自走式山地割膜耙膜卷膜一體機的設計與試驗

張大斌，劉祖國，余朝靜，盧 澤，曹 陽

(貴州大學 機械工程學院，貴陽 550025)

0 引言

目前，地膜覆蓋技術已廣泛用于農業的種植和生產，但由于農民在地膜回收方面不夠重視，導致大量地膜殘留在田間，嚴重地影響了土壤結構，大大降低了來年的收成[1-5]。因此，開展地膜回收機械化的研究具有重要意義。

從我國對殘膜回收的類型來看，殘膜回收機主要分為3個階段進行地膜的回收，分別是苗期、秋后、播種前。其中，秋后和播種前主要的收膜方式是耙爪式且研究較為成熟，而針對苗期作物殘膜回收機械的研究較少。雖然目前已經有了苗期地膜回收機械，但大多采用的是懸掛的方式進行殘膜回收[6-7]，針對的是無壟種植模式的地膜回收，這些機型無法適應山區壟間地膜的回收作業。為此，研制了一種可靠性較高、田間通過性較強的自走式山地割膜、耙膜及卷膜一體機，并通過田間單因素和多因素試驗，確定了最佳的作業參數，降低了作業成本，有效保證了地膜的完整性，實現了地膜回收再利用。

1 整機結構及工作原理

1.1 農藝指標和整機結構

本文主要針對的是我國西南山區煙草苗期地膜的回收，根據山區的農藝要求可知，煙農在種植煙草過程中的起壟標準大多都是采用單壟種植的標準，壟距為1 050～1 150mm，壟高為250～300mm，地膜厚度為0.008～0.01mm中，大多采用的是0.008mm的厚度，寬度為1 200mm。在鋪設地膜時，壟溝兩側均需要翻起300～500mm的土覆蓋在地膜上，防止地膜被風吹起和起到保溫的作用。地膜鋪設好后，需要打追肥孔，方便施肥和種植煙苗，根據相關文獻可知，揭膜的最佳時間是在煙苗生長的旺長期，如圖1所示。

圖1 農藝種植作物指標

依據農藝要求設計了一種自走式山地割膜、耙膜、卷膜一體機，其主要由耙膜主件、發動機、割膜刀、收膜箱及琉璃條等關鍵部件組成，如圖2所示。工作時，整機前進主要由割膜刀從壟中間割開，再由耙膜主件把膜趴到壟溝，通過發動機傳動軸由皮帶帶動變速器輸出經過皮帶輪帶動卷膜傳送帶，進行卷膜-收膜操作。

1.2 煙草地膜回收機技術指標

根據煙農種植煙草的農藝要求和本課題對技術經濟指標規定，設計的地膜回收機應當達到如下指標：

配套動力/kW：宗申汽油發動機(8kW)

殘膜回收率/%：≥90

作業速度/km·h-1：≥1.1

生產率/ hm2·h-1：≥0.12

工作幅寬/mm：1 100～1 200

(a) 整機左視圖

(b) 整機主視圖

1.3 傳動系統

傳統收膜機的行走機構主要分為牽引式和自走式兩種方式，由于本設計主要是在山地煙田中行走，如果采用牽引式將會損傷煙葉，應采用龍門式的結構，所以本文優先考慮自走式的方式，利用變速箱進行速度的匹配。整機的傳動系統如圖3所示。

本設計中采用的動力源為宗申牌汽油發動機，將其安裝在地膜回收機的機架上通過皮帶將動力傳遞到變速箱內，再通過齒輪和過渡鏈輪一部分傳遞到卷膜輥軸，一部分傳遞到行走輪上；通過機具行走帶動地膜鏟將掩埋在土壤下的地膜鏟除，再通過皮帶式卷膜輥將地膜挑起并在機架上設置有護苗板，在保證收膜率的請況下能有效防止傷苗。

1.驅動鏈輪 2.變速箱輸出軸 3.過渡齒輪 4.過渡齒輪 5.分動鏈輪 6.輸出鏈輪 7.過渡鏈輪 8.分動皮帶卷膜輥鏈輪 9.皮帶卷膜輥軸 10.過渡鏈輪 11.行走輪軸 12.行走鏈輪 13.過渡鏈輪 14.變速箱 15.發動機輸出軸 16.發動機皮帶輪 17.變速箱皮帶輪

2 功率匹配

2.1 行走功率

揭膜機行走過程中，地膜鏟與地面摩擦，受行走阻力約束，其行走部件所需功率與機組的前進速度、整機質量及土壤狀況有關。行走功率為

P1=mgfvδ

式中P1—行走功率(W);

m—整機總質量(kg);

g—物體重力的常數，取值9.8N/kg ;

f—滾動阻力系數；

v—機組行走速度(m/s)，v=0.6;

δ—經驗系數，取3～4。

整機質量為250kg,f取0.8，經計算v=0.6m/s,δ取3.5。因此，P1=mgfvδ=3kW。

2.2 卷膜功率

卷膜功率公式為

P輥=F輥×V輥

V=ω×r=190mm/s

式中V輥—卷膜輥額定線速度約為0.2m/s。

依據經驗可取F輥=100N，可得P輥=20W。

由于滾筒是兩個，所以P輥=40W，輸出到卷膜輥時經過了5級傳動(3級鏈傳動，2級減速箱傳動)可得到需要發動機輸出的功率為：P輥=40/0.85=122W。地膜鏟功率為

P鏟=F阻×V

通過試驗經驗取F阻=600N，V為機具行走的速度取0.6m/s。由此可以計算出P鏟=3 600W。

由于在機具傳遞動力時有一部分要用來克服鏈輪摩擦及變速箱內部所損失的功，所以在計算總功率時需要確定傳遞的效率來確定發動真實應當確定的功率，則有

發動機總功率最小值應為

根據上述分析可以知道選用8kW的發動機滿足要求,額定功率為2 400r/min。

3 主要工作部件

3.1 送膜及收膜機構設計

在整個回收地膜系統中，送膜裝置主要由挑膜齒、皮帶及帶動皮帶旋轉的滾筒組成，在皮帶上設置的挑膜齒呈弧形排列，使得在挑膜時地膜向皮帶中間靠攏，不致使地膜卡在滾筒內。卸膜裝置中，在卸膜箱上設置有卸膜齒且卸膜齒與挑膜齒之間的排列方式也是呈錯位排列的方式且有一定的間隙，有效地防止地膜一直纏在皮帶齒上造成的滯留堵塞現象。由于揭膜機在作業過程中會倒退，而皮帶卷膜輥轉動方向也會發生變化，為了避免挑膜齒與卸膜箱發生剛性接觸，使挑膜齒發生失效，在卸膜箱中的卸膜齒板設為可前后移動，可有效防止因揭膜機倒退發生的剛性接觸，如圖4所示。

(a) 三維圖 (b) 二維平面圖

其中，各部分都是利用幅度為2mm的鋼板焊接而成的，長×寬×高=700mm×200mm×350mm，利用卸膜板上分布的齒將地膜刮入收膜箱中。

國內對于地膜回收機的研究中送膜方式多數采用的是氣吸/氣吹和偏心伸縮式的方式直接將地膜從田間回收到收膜箱內，采用這種方式回收地膜回收率不高還會出現卡死、堵塞的現象且脫膜困難。所以，本設計采用的是皮帶式送膜，帶齒式收膜箱收膜的方式將地膜進行收集。輸送皮帶與地面的水平角度不能太大，如果太大，地膜由于自身的重力將會出現下滑，為了避免這種現象的發生，設計中采用的皮帶為帶齒式的皮帶。為了收膜箱能夠順利地將輸送過來的地膜刮下，設計中皮帶上的齒為錯位排列的方式進行排布，能夠有效地提高地膜的回收率且保證地膜回收過程的穩定性，如圖5所示。

1.煙田地膜 2.傳動軸1 3.輸送皮帶 4.挑膜齒 5.傳動軸2 6.收膜箱

在對輸送帶進行設計中，主要考慮的因素是地膜回收率及軸的轉速。地膜的回收率公式為

Q=SVK

式中Q—回收率(m3/s)；

V—皮帶的線速度(m/s)；

K—輸送帶與地面的夾角對回收率的影響系數；

S—皮帶的橫向寬度的面積。

工作中，由于皮帶安置在機架內側，設計中壟溝的寬度取最大400mm，所以皮帶可工作地區域局限在150～200mm之間，再通過將回收效率及機具工作時的實際參數代入即可以求出皮帶的橫向寬度的面積約為138mm。

在皮帶輸送過程中，對皮帶的作業強度也有一定的要求，根據經驗公式有

式中Z—代表輸送帶的厚度；

F—在工作過程中皮帶受到的最大張力；

B—皮帶的寬度；

σ—輸送帶縱向扯斷強度(N/m)；

n—安全系數。

根據上述公式即可驗證設計是否滿足強度要求。

需要對輸送帶的長度進行設計，長度的設計牽涉到是否能更好地與地膜鏟與行走速度的配合。根據工況條件，皮帶設置為長方形狀，依據公式有

L=πD

式中D—卷膜滾筒的直徑。

在設計中卷膜滾筒的直徑設置為80mm,將其代入公式中即可得到，皮帶上的水平距離(不包括兩邊半圓弧)251.2mm。

圖6 挑膜齒的排列圖

3.2 護苗機構設計

護苗機構主要是在回收地膜過程中防止煙葉被機架及地膜鏟和卷膜輥刮傷煙葉，其通過控制伸縮管架來調節扶苗機構的長短，有效保證了煙葉是附在流利條上。由于割膜刀要沿著煙稈根部將地膜劃開，所以在保證伸縮管架緊貼在煙桿根部，依靠自身重力割膜刀將進行割膜。設計中，采用流利條來護煙葉，將以往的滑動摩擦變為滾動摩擦，大大降低了煙葉的損傷，提高了地膜的回收率。此結構主要由支撐管架、流利條、伸縮管架及割膜刀等構成。

通過農藝要求可以知道：壟溝的設置寬度設置為400mm，設置為1 100mm。根據煙田起壟的壟面的傾斜度以及壟面到壟溝的距離，設置流利條的寬度為134mm，長度設為817mm。支撐管架是連接在機架上，所以設置長度為27mm，寬度為143mm，如圖7所示。

圖7 護苗機構尺寸側視圖

4 田間試驗

4.1 試驗場地建設

為了進行田間試驗，項目組在貴州大學農場內種植了煙苗，并按照農藝要求將地膜厚度為0.008mm的地膜覆在壟上。煙田的總體長為30m，寬為25m，壟溝平整，煙田中有少量雜草，將壟溝兩側的地膜掩埋在0.015～0.03m之間，由宗申188F牌發動機提供動力。整機田間試驗如圖8所示。

圖8 田間試驗

4.2 單因素試驗結果與分析

在作業過程中，前進速度是影響整機收膜率的因素之一，先分別設定前進速度為0.2、0.3、0.4、0.5m/s的4種作業速度，并記錄試驗現象和參數，得到試驗結果如表1所示。

地膜鏟在作業過程中也是影響作業性能及收膜率的因素之一，通過將地膜鏟的入土深度控制在0.04、0.05、0.06m的深度，將力傳感器設置在地膜鏟上，觀察膜土分離效果及阻力變化情況，得到結果如表2所示。

表1 作業速度對地膜回收率的影響

表2 不同入土深度膜土分離效果

挑膜齒的安裝角度也是影響地膜回收率的因素，在收膜過程中能否有效的保證地膜完整性及回收再利用，挑膜齒的安裝角度是關鍵。由于挑膜齒是可拆卸的，可以將挑膜齒的安裝角度設置為30°、60°、90°、120°，得到試驗結果如表3所示。

表3 挑膜齒安裝角度對地膜完整性的影響

4.3 多因素試驗結果與分析

地膜回收率是評價整機工作性能的關鍵指標[8]，通過設計一組正交試驗，研究作業速度、地膜鏟入土深度及挑膜齒安裝角度3因素對地膜回收率的影響。

在試驗過程中，將地膜回收率作為評價指標(%)、作業速度(m/s)、地膜鏟入土深度(m)及挑膜齒安裝角度(°)為實驗因素，每組因素設置3個水平進行正交試驗。試驗因素水平和正交試驗結果如表4和表5所示。

表4 試驗因素水平

表5 正交試驗設計與試驗結果

續表5

通過對各個因素進行分析、計算可得到顯著性和正交試驗方差如表6所示。其中，偏差平方和為S，自由度為f，均方為MS，F比為Si/SE。

表6 顯著性和正交試驗方差

4.4 試驗結果分析

由表6中的顯著性和正交試驗方差可以看出：整機在田間試驗過程中因素A[作業速度(m/s)]對試驗指標的影響相對于因素B和因素要顯著，而因素C相對于因素B要顯著。所以，得到三因素的主次順序依次為A，C，B。通過表5中的偏差(Kij)可以得到：地膜回收率試驗最優的組合為A2B1C2,即當作業速度為0.3m/s、地膜鏟入土深度0.04m、挑膜齒安裝角度90°時，地膜回收率可以達到95%。

5 結論

自走式山地割膜耙膜卷膜多功能一體機是在研究秋后及播種前殘膜回收機的基礎上設計的，主要在作物苗期時進行地膜的回收，能有效保證地膜的完整性，大大改善了人工揭膜效率低的問題。此外，對卷模皮帶和收膜箱的設計使得整機能夠自動完成卷膜和收膜的過程，通過田間單因素與多因素試驗得到了最優參數匹配，且多功能一體機的各項指標達到設計要求。

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