劉穎燦，魏遠俊，錢興桂，郭俊先，艾力·哈斯木，謝建華

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學機電工程學院，新疆 烏魯木齊 830052；2.沙雅缽施然智能農(nóng)機有限公司，新疆 沙雅 842200)

地膜覆蓋技術具有防治雜草、保質(zhì)增產(chǎn)等作用，已廣泛應用在多種農(nóng)作物中[1-2]。目前國內(nèi)大部分使用的是非標地膜，主要由聚乙烯、聚氯乙烯組成，地膜的長期使用和累積，造成了田間“白色污染”，殘膜長期混合在土壤中，難以分解，容易導致土壤板結，阻礙農(nóng)作物與土壤層間的水分交換，嚴重影響農(nóng)作物生長，給我國農(nóng)業(yè)經(jīng)濟造成很大的損失[3-6]。

目前，機械回收技術是治理殘膜污染的主要手段。為解決殘膜污染問題，國內(nèi)學者已研究出多種類型的殘膜回收機，有卷收式、彈齒式、伸縮桿齒式、氣吸式、夾持式等機具[7-11]，這些機具主要由收膜裝置、脫膜裝置、集膜裝置等部分組成，多針對于秋后殘膜回收。近年來殘膜回收機不再作為單一的回收殘膜裝置，開始多樣化，為提高田間工作效率，研究人員將秸稈粉碎裝置與殘膜回收裝置組合，如石河子大學機械電氣工程學院研制的SMS-1500型棉稈粉碎與殘膜回收機[12]，石河子大學和新疆農(nóng)墾科學院等聯(lián)合研制的4JSM系列的棉稈還田及殘膜回收聯(lián)合作業(yè)機[13-14]、CMJY-1500 型農(nóng)田殘膜撿拾打包聯(lián)合作業(yè)機[15]，山東省農(nóng)業(yè)機械科學研究院研制的氣吸式殘膜回收除雜一體機[16]等。但現(xiàn)有部分機型在殘膜回收過程中存在膜雜率高、可靠性差等問題[17]。

本文設計一種秸稈還田殘膜回收一體機，可一次性完成秸稈粉碎、秸稈還田、殘膜撿拾、膜雜分離等作業(yè)。秸稈粉碎機構與絞籠機構配合實現(xiàn)秸稈粉碎還田，撿膜機構與脫膜機構中增加防纏膜圓板降低了作業(yè)時的膜纏繞，脫膜機構利用風力把殘膜吹入膜箱內(nèi)，提高了膜雜分離的效果，大容量膜箱采用液壓系統(tǒng)卸膜，卸膜后膜蓋自動閉合，實現(xiàn)快速卸膜，提高了田間工作效率。

1 整機結構與工作原理

1.1 整機結構及主要技術參數(shù)

秸稈還田殘膜回收一體機主要由牽引機構、輸出軸、帶傳動機構、秸稈粉碎機構、絞籠機構、機架、撿膜機構、脫膜機構、集膜箱、行走輪等組成。其整機結構如圖1所示，主要技術參數(shù)如表1所示。

1.牽引機構;2.輸出軸;3.帶傳動機構;4.秸稈粉碎機構;5.絞籠機構;6.機架;7.撿膜機構;8.脫膜機構;9.集膜箱;10.行走輪1. Traction mechanism; 2. The output shaft; 3. Belt drive mechanism; 4. Straw crushing mechanism; 5. Grinding cage mechanism 6. Frame; 7. Film pickup mechanism; 8. Stripping mechanism; 9. Film collecting box; 10. Walking Wheel 圖1 秸稈還田殘膜回收一體機整機結構Fig.1 The whole structure of the machine for recycling straw and film residue in field

表1 機具的主要技術參數(shù)Table 1 Main parameters of machine tool

1.2 工作原理

機具田間工作時可完成秸稈粉碎與排放、收膜與脫膜、集膜等工作。由拖拉機輸出軸提供動力，采用三點懸掛方式，通過秸稈粉碎機構上的甩刀對田間棉稈進行粉碎，再經(jīng)絞籠機構將粉碎的棉稈輸送至田間兩側溝壑，撿膜機構采用彈齒對殘膜進行挑起并輸送至脫膜機構處，耙齒對未挑起的殘膜進行二次回收，脫膜板將輸送的殘膜刮脫至集膜箱內(nèi)[18-21]。殘膜在集膜箱內(nèi)達到一定的容量時，液壓系統(tǒng)使集膜箱旋轉一定角度，掛鉤由重力自動松開，殘膜混合物自動脫落并聚集成堆，完成整個過程的田間作業(yè)。

2 關鍵部件的設計與分析

2.1 秸稈粉碎還田機構的設計

秸稈粉碎與絞籠機構是秸稈還田殘膜回收一體機秸稈粉碎、集放的關鍵零部件，也直接關系到殘膜回收、膜雜分離的田間作業(yè)質(zhì)量。秸稈粉碎還田機構主要由牽引架、導向輪、防護板、液壓管支架、傳動帶、左右甩刀、刀軸、封板和絞籠等部件組成。左右甩刀用螺栓連接固定到甩刀刀座上，刀座沿圓周螺旋方向?qū)ΨQ固定在刀軸上，田間作業(yè)時，由輸出軸傳遞動力，齒輪分動箱經(jīng)皮帶傳動帶動秸稈粉碎刀軸轉動。其結構示意圖如圖2所示。

1.牽引架;2.液壓管支架;3.導向輪;4.甩刀滾筒;5.帶輪;6.絞籠;7.防護板1.Traction frame; 2. Hydraulic pipe support; 3. Guide wheel; 4. Flailing roller; 5. Pulley; 6. Winch cage; 7. Fenders圖2 秸稈粉碎還田機構Fig.2 Structure of straw returning device

2.1.1 秸稈粉碎刀軸的設計 刀軸焊接到兩軸端螺栓連接到機架兩側板上，為使粉碎的秸稈更好地集放到田間，粉碎刀軸反轉運轉。秸稈粉碎機構切碎秸稈的方式為無支撐切割，對甩刀刀尖的線速度有著較高要求，為保證秸稈粉碎的質(zhì)量，甩刀刀尖的線速度應大于30 m·s-1[22-23]。在刀軸回轉半徑一定時，可改變轉速對甩刀刀尖線速度進行控制。但刀軸轉速不應過高，否則會提高整機在田間作業(yè)時的振動，降低機具的使用壽命。根據(jù)國內(nèi)對秸稈粉碎機構的研究，確定粉碎刀軸的回轉半徑為277 mm，刀軸總長為2 190 mm，壁厚為16 mm，粉碎刀軸采用冷拔工藝加工而成。

2.1.2 刀具選型與運動分析 (1)刀具選型。在秸稈粉碎機構中常見的刀具有錘爪型粉碎刀、甩刀型粉碎刀、直刀型粉碎刀這3種。選取甩刀型粉碎刀作為秸稈粉碎刀具，該刀具作業(yè)時高速旋轉，沖擊并切斷秸稈，粉碎效率高；且能適應不同的秸稈類型，撿拾秸稈能力較強，與其他刀型相比，此刀型體積及所受阻力小，消耗的功率較小。左右刀片螺栓連接固定在刀座上，為防止在田間作業(yè)時甩刀軸向竄動，甩刀與刀座安裝有軸套，保證甩刀有效地切碎秸稈。

(2)甩刀粉碎作業(yè)運動分析。甩刀粉碎作業(yè)時，粉碎刀軸的線速度與機具前進的速度相反，而甩刀刀尖的絕對速度va由機具前進速度ve與粉碎刀軸的線速度vs矢量所合成，故運動學方程為：

va=ve+vs

(1)

以刀軸回轉中心O為原點、機具前進正方向為x軸正方向、垂直地面向上為y軸正方向，建立平面直角坐標系，其運動軌跡示意圖如圖3所示。

圖3中M為秸稈粉碎后的高度(mm)，對于任意位置B(x，y)在時間t(s)內(nèi)的

(2)

式中，R為粉碎刀軸的回轉半徑(mm)，w為粉碎刀軸旋轉角速度(rad·s-1)。

試驗機具的前進速度為ve(m·s-1)，則甩刀回轉一周的前進的距離s(cm)，也即是圖3中CD之間的距離，進距s決定秸稈粉碎的效果，而進距s與機具在時間t內(nèi)行駛的距離有關。即進距s表達式為：

圖3 粉碎刀軸運動軌跡示意圖Fig.3 Sketch map of movement track of crushing cutter shaft

(3)

引用甩刀切碎莖稈速比λ，即甩刀刀端的線速度與機具前進速度之比，得表達式為：

(4)

根據(jù)運動軌跡方程可知，甩刀作業(yè)時運動過程為擺線。現(xiàn)以粉碎刀軸轉速為2 400 r·min-1，機具行駛速度為7 km·h-1，經(jīng)計算甩刀線速度為69.58 m·s-1，滿足甩刀刀尖的線速度應大于30 m·s-1的要求。λ應≥1，有重復切割部分，秸稈得到充分的粉碎，甩刀旋轉到最高點時，甩刀的線速度與機具前進速度相反，便于打碎的秸稈直接甩送到螺旋絞籠殼中，否則，秸稈會出現(xiàn)漏切現(xiàn)象，不利于殘膜的撿拾。

2.1.3 甩刀在粉碎刀軸的排列 甩刀的數(shù)量和排列方式直接決定著秸稈粉碎效果、整機固有頻率及膜雜分離效果等[23-24]。Y型甩刀以螺旋線的排列方式固接在刀軸上，參考《農(nóng)業(yè)機械設計手冊》可知，Y型甩刀的排列密度一般為0.023～0.040片·mm-1[25]。根據(jù)作業(yè)幅寬及種植模式的要求，最終確定刀座總數(shù)為36個，相鄰2個刀座之間的軸向距離為128 mm，位于同一條螺旋線上的相鄰刀座的徑向夾角為53°，其甩刀安裝平面展開圖如圖4。田間作業(yè)時，至少有2把甩刀同時作業(yè)，以降低工作阻力，提高甩刀的使用次數(shù)。

圖4 甩刀安裝平面展開圖Fig.4 Flail knife installation plan expansion drawing

2.1.4 絞籠機構設計 秸稈粉碎還田機構是秸稈還田殘膜回收一體機重要組成部分之一，主要作用是粉碎秸稈并將其拋扔到秸稈粉碎機構兩側，秸稈還田機構主要由絞籠軸、左右旋葉片、絞籠殼體等部件組成，采用臥式螺旋輸送結構。輸送裝置的結構尺寸和參數(shù)影響秸稈粉碎裝置的工作狀況，絞籠輸送秸稈時其排出量應大于落入殼內(nèi)的粉碎秸稈量，才能保證絞籠腔內(nèi)不因秸稈量過多而堵塞[26-27]。根據(jù)秸稈長度及粉碎排放量并經(jīng)前期試驗測試，確定螺旋葉片直徑為290 mm，螺距為232 mm，螺旋葉片厚度為2.8 mm，絞籠軸轉速確定為1 500 r·min-1。

2.2 殘膜回收機構設計

2.2.1 撿膜機構 根據(jù)棉花的種植模式及田間殘膜特征，拾膜機構采用彈齒式撿拾田間殘膜。拾膜機構主要由防纏膜圓板、撿膜齒、撿膜齒軸、凸輪軌道、撿膜滾筒等部件組成。撿膜齒固接在撿膜齒軸上，撿膜齒軸圓周均勻分布在撿膜滾筒，撿膜齒軸用帶座軸承固接在兩側防護板上，撿膜齒軸與連桿軸承固接，軸承在軌道內(nèi)滾動。田間工作時，在撿膜齒軸、撿膜滾筒、滾子、凸輪軌道的共同作用下，撿膜齒通過改變齒的傾角，穿透殘膜并扎入土壤中；挑起殘膜出土時，撿膜軸隨著滾子在凸輪軌道中的運動，撿膜齒改變傾角，將挑起的殘膜送至脫膜機構。撿膜滾筒的回轉半徑為245 mm，繞軸均勻安裝6組撿膜齒。撿膜機構的結構示意圖如圖5。

1.撿膜滾筒軸； 2. 撿膜齒軸 ；3. 彈簧齒； 4. 撿膜滾筒； 5. 防纏膜圓板1. Pick up membrane drum shaft；2. Pick up membrane gear shaft；3. Spring tooth；4. Pick up film roller；5. Anti-wrapping film round plate圖5 撿膜機構Fig.5 Membrane collecting mechanism

當彈簧齒撿膜入土時，殘膜受力情況及彈簧齒運動軌跡如圖6所示。設彈簧齒撿膜入土角度為α，即切向力Ft與殘膜重力G之間的夾角。

圖6 殘膜受力分析及齒尖運動軌跡Fig.6 Force analysis of remnant film and tooth tip movement track

(5)

(6)

式中，G1為重力沿彈簧齒桿方向的切向分力(N)；G2為重力沿彈簧齒方向的法向分力(N)；Fi為殘膜所受的慣性力(N)；Fc為撿膜齒撿膜時的離心力(N)；γ為慣性力與切向力之間的夾角，其中Fi=w0r2m，G=mg，m為殘膜質(zhì)量(g)，w0為撿膜滾筒角速度(rad·s-1)。

彈簧齒撿膜入土時，殘膜受力平衡方程為：

(7)

式中，F(xiàn)f為撿膜齒與殘膜的摩擦力(N)，F(xiàn)v為殘膜的支持力(N)；其中Ff=uFv，u為殘膜與撿膜齒的摩擦系數(shù)。

要保證撿膜齒上的殘膜在作業(yè)中不從撿膜齒上脫落，撿膜齒與殘膜的摩擦力Ff應不小于殘膜所受的離心力，即：

(8)

式中，r為撿膜齒的瞬時半徑(mm);w0為撿膜滾筒角速度(rad·s-1)。

經(jīng)計算，撿膜齒展開的回轉半徑為504 mm，當撿膜齒齒尖線速度為2.64 m·s-1，可得撿膜齒轉速公式：

(9)

計算可得撿膜滾筒的轉速n約為50.01 r·min-1。

2.2.2 脫膜機構 脫膜機構主要由脫膜滾筒、脫膜板、脫膜軸等部件組成，如圖7所示，其功能是刮脫撿膜齒上的殘膜送入膜箱內(nèi)。脫膜機構安裝6個脫膜板，板端的運動軌跡圓與撿膜齒齒尖的運動軌跡偏心圓相切。

1.脫膜軸； 2. 脫膜滾筒； 3. 脫膜板1. Take off the film shaft；2. Film roller； 3. Defilming plate圖7 脫膜機構Fig.7 Demulsification mechanism

工作時，脫膜板上的殘膜所受的離心力應大于殘膜與脫膜板之間產(chǎn)生的摩擦力，即殘膜脫離脫膜板送入膜箱的條件是：

(10)

式中，v1為殘膜在脫膜板上的線速度(m·s-1)，m1為單片殘膜質(zhì)量(g)，f為殘膜與脫模板之間的摩擦力(N)，δ為殘膜重力在切向方向的夾角(°)。

殘膜在脫膜板上的受力分析如圖8所示。殘膜在脫膜板的線速度為

圖8 殘膜在脫膜板上的受力分析Fig.8 Force analysis of the remnant film on the defilming plate

v1=w1R1=2πn1R1

(11)

殘膜與脫膜板之間的摩擦力為

f=μ1FN=μ1Gcosδ

(12)

式中，μ1為殘膜與脫膜板之間的摩擦系數(shù)，μ1取0.6；δ為重力G與壓力FN之間的夾角。

據(jù)由佳翰等[13]研究可知，隨機單片殘膜的質(zhì)量為1.89×10-3kg，脫膜板的線速度需大于1.2 m·s-1才能將殘膜吹入膜箱內(nèi)。現(xiàn)確定脫膜板的回轉半徑為278.5 mm，以脫膜滾筒的轉速為500 r·min-1，計算得脫膜板的線速度約為14.57 m·s-1，滿足脫膜板線速度大于1.2 m·s-1的理論要求。

3 田間試驗

3.1 試驗條件

為驗證秸稈還田殘膜回收一體機的田間作業(yè)效果，得到最佳的殘膜回收作業(yè)效果，2021年11月，在新疆阿克蘇地區(qū)沙雅縣海樓鎮(zhèn)(82°42′31″E， 41°17′37″N)進行田間試驗。如圖9(見269頁)所示，試驗地土質(zhì)為沙土且棉稈未粉碎，滴灌帶已回收，地形平坦，棉花種植模式寬窄行為660 mm+100 mm，地膜厚度為0.01 mm，鋪膜時間約為189 d，膜邊壓緊深度約為2 cm，土壤平均含水率為15.4%。拖拉機選用常發(fā)農(nóng)裝CFJ2204。試驗時配有皮尺、天平、轉速測量儀、秒表等試驗儀器。

圖9 田間試驗結果Fig.9 Field test results

3.2 試驗方法

為檢驗秸稈還田殘膜回收一體機的田間工作效果，按照國家標準 GB/T 25412—2010《殘地膜回收機》[28]，每個試驗序號選取1個膜幅，試驗長度為大于100 m，滿足往返的作業(yè)路程，每個采樣區(qū)域長度5 m，相鄰采樣區(qū)域間隔1 m。為測定機具的工作效果，選取機具前進速度、輸出軸轉速、撿膜齒入土平均深度(限深輪調(diào)節(jié)方式)為試驗因素，以殘膜回收率、含雜率為性能評價指標。殘膜回收率Y1、含雜率Y2性能評價指標計算公式為：

(13)

(14)

式中，M0為作業(yè)前地膜總質(zhì)量(g)；M1為作業(yè)后測區(qū)未回收的殘膜質(zhì)量(g)；W1為膜箱內(nèi)膜雜總質(zhì)量(g)；W2為膜箱內(nèi)殘膜質(zhì)量(g)。

3.3 試驗設計

試驗采用三水平三因素正交方法進行設計，試驗因素與水平如表2，試驗方案及結果如表3，共進行了17組試驗，每組試驗重復2次，取2次的結果均值作為試驗結果。

表2 試驗因素與水平Table 2 Test factors and levels

3.4 試驗方案與結果

人工撿拾測區(qū)內(nèi)未回收的殘膜，裝袋標號，并清洗、晾干、稱重，殘膜回收率及含雜率經(jīng)式(13)、(14)計算得出，試驗結果如表3。

表3 試驗方案與結果Table 3 Test plan and results

4 結果與分析

4.1 回歸模型建立與顯著性檢驗

應用 Design-Expert 8.0.6.1軟件對表3的數(shù)據(jù)樣本進行分析處理，建立殘膜回收率Y1、含雜率Y2的回歸模型，并進行方差分析，結果如表4。由表4可知，殘膜回收率Y1、含雜率Y2的回歸模型P<0.01，表明回歸模型極顯著，其中A、B、A2對殘膜回收率Y1的影響極顯著，B2對含雜率Y2的影響極顯著。且二者失擬項均大于0.05，表明失擬項不顯著，即擬合的二次回歸方式與實際試驗相符合，說明殘膜回收率Y1、含雜率Y2與A、B、C之間的關系，剔除不顯著因素，得到殘膜回收率Y1、含雜率Y2的回歸方程，即

表4 回歸模型方差分析Table 4 Variance analysisof regression model

Y1=85.6+0.98A+1.54B+0.21C-1.03AB+1.13AC-0.9BC-1.23A2-0.8B2+0.2C2

(15)

Y2=15.86-0.39A+0.76B-0.18C-0.6AC+BC-0.27A2+3.93B2+0.96C2

(16)

根據(jù)回歸模型的各項的回歸系數(shù)可知，各因素對殘膜回收率Y1、含雜率Y2影響程度為B>A>C。

4.2 試驗因素對各指標的影響

為了直觀了解試驗因素與試驗指標之間的關系，運用Design-Expert 8.0.6.1軟件得出試驗因素對殘膜回收率Y1、含雜率Y2的三維響應曲面圖，如圖10所示。

當輸出軸轉速=710 r·min-1時，機具前進速度由5 km·h-1增大至7 km·h-1，殘膜回收率先增大后減小，并隨著撿膜齒入土深度的增大而增大，撿膜齒入土深度對殘膜回收率的影響更顯著；當撿膜齒入土深度=25 mm時，機具前進速度由5 km·h-1增大至7 km·h-1，殘膜回收率先增大后減小，并隨著輸出軸轉速增大而先增大后減小，變化比較平緩，機具前進速度對殘膜回收率的影響更顯著；當機具前進速度=6 km·h-1時，撿膜齒入土深度由10 mm增大至40 mm，殘膜回收率增大，并隨著輸出軸轉速增大而增大，撿膜齒入土深度對殘膜回收率影響更顯著。

當輸出軸轉速=710 r·min-1時，機具前進速度由5 km·h-1增大至7 km·h-1，含雜率先增大后減小，并隨著撿膜齒入土深度的增大而先減小后增大，撿膜齒入土深度對含雜率的影響更顯著；當撿膜齒入土深度=25 mm時，輸出軸轉速由660 r·min-1增大至760 r·min-1，含雜率先減小后增大，并隨著機具前進速度增大而先增大后減小，機具前進速度對殘膜回收率的影響更顯著；當機具前進速度=6 km·h-1時，撿膜齒入土深度由10 mm增大至40 mm，含雜率先減小后增大，并隨著輸出軸的轉速增大而先減小后增大，撿膜齒入土深度對殘膜回收率影響更顯著。

如圖10所示，因素影響響應面變化趨勢與方程方差分析結果一致，機具前進速度、輸出軸轉速對含雜率影響較小，而撿膜齒入土深度對含雜率影響較大，適當?shù)膿炷X入土深度有利于地膜上的棉葉、土壤等雜質(zhì)不易被挑起，易落到地面。

圖10 試驗因素對殘膜回收率和含雜率的三維響應圖(A,B,710)Fig.10 Three-dimensional response of experimental foctors to residual film recovery and impurity content (A,B,710)

4.3 參數(shù)優(yōu)化與試驗驗證

根據(jù)秸稈還田殘膜回收一體機的田間作業(yè)要求，并針對殘膜回收率、含雜率這2個指標，利用Design-Expert 8.0.6.1軟件中的優(yōu)化模塊對其回歸方程模型進行優(yōu)化求解，得到最優(yōu)參數(shù)：機具前進速度7 km·h-1、撿膜齒入土深度25 mm，輸出軸轉速760 r·min-1，在此參數(shù)下，殘膜回收率為86.89%，含雜率為15.39%。

為驗證優(yōu)化后結果的可行性，按照優(yōu)化后的參數(shù)在沙雅缽施然智能農(nóng)機有限公司試驗地進行試驗驗證。設定機具前進速度7 km·h-1、撿膜齒入土深度25 mm，輸出軸轉速760 r·min-1，試驗重復3次，依據(jù)式(13)、(14)計算，并取其平均值得到殘膜回收率為85.03%，含雜率為15.88%，其與預測值的相對誤差均小于3個百分點，所以參數(shù)優(yōu)化模型可靠。

5 結 論

1)本文針對殘膜回收難、殘膜回收機作業(yè)效率低等問題，研制了一種秸稈還田殘膜回收一體機，并對整機的關鍵零部件進行設計、選型，確定了其材料、結構尺寸等工作參數(shù)，該機可一次實現(xiàn)秸稈還田、膜雜分離、殘膜回收等作業(yè)，配有大容量膜箱，可減少卸膜時間，提高機具的有效工作時間。

2)通過響應面及回歸方程研究，分析了機具前進速度、撿膜齒入土深度、輸出軸轉速對殘膜回收率、含雜率的影響。各試驗因素對殘膜回收率、含雜率影響顯著順序為：撿膜齒入土深度>機具前進速度>輸出軸轉速。

3)通過Design-Expert 8.0.6.1軟件對試驗數(shù)據(jù)進行分析，得到最優(yōu)參數(shù)組合：機具前進速度7 km·h-1、撿膜齒入土深度25 mm，輸出軸轉速760 r·min-1;田間試驗驗證結果表明，以最優(yōu)參數(shù)組合試驗，得到殘膜回收率為85.03%，含雜率為15.88%，參數(shù)優(yōu)化模型可靠。