桿齒式殘膜回收機的設計與試驗

段威林，謝建華，張學軍，張鳳賢，唐 煒

(新疆農業大學 機電工程學院，烏魯木齊 830052)

0 引言

地膜覆蓋栽培技術引入我國以來，廣泛應用于農業生產中。該項技術能夠有效保持土壤濕度、提高土壤溫度、減輕作物病害和抑制雜草生長[1]，從而提高作物產量。但由于地膜在使用后不能夠及時回收處理，加之殘膜本身采用聚乙烯等材料，自然條件下很難降解，在土壤中可存在幾百年之久[2]。地膜殘留田間不僅破壞土壤結構，還會影響水的滲透，阻礙根系生長，嚴重影響了農業經濟的發展[3]。目前，國內主要通過人工撿拾和機械回收兩種方式回收殘膜[4]，由于人工撿拾存在成本高、拾凈率低、效率低等缺點逐漸被機械回收的方式代替。為了解決殘膜回收問題，我國農機科研人員研制了多種殘膜回收機具，包括夾持式、桿齒式、伸縮桿齒式及釘齒式等幾十種[5-7]，但普遍存在拾膜卸膜機構復雜、可靠性差等問題。為此，本文設計了一種結構相對簡單的桿齒式殘膜回收機，并通過臺架試驗對影響機具拾膜率和卸膜率的因素進行了分析和優化。

1 桿齒式殘膜回收機的結構及工作原理

桿齒式殘膜回收機主要由桿齒式拾膜機構、卸膜機構、卸膜驅動機構、起膜裝置、行走輪、集膜箱及懸掛架等組成，如圖1所示。機具作業時，通過懸掛架與拖拉機相連，牽引機具沿著膜行前進；地輪轉動的同時通過其上的鏈傳動系統帶動桿齒式拾膜機構轉動，固定在拾膜桿齒軸上桿齒入土并在起膜齒的輔助下挑起地膜，向上輸送至卸膜位置；卸膜機構在卸膜驅動機構的帶動下實現往復擺動，擺動的卸膜桿齒將拾膜桿齒上的殘膜刮入集膜箱，實現殘膜回收。

桿齒式殘膜回收機的主要技術參數如下：

整機尺寸/mm：1 750×1 560×1 200

配套動力/kW：50

作業幅寬/mm：1 500

掛接形式：三點懸掛式

作業速度/km·h-1：4～5

1.機架 2.行走輪 3.集膜箱 4.起膜裝置 5.桿齒式卸膜機構 6.桿齒式拾膜機構 7.卸膜驅動機構 8.轉軸 9.懸掛架

2 主要部件設計

2.1 桿齒式拾膜機構

桿齒式拾膜機構主要由拾膜主軸、支撐架、拾膜桿齒、拾膜軸、曲柄、滾子及凸輪盤組成，如圖2所示。桿齒軸的一端通過帶座軸承與支撐架連接，支撐架焊接在拾膜主軸上，桿齒軸的另一端與曲柄固定連接，曲柄和滾子相連，滾子嵌于滑道內，凸輪盤通過螺栓固定在機架上。拾膜機構將當年新鋪地表膜挑起并升運至卸膜階段，為保證拾膜桿齒連續作業及不漏拾地表殘膜，支撐板上安裝4組拾膜軸。

拾膜桿齒在桿齒軸上的排布應保證拾膜桿齒可靠撿膜、不漏拾、不纏繞殘膜和不與殘茬干涉。為了使地膜與其下附著的板結土壤分離，需要安裝起膜齒輔助挑膜。

拾膜桿齒排布示意圖如圖3所示。新疆一膜四行種植模式下的覆膜寬度為1.25m，其中窄行間距為100mm，寬行間距為660mm[8]。為避免機具工作時拾膜桿齒與棉花根茬發生觸碰，同時考慮到桿齒軸受力均勻，將拾膜桿齒中心距設置為167mm，并均勻地排列在拾膜軸上。

2.2 桿齒式卸膜機構

桿齒式卸膜機構主要由卸膜軸和卸膜桿齒組成，如圖4所示。根據拾膜桿齒在拾膜軸上的排布位置，卸膜軸上共布置7組卸膜桿齒，每組卸膜桿齒包含4個卸膜桿齒，且每組卸膜桿齒間的距離e為64mm。根據拾膜桿齒的結構，設定組內一側兩卸膜桿齒間的距離f為8mm，設定組內中間兩卸膜桿齒的距離g為51mm。機具工作時，拾膜機構上的雙排鏈輪通過傳動鏈帶動轉軸，轉軸與拾膜機構的速度比為4:1。固定在轉軸上的卸膜驅動機構將動力傳遞給卸膜機構，使卸膜桿齒至少刮捋拾膜桿齒1次。

1.卸膜軸 2.卸膜桿齒

2.3 卸膜驅動機構

由于四桿機構具有結構簡單、加工制造容易等特點，因此卸膜驅動機構采用四桿機構。卸膜驅動機構主要由套筒、卸膜桿、銷軸、導桿和曲柄組成，如圖5所示。

1.套筒 2.卸膜桿 3.銷軸 4.導桿 5.曲柄

卸膜驅動機構是實現卸膜桿齒往復擺動的關鍵部件，可直接控制卸膜桿齒的擺角范圍。卸膜桿齒擺角范圍的大小對卸膜桿齒能否將拾膜桿齒上的殘膜刮入集膜箱有直接影響。擺角范圍過小，使得刮下的殘膜無法進入到集膜箱，易造成已經撿拾起的殘膜落入田間，降低機具的拾膜率；擺角范圍過大，會使四桿機構整體尺寸增加，機構運動不穩定，動平衡性能差，最終影響機具壽命。卸膜桿齒的最大、最小擺角出現在曲柄和導桿共線時的極限位置[9]，如圖6所示。

卸膜桿齒的擺角大小可以表示為

θ=θ2-θ1=∠BAD-∠B1AD

已知卸膜桿a的長度為190mm，導桿b的長度為680mm，曲柄c的長度為135mm，卸膜軸與轉軸間的水平距離d為717mm，通過計算可以得出∠BAD=114°，∠B1AD=21.6°，因此卸膜桿齒的擺角θ取92.4°。

ABCD為卸膜桿齒擺角最小時的極限位置，AB1DC1為卸膜桿齒擺角最大時的極限位置。

圖6 卸膜驅動機構極限位置示意圖

Fig.6 Schematic diagram of the drive mechanism of unloading film in limiting position

2.4 起膜裝置

起膜裝置的作用是將地膜與其下附著的板結土壤分離，輔助桿齒式拾膜裝置拾膜。起膜裝置主要由安裝板、起膜軸和起膜齒組成，如圖7所示。其中，起膜齒焊接在起膜齒軸上，并通過安裝板固定在機架上。起膜齒在起膜時需要入土達到一定深度，其工作阻力是機組牽引阻力的重要部分[10]。為了避開棉花根茬，減小機組牽引阻力，將相鄰兩起膜齒的距離設置為110mm。起膜齒的入土角也影響起膜齒工作時阻力的大小，入土角越小，起膜齒工作時的阻力越小，但起膜齒入土深度不夠；入土角越大，入土深度越深，起膜齒工作阻力越大。經部件試驗可知，起膜齒的入土角度β取22°。

1.安裝板 2.起膜齒軸 3.起膜齒

3 臺架試驗

為驗證拾膜、卸膜機構性能，找到桿齒式殘膜回收機的最優工作參數組合，利用小型移動式土槽臺車對機構進行試驗。

3.1 試驗設備

試驗在移動式土槽試驗系統上進行，如圖8所示。該試驗系統由土槽車、固定架、集膜箱、桿齒式拾膜機構、卸膜驅動機構、桿齒式卸膜機構、電動機及控制電箱等組成[11]。土槽車由路陽紅404型拖拉機牽引，連接在控制電箱上的變頻器可以調節拾膜機構的轉速。

1.土槽車 2.固定架 3.集膜箱 4.桿齒式卸膜機構 5.桿齒式拾膜機構 6.卸膜驅動機構 7.電動機 8.控制電箱

3.2 試驗因素的確定

根據桿齒式殘膜回收機的結構及工作原理，本試驗選取機具行進速度A、拾膜桿齒線速度與機具行進速度比B、拾膜桿齒入土深度C為影響拾膜率和卸膜率的3個關鍵因素。其中，將本試驗機具行進速度的范圍設定為0.6～1.2m/s，拾膜桿齒線速度與機具行進速度比設定在0.8～1.2之間，拾膜桿齒入土深度設定在30～90mm之間。

3.3 試驗評價指標的確定

影響桿齒式殘膜回收機性能和工作效果的因素是拾膜率和卸膜率，計算公式分別為

式中P1—拾膜率；

P2—卸膜率；

ma—未被撿拾起的殘膜質量；

mb—被桿齒挑起但未被刮入集膜箱中的殘膜質量；

mc—被刮入集膜箱中的殘膜的質量。

3.4 試驗設計

本試驗采用Box-Benhnken 試驗設計方法，以機具行進速度A、拾膜桿齒線速度與機具行進速度比B、拾膜桿齒入土深度C為自變量，因素水平如表1所示，試驗結果如表2所示。

表1 試驗因素水平

表2 試驗方案及結果

4 試驗結果分析及優化

4.1 拾膜率分析

利用Design-Expert軟件對表2中的數據進行處理，分析結果如表3所示。同時，得到以拾膜率為響應函數、以各因素為自變量的回歸方程為

Y=85.3+4.79A+3.77B-4.08AB-

3.33BC-6.05B2-2.78C2

其中，A、B、C分別為機具行進速度、拾膜桿齒線速度與機具行進速度比、拾膜桿齒入土深度。

回歸模型的方差分析如表3所示。拾膜率回歸模型的P值遠遠小于0.01，該模型極其顯著，說明試驗成立，失擬項P值大于0.05，表明模型與數據擬合程度高。由表3可以看出：A、B、AB、B2對模型影響極顯著， BC、C2對模型影響顯著，而C、AC、A2對模型無顯著影響。各單因素對模型顯著性影響大小順序為：機具行進速度>拾膜桿齒線速度與機具行進速度比>拾膜桿齒入土深度。

表3 回歸模型的方差分析

P<0.01為極顯著(**)，P<0.05為顯著(*)。

交互因素對拾膜率影響的響應面曲線如圖9所示。

圖9 交互因素對拾膜率的影響

圖9(a)為桿齒入土深度在60mm時機具行進速度與速比對拾膜率影響的響應面曲線圖，可以看出：速比和機具行進速度同時變大時，拾膜率先增大后減小，存在最優值。在零水平下，機具行進速度對拾膜率的影響比速比對拾膜率的影響更為顯著。由圖9(b)可以看出：機具行進速度為0.9m/s、拾膜桿齒入土深度與速比同時增加時，拾膜率先增大后減小，存在最優值，速比對拾膜率的影響比桿齒入土深度對拾膜率的影響更顯著。

4.2 卸膜率分析

在該組試驗中，卸膜率主要和拾膜桿齒線速度與機具行進速度比有關。根據臺架試驗可知：速比較高時，卸膜機構往復擺動的速度快，卸膜時容易回帶殘膜；速比較低時，拾膜主軸的轉速相對較慢，拾膜桿齒還未將殘膜升運至卸膜位置時，在殘膜自重的作用下會使得殘膜掉落至集膜箱外。根據試驗可知：當速比為1.0時，卸膜效果較好。

4.3 參數優化

應用Design-Expert數據分析軟件對拾膜率進行優化分析，設定目標函數拾膜率為Y[max]。因素約束分別為：機具行進速度0.6～1.2m/s，拾膜桿齒線速度與機具行進速度比0.8～1.2，桿齒入土深度30～90mm。優化結果為：當機具行進速度1.2m/s、速比1.0、桿齒入土深度55mm時，拾膜率為88.6%。

5 結論

1)根據新疆一膜四行的機采棉覆膜種植模式，設計了桿齒式殘膜回收機，并對桿齒式殘膜回收機的主要工作部件進行分析，確定了各機構的設計參數。

2)設計了Box-Benhnken三因素三水平響應面試驗，并通過Design-Expert數據分析軟件對拾膜率方差進行分析。結果表明：機具行進速度、速比對拾膜率影響極其顯著，桿齒入土深度對拾膜率影響不顯著。

3)通過Design-Expert軟件計，算出了機具行進速度、速比、桿齒入土深度三因素的最優組合，即當機具行進速度為1.2m/s、速比為1.0、桿齒入土深度為55mm時，拾膜率、卸膜率最優。