摘要：針對(duì)彈齒鏈耙式殘膜回收機(jī)存在脫膜不徹底、可靠性低等問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種固定刮板式脫膜裝置，并對(duì)其關(guān)鍵部件進(jìn)行設(shè)計(jì)與分析。為驗(yàn)證脫膜裝置作業(yè)性能，以機(jī)具行駛速度（A）、彈齒長(zhǎng)度（B）、彈齒與脫膜板夾角（C）為試驗(yàn)因素，以脫膜率為試驗(yàn)指標(biāo)開(kāi)展L9（34）正交試驗(yàn)。結(jié)果表明，彈齒鏈耙式殘膜回收機(jī)的脫膜率為92.5%～95.7%；極差分析表明，各因素影響大小為Agt;Cgt;B，脫膜率最優(yōu)試驗(yàn)條件組合為A2B1C2，即機(jī)具行駛速度為8 km/h、彈齒長(zhǎng)度為160 cm、彈齒與脫膜板夾角為50°。對(duì)最優(yōu)組合（A2B1C2）做驗(yàn)證試驗(yàn)（5次），平均脫膜率為95.16%，滿(mǎn)足彈齒鏈耙式殘膜回收機(jī)作業(yè)要求。

關(guān)鍵詞：彈齒鏈耙式殘膜回收機(jī)；脫膜裝置；作業(yè)性能；設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)：S223.5" " " " "文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：0439-8114（2025）01-0150-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2025.01.024 開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Design and testing of the peel off device for the elastic tooth chain rake residual film recycling machine

HE Yu-ze，WANG Min，CAO Si-lin，YING Yu-kun，LU Yong-tao，WANG Ji-liang

（Mechanical Equipment Research Institute，Xinjiang Academy of Agricultural and Reclamation Science，Shihezi" 832000，Xinjiang，China）

Abstract： In response to the problems of incomplete film removal and low reliability in the elastic tooth chain rake residual film recycling machine， a fixed scraper type peel off device was designed， and its key components were designed and analyzed. To verify the operational performance of the peel off device， an L9（34） orthogonal experiment was conducted with the driving speed of the machine （A）， the length of the spring teeth （B）， and the angle between the spring teeth and the delamination plate （C） as experimental factors， and the delamination rate as the experimental indicator. The results showed that the delamination rate of the elastic tooth chain rake residual film recycling machine was 92.5% to 95.7%；the range analysis showed that the influence magnitude of each factor was Agt;Cgt;B. The optimal experimental condition combination for the delamination rate was A2B1C2， which meant that the machine’s driving speed was 8 km/h， the length of the spring teeth was 160 cm， and the angle between the spring teeth and the delamination plate was 50°. Validation tests were conducted on the optimal combination （A2B1C2） for 5 times， with an average delamination rate of 95.16%， meeting the operational requirements of the the elastic tooth chain rake residual film recycling machine.

Key words： elastic tooth chain rake residual film recycling machine； peel off device； homework performance； design

覆膜栽培技術(shù)具有增溫保墑、節(jié)水保肥、抑制雜草和病蟲(chóng)害等特點(diǎn)。自20世紀(jì)70年代引入中國(guó)以來(lái)，覆膜栽培技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中大面積推廣應(yīng)用，對(duì)促進(jìn)作物生長(zhǎng)和增產(chǎn)增收效果顯著［1，2］。以聚乙烯為基材的地膜在自然條件下難以降解，可在土壤中存留幾百年，隨著使用年限的增加，造成大量地膜殘留集聚，破壞土壤結(jié)構(gòu)及耕地培育能力，抑制農(nóng)作物生長(zhǎng)發(fā)育［3，4］。對(duì)比國(guó)內(nèi)外農(nóng)用地膜使用情況可知，國(guó)外使用加厚耐候地膜，具有較強(qiáng)的延展性和拉伸強(qiáng)度，當(dāng)年作物收獲后可進(jìn)行卷收再利用，大大降低殘膜污染；但國(guó)內(nèi)使用的地膜厚度多為0.01 mm，一季作物耕作后地膜老化嚴(yán)重?zé)o法重復(fù)利用，須及時(shí)回收，否則會(huì)造成白色污染，嚴(yán)重制約農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境保護(hù)和綠色可持續(xù)發(fā)展［5-7］。

目前中國(guó)治理殘膜污染主要采取機(jī)械化回收的方式，一些科研單位對(duì)殘膜機(jī)械回收進(jìn)行了相關(guān)研究，這些殘膜回收機(jī)主要由起膜裝置、收膜裝置和脫膜裝置等作業(yè)部件組成［8-10］。常見(jiàn)的殘膜回收機(jī)的脫膜裝置分為機(jī)械結(jié)構(gòu)脫膜裝置和氣力脫膜裝置。機(jī)械結(jié)構(gòu)脫膜裝置包括伸縮桿齒脫膜和刮板脫膜等結(jié)構(gòu)，伸縮桿齒脫膜裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造成本較高且作業(yè)過(guò)程中桿齒易形變，影響脫膜效果；刮板脫膜裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，應(yīng)用前景較好。氣力脫膜裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效率高，但易引發(fā)二次纏繞［11-14］。針對(duì)上述殘膜回收機(jī)脫膜裝置存在的問(wèn)題，本研究對(duì)彈齒鏈耙式殘膜回收機(jī)的脫膜裝置、脫膜原理進(jìn)行分析，旨在提升機(jī)具脫膜效果和作業(yè)可靠性，對(duì)進(jìn)一步優(yōu)化改進(jìn)殘膜回收機(jī)脫膜裝置提供思路和參考，為推進(jìn)殘膜污染治理貢獻(xiàn)力量。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

彈齒鏈耙式殘膜回收機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由機(jī)架、傳動(dòng)系統(tǒng)、收膜裝置、脫膜裝置、打捆裝置、攜捆裝置、秸稈粉碎裝置、地輪等部件組成。

機(jī)具作業(yè)時(shí)，由拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸提供外部動(dòng)力，收膜鏈耙?guī)?dòng)彈齒轉(zhuǎn)動(dòng)將地膜挑起，對(duì)地表殘膜進(jìn)行撿拾回收，向上運(yùn)動(dòng)過(guò)程中土塊、秸稈等雜質(zhì)因自身重力和彈齒旋轉(zhuǎn)離心力實(shí)現(xiàn)膜雜分離；彈齒軸運(yùn)動(dòng)至換向擋板處時(shí)，彈齒運(yùn)動(dòng)方向變?yōu)槊撃ぐ宸ň€(xiàn)方向，殘膜隨彈齒運(yùn)動(dòng)至脫膜板，通過(guò)脫膜板上的彈齒縫時(shí)將殘膜刮下，掉在下打捆皮帶上，下打捆皮帶帶動(dòng)殘膜向前運(yùn)動(dòng)，上打捆皮帶帶動(dòng)殘膜向后運(yùn)動(dòng)，殘膜受到相反方向的力，隨著殘膜匯聚逐漸揉搓形成圓型膜捆；隨著膜捆直徑增大，打捆皮帶張緊力增大，當(dāng)張緊力達(dá)到額定值時(shí)，通過(guò)操控地輪液壓油缸打開(kāi)上打捆裝置蓋門(mén)，升起地輪支撐臂，將膜捆卸至攜捆裝置上，關(guān)閉上打捆裝置蓋門(mén)后繼續(xù)作業(yè)。

2 關(guān)鍵零部件設(shè)計(jì)與分析

2.1 彈齒

彈齒鏈耙式殘膜回收機(jī)的彈齒是由65號(hào)錳鋼制成的直齒，相鄰彈齒錯(cuò)行等距排布，每根彈齒軸均勻安裝10組彈齒，前后兩排彈齒間距50 mm，固定板連接彈齒軸與帶座軸承，鏈條帶動(dòng)彈齒軸旋轉(zhuǎn)完成作業(yè)，彈齒裝配結(jié)構(gòu)如圖2所示。

彈齒作為收膜裝置的關(guān)鍵部件，其作業(yè)性能是評(píng)價(jià)收膜效果的重要指標(biāo)，彈齒長(zhǎng)度會(huì)影響起膜和脫膜效果，在作業(yè)時(shí)既要確保起膜順暢，又要確保不漏膜壅土［15-17］。彈齒長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)易發(fā)生變形，使挑起的殘膜堆積在彈齒根部不易脫落，過(guò)短會(huì)造成殘膜提前脫落，且不利于挑起低洼處的殘膜；同時(shí)，田間作業(yè)環(huán)境復(fù)雜多變，要兼顧機(jī)具作業(yè)效率和效果，作業(yè)速度過(guò)快會(huì)影響收膜質(zhì)量和脫膜效果，過(guò)慢則降低工作效率。為研究彈齒起膜原理，對(duì)彈齒運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行分析，如圖3所示，起膜入土點(diǎn)A，起膜出土點(diǎn)B，圓弧AB為彈齒尖運(yùn)動(dòng)路徑，彈齒尖運(yùn)動(dòng)方程為圓弧AB對(duì)應(yīng)的方程。

彈齒尖運(yùn)動(dòng)方程：

[x= v0t +R + Lcosωty=R + Lsinωt] （1）

彈齒尖切線(xiàn)方向速度垂直于彈齒斜向下，將其分解為水平方向（x）和豎直方向（y）的速度：

[vx= v0-ωR + Lsinωtvy= ωR + Lcosωt] （2）

式中，v0為機(jī)具行駛速度，m/s；ω為彈齒角速度，r/min；t為時(shí)間，s；L為彈齒長(zhǎng)度，mm；R為鏈輪半徑，mm。

彈齒運(yùn)動(dòng)速度與機(jī)具行駛速度、彈齒角速度、鏈輪半徑和彈齒長(zhǎng)度有關(guān)。根據(jù)前期試驗(yàn)基礎(chǔ)，兼顧收膜效果及結(jié)構(gòu)可靠性，設(shè)制機(jī)具行駛速度為8 km/h，彈齒長(zhǎng)度為160 mm，彈齒直徑為6 mm，彈簧內(nèi)徑為45 mm，鏈輪半徑為300 mm。

2.2 換向機(jī)構(gòu)

彈齒軸完成平穩(wěn)換向是確保脫膜過(guò)程的前提，鏈條帶動(dòng)彈齒軸轉(zhuǎn)動(dòng)，彈齒挑起地表殘膜向上運(yùn)動(dòng)，為保證挑起的殘膜不會(huì)二次脫落，彈齒與底板垂直，當(dāng)彈齒軸接觸換向擋板時(shí)，產(chǎn)生的作用力使彈齒軸端的固定板底邊與換向擋板的平面平行，此時(shí)完成換向作業(yè)。彈齒與脫膜板的夾角由鈍角變?yōu)殇J角，脫膜板脫下彈齒上的殘膜，脫下的殘膜掉入脫膜板下方的打捆腔體完成揉搓打捆，換向機(jī)構(gòu)如圖4所示。

2.3 脫膜機(jī)構(gòu)

脫膜機(jī)構(gòu)由壓板、脫膜板、角鋼、彈齒縫組成，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。角鋼位于脫膜板下方且與機(jī)架焊接，壓板位于脫膜板上方，通過(guò)螺絲釘將脫膜板固定，脫膜板上開(kāi)設(shè)有彈齒縫，方便刮下殘膜且只允許彈齒通過(guò)，脫膜板采用耐磨且韌性好的橡膠材質(zhì)，可有效避免彈齒與脫膜板發(fā)生剛性碰撞，造成變形影響后續(xù)作業(yè)的可靠性。

脫膜機(jī)構(gòu)是將彈齒上殘膜脫下的核心部件，為研究脫膜原理，對(duì)脫膜過(guò)程中殘膜受力情況進(jìn)行分析，如圖6所示。

殘膜受力方程：

[FTcosα+Gcosα+γ= FNFTsinα+Gsinα+γ+FA=μFN] （3）

[FA= mω2 r ] （4）

殘膜從彈齒上脫下的條件為：

[FTsinα+Gsinα+γ+ mω2 r gt;μFN ] （5）

式中，m為殘膜質(zhì)量，g；ω為殘膜回轉(zhuǎn)角速度，r/min；r為殘膜回轉(zhuǎn)半徑，mm；α為彈齒與脫膜板的夾角，（°）；γ為彈齒與豎直方向的夾角，（°）；G為殘膜的重力，N；FN為彈齒對(duì)殘膜的支持力，N；FT為脫膜板對(duì)殘膜的作用力，N；μFN為殘膜與彈齒的摩擦力，N；FA為脫膜時(shí)殘膜受的離心力，N。

彈齒與脫膜板夾角是影響脫膜效果的關(guān)鍵參數(shù)，彈齒與脫膜板夾角過(guò)小，彈齒在通過(guò)脫膜板的彈齒縫時(shí)會(huì)不順暢，脫膜不徹底，彈齒與脫膜板夾角過(guò)大，彈齒底部殘膜與彈齒縫接觸減少，脫膜板不易刮下殘膜，通過(guò)前期試驗(yàn)對(duì)比分析，彈齒與脫膜板適宜夾角為50°。

3 田間試驗(yàn)與結(jié)果分析

3.1 試驗(yàn)條件

為檢測(cè)彈齒鏈耙式殘膜回收機(jī)脫膜裝置的作業(yè)性能，棉花秋收后，在新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第八師一二一團(tuán)開(kāi)展了殘膜回收田間試驗(yàn)。試驗(yàn)選用約翰迪爾1354拖拉機(jī)，試驗(yàn)時(shí)天氣良好，土壤干燥，地勢(shì)平坦，滴灌帶及附屬設(shè)施均已清理，試驗(yàn)地長(zhǎng)約200 m，寬約80 m，采用機(jī)采棉種植模式，鋪設(shè)符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的地膜（寬度為2 050 mm，厚度為0.01 mm），田間試驗(yàn)區(qū)如圖7所示。

3.2 試驗(yàn)指標(biāo)與方法

穩(wěn)定高效的脫膜性能是彈齒鏈耙式殘膜回收機(jī)連續(xù)作業(yè)的必要條件，以脫膜率為試驗(yàn)指標(biāo)評(píng)價(jià)脫膜效果，計(jì)算式如下。

[Y=MM+M0×100%] （6）

式中，Y為脫膜率，%；M為已回收的殘膜質(zhì)量，g；M0為殘留在彈齒上的殘膜質(zhì)量，g。

參考《GB/T 25412—2021 殘地膜回收機(jī)》制定試驗(yàn)方案［18，19］，設(shè)計(jì)L9（34）正交試驗(yàn)，共進(jìn)行9組試驗(yàn)作業(yè)后采集已回收的殘膜和殘留在彈齒上的殘膜，5次重復(fù)。殘膜洗凈、晾干后用電子天平（精度為0.001 g）稱(chēng)重，各參數(shù)取平均值［20］，根據(jù)式（6）計(jì)算脫膜率。

3.3 試驗(yàn)因素

通過(guò)前期研究與試驗(yàn)，依據(jù)彈齒鏈耙式殘膜回收機(jī)的工作原理，選取機(jī)具行駛速度（A）、彈齒長(zhǎng)度（B）、彈齒與脫膜板夾角（C）作為影響脫膜率的主要因素［21］，試驗(yàn)因素與水平如表1所示。

3.4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

由表2可知，脫膜率為92.5%～95.7%，極差分析（表3）表明，各因素影響大小為Agt;Cgt;B，脫膜率最優(yōu)試驗(yàn)條件組合為A2B1C2，即機(jī)具行駛速度為8 km/h、彈齒長(zhǎng)度為160 cm、彈齒與脫膜板夾角為50°。

為進(jìn)一步探究各因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的顯著性影響，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析，結(jié)果如表4所示。機(jī)具行駛速度、彈齒與脫膜板夾角均對(duì)脫膜率產(chǎn)生極顯著影響，彈齒長(zhǎng)度對(duì)脫膜率產(chǎn)生顯著因素。從F的排序可知，主要因素排序結(jié)果與直觀(guān)分析的結(jié)果一致，表明機(jī)具行駛速度、彈齒長(zhǎng)度、彈齒與脫膜板夾角對(duì)脫膜率產(chǎn)生顯著影響。

3.5 試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證較優(yōu)參數(shù)組合的工作效果，采用脫膜率最優(yōu)試驗(yàn)條件組合（A2B1C2）進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，結(jié)果如表5所示，平均脫膜率為95.16%，脫膜效果較好，滿(mǎn)足彈齒鏈耙式殘膜回收機(jī)作業(yè)要求。

4 小結(jié)與討論

1）設(shè)計(jì)了一種彈齒鏈耙式殘膜回收機(jī)脫膜裝置，對(duì)彈齒運(yùn)動(dòng)軌跡和脫膜過(guò)程中殘膜受力進(jìn)行分析，確定了影響起膜效果和脫膜效果的主要因素。

2）制作試驗(yàn)樣機(jī)，選取機(jī)具行駛速度、彈齒長(zhǎng)度、彈齒與脫膜板夾角作為主要影響因素，以脫膜率為主控指標(biāo)進(jìn)行正交試驗(yàn)與結(jié)果分析，脫膜率最優(yōu)試驗(yàn)條件組合為A2B1C2，即機(jī)具行駛速度為8 km/h、彈齒長(zhǎng)度為160 cm、彈齒與脫膜板夾角為50°。對(duì)最優(yōu)組合（A2B1C2）做驗(yàn)證試驗(yàn)（5次），平均脫膜率為95.16%，滿(mǎn)足彈齒鏈耙式殘膜回收機(jī)作業(yè)要求。

參考文獻(xiàn)：

［1］ 薛穎昊， 曹肆林， 徐志宇， 等. 地膜殘留污染防控技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)［J］. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2017，36（8）：1595-1600.

［2］ 張金瑞， 任思洋， 戴吉照， 等. 地膜對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響及其污染控制［J］. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)，2022，55（20）：3983-3996.

［3］ 康曉悅， 陳學(xué)庚， 趙 巖， 等. 齒帶式殘膜回收機(jī)脫膜裝置的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)［J］. 農(nóng)機(jī)化研究，2021，43（4）：161-166，173.

［4］ 謝建華， 楊豫新， 曹肆林， 等. 導(dǎo)向鏈耙式地表殘膜回收機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)［J］. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2020，36（22）：76-86.

［5］ 唐永飛， 趙永滿(mǎn)， 王吉奎， 等. 夾指鏈?zhǔn)綒埬せ厥諜C(jī)脫膜裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2020，36（13）：11-19.

［6］ 趙 巖， 鄭 炫， 陳學(xué)庚， 等. CMJY-1500型農(nóng)田殘膜撿拾打包聯(lián)合作業(yè)機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)［J］. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2017，33（5）：1-9.

［7］ 何文清， 嚴(yán)昌榮， 劉 爽， 等. 典型棉區(qū)地膜應(yīng)用及污染現(xiàn)狀的研究［J］. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2009，28（8）：1618-1622.

［8］ 周新星， 胡志超， 嚴(yán) 偉， 等. 國(guó)內(nèi)殘膜回收機(jī)脫膜裝置的研究現(xiàn)狀［J］. 農(nóng)機(jī)化研究，2016，38（11）：263-268．

［9］ 由佳翰，陳學(xué)庚，張本華，等. 4JSM-2000型棉稈粉碎與殘膜回收聯(lián)合作業(yè)機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)［J］. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2017，33（10）：10-16.

［10］ 游兆延， 胡志超， 吳惠昌， 等. 1MCDS-100A型鏟篩式殘膜回收機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)［J］. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2017，33（9）：10-18.

［11］ 張慧明， 陳學(xué)庚， 顏利民， 等. 隨動(dòng)式秸稈還田與殘膜回收聯(lián)合作業(yè)機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)［J］. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2019，35（19）：11-19.

［12］ 鄭士琦， 曹肆林， 王 敏，等. 旋轉(zhuǎn)脫膜式殘膜回收機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)［J］. 西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2020，48（10）：146-154.

［13］ 明 光， 畢新勝， 王曉東， 等. 夾持輸送式殘膜撿拾機(jī)氣力脫膜機(jī)理研究［J］. 中國(guó)農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào)， 2016，37（7）： 1-5.

［14］ 王 征， 王吉奎， 唐永飛， 等. 帶式殘膜揉搓打包機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)［J］. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2020，36（19）：11-18.

［15］ 施麗莉， 胡志超， 顧峰瑋， 等. 耙齒式殘膜回收機(jī)自動(dòng)脫膜機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)［J］. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2017，33（18）：11-18.

［16］ 于云海， 陳學(xué)庚， 溫浩軍，等. 秸稈粉碎與殘膜集條聯(lián)合作業(yè)機(jī)的研制與試驗(yàn)［J］. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2016，32（24）：1-8.

［17］ 閆盼盼， 曹肆林， 羅 昕， 等. 彈齒鏈耙式播前殘膜回收機(jī)的設(shè)計(jì)研究［J］. 農(nóng)機(jī)化研究，2016，38（6）：137-142.

［18］ 劉 策， 胡 斌， 羅 昕， 等. 基于滾筒彈齒式起膜機(jī)構(gòu)的殘膜回收機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)［J］. 甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2022，57（5）：230-239.

［19］ 李 強(qiáng)，趙武云，王久鑫，等. 玉米全膜雙壟溝殘膜回收機(jī)的改進(jìn)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)［J］.林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備，2022，50（9）：82-87，91.

［20］ 李 斌， 王吉奎， 胡 凱， 等. 殘膜回收機(jī)順向脫膜機(jī)理分析與試驗(yàn)［J］. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2012，28（21）：23-28.

［21］ 趙昱宇，謝建華，曹肆林， 等. 導(dǎo)向伸縮式殘膜撿拾裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)［J］. 中國(guó)農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào)，2023，44（11）：14-20.