殘膜回收滅茬聯合作業機的設計與試驗

王新年，王 智

(1.黑龍江農業工程職業學院，哈爾濱 150088；2.東北農業大學 工程學院，哈爾濱 150030)

0 引言

地膜覆蓋技術是一項能大幅度提高作物產率及縮短生長周期的栽培技術[1]，尤其在增溫、抗澇、抗旱、通光及防病蟲方面效果顯著[2-5]。其帶來的問題也很明顯，具體表現為：聚乙烯類薄膜降解難度大；存在時間持久；作物秋收后，地表的殘茬多，地膜的破損程度嚴重，殘膜的回收難度大；長時間耕種后，由殘膜殘茬產生的“白色污染”日漸嚴重，致使糧食產量逐年降低[6]。針對上述問題，目前主要以人工和機械回收方式處理殘膜。與人工撿拾相比，機械作業的生產率有很大提升，但也有回收殘膜潔凈度差、漏膜，揚塵嚴重、機組作業速度低、靈活度差、機械工作性能單一及增加機具進地次數等問題[7-13]。為此，在著重改良了機具的傳動系統與拾膜部件機構的基礎上，設計了一種殘膜回收及滅茬聯合作業機，大大提高和改善了機具的各方面性能。

1 整體結構設計與工作原理

1.1 結構設計

該機具由機架、減速器、松土鏟、拾膜部、滅茬刀、集膜箱、行走輪、輸膜板及推膜部件組成，滅茬傳動部件安放在機架的右側，動力由拖拉機輸出軸經過減速器經雙排鏈輸入，如圖1所示。殘膜回收部件的傳動系統安放在機架的左側，動力由行走輪經鏈傳動輸入；推膜部件安放在機架的上部，動力由行走輪經鏈傳動輸入；松土鏟安放在機架的兩側；卸膜板一端安裝在機架上，另一端搭在收膜滾筒的上部。

1.機架 2.減速器 3.松土鏟 4.拾膜部件 5.滅茬刀 6.集膜箱 7.行走輪 8.輸膜板 9.推膜部件

1.2 工作原理

工作時，由拖拉機牽引，拖拉機輸出軸帶動減速器，經過鏈傳動帶動滅茬刀進行滅茬作業；行走輪經過鏈傳動帶動拾膜部件滾筒轉動，在滾筒內偏心安裝的伸縮齒桿與滾筒做同時針圓周運動。當轉到滾筒上面后方時，齒桿被顯露出來留到空中；當繼續向后下方轉動時，齒桿便穿透農收后的地膜進入田地里；當繼續轉動時，齒桿便會離開田地，帶著地膜沿筒壁轉動方向勻速運動，齒桿慢慢地回入滾筒，此時地膜脫離，由推膜部件送入集膜箱，從而完成收膜工作。松土鏟便于松弛土地，可使兩側邊膜得到更好的回收。輸膜板是為了防止收起的地膜隨滾筒卷出集膜箱。

1.3 主要性能參數

作業幅寬/cm：40(2壟)

生產率/hm2·h-1：0.27～0.33

收膜率/%：≥85

外形尺寸/mm：2 000 ×1 400×800

配套動力/kW：20～40拖拉機

滅茬深度/mm：50

滅茬轉速/r·min-1：350

滾筒轉速/r·min-1： 120

2 主要工作部件設計

2.1 伸縮桿拾膜筒的設計及原理

伸縮桿拾膜滾筒主要由螺栓、偏心軸墊圈、左法蘭盤、左心軸、左偏心管、彈齒、轉動套、偏心軸、外筒、右偏心管、右法蘭盤、右偏心管、定位裝置及鍵組成，如圖2所示。左法蘭盤左端與鏈輪相連，右端與外筒經螺栓連接；偏心軸左端與左心軸焊合，左心軸與左法蘭盤間隙配合，右端通過鍵與右心軸連接，右心軸通過鍵與定位裝置連接；定位裝置一端通過鍵與右心軸相連，另一端固定在機架上；彈齒為16根，安裝在心軸上，可以繞心軸轉動。

工作時，左法蘭盤帶動滾筒轉動，同時帶動伸縮桿齒繞偏心軸轉動。當伸縮桿齒轉到滾筒的后上方時，齒桿被顯露出來留到空中；繼續向后下方轉動時，齒桿便穿透農收后的地膜進入田地里；當齒桿繼續轉動時，齒桿便會離開田地，帶著地膜沿筒壁轉動方向勻速運動，齒桿慢慢地回入滾筒，此時地膜脫離齒桿，完成收膜作業。

1.螺栓 2.偏心軸墊圈 3.左法蘭盤 4.左心軸 5.左偏心管 6.彈齒 7.轉動套 8.偏心軸 9.外筒 10.右偏心管 11.右法蘭盤 12.右偏心管 13.定位裝置 14.鍵

2.1.1 滾筒的設計

滾筒設計如圖3所示。外筒直徑確定為500mm，工作幅寬800mm。由螺絲固定外圈部分與支撐圓，外筒表面有若干橡膠圈，可帶動伸縮桿齒隨滾筒轉動，同時防止伸縮桿齒縮回滾筒內部。

2.1.2 左法蘭盤的設計

左法蘭盤左部由鍵與鏈輪連接，右部通過4個螺絲與滾筒連接，如圖4所示。其內孔連接左偏心軸，外圓和內孔經過砂輪磨削，保證了精度。內孔和外圓要有精確的形位公差，保持運行穩定。

1.螺絲 2.橡膠圈 3.外筒表面圖3 滾筒Fig.3 Roller

圖4 左法蘭盤Fig.4 Left flange

2.1.3 曲軸的設計

曲軸由左曲軸、偏心軸、右曲軸3個主要部件組成，如圖5所示。其中，左曲軸由定心軸、左臂和齒軸組成，連接為焊接；右曲軸連接心軸定位裝置，根據實際情況調節來調節伸縮桿齒的拾膜高度。

1.左曲軸 2.偏心軸 3.右曲軸圖

2.1.4 卸膜板的設計

卸膜板設計如圖6所示。由扁鋼彎成具有一定弧度的卸膜板，有弧度的部分貼在滾筒表面，空隙部分讓開橡皮圈，避免與伸縮桿齒碰撞而破壞正常工作。下半扁平部分通過螺絲與一長方形鋼料螺絲連接，長方形鋼料兩端與機架固定。

2.2 松土鏟的設計

壓入田間土地中的部分殘膜是相對完整的,收膜時將松土部件從壟側膜緣壓入膜下,使地膜面上和面下的土壤松弛遍好。因此，要求松土工具應有強入土及工作深度穩定的性能。松土鏟的材料為扁鋼50×12，分為鏟柄、鏟壁、鏟體3部分，如圖7所示。鏟身上有固定孔可以調節鏟的高度。由圖7可以看出：鏟臂和鏟體不但與水平地面有一定的角度，還與運動方向形成一定的角度。

圖6 卸膜板Fig.6 Board for unloading plastic film

1.鏟柄 2.鏟壁 3.鏟體

2.3 機架的設計

機架由方鋼、角鋼和鋼板焊接而成，如圖8所示。

1.方管 2.連接架 3.連接架 4.連接架 5.方管 6.方管 7.方管 8.方管 9.方管 10.方管 11.方管 12.連接塊

連接塊13作用是固定松土鏟，加工精度為2.5；連接架2、3、4是與拖拉機相接，三點固定，十分牢固；方管1、5作用是固定減速器；方管7、8、9、10焊合成集膜箱；方管11是用來固定推膜部件，焊接時必須保證機架零件之間的垂直度和平行度。

3 傳動系統的設計

3.1 滅茬系統的傳動

3.1.1 刀輥轉速的確定

打茬作業需要的刀輥轉速比旋耕機的刀輥轉速要高，刀齒的線速度要大于6m/s，但是速度愈高，功率消耗愈大。因此，應合理選擇打茬機的速度參數，以獲得較高的作業效率。

以黑龍江省為例，在春季打茬作業中，根茬水分少，所需打茬速度較低，一般為4.5m/s；而秋季玉米茬還沒有枯死，根茬水分大，所需打茬速度偏高，一般為5.5m/s。大量試驗與經驗表明：打茬速度越高，玉米茬被處理效果(打茬率)越好。當速度提到一定程度后，打茬率的上升效果就趨于平穩；當打茬速度為5.5m/s時，即使是秋季，打茬率也可達到95%左右，能夠滿足農業生產要求。

刀軸轉速的選擇，主要取決于打茬速度和機具前進速度。打茬速度可根據農業生產要求和試驗進行確定，該機為5.5m/s。

式中R—刀輥回轉半徑(m)；

ω—刀輥角速度(r/s)；

h—打茬深度(m)。

計算得出該滅茬機的刀輥轉速為310r/min。

3.1.2 傳動比的確定

拖拉機動力輸出軸額定轉速為632r/min，刀輥轉速為350r/min，所以總速比為i=632/350=1.8。從拖拉機動力輸出軸傳出的動力進人中央減速箱，再通過雙排鏈傳動滅茬機構。由于總傳動比不大，因此確定減速箱的傳動比為1.8:1，鏈輪箱的速比為1:1。

3.2 地膜回收系統的傳動

地膜回收系統的傳動可分為兩個部分：一是地輪與拾膜滾筒之間的傳動，二是地輪與推膜部件的傳動。其中，地輪與拾膜滾動之間的傳動由鏈傳動和齒輪傳動組成。齒輪傳動的目的是改變傳動的方向，如圖9所示。

1.行走輪鏈輪 2.換向齒輪 3.推膜部件鏈輪 4.滾筒鏈輪

4 驗證與分析

4.1 齒輪的選擇與確定

本機具以滾筒的最宜轉速120 r/min為標準轉速進行了測試，作業幅寬為140cm(兩壟)，生產率為0.27～0.33hm2/h，地輪半徑為300mm。由此確定地輪轉速為20r/min，齒輪傳動比為3，鏈輪傳動比為2，且選取直齒圓柱齒輪進行傳動。小齒輪材料為40Cr(調質)，硬度為280HBS，大齒輪材料為45鋼(調質)，硬度為240HBS,二者材料硬度差為40HBS。使用個數為小齒輪24個，大齒輪72個[14]。

4.2 齒輪強度試算與驗證

表1 齒輪各項目數值選取Table 1 Numerical selection of gear items

經驗算，小齒輪分度直徑應大于91.9mm。以91.9mm為標準進行驗證得：圓周速率為0.577m/s，齒寬為91.9mm，齒寬與齒高比為10.7。根據機械設計手冊，輔助計算出載荷系數k=1.584。所以，按實際載荷系數校正分度圓直徑為104mm，模數為4.3。

表2 大小齒輪各項目數值選取Table 2 Numerical selection of gear and gear

經比較YFαYFβ/[σF]，得出大齒輪比值較大，故帶入公式的m=3mm。

對比驗算結果表明：齒面接觸疲勞強度計算的模數大于由齒根彎曲疲勞強度計算的模數。由彎曲強度算得的模數為3mm，按接觸強度算得的分度圓直徑為91.9mm，小齒輪齒數為30，大齒輪齒數為90。所以，分度圓直徑分別為90、270mm，中心距為180mm。

5 田間試驗

田間試驗在香坊區東北農業大學試驗田進行，在2016年一年春秋兩季的時間里前后進行了4次收膜滅茬試驗。第1次試驗因裝備初次使用和經驗不足，試驗結果不是很理想，出現了遺漏、卡機等現象，其余3次結果良好，各項技術性能指標均達到理想要求。試驗綜合結果如表3所示。

表3 性能檢測報告Table 3 Report of performance test

6 結論

殘膜回收滅茬作業機的設計難度主要是如何保證回收率和保證機器運行的穩定性。本設計在考慮各個零部件都能達到正常工作和使用壽命的情況下，對傳動系統和回收裝置進行了系統優化。設計根據所給作業要求，確定了滅茬速度及系統傳動比。參考國內外資料，確定收膜方案為伸縮桿式。

本設計的伸縮桿齒式殘膜回收滅茬機具有如下特點：①殘膜的撿取、運輸、回收和滅茬等工序連續完成，維修方便，工作效率高，殘膜殘茬回收率達85%以上。②與普通單一作業機具相比節省成本30%以上。