圓盤扎輥式殘膜回收機的設計

謝建華，楊業龍，孫超偉，曹曉冉，王 坤

(新疆農業大學 機械交通學院，烏魯木齊 830052)

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圓盤扎輥式殘膜回收機的設計

謝建華，楊業龍，孫超偉，曹曉冉，王 坤

(新疆農業大學 機械交通學院，烏魯木齊 830052)

針對邊膜回收較難的問題，設計了一種圓盤扎輥式殘膜回收機。闡述了該機具的工作原理和設計方案，并對圓盤扎輥式殘膜回收機具中圓盤和拾膜桿齒等主要部件進行了設計，確定了拾膜桿齒的排列方式和運動軌跡方程。對機具進行試驗表明，該機具的凈回收率為80%以上。

回收機；圓盤扎輥式；邊膜

0 引言

地膜覆蓋技術是農業種植中的一項重要技術，在我國北方地區的應用比較廣泛。地膜覆蓋技術具有防蟲滅草、保持植物生長環境的溫度和濕度等作用，對農作物產量的提高具有顯著效果[1-3]。隨著氣候反常的加劇和種植結構對農作物生長的影響，需要地膜覆蓋的作物種類和種植面積在不斷地增加[4-5]。我國農用地膜的使用量自20世紀80年代以來，年均增長率約為8%；1991-2011年的20年間，農用地膜的使用量增加了3～10倍[6-7]。地膜使用量增加和使用后殘地膜回收不徹底，導致了大量使用后的地膜碎片殘留在土壤中，造成農業用地的嚴重污染。

近年來，國內勞動力的短缺使得人工撿拾殘膜的方式難以持續，機械回收殘膜成為未來殘膜回收的發展趨勢。現有的殘膜回收機具存在回收率低、邊膜回收難等問題，用于固定地膜的土壤經風化作用后板結于邊膜之上，導致殘膜回收過程中部分或大部分邊膜仍滯留在土壤中[8]。為此，設計了一種圓盤扎輥式殘膜回收機，包括圓盤碎土裝置、扎輥式拾膜裝置和卸膜裝置3個部件，圓盤碎土裝置將邊膜覆土破碎且把邊膜帶出土壤，然后殘膜由扎輥回收裝置撿拾，再由刮膜板刮下后進入集膜箱。

1 設計方案及工作原理

1.1 設計方案

圓盤扎輥式殘膜回收機由拾膜輥筒、卸膜板、集膜箱、機架、圓盤碎土裝置和懸掛架等組成，如圖1所示。

1.拾膜輥筒 2.卸膜板 3.集膜箱 4.機架 5.圓盤碎土裝置 6.懸掛圖1 圓盤扎輥式殘膜回收機Fig.1 The disc-roller residual film recycling machine

1.2 工作原理

機具作業時，碎土圓盤將覆蓋于邊膜上的板結土壤破碎，并將邊膜翻出土壤表面，便于拾膜裝置對邊膜的回收。機具前進過程中，拾膜桿齒扎入土壤，桿齒和土壤間的作用給輥筒轉動提供動力，拾膜桿齒扎入土壤的同時將殘地膜扎破帶起；帶有殘膜的拾膜桿齒轉到卸膜板位置時，由卸膜板將殘膜刮下，被卸膜板刮下的殘膜順著弧形卸膜板進入集膜箱內。機具工作過程中，調節角度調節軸的長短和方向可以調整圓盤的碎土深度和角度，圓盤和拾膜桿齒可以根據實際要求進行拆卸和更換。

1.3 主要技術參數

配套動力/kW：≤15的中小型拖拉機

掛接形式：三點懸掛式

作業幅寬/mm：900

作業速度/km·h-1：4～5

圓盤碎土率/%：≥75

拾膜率/%：≥80

2 主要結構部件的設計

圓盤碎土裝置主要由角度調節軸、頂絲、U型卡、固定板、套筒及碎土圓盤等組成，如圖1所示。固定板通過其兩端的U型卡固定于機架上，套筒焊接在固定板的中間位置。為了滿足強度要求，角度調節軸選擇直徑為32mm的圓鋼，套筒上下兩端安裝有兩個頂絲，用于固定角度調節軸，實現圓盤工作深度和角度的調節。

1.角度調節軸 2.頂絲 3.U型卡 4.固定板 5.套筒 6.碎土圓盤圖2 圓盤碎土裝置結構圖Fig.2 Structure of the disc soil crushing plant

2.1 圓盤的設計

圓盤是農業機械中應用較為普遍的碎土部件，農機中采用的圓盤多為球面圓盤，按其外形可分為缺口圓盤和無缺口圓盤。缺口圓盤外緣存在6～12個半圓形、三角形或梯形缺口，入土性能較強，碎土性能較好；無缺口圓盤的特點是制作工藝簡單，磨刃較方便。碎土圓盤用于殘膜回收機中破碎邊膜覆土時，同時要考慮碎土、翻土和避免纏膜等問題，故選擇無缺口球面圓盤作為圓盤扎輥式殘膜回收機的碎土部件。

除圓盤的材質外，其圓盤工作角度、圓盤刃角、圓盤曲率半徑及圓盤直徑等因素對圓盤性能都會產生影響。圓盤的結構圖如圖3所示。

2.1.1 圓盤直徑的選取

圓盤直徑D主要由碎土深度決定，經驗公式為[9]

D=Ka

(1)

其中，K為徑深比，范圍選取為3～5，碎土深度較大時取小值，反之取大值；a為設計碎土深度，20～40mm。

結構設計要求安裝在軸上的圓盤可實現自由轉動，則圓盤的直徑應符合如下公式，即

D>2a+d

(2)

式中d—中心安裝孔直徑。

a為設計碎土深度；d為中心安裝孔；o為曲率圓圓心；2φ為圓心角ρ為曲率半徑；γ為圓盤偏角；i為耙片刃角；δ為圓盤厚度

圖3 圓盤的結構參數

Fig.3 Structural parameters of a disc

2.1.2 曲率半徑的選取

圓盤曲率半徑ρ的選取與圓盤直徑D、圓盤偏角γ和徑深比K有關。曲率半徑的選取按照經驗公式選取，也可由下式計算，即

(3)

圓盤曲率半徑越小，其翻土性能越強，工作阻力越大；反之，圓盤曲率半徑越大，其翻土性能越差，工作阻力越小。

2.1.3 圓盤刃角的選取

圓盤刃角i的選取原則是在保證刃角口強度的前提下盡量取小刃角。只有圓盤刃角越小，圓盤才越鋒利，碎土時工作阻力才越小。因此，本文設計的圓盤刃角為20°。

2.1.4 圓盤厚度的選取

圓盤厚度δ的選取一般依據其工作負荷的大小進行，或應用下面經驗公式選取[10]，即

δ=0.008D

(4)

工作環境為黏重土壤時，δ=0.008D+1，常用圓盤厚度為3.5～6mm。

2.2 拾膜輥筒的設計

本設計中，殘膜的撿拾采用了扎膜式回收方式，扎膜輥式殘膜撿拾機構如圖4所示。扎膜輥式拾膜輥筒由拾膜桿齒、緊固螺母、固定螺母、軸承、主軸和輥筒等組成。考慮制作安裝方便，輥筒直徑為400mm，壁厚為4mm，輥筒作業寬度為900mm。為減少漏拾面積，輥筒壁上呈螺旋狀分布有64個桿齒固定孔，在輥筒外壁孔同心的位置上焊接螺母，對桿齒的一端進行套絲處理，用于和輥筒連接，且每根桿齒的螺紋端各配一個緊固螺母，方便桿齒緊固和拆卸。

1.拾膜桿齒 2.緊固螺母 3.固定螺母 4.軸承 5.主軸 6.輥筒圖4 扎輥撿拾機構的結構圖Fig.4 Structure of bar roll combination mechanism

2.2.1 拾膜桿齒的設計

本設計中拾膜桿齒的方式為扎膜方式，對桿齒的要求是在桿齒插入土壤的同時把殘地膜帶起。拾膜桿齒選擇經過熱處理后的45鋼，選取圓頭直桿齒、尖頭直桿齒和尖頭帶彎度桿齒3種不同形狀的拾膜桿齒，圖5所示。

圖5 拾膜桿齒結構簡圖Fig.5 Structure diagram of pickup rod tooth

2.2.2 排列方式

拾膜桿齒在入土的同時要盡量多地把土壤表面和土壤中的殘地膜扎起，桿齒在入土的過程中主要受土壤垂直向上的阻力，桿齒的軸向排列要均勻[11]。拾膜桿齒在輥筒上的排列方式為交叉螺旋式排列，其在土壤上的作用效果如圖6所示。輥筒旋轉1周的作用面積為A×B=1.130m2。拾膜桿齒間距要盡量小，但要避免桿齒排列過于密集，對殘膜造成破碎。兩相鄰桿齒的橫向間距a=100mm，縱向距離b=97mm。

2.2.3 拾膜桿齒運動軌跡

扎輥撿拾機構在工作時的運動包括隨拖拉機的前行運動和自身的圓周運動。當拾膜桿齒的入土速度過快時，沖擊力較大，桿齒易變形，影響其拾膜效果，還會對卸膜帶來困難；當拾膜桿齒的入土速度較慢時，出現漏拾現象，也會影響其拾膜效果。

圖6 拾膜桿齒作用在土壤上的效果Fig.6 The effect of picking up the tooth of the membrane in the soil

圖7為拾膜桿齒頂端M點在隨輥筒轉動時的運動軌跡，其M點的運動方程為

x=vt+rsinωty=rcosωt

(5)

式中v—拾膜機具前進速度(m/s)；

t—時間(s)；

ω—角速度(rad/s)；

r—輥筒中心到拾膜桿齒M點的距離mm。

圖7 拾膜桿齒頂端M點運動軌跡Fig.7 The motion trajectory of M point on the tooth tip of the pick up rod

2.3 卸膜機構的設計

卸膜機構由固定螺栓、刮膜膠板和弧形板組成，如圖8所示。其卸膜方式如下：當拾膜桿齒轉到卸膜板空隙(空隙寬度為d)位置時，拾膜桿齒與刮膜膠板接觸。圖9為拾膜桿齒轉過卸膜機構時與弧形板的位置關系。在拾膜桿齒轉過卸膜機構的過程中(拾膜桿齒尖部經過1～4個位置)，拾膜桿齒上的殘膜被刮膜膠板刮下后進入集膜箱。

1.固定螺栓 2.刮膜膠板 3.弧形板圖8 卸膜機構簡圖Fig.8 Structure diagram of Film unloading mechanism

圖9 拾膜桿齒與卸膜機構的位置關系Fig.9 Position relation between the position of the pickup rod

and the unloading mechanism

3 試驗驗證

圖10為殘膜回收機試驗過程。試驗選取地表較為平整的試驗用地進行覆膜，農用地膜寬度為800mm，厚度標準為0.010mm。田間試驗表明：機具作業速度選取4～5km/h、圓盤工作傾角選取20°～30°之間時，圓盤對邊膜覆土的碎土率為75%～90%，且能將邊膜翻出土壤表面。3種拾膜桿齒中，拾膜效果最佳的為尖頭帶彎度拾膜桿齒，其次為尖頭直桿齒和圓頭直桿齒；選取尖頭帶彎度拾膜桿齒時的拾膜率為80%～90%。

圖10 殘膜回收機試驗過程Fig.10 Process of Testing of residual film recycling machine

4 結論

圓盤扎輥式殘膜回收機主要用于種植行距在800mm以內的蔬菜平作覆膜種植，該回收機具結構簡單、制作成本較低，拾膜桿齒可拆換。機具試驗表明：邊膜碎土率為75%以上、殘膜回收率為80%以上，對邊膜的回收具有較好的作用，滿足農戶對殘膜回收機具的要求。

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Design of Disc-roller Residual Film Recycling Machine

Xie Jianhua, Yang Yelong, Sun Chaowei, Cao Xiaoran, Wang Kun

In this paper, we design a kind of recovery equipment of the disc roller type residual film. The working principle and design scheme of the recycling machine are described. The design of the main components of the disc and pick - up rod in the recovery equipment for the disc roller type residual film is designed. The arrangement mode and the motion track equation of the pick-up rod are determined. Test equipment to show that the net recovery of the machine is more than 80%.

recycling machine; disc-roller; the edge of ficm

2016-05-26

國家自然科學基金項目(51465057)

謝建華(1975-)，女，四川安岳人，副教授，碩士生導師，(E-mail)xjh199032@163.com。

S233.5

A

1003-188X(2017)06-0091-05