袁佳煒 李叔洋 錢勝 谷芳

摘 要：為解決殘膜回收問題，本文設(shè)計(jì)了一款體積小的滾筒式殘膜回收機(jī)。該機(jī)具采用偏心彈齒挑膜的工作原理，通過起膜齒起膜、彈齒拾膜、脫膜裝置脫膜、集膜箱收膜四個(gè)過程實(shí)現(xiàn)對殘膜的回收。本設(shè)計(jì)在機(jī)架上加裝耕深調(diào)節(jié)裝置，可調(diào)整起膜齒角度與滾筒的離地距離，進(jìn)而提高機(jī)具的適應(yīng)性能。通過對彈齒運(yùn)動(dòng)軌跡與受力進(jìn)行詳細(xì)分析，確定了彈齒周向組數(shù)，實(shí)現(xiàn)了有效挑膜的連續(xù)性。該回收機(jī)適用于淺耕層、地膜厚度大于0.01mm和田間覆膜寬度600～900mm的殘膜回收。該設(shè)計(jì)可在一定程度上提高殘膜回收效率。

關(guān)鍵詞：殘膜回收機(jī);滾筒式;淺耕層

中圖分類號：S223.5文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1003-5168（2019）11-0046-05

Abstract： In order to solve the problem of residual film recovery， a small drum type residual film recovery machine was designed in this paper. The machine adopted the working principle of eccentric elastic tooth pick-up film， and realized the recovery of residual film through four processes： pick-up film， pick-up film， de-film device and film collecting box. A tillage depth adjusting device was installed on the frame， which could adjust the angle of the film-lifting teeth and the distance from the drum to the ground， thereby improving the adaptability of the machine. Through the detailed analysis of the trajectory and force of the elastic teeth， the circumferential group of the elastic teeth was determined， and the continuity of the effective film picking was realized. The machine is suitable for the recovery of residual film in shallow tillage layer， with film thickness greater than 0.01mm and film width of 600～900mm in the field. The design can improve the recovery efficiency of residual film to a certain extent.

Keywords： residual film recycling machine;drum type;shallow tillage layer

1 研究背景

20世紀(jì)70年代末，我國引進(jìn)地膜覆蓋栽培技術(shù)。目前，地膜覆蓋技術(shù)已成為我國重要的栽培技術(shù)之一。地膜覆蓋技術(shù)因具有增溫、保墑、保肥、抑制雜草生長和縮短作物生長期等作用而廣泛被使用，為農(nóng)業(yè)高產(chǎn)增效發(fā)揮了重要作用，我國也成為地膜生產(chǎn)量和使用量第一的國家[1]。地膜覆蓋栽培技術(shù)在為我國農(nóng)業(yè)發(fā)展做出了重大貢獻(xiàn)，但同時(shí)，由于地膜回收率低，導(dǎo)致農(nóng)田中殘膜量逐漸增加。普通地膜分子量大、性能穩(wěn)定、生物降解性差，能夠在自然條件下在土壤中長期存留，一般情況下，殘膜可在土壤中存留200～400年，給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和環(huán)境健康帶來一系列的危害，即農(nóng)田的“白色污染”[2]。因此，如何提高殘膜回收率就成為一個(gè)亟待解決的問題。

近年來，農(nóng)業(yè)部打響了農(nóng)業(yè)面源污染防治攻堅(jiān)戰(zhàn)，啟動(dòng)實(shí)施農(nóng)膜回收行動(dòng)，各級農(nóng)業(yè)部門不斷加大地膜污染治理力度。目前，我國農(nóng)業(yè)殘膜的回收方式主要有人工耙鋤殘膜、人機(jī)結(jié)合回收和機(jī)械回收三種形式。王文艷[3]論述了柳林縣農(nóng)機(jī)局開展農(nóng)田殘膜回收（處理）技術(shù)裝備引進(jìn)試驗(yàn)考核項(xiàng)目的成效，得出人機(jī)殘膜回收效率比為1∶60[3]。人工結(jié)合機(jī)械回收方式主要是農(nóng)民先采用機(jī)械耙地，將殘膜與根茬等混合物分多次堆積于田間，然后再進(jìn)行人工分揀和焚燒。在農(nóng)村勞動(dòng)力日漸減少和防止殘膜焚燒二次污染的情況下，以上兩種回收方法已難以滿足要求，機(jī)械回收成為必然趨勢。目前，我國殘膜回收機(jī)根據(jù)收膜部件工作原理的不同，可分為彈齒式、伸縮桿式、齒鏈?zhǔn)?、氣力式、卷輥式和鏟式等多種形式;根據(jù)作業(yè)時(shí)期的不同，可分為作物苗期殘膜回收、作物果實(shí)收獲后殘膜回收和春季播種前殘膜回收[4]。機(jī)械回收殘膜在撿拾效率上明顯優(yōu)于人工回收，尤其在大規(guī)模作業(yè)時(shí)，效果顯著。蘇國樟等人[5]的研究發(fā)現(xiàn)，田間表層0～10cm土層中的殘膜量占0～25cm土層中的殘膜總量的92.2%。賀懷杰等人[6]的研究發(fā)現(xiàn)，隨著覆膜年限的增加，棉田土壤中殘膜的數(shù)量和密度均呈逐年上升趨勢，表層土壤中面積較大的殘膜在耕作過程中逐年碎裂并向深層土壤下移且均勻分布;同時(shí)，隨著覆膜年限的增加，在35～40cm深層土壤中面積和質(zhì)量較小的殘膜呈明顯增多的趨勢。因此，殘膜分布情況與地膜厚度、覆膜年限、耕作方式、作物種類、機(jī)具使用情況以及回收情況有關(guān)。

目前，我國對田間殘膜回收的機(jī)械化率仍然比較低，主要由于殘膜回收機(jī)存在適應(yīng)性差，對種前回收、育苗期揭膜、秋后收膜和耕層殘膜回收等分類不明確，導(dǎo)致機(jī)具實(shí)際使用性能不夠穩(wěn)定，回收效率不高，因此難以大范圍推廣。結(jié)合以上情況和農(nóng)業(yè)部2017年出臺農(nóng)用地膜厚度不得小于0.01mm的規(guī)定，在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一款體積小、適應(yīng)性強(qiáng)、適用于田間淺耕層內(nèi)殘膜回收的滾筒式薄膜回收機(jī)，并對其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和主要零部件運(yùn)動(dòng)與受力進(jìn)行理論研究，旨在為殘膜回收機(jī)的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

2 總體設(shè)計(jì)與工作原理

2.1 總體設(shè)計(jì)

滾筒式田間殘膜回收機(jī)采用偏心式彈齒與滾筒配合工作，主要由機(jī)架、地輪、耕深調(diào)節(jié)裝置、起膜齒、拾撿裝置、脫膜裝置和集膜裝置等構(gòu)成，如圖1所示。

其中，拾撿裝置由滾筒、彈齒、半軸、連桿、偏心軸及軸承等構(gòu)件組成。滾筒式殘膜回收機(jī)的拾膜過程主要包括起膜齒起膜、彈齒拾膜、彈齒脫膜及集膜回收四個(gè)過程。起膜齒起膜、彈齒拾膜和脫膜裝置脫膜是影響殘膜回收效率的重要核心部件。

2.2 技術(shù)參數(shù)及工作原理

2.2.1 技術(shù)參數(shù)。本文旨在設(shè)計(jì)一款體積小、性能穩(wěn)定、適用于田間耕層內(nèi)殘膜回收的滾筒式薄膜回收機(jī)。為保證回收率，機(jī)具工作時(shí)要求運(yùn)行平穩(wěn)且作業(yè)速度較慢。因此，選定山東瑞聯(lián)重工生產(chǎn)的15馬力小四輪柴油拖拉機(jī)作為配套動(dòng)力機(jī)，設(shè)計(jì)撿拾齒入土深度0～10cm，其他具體參數(shù)設(shè)計(jì)如表1所示。

2.2.2 工作原理。機(jī)具在工作過程中由地輪帶動(dòng)傳動(dòng)半軸和滾筒做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，通過連桿傳動(dòng)帶動(dòng)偏心軸繞傳動(dòng)半軸做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，彈齒固定于偏心軸上并與該軸一起做偏心旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，彈齒在逐漸接近地面的過程中逐漸從桶壁預(yù)先設(shè)定的小孔內(nèi)伸出，將地上的殘膜挑起，然后逐步縮回滾筒內(nèi)，使?jié)L彈齒上拾起的殘膜逐步與彈齒分離，同時(shí)脫膜板將拾起的殘膜從滾筒壁上撥下，并將其送入集膜箱內(nèi)。撿拾機(jī)構(gòu)示意圖如圖2所示。

3 主要零部件設(shè)計(jì)

執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要由起膜機(jī)構(gòu)（起膜齒）、撿拾機(jī)構(gòu)（主要由滾筒、支撐軸、連桿、偏心軸和彈齒等構(gòu)成）及分離機(jī)構(gòu)（脫膜裝置）三部分組成。本文主要對起膜齒、彈齒、脫模裝置及耕深調(diào)節(jié)等對機(jī)具效率有顯著影響的零部件進(jìn)行設(shè)計(jì)和分析。

3.1 起膜齒設(shè)計(jì)

起膜齒安裝在機(jī)架的后邊，齒向朝前，工作時(shí)起膜齒深入土壤，將地表0～100mm內(nèi)的地膜挑起，推擠并沿起膜齒上升，便于撿拾裝置的彈齒在伸出位置更好地接觸殘膜，殘膜更容易撿拾，與土分離，同時(shí)松碎土壤，減小對起膜彈齒的沖擊。

影響起膜齒性能的主要參數(shù)是起膜齒傾角、土壤性能參數(shù)及相關(guān)配套動(dòng)力參數(shù)等。對起膜齒起膜過程中土壤與桿齒的相互作用進(jìn)行受力分析得出[7]：起膜齒承受的總牽引阻力F的大小僅與起膜齒傾角[α]有關(guān)，當(dāng)起膜齒傾角[α]減小時(shí)，總的牽引阻力減小。相關(guān)文獻(xiàn)研究表明[8]，起膜鏟入土角[α]為10°～35°時(shí)，起膜效果最好。因此，本設(shè)計(jì)通過試驗(yàn)，確定起膜鏟入土角[α]取15°。

3.2 脫膜裝置設(shè)計(jì)

對市面上已有的殘膜回收機(jī)進(jìn)行調(diào)研發(fā)現(xiàn)，膜回帶是影響當(dāng)前田間殘膜回收機(jī)回收率的重要因素，因此加強(qiáng)對防膜回帶機(jī)構(gòu)的研究和優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要意義。對現(xiàn)有殘膜回收機(jī)防回帶機(jī)構(gòu)主要原理及工作形式進(jìn)行分析，按其防回帶機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式不同可分為回轉(zhuǎn)式、隔離式、推板式、氣力式和其他形式防回帶機(jī)構(gòu)。其中，回轉(zhuǎn)式防回帶機(jī)構(gòu)常見于輪齒式和齒鏈?zhǔn)綒埬せ厥諜C(jī)，其主體為可轉(zhuǎn)動(dòng)的回轉(zhuǎn)構(gòu)件，按其轉(zhuǎn)動(dòng)方向可分為逆向回轉(zhuǎn)和順向回轉(zhuǎn)式防回帶機(jī)構(gòu)[9]。

本設(shè)計(jì)采用由中心軸和幾個(gè)繞軸的脫膜刮板構(gòu)成的旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)。工作時(shí)，脫膜輪和拾膜滾筒同向轉(zhuǎn)動(dòng)，脫膜輪上安裝的脫膜刮板沿滾筒壁將殘膜與彈齒和滾筒分離并送向集膜箱。脫膜刮板與彈齒、滾筒壁互相配合，通過刮板作用防止殘膜隨彈齒回帶及與滾筒纏繞。脫膜裝置與滾筒的徑向關(guān)系如圖3所示。

圖中O點(diǎn)為滾筒壁旋轉(zhuǎn)中心軸，C為彈齒組件的旋轉(zhuǎn)中心軸，虛線圓為彈齒尖端的工作軌跡，[O1]為脫膜裝置的旋轉(zhuǎn)中心軸。脫膜裝置工作時(shí)承受的載荷類型為連續(xù)輕載，其強(qiáng)度剛度設(shè)計(jì)要求均較低，設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)各零部件間的相互配合及位置關(guān)系要求確定尺寸。脫膜裝置安裝在水平上方向夾角45°處。根據(jù)滾筒的設(shè)計(jì)可知，彈齒與刮板交匯點(diǎn)為與水平夾角47°處，刮板與彈齒微量接觸，方便卸膜。根據(jù)對殘膜回收機(jī)的作業(yè)過程進(jìn)行分析，單位時(shí)間內(nèi)滾筒拾起的殘膜與脫膜裝置卸下的殘膜量應(yīng)相等才不會造成殘膜在滾筒壁上的堆積纏繞。原有的三刮板脫模輪，工作時(shí)拾膜齒與脫膜刮板相遇次數(shù)較少，易造成殘膜回帶和纏繞。本次設(shè)計(jì)增加了1個(gè)刮板，并提高脫膜輪轉(zhuǎn)速，使脫膜裝置與滾筒壁間的接觸頻率增加，提高了刮板的工作效率。在脫膜板的前部加裝橡膠卸膜板，將卸膜裝置與彈齒、滾筒壁間的剛性接觸轉(zhuǎn)為彈性接觸，且橡膠卸膜板磨損后調(diào)整更換容易，成本更低。脫膜輪的實(shí)體圖如圖4所示。

3.3 耕深調(diào)節(jié)裝置設(shè)計(jì)

為適應(yīng)不同地形與地質(zhì)情況，提高機(jī)具的適用性，盡可能將耕層內(nèi)的殘膜撿拾干凈，在機(jī)架上安裝了耕深調(diào)節(jié)裝置，通過該裝置上的限位孔來調(diào)節(jié)滾筒與地面間的距離。由于起膜齒與彈齒入土深度為0～10cm，所以設(shè)計(jì)的調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)角度為0°～30°，最大限度地滿足起膜齒角度調(diào)節(jié)（起膜齒最佳角度10°～35°[8]）與滾筒離地距離的調(diào)整需求，進(jìn)而有效實(shí)現(xiàn)對不同地形地質(zhì)上殘膜的回收，使撿拾效率更加高效。耕深調(diào)節(jié)裝置與機(jī)架裝配關(guān)系如圖5所示。

4 彈齒運(yùn)動(dòng)軌跡與受力特性分析

4.1 彈齒的設(shè)計(jì)

4.1.1 彈齒排布設(shè)計(jì)。彈齒的合理布局對撿拾性能起著關(guān)鍵作用，若軸向相鄰彈齒間距過小，則會導(dǎo)致?lián)焓斑^多土塊和雜物，不僅會造成機(jī)械功耗過大，而且會增加機(jī)具磨損，給后期膜雜分離帶來困難;若相鄰彈齒間距離過大，則會容易造成漏撿，撿拾率不高，不能滿足生產(chǎn)要求。殘膜碎片大小與耕作方式、地膜厚度、回收時(shí)間等綜合因素有關(guān)。因殘膜過碎、塊狀小、性狀不一等因素限制，設(shè)計(jì)彈齒軸向排布的軸向配置間距要適度減小，避免出現(xiàn)漏撿情況。本機(jī)具用于厚度0.01mm的薄膜回收，其抗拉強(qiáng)度大，為適應(yīng)不同種植模式田間作業(yè)，應(yīng)均勻排布彈齒。彈齒的直徑大小影響殘膜的撿拾率，過大不利于撿拾殘膜但便于脫膜，過小雖然利于撿拾殘膜，但脫膜時(shí)殘膜很難脫離。參考張新超等的研究結(jié)果[10]，彈齒直徑取12mm。

4.1.2 彈齒回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡分析及偏心距離的確定。為滿足設(shè)計(jì)要求，將耕層0～100mm范圍內(nèi)殘膜撿拾干凈，設(shè)計(jì)彈齒伸出最長時(shí)到滾筒壁的距離為100mm。彈齒回縮點(diǎn)過低，易導(dǎo)致殘膜從滾筒壁脫下無法拾起;若回縮點(diǎn)過高，則分離裝置的設(shè)計(jì)安裝受限，無法順利脫膜。結(jié)合滾筒壁與起膜齒之間距離與回縮位置，進(jìn)行彈齒運(yùn)動(dòng)軌跡設(shè)計(jì)，當(dāng)彈齒與水平方向夾角大于45°時(shí)，殘膜與滾筒附著力加大，彈齒完全縮入滾筒壁內(nèi)，可得到最佳工作效果。軌跡分析示意圖如圖6所示。

4.1.3 彈齒的運(yùn)動(dòng)軌跡分析及彈齒組數(shù)確定。為保證彈齒拾撿動(dòng)作的連續(xù)性、減少漏撿現(xiàn)象，避免機(jī)具重復(fù)作業(yè)降低工作效率，需要確定合理的彈齒周向組數(shù)。因此，對機(jī)具作業(yè)時(shí)彈齒的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行分析。彈齒實(shí)際作業(yè)運(yùn)動(dòng)軌跡為從入土到挑起殘膜出土，即D到[D1]段的圓弧。設(shè)從彈齒入土距離h>50mm以下的區(qū)域?yàn)樽罴咽漳^(qū)域，即從G點(diǎn)到[G1]點(diǎn)。為保證拾撿動(dòng)作的連續(xù)性，在第一組彈齒頂端離開最佳拾膜區(qū)域之前，下一組彈齒頂端應(yīng)進(jìn)入最佳拾膜區(qū)域。設(shè)彈齒頂點(diǎn)從G點(diǎn)到[G1]點(diǎn)所用時(shí)間為[t1]，彈齒間夾角為[φ]，彈齒入土?xí)r與垂直方向夾角為[θ]，彈齒從D點(diǎn)旋轉(zhuǎn)[τ]角度到達(dá)G點(diǎn)，彈齒轉(zhuǎn)過[φ+τ]角所用時(shí)間為[t]，當(dāng)[t1≤t]時(shí)，實(shí)現(xiàn)彈齒拾撿動(dòng)作的連續(xù)性。彈齒的工作運(yùn)動(dòng)軌跡分析如圖7所示。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一款適用于田間淺耕層內(nèi)殘膜回收的滾筒式薄膜回收機(jī)，并介紹了滾筒殘膜回收機(jī)的工作原理，對關(guān)鍵部件進(jìn)行設(shè)計(jì)與分析。通過分析可以得出以下結(jié)論。

①起膜齒承受阻力大小僅與起膜傾角[α]有關(guān)，當(dāng)起膜傾角[α]減小時(shí)，總的牽引阻力減小。起膜鏟入土角[α]為10°～35°時(shí)，起膜效果最好。通過試驗(yàn)，本設(shè)計(jì)確定起膜鏟入土角[α]取15°，降低阻力。

②為提高殘膜與機(jī)具的附著性，脫膜裝置安裝在與水平上方向夾角45°處，計(jì)算得出彈齒與刮板交匯點(diǎn)為與水平夾角47°處，卸膜效果較好;同時(shí)，增加刮板數(shù)量，提高脫膜輪轉(zhuǎn)速，使脫膜裝置工作效率得以提高。

③通過對彈齒工作運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行分析和計(jì)算得出，彈齒組數(shù)位為6時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)彈齒連續(xù)撿膜功能。

④彈齒在垂直向下與滾筒壁的接觸點(diǎn)處受力最大，為彈齒受力分析提供理論依據(jù)。

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