèi)作業(yè)前、作業(yè)后的各10個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行取樣，取樣深度150 mm。將各測(cè)點(diǎn)取出的地膜洗凈晾干后稱質(zhì)量，并記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。按公式(1)計(jì)算各測(cè)點(diǎn)殘膜回收率。

(1)

式中：η為殘膜回收率(%)；X為作業(yè)后測(cè)點(diǎn)區(qū)域內(nèi)地膜質(zhì)量(g)；X0為作業(yè)前測(cè)點(diǎn)區(qū)域內(nèi)地膜質(zhì)量(g)。

2.5.2 膜土比的測(cè)定 殘膜回收作業(yè)過(guò)程中，當(dāng)集膜裝置裝滿物料時(shí)，需要停機(jī)卸膜。卸膜時(shí)將所卸物料收集稱質(zhì)量，然后將地膜揀出洗凈晾干后再進(jìn)行稱質(zhì)量。隨機(jī)選取10次卸膜時(shí)的物料分別稱質(zhì)量，處理后稱取地膜凈質(zhì)量。按公式(2)計(jì)算膜土比。

τ=Y：(Y0-Y)。

(2)

式中：τ為膜土比；Y為地膜凈質(zhì)量(g)；Y0為土雜凈質(zhì)量(g)。

2.5.3 振動(dòng)加速度的測(cè)定 作業(yè)開始前，通過(guò)控制拖拉機(jī)油門，將驅(qū)振軸的轉(zhuǎn)速固定為200 r/min。作業(yè)時(shí)對(duì)兩機(jī)具分別隨機(jī)選取10個(gè)工作時(shí)間段，利用DH5902動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)記錄儀測(cè)試記錄機(jī)具的振動(dòng)加速度，時(shí)間段的長(zhǎng)度以數(shù)據(jù)穩(wěn)定后為準(zhǔn)。以機(jī)具前后方向?yàn)閤軸，左右方向?yàn)閥軸，垂直方向?yàn)閦軸，沿3個(gè)方向在機(jī)架上布置傳感器，機(jī)架測(cè)試方位坐標(biāo)示意圖如圖3所示。測(cè)試完成后，通過(guò)筆記本電腦上的軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)回收，并對(duì)各測(cè)點(diǎn)3個(gè)方向的振動(dòng)加速度求均方根，得到均方根加速度值，以此評(píng)價(jià)機(jī)具振動(dòng)大小。

2.6 試驗(yàn)結(jié)果

由表2可以看出，1MCS-100型殘膜回收機(jī)回收效果較好，殘膜回收率高于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的最高值(表土層拾凈率80%)。單篩體做平面往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的慣性力較大，沒有進(jìn)行有效的平衡處理，整機(jī)振動(dòng)較大，帶動(dòng)拖拉機(jī)一起振動(dòng)，駕駛的舒適性較差，同時(shí)也影響整機(jī)作業(yè)的穩(wěn)定性。該機(jī)作業(yè)時(shí)輸膜較為順暢，但膜土分離效果有待提升，集膜裝置內(nèi)含土雜較多。

1MCDS-100A型殘膜回收機(jī)回收效果與1MCS-100效果差別不大，但前者分離輸送裝置采用雙篩體結(jié)構(gòu)，兩篩往復(fù)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的慣性力相互抵消，整機(jī)振動(dòng)較小，工作性能穩(wěn)定，駕駛員駕駛時(shí)沒有明顯的不適。此外，1MCDS-100A型殘膜回收機(jī)膜土分離效果明顯優(yōu)于1MCS-100殘膜回收機(jī)，集膜裝置內(nèi)含土較少。

表2 2種殘膜回收機(jī)試驗(yàn)結(jié)果

2.7 結(jié)果分析

由表2及圖4至圖9分析可得，對(duì)于殘膜回收率而言，2臺(tái)機(jī)具都達(dá)到了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求，1MCS-100型殘膜回收機(jī)略低于1MCDS-100A型殘膜回收機(jī)，2臺(tái)機(jī)具的表現(xiàn)差異不大；1MCS-100型殘膜回收機(jī)膜土比約為1 ∶9，1MCDS-100A型殘膜回收機(jī)膜土比約為1 ∶4，后者明顯大于前者，且較前者穩(wěn)定，說(shuō)明后者膜土分離效果明顯優(yōu)于前者；對(duì)于均方根加速度而言，1MCS-100型殘膜回收機(jī)明顯大于1MCDS-100A型殘膜回收機(jī)，約為后者3倍，說(shuō)明后者整機(jī)振動(dòng)大小遠(yuǎn)小于前者，作業(yè)舒適性和機(jī)具穩(wěn)定性較好，同時(shí)說(shuō)明了分離輸送裝置采用雙篩體機(jī)構(gòu)性能夠有效平衡慣性力，減小整機(jī)振動(dòng)。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)2種鏟篩式殘膜回收機(jī)進(jìn)行田間試驗(yàn)和性能對(duì)比分析，可得到以下結(jié)論：(1)2種機(jī)型的結(jié)構(gòu)形式均為鏟篩式，篩體由篩床和篩板組成，篩板拆卸方便，可根據(jù)具體收獲對(duì)象和作業(yè)條件更換相應(yīng)的篩板，因此可以一機(jī)多用，提高了機(jī)器利用率，適應(yīng)了目前我國(guó)農(nóng)機(jī)產(chǎn)品向多功能多用途方向發(fā)展的趨勢(shì)，例如可以更換桿條篩用來(lái)收獲馬鈴薯。(2)在實(shí)際工作效果上，1MCDS-100A型殘膜回收機(jī)整體上要優(yōu)于1MCS-100型殘膜回收機(jī)。從殘膜回收率看，1MCDS-100A型略高于1MCS-100型，兩者差異不明顯，均達(dá)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求；從膜土比看，1MCDS-100A型性能明顯優(yōu)于1MCS-100型；從均方根加速度看，1MCS-100型約為1MCDS-100A型的3倍，作業(yè)過(guò)程中整機(jī)振動(dòng)明顯較后者劇烈，因此后者性能較優(yōu)。1MCDS-100A 型殘膜回收機(jī)分離輸送裝置采用雙篩體自平衡結(jié)構(gòu)，一方面，雙篩體延長(zhǎng)了篩分行程，土壤破碎、篩分更為充分，膜土分離效果較好；另一方面，雙篩體平行配置，同頻等幅反向運(yùn)動(dòng)，兩篩往復(fù)運(yùn)動(dòng)的慣性力互相抵消，具有明顯的減振效果。(3)2種鏟篩式殘膜回收機(jī)作業(yè)效果受土壤類型影響較大，適宜作業(yè)的土壤類型為沙土或沙壤土，黏性土壤作業(yè)效果不理想。此外，機(jī)具作業(yè)效果還與種植模式、作物種類等因素有關(guān)，需要作業(yè)人員根據(jù)具體條件合理調(diào)整機(jī)具參數(shù)，建議相關(guān)科研人員在后續(xù)研發(fā)中提高機(jī)具的適應(yīng)性。