一種玉米地殘膜撿拾機的設計與試驗

王建吉，孫旖彤，彌 寧，敬志臣，帥忠奎

(1.隴東學院 機械工程學院，甘肅 慶陽 745000；2.慶陽市前進機械制造有限公司，甘肅 慶陽 745000)

0 引言

干旱地區農作物種植采用地膜覆蓋技術，可起到抗旱保墑、除草保肥的作用，從而達到增產的目的。據統計，2017年甘肅省地膜覆蓋總面積達到195.5萬hm2，地膜使用量超過17萬t。地膜技術在保障農作物增產增收的同時，廢棄的地膜殘留在土壤中，破壞了生態環境[1]。為了降低殘膜的危害，農機研究人員設計和發明了各種殘膜撿拾機回收廢棄的地膜，將其回收再利用。然而，由于殘膜風化和農作物根莖黏附在一起，造成撿拾殘膜難度大。當前國內研制的殘膜撿拾機大致有5種，即滾筒伸縮式、耙齒式、氣吸式、鏈齒式、彈齒式。針對這5種結構，研究人員做了不同形式的改進和優化。

李亞麗等[2]為了卸膜方便設計了一種錐形卷膜輥，當纏繞在卷膜輥上的殘膜達到一定厚度時，停機取下卷膜輥，拆掉撿膜齒，人工從兩端將殘膜拽下。該結構雖然卸膜相對容易，但卷膜輥和撿膜齒的連接可靠性低，連接過緊，卸膜時不容易拆除，連接過松，撿膜齒工作時容易脫落。張琴等[3]對殘膜撿拾機起膜鏟進行了優化，設計了一種柵叉式起膜鏟，減小了土壤對起膜鏟的阻力。賈晶霞等[4]對挖掘鏟的參數進行了優化，通過有限元分析發現，凹面鏟的挖掘性能優于平面鏟。劉青海[5]發明的彈齒式殘膜撿拾機，撿膜率高，膜土分離也很干凈；但卸膜困難，依靠人工用刀割的方法，卸膜時間長嚴重影響了整個作業效率；后期雖然改進了卸膜機構，但由于農業機械作業環境差，將撿膜齒與撿膜架采用螺紋連接，金屬生銹后不易卸下，所以仍存在卸膜難的問題。陳智[6]發明了錐形卷膜輥，提高了卸膜效率，對于膜厚尺寸大的殘膜使用效果良好。戴飛等[7-9]結合當地農藝要求，設計了全膜雙壟溝殘膜撿拾機，考慮了地形結構、起膜深度等因素，并通過室內試驗驗證了設計的合理性。以上的研究均未考慮硬茬農作物根茬對撿膜效果的影響，尤其在隴東地區，玉米根茬粗大，氣候條件惡劣，地膜和根茬黏附在一起，采用常用機具，很難將殘膜撿拾干凈。

本文在深入分析現有殘膜撿拾機的優缺點后，在功能和結構上進行了改進，并結合甘肅省本地土壤的特征和現有的破茬裝置[10-12]，設計了一種新型的玉米地破茬殘膜撿拾機。該機由深松機構、破茬機構、仿地形起膜機構、撿拾機構、卸齒機構及切膜機構等部件組成。同時，對關鍵零部件載荷進行了計算和應力分析，結構優化后加工制造樣機，經過田間試驗驗證，基本達到預期目的。

1 整機機構及工作原理

1.1 整機結構

殘膜撿拾機由機架、傳動系統、深松器、破茬組件、挑膜齒、撿膜組件、卸齒機構、割膜裝置及地輪等部分組成，如圖1所示。其中，破茬組件由3組可沿軸向移動的刀盤組成，動力通過帶傳動傳遞；挑膜機構由挑膜齒和彈簧組成，挑膜齒具有仿地形的性能；卸膜機構通過扳手推動撿膜齒架，使得撿膜齒從卡槽中退出；割膜裝置由切片、切片電機、絲杠及絲杠電機組成。

(a) 主視圖

(b) 俯視圖 1.機架 2.減速換向器 3.深松器 4.破茬機構 5.撿膜割膜機構 6.挑膜齒 7.地輪圖1 殘膜撿拾機結構示意圖Fig.1 The structure sketch map of the pickup machine for residual plastic film

1.2 工作原理

工作時，利用四輪拖拉機三點懸掛牽引，拖拉機動力輸出軸與減速換向器輸入軸連接，換向減速器通過帶傳動，帶動破茬裝置和撿拾機構轉動。深松器與機架相連接，調節兩個深松器的距離，使之與田地壟寬相同，將壟兩側土翻起，便于殘膜撿拾。挑膜齒將地膜與地面分離，并做高速旋轉運動，齒尖將地膜挑起纏繞在卷膜輥上；當卷膜輥上的廢膜纏繞到一定厚度時，停機，扳動撿膜齒架，將撿膜齒從撿膜齒架上的卡槽退出；啟動切片電機和絲杠電機，切片將卷膜輥上的膜沿軸向切開，再人工轉動卷膜輥，使之轉動180°，再切一刀，殘膜將從卷膜輥上自動脫落；待膜脫落后，將撿膜齒插入撿膜齒架的卡槽中，完成1個周期的殘膜撿拾工作。

1.3 基本參數

結合當地農藝參數，樣機在工作過程中的性能指標及基本技術參數如表1所示。

表1 殘膜撿拾機基本參數Table 1 The essential parameter of the residual film pickup machine

2 核心部件設計

殘膜撿拾機核心部件包括深松鏟、破茬機構、起膜機構及撿膜機構等，各部分的幾何尺寸對整機的可靠性和撿拾效果均有影響。

2.1 深松鏟設計

雙壟溝種植玉米覆膜后，壟兩側地膜被壓實，由于地膜長期和土壤接觸，在殘膜撿拾時，壟兩側的殘膜不容易直接被撿膜齒撿拾，這也是造成現有殘膜撿拾機撿拾率地的一個重要原因。本設計采用一種深松鏟將壟兩側土壤疏松，便于殘膜撿拾，結構和受力分析如圖2所示。

1.支撐架 2.調節螺栓 3.入土鏟圖2 深松器結構與受力分析Fig.2 The Structure and force analysis of deep looser

為了適用不同參數的土壤，通過調節深松器螺母，調整鏟尖的入土角，達到不同的入土深度要求。入土深度影響深松器的工作阻力，通過對深松器進行受力分析，可得到深松器工作阻力與深松器及土壤參數之間的關系。根據式(1)可計算出工作阻力FR的大小，即

(1)

其中，FR為深松器工作阻力；G為深松器上土壤與地膜的質量；n為深松器個數；C為土壤內聚力系數；A為土壤剪切面積；T為土壤沿深松器面運動的驅動力 ；δ為鏟面傾角；μ為土壤內摩擦因數；γ為土壤與金屬附著力參數；μq為深松器與土的摩擦因數。

2.2 破茬結構設計

2.2.1 結構設計

破茬機構由3組刀盤組成，每個刀盤安裝4把圓弧刀，根據玉米行間距調節刀盤之間的軸向距離，如圖3所示。拖拉機牽引機器向前運動，輸出軸通過換向器后，利用帶傳動帶動刀輥旋轉，刀輥傳遞扭矩使得刀盤轉動；圓弧刀入土后，土壤和根茬的阻力迫使圓弧刀有向前局部滑移實現破茬，同時隨刀盤繞刀輥轉動。根據當地實際情況，一般玉米收割后，根茬伸出地面約100mm，設計刀盤回轉半徑為300mm。

1.破茬刀 2.刀架 3.傳動軸圖3 破茬刀組件示意圖Fig.3 The Schematic diagram of stubble cutter assembly

2.2.2 運動分析

以刀尖的運動為研究對象，分析其運動軌跡。以刀盤回轉中心為坐標原點，設刀尖坐標為M(x,y)，在水平面內，以拖拉機運動方向為橫坐標，垂直方向為縱坐標，建立坐標系，刀尖運動為轉動和移動的合成運動。刀尖運動示意圖如圖4所示，其運動函數為

(2)

其中，v為拖拉機牽引速度(m/s)；ω為刀盤角速度(rad/s)；r為刀盤半徑(mm)；t為時間(s)。根據式(3)確定刀盤轉速，即

(3)

圖4 刀尖運動分析示意圖Fig.4 A sketch map of tool tip motion analysis

2.3 挑膜機構設計

2.3.1 挑膜齒結構設計

由于西北地區殘膜撿拾一般都在春播前或秋收后，地膜風化后和土壤板結在一起，所以在撿拾殘膜作業時，利用挑膜機構將一定深度的土壤和地膜一起挑起，在疏松土壤的同時，將大部分地膜與土壤分離，漂浮在地表，便于撿膜齒撿拾。挑膜齒與機架采用鉸鏈連接，挑膜齒后端利用彈簧彈性固定在機架上，如圖5所示。

圖5 挑膜齒示意圖Fig.5 The structure sketch map of the membrane tooth

由于地面凹凸不平，齒尖受力也不斷變化，為了對挑膜齒的剛度和強度進行分析，根據文獻[2]的計算方法，工作阻力挑膜齒結構參數有關，具體大小根據式(4)計算，即

F=ρgBT2tan(α+φ)

(4)

其中，g為重力加速度；ρ為土壤密度；B為挑膜齒工作寬度，取1 100mm；T為撿拾齒入土深度，取60～100mm；α為挑膜齒刃傾角，取18°；φ為土壤和金屬的摩擦因數。

2.3.2 挑膜齒有限元靜力學分析

為了驗證結構設計的合理性，對挑膜齒進行靜強度分析，將挑膜齒結構參數帶入式(4)中，計算挑膜齒的工作阻力的大小約為400N。利用ANSYS軟件，分析挑膜齒的應力和變形分布，分析結果如圖6和圖7所示。由圖6可以看出，變形最大出現在齒尖，最大變形量為1.155mm；由圖7可以看出：應力最大值出現在挑膜齒連接鉸鏈處，最大應力為103.62MPa，最小值出現在齒尖。由于應力最大值小于材料的許用應力235MPa，證明挑膜齒能夠達到應用要求。但是，為了提高挑膜齒可靠性，仍需進行結構優化。

圖6 挑膜齒應變圖Fig.6 The strainFigure of the membrane tooth

圖7 挑膜齒應力圖Fig.7 The stressFigure of the membrane tooth

2.4 撿膜割膜組件設計

2.4.1 撿膜機構設計及工作原理

撿膜齒利用卡槽安裝在撿膜齒架上，借助于彈簧的彈性力將撿膜齒壓緊在卡槽當中。撿膜齒架端部加工成四方體，與卷膜輥的四方孔配合連接，通過帶傳動提供動力做旋轉運動，利用撿膜齒齒尖將地膜從土壤中挑起使其纏繞在卷膜輥上面，如圖8所示。為了保證撿膜齒有足夠的強度和剛度，選擇撿膜齒長度為420mm，直徑為15mm，需淬火處理；采用單排11個齒，如果布置多排齒，使得單位時間內齒接觸地膜的次數增多，將地膜撕破，留在地表而不能纏繞在卷膜輥上。

1.帶輪 2.彈簧 3.撿膜齒 4.撿膜齒架 5.卷膜輥圖8 撿膜機構示意圖Fig.8 The schematic diagram of film picking mechanism

2.4.2 割膜工作原理及零部件設計

當卷膜輥上的殘膜達到一定厚度時，應停機，將卸齒扳手向上抬起，把撿膜齒從撿膜齒架上拔出；調節卷膜輥角度，使得切片與卷膜輥表面的凹槽對齊；啟動絲杠電機和切片電機，切片將纏繞在沿卷膜輥的殘膜沿軸向切開，待切片走刀至起始位置時，將卷膜輥旋轉180°；再重復切一次，這時地膜在重力作用下，掉在地面上，割膜工作結束。切片直徑為150mm, 絲杠電機和切片電機功率為1kW,結構如圖9所示。

1.絲杠 2.機架 3.絲杠電機 4.切片電機 5.卸齒扳手圖9 撿膜割膜部件圖Fig.9 Picking up the film and cutting the membrane part diagram

2.4.3 撿膜齒應力分析

為了驗證撿膜齒在工作阻力作用下的可靠性，對挑膜齒利用ANSYS軟件進行應變分析，挑膜齒材料為Q235，齒尖受土壤和廢膜的阻力，通過計算加載在齒尖的載荷為400N。模擬靜力學變形過程，變形結果如圖10所示。其齒尖變形量最大，最大值為0.724mm，變形量能夠滿足設計要求。

圖10 撿膜齒應變圖Fig.10 The picking up film tooth strain diagram

3 試驗方法

根據殘膜撿拾機使用標準，撿拾率和破茬率是衡量機器性能的重要指標，具體計算方法如下。

3.1 撿拾率計算

在試驗田隨機選取5段20m的玉米地作為試驗地段，根據種植經驗計算20m所需要地膜的質量m1；然后開始計時，利用殘膜撿拾機撿拾收集殘膜，將每段玉米地的殘膜分別保存；撿拾結束后，把每段所撿拾的殘膜洗凈曬干后稱重，設質量為m2，分別利用下式計算撿拾率η，然后求平均值，有

3.2 破茬率計算

破茬的目的不僅為了提高撿拾率，也是為了保護挑膜齒，減小其彎矩，提高使用壽命。參考文獻可知，根茬破茬率表達式為

其中，ε為破茬率；np為被破茬刀破開的根茬的數量；nz為試驗段總的根茬數量。

4 田間試驗

4.1 試驗方法

殘膜撿拾機樣機2018年3月在甘肅省慶陽市西峰區進行田間試驗。試驗地為全膜玉米地，土壤為黃綿土，配套動力為29.4kW雷沃-404輪式拖拉機，土壤堅實度1 138kPa。深松器入土角度可通過調節螺栓調節，挑膜齒的入土深度通過挑膜齒上的銷孔調節。為了選擇不同的土壤含水率，田間試驗選擇雨后，隔一天試驗一次。試驗按照殘膜撿拾機田間試驗標準進行，試驗樣機如圖11所示，主要影響因素如表2所示。

圖11 試驗樣機圖片Fig.11 The test prototype picture表2 主要影響因素Table 2 The main influencing factors

序號入土深度A/mm牽引速度B/m·s-1土壤含水率C/%1601.013.82801.214.531001.518.6

4.2 試驗結果及分析

采用正交試驗的方法[13]，設計試驗方案，驗證含水率、入土深度、牽引速度3個因素對殘膜撿拾率的影響，試驗結果如表3所示。

表3 試驗結果對照表Table 3 The comparison of test results

由表3可以看出：挑膜齒入土深度越大，撿拾效果越好。這是由于挑膜齒入土深可將地表的殘膜有效的托起，使其與土壤分離，漂浮在地表之上，便于撿膜齒的撿拾。含水率過低時，土壤干燥，挑膜齒容易犁過土壤將地膜劃破，不便于地膜撿拾；含水率過高時，挑膜齒入土后，土壤和廢膜粘附在挑膜齒上，撿拾效率降低。前進速度的快慢決定了撿膜齒的轉速，經過試驗發現，撿膜齒轉速太慢，撿膜齒將殘膜劃破導致一部分殘膜無法拾起；轉速過快時，撿膜齒單位時間內接觸地膜的次數增加，地面對挑膜齒的阻力增加，導致一部分地膜被扎破，來不及被纏繞到撿膜棍上，就使得撿拾效果降低。綜上分析，在挑膜齒入土深度大、含水率及前進速度中等時，撿拾效果越好；牽引速度對破茬率影響最大，最優方案為A3B2C2 。機器本身的性能參數對破茬率的影響不大，主要與玉米種植標準程度有關。

5 結論

1)根據當地農藝要求，設計制造了一臺新型玉米地破茬殘膜撿拾機，是集破茬、深松、挑膜、撿膜、切膜及回收為一體的組合機構。

2)該機采用桿齒式撿拾機構，利用離心力將土甩出，起到膜土分離的效果，并設計了切膜機構來提高工作效率。

3)田間試驗表明：殘膜撿拾率達到90%以上，破茬率達到80%以上，工作效率較滾筒式殘膜撿拾機提高了15%，性價比滿足農戶要求。