康曉悅，趙巖，陳學庚,，周敦興，緱海嘯，田辛亮

(1.青島農業(yè)大學機電工程學院，山東 青島 266109；2.石河子大學機械電氣工程學院，新疆 石河子 832000；3.農業(yè)農村部西北農業(yè)裝備重點實驗室，新疆 石河子 832000)

作物覆膜栽培種植技術具有保溫、保墑、抑鹽、防草、穩(wěn)定土壤環(huán)境、提高光、熱利用率、促進作物根系發(fā)育等作用，可以實現縮短作物生長期、提高作物產量、擴大作物生長區(qū)域的效果[1-6]，我國農膜年使用量約占世界農膜年使用量的90%，而新疆是我國農膜應用的主要區(qū)域，就棉花種植而言，覆膜栽培率已達到100%.2018年新疆棉花種植面積約249萬hm2[7].由于殘膜治理工作的不徹底，造成殘膜污染問題日趨嚴重[8-14].殘膜回收方式主要有人工撿拾和機械回收2種.人工撿拾殘膜勞動強度大、作業(yè)效率低、投入成本高[15-16]；機械回收方式作業(yè)效率高、成本低，是目前廣泛采用的回收方式.國外農用地膜厚度一般為0.02～0.03 mm，抗拉強度大，易于機械回收和再利用，主要采用卷收機構回收[17]，在殘膜撿拾機構方面的研究相對較少；由于我國使用農膜厚度薄，抗拉強度低，鋪放時間長，老化嚴重，加之牲畜踩踏，回收難度大，撿拾機構的研究始終是技術難點和核心問題.

目前，國內有針對種植玉米、馬鈴薯、煙草等作物地塊使用的殘膜回收機撿拾機構，依據結構不同，主要有彈齒式、鏟式、鏈齒式、滾筒式等.雖種類形式多樣，但均存在有待改進的地方.使用最廣泛的彈齒式摟膜機構，作業(yè)時彈齒遇到硬物會發(fā)生變形或彈齒固定部件損壞；鏟式起膜撿拾機構的分離滾筒分離土塊效果較好，而對根茬分離效果不佳[18]；滾筒式殘膜撿拾機構研究較為深入，但結構復雜，存在殘膜吸入滾筒內阻礙機構運轉的現象.殘膜回收機撿拾機構仍然是殘膜回收機的研究熱點和待攻克的技術難點.陳學庚團隊的緱海嘯、楊松梅，蔣莉等人研究的釘齒鏈板殘膜撿拾機構，利用滾筒表面與鏈板之間產生的摩擦力驅動安裝撿拾釘齒的撿拾鏈板作業(yè)[19]，在土壤堅實度較大地塊作業(yè)會出現打滑現象.課題組為了探索柔性帶式釘齒殘膜撿拾機構的可行性，進一步提升撿拾機構與滾筒之間的摩擦力，研制了齒帶式殘膜撿拾機構，該機構由拖拉機后輸出軸動力驅動，利用皮帶與皮帶輪產生摩擦力帶動齒帶撿拾殘膜，原材料易于獲取，制作成本低，可以為柔性帶式釘齒殘膜撿拾機理提供有益補充.

本文確定了釘齒外形尺寸、安裝間距、皮帶類型、排列布局等關鍵參數，通過三因素三水平田間試驗，研究各因素對殘膜回收率的影響，確定機具最優(yōu)工作參數，為后續(xù)物理樣機的設計加工和制作提供理論與試驗依據.

1 齒帶式殘膜撿拾機構結構及工作原理

齒帶式殘膜撿拾機構如圖1所示，主要組成部分如下：齒帶、上齒帶輥(主動輥)、下齒帶輥(被動輥)、刮泥裝置，齒帶繞過上齒帶輥、張緊輥和下齒帶輥.該機構可1次完成起膜、輸膜及初步膜雜分離作業(yè).

1：上齒帶輥；2：上齒帶輥刮泥板；3：張緊輥；4：下齒帶輥刮泥板；5：下齒帶輥；6：齒帶；7：殘膜；8：土壤.

實際生產中，齒帶式殘膜撿拾機構與莖桿粉碎還田機構、集膜箱配合使用，組成殘膜回收與莖桿粉碎還田聯合作業(yè)機.殘膜撿拾機構位于秸稈粉碎部件后、集膜箱前，上部是秸稈輸送部件.作業(yè)時，拖拉機后輸出軸將動力傳給傳動系統.隨著機具的前進，棉稈被莖稈粉碎部件切碎后拋送至輸送帶，經殘膜撿拾機構上方輸送皮帶，拋落到機具后部的耕地表面.齒帶式殘膜撿拾機構按圖示υ0方向前進，上齒帶輥在傳動系統驅動下順時針傳動，固定在其上的皮帶輪在摩擦力作用下驅動齒帶運動，齒帶上的釘齒繞下齒帶輥中心線做一部分圓周運動，完成入土、出土、挑膜過程，被挑起的殘膜隨齒帶運動至上齒帶輥，在脫膜盤作用下與齒帶分離，轉過最高點后脫落至膜箱.殘膜撿拾機構作業(yè)時，下齒帶輥控制齒帶與地面距離，從而控制釘齒入土深度.

2 關鍵零部件設計與分析

2.1 作業(yè)條件

了解機具作業(yè)條件是進行研究設計工作的基礎，此機具針對新疆棉田鋪放農用薄膜設計.為了減輕殘膜污染，提高殘膜回收率，在《聚乙烯吹塑農用地面覆蓋薄膜》中規(guī)定，我國使用耐候性地膜厚度不得低于0.01 mm，且新疆棉花種植中，機具單個作業(yè)行程內，行間距為100 mm+660 mm+100 mm+660 mm+100 mm，使用農用地膜幅寬為2 050 mm，根據《地膜覆蓋機技術條件標準JB T 7732.1-1995》，膜邊覆土寬度為50～80 mm，深度高于250 mm.

1：殘膜；2：棉株；3：土壤.

2.2 撿拾釘齒設計

該機構就釘齒外形、釘齒排布參數、及固定釘齒的結構而言，不同于課題組設計的其它機具及相關已發(fā)表論文，是本文研究的重點內容.

2.2.1 撿拾釘齒外形尺寸 撿拾釘齒是殘膜撿拾機構中的重要零件，與殘膜撿拾機構的作業(yè)效果密切相關，其結構形狀和外形尺寸影響固定安裝方式、入土阻力和挑膜效果，其材料性能影響使用壽命.通過分析齒帶式殘膜撿拾機構的工作原理，可得撿拾釘齒應具有以下功能：挑膜功能，即釘齒由入土、出土后完成該動作；輔助輸膜功能，釘齒安裝于皮帶上，隨皮帶的運動支撐殘膜，并將殘膜輸送到指定位置.因此，設計釘齒時主要考慮以下因素：便于入土和脫膜，釘齒太尖容易刺穿和撕裂殘膜，將釘齒頂部設計為錐形，可以減小釘齒入土的阻力，易于脫膜.釘齒錐頂面直徑為4 mm，錐底面直徑12 mm，錐段長20 mm，釘齒有效作用總長度為50 mm，則圓柱段長度為30 mm；便于與皮帶安裝組合，釘齒尾部設計兩段小徑軸肩，首先便于墊片安裝定位，皮帶包圍段直徑為8 mm，參考選取皮帶厚度，該段長度為21 mm，為防止釘齒從皮帶中掙脫，影響機具作業(yè)效果，尾段軸肩長度為5 mm，留有余量采用鉚接工藝，用來增加強度，防止釘齒從皮帶中掙脫，影響機具作業(yè)效果.由45#鋼制作的零件表面堅硬、耐磨，心部強度高、韌性大，符合釘齒的使用特性.圖3為釘齒示意圖.

圖3 釘齒示意圖

2.2.2 撿拾釘齒排列方式 撿拾釘齒的排列方式與挑膜效果密切相關，為了保證釘齒撿拾殘膜的作業(yè)連續(xù)性，應滿足相鄰撿拾釘齒齒尖軌跡在土壤內有重疊部分.ω0為釘齒運動方向，釘齒運動軌跡如圖4所示.

根據釘齒由入土到出土齒尖劃過弧長，可以確定釘齒排布的間距，其計算公式如下：

(1)

式中，β為釘齒由入土到出土齒尖在土壤中劃過弧長，mm；σ為釘齒掃過角度，(°)；δ為皮帶厚度，mm；R為下齒帶輥半徑，mm；r為釘齒有效作業(yè)長度，mm.

齒尖在土壤中劃過長度隨釘齒入土深度增加而加長，為使布置釘齒間距適用于不同入土深度，以釘齒入土深度為30 mm時為研究對象，代入式(1)得齒尖劃過弧長約為193 mm.為確保殘膜撿拾的連續(xù)性，兩相鄰釘齒齒尖絕對軌跡位于土壤內部應有重疊部分，設重疊段弧長為M[20]，取M為9 mm.

單條皮帶上排布釘齒數目為：

(2)

式中，κ為單條皮帶上排布釘齒數目，個；Ld為所用皮帶基準帶長，mm.M為相鄰釘齒齒尖在土壤中劃過軌跡重疊部分弧長，mm.根據式(1)～(2)計算得釘齒排布間距為175 mm，單條皮帶上釘齒排布數目為18個.

1：下齒帶輥；2：齒帶；3：齒尖軌跡；4：土壤.

2.2.3 撿拾釘齒受力分析齒帶完成起膜及輸膜，釘齒的入土角度和入土深度影響殘膜的撿拾效果.對釘齒進行受力分析，確定釘齒在實際作業(yè)中受到的作用力，對釘齒的選形、選材具有重要意義.釘齒在入土時主要受到5個力的作用：釘齒自身的重力，機具前進引起的土壤對釘齒的水平向后的阻力，殘膜、土壤對釘齒的滑動摩擦力，土壤對釘齒的支持力，以及皮帶對釘齒的作用力.其受力分析如圖5所示.

圖5 釘齒受力分析圖

根據圖示分析，可以列力學平衡方程如下：

(3)

式中，f=μ(FN-F0)；其中f為釘齒所受殘膜、土壤對其的滑動摩擦力，N；Fn為土壤對釘齒的支持力，N；F0為皮帶對釘齒的作用力；F為由機具前進引起的土壤對釘齒的阻力，N；G為釘齒自身的重力，N.

對式(3)進行化解得公式如下：

(4)

θ為釘齒入土時，齒頂段切面與地面的夾角，該夾角與釘齒形狀及釘齒入土深度有關，隨釘齒入土深度的增大而減小.此外，由于皮帶容易產生彈性形變，也會對θ產生一定的影響.一般情況下，θ不超過90°，分析式(4)可知，當θ減小時，tanθ減小，等式左邊分母值增大，分子值減小，兩者比值增大，而釘齒自身重力G為固定值，故F即由機具前進造成土壤對釘齒的阻力增大.田間試驗時，釘齒入土深為30～50 mm，設計時，根據作圖法測量得θ的理論值為25.87°～37.42°.

田間作業(yè)時，皮帶對釘齒的作用力不是定值，與土壤等障礙物對釘齒的作用力有關.當土壤對釘齒的支持力小于皮帶對釘齒的作用力時，皮帶對釘齒的作用力會使皮帶上的安裝孔發(fā)生變形，當作用力大到一定程度時，會導致釘齒從安裝孔中脫落.

2.3 齒帶式殘膜撿拾部件

殘膜撿拾部件是殘膜回收機的核心部件，其作業(yè)性能好壞直接關系到整機的作業(yè)效果.齒帶式殘膜撿拾部件有諸多優(yōu)點：在工作中，單組或幾組齒帶遇到堅硬障礙物或土壤堅實度大，導致工作阻力過大時，齒帶和皮帶輪之間會產生打滑現象，起到有效保護釘齒等零部件的作用；齒帶在工作時處于張緊狀態(tài)，隨機具振動而產生跳動，在輸送殘膜過程中，使土塊、棉稈等雜物通過齒帶間隙掉落地面，實現膜雜初步分離處理；齒帶式撿拾部件結構簡單，投入成本低，可以單組更換，拆裝方便，可靠性高.

2.3.1 釘齒固定皮帶 皮帶是齒帶式撿拾機構的關鍵部件，主要起到固定釘齒和輸送殘膜的作用.其截面形狀影響釘齒的固定安裝方式和工作可靠性，材質影響整個撿拾機構的使用壽命，價格也是影響整機成本的重要因素.基于適合釘齒固定、節(jié)約成本、便于更換的目的，選用結構簡單，造價低的V帶.根據釘齒外形尺寸對固定安裝孔的形狀要求和強度要求，確定使用V帶中包布層采用兩層帆布的D帶.根據整機空間布局和上齒帶輥、下齒帶輥中心線距離，以及張緊輥的位置，通過計算，選擇型號為3150的D型帶.

2.3.2 齒帶布局設計 齒帶設計為平行陣列排列方式，其布局方式直接影響殘膜回收率，以及膜雜分離效果，而膜雜分離效果直接影響機具的卸膜頻率.根據新疆棉田棉行排布及地膜鋪放特點，設計齒帶布局幅寬為2100 mm.通過田間試驗測試皮帶間距與作業(yè)效果之間的關系，發(fā)現間距小于80 mm時，殘膜回收率較高，但機具工作阻力增加明顯，進入集膜箱中的土雜含量大幅增加，平均45 m需要停機卸膜1次，作業(yè)效率降低；間距大于100 mm時，殘膜回收率低于80%，窄行內殘膜殘留量增加，殘膜隨土雜穿過齒帶間隙掉落地面現象明顯；齒帶間距在80～90 mm之間時，撿拾機構對整膜、碎膜的撿拾，及土壤、棉稈等雜物的掉落符合使用要求.殘膜撿拾機構作業(yè)幅寬2 100 mm，皮帶間距及所需數目確定需滿足如下條件：

(5)

式中，L0為齒帶布局幅寬，mm；h為齒帶間距，mm；n0為所需齒帶數目，根.根據式(5)計算得齒帶間距為84 mm，所需齒帶數目為25根.齒帶布局如圖6所示.

圖6 齒帶布局示意圖

2.3.3 齒帶運動分析 研究齒帶運動線速度對于分析釘齒挑膜和殘膜輸送非常重要，當殘膜被釘齒挑起后，需提供足夠的向心力確保殘膜在輸送過程中不脫離齒帶.

(6)

(7)

式中，Fmax為殘膜所受指向上齒帶輥中心綜合作用力最大值，N；nmax為上齒帶輥最大轉速，r/min；r0為齒尖到上齒帶輥中心距離，mm.根據文獻[21]，Fmax取3 mg，帶入式(7)，計算并取整得nmax為840 r/min.

撿拾殘膜被輸送到指定位置要求機具前進速度與釘齒運動線速度相匹配，否則會出現2種情況：機具前進速度小于釘齒齒尖運動線速度時，起出的殘膜不能被即時輸送，造成壅土；反之，殘膜被過度拉伸，甚至導致殘膜斷裂.根據力學拉伸試驗所測，秋季殘膜平均斷裂伸長率為300%，根據文獻[22]列式(9)～(10)，綜上所述，機具前進速度與齒尖運動線速度應滿足如下關系：

v0≤v′≤3v

(8)

(9)

(10)

式中，v0為機具前進速度，km/h，v′為齒尖運動線速度，km/h；n1為上齒帶輥的轉速，r/min，n2為機具相對于地面轉速，取1，r′為殘膜距離齒根距離.聯立式(8)～(10)，n1得應處于70～211 r/min之間.

2.4 上齒帶輥

2.4.1 上齒帶輥結構 上齒帶輥主要由中心輥、皮帶輪和脫膜圓盤組成，圖7為其結構示意圖.皮帶輪和脫膜圓盤依次間隔、均勻排布，用螺栓固定在中心輥上，皮帶輪轉動與齒帶之間產生摩擦力驅動齒帶運動.

1：中心輥；2：皮帶輪；3：脫膜圓盤.

2.4.2 上齒帶輥作用 如圖8所示，殘膜和土雜隨齒帶向上運動到脫膜圓盤附近時，由于脫膜圓盤直徑大于釘齒軌跡圓弧段直徑，當殘膜到達A點(齒尖與脫膜圓盤外緣重合處)時，在脫膜圓盤支撐力的作用下，殘膜與釘齒開始分離，并繼續(xù)隨脫膜圓盤運動，當殘膜隨脫膜圓盤旋轉到達B點附近，在重力作用下落在輸膜皮帶上，被輸送至集膜箱.

1：殘膜；2：齒帶；3：皮帶輪；4：脫膜圓盤；5：輸膜輥；6：輸膜皮帶.

3 田間試驗

3.1 試驗條件

試驗時田間滴灌帶已收取，地面較為平整；棉稈未處理，由于在秋季進行試驗，棉稈含水率低，利于秸稈粉碎機作業(yè)；試驗田使用0.01 mm的耐候性地膜，在田間鋪放時間超過200 d，加之秋季放牧牲畜踩踏，導致殘膜表面破損較多，抽取滴灌帶作業(yè)進一步破壞了膜面的完整性，殘膜斷裂伸長率為300%.試驗配套拖拉機為福田雷沃904輪式拖拉機.試驗涉及的試驗器材主要有：50 m卷尺1副，精度為0.000 1 g的精密天平秤1臺，精度為0.01 s的秒表1個.

3.2 試驗指標

殘膜回收率，是評價殘膜撿拾機構工作效果的主要指標，為測試區(qū)間內齒帶式殘膜撿拾機構撿拾殘膜量與區(qū)域內地表殘膜總量的比值：

(11)

式中，ζ為殘膜回收率，%；W為作業(yè)后測試區(qū)地表殘膜質量，g；W0為作業(yè)前測試區(qū)地表殘膜總質量，g.

3.3 試驗方案

在作業(yè)過程中存在的影響殘膜回收效果的因素有很多，其中機具前進速度、上齒帶輥轉速影響殘膜被撿拾及輸送時的拉伸情況、釘齒入土深度影響機具抓地能力及殘膜距離齒根距離，這三個因素良好配合對機具工作效果具有重要意義.基于Box-benhnken中心組合試驗原理，設計三因素三水平試驗進行驗證.試驗測點共選取20個，樣機試驗方法及殘膜回收率的測定參考國家標準GBT 25412-2010.

3.4 試驗結果

圖9為安裝齒帶式殘膜撿拾機構的殘膜回收機田間試驗情況.試驗結果統計見表1.

圖9 田間試驗

根據試驗結果，應用Design-expert軟件，以機具前進速度、釘齒入土深度及上齒帶輥轉速為自變量建立回歸方程式，進行多元回歸擬合分析，結果如表2.

試驗模型方差分析表顯示，F1=17.55，P1<0.000 1，說明試驗結果與模型高度擬合，殘膜回收率的回歸方程如下：

(12)

利用Design-expert繪制三維響應曲面圖可以將機具前進速度、釘齒入土深度及上齒帶輥轉速與殘膜回收率之間的關系直觀地呈現出來，根據回歸方程式(12)，繪制各交互因素對殘膜回收率的響應曲面圖，如圖10-A～C.

表1 試驗結果表

表2 回歸模型方差分析表

圖10-A為上齒帶輥轉速為105 r/min時，機具前進速度與釘齒入土深度對殘膜回收率的交互響應曲面圖，由圖可知，取較小的釘齒入土深度及較大的機具前進速度值，有助于提高殘膜回收率.圖10-B為釘齒入土深度為40 mm時，上齒帶輥轉速與機具前進速度對殘膜回收率的交互響應曲面圖，由圖可知，隨上齒帶輥轉速的增加，殘膜回收率增幅明顯.圖10-C為機具前進速度為5.5 km/h時，上齒帶輥轉速與釘齒入土深度對殘膜回收率的交互響應曲面圖，由圖可知，隨上齒帶輥轉速增加，釘齒入土深度對殘膜回收率的影響減弱，上齒帶輥轉速的增加，有利于殘膜回收率的提高.

對比圖10-A～C，根據殘膜回收率響應值變化幅度得知，各因素對殘膜回收率影響顯著性次序為：上齒帶輥轉速>釘齒入土深度>機具前進速度.主要原因分析：上齒帶輥轉速較慢時，殘膜易從撿拾裝置與卸膜裝置的間隙中穿過，下落至地面；釘齒入土深度越深，越容易刺穿殘膜，脫膜難度增加，小塊殘膜漏脫的幾率增大；機具前進速度較快，皮帶容易出現打滑，釘齒與殘膜之間的相對速度增加，導致挑膜和輸膜不及時.

圖10 交互因素對殘膜回收率的影響

試驗過程中機具主要存在以下問題：該機構撿拾邊膜效果不穩(wěn)定，這是由于作業(yè)地塊土質變化引起的，在膠泥土區(qū)域，邊膜與膠泥土粘連，且邊膜抗拉強度較大，導致邊膜與膜面分裂而無法被收集；部分區(qū)間會出現殘膜被撕成小塊而撿拾效果不佳的現象，這是由于牲畜踩踏及破膜式抽取滴灌帶導致膜面破損嚴重，且部分被翻起掛在棉稈上，殘膜連同棉稈被莖稈粉碎機打碎并向后拋回地面造成的.

4 參數優(yōu)化與試驗驗證

為了研究機具能夠高質高效進行作業(yè)時的相關工作參數，利用Design-expert中的優(yōu)化模塊求解所得二元回歸方程，并根據所得最優(yōu)組合進行田間試驗驗證，為了避免試驗結果的偶然性，進行3次重復試驗，對試驗結果取平均值，優(yōu)化結果與田間試驗結果見表3.

表3 優(yōu)化結果與田間試驗結果

試驗結果表明，在機具前進速度為5.5 km/h，釘齒入土深度為30 mm，上齒帶輥轉速為100 r/min時，殘膜回收率可達90.3%，與優(yōu)化結果接近，表明所建模型準確性較高，殘膜回收率高于國家標準要求.

5 結論

1) 為探索皮帶應用于殘膜回收機撿拾機構的可能性，研究了一種齒帶式殘膜回收機撿拾機構.

2) 基于中心組合試驗原理，研究機具前進速度、釘齒入土深度及上齒帶輥轉速對殘膜回收率的影響，試驗結果表明，各因素對殘膜回收率影響的顯著性次序為：上齒帶輥轉速>釘齒入土深度>機具前進速度.

3) 利用Box-benheken中的優(yōu)化模塊對齒帶式殘膜回收機撿拾機構工作參數進行優(yōu)化，得出最優(yōu)組合為：機具前進速度為5.5 km/h，釘齒入土深度30 mm，上齒帶輥轉速100 r/min，該條件下，殘膜回收率可達90.3%.