鏈齒耙式耕層殘膜回收機撿拾機構的設計

趙攸樂，張學軍，靳 偉，袁盼盼，劉家強

(新疆農業大學 機電工程學院，烏魯木齊 830052)

0 引言

地膜覆蓋在農業種植中得到廣泛應用，通過覆膜種植可以達到保墑、節水、降低雜草生長及加速作物早熟的目的。土壤中的殘膜對作物的生長會造成危害，主要是對出苗率造成影響，使得單位面積收獲的植株數量降低；同時造成棉花的生長不良，單產降低[1]。另外，殘膜將對土樣的理化性質造成影響，使得土樣中氮磷等營養含量下降，水分分布不均勻。通過與無殘膜植株的對比發現，生物量、根系的表面積及根冠比等指標都有較明顯差別。所以，殘膜對土地的可持續利用也構成較大影響[2]。

殘膜回收成為秋收后及春播前覆膜種植用地的常見作業項目。目前，人工拾膜效率低，勞動力成本高，通過機械方式回收殘膜是必然趨勢。殘膜回收機撿拾機構是殘膜殘膜回收的核心，主要分為摟耙式、滾筒式及釘齒式等，存在對土地適應性差、耕層碎膜撿拾效果不佳及撿拾效率低等問題。為此，設計了一種鏈齒耙式耕層殘膜撿拾機構，作業效率高，工作可靠，適用于春播前殘膜回收[3-4]。

1 設計方案及工作原理

1.1 設計方案

鏈齒耙式耕層殘膜回收機撿拾機構由機架、傳動系統、懸掛架、起膜鏟、鏈齒耙、起膜彈齒及行走輪等組成，如圖1所示。

1.機架 2.皮帶 3.小帶輪 4.齒輪減速箱 5.懸掛架 6.起膜鏟 7.起膜彈齒 8.鏈齒耙 9.抖動裝置 10.行走輪 11.鏈輪 12.大帶輪

其中，傳動系統由減速箱輸出動力，與之配合傳動軸帶動小皮帶輪，隨后通過皮帶傳動帶動大皮帶輪，再由與之同軸的鏈輪帶動鏈齒耙運動，完成整個傳動系統路線。

1.2 工作原理

該機構拾膜時，分為起膜鏟鏟膜階段、彈齒挑膜階段及殘膜升運階段。殘膜回收機構的懸掛架與拖拉機后懸掛，采用三點式連接，通過拖拉機液壓頂桿，調節機構入土深度；由拖拉機動力輸出軸提供扭矩，帶動減速箱經變速后，通過皮帶傳動，帶動升運鏈及收膜彈齒移動。同時，拖拉機與懸掛架相連，帶動整體前進。起膜鏟將土膜一并鏟起，并沿著鏟面抬升，后移；然后，含膜土塊越過起膜鏟落在升運鏈上，經過運輸、抖動，到達升運鏈末端大部分土壤被抖落，殘膜在起膜彈齒的作用下也被運輸到升運鏈末端，后置土膜分離裝置和膜箱，即可完成整個收膜過程。

2 主要零部件的設計

2.1 起膜鏟設計

起膜鏟安裝在機架的前端，工作過程中起膜鏟可以將耕層中的膜土一并鏟起，使撿拾裝置與土膜更好地接觸；同時，松碎土壤，減小土壤對起膜彈齒和鏈齒耙的沖擊，降低機具磨損，提高使用壽命。鏟刀還可切斷殘留作物或閑置土地雜草根莖，減小撿拾阻力。本機要求起膜鏟的作業深度為150mm[5]。

2.1.1 鏟面傾角設計

起膜鏟傾角設計的原則是松碎土壤，降低前進阻力，在保證土膜順暢向上、向后移動的同時，防止鏟后大量壅土。起膜鏟的受力分析如圖2所示。

圖2 土膜在起膜鏟面受力分析

由圖2可得起膜鏟鏟起膜土的受力平衡方程為

(1)

式中α—起膜鏟相對地面傾角(°)；

F—后端堆積土塊對起膜鏟面堆積土塊作用力(N)；

N—起膜鏟對殘膜及土塊垂直于鏟面方向作用力(N)；

G—殘膜及土塊所受重力(N)；

f—殘膜及土塊受到的摩擦阻力(N)；

μ—起膜鏟與土塊之間的摩擦因數。

沙性土的摩擦因數f取0.25～0.35，土壤的密度取9.65g/cm3[6]。

由式(1)得

(2)

由式(2)可知：牽引阻力的大小與起膜鏟傾角有關。傾角變小，挖掘阻力相應減少，但傾角過小，作業深度不夠，碎土能力差；反之，傾角變大，挖掘阻力相應變大，碎土能力好，但前進阻力增大，容易出現壅土現象[7]。

2.1.2 起膜鏟長度設計

土塊和殘膜所做的總功WL(即沿鏟面前進長度L、克服摩擦力所做功)及抬升高度H克服重力勢能所做的功WH為

WH=GH=GLsinα

(3)

WL=μNL=μGLcosα

(4)

假設土塊與殘膜沿起膜鏟滑移到鏟面最后端速度v降為0，此時剛好能夠落入下方的鏈齒耙上。根據動能定理，土塊及殘膜運動到后端的動能為

(5)

土塊及殘膜運動的能量平衡方程為

(6)

起膜鏟的總長度L為[8]

(7)

式中WH—土膜在鏟面運動克服重力勢能所做的功(J)；

WL—土膜在鏟面運動克服摩擦力所做功(J)；

v—土膜在起膜鏟上的運動速度(m/s)；

L—起膜鏟總長度(mm)。

起膜鏟傾角的大小與工作土質本身特性有關。平面挖掘鏟的傾角一般α=16°～20°(較大的傾角適用于有一定粘度的土壤，較小的傾角適用于沙性土質)[9]。機構田間試驗土質為沙性土，但土壤有部分板結的情況，所以取α=20°，作業深度100～150mm，取挖掘鏟的入土深度約為150mm。所以，根據公式，可計算出起膜鏟的長度L不應大于420mm，以減小上土阻力及部件成本等。由公式(7)知，當機構前進速度取最大時，L約為290mm。

根據計算及機構作業實際條件，同時保證起膜鏟輸出端與升運鏈的相對位置合理及土膜順暢輸送,取挖掘鏟的總長L取300mm。

2.1.3 起膜鏟寬度設計

新疆機采棉鋪膜種植模式(株距100mm、行距660mm、地膜兩邊各覆膜75mm)，同時考慮到拖拉機行走軌跡的誤差及起膜鏟的強度等因素影響，設計起膜鏟寬度1 700mm。

2.2 鏈齒耙設計

鏈齒耙主要由多排固定在輸送鏈條上的齒桿組成。動力經鏈輪帶動輸送鏈條運動，固定鏈條上的齒桿也隨之運動。鏈齒耙的主要作用有3方面：一是通過鏈齒耙上的起膜彈齒將土中的殘膜挑起；二是將撿拾的殘膜通過鏈齒耙在可靠不漏膜的情況下運輸到土膜分離裝置處；三是通過與抖動裝置相配合，在重力作用下，實現運輸過程中部分土塊抖動分離。鏈齒耙與地面成一定傾角θ1，組成結構如圖3所示。

1.起膜彈齒 2.下端支撐輪 3.鏈齒耙托輥 4.抖動裝置 5.驅動鏈輪圖3 鏈齒耙結構簡圖

鏈齒耙彈齒齒尖在土中移動的長度L1為[10]

式中l—彈齒桿長(mm)；

R—下端支撐輪中心到鏈條外緣垂直距離(mm)；

θ1—鏈齒耙與地面夾角(°)；

θ2—為彈齒桿與地面夾角(°)；

h—下端支撐輪離地高度(mm)；

V—機構前進速度(m/s)。

由公式(8)可知：當其他參數不變時，彈齒桿越長，桿齒及鏈齒耙與地面夾角增大時，機器前進速度加快，支撐輪與地面距離越大，則彈齒齒尖在土中移動距離越長。彈齒入土的階段是作業階段，彈齒土中移動距離越長，則作業階段所占時間越多,則彈齒拾膜效率越高，漏膜也就越少；但以上參數過高，會導致零部件強度不夠及殘膜被撕裂等問題，反而影響拾膜效果[11]。根據彈齒強度入土深度等因素，彈齒長度取100mm。

2.3 彈齒排列方式設計

收膜效果與彈齒的排列間距有關。彈齒間距太大，容易導致撿拾區域有遺漏，殘膜回收率降低；而間距太小，收膜率就高，但壅土量會增大，土膜分離難度增加，同時鏈齒耙的阻力也會加大。彈齒采用交錯排列方式，在保證合理間距的同時又能減小漏膜的可能，如圖 4所示[12]。其中，a為相鄰兩排彈齒間距；b為同排彈齒間距；c為鏈齒耙長度；d為鏈齒耙寬度。

1.彈齒 2.機架 3.篩桿

3 撿拾機構試驗

3.1 試驗條件

在新疆生產建設兵團農一師六團進行田間試驗，以測試機構的工作運轉情況及撿拾效果。試驗地為春播前棉花地，棉花秸稈及滴灌帶已回收；土壤類型為沙性土，地面較平整；配備動力為56kW約翰迪爾-754型拖拉機。

3.2 試驗方法

本試驗將工作地塊4個地角連對角線，采用五點法測點，分別在對角線1/4及1/8位置及對角線的交點取點,分別為A1、A2、A3、A4、A0。然后，在撿拾作業后5點附近非重疊區域再取對角線的分點及交點，分別為B1、B2、B3、B4、B0。

以所測點為中心，在每個點挖掘深度20cm、長寬分別為1m的立方體區域，將其中的殘膜全部撿拾、洗凈、晾干后稱重。稱重儀器采用OHAUS CP3102電子天平，精度0.01g(單位為g)。將撿拾前及撿拾后5點殘膜的質量分別相加，求加權平均值。

撿拾率γ的表達式為

(9)

式中γ—撿拾率(%)；

m1—機構已撿拾地膜質量(g)；

m2—未被撿起的殘膜質量(g)。

作業效率ξ(hm2/h)的表達式為[13]

ξ=V·T·0.36

(10)

式中V—機構前進作業速度(m/s);

T—撿拾機構作業寬度(m)。

3.3 試驗結果

撿拾機構的試驗結果如圖5所示。

圖5 機構撿拾結果折線圖Fig.5 The organization pick up result line chart

試驗分別取0.7、1.0、1.3、1.6、1.9m/s等5種前進速度測試。由圖5可知：隨著作業速度的提高，殘膜撿拾率降低；機構前進作業速度越慢，則彈齒對同樣面積地塊的作業次數就越多；如果作業速度過高，存在彈齒來不及撿拾地面殘膜的問題，相應殘膜回收率就會降低,零件的強度要求較高，磨損也較大。

當作業速度為0.7m/s時拾膜率最高；當作業速度為0.7～1.3m/s時，拾膜率變化較平緩；大于1.3m/s時，變化較大。用公式(10)可算出：作業速度1.0m/s時，作業效率0.61hm2/h；1.3m/s時,作業效率0.8hm2/h,收膜率差值較小，但作業效率相差較大。所以，經綜合考慮，采用1.3m/s前進速度。

4 結論

1)對鏈齒耙式耕層殘膜回收機撿拾機構進行了設計，明確了牽引阻力與起膜鏟的傾角有關，確定了傾角α取20°。根據土膜運動的運動學分析及結合實際作業情況，確定了起膜鏟長度L取300mm，寬度取1 700mm。通過分析，確定了彈齒長度l取100mm及其在鏈齒耙上的排列方式。

2)田間試驗表明：機構作業運行流暢，起膜鏟及彈齒的入土深度合適，耕層碎膜撿拾效果較理想。根據機構前進的速度對拾膜率影響的試驗，確定了合適的機器運行作業速度取1.3m/s，殘膜撿拾率大于90%，達到了較好的撿拾效果。