宋柱亭，郭繼杰，溫浩軍

（1.新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第六師農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣站，新疆 五家渠 831300；2.石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院）

0 引言

撿拾機(jī)構(gòu)作為殘膜回收機(jī)械的重要組成部分，通常包括彈齒式、釘齒滾筒式、伸縮桿齒式和齒鏈?zhǔn)降葞追N類型[10-12]。在這些結(jié)構(gòu)類型中，齒鏈?zhǔn)綋焓皺C(jī)構(gòu)具有較好的膜雜分離效果，因此本研究基于農(nóng)業(yè)收獲機(jī)械中常用的桿條式升運(yùn)器設(shè)計(jì)掛膜輸送帶，其作業(yè)內(nèi)容包括撿拾、輸送殘膜和分離雜質(zhì)。桿條式升運(yùn)器的鏈條形式主要有帶桿式、鏈桿式和鉤桿式等，其中帶桿式桿條鏈結(jié)構(gòu)具有耐磨、使用壽命長(zhǎng)和工作噪聲小等特點(diǎn)[13]，適用于殘膜回收作業(yè)環(huán)境惡劣，地膜與雜質(zhì)混合量大的情況。

1 結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

旋齒式殘膜回收機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1，主要由旋齒式起膜機(jī)構(gòu)、掛膜輸送帶、卷膜機(jī)構(gòu)、機(jī)架、地輪和變速箱等部分組成。

工作時(shí)，拖拉機(jī)牽引機(jī)具前進(jìn)，旋齒式起膜機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)，安裝于其表面的旋齒入土將地膜與土壤分離，并將膜土混合物推壓至掛膜輸送帶下端，同時(shí)，掛膜齒隨掛膜輸送帶向上方轉(zhuǎn)動(dòng)，在兩機(jī)構(gòu)共同作用下，地膜被撿拾并向上輸送。在輸送過(guò)程中，部分土壤、秸稈等雜質(zhì)從掛膜輸送帶之間的間隙掉落，地膜在掛膜輸送帶末端與其分離，被底端卷膜機(jī)構(gòu)回收。

1.2 掛膜輸送帶結(jié)構(gòu)與工作原理

掛膜輸送帶結(jié)構(gòu)如圖2，主要由主動(dòng)輪、被動(dòng)輪、托輪、桿條和提升帶等部件組成。工作時(shí)，鏈輪驅(qū)動(dòng)主動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，主動(dòng)輪通過(guò)與其齒槽嚙合的輸送桿條將動(dòng)力傳遞至提升帶，從而帶動(dòng)掛膜輸送帶進(jìn)行工作。在掛膜輸送帶下端被動(dòng)輪處，桿條上分布的掛膜齒向掛膜輸送帶上方轉(zhuǎn)動(dòng)，將殘膜撿拾并向上輸送，在殘膜向上運(yùn)送的過(guò)程中，較大的土塊沿輸送帶上表面滾落，部分較小的土壤顆粒及棉稈在自身重力及機(jī)具振動(dòng)作用下從輸送桿條之間的間隙下落至田間，殘膜在掛膜輸送帶末端脫離掛膜輸送帶。

圖2 掛膜輸送帶結(jié)構(gòu)示意

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 桿條間距

輸送桿條是掛膜輸送帶的重要組成部件，其主要作用是傳遞動(dòng)力、運(yùn)送地膜和分離地膜中的雜質(zhì)等。桿條間距作為其主要結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)掛膜輸送帶的工作性能有重要影響。根據(jù)掛膜輸送帶的作業(yè)要求，在設(shè)計(jì)輸送桿條間距時(shí)應(yīng)主要考慮以下兩個(gè)方面的影響作用：地膜可以被輸送帶桿條順利向上運(yùn)送，不在輸送過(guò)程中滑落；在支撐地膜不下落的同時(shí)，輸送桿條之間的間隙應(yīng)可使土壤、棉花秸稈等雜質(zhì)在輸送過(guò)程中從中掉落。

輸送帶桿條結(jié)構(gòu)如圖3，由圖中幾何關(guān)系可得：

圖3 輸送桿條結(jié)構(gòu)示意

式中L—桿條間距長(zhǎng)度，mm；L1—桿條間隙長(zhǎng)度，mm。

在混凝土配合比設(shè)計(jì)時(shí)，在保證混凝土抗壓、抗?jié)B、抗凍指標(biāo)的前提下，可適當(dāng)摻入一定量的優(yōu)質(zhì)粉煤灰，不僅可以明顯改善混凝土拌和物的工作性能，還可以起到抑制混凝土堿-集料反應(yīng)的作用。優(yōu)質(zhì)粉煤灰摻入混凝土后，第一，可稀釋水泥中的堿含量；第二，在摻入粉煤灰后，可優(yōu)先生成堿-鈣-硅膠凝體，可達(dá)到延緩堿-集料反應(yīng)的速度，從而減小混凝土內(nèi)部的膨脹應(yīng)力。最后，需要特別說(shuō)明的是摻入優(yōu)質(zhì)粉煤灰，其活性SiO2含量必須達(dá)到能夠足以抑制或減緩堿-集料反應(yīng)的要求。

根據(jù)前期田間試驗(yàn)效果，確定桿條間隙L1為41mm，桿條直徑d為11mm，由式（1）可得桿條間距L為52mm。

2.2 掛膜齒結(jié)構(gòu)及排列

2.2.1 掛膜齒結(jié)構(gòu)

掛膜齒的作用是撿拾地膜并在輸送過(guò)程中增大輸送桿條對(duì)地膜的提升力，防止地膜從掛膜輸送帶表面滑落，其結(jié)構(gòu)形式及參數(shù)的選擇合適與否直接影響殘膜撿拾效果。殘膜回收機(jī)撿拾機(jī)構(gòu)常用撿拾齒結(jié)構(gòu)形式主要包括彈齒、圓柱釘齒和尖頭圓柱式釘齒等，考慮到掛膜齒不需要入土撿膜且掛膜輸送帶在輸送地膜時(shí)采用上輸送方式，地膜不易掉落，對(duì)撿拾齒掛膜能力要求低，因此確定掛膜齒結(jié)構(gòu)形式為尖頭圓柱式釘齒，高度設(shè)計(jì)為15mm，直徑8 mm，尖端部分高度為9mm，掛膜齒結(jié)構(gòu)如圖4，安裝時(shí)焊接在輸送帶桿條上，方向與提升膠帶垂直。

圖4 掛膜齒結(jié)構(gòu)示意

2.2.2 間距及排列

掛膜齒間距包括縱向間距和橫向間距。當(dāng)橫向間距過(guò)大時(shí)，輸送帶對(duì)地膜橫向作用點(diǎn)少，容易出現(xiàn)撿拾力不足的情況，導(dǎo)致殘膜撿拾率降低；當(dāng)橫向間距過(guò)小時(shí)，輸送帶對(duì)地膜橫向作用點(diǎn)多，掛膜齒撿拾能力強(qiáng)，但在輸送過(guò)程中阻礙地膜脫落的力較大、不利于后續(xù)脫膜；掛膜齒縱向間距主要影響地膜撿拾的連續(xù)性與輸送地膜時(shí)掛膜作用力的大小。

基于地膜的輸送穩(wěn)定性考慮，掛膜齒排列方式選用交錯(cuò)分布式（圖5）。地膜在撿拾輸送過(guò)程中應(yīng)滿足不被膜面雜質(zhì)拉斷的條件，其關(guān)系可用下式表示：

圖5 掛膜齒排列分布示意

其中

式中p—單位距離膜面雜質(zhì)質(zhì)量，g；g—重力加速度，m/s2；Fmax—地膜縱向拉斷力，N；d2—掛膜齒縱向間距，mm；q—掛膜齒縱向分布桿條間隔數(shù)。

根據(jù)前期田間試驗(yàn)測(cè)定數(shù)據(jù)，膜面雜質(zhì)含量p為1 301 g/m，根據(jù)參考文獻(xiàn)[14]中地膜力學(xué)性能測(cè)定數(shù)據(jù)，地膜縱向拉斷力為2.4 N，重力加速度g取9.8 m/s2，聯(lián)立式（2）（3），并將參數(shù)帶入計(jì)算可得掛膜齒縱向分布桿條個(gè)數(shù)q＜3.6，因此將q取值為3，即縱向間距為156 mm。為使掛膜齒分布不阻礙棉花秸稈在輸送帶上的移動(dòng)，交錯(cuò)分布的掛膜齒對(duì)齊距離應(yīng)大于膜面最大棉稈長(zhǎng)度，其關(guān)系可表示為：

式中d1—掛膜齒橫向間距，mm。

前期田間試驗(yàn)測(cè)得棉稈最大長(zhǎng)度l1=180 mm，d2=156mm，將參數(shù)帶入式（4）可得d1＞179.6mm。綜合考慮后將掛膜齒橫向間距d1設(shè)計(jì)為200mm。其排列布置如圖5，橫向最大距離D為1800mm，稍小于膜面橫向最大距離。

2.3 輸送帶線速度

當(dāng)輸送帶線速度過(guò)大時(shí)，起膜機(jī)構(gòu)在單位時(shí)間的起膜量小于掛膜輸送帶在單位時(shí)間的撿拾輸送量，造成機(jī)構(gòu)動(dòng)力過(guò)剩，同時(shí)，輸送帶線速度過(guò)大導(dǎo)致掛膜齒在輸送帶撿拾段轉(zhuǎn)速增大，從而使掛膜齒對(duì)殘膜的撿拾力過(guò)大，容易造成地膜撕裂損傷；當(dāng)輸送帶線速度過(guò)小時(shí)，起膜機(jī)構(gòu)在單位時(shí)間的起膜量大于掛膜輸送帶在單位時(shí)間的撿拾輸送量，掛膜輸送帶在運(yùn)行時(shí)容易出現(xiàn)擁堵現(xiàn)象，且此時(shí)掛膜齒轉(zhuǎn)速小，殘膜撿拾能力弱，會(huì)導(dǎo)致殘膜撿拾率下降。輸送帶線速度v1與主動(dòng)鏈輪轉(zhuǎn)速n、齒數(shù)Z、節(jié)距t等相關(guān)，其關(guān)系可由下式表示：

其中

聯(lián)立式（5）、（6）可得：

分析式（7）可知，輸送帶線速度與主動(dòng)鏈輪節(jié)距及輸送帶自激振頻率相關(guān)，當(dāng)主動(dòng)輪節(jié)距Z不變時(shí)，隨著輸送帶線速度的增加，其自激振頻率逐漸增大。前期田間試驗(yàn)得出，當(dāng)輸送帶自激振頻率維持在30Hz左右時(shí)膜雜分離效果較好，已確定Z=11，t=52mm，根據(jù)式（7）計(jì)算可得輸送帶線速度為1.56m/s。同時(shí)為保證掛膜輸送帶對(duì)物料的輸送效率及撿拾性能，輸送帶線速度應(yīng)稍大于機(jī)具前進(jìn)速度，殘膜回收機(jī)具作業(yè)速度一般為5～7 km/h，即1.39～1.94 m/s，故將掛膜輸送帶線速度確定為1.7m/s。

2.4 掛膜輸送帶長(zhǎng)度及傾角

掛膜輸送帶長(zhǎng)度的確定主要受到輸送地膜及雜質(zhì)量和膜雜分離效果的影響。當(dāng)掛膜輸送帶長(zhǎng)度過(guò)小時(shí)，運(yùn)輸?shù)臍埬づc雜質(zhì)量大，容易發(fā)生堵塞，掛膜輸送帶長(zhǎng)度過(guò)小還可能導(dǎo)致桿條間隙不足，無(wú)法順暢地進(jìn)行分離和輸送；較大的掛膜輸送帶長(zhǎng)度可以容納更多的桿條，提高輸送量和作業(yè)速度，但掛膜輸送帶長(zhǎng)度過(guò)大可能會(huì)導(dǎo)致桿條之間的不穩(wěn)定性和振動(dòng)。掛膜輸送帶安裝傾角對(duì)其輸送、膜雜分離性能都有重要影響，傾角過(guò)小，膜雜分離效果較差，傾角過(guò)大，殘膜容易沿輸送帶滑落。

如圖6，參考薯類收獲機(jī)械設(shè)計(jì)，結(jié)合前期田間試驗(yàn)效果，將掛膜輸送帶長(zhǎng)度D1設(shè)計(jì)為1200mm，輸送帶安裝傾角θ確定為40°。

圖6 掛膜輸送帶側(cè)視圖

3 田間試驗(yàn)

田間試驗(yàn)在新疆喀什市岳普湖縣進(jìn)行。試驗(yàn)田地面平整，棉花種植模式為（660+100）mm，地膜厚度為0.01 mm，試驗(yàn)前滴灌帶均已被抽出，棉稈留茬高度為60～80 mm。動(dòng)力機(jī)具為福田雷沃M904-D型拖拉機(jī)，機(jī)具作業(yè)速度為5.6km/h，試驗(yàn)過(guò)程如圖7。

圖7 田間試驗(yàn)

試驗(yàn)結(jié)果表明殘膜撿拾率91.12%，回收膜卷含膜率為52.75%，含稈率為8.53%。

4 結(jié)論

（1）針對(duì)新疆農(nóng)田殘膜污染問(wèn)題，基于農(nóng)業(yè)收獲機(jī)械中的桿條式升運(yùn)分離結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了旋齒式殘膜回收機(jī)殘膜撿拾輸送機(jī)構(gòu)掛膜輸送帶。

（2）根據(jù)棉田作業(yè)條件、地膜及雜質(zhì)物料特性及前期田間試驗(yàn)確定掛膜輸送帶主要參數(shù)，包括桿條間距、掛膜齒結(jié)構(gòu)及分布、輸送帶線速度、輸送帶長(zhǎng)度和安裝傾角。

（3）進(jìn)行田間試驗(yàn)，試驗(yàn)測(cè)得殘膜撿拾率為91.12%，含膜率為52.75%，含稈率為8.53%，滿足殘膜回收作業(yè)要求。