明 光，錢 營，梁加棟

（1.武威職業(yè)學(xué)院，甘肅 武威 733000；2.武威興東機(jī)械有限公司，甘肅 武威 733000）

0 引言

地膜覆蓋種植技術(shù)是一種改善和優(yōu)化作物生長環(huán)境，克服不良條件影響，實現(xiàn)早熟、高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效等效果的先進(jìn)農(nóng)業(yè)種植技術(shù)。該技術(shù)不僅可增加有效積溫，延長作物的生長期，而且可以起到抑制雜草生長的作用，同時還可以有效利用土地資源和水資源，達(dá)到增溫保墑的效果。因此，地膜覆蓋技術(shù)對發(fā)展我國的農(nóng)業(yè)，尤其是西北地區(qū)的旱地農(nóng)業(yè)有著重要的戰(zhàn)略意義。然而由于需要連年鋪膜，且使用過的地膜未能及時有效地回收，對農(nóng)田土壤造成了嚴(yán)重的“白色污染”，最終將導(dǎo)致農(nóng)作物產(chǎn)量連年下降。因此，地膜回收技術(shù)成為農(nóng)業(yè)領(lǐng)域亟需研究的一大重要課題[1-6]。

為了提高農(nóng)田殘膜回收的工作效率并減少作業(yè)成本，目前機(jī)械化回收殘膜無疑是一種最佳的回收方法。常見的傳統(tǒng)的機(jī)械化地膜回收方式有耙犁式、摟膜式、釘齒式以及滾筒式[7-14]。以上機(jī)械化回收地膜的方式雖然能實現(xiàn)地膜回收，但收膜過程中會在地膜中夾雜過多的田間雜物，這也是一個棘手的難題，地膜與雜物難以分離，進(jìn)而使得已回收的地膜含雜量較高。如果不在田間收膜過程中將地膜與雜物分離，等收集后集中處理時，地膜會與田間雜物混亂摻雜在一起，有的田間雜物如秸稈碎會扎在地膜上，此時更不容易分離，且地膜易纏繞在收膜的工作部件上，進(jìn)而影響地膜回收機(jī)連續(xù)回收作業(yè)，地膜回收率也較低，難以滿足地膜回收要求。

1 總體結(jié)構(gòu)

針對現(xiàn)有農(nóng)田地膜回收機(jī)工作過程中存在的膜雜分離率較低的問題，本文設(shè)計了一款膜雜分離式殘膜回收機(jī)。該機(jī)具主要由橫向切膜裝置、風(fēng)機(jī)除雜裝置、起膜集膜裝置和收膜裝置等組成，結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 膜雜分離式殘膜回收機(jī)

2 工作原理

整機(jī)作業(yè)時，拖拉機(jī)通過牽引架與膜雜分離式殘膜回收機(jī)相連接，其動力輸出軸與變速箱相連接，變速箱通過鏈輪分別與縱向切膜傳動系統(tǒng)、膜上除雜傳動系統(tǒng)相連接，并與液壓控制系統(tǒng)組成作業(yè)機(jī)組。首先，拖拉機(jī)動力輸出軸連接變速箱，通過變速箱連接縱向切膜傳動系統(tǒng)，帶動縱向切膜輪將地膜縱向沿著作物根系連續(xù)切斷；其次，橫向切膜裝置依次將地膜按一定間距切開，然后松膜鏟將緊貼地面及地膜上黏結(jié)的土壤進(jìn)行疏松；再次，風(fēng)機(jī)吹風(fēng)口將地膜上的秸稈、枝葉和散碎的土壤從中間吹到地膜邊緣；最后，收膜裝置整體下落到地膜上，同時多個柔軟抓膜齒在液壓導(dǎo)桿的作用下往下運(yùn)動直到限位端，此時整體的收膜裝置和內(nèi)置的抓膜齒同時往上運(yùn)動一定位置，切開的地膜被抓起呈傾斜狀態(tài)，上升過程中，原來被吹風(fēng)口吹到地膜邊緣的雜物自然落下，緊接著向左傾斜的液壓機(jī)構(gòu)將抓膜機(jī)構(gòu)拉向集膜箱的同時，抓膜軟齒收縮，當(dāng)收膜裝置底端到達(dá)集膜箱口時，地膜完全脫落到集膜箱內(nèi)，完成地膜的回收。

3 關(guān)鍵零部件的設(shè)計

3.1 切膜與松膜機(jī)構(gòu)

為了便于機(jī)具的抓膜機(jī)構(gòu)將地膜收集起來，在機(jī)具前端設(shè)置了切膜與松膜裝置，其結(jié)構(gòu)主要包括縱向切膜輪、橫向切膜裝置和松膜機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 切膜與松膜機(jī)構(gòu)

在收膜過程中發(fā)現(xiàn)，無論采用哪種機(jī)械式起膜機(jī)構(gòu)，由于植株根部的阻擋，都或多或少會影響起膜過程?；诖?，本機(jī)具首先采用縱向切膜機(jī)構(gòu)，沿著植株根部將地膜進(jìn)行縱向切開?？紤]到機(jī)具的中間收膜機(jī)構(gòu)，在縱向切膜機(jī)構(gòu)后面緊接著設(shè)置了橫向切膜裝置和松膜機(jī)構(gòu)。橫向切膜裝置主要包括橫切刀、滑軌和上下運(yùn)動的驅(qū)動推桿，作業(yè)時每隔一定的距離將地膜橫向切斷，便于收膜機(jī)構(gòu)進(jìn)行收膜。另外，因地膜使用后其韌度大大降低，極易扯斷，因此利用有一定傾斜角度的松膜鏟對地膜下方的土壤進(jìn)行疏松，將緊貼地膜的土壤疏松后，不易將地膜拉斷，更有利于后面的抓膜機(jī)構(gòu)作業(yè)。

3.2 除雜與抓膜機(jī)構(gòu)

為了使抓膜機(jī)構(gòu)在抓膜時，除去植株行間距中間膜上的雜物，設(shè)置了風(fēng)機(jī)除雜機(jī)構(gòu)，如圖3所示。

圖3 風(fēng)機(jī)除雜機(jī)構(gòu)

當(dāng)除雜風(fēng)機(jī)作業(yè)時，出風(fēng)口處出來的風(fēng)將膜上的枝葉、秸稈等雜物吹到地膜的邊緣處，緊接著抓膜機(jī)構(gòu)開始作業(yè)。抓膜機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖如圖4 所示，抓膜機(jī)構(gòu)剖切圖如圖5 所示。其設(shè)計理念是根據(jù)人工撿拾回收農(nóng)田地膜時，通常采用一只手從地面捏?。▕A住）地膜，然后將地膜往上提起，緊接著將其輸送至另一只手上并且集中抓?。ㄏ喈?dāng)于殘膜箱），最終將地表上的殘膜有效地回收起來，將這一動作反復(fù)進(jìn)行，地表殘膜即可被回收。

圖4 抓膜機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

圖5 抓膜機(jī)構(gòu)剖切圖

抓膜機(jī)構(gòu)作業(yè)時，需要通過液壓驅(qū)動推桿推動活塞，活塞下端的抓膜齒伸出穿孔扎過地膜。抓膜齒的下端通道向外撇呈弧形結(jié)構(gòu)，如圖6 所示，因此該結(jié)構(gòu)能保證抓膜齒與地膜有足夠的接觸面，抓膜齒上升時才能保證將地膜順利提起，不與抓膜齒接觸的部位呈坡度傾斜或者自然下垂，作業(yè)過程中地膜邊緣上的雜物也會自然落下，進(jìn)而實現(xiàn)膜雜分離。

將抓膜齒上收集的地膜簡化為一點M，進(jìn)行受力分析，如圖7 所示。

圖7 受力分析圖

由受力分析圖，可得：

式中，F(xiàn)N為抓膜齒掛起地膜后由地膜重力產(chǎn)生的支撐力，其方向垂直于抓膜齒受力點；Ff為掛起地膜后在受力點切線方向所受的摩擦力；FL為抓膜齒掛起地膜后由地膜重力產(chǎn)生的傾斜下拉力，與Ff共線，方向相反；μ為摩擦系數(shù)；θ為抓膜齒作業(yè)狀態(tài)時受力點切線方向與水平方向的夾角，也為抓膜齒通過的弧形滑道與水平方向的夾角。

要使抓膜齒上的地膜在作業(yè)時不會滑落，需滿足：

由公式（1）～（4），可得：

此處，摩擦系數(shù)μ取2，θ≥26°，考慮到抓膜齒的伸出與收縮平滑性以及材料特性，根據(jù)實際模型進(jìn)行試驗，發(fā)現(xiàn)需滿足θ≤40°。綜合上述情況，θ=36.5°能夠很好地滿足抓膜要求。同時，θ也是抓膜齒通過的圓弧通道與水平方向的夾角。

3.3 運(yùn)膜與收膜機(jī)構(gòu)

當(dāng)抓膜機(jī)構(gòu)的抓膜齒收集到一定量的地膜時，應(yīng)及時將收集的地膜運(yùn)送至集膜箱，運(yùn)膜與收膜機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖8 所示，主要包括液壓驅(qū)動桿、連接桿和集膜箱。

圖8 運(yùn)膜與收膜機(jī)構(gòu)

具體作業(yè)過程為：活動橫梁升起，提起地膜，在液壓驅(qū)動推桿驅(qū)動抓膜套架向集膜箱轉(zhuǎn)動的同時，抓膜套架內(nèi)置的液壓推桿驅(qū)動抓膜齒往回收縮，當(dāng)抓膜機(jī)構(gòu)即將運(yùn)動到集膜箱邊緣上端時，抓膜齒上的地膜隨之脫落，進(jìn)入集膜箱內(nèi)。

4 總結(jié)

本文針對現(xiàn)有農(nóng)田殘膜回收機(jī)工作過程中存在的膜雜分離率較低的問題，為了進(jìn)一步有效提高其膜雜分離效率，依據(jù)人工撿拾地膜的特點，研究并設(shè)計了一種新型膜雜分離式地膜回收機(jī)。重點對機(jī)具中的切膜裝置、松膜機(jī)構(gòu)、膜上除雜裝置和收膜裝置等核心部件的工作過程及設(shè)計理念進(jìn)行了理論分析與計算，具體如下：

1）為了避免起膜時扯斷地膜以及方便收膜，在機(jī)具最前端設(shè)置了切膜裝置、松膜機(jī)構(gòu)，同時也解決了機(jī)械化回收時收膜部件出現(xiàn)地膜纏繞的問題。

2）目前機(jī)械化回收地膜的重點應(yīng)轉(zhuǎn)為提高膜雜分離率，回收后的地膜要得到重復(fù)利用或再加工等，因此本機(jī)具在收膜裝置前設(shè)置了除雜風(fēng)機(jī)，將地膜中間上的枝葉、秸稈等雜物吹到待回收的地膜邊緣，進(jìn)一步提高收膜部件收膜后的膜雜分離率。

3）收膜部件是影響機(jī)械化地膜回收效果的關(guān)鍵，本機(jī)具收膜部件采用了套架內(nèi)置空腔結(jié)構(gòu)形式，內(nèi)部活塞周圍裝有軟材料的伸縮齒，伸縮齒底端通過圓弧形通道，弧形通道與水平方向的最佳角度為36.5°，能夠較好地滿足收膜要求。

綜上所述，本機(jī)具能夠有效實現(xiàn)抓膜、升膜、運(yùn)膜到最后脫膜的全過程。同時，本機(jī)具采用四行收膜，不但提高了工作效率，也提高了收凈率和膜雜分離率。