趙攸樂，張學軍，靳 偉，袁盼盼，劉家強

(新疆農(nóng)業(yè)大學 機電工程學院，烏魯木齊 830052)

0 引言

地膜覆蓋在農(nóng)業(yè)種植中得到廣泛應用，通過覆膜種植可以達到保墑、節(jié)水、降低雜草生長及加速作物早熟的目的。土壤中的殘膜對作物的生長會造成危害，主要是對出苗率造成影響，使得單位面積收獲的植株數(shù)量降低；同時造成棉花的生長不良，單產(chǎn)降低[1]。另外，殘膜將對土樣的理化性質(zhì)造成影響，使得土樣中氮磷等營養(yǎng)含量下降，水分分布不均勻。通過與無殘膜植株的對比發(fā)現(xiàn)，生物量、根系的表面積及根冠比等指標都有較明顯差別。所以，殘膜對土地的可持續(xù)利用也構(gòu)成較大影響[2]。

殘膜回收成為秋收后及春播前覆膜種植用地的常見作業(yè)項目。目前，人工拾膜效率低，勞動力成本高，通過機械方式回收殘膜是必然趨勢。殘膜回收機撿拾機構(gòu)是殘膜殘膜回收的核心，主要分為摟耙式、滾筒式及釘齒式等，存在對土地適應性差、耕層碎膜撿拾效果不佳及撿拾效率低等問題。為此，設計了一種鏈齒耙式耕層殘膜撿拾機構(gòu)，作業(yè)效率高，工作可靠，適用于春播前殘膜回收[3-4]。

1 設計方案及工作原理

1.1 設計方案

鏈齒耙式耕層殘膜回收機撿拾機構(gòu)由機架、傳動系統(tǒng)、懸掛架、起膜鏟、鏈齒耙、起膜彈齒及行走輪等組成，如圖1所示。

1.機架 2.皮帶 3.小帶輪 4.齒輪減速箱 5.懸掛架 6.起膜鏟 7.起膜彈齒 8.鏈齒耙 9.抖動裝置 10.行走輪 11.鏈輪 12.大帶輪

其中，傳動系統(tǒng)由減速箱輸出動力，與之配合傳動軸帶動小皮帶輪，隨后通過皮帶傳動帶動大皮帶輪，再由與之同軸的鏈輪帶動鏈齒耙運動，完成整個傳動系統(tǒng)路線。

1.2 工作原理

該機構(gòu)拾膜時，分為起膜鏟鏟膜階段、彈齒挑膜階段及殘膜升運階段。殘膜回收機構(gòu)的懸掛架與拖拉機后懸掛，采用三點式連接，通過拖拉機液壓頂桿，調(diào)節(jié)機構(gòu)入土深度；由拖拉機動力輸出軸提供扭矩，帶動減速箱經(jīng)變速后，通過皮帶傳動，帶動升運鏈及收膜彈齒移動。同時，拖拉機與懸掛架相連，帶動整體前進。起膜鏟將土膜一并鏟起，并沿著鏟面抬升，后移；然后，含膜土塊越過起膜鏟落在升運鏈上，經(jīng)過運輸、抖動，到達升運鏈末端大部分土壤被抖落，殘膜在起膜彈齒的作用下也被運輸?shù)缴\鏈末端，后置土膜分離裝置和膜箱，即可完成整個收膜過程。

2 主要零部件的設計

2.1 起膜鏟設計

起膜鏟安裝在機架的前端，工作過程中起膜鏟可以將耕層中的膜土一并鏟起，使撿拾裝置與土膜更好地接觸；同時，松碎土壤，減小土壤對起膜彈齒和鏈齒耙的沖擊，降低機具磨損，提高使用壽命。鏟刀還可切斷殘留作物或閑置土地雜草根莖，減小撿拾阻力。本機要求起膜鏟的作業(yè)深度為150mm[5]。

2.1.1 鏟面傾角設計

起膜鏟傾角設計的原則是松碎土壤，降低前進阻力，在保證土膜順暢向上、向后移動的同時，防止鏟后大量壅土。起膜鏟的受力分析如圖2所示。

圖2 土膜在起膜鏟面受力分析

由圖2可得起膜鏟鏟起膜土的受力平衡方程為

(1)

式中α—起膜鏟相對地面傾角(°)；

F—后端堆積土塊對起膜鏟面堆積土塊作用力(N)；

N—起膜鏟對殘膜及土塊垂直于鏟面方向作用力(N)；

G—殘膜及土塊所受重力(N)；

f—殘膜及土塊受到的摩擦阻力(N)；

μ—起膜鏟與土塊之間的摩擦因數(shù)。

沙性土的摩擦因數(shù)f取0.25～0.35，土壤的密度取9.65g/cm3[6]。

由式(1)得

(2)

由式(2)可知：牽引阻力的大小與起膜鏟傾角有關。傾角變小，挖掘阻力相應減少，但傾角過小，作業(yè)深度不夠，碎土能力差；反之，傾角變大，挖掘阻力相應變大，碎土能力好，但前進阻力增大，容易出現(xiàn)壅土現(xiàn)象[7]。

2.1.2 起膜鏟長度設計

土塊和殘膜所做的總功WL(即沿鏟面前進長度L、克服摩擦力所做功)及抬升高度H克服重力勢能所做的功WH為

WH=GH=GLsinα

(3)

WL=μNL=μGLcosα

(4)

假設土塊與殘膜沿起膜鏟滑移到鏟面最后端速度v降為0，此時剛好能夠落入下方的鏈齒耙上。根據(jù)動能定理，土塊及殘膜運動到后端的動能為

(5)

土塊及殘膜運動的能量平衡方程為

(6)

起膜鏟的總長度L為[8]

(7)

式中WH—土膜在鏟面運動克服重力勢能所做的功(J)；

WL—土膜在鏟面運動克服摩擦力所做功(J)；

v—土膜在起膜鏟上的運動速度(m/s)；

L—起膜鏟總長度(mm)。

起膜鏟傾角的大小與工作土質(zhì)本身特性有關。平面挖掘鏟的傾角一般α=16°～20°(較大的傾角適用于有一定粘度的土壤，較小的傾角適用于沙性土質(zhì))[9]。機構(gòu)田間試驗土質(zhì)為沙性土，但土壤有部分板結(jié)的情況，所以取α=20°，作業(yè)深度100～150mm，取挖掘鏟的入土深度約為150mm。所以，根據(jù)公式，可計算出起膜鏟的長度L不應大于420mm，以減小上土阻力及部件成本等。由公式(7)知，當機構(gòu)前進速度取最大時，L約為290mm。

根據(jù)計算及機構(gòu)作業(yè)實際條件，同時保證起膜鏟輸出端與升運鏈的相對位置合理及土膜順暢輸送,取挖掘鏟的總長L取300mm。

2.1.3 起膜鏟寬度設計

新疆機采棉鋪膜種植模式(株距100mm、行距660mm、地膜兩邊各覆膜75mm)，同時考慮到拖拉機行走軌跡的誤差及起膜鏟的強度等因素影響，設計起膜鏟寬度1 700mm。

2.2 鏈齒耙設計

鏈齒耙主要由多排固定在輸送鏈條上的齒桿組成。動力經(jīng)鏈輪帶動輸送鏈條運動，固定鏈條上的齒桿也隨之運動。鏈齒耙的主要作用有3方面：一是通過鏈齒耙上的起膜彈齒將土中的殘膜挑起；二是將撿拾的殘膜通過鏈齒耙在可靠不漏膜的情況下運輸?shù)酵聊し蛛x裝置處；三是通過與抖動裝置相配合，在重力作用下，實現(xiàn)運輸過程中部分土塊抖動分離。鏈齒耙與地面成一定傾角θ1，組成結(jié)構(gòu)如圖3所示。

1.起膜彈齒 2.下端支撐輪 3.鏈齒耙托輥 4.抖動裝置 5.驅(qū)動鏈輪圖3 鏈齒耙結(jié)構(gòu)簡圖

鏈齒耙彈齒齒尖在土中移動的長度L1為[10]

式中l(wèi)—彈齒桿長(mm)；

R—下端支撐輪中心到鏈條外緣垂直距離(mm)；

θ1—鏈齒耙與地面夾角(°)；

θ2—為彈齒桿與地面夾角(°)；

h—下端支撐輪離地高度(mm)；

V—機構(gòu)前進速度(m/s)。

由公式(8)可知：當其他參數(shù)不變時，彈齒桿越長，桿齒及鏈齒耙與地面夾角增大時，機器前進速度加快，支撐輪與地面距離越大，則彈齒齒尖在土中移動距離越長。彈齒入土的階段是作業(yè)階段，彈齒土中移動距離越長，則作業(yè)階段所占時間越多,則彈齒拾膜效率越高，漏膜也就越少；但以上參數(shù)過高，會導致零部件強度不夠及殘膜被撕裂等問題，反而影響拾膜效果[11]。根據(jù)彈齒強度入土深度等因素，彈齒長度取100mm。

2.3 彈齒排列方式設計

收膜效果與彈齒的排列間距有關。彈齒間距太大，容易導致?lián)焓皡^(qū)域有遺漏，殘膜回收率降低；而間距太小，收膜率就高，但壅土量會增大，土膜分離難度增加，同時鏈齒耙的阻力也會加大。彈齒采用交錯排列方式，在保證合理間距的同時又能減小漏膜的可能，如圖 4所示[12]。其中，a為相鄰兩排彈齒間距；b為同排彈齒間距；c為鏈齒耙長度；d為鏈齒耙寬度。

1.彈齒 2.機架 3.篩桿

3 撿拾機構(gòu)試驗

3.1 試驗條件

在新疆生產(chǎn)建設兵團農(nóng)一師六團進行田間試驗，以測試機構(gòu)的工作運轉(zhuǎn)情況及撿拾效果。試驗地為春播前棉花地，棉花秸稈及滴灌帶已回收；土壤類型為沙性土，地面較平整；配備動力為56kW約翰迪爾-754型拖拉機。

3.2 試驗方法

本試驗將工作地塊4個地角連對角線，采用五點法測點，分別在對角線1/4及1/8位置及對角線的交點取點,分別為A1、A2、A3、A4、A0。然后，在撿拾作業(yè)后5點附近非重疊區(qū)域再取對角線的分點及交點，分別為B1、B2、B3、B4、B0。

以所測點為中心，在每個點挖掘深度20cm、長寬分別為1m的立方體區(qū)域，將其中的殘膜全部撿拾、洗凈、晾干后稱重。稱重儀器采用OHAUS CP3102電子天平，精度0.01g(單位為g)。將撿拾前及撿拾后5點殘膜的質(zhì)量分別相加，求加權(quán)平均值。

撿拾率γ的表達式為

(9)

式中γ—撿拾率(%)；

m1—機構(gòu)已撿拾地膜質(zhì)量(g)；

m2—未被撿起的殘膜質(zhì)量(g)。

作業(yè)效率ξ(hm2/h)的表達式為[13]

ξ=V·T·0.36

(10)

式中V—機構(gòu)前進作業(yè)速度(m/s);

T—撿拾機構(gòu)作業(yè)寬度(m)。

3.3 試驗結(jié)果

撿拾機構(gòu)的試驗結(jié)果如圖5所示。

圖5 機構(gòu)撿拾結(jié)果折線圖Fig.5 The organization pick up result line chart

試驗分別取0.7、1.0、1.3、1.6、1.9m/s等5種前進速度測試。由圖5可知：隨著作業(yè)速度的提高，殘膜撿拾率降低；機構(gòu)前進作業(yè)速度越慢，則彈齒對同樣面積地塊的作業(yè)次數(shù)就越多；如果作業(yè)速度過高，存在彈齒來不及撿拾地面殘膜的問題，相應殘膜回收率就會降低,零件的強度要求較高，磨損也較大。

當作業(yè)速度為0.7m/s時拾膜率最高；當作業(yè)速度為0.7～1.3m/s時，拾膜率變化較平緩；大于1.3m/s時，變化較大。用公式(10)可算出：作業(yè)速度1.0m/s時，作業(yè)效率0.61hm2/h；1.3m/s時,作業(yè)效率0.8hm2/h,收膜率差值較小，但作業(yè)效率相差較大。所以，經(jīng)綜合考慮，采用1.3m/s前進速度。

4 結(jié)論

1)對鏈齒耙式耕層殘膜回收機撿拾機構(gòu)進行了設計，明確了牽引阻力與起膜鏟的傾角有關，確定了傾角α取20°。根據(jù)土膜運動的運動學分析及結(jié)合實際作業(yè)情況，確定了起膜鏟長度L取300mm，寬度取1 700mm。通過分析，確定了彈齒長度l取100mm及其在鏈齒耙上的排列方式。

2)田間試驗表明：機構(gòu)作業(yè)運行流暢，起膜鏟及彈齒的入土深度合適，耕層碎膜撿拾效果較理想。根據(jù)機構(gòu)前進的速度對拾膜率影響的試驗，確定了合適的機器運行作業(yè)速度取1.3m/s，殘膜撿拾率大于90%，達到了較好的撿拾效果。