隨動式秸稈還田與殘膜回收聯合作業機設計與試驗

張慧明，陳學庚※，顏利民，楊松梅

（1.石河子大學機械電氣工程學院，石河子832003；2.農業部西北農業裝備重點實驗室，石河子832003；3.吉林大學生物與農業工程學院，長春130022）

0 引 言

新疆棉花種植采用旱地鋪膜鋪管的膜上播種方式，每年有大量的殘膜滯留田間，造成了棉田的嚴重污染，對新疆農業生產的可持續發展造成了嚴重威脅[1-3]。因此，清理棉田殘膜污染已經是一項十分緊迫且具有重要意義的工作[4-6]。新疆棉田的殘膜回收仍以人工撿拾為主，人工撿膜勞動強度大、效率低、工作條件惡劣和有效拾凈率低，因此研發工作可靠、殘膜撿拾率高的殘膜回收機具已成為該領域科研院所主要研究熱點之一[7-10]。

國外針對殘膜回收機的研究較早，機型多以收卷式殘膜回收機為主，采用卷膜輥等部件完成作業，效率較高，主要用于苗期地膜及厚度大、強度高的地膜回收[11-13]。國內棉田使用的地膜厚度較薄，抗拉強度低，覆蓋后受自然風化和人為因素影響，老化破損嚴重[14-16]。因此，國內殘膜回收機按農藝要求和殘膜回收時間，主要分為播前收膜機械、苗期揭膜機械和秋后收膜等回收機械[17-18]。播前收膜機械受彈齒入土深度影響（入土深度為25 mm），僅能回收地表殘膜，且由于地膜自然留置時間較長老化嚴重且易碎，撿拾有一定的困難，該類回收機具回收率較低，只能作為一種臨時補救措施[19]；苗期揭膜機械是在澆水前揭去全部地膜，地膜破損小且易于回收，一般采用人機配合方式，此時揭膜還有利于中耕、除草、施肥和灌水等，苗期揭膜導致土壤中水分蒸發量大，增加棉花后期需水量，不適于新疆鋪膜鋪管旱地播種作業方式[20]。目前，秋后地膜破損雖較嚴重，但基本上能保持連續性，且具有一定的彈性，比播前收膜效果好[21-22]。因此，國內針對秋后殘膜回收膜機具的研究較多，主要采用先粉碎秸稈再回收殘膜的作業方式，導致機具作業次數多、成本高、浪費工時，且機具的膜雜分離率低，致使回收殘膜的含雜量高，無法回收利用。

本研究針對秋后收膜設計了一種隨動式秸稈還田與殘膜回收聯合作業機，可一次性完成作物秸稈的粉碎還田、膜稈分離、殘膜回收等多項作業，減少機具進地次數及工作費用，節約農時，大幅提高機具工作效率，有效降低回收殘膜的含雜量。

1 整機結構組成及工作原理

1.1 整機結構組成及性能參數

聯合作業機主要由牽引裝置、傳動系統、秸稈粉碎裝置、秸稈輸送裝置、隨動式殘膜回收裝置等組成；其中隨動式殘膜回收裝置主要由起膜齒、膜上清雜滾筒、撿膜輸送鏈、脫膜輥和機架等組成，整機總體結構如圖1 所示，主要技術參數如表1所示[23]。

圖1 隨動式秸稈還田及殘膜回收聯合作業機Fig.1 Master-slave straw returning and residual film recycling combine machine

表1 聯合作業機技術參數Table1 Technical parameters of combine machine

1.2 工作原理

該聯合作業機采用拖拉機牽引式作業，配套動力≥66 kW 的拖拉機，通過后動力輸出軸（PTO）輸出動力并傳遞秸稈粉碎還田機，一次性完成秸稈粉碎、橫向輸送秸稈、膜面除雜、殘膜撿拾、膜雜分離和脫膜等作業工序。工作時，聯合作業機上的秸稈粉碎裝置將通過護秸簾后的秸稈在高速旋轉甩刀作用下被打碎，并在甩刀作用的慣性下向后拋撒落入機殼內，在機殼內秸稈經多次粉碎后呈碎段和纖維狀，最后被拋送至輸送攪龍，再經輸送攪龍橫向輸送到粉碎裝置的兩側，均勻的拋撒到田間，完成秸稈粉碎還田作業；聯合作業機隨拖拉機前進的同時，清雜滾筒在膜面逆時針轉動，殘膜撿拾部件處于隨動工作狀態，此時，在清理膜面雜余的同時，起膜釘齒扎入殘膜，隨著清雜滾筒的轉動，殘膜隨撿膜輸送鏈與土壤分離，并在聯合作業機抖動分離裝置的作用下，完成膜雜分離作業；當殘膜被輸送到脫膜裝置時，在脫膜輥的作用下完成脫膜作業，完成棉田殘膜撿拾作業，實現秸稈還田與殘膜回收聯合作業機的全部作業工序。

2 關鍵部件設計與參數確定

2.1 秸稈粉碎輸送裝置設計

秸稈粉碎輸送裝置是秸稈還田與殘膜回收聯合作業機的關鍵部件，其作業質量直接影響殘膜回收和膜雜分離的作業效果。

2.1.1 結構組成

秸稈粉碎輸送裝置主要由地輪、攪龍撐板、輸送攪龍、擋板、“Y”型甩刀、粉碎刀軸、護秸簾、懸掛支架、機架、帶輪、側板、行走輪油缸及龍門架等部分組成，結構示意圖如圖2所示。

圖2 秸稈粉碎輸送裝置示意圖Fig.2 Schematic diegram of straw crushing and conveying device

2.1.2 粉碎裝置設計

秸稈粉碎裝置是將田間機采過后的秸稈粉碎還田，既要保證粉碎秸稈質量，也要考慮機器工作的可靠性和壽命。秸稈粉碎裝置主要由粉碎刀片、刀座和刀軸組成，其中刀片通過銷軸與刀座鉸接，刀座通過焊接與刀軸固接。

1)粉碎刀軸設計與刀座排列

秸稈粉碎還田作業機在工作時的切碎方式為無支撐切割，對刀片刀端的線速度要求較高。根據研究結果表明，刀片刀端的線速度大于30 m/s 時才能達到良好的粉碎效果，且要求刀軸的回轉半徑在240～350 mm 之間[24-25]。本文根據粉碎刀軸的工作性能與技術要求，刀軸選用Q345 無縫厚壁鋼管加工而成，其外徑尺寸D 為299 mm，壁厚尺寸d為12 mm，刀軸總長L為2200 mm。為保證秸稈粉碎還田作業機的作業質量，在作業幅寬、刀軸轉速、前進速度相同的情況下，粉碎刀具的數量對其作業質量效果影響顯著，數量過少，會出現漏切現象，數量過多則造成成本過高，消耗功率較大的弊端。粉碎刀軸與刀具通過鉸接的形式連接，刀座焊接在刀軸上，其數量一般由粉碎密度來確定，對于Y型刀片，刀具的排列密度為0.023～0.04 片/mm[26]。根據作業幅寬要求，采用多頭螺旋線排列方式，最終確定其刀座總數為42 個，其安裝排列方式如圖3所示。

圖3 刀片在刀軸上安裝排列Fig.3 Blade arrangement on cutter shaft

2)粉碎刀具選型與參數設計

常用的棉粉碎刀具類型主要分為直刀型、L型、Y 型和錘爪型及其它結構類型[27-28]。本文根據粉碎刀具各自特點及作業時整機的動平衡要求，Y 型粉碎刀片在形狀上具有幾何對稱的特性，在作業時能夠很好地克服刀組不平衡而造成的整機機體振動，根據隨動式秸稈還田及殘膜回收聯合作業機的作業要求，選用Y 型粉碎刀片作為該裝置的粉碎刀具，且設計尺寸為130 mm×60 mm×50 mm（L×W×H），刃口角為30°，折彎角為150°，材料為65Mn 鋼，甩刀工作轉速為800～1200r/min，其結構示意圖如圖4所示。

圖4 刀片結構示意圖Fig.4 Blade mechanism schematic

2.1.3 輸送攪龍設計

輸送攪龍是秸稈粉碎輸送裝置的重要組成部件之一，主要作用是將落入機殼內的秸稈橫向輸送到粉碎裝置的兩側，并且均勻拋撒至田間。輸送攪龍的結構尺寸和工作參數影響粉碎裝置的效率，攪龍工作時其輸送量不小于落入機殼內的秸稈量，根據粉碎后秸稈長度及密度等參數，確定輸送攪龍的螺距為170 mm，螺旋升角為15°，螺旋葉片直徑為200 mm。

2.2 殘膜撿拾裝置設計

殘膜撿拾裝置主要由旋轉滾筒、除雜攪龍I、除雜攪龍II、起膜釘齒、傳動釘齒、卷膜裝置、脫膜輥、機架、落雜導板、支架、彈簧、平行四桿機構、限深輥和起膜齒等組成，其結構示意圖如圖5 所示。工作時旋轉滾筒隨拖拉機前進而轉動，在傳動釘齒的作用下殘膜撿拾裝置處于工作狀態，并在整機重力、平行四桿機構及彈簧彈力的作用下撿拾機沿地面行走，完成田間作業仿形；同時，起膜齒與起膜釘齒相繼入土，起膜齒將膜下土壤破碎使得地表殘膜與其分離，并且起膜釘齒進入土壤將地表殘膜挑起隨鏈板總成一起運動，在脫膜輥及卷膜裝置的作用下完成脫膜和卷膜，最終完成地表殘膜的撿拾作業。在此過程中，地表殘膜被翻轉180°，使得膜上秸稈等雜質在重力的作用下掉落，在落雜導板的作用下進入除雜攪龍II，最終被輸送到機器兩側。

圖5 殘膜撿拾裝置示意圖Fig.5 Diagram of residual film picking device

2.2.1 鏈板總成設計

鏈板總成是該殘膜撿拾機的重要部件之一，主要由起膜釘齒、傳動釘齒及鏈板組成，其中，起膜釘齒與傳動釘齒均采用鉚接方式進行固接，兩鏈板之間通過銷釘連接，結構尺寸示意圖如圖6 所示。本研究設計的鏈板為3 mm 厚的不銹鋼板，其中鏈板單節尺寸為L×W=40×30 mm，起膜釘齒長度為50 mm，傳動釘齒長度為10 mm，釘齒直徑均為10 mm；鏈節距（相鄰起膜釘齒間距）為160 mm，傳動釘齒的節距為80 mm，相鄰兩條鏈板上的釘齒呈交錯排布。

圖6 鏈板總成單元結構示意圖Fig.6 Structural diagram of chain plate assembly unit

2.2.2 起膜部件設計

起膜部件主要由起膜齒、圓管、平行四桿機構、機架、彈簧和限深輥組成，結構示意圖如圖7a 所示。起膜齒是由厚度為6 mm、長度為310 mm的鋼板加工而成，均勻焊接在圓管上，兩起膜齒間的距離為135 mm，總長度為1 890 mm。起膜齒的設計既要保證入土阻力小，又要保證有良好深松深度及土壤蓬松度，以保證整機的起膜性能及減小作業時壅土狀況，并使膜上土壤及秸稈殘枝等雜余能夠順利進入滾筒。起膜齒通過平行四桿機構安裝在機架上，四桿機構一端通過限位彈簧強制限位起模齒；同時，起模齒在工作過程中具有良好地面仿形與保護作用。

起膜部件在田間工作過程中，對其進行受力分析，并以o 點為坐標原點建立坐標系oxy，如圖7b 所示。作業時，工作部件全部入土瞬間，作用在起膜部件的摩擦力達到最大值，此時根據受力平衡方程可得

圖7 起膜部件結構示意圖Fig.7 Diagram of film-lifting component structure

式中Kt為土壤比阻，kPa，新疆的北疆地區大部分為輕壤、中壤土質，土壤比阻為40～60 kPa；南疆地區大部分為沙壤、輕中壤土質，土壤比阻為30～50 kPa[29]；a為起膜齒入土深度，mm；b為實際工作幅寬，mm。μ為滾動摩擦系數，一般取0.25～0.3；μ0為滑動摩擦系數，一般取0.09～0.10。

聯立式（1）～（4）得，起膜齒的入土角為

由式（5）可知，起膜齒的入土角θ與牽引力F、撿拾部件對機架的壓力N、起膜齒入土深度a、工作幅寬b、土壤比阻Kt及殘膜雜質對起膜齒的壓力G0有關。入土角θ 的大小影響殘膜回收機的作業效率，通過試驗確定殘膜機的入土角θ 為10°～35°時殘膜回收機的作業效率最好，此時起膜齒的入土深度為54～178 mm。

3 性能試驗與分析

3.1 試驗材料

為了提高隨動式秸稈還田及殘膜回收聯合作業機的作業效果，針對作業機械工作參數進行優化試驗。于2018 年11 月10 日在新疆生產建設兵團第一師十團八連進行田間試驗，選取試驗對象為鋪膜時間約為180 d，厚度為0.01 mm 的耐候地膜。新疆屬于典型的溫帶大陸性氣候，作物一年一熟，試驗地土壤類型為沙壤土，測得試驗田50 mm 土壤堅實度的均值為2.821 kPa，平均含水率為22.1%，試驗田為當年鋪膜種植的棉田，測得機采后地表秸稈高度為800～900 mm，秸稈平均含水率為30%；棉田整體情況良好，土地平整，試驗面積約為3×104m2；機具配套動力為約翰迪爾904 輪式拖拉機，拖拉機后置輸出軸轉速為540 r/min，前進速度為4.5～5.5 km/h。

3.2 試驗儀器

皮尺（量程20 m，精度為0.01 m）、電子秤（量程30 kg，精度為0.001 kg）、分析天平（型號：ES-J200，量程200 g，精度為0.1 g）、土壤水分速測儀（型號：MS-10，精度為0.1%）、土壤硬度計（型號：SC900，精度為0.001 kPa）。

3.3 試驗方法

為檢驗隨動式秸稈還田及殘膜回收聯合作業機作業性能，參考NY/T 500-2015《秸稈粉碎還田機作業質量》與GB/T 25412-2010《殘地膜回收機》標準要求，測定機器的作業情況，選擇粉碎長度合格率、殘膜撿拾率、膜雜分離率為響應評價指標；根據上述標準，秸稈粉碎還田機的作業質量指標要求粉碎長度合格率≥85%[30]，殘地膜回收機的作業性能指標要求耐候地膜地表殘膜撿拾率≥80%（地表及土層深度0～100 mm），膜雜分離率≥85%[31]；因此，本試驗選取粉碎長度合格率≥85%（秸稈粉碎長度≤200 mm）、殘膜撿拾率≥80%、膜雜分離率≥85%，為該隨動式秸稈還田及殘膜回收聯合作業機作業性能檢測標準。

田間試驗測試區長度不少于100 m，寬度應滿足機具3 個往返行程；測點為五點法，從測區4 個地角沿對角線，在四分之一至八分之一對角線長度范圍內隨機確定4個位置，再加上對角線交點，即為作業前的5個測點；然后在作業前的5 個測點附近但不重疊的區域再選取5 個測點，作為作業后的5個測點，測點長度為5 m，寬度為一個膜幅，即測點為2 m×5 m。

3.3.1 秸稈粉碎還田機作業質量測定

每個測點撿拾所有秸桿稱質量，從中挑出粉碎長度不合格（＞200 mm）的秸桿（秸桿的切碎長度不包括其兩端的韌皮纖維）稱其質量，粉碎長度合格率按式（6）計算。

式中Y1為粉碎長度合格率，%；mz為每個測點秸桿質量，g；mb為每個測點中粉碎長度不符合規定要求的秸桿質量，g。

3.3.2 殘膜撿拾率的測定

通過稱質量作業前后測點的膜雜質量和表層殘膜質量，按式（7）計算表層殘膜回收率Y2。

式中Y2為殘膜撿拾率，%；m 為作業后測點表層殘膜質量，g；m0為作業前測點表層殘膜質量，g。

3.3.3 膜雜分離率的測定

通過稱質量作業前后測點的膜雜質量和表層殘膜質量，按式（8）計算膜雜分離率Y3。

式中Y3為膜雜分離率，%；m1為作業后回收的膜雜質量，g；m2為作業前測點的膜雜質量，g。

3.4 試驗設計

本試驗采用三因素五水平的二次回歸正交旋轉組合優化試驗方法，試驗因素和水平編碼如表2所示，試驗方案及結果如表3所示。共進行20組試驗，每組試驗重復進行5次，取5次測試結果的平均值作為試驗結果。試驗方案設計及結果分析應用Design-Expert V8.0.6.1軟件完成。

表2 殘膜回收試驗因素和水平編碼表Table2 Factors and levels of residual film recovery

3.5 結果與分析

3.5.1 試驗結果回歸分析

試驗結果如表3所示，通過Design-Expert V8.0.6.1軟件進行方差分析，得到分別以秸稈粉碎長度合格率、殘膜撿拾率和膜雜分離率為響應函數，以各影響因素為自變量的編碼回歸數學模型，如式（9）～式（11）所示。

表3 試驗設計方案及結果Table3 Experiment design and results

式中X1為甩刀轉速，r/min；X2為機器前進速度，km/h；X3為起膜齒入土深度，mm；

對殘膜回收試驗結果進行方差分析，如表4 所示，結果表明：秸稈粉碎長度合格率Y1、殘膜撿拾率Y2和膜雜分離率Y3的回歸方程模型P＜0.0001，表明3 個回歸方程模型極其顯著；Y1、Y2和Y3模型的F 檢驗均極顯著，失擬項不顯著，表明回歸方程與實際情況具有良好的擬合關系，具有實際意義。

3.5.2 試驗因素交互作用對秸稈粉碎長度合格率的影響分析

當起膜齒入土深度固定在0 水平（X3=80 mm）時，甩刀轉速與機器前進速度之間的交互作用對秸稈粉碎長度合格率的影響規律見圖8：當甩刀轉速和機器前進速度分別增大時，秸稈粉碎長度合格率隨甩刀轉速的增大而增大，隨機器前進速度的增大而減小；響應曲面沿甩刀轉速X1方向變化較快，而沿機器前進速度X2方向變化較慢；在試驗水平下甩刀轉速對秸稈粉碎長度合格率的影響比機器前進速度影響顯著。

3.5.3 試驗因素交互作用對膜雜分離率的影響分析

當起膜齒入土深度固定在0 水平（X3=80 mm）時，甩刀轉速與機器前進速度之間的交互作用對膜雜分離率的影響規律見圖9a：當甩刀轉速和機器前進速度分別增大時，膜雜分離率隨甩刀轉速的增大而增大，隨機器前進速度的增大而減小；響應曲面沿機器前進速度X2方向變化較慢，而沿甩刀轉速X1方向變化較快；在試驗水平下甩刀轉速對膜雜分離率的影響比機器前進速度影響顯著。

表4 回歸模型方差分析Table 4 Variance analysis of regression models

圖8 試驗因素對秸稈粉碎長度合格率Y1(X1,X2,80)的影響Fig.8 Influence of experimental factors on straw crushing length pass rateY1(X1,X2,80)

當甩刀轉速固定在0 水平（X1=1000 r/min）時，起膜齒入土深度與機器前進速度之間的交互作用對膜雜分離率的影響規律見圖9b：當起膜齒入土深度和機器前進速度分別增大時，膜雜分離率隨起膜齒入土深度的增大而略有增加趨勢，隨機器前進速度的增大而減小；響應曲面沿起膜齒入土深度X3方向變化較快，而沿機器前進速度X2方向變化趨勢不明顯；在試驗水平下機器前進速度對膜雜分離率的影響比起膜齒入土深度影響顯著。由于起膜齒入土深度增加，起膜效果越好，膜雜分離效果越好。

圖9 試驗因素對膜雜分離率的影響Fig.9 Influence of experimental factors on membrane miscellaneous separation rate

3.6 參數優化

為了獲得較好的殘膜撿拾和膜雜分離效果，本文根據秸稈粉碎長度合格率、殘膜撿拾率、膜雜分離率的技術要求為優化目標，進行隨動式秸稈還田及殘膜回收聯合作業機的工作參數和結構參數優化分析[32-33]。應用Design-Expert V8.0.6.1 數據分析軟件對建立的3 個指標的全因子二次回歸模型優化分析，約束條件為：1）目標函數：Y1→Y1max≥85%；Y2→Y2max≥90%；Y3→Y3max≥90%；2）影響因 素 約 束：X1∈[ ]-1,1（甩 刀 轉 速800～1200 r/min）；（機器前進速度（起膜齒入土深度60～100 mm）。優化后得出影響因素最佳組合區域，如圖10所示，起膜齒入土深度在1水平（100 mm）時，響應目標函數有覆蓋區域，通過Design-Expert V8.0.6.1 軟件選取滿意度最佳的組合為最佳參數組合：甩刀轉速1200 r/min，機器前進速度4.5 km/h，起膜齒入土深度100 mm，模型預測的秸稈粉碎長度合格率為91.82%，殘膜撿拾率為92.50%，膜雜分離率為95.20%。

圖10 響應目標函數優化的覆蓋圖Fig.10 Overlay plot of graphical optimization

3.7 田間試驗

本試驗在新疆生產建設兵團第一師十團八連進行田間試驗，如圖11所示。

田間試驗選取參數組合為：甩刀轉速1200 r/min，機器前進速度4.5 km/h，起膜齒入土深度100 mm。試驗共進行5 次，試驗結果取平均值，如表5 所示。在上述參數下，該聯合作業機的秸稈粉碎長度合格率＞88.62%、殘膜撿拾率＞88.67%、膜雜分離率＞91.89%，其相對誤差均小于3%，試驗結果表明聯合作業機的作業效果滿足設計要求。

表5 田間試驗測定結果Table 5 Measurement results of field experiment

圖11 田間試驗Fig.11 Field experiment

4 結論

1）本文針對新疆棉田秋后殘膜回收難的問題，設計了一種秸稈還田與殘膜回收聯合作業機，并對整機關鍵部件進行了設計，確定了其結構尺寸等工作參數，該聯合作業機一次作業可實現秸稈粉碎還田、膜雜分離及殘膜回收等工序，大幅提高了機具工作效率；

2）通過響應曲面試驗研究，分析了甩刀轉速、機器前進速度和起膜齒入土深度對秸稈粉碎長度合格率、殘膜撿拾率和膜雜分離率的影響趨勢，建立了試驗指標對3個因素水平的二次多項響應模型：各試驗因素下甩刀轉速對秸稈粉碎長度合格率的影響比機器前進速度影響顯著；在試驗水平下對膜雜分離率影響最顯著的是甩刀轉速，其次為機器前進速度和起膜齒入土深度；

3）通過Design-Expert V8.0.6.1 軟件對試驗結果進行優化，得到最佳參數組合為：甩刀轉速1200 r/min，機器前進速度4.5 km/h，起膜齒入土深度100 mm；

4）根據最優參數組合進行田間試驗，得到秸稈粉碎長度合格率、殘膜撿拾率和膜雜分離率的均值分別為89.37%、90.31%和93.16%，表明秸稈還田與殘膜回收聯合作業機滿足作業要求。