兩級升運鏈錐軸自卸式殘膜撿拾機設計及試驗

摘要：廢膜殘留于土壤會直接影響種子的出苗率和養分的吸收利用，同時會造成極大的白色污染。農田殘膜的撿拾回收問題一直是困擾農技和農機人員的“頑疾”，傳統滾筒式、鼠籠式、釘耙式等殘膜撿拾回收機撿拾效果不理想、撿拾效率較低。為解決黃土高原全膜雙壟溝播種模式下傳統撿拾方法殘膜拾凈率低的問題，設計一種兩級升運鏈錐軸自卸式殘膜撿拾機。使用設計的起膜鏟實現板結覆土下殘膜的完整收集，設計兩級升運鏈機構實現土塊的篩分清理，通過自卸機構實現膜雜箱的快速釋放，有效降低人工作業強度。結果表明，該殘膜撿拾機具有優異的作業性能，更適用于黃土高原的全膜雙壟溝的播種模式。兩級升運鏈錐軸自卸式殘膜撿拾機在各種播種模式下的殘膜拾凈率均穩定在95%左右。

關鍵詞：殘膜撿拾機；兩級升運鏈；錐軸式；自卸機構

中圖分類號：S223

文獻標識碼：A

文章編號：2095-5553 （2024） 05-0258-06

收稿日期：2023年7月18 日 "修回日期：2023年10月25 日*基金項目：甘肅省重點研發計劃項目 （21YF5NA092）

第一作者：賈承謐，男，1974年生，甘肅靖遠人，副教授；研究方向為農業裝備技術。E-mail： 120706105@qq.com

通訊作者：康清華，女，1966年生，甘肅景泰人，正高級工程師；研究方向為農業工程技術推廣應用。E-mail： 975888047@qq.com

Design and experiments of a" two-stage lift chain tapered shaft self-unloading residual film picker

Jia Chengmi1， Ding Hongbin2， Yang Zheng1， Zheng Shuya2， Kang Qinghua2， Cheng Xingtian2

（1. Gansu Livestock Engineering Vocational and Technical College， Wuwei， 733000， China;

2. Gansu Provincial Agricultural Machinery Appraisal Station， Lanzhou， 730046， China）

Abstract：

The residue of waste film in the soil directly affects the emergence rate of seeds and the absorption and utilization of nutrients， while also causes great white pollution. The problem of picking up and recycling agricultural residual film has always been a persistent problem that troubles agricultural technicians and machinery personnel. The traditional drum， squirrel cage， and rake type residue film picking and recycling machines have unsatisfactory picking effects and low picking efficiency. In order to solve the problem of low residual film collection rate in traditional picking methods under the full film double ridge and ditch planting mode on the Loess Plateau， a two-stage lifting chain cone axis self-unloading residual film pickup machine is designed. The designed film scraper is used to achieve complete collection of residual film under the compacted soil， and a two-stage lifting chain mechanism is designed to screen and clean the soil blocks. The self-unloading mechanism is used to quickly release the film debris box， effectively reduce the intensity of manual work. The results indicate that the residual film pickup machine has excellent operational performance and is more suitable for the full film double ridge planting mode in the Loess Plateau. The two-stage lifting chain cone axis self-unloading residual film pickup machine has a stable residual film pickup rate of around 95% under various sowing modes.

Keywords：

residual film picker;" two-stage lift chain; cone shaft; self-unloading mechanism

0 引言

地膜覆蓋技術可以接納降水、保蓄水分、提高地溫，有效改善農作物的生長環境，解決北方旱作區降水稀少造成出苗困難和前期生長受到抑制的問題，是提高農作物產量的有效手段［1， 2］。目前，地膜覆蓋技術，特別是全膜覆蓋技術已經在甘肅省已經得到了廣泛應用，從根本上解決了黃土高原上旱地土壤水分蒸發嚴重的問題。

全膜覆蓋技術的推廣應用雖然達到了增產增收的目的，但是地膜的使用量也在急劇增加。這導致農田中殘留地膜數量持續增加［3］，大量殘膜對土壤結構產生了嚴重破壞，甚至導致農作物減產［4， 5］。所以殘膜的撿拾以及重新利用對減少殘膜殘留、改善農田土壤環境、促進農業可持續發展具有重要意義。殘膜撿拾方法主要有人工撿拾和機械撿拾兩種。人工撿拾的效率低、工作強度高；機械撿拾可以實現殘膜撿拾的自動化，省時省力。傳統的機械撿拾機主要有卷膜輥式、彈齒式、釘齒式等多種類型［6］，但是傳統的機械撿拾方法的撿拾率低，不適用黃土高原的最優播種模式—全膜雙壟溝播種。由于全膜雙壟溝播種模式下，為了防止地膜被大風吹起、方便作物幼苗自發破膜出土，通常會使用覆土機在地膜上覆蓋厚度為1～3 cm的土壤。隨著外界環境的變化，土壤會逐漸板結，加劇殘膜的斷裂，使得傳統撿拾機作業不連續，斷裂的地膜將會裹挾大量的土塊和作物根莖，這也會使得傳統撿拾機的膜雜率高，甚至會出現機具堵塞的問題［7］。

本文針對以上問題設計一種兩級升運鏈錐軸自卸式殘膜撿拾機，并且在多種不同種植模式下對所設計的兩級升運鏈錐軸自卸式殘膜撿拾機進行性能試驗。

1 整機結構與工作原理

1.1 整機結構

兩級升運鏈錐軸自卸式殘膜撿拾機主要由起膜鏟、防纏輥、機架、一級升運鏈、二級升運鏈、地輪、膜雜箱、纏膜輥、液壓牽引桿、牽引棘輪和牽引繩組成，如圖1所示，其中牽引棘輪和牽引繩組成膜雜箱的自卸機構［8］。

整機尺寸（長×寬×高）為1820 mm×1560 mm×1230 mm，整機質量為268 kg，工作幅寬125 cm，配套動力為29.4 kW，撿拾深度不超過15 cm，作業速度為3～5 km/h。

1.2 工作原理

兩級升運鏈錐軸自卸式殘膜撿拾機的動力由牽引拖拉機提供，拖拉機提供的動力由傳動機構傳遞到一級升運鏈、二級升運鏈、防纏輥和纏膜輥。拖拉機牽引整機前進過程中，起膜鏟伸入地下，將殘膜、作物根莖、雜草和田間土壤一并鏟離地面；防纏輥可以將作物根莖、雜草撥離，防止起膜鏟被纏繞；經過一級升運鏈，田間土壤被分離；二級升運鏈將殘膜、作物根莖和雜草傳輸至纏膜輥；纏膜輥對殘膜進行纏卷，作物根莖、雜草則落入膜雜箱；從地頭到地尾即為一個行程；每個行程結束后，轉動自卸機構中的牽引棘輪實現膜雜箱的自卸，而后卸下纏卷完成的殘膜，完成一個作業過程［9， 10］。

2 關鍵結構設計與分析

2.1 起膜鏟設計

在工作過程中，起膜鏟始終伸入地面以下，鏟起殘膜、作物根莖、雜草和田間土壤，并將其傳遞至一級升運鏈，起膜鏟的結構簡圖如圖2所示。起膜鏟設計為10對支撐釘和起膜釘組合的結構，各組起膜釘之間留有間隙，可以在起膜的過程中最大程度地分離土壤，減少土壤對地膜的磨損，降低后續工作機構的載荷［11］。

起膜鏟的傾斜角度對入土性能有重要的影響。傾斜角度小，起膜鏟入土阻力降低，但是需要更長的起膜釘才能將地膜運輸至一級升運鏈，并且土壤難以滑落；傾斜角度大，起膜鏟入土阻力大，會增加整機負載，并且容易破壞地膜的完整性［12］。所以起膜鏟傾角的取值決定了能否順利收集地膜。

假設起膜鏟上有土壤質點和地膜質點，兩質點處的受力情況如圖3所示。

起膜鏟鏟起地膜之后，為了使地膜沿著起膜鏟向上運動，并且使田間土壤盡可能地順著起膜鏟滑落，需要滿足以下條件。

Fnccosα+Ftcsinα≥Ffcsinα+Fgc

（1）

Fntcosα+Fttsinα≤Fftsinα+Fgt

（2）

式中：

Fnc——

起膜鏟對地膜質點的支持力，N；

Fnt——

起膜鏟對土壤質點的支持力，N；

Ftc——

下側土壤對地膜質點的推力，N；

Ftt——

下側土壤對土壤質點的推力，N；

Ffc——

地膜質點和起膜鏟之間的摩擦力，N；

Fft——

土壤質點和起膜鏟之間的摩擦力，N；

Fgt——土壤質點的重力，N；

Fgc——地膜質點的重力，N；

α——起膜鏟的傾角，（°）。

3 性能試驗

3.1 試驗方法

試驗在定西市安定區進行，試驗地勢平坦，土壤類型為壤土，前茬作物為玉米。

為了驗證兩級升運鏈錐軸自卸式殘膜撿拾機對全膜雙壟溝播種殘膜撿拾的優異性能，使用耙齒式殘膜撿拾機和兩級升運鏈錐軸自卸式殘膜撿拾機進行了對比試驗［14］。使用東方紅SG354拖拉機為兩種撿拾機提供動力，功率為25.7kW。

試驗參數如表1所示，使用兩級升運鏈錐軸自卸式殘膜撿拾機與耙齒式殘膜撿拾機進行對比試驗，種植模式包括一年白膜平鋪、一年白膜雙壟溝、一年黑膜雙壟溝、兩年白膜雙壟溝四種，作業速度為2.5～5.5 km/h，試驗主要研究不同殘膜撿拾機在不同作業速度、不同種植模式下的殘膜拾凈率。

3.2 試驗結果

兩級升運鏈錐軸自卸式殘膜撿拾機和耙齒式殘膜撿拾機的對比試驗如圖11～圖14所示。在一年白膜平鋪的種植模式下，兩種殘膜撿拾機的平均拾凈率相近，均超過85%，兩級升運鏈錐軸自卸式殘膜撿拾機的拾凈率略高于耙齒式殘膜撿拾機。

在一年白膜雙壟溝、一年黑膜雙壟溝和兩年白膜雙壟溝的種植模式下，耙齒式殘膜撿拾機的殘膜拾凈率不超過80%，而兩級升運鏈錐軸自卸式殘膜撿拾機的殘膜拾凈率均不低于95%。這說明本文所設計的兩級升運鏈錐軸自卸式殘膜撿拾機整體性能優越，并且更適用于黃土高原的全膜雙壟溝的播種模式。

4 結論

1）" 本文設計一種兩級升運鏈錐軸自卸式殘膜撿拾機，可以一次完成殘膜、作物根莖和雜草的分離清理。

2）" 對起膜鏟、防纏輥、升運機構和纏膜機構進行設計，確定起膜鏟傾角、碎土滾輪半徑和纏膜輥轉速，實現殘膜的干凈回收。

3）" 田間試驗表明，兩級升運鏈錐軸自卸式殘膜撿拾機具有更高地殘膜拾凈率，并且更適用于黃土高原的全膜雙壟溝的播種模式，各種播種模式下，殘膜拾凈率均穩定在95%左右。

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