李 強(qiáng)， 趙武云， 王久鑫， 王天福

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

地膜覆蓋技術(shù)于20世紀(jì)70年代引入我國，因其具有顯著的高效增溫、抑制雜草、提高種植產(chǎn)量等作用，給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來極大的利益，被稱為農(nóng)業(yè)中的“白色革命”。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，我國農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平不斷提高，農(nóng)業(yè)產(chǎn)值逐年上升，地膜的使用量也在逐年增加[1-2]。玉米全膜雙壟溝播種技術(shù)因其具有壟溝集雨、壟溝種植等優(yōu)點(diǎn)，在甘肅省旱作農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用[3-5]。由于重使用，輕回收，土壤中地膜殘留問題日趨嚴(yán)重，殘留在土壤中的地膜會(huì)破壞土壤耕層結(jié)構(gòu)，使土壤板結(jié)，嚴(yán)重影響種子發(fā)芽、生長。我省使用地膜厚度約為0.008～0.01 mm，秋收后抗拉強(qiáng)度相對(duì)較差，其次玉米根茬的初生根及次生根扎入地表后在生長過程中長出氣生根，氣生根從地面上方呈傘型從地膜上穿過扎入土壤，將地膜緊密包裹，導(dǎo)致作業(yè)機(jī)具在殘膜回收過程中出現(xiàn)玉米根茬易被挑起、膜雜分離難等問題。殘膜回收率較低，殘膜在土壤中的累積日趨嚴(yán)重，已影響到我國農(nóng)業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展[6-8]。

殘膜機(jī)械化回收是解決殘膜污染的有效途徑，近年來我國多名學(xué)者研究了各種殘膜回收機(jī)，殘膜回收技術(shù)取得了顯著進(jìn)步。趙武云[9]等設(shè)計(jì)玉米全膜雙壟溝殘膜回收機(jī)，通過仿形起膜鏟起膜、偏心伸縮桿齒來實(shí)現(xiàn)挑膜和收膜，但存在偏心伸縮桿齒挑膜滾筒偏心軸易彎曲變形，作業(yè)效率低、根茬易被挑起等問題。郭文松[10]等設(shè)計(jì)了梳齒起膜氣力脫膜式耕層殘膜回收機(jī)，其中采用氣吸式殘膜回收方法，能很好地實(shí)現(xiàn)膜雜分離，但殘膜回收作業(yè)中會(huì)帶來大量塵土，污染環(huán)境。針對(duì)上述存在的問題及全膜雙壟溝種植的農(nóng)藝要求，本文設(shè)計(jì)了一種偏心伸縮桿齒挑膜滾筒卷捆自卸式殘膜回收機(jī)，通過田間試驗(yàn)確定機(jī)具最佳工作參數(shù)，為殘膜回收機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論和技術(shù)支撐。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)和主要技術(shù)參數(shù)

該機(jī)具主要由三點(diǎn)懸掛架、減速器、機(jī)架、傳動(dòng)裝置、起膜裝置、輸膜裝置及地膜回收裝置等部件組成，整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中起膜裝置由邊膜鏟和偏心伸縮桿齒挑膜滾筒組成；輸膜裝置主要由升運(yùn)鏈等部件組成；地膜回收裝置主要由卷膜輥、集膜箱等部件組成。作業(yè)參數(shù)見表1。

表1 作業(yè)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

1.2 工作原理

如圖1所示，機(jī)具通過三點(diǎn)懸掛裝置與拖拉機(jī)相連，拖拉機(jī)前進(jìn)時(shí)，動(dòng)力由后輸出軸經(jīng)減速器和鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)傳遞至工作機(jī)構(gòu)，地輪橫跨在大壟膜接茬處，首先邊膜鏟將覆土帶的邊膜刮起，偏心伸縮桿齒扎入土壤表層，挑起地膜，伸縮桿齒隨著滾筒的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)至最高點(diǎn)后縮回滾筒內(nèi)，殘膜與伸縮桿齒分離，殘膜在慣性力的作用下，掉入升運(yùn)鏈上方，升運(yùn)鏈不斷旋轉(zhuǎn)、上升和抖動(dòng)，實(shí)現(xiàn)升運(yùn)鏈上的膜雜混合物初步分離和殘膜輸送，殘膜在升運(yùn)鏈最高處掉落到集膜箱中，集膜箱中的卷膜輥不斷旋轉(zhuǎn)，進(jìn)一步完成膜雜的分離和殘膜的壓縮、打捆，當(dāng)集膜箱裝滿殘膜時(shí)，操縱液壓缸使集膜箱旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)卸膜。

圖1 殘膜回收機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖1.邊膜鏟；2.三點(diǎn)懸掛架；3.減速器；4.偏心伸縮桿齒挑膜滾筒；5.升運(yùn)鏈；6.地輪；7.卷膜輥；8.張緊裝置；9.液壓缸；10.集膜箱

2 關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)與分析

2.1 偏心伸縮桿齒挑膜滾筒的設(shè)計(jì)與分析

偏心伸縮桿齒挑膜滾筒是殘膜撿拾機(jī)的關(guān)鍵部件，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。偏心伸縮桿齒挑膜滾筒半徑為300 mm，偏心導(dǎo)軌與滾筒中心的偏心距e為35 mm，與水平方向夾角為40°。圓周方向有6個(gè)伸縮桿齒，軸線方向上有6排桿齒。偏心導(dǎo)軌固定在機(jī)架上，連接臂與滾筒固連，中心軸與連接臂固連，連桿與連接軸鉸接，連桿與伸縮桿齒通過桿齒固定軸固接，桿齒固定軸鑲嵌在偏心導(dǎo)軌槽內(nèi)。機(jī)具作業(yè)時(shí)，拖拉機(jī)動(dòng)力經(jīng)減速器通過鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)傳遞給中心軸，中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)滾筒旋轉(zhuǎn)，通過連桿的作用，桿齒固定軸沿著偏心導(dǎo)軌順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)伸縮桿齒運(yùn)動(dòng)到滾筒最下端時(shí)，伸縮桿齒伸出最長，伸縮桿齒扎入地表挑起殘膜，當(dāng)伸縮桿齒運(yùn)動(dòng)到滾筒最上端時(shí)，伸縮桿齒完全縮回滾筒內(nèi)，殘膜與桿齒分離，隨著滾筒的繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，殘膜在慣性力的作用下掉落到輸膜裝置上，完成挑膜作業(yè)，避免玉米根茬被挑起，桿齒固定軸在一定程度上解決了以往偏心伸縮桿齒挑膜滾筒的偏心軸易彎曲現(xiàn)象[11-13]。

圖2 偏心伸縮桿齒挑膜滾筒結(jié)構(gòu)示意圖1.滾筒；2.中心軸；3.伸縮桿齒；4.偏心導(dǎo)軌；5.連接臂；6.桿齒固定軸；7.連接軸；8.連桿

偏心伸縮桿齒挑膜滾筒的運(yùn)動(dòng)是其繞中心軸圓周運(yùn)動(dòng)和機(jī)具前進(jìn)運(yùn)動(dòng)的合成運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)軌跡為余擺線，挑膜效果的好壞主要取決于挑膜速比λ，對(duì)其進(jìn)行理論分析，挑膜速比滿足下式：

(1)

va=ωr

(2)

式中：va為偏心伸縮桿齒挑膜滾筒線速度，m/s；vm為機(jī)具前進(jìn)速度，m/s；ω為偏心伸縮桿齒挑膜滾筒角速度，rad/s；r為偏心伸縮桿齒挑膜滾筒半徑，m。

根據(jù)上述關(guān)系，設(shè)定機(jī)具前進(jìn)速度為1.3 m/s，偏心伸縮桿齒挑膜滾筒圓周線速度分別為1.3 m/s、1.9 m/s、2.6 m/s時(shí)，利用Adams軟件對(duì)挑膜裝置進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析，得到不同挑膜速比時(shí)伸縮桿齒尖端的運(yùn)動(dòng)軌跡，如圖3所示。

圖3 伸縮桿齒運(yùn)動(dòng)軌跡圖

經(jīng)分析可知：當(dāng)λ小于1時(shí)，伸縮桿齒運(yùn)動(dòng)軌跡為短幅擺線，伸縮桿齒不能及時(shí)將殘膜挑起，有漏膜現(xiàn)象。當(dāng)λ大于1時(shí)，伸縮桿齒運(yùn)動(dòng)軌跡為長幅擺線，隨著λ不斷增大，伸縮桿齒挑膜次數(shù)增加。當(dāng)機(jī)具前進(jìn)速度一定時(shí)，增大λ值，要么提高偏心伸縮桿齒挑膜滾筒轉(zhuǎn)速ω，要么增大偏心伸縮桿齒挑膜滾筒半徑r。若r過大，則偏心伸縮桿齒挑膜滾筒占用空間大，挑膜行程變長，容易出現(xiàn)漏膜現(xiàn)象。若ω過大，則偏心伸縮桿齒挑膜滾筒轉(zhuǎn)速過快，易使殘膜過度破碎。經(jīng)分析，λ值應(yīng)取1.2～1.8，即機(jī)具前進(jìn)速度為1.3 m/s時(shí)，滾筒轉(zhuǎn)速為50～75 r/min。

2.2 輸膜裝置的設(shè)計(jì)與分析

輸膜裝置主要由驅(qū)動(dòng)輪、升運(yùn)鏈、抖動(dòng)輪、釘齒、側(cè)板等組成，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。升運(yùn)鏈上每根柵條上分布著8個(gè)釘齒，釘齒保證殘膜輸送過程中不會(huì)脫落；抖動(dòng)輪形狀為橢圓形，與升運(yùn)鏈相互作用使升運(yùn)鏈產(chǎn)生一定幅值的振動(dòng)。殘膜具有質(zhì)量輕的特點(diǎn)，當(dāng)升運(yùn)鏈旋轉(zhuǎn)時(shí)，殘膜混雜物從偏心伸縮桿齒挑膜滾筒掉落至升運(yùn)鏈上，在釘齒的輔助下向上輸送，升運(yùn)鏈快速抖動(dòng)[15-16]，將殘膜上的土塊、秸稈等雜質(zhì)進(jìn)行二次分離，殘膜隨著升運(yùn)鏈運(yùn)動(dòng)到達(dá)最高處，落入集膜箱中，完成輸膜任務(wù)。

圖4 輸送裝置結(jié)構(gòu)示意圖1.驅(qū)動(dòng)輪；2.升運(yùn)鏈；3.抖動(dòng)輪；4.釘齒；5.側(cè)板

為使殘膜上的土塊、秸稈等雜質(zhì)及時(shí)抖落，應(yīng)在輸送裝置上安裝被動(dòng)式抖動(dòng)輪，提高升運(yùn)鏈振動(dòng)頻率。被動(dòng)式抖動(dòng)輪在工作時(shí)由升運(yùn)鏈運(yùn)動(dòng)而帶動(dòng)，其形狀主要有橢圓、雙頭和三頭三種，因橢圓抖動(dòng)輪對(duì)升運(yùn)鏈沖擊力較小，可以滿足機(jī)具正常工作要求，因此本文采用橢圓型抖動(dòng)輪。

抖動(dòng)輪轉(zhuǎn)速、周長與升運(yùn)鏈線速度關(guān)系[14]如下：

(3)

(4)

(5)

(6)

f=Zn

(7)

式中：R為抖動(dòng)輪大節(jié)圓半徑，mm；r為抖動(dòng)輪小節(jié)圓半徑，mm；n為抖動(dòng)輪轉(zhuǎn)速，r/s；v為升運(yùn)鏈線速度，m/s；L為抖動(dòng)輪周長，m；f為抖動(dòng)輪抖動(dòng)頻率，Hz。

查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，抖動(dòng)輪選取MS-2型號(hào)，其大節(jié)圓半徑為75 mm，小節(jié)圓半徑為59 mm，抖動(dòng)輪周長為0.394 m，通過式(3)計(jì)算得出升運(yùn)鏈最低線速度為1.14 m/s。抖動(dòng)輪抖動(dòng)頻率不應(yīng)過大，過大會(huì)使升運(yùn)鏈急劇抖動(dòng)，縮短機(jī)具壽命，也不應(yīng)過小，過小不能使殘膜上的土塊、秸稈等雜質(zhì)及時(shí)抖落，影響殘膜的含雜率。綜合分析，抖動(dòng)輪抖動(dòng)頻率取9 Hz，由上式計(jì)算得出抖動(dòng)輪轉(zhuǎn)速為4.5 r/s，升運(yùn)鏈線速度為1.8 m/s。

圖5 膜雜分離示意圖

對(duì)殘膜混雜物在輸送過程時(shí)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，如圖5所示，以o點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，平行于地面為橫坐標(biāo)軸x，豎直方向?yàn)榭v坐標(biāo)軸y，建立直角坐標(biāo)系xoy。為滿足雜質(zhì)能及時(shí)從升運(yùn)鏈落下，雜質(zhì)在水平方向的速度必須小于機(jī)具前進(jìn)速度，所以：

vcosδ-v0<0

(8)

式中：v為升運(yùn)鏈線速度，m/s；δ為升運(yùn)鏈與水平方向夾角，°；v0——機(jī)具前進(jìn)速度，m/s。

由前面分析計(jì)算可知機(jī)具前進(jìn)速度為1.3 m/s，升運(yùn)鏈線速度為1.8 m/s，殘膜混雜物隨升運(yùn)鏈上升過程中，殘膜混雜物上升速度視為升運(yùn)鏈線速度，計(jì)算可知，升運(yùn)鏈與水平方向夾角δ須大于43.9°，綜合分析，本文δ取45°。

2.3 卷膜裝置的設(shè)計(jì)與分析

卷膜裝置位于殘膜回收機(jī)后方，主要由卷膜輥、側(cè)板、側(cè)板連接桿、鏈輪、鏈條等組成，其機(jī)構(gòu)示意圖如圖6。其中，卷膜輥共11個(gè)，卷膜輥采用圓形轉(zhuǎn)輥，每根圓形轉(zhuǎn)輥外表面在軸線方向上安裝四條角鋼，增加地膜與卷輥的摩擦力，體積較小，結(jié)構(gòu)簡單，卷膜輥外圓直徑為130 mm，卷膜輥通過PF206軸承與側(cè)板固定。卷膜輥通過鏈傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)同向旋轉(zhuǎn)。工作過程中，二次分離后的殘膜從輸送裝置落入集膜箱中，卷膜輥旋轉(zhuǎn)將殘膜進(jìn)行打捆，少量的土塊等雜物從卷膜輥縫隙中掉落，進(jìn)一步完成膜雜分離。打捆過程中，殘膜不與卷膜輥發(fā)生纏繞，殘膜在集膜箱中不斷旋轉(zhuǎn)形成較緊實(shí)的膜捆，當(dāng)殘膜體積達(dá)到集膜箱容積時(shí)，操作多路閥使液壓缸外伸實(shí)現(xiàn)集膜箱旋轉(zhuǎn)，進(jìn)行卸膜[17-18]。

圖6 集膜箱結(jié)構(gòu)示意圖1.卷膜輥；2.側(cè)板連接桿；3.側(cè)板；4.張緊裝置；5.鏈條；6.鏈輪

由于殘膜質(zhì)量較輕、比較薄，在集膜箱打包的作業(yè)過程中，殘膜會(huì)落入集膜箱底部，并在此堆積。卷膜輥之間有一定間距，殘膜上的雜質(zhì)會(huì)隨著卷膜輥的旋轉(zhuǎn)從縫隙漏下。假設(shè)堆積殘膜為圓柱形，且在打包過程中殘膜保持在最底部，則殘膜圓捆在集膜箱底部受力分析如圖7所示。

對(duì)殘膜捆進(jìn)行靜力學(xué)分析，在水平和垂直方向的受力情況可用下式表示：

f1cosβ+N2sinα+f2cosα=N1sinβ

(9)

圖7 殘膜在集膜箱底部受力圖 注：N1為左側(cè)卷膜輥對(duì)殘膜的支持力，N；N2為右側(cè)卷膜輥對(duì)殘膜的支持力，N；f1為左側(cè)卷膜輥與殘膜間的摩擦力，N；f2為右側(cè)卷膜輥與殘膜間的摩擦力，N；α為右側(cè)卷膜輥支持力與豎直方向的夾角，°；β為左側(cè)卷膜輥支持力與豎直方向的夾角，°；G為殘膜捆的重力，N；ω為卷膜輥角速度，rad/s，運(yùn)動(dòng)方向如箭頭所示。ωt為殘膜旋轉(zhuǎn)角速度，rad/s，運(yùn)動(dòng)方向如箭頭所示。L為卷膜輥中心距距離，m。

N2sinα+N1sinβ+f1sinβ=G+f2sinα

(10)

f1=μN(yùn)1

(11)

f2=μN(yùn)2

(12)

由上式可得集膜箱內(nèi)部卷膜輥對(duì)殘膜的支持力分別為：

(13)

(14)

則殘膜所受的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩可用下式表達(dá)：

M=(f1+f2)r

(15)

式中：M為殘膜受到轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，N/m；r為殘膜中心至卷膜輥的距離，m。

將(13)和(14)式帶入(15)式得：

(16)

由上述分析可知，殘膜受到的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩越來越大，則集膜箱底部殘膜越容易轉(zhuǎn)動(dòng)形成殘膜捆。由式(16)可知，殘膜所受轉(zhuǎn)動(dòng)力矩M與右側(cè)卷膜輥支持力與豎直方向的夾角α、左側(cè)卷膜輥支持力與豎直方向的夾角β、卷膜輥與殘膜摩擦系數(shù)μ有關(guān)。通過對(duì)其求導(dǎo)分析，其它參數(shù)一定時(shí)，力矩隨夾角α和β值的減小而增大。因此，增大卷膜捆的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，要減小α和β值，可以通過減小卷膜輥二者之間中心距L來實(shí)現(xiàn)，又因卷膜輥直徑為130 mm，同時(shí)要求卷膜輥之間有一定的間隙使集膜箱中的土塊等雜質(zhì)能順利落下，綜合分析卷膜輥中心距為150 mm。當(dāng)夾角α和β為定值時(shí)，通過對(duì)式(16)進(jìn)一步分析可知，轉(zhuǎn)動(dòng)力矩M隨摩擦系數(shù)μ值增大而增大，故可改變卷膜輥與殘膜間的摩擦系數(shù)來增大轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，因此，外表面在軸線方向上安裝四條角鋼，增大摩擦力。

3 田間試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

為了檢驗(yàn)殘膜回收機(jī)的穩(wěn)定性，以及機(jī)具前進(jìn)速度、偏心伸縮桿齒挑膜滾筒轉(zhuǎn)速、升運(yùn)鏈線速度等運(yùn)動(dòng)參數(shù)對(duì)殘膜回收效果的影響，通過田間試驗(yàn)分析，確定出最佳運(yùn)動(dòng)參數(shù)組合，提高殘膜拾凈率，降低含雜率。

3.2 試驗(yàn)條件及方法

2021年10月，在甘肅省定西市安定區(qū)李家堡鎮(zhèn)進(jìn)行殘膜回收機(jī)田間作業(yè)性能試驗(yàn)，如圖8所示。試驗(yàn)田地為旱地，為全膜雙壟溝播玉米秋收地，土壤為黃綿土，含水率約為15.4%～19.2%，土壤堅(jiān)實(shí)度為18.4 kPa，地膜厚度為0.01 mm，寬度為1 200 mm。試驗(yàn)參考《GB/T 25412-2010殘地膜回收機(jī)》規(guī)定進(jìn)行，試驗(yàn)玉米已收獲完成，地面相對(duì)平整，地面含有少量秸稈，秸稈留茬高度為50～100 mm，試驗(yàn)時(shí)，作業(yè)速度為4～6 km/h，偏心伸縮桿齒挑膜滾筒轉(zhuǎn)速為60 r/min。試驗(yàn)地隨機(jī)選取100 m長的壟斷地膜，在每塊試驗(yàn)地上先進(jìn)行殘膜回收機(jī)作業(yè)，作業(yè)結(jié)束后，將集膜箱內(nèi)的殘地膜卸下，分離殘地膜與雜質(zhì)，再由人工撿拾將試驗(yàn)區(qū)地表殘留地膜進(jìn)行回收，用電子秤分別測(cè)出回收殘地膜、未回收殘地膜和雜質(zhì)的質(zhì)量，分別計(jì)算出殘膜拾凈率、含雜率[19]。計(jì)算公式如下：

(17)

(18)

式中：N1為殘膜拾凈率，%；N2為殘膜含雜率，%；w1為測(cè)區(qū)內(nèi)殘膜回收機(jī)撿拾地膜質(zhì)量，g；w2為測(cè)區(qū)內(nèi)地表殘留地膜質(zhì)量，g；w3為測(cè)區(qū)內(nèi)殘膜回收機(jī)撿拾地膜中雜質(zhì)質(zhì)量，g。

圖8 殘膜回收作業(yè)性能試驗(yàn)

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

該機(jī)具在田間重復(fù)進(jìn)行6次實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)論

(1)針對(duì)現(xiàn)存殘膜回收所存在的問題，設(shè)計(jì)了一種新型偏心伸縮桿齒挑膜滾筒卷捆自卸式殘膜回收機(jī)，并對(duì)該機(jī)具各裝置進(jìn)行理論分析，且通過田間試驗(yàn)驗(yàn)證了該機(jī)具的可靠性。

(2)運(yùn)用Adams軟件對(duì)偏心伸縮桿齒挑膜滾筒進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，最終確定機(jī)具前進(jìn)速度4.6 km/h和偏心滾筒轉(zhuǎn)速范圍50～75 r/min為最佳參數(shù)。對(duì)輸送裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)和改進(jìn)，通過動(dòng)力學(xué)分析，確定抖動(dòng)輪振動(dòng)頻率9 Hz、升運(yùn)鏈與水平面夾角45°、升運(yùn)鏈線速度6.5 km/h等參數(shù)，解決膜雜難分離問題，降低殘膜回收機(jī)的含雜率。對(duì)卷膜輥和殘膜作用力進(jìn)行靜力學(xué)分析，通過改變卷膜輥中心距及卷膜輥外表面摩擦因數(shù)，提高卷膜效率。

(3)通過田間試驗(yàn)，結(jié)果表明：該殘膜回收機(jī)殘膜拾凈率為90.1%，含雜率為9.3%，符合國家標(biāo)準(zhǔn)。