一種殘膜回收機切膜松土機構的設計

明光

（武威職業學院，甘肅 武威 733000）

0 引言

地膜覆蓋技術是一種既能改善和優化作物生長環境，克服不良條件影響，又能取得早熟、高產、優質和高效的先進農業種植技術。鋪設地膜還可以有效利用土地資源和水資源，起到增溫、保墑、穩產、提質的效果[1-8]。因此，地膜覆蓋技術對我國的農業發展，特別是對西北地區旱地農業具有十分重要的戰略意義。但由于連年鋪膜且使用過的地膜在農作物收獲后未能及時、有效得到回收，以致深耕后埋在土壤中，久而久之對農田土壤造成了嚴重的“白色污染”，進而導致農作物產量連年下降[9-12]。因此地膜回收已成為當前農業生產中亟需解決的一大重要課題。目前，農田地膜回收主要有人工撿拾和機械回收兩種方式，人工撿拾作業勞動強度大、效率低、成本高，機械回收雖克服了人工撿拾的缺點，但現有地膜回收機存在回收率低、含雜率高等缺點。同時，對于已破碎，特別是埋在板結土壤中的地膜，無論是采用釘齒式、摟齒式、夾持式或氣吸式等，都很難將地膜直接從地表收起[13-16]。因此，研究并設計一種回收率高、含雜率低的農田地膜回收機具有重要意義。

1 整機結構

針對現有農田地膜回收機工作過程存在的膜雜分離率較低的問題，設計了一種膜雜分離式殘膜回收機。該機具主要由橫向切膜裝置、縱向切膜機構、松膜鏟、輸膜裝置和脫膜機構等組成（圖1）。

圖1 膜雜分離式殘膜回收機

2 工作原理

作業時，拖拉機通過牽引架與本機具相聯接，其動力輸出軸與變速箱相聯接，變速箱通過鏈輪分別與縱向切膜傳動系統、收膜傳動系統和脫膜傳動系統相聯接，組成作業機組。整機作業時，首先啟動橫向切膜裝置，橫向切膜刀具高速運動，前地輪通過鏈輪帶動凸輪機構運動，凸輪機構再帶動橫向切膜裝置上下往復運動，橫向切膜刀具將地膜隔段切斷。同時，拖拉機動力輸出軸聯接變速箱，通過變速箱聯接縱向切膜機構，傳動系統帶動縱向切膜輪將地膜沿著作物根系縱向連續切斷，然后，松膜鏟將緊貼地面的地膜進行松土分離，最后，變速箱通過鏈傳動帶動收膜機構運動，收膜釘齒依次將掛起的地膜往上輸送，直到達脫膜輥處，地膜由脫膜毛刷自收膜齒表面分離，落入集膜網箱內，完成地膜回收。

3 主要零部件的設計

3.1 橫向切膜裝置

橫向切膜裝置主要包括凸輪、彈簧、上下移動導軌、鏈條式刀具等（圖2）。凸輪機構的移動導桿與電動裝置頂端相聯接，導桿套有彈簧且上下被圓形擋塊擋住實現復位。作業時，啟動橫向切膜裝置，鏈式刀具開始高速旋轉運動，凸輪軸靠前地輪用鏈條傳動實現橫向切膜裝置的上下往復運動，地膜被按一定距離橫向切斷。采用橫向切膜裝置的主要目的是為了避免在輸膜釘齒輸送地膜過程中出現雜物積累而將地膜扯斷，以致輸膜釘齒將雜物掛起進入集膜箱內。

圖2 橫向切膜裝置

由于機具作業前進速度為勻速（等速）狀態，本橫向切膜裝置中采用了凸輪機構，根據凸輪從動件運動規律可知，勻速作業時從動件運動規律為等速運動。

根據從動件運動規律可知，等速運動時，凸輪機構的從動件存在剛性沖擊。在大多數情況下，應采取相應措施避免剛性沖擊，而本文橫向切膜裝置中，凸輪的從動件連接橫向切膜刀具體，在切膜上下移動過程中正是利用剛性沖擊特性，更易將地膜切斷。

3.2 縱向切膜機構

在地膜回收過程中，處于地膜上方的農作物根茬會對輸送釘齒掛起地膜造成影響。因此在橫向切膜裝置后設置了縱向切膜機構。考慮到地膜鋪設采用一膜多行，則本機具的縱向切膜刀具設置兩對以上。圖3所示為一對刀具示意圖。縱向切膜機構核心部件為圓鋸齒形切膜刀，其傳動系統連接拖拉機的變速箱。

圖3 縱向切膜機構

3.3 松膜鏟

農田作物收獲時，農用車等機具勢必對田間土壤碾壓，進而造成土壤板結，鋪在上面的地膜被碾壓后緊緊黏在板結的土壤表層。為了便于輸膜釘齒將地膜掛起，增加了縱向松土鏟（圖4）。松膜鏟底端程尖圓弧形狀，經過鏟起后的地膜和土壤初步分離，拾膜部件作用于地表時可以直接收起地膜。此外，豎直方向布置帶有刀刃的固定支撐板，其行間距寬度與縱向切膜刀具相同。

圖4 松膜鏟

圖5為松土鏟作業時的受力圖，因地面土壤含有各種雜物，因此這里土壤的純切削阻力kb不能忽略。

圖5 松膜鏟受力圖

在水平方向上列平衡方程可得如下方程式：

式中F—松膜鏟作業時受到的牽引力水平分力（N）；FN—土壤作用于鏟面的法向力（N）；μ—土壤與鏟面的摩擦系數；b—松膜鏟鏟面寬度（m）；α—松膜鏟入土傾斜角度（rad）。

由（1）式平衡方程可知，當入土傾角α為零度時，此時牽引力水平分力為牽引力，因松膜鏟深度較淺，此時的土壤作用于鏟面的法向力可以或略不計，與存在傾角時相比，牽引力變小了。另一方面，由于本機具中設計的松膜鏟為一體式，即只有兩側支撐，中間為貫通形式，在松膜鏟入土后鏟底呈水平狀態前進作業時，對鏟面以上的土壤整體破碎能力作用不大，即某些情況下地膜有可能依然附著在土壤里面。刀面傾斜入土設計，當松膜鏟鏟起土壤時，土壤在鏟面上有一個運動擠壓的過程，這種狀態下利于土壤的破碎，進而使得地膜與地表土壤分開，更有利于輸膜釘齒將地膜掛起且不易拉斷地膜。另外，這里的入土傾角不能太大，避免增加作業油耗。根據經驗，入土角設計為10°~15°。

3.4 輸膜裝置

本機具的輸膜裝置豎向安裝方式采用垂直式結構，橫向采用多排布置，其中撿膜釘齒與輸送鏈呈一定傾角安裝，結構如圖6。為了能夠有效地將地膜撿起，同時將秸稈、枝葉等雜物與地膜分離開，輸膜釘齒的數量和輸送鏈排數不能太少。當輸膜釘齒或輸送排數間距過大，掛起地膜時容易將雜物裹里面，進而落入集膜箱內；當輸膜釘齒或輸送排數間距過小時，在輸膜釘齒掛起地膜時，秸稈、枝葉等雜物易被卡在兩輸膜釘齒之間，根據現有機具存在地問題，本機具設計輸膜釘齒數量在48~56個和輸送鏈數為8~10排。另外，為了防止雜物進入集膜箱內，在集膜箱上部設計安裝了雜物引流板。當輸膜釘齒由最高點翻轉向下時，被夾在輸膜釘齒的雜物就順著引流板被分離開，實現膜雜分離的目的。

圖6 輸膜機構

4 總結

本文針對現有農田殘膜回收機工作過程存在的膜雜分離率較低的問題，設計了一種膜雜分離式殘膜回收機。對機具中的橫向切膜裝置、縱向切膜機構、松膜鏟、輸膜裝置等核心部件的工作過程以及設計理念進行了說明，具體如下：

（1）對橫向切膜裝置、縱向切膜機構，依據實際鋪膜情況特點進行了理論分析和結構說明；

（2）對松膜鏟的入土角度進行了理論計算，得出入土傾角為10°~15°；

（3）根據收膜機構在現有機具作業中存在的問題以及農田雜物特點，設計輸膜釘齒個數為48~56個、輸送鏈8~10排。

通過理論分析和計算進一步說明各主要部件在殘膜回收中具有可行性。