王新年，王 智

(1.黑龍江農(nóng)業(yè)工程職業(yè)學(xué)院，哈爾濱 150088；2.東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院，哈爾濱 150030)

0 引言

地膜覆蓋技術(shù)是一項能大幅度提高作物產(chǎn)率及縮短生長周期的栽培技術(shù)[1]，尤其在增溫、抗?jié)?、抗旱、通光及防病蟲方面效果顯著[2-5]。其帶來的問題也很明顯，具體表現(xiàn)為：聚乙烯類薄膜降解難度大；存在時間持久；作物秋收后，地表的殘茬多，地膜的破損程度嚴(yán)重，殘膜的回收難度大；長時間耕種后，由殘膜殘茬產(chǎn)生的“白色污染”日漸嚴(yán)重，致使糧食產(chǎn)量逐年降低[6]。針對上述問題，目前主要以人工和機械回收方式處理殘膜。與人工撿拾相比，機械作業(yè)的生產(chǎn)率有很大提升，但也有回收殘膜潔凈度差、漏膜，揚塵嚴(yán)重、機組作業(yè)速度低、靈活度差、機械工作性能單一及增加機具進地次數(shù)等問題[7-13]。為此，在著重改良了機具的傳動系統(tǒng)與拾膜部件機構(gòu)的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種殘膜回收及滅茬聯(lián)合作業(yè)機，大大提高和改善了機具的各方面性能。

1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計與工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

該機具由機架、減速器、松土鏟、拾膜部、滅茬刀、集膜箱、行走輪、輸膜板及推膜部件組成，滅茬傳動部件安放在機架的右側(cè)，動力由拖拉機輸出軸經(jīng)過減速器經(jīng)雙排鏈輸入，如圖1所示。殘膜回收部件的傳動系統(tǒng)安放在機架的左側(cè)，動力由行走輪經(jīng)鏈傳動輸入；推膜部件安放在機架的上部，動力由行走輪經(jīng)鏈傳動輸入；松土鏟安放在機架的兩側(cè)；卸膜板一端安裝在機架上，另一端搭在收膜滾筒的上部。

1.機架 2.減速器 3.松土鏟 4.拾膜部件 5.滅茬刀 6.集膜箱 7.行走輪 8.輸膜板 9.推膜部件

1.2 工作原理

工作時，由拖拉機牽引，拖拉機輸出軸帶動減速器，經(jīng)過鏈傳動帶動滅茬刀進行滅茬作業(yè)；行走輪經(jīng)過鏈傳動帶動拾膜部件滾筒轉(zhuǎn)動，在滾筒內(nèi)偏心安裝的伸縮齒桿與滾筒做同時針圓周運動。當(dāng)轉(zhuǎn)到滾筒上面后方時，齒桿被顯露出來留到空中；當(dāng)繼續(xù)向后下方轉(zhuǎn)動時，齒桿便穿透農(nóng)收后的地膜進入田地里；當(dāng)繼續(xù)轉(zhuǎn)動時，齒桿便會離開田地，帶著地膜沿筒壁轉(zhuǎn)動方向勻速運動，齒桿慢慢地回入滾筒，此時地膜脫離，由推膜部件送入集膜箱，從而完成收膜工作。松土鏟便于松弛土地，可使兩側(cè)邊膜得到更好的回收。輸膜板是為了防止收起的地膜隨滾筒卷出集膜箱。

1.3 主要性能參數(shù)

作業(yè)幅寬/cm：40(2壟)

生產(chǎn)率/hm2·h-1：0.27～0.33

收膜率/%：≥85

外形尺寸/mm：2 000 ×1 400×800

配套動力/kW：20～40拖拉機

滅茬深度/mm：50

滅茬轉(zhuǎn)速/r·min-1：350

滾筒轉(zhuǎn)速/r·min-1： 120

2 主要工作部件設(shè)計

2.1 伸縮桿拾膜筒的設(shè)計及原理

伸縮桿拾膜滾筒主要由螺栓、偏心軸墊圈、左法蘭盤、左心軸、左偏心管、彈齒、轉(zhuǎn)動套、偏心軸、外筒、右偏心管、右法蘭盤、右偏心管、定位裝置及鍵組成，如圖2所示。左法蘭盤左端與鏈輪相連，右端與外筒經(jīng)螺栓連接；偏心軸左端與左心軸焊合，左心軸與左法蘭盤間隙配合，右端通過鍵與右心軸連接，右心軸通過鍵與定位裝置連接；定位裝置一端通過鍵與右心軸相連，另一端固定在機架上；彈齒為16根，安裝在心軸上，可以繞心軸轉(zhuǎn)動。

工作時，左法蘭盤帶動滾筒轉(zhuǎn)動，同時帶動伸縮桿齒繞偏心軸轉(zhuǎn)動。當(dāng)伸縮桿齒轉(zhuǎn)到滾筒的后上方時，齒桿被顯露出來留到空中；繼續(xù)向后下方轉(zhuǎn)動時，齒桿便穿透農(nóng)收后的地膜進入田地里；當(dāng)齒桿繼續(xù)轉(zhuǎn)動時，齒桿便會離開田地，帶著地膜沿筒壁轉(zhuǎn)動方向勻速運動，齒桿慢慢地回入滾筒，此時地膜脫離齒桿，完成收膜作業(yè)。

1.螺栓 2.偏心軸墊圈 3.左法蘭盤 4.左心軸 5.左偏心管 6.彈齒 7.轉(zhuǎn)動套 8.偏心軸 9.外筒 10.右偏心管 11.右法蘭盤 12.右偏心管 13.定位裝置 14.鍵

2.1.1 滾筒的設(shè)計

滾筒設(shè)計如圖3所示。外筒直徑確定為500mm，工作幅寬800mm。由螺絲固定外圈部分與支撐圓，外筒表面有若干橡膠圈，可帶動伸縮桿齒隨滾筒轉(zhuǎn)動，同時防止伸縮桿齒縮回滾筒內(nèi)部。

2.1.2 左法蘭盤的設(shè)計

左法蘭盤左部由鍵與鏈輪連接，右部通過4個螺絲與滾筒連接，如圖4所示。其內(nèi)孔連接左偏心軸，外圓和內(nèi)孔經(jīng)過砂輪磨削，保證了精度。內(nèi)孔和外圓要有精確的形位公差，保持運行穩(wěn)定。

1.螺絲 2.橡膠圈 3.外筒表面圖3 滾筒Fig.3 Roller

圖4 左法蘭盤Fig.4 Left flange

2.1.3 曲軸的設(shè)計

曲軸由左曲軸、偏心軸、右曲軸3個主要部件組成，如圖5所示。其中，左曲軸由定心軸、左臂和齒軸組成，連接為焊接；右曲軸連接心軸定位裝置，根據(jù)實際情況調(diào)節(jié)來調(diào)節(jié)伸縮桿齒的拾膜高度。

1.左曲軸 2.偏心軸 3.右曲軸圖

2.1.4 卸膜板的設(shè)計

卸膜板設(shè)計如圖6所示。由扁鋼彎成具有一定弧度的卸膜板，有弧度的部分貼在滾筒表面，空隙部分讓開橡皮圈，避免與伸縮桿齒碰撞而破壞正常工作。下半扁平部分通過螺絲與一長方形鋼料螺絲連接，長方形鋼料兩端與機架固定。

2.2 松土鏟的設(shè)計

壓入田間土地中的部分殘膜是相對完整的,收膜時將松土部件從壟側(cè)膜緣壓入膜下,使地膜面上和面下的土壤松弛遍好。因此，要求松土工具應(yīng)有強入土及工作深度穩(wěn)定的性能。松土鏟的材料為扁鋼50×12，分為鏟柄、鏟壁、鏟體3部分，如圖7所示。鏟身上有固定孔可以調(diào)節(jié)鏟的高度。由圖7可以看出：鏟臂和鏟體不但與水平地面有一定的角度，還與運動方向形成一定的角度。

圖6 卸膜板Fig.6 Board for unloading plastic film

1.鏟柄 2.鏟壁 3.鏟體

2.3 機架的設(shè)計

機架由方鋼、角鋼和鋼板焊接而成，如圖8所示。

1.方管 2.連接架 3.連接架 4.連接架 5.方管 6.方管 7.方管 8.方管 9.方管 10.方管 11.方管 12.連接塊

連接塊13作用是固定松土鏟，加工精度為2.5；連接架2、3、4是與拖拉機相接，三點固定，十分牢固；方管1、5作用是固定減速器；方管7、8、9、10焊合成集膜箱；方管11是用來固定推膜部件，焊接時必須保證機架零件之間的垂直度和平行度。

3 傳動系統(tǒng)的設(shè)計

3.1 滅茬系統(tǒng)的傳動

3.1.1 刀輥轉(zhuǎn)速的確定

打茬作業(yè)需要的刀輥轉(zhuǎn)速比旋耕機的刀輥轉(zhuǎn)速要高，刀齒的線速度要大于6m/s，但是速度愈高，功率消耗愈大。因此，應(yīng)合理選擇打茬機的速度參數(shù)，以獲得較高的作業(yè)效率。

以黑龍江省為例，在春季打茬作業(yè)中，根茬水分少，所需打茬速度較低，一般為4.5m/s；而秋季玉米茬還沒有枯死，根茬水分大，所需打茬速度偏高，一般為5.5m/s。大量試驗與經(jīng)驗表明：打茬速度越高，玉米茬被處理效果(打茬率)越好。當(dāng)速度提到一定程度后，打茬率的上升效果就趨于平穩(wěn)；當(dāng)打茬速度為5.5m/s時，即使是秋季，打茬率也可達(dá)到95%左右，能夠滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)要求。

刀軸轉(zhuǎn)速的選擇，主要取決于打茬速度和機具前進速度。打茬速度可根據(jù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)要求和試驗進行確定，該機為5.5m/s。

式中R—刀輥回轉(zhuǎn)半徑(m)；

ω—刀輥角速度(r/s)；

h—打茬深度(m)。

計算得出該滅茬機的刀輥轉(zhuǎn)速為310r/min。

3.1.2 傳動比的確定

拖拉機動力輸出軸額定轉(zhuǎn)速為632r/min，刀輥轉(zhuǎn)速為350r/min，所以總速比為i=632/350=1.8。從拖拉機動力輸出軸傳出的動力進人中央減速箱，再通過雙排鏈傳動滅茬機構(gòu)。由于總傳動比不大，因此確定減速箱的傳動比為1.8:1，鏈輪箱的速比為1:1。

3.2 地膜回收系統(tǒng)的傳動

地膜回收系統(tǒng)的傳動可分為兩個部分：一是地輪與拾膜滾筒之間的傳動，二是地輪與推膜部件的傳動。其中，地輪與拾膜滾動之間的傳動由鏈傳動和齒輪傳動組成。齒輪傳動的目的是改變傳動的方向，如圖9所示。

1.行走輪鏈輪 2.換向齒輪 3.推膜部件鏈輪 4.滾筒鏈輪

4 驗證與分析

4.1 齒輪的選擇與確定

本機具以滾筒的最宜轉(zhuǎn)速120 r/min為標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速進行了測試，作業(yè)幅寬為140cm(兩壟)，生產(chǎn)率為0.27～0.33hm2/h，地輪半徑為300mm。由此確定地輪轉(zhuǎn)速為20r/min，齒輪傳動比為3，鏈輪傳動比為2，且選取直齒圓柱齒輪進行傳動。小齒輪材料為40Cr(調(diào)質(zhì))，硬度為280HBS，大齒輪材料為45鋼(調(diào)質(zhì))，硬度為240HBS,二者材料硬度差為40HBS。使用個數(shù)為小齒輪24個，大齒輪72個[14]。

4.2 齒輪強度試算與驗證

表1 齒輪各項目數(shù)值選取Table 1 Numerical selection of gear items

經(jīng)驗算，小齒輪分度直徑應(yīng)大于91.9mm。以91.9mm為標(biāo)準(zhǔn)進行驗證得：圓周速率為0.577m/s，齒寬為91.9mm，齒寬與齒高比為10.7。根據(jù)機械設(shè)計手冊，輔助計算出載荷系數(shù)k=1.584。所以，按實際載荷系數(shù)校正分度圓直徑為104mm，模數(shù)為4.3。

表2 大小齒輪各項目數(shù)值選取Table 2 Numerical selection of gear and gear

經(jīng)比較YFαYFβ/[σF]，得出大齒輪比值較大，故帶入公式的m=3mm。

對比驗算結(jié)果表明：齒面接觸疲勞強度計算的模數(shù)大于由齒根彎曲疲勞強度計算的模數(shù)。由彎曲強度算得的模數(shù)為3mm，按接觸強度算得的分度圓直徑為91.9mm，小齒輪齒數(shù)為30，大齒輪齒數(shù)為90。所以，分度圓直徑分別為90、270mm，中心距為180mm。

5 田間試驗

田間試驗在香坊區(qū)東北農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗田進行，在2016年一年春秋兩季的時間里前后進行了4次收膜滅茬試驗。第1次試驗因裝備初次使用和經(jīng)驗不足，試驗結(jié)果不是很理想，出現(xiàn)了遺漏、卡機等現(xiàn)象，其余3次結(jié)果良好，各項技術(shù)性能指標(biāo)均達(dá)到理想要求。試驗綜合結(jié)果如表3所示。

表3 性能檢測報告Table 3 Report of performance test

6 結(jié)論

殘膜回收滅茬作業(yè)機的設(shè)計難度主要是如何保證回收率和保證機器運行的穩(wěn)定性。本設(shè)計在考慮各個零部件都能達(dá)到正常工作和使用壽命的情況下，對傳動系統(tǒng)和回收裝置進行了系統(tǒng)優(yōu)化。設(shè)計根據(jù)所給作業(yè)要求，確定了滅茬速度及系統(tǒng)傳動比。參考國內(nèi)外資料，確定收膜方案為伸縮桿式。

本設(shè)計的伸縮桿齒式殘膜回收滅茬機具有如下特點：①殘膜的撿取、運輸、回收和滅茬等工序連續(xù)完成，維修方便，工作效率高，殘膜殘茬回收率達(dá)85%以上。②與普通單一作業(yè)機具相比節(jié)省成本30%以上。