隨動式殘膜回收機撿拾裝置設計與試驗

楊松梅 顏利民 莫毅松 陳學庚 張慧明 蔣德莉

(1.吉林大學生物與農業工程學院， 長春 130022； 2.石河子大學機械電氣工程學院， 石河子 832003；3.常州漢森機械有限公司， 常州 213034)

0 引言

由于地膜覆蓋種植技術突出的抗旱保水優點，北方等干旱地區的農作物大幅增產增收[1]，但是大量破損的地膜殘留在土壤中[2-3]，對土壤造成嚴重影響[4-8]。依據當前地膜覆蓋現狀并結合我國國情，開發新型農業裝備回收地膜是解決當下問題的有效手段[9-12]。

我國多數地區使用的農膜厚度為0.006～0.008 mm，秋后機械化回收殘膜時，由于地膜過薄老化破損嚴重無法直接卷收，大量尺寸不一的碎膜散落在農田中。農業生產中地膜用量持續增加[9]，解決問題的根本在于使用并推廣具有一定厚度、力學性能、耐候性能的地膜。隨著國家對環保問題的重視，《聚乙烯吹塑農用地面覆蓋薄膜》強制性國家標準于2018年5月1日正式實施，新標準規定耐候農膜的最小厚度不小于0.01 mm，力學性能同時較原標準有很大提高，新標準的實施將提高地膜的可重復利用和可回收性[13]。

目前，我國科研人員自主研發出多種殘地膜回收機，其撿拾裝置有耙齒式、彈齒式、立桿式等多種形式[14-16]。由于上述撿拾裝置的設計主要基于原有地膜標準以回收破損后塊狀的殘膜為主，對于厚度較大的耐候地膜，秋季回收地膜時其完整性和強度較好，已有的殘膜回收機不適用于耐候地膜的撿拾回收工作。因此，在實施耐候地膜新標準的基礎上應創新性設計適用于回收耐候地膜的隨動式殘膜回收機。本文以隨動式殘膜回收機撿拾裝置為研究對象，通過分析其結構和工作參數，獲取最優值，為殘膜回收機撿拾裝置的設計提供參考。

1 隨動式殘膜回收機結構與工作原理

1.1 整機結構與工作原理

如圖1所示，棉花秸稈還田-隨動式殘膜回收聯合作業機中的隨動式殘膜回收機主要由機架、起膜裝置、撿拾裝置、脫膜裝置、清雜裝置、卷膜裝置等部件組成，其前端與棉花秸稈還田機通過機架相連接，作業時由拖拉機為秸稈還田機、卷膜裝置和清雜裝置提供動力。

圖1 棉花秸稈還田-隨動式殘膜回收聯合作業機結構圖Fig.1 Structure diagram of combined operation machine for straw chopping and residual plastic film collecting1.秸稈還田機 2.卷膜裝置 3.脫膜裝置 4.機架 5.連接架 6.撿拾裝置 7.清雜裝置 8.起膜裝置 9.清潔區 10.殘膜撿拾區 11.待撿拾殘膜區 12.秸稈清理區

作業時，拖拉機牽引機組前進，動力由拖拉機動力輸出軸傳遞給秸稈還田機刀軸，刀軸高速旋轉將棉花秸稈打碎后拋入秸稈螺旋輸送機，螺旋葉片將打碎的秸稈推送至機組兩側，秸稈還田機作業后地表棉花根茬高度為80 mm左右。秸稈還田機后側布置有液壓限深行走輪，其作用有：工作過程中的限深作用，即作業前通過調節液壓缸來調節秸稈還田機刀片離地高度，此高度決定棉花根茬的留茬高度；在行走過程中，液壓缸伸出，秸稈還田機上升并帶動殘膜回收機工作部件離開地面，便于運輸。秸稈還田機作業區域為秸稈清理區，如圖1所示，秸稈清理后的地表相對潔凈，為殘膜撿拾提供了良好的條件。秸稈清理后殘膜回收機撿拾殘膜，機組前進過程中撿拾釘齒刺破地膜、入土，在土壤的作用下撿拾釘齒與撿拾鏈板帶動撿拾滾筒繞兩側端板旋轉，同時帶動脫膜裝置工作。撿拾釘齒出土時在起膜裝置的輔助作用下，地膜附著在撿拾釘齒上，隨撿拾滾筒的轉動離開土壤，完成殘膜的撿拾工作。在圖1的視角下，隨撿拾釘齒繞撿拾滾筒逆時針旋轉，地膜逐漸翻轉，一部分地膜表面的雜質落入撿拾滾筒中的清雜螺旋輸送機中，另一部分地膜表面雜質隨著撿拾釘齒的繼續運動落入到連接架中間的雜質導流板中，最終進入上部螺旋輸送機中，由螺旋輸送機將雜質排出到機組兩側，完成殘膜回收的清雜工作。撿拾滾筒中的螺旋輸送機和上部螺旋輸送機的動力均由拖拉機提供。殘膜繼續隨撿拾釘齒運動，當運動到脫膜裝置位置時，由于耐候地膜的完整性和較大的強度，釘齒上的殘膜在脫膜裝置外圓的作用下，克服釘齒對殘膜的摩擦力，逐漸脫離釘齒機構而附著在脫膜裝置上，完成脫膜工作。殘膜最終由脫膜裝置落入到卷膜裝置中，卷收的殘膜由卷膜裝置液壓缸帶動卷膜裝置翻轉卸膜，最終殘膜落到地面上，完成殘膜回收工作。隨動式殘膜回收機連接架可繞脫膜裝置中心軸擺動，當撿拾滾筒遇到較大石塊等硬物時，撿拾滾筒抬起，防止撿拾及起膜裝置損壞。

1.2 撿拾裝置結構與工作原理

隨動式殘膜撿拾裝置由撿拾釘齒、傳動鏈板、撿拾滾筒組成，傳動鏈板環繞撿拾滾筒和脫膜裝置中心軸，其結構如圖2所示。

圖2 撿拾裝置結構簡圖Fig.2 Structural diagram of film collecting and removing device1.脫膜裝置 2.撿拾釘齒 3.傳動鏈板 4.撿拾滾筒 5.連接架

當拖拉機牽引機具作業時，撿拾釘齒在機具重力的作用下刺破地膜進入土壤，撿拾釘齒擾動土壤對土壤造成擠壓變形，土壤對撿拾釘齒產生反作用力，在機具及土壤反作用力作用下撿拾釘齒在土壤內轉動，隨之帶動傳動鏈板運動。隨著機組的前進傳動鏈板上的若干撿拾釘齒依次刺破地膜—進入土壤—退出土壤，形成連續穩定的運動，進而傳動鏈板帶動撿拾滾筒、脫膜裝置平穩轉動。由于起膜齒破壞膜下土壤板結結構便于膜土分離，同時輔助撿拾釘齒進行上膜，因此在撿拾釘齒退出土壤時，殘膜附著在撿拾釘齒上，隨撿拾釘齒向上運動，完成殘膜撿拾工作。

1.3 主要技術指標

隨動式殘膜撿拾裝置對應的農藝種植模式如圖3所示。其中，棉花種植模式為2膜12行，采用寬窄行種植模式，棉花行距為660 mm+100 mm，株距為130 mm，地膜寬度2 050 mm。

圖3 棉花寬窄行種植模式Fig.3 Planting pattern of cotton1.地膜 2.土壤 3.棉花秧苗

結合新疆棉花種植特點和動力計算結果，機組主要技術參數如表1所示。

1.4 耐候地膜力學性能

選取耐候殘膜為研究對象，測定其主要的力學性能參數，如表2所示。所測地膜厚度為0.01 mm，覆蓋時間約為180 d，力學性能試驗參照文獻[17]。試驗時將殘膜制備成縱向、橫向拉伸試樣，試樣寬度為10 mm，拉伸試驗機速度為500 mm/min。

表1 機具主要技術參數Tab.1 Main technical parameters of operation machine

表2 殘地膜力學性能參數Tab.2 Mechanical property of residual film

2 撿拾裝置結構設計與分析

2.1 撿拾釘齒

2.1.1撿拾釘齒結構設計

設計的撿拾釘齒垂直鉚接在傳動鏈板上，如圖4a所示，掛接在撿拾滾筒部分的撿拾釘齒其延長線經過撿拾滾筒圓心，如圖4b所示。由文獻[18]可知，撿拾釘齒長度L的最小值為

Lmin=Rtan(δ/2)tanφ

(1)

式中R——撿拾滾筒半徑，mm

δ——相鄰撿拾釘齒圓心角，rad

φ——土壤內摩擦角，(°)

圖4 撿拾釘齒結構示意圖Fig.4 Diagrams of collecting nail

由文獻[19]可知，當撿拾釘齒從入土到運動至鉛垂位置，此階段釘齒對土壤的擠壓有助于抵抗沉陷、同時起到一定推力的作用，而從鉛垂位置到出土的過程主要是增加了滾動阻力、消耗了能量。因此，為保證鏈板傳動的連續性和機組運行的穩定性，當撿拾釘齒進入土壤在達到鉛垂位置時，其后方與其相鄰的釘齒應開始進入土壤。因此，撿拾滾筒半徑R和撿拾釘齒長度L有如圖4b所示的直角三角形的幾何關系，由半角公式可知

(2)

同時，由于整機結構尺寸的限制，撿拾滾筒的半徑不宜過大，本文取撿拾滾筒半徑R為250 mm，土壤內摩擦角φ取33°，則由式(1)和式(2)可計算出撿拾釘齒長度L的最小值為50 mm。

在不考慮滑移的情況下，撿拾滾筒沿地面做純滾動，撿拾滾筒上的撿拾釘齒的運動軌跡是余擺線，撿拾釘齒端點的參數方程[20]為

(3)

式中θ——動圓滾過的角度，rad

分析撿拾釘齒的運動軌跡是設計參數的主要依據，撿拾釘齒在隨動過程中在地面形成刺孔，一般來說，刺孔越大則滾動阻力越大，能耗也越大[19]。根據式(3)及其參數的取值范圍，在Matlab中繪制圖形[21]，尋找刺孔面積S與L變化趨勢的關系。圖5所示是在撿拾滾筒半徑R為250 mm，撿拾釘齒長度L分別取50、75、100 mm時繪制的圖形，撿拾釘齒從圖像最高點進入土壤，圖像最低點為撿拾釘齒運動的最低位置，圖中釘齒軌跡所圍成的面積即撿拾釘齒在土壤中形成的單個刺孔面積的一半。

圖5 撿拾釘齒末端的軌跡Fig.5 Trajectory of end of collecting nail

分析圖5可知，當撿拾滾筒半徑R不變時，刺孔面積S隨撿拾釘齒長度L的增大而增大，因此為使能耗最小，在滿足功能要求的前提下撿拾釘齒長度L取其最小值50 mm，根據以往設計和實踐經驗，撿拾釘齒的直徑取10 mm。

2.1.2撿拾釘齒排列尺寸

撿拾釘齒在傳動鏈板上的安裝間距關系到殘膜回收機的工作性能。如前述分析可知，當撿拾釘齒進入土壤達到鉛垂位置時，其后方與其相鄰的釘齒應開始進入土壤，則根據圖4b所示的幾何關系，可以求得

δ=arccos(R/(R+L))

(4)

R為250 mm，L為50 mm，計算可得撿拾釘齒沿圓周方向的排列角度為33.6°，則撿拾釘齒安裝在傳動鏈板上的間距為150 mm。

2.2 撿拾滾筒

撿拾滾筒結構如圖6所示，其主體部分由柵格板和鏈板軌道圓環組成，其內部布置清雜螺旋輸送機構。兩側端板沿圓周方向各布置6個滾動軸承，撿拾滾筒無中心軸，其兩端搭接在滾動軸承上，與端板形成轉動連接，端板與連接架固定為一體，如圖6所示。撿拾滾筒徑向均布柵格板，柵格板之間的間隙便于雜質落入內部清雜裝置。撿拾滾筒軸向布置鏈板軌道圓環，圓環上均布圓孔，圓孔與傳動鏈板底部的圓柱配合傳遞動力。

圖6 撿拾滾筒簡圖Fig.6 Structure diagram of ground roller1.柵格板 2.圓環 3.端板 4.軸承

傳動鏈板沿撿拾滾筒軸向的排列關系到起膜及清雜效果等，傳動鏈板布置得越多起膜效果越好，當傳動鏈板達到一定數量時，其數量的增加對其起膜效果影響不大，對清雜的效果影響極大。2017年秋季試驗得到鏈板間距與起膜率、清雜率關系的單因素結果如圖7所示，同一膜面上布置的鏈板間距超過140 mm時，隨著鏈板間距的增大起膜率下降；當鏈板間距小于140 mm時，隨著間距的減小清雜率下降，膜面上大部分雜質無法通過鏈板間隙掉落到撿拾滾筒中的清雜裝置中，雜質隨鏈板運動到卷膜裝置，造成所收殘膜含雜率高。因此本設計取起膜率曲線和清雜率曲線交點處的鏈板間距值，即圓整后一個膜面寬度內布置16個傳動鏈板。

圖7 鏈板間距與起膜率、清雜率關系曲線Fig.7 Relationship line between chains distance and residual film collecting rate and straw removing rate

2.3 撿拾作業條件分析

2.3.1殘膜受力分析

秋后回收殘地膜時，地膜上存在播種時所覆土壤和少量的棉花秸稈。撿拾地膜時，地膜在撿拾釘齒拉力、膜上土壤重力的作用下發生變形，能夠完成殘膜順利撿拾的條件是殘膜所受拉力應小于其拉斷力。如圖8所示，殘膜受力情況為

(5)

式中FL——殘膜所受拉力，N

G1——單個苗行處相鄰撿拾釘齒撿拾殘膜中所含雜質的重力，N

fz——殘膜所受撿拾釘齒的摩擦力，N

Ω——撿拾釘齒與豎直方向夾角，(°)

標準化溝通是對體驗式教學方法的改進和深化，它打破了傳統的灌輸式模式，調動護生學習主動性和積極性，有利于提高護生實驗興趣，加深對護理知識的理解，使護生從“要我學”向“我要學”轉變[2]。設計劇本時，教師著重強調注意事項和操作要點，使護生在溝通交流的同時強化對理論知識的學習。

圖8 殘膜受力分析Fig.8 Force analysis of residual film1.殘膜 2.雜質 3.清雜裝置

分析可知，殘膜在位置1處所受拉力最大，此時殘膜所受拉力為G1。忽略雜質中少量棉稈的重力，根據播種時覆土的質量計算可得單個苗行150 mm長度內(相鄰撿拾釘齒間距為150 mm)覆土重力G1為1.6 N，假設G1只作用在10 mm寬度的殘膜上(撿拾釘齒直徑為10 mm)。根據表2可知殘地膜的縱向拉斷力為2.4 N，大于G1，因此，殘膜在撿拾過程中所受的拉力小于其縱向拉斷力，殘膜強度滿足裝置的撿拾要求。

2.3.2撿拾裝置作業條件分析

隨動式殘膜撿拾滾筒作業動力來自撿拾釘齒，撿拾釘齒在運動過程中若出現打滑現象則會對殘膜的回收產生重大影響。同時，撿拾滾筒支撐傳動鏈板作業，由于實際工作狀態下撿拾滾筒與土壤接觸后存在土壤變形現象，因此，分析撿拾釘齒及撿拾滾筒在土壤中的受力情況尤為重要。

當拖拉機帶動殘膜撿拾裝置前進作業時，由上述分析可知，撿拾釘齒的受力可以分成兩種情況，即撿拾釘齒從進入土壤到運動至鉛垂位置、從鉛垂位置運動到離開土壤，且工作時每組撿拾釘齒機構同時有兩個撿拾釘齒入土。如圖9a所示，撿拾釘齒帶動撿拾滾筒逆時針旋轉，入土的釘齒受到土壤對其反作用力及摩擦力。

圖9 撿拾釘齒與撿拾滾筒的受力分析Fig.9 Force analyses of colleting nail and ground roller

機具作業時撿拾釘齒需克服機具內部摩擦力、帶動撿拾滾筒及其他阻力矩，撿拾滾筒的受力參考剛性光滑輪受力情況[22-25]，如圖9b所示。

綜合圖9可知，撿拾釘齒和撿拾滾筒滾動而不產生滑動的臨界條件是

(6)

式中F1、F2——土壤對撿拾釘齒的反作用力，N

f1、f2——土壤對撿拾釘齒的摩擦力，N

θ1、θ2——撿拾釘齒與豎直方向夾角，rad

Ft——撿拾滾筒所受牽引力，N

Rx——撿拾滾筒所受土壤支撐面的水平行走阻力，N

G——撿拾滾筒所承受的載荷，N

a——地面反作用力的合力作用點與撿拾滾筒垂直中心線的距離，m

h——地面反作用力的合力作用點與撿拾滾筒水平中心線的距離，m

Mf——總阻力矩，N·m

L1、L2——土壤對釘齒垂直向作用力力臂，m

3 田間試驗與結果分析

3.1 試驗條件

為檢驗隨動式殘膜撿拾裝置的田間作業性能，驗證其撿拾裝置的可靠性，于2018年5月在新疆兵團第一師12團進行了田間作業性能試驗，作業地塊為棉花收獲后的棉田，地面平整，滴灌帶已經取出，試驗用地面積約為30 hm2。配套動力機具為雷沃904型輪式拖拉機，殘膜回收機試驗前經調試運行狀況良好。

試驗田地膜為厚度0.01 mm的耐候地膜，幅寬為2 050 mm，鋪設寬度為1 900 mm，鋪設時間約為380 d，殘膜的力學性能參照表2。

3.2 試驗方法

按照GB/T 25412—2010 《殘地膜回收機》規定的試驗方法進行隨動式殘膜回收機田間作業性能試驗(圖10)。試驗選取殘膜回收率為試驗指標，同時考察撿拾裝置的運動情況。

圖10 試驗機具Fig.10 Experimental machine

試驗小區在試驗地塊隨機選取，試驗在一個膜幅上進行，測試區長度為50 m，殘膜回收試驗重復5次，試驗結果取5次測試結果的平均值。殘膜回收率ε的計算式[26]為

(7)

式中M1——收膜作業后地表剩余殘膜質量，g

M0——試驗田當年地膜投入量，g

3.3 試驗結果與討論

隨動式殘膜回收機殘膜回收率田間試驗結果如表3所示。

表3 田間試驗結果Tab.3 Result of field experiment

由試驗結果可以得出，隨動式殘膜回收機殘膜回收率為89.54%，撿拾裝置能夠在起膜裝置的輔助作用下將殘地膜撿拾起來，運送到脫膜裝置進行脫膜，并在此過程中膜面翻轉、雜質掉落進行清雜，殘膜撿拾率達到國家和行業標準要求，殘膜機工作正常，運行狀況良好、性能參數穩定，作業前后對比及地膜撿拾效果如圖11所示。

圖11 田間試驗Fig.11 Field experiment

試驗過程中發現，殘膜回收率隨機組前進速度的增加有減小的趨勢，當機組作業速度保持在4.0～4.4 km/h范圍時，殘膜回收率和工作效率能夠保持較好的平衡。當機組前進速度過高時，撿拾釘齒與土壤接觸時間縮短，不能形成穩定的刺孔而產生滑移，因此發生滑移位置的殘膜無法及時撿拾而撕裂，進而留在土壤中造成殘膜漏收，影響機組工作的連續性；同時機組前進速度過高時，殘膜從起膜到脫膜過程時間過短，雜余沒有足夠的時間掉落使得膜雜分離不徹底。殘膜回收過程表明，由于試驗地塊采用了厚度、強度較大的耐候地膜，保持了收獲后地膜的完整性，使得在脫膜過程中完整的地膜可以在脫膜裝置的支撐下從撿拾釘齒上順利剝離。

此次春季試驗存在的不足之處是地膜經過一個冬天，由于鋪設時間過長，其完整性和力學性能與秋季試驗相比會有所下降；作業條件與秋天存在較大差距，膜面上存在一些倒伏的棉花秸稈，對機組作業效果和殘膜回收率造成了一些影響；同時試驗地塊寬窄苗行處地表粗糙度較大，其表面的部分殘膜由于起膜齒未壓入凹陷處地表下，從而出現凹陷處地膜與已收起地膜撕裂，造成殘膜漏收的情況，該現象從另一方面證明只要起膜齒托起地膜，撿拾裝置可以將地膜挑起完成上膜。

4 結論

(1)對隨動式殘膜撿拾裝置進行了設計，通過對撿拾釘齒和撿拾滾筒的理論計算及運動軌跡分析，確定了撿拾滾筒半徑、撿拾釘齒的結構尺寸和排列形式；對鏈板間距進行了單因素試驗，分析試驗結果獲得了最佳鏈板間距。

(2)對耐候殘膜的力學特性進行了測試和分析，得到了橫、縱向拉伸載荷等關鍵參數，對撿拾過程中地膜的受力情況進行了計算，結果表明撿拾過程中殘地膜的受力小于其縱向拉斷力。

(3)田間試驗表明，當機具前進速度保持在4.0～4.4 km/h范圍時，隨動式殘膜回收機的殘膜回收率為89.54%，說明殘膜回收機撿拾裝置滿足設計和使用要求。