釘齒式馬鈴薯殘膜復(fù)合收獲機的設(shè)計和試驗研究

高明青，簡建明，侯書林，郭文松，散鋆龍，孫 岳，田玉泰，翟浩州

(中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，北京 100083)

0 引言

地膜覆蓋技術(shù)可優(yōu)化和改善栽培條件，克服農(nóng)作物生長的的不利影響，具有保持水分、提高土壤溫度及抑制雜草生長等特點；但這種技術(shù)廣泛地使用導(dǎo)致 “白色污染”問題卻日益嚴重。機械收膜方式能提高生產(chǎn)效率、降低勞動成本，研發(fā)改進適用性高的殘膜回收機已成為農(nóng)業(yè)機械化發(fā)展的迫切任務(wù)[1-2]。據(jù)中國國家統(tǒng)計局國家數(shù)據(jù)(2015)統(tǒng)計：2014 年我國馬鈴薯種植面積557.3萬hm2(約占全球種植面積的21.7%；全國馬鈴薯產(chǎn)量1 910.3萬t約占全球總產(chǎn)量的45.1%。馬鈴薯種植方式分為平作、壟作，尤以壟作使用最為廣泛。壟作播種可方便排灌、防止田間積水和爛果，有利于馬鈴薯的發(fā)育，比平作種植產(chǎn)量高10%以上[3-5]。但其田間殘膜會破壞土地結(jié)構(gòu)，易導(dǎo)致土壤結(jié)板失去供養(yǎng)能力，影響馬鈴薯產(chǎn)量響馬鈴薯產(chǎn)量和農(nóng)業(yè)機械的使用順暢性。現(xiàn)有殘膜回收機主要分為滾筒式、鏟鏈式、鏟篩式及耙齒式等[6]，卻少有針對壟作馬鈴薯殘膜回收的機具。目前，殘膜回收機研發(fā)的焦點在玉米、棉花等作物，我國現(xiàn)階段的馬鈴薯殘膜回收機只有有限的幾種，且大部分是在馬鈴薯收獲后再進行殘膜回收，只存在少數(shù)的機型可以實現(xiàn)馬鈴薯收獲和殘膜回收，所以解決壟作馬鈴薯殘膜污染問題難度高且意義重大。

本文所設(shè)計的機型機構(gòu)簡便，不需要專門的卸膜裝置，工作效率高。為此，設(shè)計確定了挖掘鏟、輸送裝置和收膜裝置等關(guān)鍵參數(shù)，并進行了田間試驗。結(jié)果表明：該機具有挖掘和輸送穩(wěn)定、收膜率高、傷薯率低的特點。

1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計和工作原理

釘齒式壟作馬鈴薯殘膜復(fù)合收獲收實物圖如圖1所示。

圖1 釘齒式壟作馬鈴薯殘膜復(fù)合機

機具結(jié)構(gòu)簡圖如圖2所示。復(fù)合收獲機由復(fù)合機由挖掘鏟、運送裝置和收膜裝置組成組成。機具作業(yè)時，四輪拖拉機尾部將動力傳輸?shù)阶兯倨鳎瑐魉蛶Р捎肞VC材質(zhì)，PVC傳送帶帶體彈性好，不易變形[7]，將釘齒安裝PVC傳送帶上。從變速器傳遞來的動力通過三角帶傳遞到PVC傳送帶和運送鏈，釘齒隨著傳送帶轉(zhuǎn)動。拖拉機驅(qū)動復(fù)合收獲機前進，挖掘鏟深入地下，將馬鈴薯和帶有殘膜的土壤鏟起；隨著運送鏈運動，當馬鈴薯運輸?shù)綑C具尾部時土豆掉到機具外面，殘膜被掛在釘齒上隨著傳送袋轉(zhuǎn)動；當殘膜隨著挑膜齒運動到b時，由于殘膜自身的重力慢慢掉落在集膜箱中。機具進行田間作業(yè)時發(fā)現(xiàn)殘膜到達b以后會過早掉落，易掉落在集膜箱壁上進而脫落在膜箱外面，或者直接掉落在集膜箱外，所以通過加入張緊輪將ab段設(shè)計成一段斜面，有效解決了殘膜過早掉落的現(xiàn)象。收膜完成后，打開集膜箱將殘膜取出。

1.挖掘鏟 2.懸掛 3.變速器 4.集膜箱 5.張緊輪 6.釘齒 7.傳送帶 8.行走輪 9.三角帶 10.運送鏈

plastic film composite potato harvester

2 關(guān)鍵部件機構(gòu)設(shè)計及參數(shù)確定

2.1 振動挖掘鏟

2.1.1 挖掘鏟的關(guān)鍵尺寸

馬鈴薯收獲后，田間的殘膜、石塊及馬鈴薯秧苗殘留，都會對殘膜回收機的工作效率和性能產(chǎn)生影響，所以對挖掘鏟設(shè)計要點之一就是要滿足田間工作要求。在工作過程中，起膜鏟有主要由兩個功用：①挖掘出土壤中的馬鈴薯；②將土壤表層和深層的殘膜傳遞到輸送鏈中。將馬鈴薯從土壤中挖掘出來，鏟刃斜角α、挖掘鏟的入土角β對挖掘起著決定性作用，其設(shè)計不合理時造成壅土現(xiàn)象，阻礙機器的前進速度，降低作業(yè)效率，且容易造成挖掘鏟損壞，影響整個機器的穩(wěn)定性[6]。挖掘鏟橫截面如圖3所示。

圖3 挖掘鏟橫截面示意圖

圖3中，α為鏟刃斜角；β為挖掘鏟入土角；h為挖掘鏟的高度；L為挖掘鏟的長度；Fn為地膜在挖掘鏟面所受的摩擦力；Ff為地膜在挖掘鏟面所受的摩擦力；G為地膜的重力；F為挖掘鏟掘起物移動所需的力。由圖3可知β、h、L之間的數(shù)學(xué)關(guān)系為

(1)

由查閱文獻可知[8]：入土角為β為28°時，挖掘鏟的整體性最好。由于馬鈴薯種植壟高一般為250～300mm，所以挖掘鏟的高度不能超過300mm。取h=120mm，帶入公式(1)取整，可得L=256cm。

2.1.2 挖掘鏟振動裝置結(jié)構(gòu)原理

挖掘鏟的振動裝置主要由偏心輪、連桿、挖掘鏟、連接橫梁、銷及螺栓緊固件等組成，如圖4所示。

1.偏心輪 2.連桿 3.銷座 4.連接橫梁 5.挖掘鏟

拖拉機將動力傳遞到變速器端的主動軸，帶動軸端的偏心曲柄連桿機構(gòu)轉(zhuǎn)動，挖掘鏟隨之做往復(fù)運動。挖掘鏟振動的工作性能與挖掘鏟的入土深度、偏心距、機具的前進速度及挖掘鏟的長度有關(guān)。機器在工作時，可以通過拖拉機后面的液壓裝置改變挖掘鏟的入土深度及偏心輪的偏心距大小來調(diào)整挖掘鏟的偏心運動幅度。機器前進速度隨拖拉機的速度而變化。挖掘鏟的振動裝置可減小機器前進所受的阻力，大大減少壅土現(xiàn)象的發(fā)生，有利于增加馬鈴薯的挖掘效率和對殘膜的回收率。

2.2 運送裝置

運送裝置主要由主從動輪、支撐輪、抖動輪、運送桿等組成，如圖5所示。工作原理：位于前方的振動挖掘鏟深入土壤，將馬鈴薯、土壤及殘膜崛起；然后輸送到運送裝置的前端，傾斜升運桿條在向后運動的過程中會不斷受到兩側(cè)兩個抖動輪的抖動作用，挖入的土壤就會變松，而脫離馬鈴薯的土塊就會往下落入土地中[9]。此裝置的關(guān)鍵部件為抖動輪，兩側(cè)的抖動輪間歇性地與桿條接觸，桿條就會上下抖動。

1.挖掘鏟 2.從動輪 3.運送桿 4.支撐輪 5.抖動輪 6.主動輪圖5 運送裝置示意圖

運動裝置結(jié)構(gòu)簡圖如圖6所示。

圖6 運送裝置結(jié)構(gòu)簡圖

圖6中，L為兩軸中心距；α為運送鏈的傾斜角度。根據(jù)運送鏈式輸送裝置線速度vp與機組速度vm的比值λ來確定運送帶的線速度，即

(2)

試驗表明，收膜率與輸送帶的線速度成反比例。當線速度在1.15～1.80m/s之間變化時，收膜率較高。為了保證機組的行進速度以及收獲質(zhì)量，通常取λ=1，使輸送帶的速度略高于機組的行進速度。為此，取輸送帶的線速度v=1.5m/s。

兩軸中心距L的公式為

(3)

Lmin=0.75m

式中v-輸送帶線速度；

f-馬鈴薯滾動時的摩擦因數(shù)；

α-輸送帶傾斜角。

因此，設(shè)計主從驅(qū)動輪的中心距L為1 300mm，升運鏈的傾角α為23°，升運的高度為391mm。

3 收膜裝置

殘膜回收裝置采用釘齒PVC傳送帶式回收裝置，釘齒通過螺栓固定在傳送帶上。考慮到挑膜齒不能太密，容易刮傷土豆，采用同一排齒數(shù)量在4個最為合理。釘齒采用Q235材質(zhì)鋼筋，公稱直徑為8mm，長度為170mm，橫向間距為250mm，縱向間距為400mm。傳送帶具有花紋，為了增大摩擦力在傳動輪上纏上相同材質(zhì)的PVC傳送帶，通過兩個部分的摩擦面接觸，靠摩擦力帶動傳送帶轉(zhuǎn)動。當馬鈴薯和殘膜經(jīng)運輸鏈后，馬鈴薯掉在地上，殘膜掛著挑膜齒上隨著布袋轉(zhuǎn)動，由于自身重力掉入集膜箱中。機具工作過程中，當殘膜隨著挑膜齒運動到b時，由于殘膜自身的重力而掉落，殘膜掉落早集膜箱壁上進而脫落在膜箱外面。所以，要將ab段設(shè)計成一段斜面，ab段傾斜的角度α的大小由張緊輪調(diào)節(jié)。經(jīng)過田間試驗，可得角度最佳為45°。傳送帶示意圖如圖7所示。

1.主動輪 2.殘膜 3.張緊輪 4.PVC傳送帶 5.釘齒 6.從動輪

4 田間試驗與結(jié)果

4.1 試驗條件

田間試驗在選定在河北省固安縣清泉機械有限公司試驗基地基地進行，馬鈴薯的種植面積約為0.5hm2，該地區(qū)覆膜壟作馬鈴薯地土壤各項指標適宜。其種植采用雙壟覆膜方式，株距250mm，雙行1m寬壟；地膜為白色地膜，寬度1 500mm，厚度為0.008mm；田間作業(yè)時采用東方紅-404拖拉機，前進速度定位低速Ⅰ擋，輸出轉(zhuǎn)速為540r/min。

4.2 試驗方法

釘齒式馬鈴薯殘膜復(fù)合收獲機試驗的依據(jù)是NY/T648—2002《馬鈴薯收獲機作業(yè)質(zhì)量評價技術(shù)規(guī)范》[10]和GB/T25412—2010 《殘地膜回收機》[11-12]。在試驗田中隨機選取1塊長度為100m、寬度為1m試驗區(qū)，把試驗區(qū)分割成10m×1m的10塊區(qū)域分別進行試驗，記錄試驗相關(guān)數(shù)據(jù)；取10次試驗的平均值來測定馬鈴薯殘膜復(fù)合收獲機的殘膜撿拾率和傷薯率。

4.3 試驗結(jié)果與分析

馬鈴薯殘膜復(fù)合收獲機的平均殘膜撿拾率為90.3%，平均傷薯率為4.72%，滿足馬鈴薯收獲機和殘地膜回收機的技術(shù)要求。復(fù)合收獲機作業(yè)時，拖拉機行走流暢，各運動機構(gòu)運行穩(wěn)定，沒發(fā)生壅土現(xiàn)象。通過復(fù)合收獲機在田間的作業(yè)情況和地膜的狀態(tài)可知，影響殘膜回收率的主要原因是：殘膜的面積較小時，隨運輸鏈傳動到尾部時不能被釘齒掛住從而掉到土地表面；殘膜壓土較多并已經(jīng)板結(jié)時，膜土分離不理想，影響殘膜的回收。影響傷薯率的主要原因是：機具的前進速度及運輸鏈的旋轉(zhuǎn)速度速度過大時，相應(yīng)的挑膜齒的線速度增大，導(dǎo)致傷薯率增大。

5 結(jié)論

1)馬鈴薯殘膜復(fù)合收獲機的性能參數(shù)為：配合動力≥25.7kW，整機外形尺寸為2 500mm×1 100mm×2 100mm，釘齒長度為17cm，生產(chǎn)率為0.3hm2/h，殘膜回收率為90.3%，傷薯率為4.72%。

2)釘齒安裝PVC傳送帶上將殘膜從馬鈴薯殘膜復(fù)合收獲機的運輸鏈鏈中挑起，并輸送到機器上方的膜箱中。其機構(gòu)簡單，殘膜依靠自身重力掉落到集膜箱中，不需要專門的卸膜裝置。

3)復(fù)合收獲機對田間小片殘膜的回收存在一定的困難，殘膜面積太小難以被釘齒掛住影響了殘膜回收率。