氣吹分離式壟作花生殘膜回收機設計與試驗

黃嘉寶，王東偉，尚書旗，何曉寧，郭鵬，左百強，趙澤龍，董成

（266109 山東省 青島市 青島農業大學 機電工程學院）

0 引言

花生是一種重要的油料和經濟作物，2019 年全國花生播植面積約為470.5 萬hm2，在我國種植業中占有重要地位。山東是我國花生傳統種植區域，2019 年種植面積達到92 萬hm2，占全國種植面積的19.77%。由于農用覆膜使用面積不斷擴張和存留年限不斷提高，殘膜含量達到23.98 kg/hm2，殘膜已成為影響作物增產增收的一大隱患[1-2]。

使用后的農膜較薄、易撕裂，人工回收農田殘膜成本高且效率低，國內外基本上都使用農膜回收機械來清理。國內外研究學者對殘膜回收機及其關鍵部件展開了大量研究，也研發了適應不同種植方式的殘膜回收機[3-4]。目前市場上占主導地位的還是適用于北方農業環境的回收機型，尤其以新疆棉花等作物為主，機器工作幅寬大，要求機耕道更寬，但適合山東壟作區花生殘膜回收機的研究較少。

另外，國內外學者在研究殘膜回收機時往往只考慮單一的殘膜分離裝置，例如氣吹式殘膜回收機利用離心風機的風力達到脫膜，將土壤和殘膜分離[5-6]；鏟篩式殘膜回收機在田間作業時，起膜鏟將地膜起出，位于起膜鏟上方的掃刷機構將地膜和土壤雜草混合物拋向輸送機構，輸送機構將雜余篩除，輸送到集膜箱中[7-8]。本文借鑒氣吹式殘膜回收機的優點，在保留風機的基礎上增加分離滾筒協同作業，既保障殘膜回收機的土壤和殘膜的分離效果，又大大提高了殘膜回收率，為山東壟作區花生殘膜回收機的設計提供了參考。

1 殘膜回收機的設計

1.1 整機設計

針對現有殘膜回收機存在的問題，以土中或土上殘膜為主要研究對象，以機器與地表殘膜的相互作用為研究目標，研制出適宜不同用膜方式的聯合回收機，為殘膜回收機的形式提供新思路。該機具主要由機架、傳動系統、風機、掘土裝置、輸送裝置、膜土分離裝置、集膜箱、限深輪、支撐輪等部分組成，如圖1 所示。殘膜回收機由拖拉機牽引，再由拖拉機后輸出軸提供動力，動力一路至傳送帶主動輥及風機，另一路經傳送帶主動輥另一側傳至后方分離滾筒主動軸，該部分由一對錐齒輪傳動，滾筒篩外圈安裝錐齒輪齒圈，從而帶動滾筒篩旋轉。

圖1 殘膜回收機側視圖Fig.1 Side view of residual film recovery machine

1.2 工作原理

作業過程中，前面的犁刀作為掘土裝置，深入土層將膜土混合物鏟起，其兩側的限深輪可調節，控制犁刀入土深度；犁刀后面焊接的柵條將膜土混合物挑至傳送帶，傳送帶將膜土混合物向后方輸送，在導流板的匯聚作用下，膜土混合物順利進入膜土分離滾筒；分離滾筒后部稍向下傾斜，滾筒內壁有篩網，滾筒轉動，土從網格漏下，殘膜及雜物滑到后部集膜筐；集膜筐滿后，由液壓裝置將集膜筐翻轉，將殘膜傾倒至地頭空曠處或者殘膜回收站，完成殘膜回收過程。

2 關鍵部件有限元分析

起膜鏟工作時需要入土，為了保證其工作可靠，要求起膜鏟有較高的強度。起膜鏟工作過程中，受到土壤的阻力存在一定應力和變形，通過傳統方法計算起膜鏟的應力變化非常復雜，且目前還沒有準確計算起膜鏟與土壤間作用力的方法。因此采用有限元軟件對起膜鏟靜強度進行分析，有助于預測起膜鏟的應力分布和變形狀況，可為起膜鏟具體結構設計提供理論依據。

2.1 模型搭建

（1）模型處理。為減小計算量，對模型進行適當簡化，對不規則幾何模型進行分割處理，切割成多個零部件，以便劃分結構。提取起膜鏟的關鍵工作部件，如圖2 所示。將部件導出為stp 格式，并導入到ANSYS 進行受力加載分析。

圖2 起膜鏟結構圖Fig.2 Structural drawing of a shovel

（2）網格劃分。上述stp 格式的起膜鏟導入ANSYS 劃分網格，指定網格尺寸對起膜鏟進行網格劃分，起膜鏟網格數量199 133 個，節點數量316 972 個，起膜鏟整體網格與局部網格如圖3所示。

圖3 起膜鏟網格劃分效果Fig.3 Meshing effect of film shovel

（3）模型材料及載荷添加。起膜鏟材料為Q235鋼，密度為7.8E-6 kg/mm3，彈性模量為2.1E5 MPa，泊松比為0.3，屈服強度為235 MPa，抗拉強度為466 MPa，延伸率為23%[9]。

起膜鏟機具在前進速度為4 km/h 的情況下，根據相關文獻選取阻力為4 kN[10]，將該載荷加載于起膜鏟的工作表面，并在起膜鏟左右兩側及中間部位與整機連接部位設置約束，如圖4 所示。

圖4 起膜鏟加載與約束圖示Fig.4 Diagram of loading and restraint of film shovel

2.2 仿真結果分析

起膜鏟變形仿真結果如圖5 所示，由于左右起膜鏟在機架兩端固定安裝，同時在左右起膜鏟交接位置增加與機架的連接點，因此起膜鏟的最大變形位置應該在左右起膜鏟的中間位置，仿真結果也反映出左右起膜鏟中間位置為最大變形位置，由中間向兩側逐漸減小。由圖5 可得起膜鏟的最大變形為1.3 mm，但是相對于整體機架尺寸，變形十分微小。

圖5 起膜鏟變形圖Fig.5 Deformation diagram of film shovel

起膜鏟的應力應變如圖6、圖7 所示，左右起膜鏟為兩端固定，在起膜鏟表面加載時，最大應力應變應該出現在兩端固定點的位置，由圖6、圖7可知，最大應力為125 MPa，最大應變為0.063%，出現在左右起膜鏟的連接部位，其數值遠低于真實抗拉強度466 MPa 與延伸率23%，因此該起膜鏟性能完全滿足要求。

圖6 起膜鏟應變圖Fig.6 Strain diagram of film shovel

圖7 起膜鏟應力圖Fig.7 Stress diagram of film shovel

3 田間試驗與結果分析

3.1 田間試驗方法

田間試驗在山東省農業科學院花生試驗基地進行，試驗品種為魯花9 號。試驗地屬于典型花生種植主產區，試驗面積0.05 hm2，土壤含水率15.9%，種植方式為壟作，如圖8 所示。

圖8 大田實驗照片Fig.8 Field experiment photos

田間試驗是對前期研究成果的檢驗，也是對新型壟作花生殘膜回收機分離裝置各項指標的檢測，可對分離裝置的合理性與科學性進行驗證。通過設計試驗，利用數據分析軟件對試驗數據進行優化處理，尋找分離裝置的最優工作參數組合。

測定殘膜回收率的方法有質量法和面積法。考慮到實驗操作的可行性和數據測定的準確性，在本次試驗和測定過程中，采用質量法計算測試區的殘膜回收率。質量法分別將每個測試區所有塑料袋內的殘膜除雜、洗凈、曬干并稱重，然后按式（1）計算測試區的殘膜回收率。

式中：N——殘膜回收率，%；M——回收殘膜的質量，g；M0——未回收殘膜的質量，g。

3.2 田間試驗設計

分離滾筒裝置是殘膜回收機的重要拾膜部件和動力輸出部件，其工作穩定性和連續可靠性直接影響氣吹式殘膜卷收機的性能、可靠性以及作業效率。根據前期的文獻查閱和理論分析，在實際作業中，新型壟作花生殘膜回收機的性能受到各種因素的影響，如機具前進速度、土壤性能、桿齒結構形狀、起膜部件尺寸、起膜部件入土深度等，其中影響較大的因素是機具前進速度。若機具前進速度較大，殘膜回收機易發生打滑且起膜部件與土壤之間的作用阻力較大；若機具前進速度較小，機具的工作效率較低。對起膜部件工作性能影響較大的另一個因素是分離滾筒的轉速，其性能直接決定分離效率，影響殘膜回收效果。根據前期理論分析和實際作業結果，可得各因素參數的取值范圍：作業速度取值4、5、6 km/h；滾筒轉速300、400、500 r/min，試驗各水平組合如表1 所示。

表1 試驗水平組合Tab.1 Test level combinations

3.3 試驗結果分析

將回收的殘膜及回收后在測試區撿拾的殘膜帶回實驗室。按標簽上每袋殘膜的屬性分別進行洗凈、曬干并稱重，實驗數據統計如表2 所示。

表2 試驗數據統計Tab.2 Statistics of test data

對實驗數據的分析采用單一變量法，首先對機具前進速度單一變量影響展開分析，如圖9 所示。對相同滾筒轉速、不同機具行走速度下殘膜回收率進行對比，如圖10 所示。

圖9 機具前進速度下殘膜回收率Fig.9 Recovery rate of residual film at forward speed of the machine

由圖9 可以發現，3 條折線都呈現隨機具行走速度提高，殘膜回收率先增大后變小，即殘膜回收率：機具行走速度5 km/h >6 km/s>4 km/s，其中機具行走速度5 km/h 時殘膜回收率平均值約為89%。出現這種現象的原因有2 方面，一是作業速度增加時，傳送帶震動較大，造成殘膜在輸送時重新落入田間；二是起膜部件與作業速度不匹配，起膜部件轉速一定時，作業速度越大越會造成漏撿；但作業速度小時，殘膜回收率較大，同時也必然會降低作業效率。所以應該考慮實際作業情況，選擇合適的作業速度，本機行走速度選擇5 km/h 最佳。

由圖10 可見，在機具行走速度相同情況下，3 條折線都呈現隨著滾筒轉速提高殘膜回收率先增大后變小，即殘膜回收率：滾筒轉速400 r/min>300 r/min>500 r/min。在滾筒轉速400 r/min、機具行走速度5 km/h 工況下，殘膜回收率約為89.3%。在實際工作狀態下，滾筒轉速過小會造成殘膜和土壤一并掉入田埂，嚴重影響殘膜回收率和工作效率；當滾筒轉速過大時，殘膜離心力大，當離心風機風速固定時，滾筒中的風力難以將殘膜和土壤分離，也會影響殘膜回收率。本機器最佳工作參數為滾筒轉速400 r/min，機具行走速度5 km/h。

4 結論

（1）通過對殘膜回收機起膜鏟的有限元分析得出：在工作載荷作用下，最大應力為125 MPa，最大應變為0.063%，數值遠低于真實抗拉強度466 MPa與延伸率23%，因此該起膜鏟性能完全滿足要求。

（2）完成了樣機試制。進行了田間試驗，通過單一變量分析得到作業速度5 km/h、滾筒轉速400 r/min 為本機器最佳工作參數，殘膜回收率達到89%。