1CMJF-110型殘膜殘茬分離回收機(jī)設(shè)計(jì)

梁剛，宮玉敏，邵澤亮，李志，劉同聰

(淄博市農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所, 山東 淄博 255086)

地膜覆蓋栽培技術(shù)具有增溫、保墑、保肥、抑制雜草生長(zhǎng)和減輕農(nóng)作物病害的作用，廣泛應(yīng)用于棉花、玉米、蔬菜、烤煙等多種農(nóng)作物種植過(guò)程中。隨著地膜覆蓋種植面積擴(kuò)大和年限累積，越來(lái)越多的殘膜積留在農(nóng)田中，不僅造成農(nóng)田和環(huán)境的嚴(yán)重污染，還嚴(yán)重影響農(nóng)作物的耕種出苗、根系生長(zhǎng)和收獲產(chǎn)量[1]。

目前殘膜殘茬的回收主要采用人工撿拾和機(jī)械回收兩種方式。人工撿拾殘膜勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低、成本高[1];機(jī)械回收殘膜殘茬可克服人工撿拾的缺點(diǎn)，但現(xiàn)有機(jī)具性能單一，只能進(jìn)行殘膜殘茬簡(jiǎn)單混裝，不能實(shí)現(xiàn)分離和分裝處理[2-3]。

為此，本文在對(duì)殘茬殘膜回收機(jī)具及相關(guān)技術(shù)進(jìn)行調(diào)研的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一種1CMJF-110型殘膜殘茬分離回收機(jī)。

1 總體結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 實(shí)現(xiàn)功能

1)入土深度調(diào)節(jié)。該機(jī)具能實(shí)現(xiàn)≤150 mm范圍內(nèi)入土深度調(diào)節(jié)，滿足玉米、棉花、蔬菜、瓜類、烤煙等農(nóng)作物對(duì)不同殘茬清理深度的要求。

2)殘膜殘茬分離回收。該機(jī)具具有獨(dú)立的殘膜和殘茬分離回收系統(tǒng)，采用前后布局，實(shí)現(xiàn)殘膜撿拾在前、殘茬撅起在后，并設(shè)計(jì)有各自的輸送機(jī)構(gòu)和收集倉(cāng)，從而實(shí)現(xiàn)殘膜殘茬的分離回收功能。

1.2 總體結(jié)構(gòu)

1CMJF-110型殘膜殘茬分離回收機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.牽引限深機(jī)構(gòu)；2.摟膜耙；3.收茬鏟；4.殘茬輸送帶；5.后輪；6.后輪行走動(dòng)力輸出總成；7.底盤(pán)；8.機(jī)身高度調(diào)節(jié)絲桿；9.殘茬收集倉(cāng)；10.殘茬收集倉(cāng)翻轉(zhuǎn)油缸；11.滾筒篩；12.機(jī)架；13.殘膜收集倉(cāng)；14.殘膜輸送帶；15.殘膜收集倉(cāng)推拉機(jī)構(gòu)；16.茬鏟升降油缸；17.滾筒拾膜器；18.變向減速機(jī)。

該機(jī)具主要由底盤(pán)系統(tǒng)、機(jī)身、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、殘膜分離回收系統(tǒng)、殘茬分離回收系統(tǒng)組成。其中，底盤(pán)系統(tǒng)由底盤(pán) 、牽引限深機(jī)構(gòu)、后輪等組成；機(jī)身由機(jī)架、機(jī)身高度調(diào)節(jié)絲桿、茬鏟升降油缸等組成；傳動(dòng)機(jī)構(gòu)由后輪行走動(dòng)力輸出總成、變向減速機(jī)等組成；殘膜分離回收系統(tǒng)由摟膜耙、滾筒拾膜器、殘膜輸送帶、殘膜收集倉(cāng)、殘膜收集倉(cāng)推拉裝置等組成；殘茬分離回收系統(tǒng)由除茬鏟、殘茬輸送帶、滾筒篩、殘茬收集倉(cāng)、殘茬收集倉(cāng)翻轉(zhuǎn)油缸等組成。

1.3 工作原理

1CMJF-110型殘膜殘茬分離回收機(jī)具體工作流程如圖2所示。機(jī)具以88.3 kW以上拖拉機(jī)為動(dòng)力，總體采用半懸掛式結(jié)構(gòu)布局，通過(guò)圖1中牽引限深機(jī)構(gòu)1的兩個(gè)牽引銷孔，用插銷與拖拉機(jī)的兩個(gè)下拉桿鉸接。

圖2 殘膜殘茬分離回收機(jī)工作流程圖

作業(yè)前根據(jù)種植作物不同，通過(guò)調(diào)節(jié)圖1中的牽引限深機(jī)構(gòu)1，改變摟膜耙2和收茬鏟3的入土深度，調(diào)節(jié)完成后，由拖拉機(jī)進(jìn)行拖曳行走作業(yè)。作業(yè)過(guò)程中，安裝在機(jī)具前端的摟膜耙2首先將地面殘膜挑起并累積在前方，同時(shí)后輪5通過(guò)后輪行走動(dòng)力輸出總成6的兩級(jí)鏈傳動(dòng)帶動(dòng)滾筒拾膜器17旋轉(zhuǎn)。滾筒拾膜器17內(nèi)設(shè)置有可隨筒壁轉(zhuǎn)動(dòng)的伸縮齒，當(dāng)伸縮齒轉(zhuǎn)動(dòng)到與摟膜耙交界處時(shí)，外伸至最長(zhǎng)鉤起殘膜，隨后鉤起的殘膜輸送到與殘膜輸送帶交界處時(shí)，伸縮齒收縮進(jìn)筒壁內(nèi)，完成脫膜。殘膜輸送帶14上的橡膠板將脫離伸縮齒的殘膜刮起運(yùn)輸?shù)綒埬な占瘋}(cāng)13中。在殘膜進(jìn)行回收的同時(shí)，安裝在后方的收茬鏟3進(jìn)行破土，將土壤中的殘茬掘起，隨著拖拉機(jī)的前進(jìn)，掘起的殘茬、土、部分殘膜通過(guò)殘膜輸送帶14運(yùn)輸?shù)讲煌ＰD(zhuǎn)的滾筒篩11中進(jìn)行篩選。殘膜輸送帶14和滾筒篩11的動(dòng)力通過(guò)變向減速機(jī)18外接拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸輸入。篩選過(guò)后的剩余殘膜和殘茬被輸送到殘膜收集倉(cāng)13中進(jìn)行集中處理，篩選的土壤直接還田處理。通過(guò)上述過(guò)程，不需要旋耕破土即可實(shí)現(xiàn)殘膜殘茬與土壤的有效分離和回收。

1.4 技術(shù)參數(shù)

1CMJF-110型殘膜殘茬分離回收機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 1CMJF-110型殘膜殘茬分離回收機(jī)技術(shù)參數(shù)

收茬鏟設(shè)計(jì)寬度為1 100 mm，且無(wú)相應(yīng)寬度調(diào)整機(jī)構(gòu)，為適應(yīng)作業(yè)環(huán)境，作業(yè)地塊壟寬可在800～1 100 mm，因此機(jī)具作業(yè)幅寬為800～1 100 mm。根據(jù)GB/T 25412—2010殘地膜回收機(jī)中4.2作業(yè)性能指標(biāo)的要求，表層拾凈率≥80%，深層拾凈率≥70%；入土深度根據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)5.2試驗(yàn)地的要求≤150 mm。

2 主要工作部件的設(shè)計(jì)

2.1 牽引限深機(jī)構(gòu)

2.1.1 部件結(jié)構(gòu)

牽引限深機(jī)構(gòu)由絲桿、鎖緊螺栓、行走輪，調(diào)節(jié)螺母等零件組成，具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。該機(jī)構(gòu)通過(guò)固定銷軸與底盤(pán)連接，通過(guò)牽引懸掛銷孔與拖拉機(jī)連接。

1.絲桿；2.鎖緊螺栓；3. 牽引懸掛銷孔；4.行走輪；5.軸套；6.調(diào)節(jié)螺母；7.固定銷軸。

2.1.2 入土深度的調(diào)節(jié)

牽引限深機(jī)構(gòu)的主要作用是在機(jī)身高度確定后，調(diào)節(jié)摟膜齒和收茬鏟入土深度，控制土壤的掘起量，有效掘起殘膜殘茬。具體過(guò)程如下：將圖1中茬鏟升降油缸16復(fù)位，機(jī)架12貼底盤(pán)7，此時(shí)機(jī)架基本處于水平狀態(tài)，通過(guò)調(diào)節(jié)機(jī)身高度調(diào)節(jié)絲桿8，改變機(jī)身高度。當(dāng)機(jī)身高度調(diào)整完成后，通過(guò)調(diào)節(jié)圖3中牽引限深機(jī)構(gòu)絲桿上的調(diào)節(jié)螺母6，改變行走輪4相對(duì)于摟膜齒齒尖、收茬鏟鏟尖的垂直距離， 從而確定入土深度，實(shí)現(xiàn)≤150 mm范圍內(nèi)入土深度的調(diào)節(jié)。入土深度調(diào)節(jié)完成后，擰緊螺栓2和調(diào)節(jié)螺母6。

2.2 后輪行走動(dòng)力輸出系統(tǒng)

2.2.1 部件結(jié)構(gòu)

1CMJF-110殘膜殘茬分離回收機(jī)的后輪行走動(dòng)力輸出系統(tǒng)主要由后輪動(dòng)力輸出主動(dòng)鏈輪、拾膜器主動(dòng)齒輪等結(jié)構(gòu)組成，如圖4所示。

a)主視圖

2.2.2 滾筒拾膜器拾取轉(zhuǎn)速的確定

1CMJF-110殘膜殘茬分離回收機(jī)通過(guò)拖拉機(jī)進(jìn)行拖曳行走時(shí)，主運(yùn)動(dòng)首先通過(guò)圖4中與后輪同軸的主動(dòng)鏈輪7輸出，通過(guò)一級(jí)傳動(dòng)鏈5傳遞給從動(dòng)鏈輪8，從動(dòng)鏈輪8與鏈輪9同軸轉(zhuǎn)動(dòng)，然后將運(yùn)動(dòng)通過(guò)二級(jí)傳動(dòng)鏈4傳遞給二級(jí)從動(dòng)鏈輪11,同時(shí)鏈輪11與拾膜器主動(dòng)齒輪3同軸轉(zhuǎn)動(dòng)，拾膜器從動(dòng)齒輪2與主動(dòng)齒輪3相嚙合，最終將動(dòng)力傳遞給滾筒拾膜器，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)。同時(shí)，滾筒拾膜器內(nèi)的伸縮齒隨著筒壁的轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行周期性的伸縮，從而實(shí)現(xiàn)鉤膜、脫膜功能。

由于后輪與后輪動(dòng)力輸出主動(dòng)鏈輪7同軸，轉(zhuǎn)速相同，因此后輪動(dòng)力輸出主動(dòng)鏈輪7的轉(zhuǎn)速n1可通過(guò)式(1)計(jì)算,即

(1)

式中：v為拖拉機(jī)牽引速度；r為拖拉機(jī)后輪半徑。主動(dòng)鏈輪7與拾膜器從動(dòng)齒輪2的傳動(dòng)比i可通過(guò)式(2)計(jì)算,即

(2)

式中：n6為滾筒拾膜器轉(zhuǎn)速；z1為主動(dòng)鏈輪7齒數(shù)；z2為一級(jí)從動(dòng)鏈輪8齒數(shù)；z3為二級(jí)主動(dòng)鏈輪9齒數(shù)；z4為二級(jí)從動(dòng)鏈輪11齒數(shù)；z5為拾膜器主動(dòng)齒輪3齒數(shù)；z6為拾膜器從動(dòng)齒輪2齒數(shù)。聯(lián)立公式(1)、(2)，可得滾筒拾膜器的轉(zhuǎn)速為

(3)

根據(jù)轉(zhuǎn)速與速度的關(guān)系，可得滾筒拾膜器的拾取速度v1為

(4)

式中r1為滾筒拾膜器的半徑。由于1CMJF-110殘膜殘茬分離回收機(jī)的后輪半徑r與滾筒拾膜器的半徑r1相等,所以滾筒拾膜器的拾取速度v1僅與鏈輪齒數(shù)和牽引速度有關(guān)。當(dāng)各鏈輪齒數(shù)不同，傳動(dòng)比i>1時(shí)，n1>n6

，v>v1，拖拉機(jī)走過(guò)的路程與摟膜耙挑起的殘膜長(zhǎng)度相同，大于拾膜器拾取的長(zhǎng)度，導(dǎo)致殘膜在摟膜耙上積累過(guò)多；當(dāng)傳動(dòng)比i<1時(shí)，n1

綜上所述，滾筒拾膜器的拾取轉(zhuǎn)速與拖拉機(jī)的牽引速度成正比關(guān)系。在理想狀態(tài)下，通過(guò)控制各鏈輪齒數(shù)和牽引速度，可實(shí)現(xiàn)后輪轉(zhuǎn)速與拾取轉(zhuǎn)速同步，從而實(shí)現(xiàn)殘膜的有效回收。但實(shí)際作業(yè)效果需在樣機(jī)制作完成后的型式試驗(yàn)中進(jìn)行驗(yàn)證。

3 動(dòng)力匹配

1CMJF-110殘膜殘茬分離回收機(jī)拖拉機(jī)牽引力主要用于克服摟膜耙、收茬鏟、牽引限深機(jī)構(gòu)行走輪以及后輪受的阻力，受力分析如圖5所示。

圖5 殘膜殘茬分離回收機(jī)受力分析圖

取回收機(jī)整體為研究對(duì)象，根據(jù)平面力系平衡的必要充分條件即力系的主矢和對(duì)于任意一點(diǎn)的主矩都等于零，建立圖5所示直角坐標(biāo)系，列出平衡方程組，即

∑Fx=F1+F2+Pt+Rc-F=0，

(5)

∑Fy=N1+N2-G=0，

(6)

∑MO=N2(L1+L2)-GL1-FL3=0，

(7)

式中：F為拖拉機(jī)的牽引力；F1為土壤對(duì)后輪的阻力；F2為土壤對(duì)行走輪的阻力；Pt為摟膜耙牽引阻力；Rc為收茬鏟牽引阻力；G為回收機(jī)的重力；N1為地面對(duì)后輪的支持力；N2為地面對(duì)行走輪的支持力?；厥諜C(jī)的總質(zhì)量約為2 581 kg，因此總重力G=mg=2 581×9.8≈25.294 kN。阻力F1、F2與支持力N1、N2的關(guān)系為

F1=f1N1，

(8)

F2=f2N2，

(9)

式中：f1為土壤對(duì)后輪的滾動(dòng)摩擦系數(shù)；f2為土壤對(duì)行走輪的滾動(dòng)摩擦系數(shù)。

1)摟膜耙牽引阻力Pt的計(jì)算[4]。如圖6所示,摟膜耙牽引阻力計(jì)算參考鏵氏犁[4-6]的計(jì)算公式，即

圖6 摟膜耙分布圖

(10)

式中：Pt為牽引阻力(N)；k為犁耕比阻(N/cm2)；a為耕深(cm)；b為耕幅(cm)；ηt為牽引力利用系數(shù)；n為鏵犁個(gè)數(shù)。

1CMJF-110殘膜殘茬分離回收機(jī)的樓膜耙個(gè)數(shù)n為8，耕幅b為樓膜耙的直徑1.8 cm，耕深a為53 mm(5.3 cm)(如圖7所示)，牽引力利用系數(shù)ηt[4]的一般范圍為0.8～0.95,這里取最大0.95，犁耕比阻取最大值6 N/cm2，則摟膜耙所需牽引阻力為

圖7 摟膜耙最大耕深

2)收茬鏟的牽引阻力Rc的計(jì)算。1CMJF-110殘膜殘茬分離回收機(jī)的收茬鏟與挖掘鏟的功能等同，其牽引阻力受土壤類型、挖掘深度、鏟的形狀和鏟的傾角等影響很大，收茬鏟的牽引阻力[4]可用式(11)確定,即

Rc=SLρgtan(α+φ)+KS+KpG2，

(11)

式中：α為鏟的傾角(°)；φ為內(nèi)摩擦角(°)；L為鏟的長(zhǎng)度(m)；S為土壤沉切面積(m2)；K為犁溝土壤比阻(N/ m2)；ρ為土壤的密度(kg/ m3)；Kp為機(jī)器沿壟驅(qū)動(dòng)的阻力系數(shù)；G2為機(jī)器和在鏟上的土壤重力。

根據(jù)研究，挖掘鏟的土壤沉切面積為[7-9]

(12)

式中：b為挖掘鏟(收茬鏟)幅寬(m) ；d為入土深度(m)；β為前失效面傾角(°)，取β=34°[7]。

根據(jù)回收機(jī)的技術(shù)參數(shù)，作業(yè)幅寬即為挖掘鏟幅寬，取最大值b=1 100 mm (1.1 m)，最大入土深度d=150 mm (0.15 m), 因此鏟的土壤沉切面積S=1.1×0.15÷sin34°≈0.295m2。

機(jī)器和在鏟上的土壤總重力G2與機(jī)器總重力G大致相當(dāng)，取G2=25.294 kN,鏟的設(shè)計(jì)長(zhǎng)度L=0.6 m(600 mm)，K、Kp取中等結(jié)實(shí)土情況下的最大值;φ根據(jù)砂壤土(硬)取26°[10]，鏟的設(shè)計(jì)傾角為28°,土壤密度ρ約為1 500 kg/ m3。則收茬鏟(挖掘鏟)的牽引力為

Rc=0.295×0.6×1500×9.8×

tan(26°+28°)+30 000×0.295+

0.17×25.294≈12.436 kN。

3)阻力F1、F2的計(jì)算。輪式拖拉機(jī)在茬地狀態(tài)下f1一般取值0.08～0.1[4]，此處取最大值0.1，鋼制或鑄鐵輪在割茬地的滾動(dòng)摩擦系數(shù)f2為0.15[4]。將摟膜耙牽引阻力Pt和收茬鏟的牽引阻力Rc代入式(5)—式(9)，可得F1=0.946 kN、F2=2.375 kN。

綜上所述，可求得拖拉機(jī)的牽引力大致為16.239 kN。

4 結(jié)論

1)設(shè)計(jì)的農(nóng)田殘膜殘茬分離、回收機(jī)具，能夠達(dá)到不需要旋耕破土即可實(shí)現(xiàn)殘膜殘茬與土壤有效分離和回收的目標(biāo)。

2)1CMJF-110殘膜殘茬分離回收機(jī)通過(guò)牽引限深機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)≤150 mm范圍內(nèi)入土深度的連續(xù)調(diào)節(jié)，適應(yīng)不同茬地需求。

3)1CMJF-110殘膜殘茬分離回收機(jī)通過(guò)后輪行走動(dòng)力輸出系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)后輪轉(zhuǎn)速與滾筒拾膜器的拾取轉(zhuǎn)速同步，實(shí)現(xiàn)殘膜的有效回收。

4)1CMJF-110殘膜殘茬分離回收機(jī)拖拉機(jī)牽引力主要用于克服摟膜耙、收茬鏟、牽引限深機(jī)構(gòu)行走輪以及輪胎所受的阻力，其值約為16.239 kN。