馬鈴薯收獲與氣力輔助殘膜回收聯合作業機設計與試驗

戴 飛 趙武云 孫 偉 吳正文 宋學鋒 李 勇

(1.甘肅農業大學工學院， 蘭州 730070； 2.甘肅武威興旺農機制造有限公司， 武威 733018)

馬鈴薯收獲與氣力輔助殘膜回收聯合作業機設計與試驗

戴 飛1趙武云1孫 偉1吳正文2宋學鋒1李 勇1

(1.甘肅農業大學工學院， 蘭州 730070； 2.甘肅武威興旺農機制造有限公司， 武威 733018)

針對大面積推廣大壟雙行覆膜馬鈴薯栽培模式所造成的田間殘膜污染問題，設計了馬鈴薯收獲與氣力輔助殘膜回收聯合作業機，一次作業可同步實現薯塊挖掘鋪條與殘膜回收。通過對樣機關鍵作業部件進行設計選型，確定了階梯挖掘鏟、土薯抖動升運裝置及浮動式氣力卷膜裝置結構及作業參數，分析了浮動式氣力卷膜裝置作業過程，得出確保該裝置不產生殘膜滯留堵塞、拉斷及打滑現象的必要條件，對地輪田間行走產生不滑動的滾動條件進行了分析計算，并完成了樣機相關作業性能試驗。田間試驗結果表明，當聯合作業機作業速度為1.8～2.0 km/h時，殘膜回收率為91.6%，明薯率為96.8%，傷薯率為2.3%，試驗指標均達到了國家和行業標準要求，試驗結果滿足設計要求。

馬鈴薯； 氣力輔助殘膜回收； 收獲； 聯合作業機

引言

地膜覆蓋栽培技術在我國農業生產中占有重要的戰略地位，帶動了農業生產力的顯著提高和生產方式的不斷改進，不僅能夠增加農作物產量，且可擴大其適作區范圍，尤其在我國北方干旱地區馬鈴薯、玉米等作物的生產種植中起到了重要作用[1-2]。然而，隨著地膜投入量和應用面積越來越大，農田殘留地膜污染已呈現日趨嚴重的態勢，帶來土壤結構破壞、耕地質量下降、作物減產以及農事操作受阻、次生環境污染等一系列不利影響，造成巨大的經濟損失，已成為影響旱作農業區農田環境的重大威脅之一[3-4]。甘肅省作為我國馬鈴薯西北優勢產區，2014年馬鈴薯覆膜種植面積已達到4.02×105hm2，主要采用大壟雙行黑色地膜覆蓋栽培模式，每年僅鋪膜種薯新增殘膜高達近6×104t，是控制殘膜污染的主要領域，迫切需要切實有效的殘膜治理技術及配套作業機具[5]。

機械化回收殘膜是解決殘膜污染的主要手段，按作業季節殘膜回收可分為：苗期收膜、春播前整地收膜和秋后收膜[6]。受制于旱作農業區多為雨養地覆膜種植，降雨量小、蒸騰量大，苗期已不能收膜；播前整地時間緊，且殘膜在田間擱置時間長破碎嚴重，殘膜回收率低；馬鈴薯收獲后當年使用的地膜強度相對較高，且覆蓋在地表以連片或大塊狀存在，是機械化回收的較佳時期，但田間大量地膜滯留及馬鈴薯挖掘后覆土的再次掩埋對于薯塊收獲時明薯率及后續殘膜回收率皆產生較大影響。近年來，我國科研工作者針對棉花、玉米作物田間殘膜回收研制了多種機具，取得了一定成效[7-10]；針對馬鈴薯殘膜回收進行了嘗試，但回收工藝仍然以馬鈴薯收獲后地膜的二次撿拾為主，勞動強度較大[11]；課題組前期對馬鈴薯挖掘與機械式殘膜回收聯合作業機進行了初步設計，但研發樣機作業耐久性不高，其機械輸膜、卷膜裝置易產生殘膜堵塞與滯留現象，作業效果不穩定[12]。為此，在一代樣機基礎上改進設計一種能夠同步實現馬鈴薯挖掘收獲與氣力輔助殘膜回收的高性能聯合作業機。

1 整機結構與工作原理

1.1 結構組成

馬鈴薯收獲與氣力輔助殘膜回收聯合作業機主要由階梯挖掘鏟、防地膜纏繞裝置、浮動式氣力卷膜裝置、升運導膜桿、離心式風機、土薯抖動升運裝置、減速護欄、薯塊集條裝置、升降手柄、變速箱、地輪及尾輪等組成，樣機具體結構如圖1所示。

圖1 馬鈴薯收獲與氣力輔助殘膜回收聯合作業機結構圖Fig.1 Structure diagrams of combined operation machine for potato harvesting and plastic film pneumatic auxiliary collecting1.階梯挖掘鏟 2.防地膜纏繞裝置 3.牽引架 4.機架 5.浮動式氣力卷膜裝置 6.氣流導膜板 7.升運導膜桿 8.升降手柄 9.風機帶輪 10.離心式風機 11.薯塊減速護欄 12.尾輪13.傳動帶輪 14.地輪 15.薯塊集條裝置 16.土薯抖動升運裝置 17.變速箱

其中，階梯挖掘鏟為三階平面組合結構，浮動式氣力卷膜裝置主要由卷膜驅動輥、卷膜從動輥、卷膜輥、浮動滑槽架和氣流導膜板組成，土薯抖動升運裝置由導向撐鏈輪、升運鏈、托鏈輪、抖動輪及驅動輪等組成。

1.2 工作原理

圖2 聯合作業機傳動系統Fig.2 Schematic diagram of transmission system for combined operation machine1.傳動軸 2.防地膜纏繞裝置 3.變速箱 4.地輪 5.土薯抖動升運裝置 6.卷膜驅動輥 7.卷膜從動輥 8.離心式風機

傳動系統如圖2所示，機具以三點后懸掛方式與拖拉機聯接，通過變速箱將動力分別傳遞至整機兩側防地膜纏繞裝置與土薯抖動升運裝置驅動輪上，驅動輪與傳動帶輪同軸連接，在帶傳動作用下將動力傳遞至風機帶輪并進一步帶動離心式風機轉動；同時隨著整機前行地輪轉動，通過鏈傳動將動力傳遞至浮動式氣力卷膜裝置卷膜驅動輥上，卷膜驅動輥與卷膜從動輥通過鏈傳動連接轉動，并在卷膜輥軸兩側掛接預緊彈簧的作用下通過接觸式滾動方式帶動卷膜輥轉動。

田間作業時，階梯挖掘鏟將“膜-土-薯”復合體同時疏松掘起，在兩側防地膜纏繞裝置相向轉動的作用下順利進入土薯抖動升運裝置，隨著“膜-土-薯”物料的不斷運移，大量土壤在抖動輪的作用下通過升運鏈滑落，當“膜-土-薯”物料運移至升運導膜桿部件時，“土-薯”物料受自身重力影響滑落至土薯抖動升運裝置，但田間殘膜由于其連片或大塊狀特性，并在后續物料的擠推作用下夾雜少許土壤沿著升運導膜桿傾斜向上提升；當殘膜進一步輸送至升運導膜桿末端部弧形脫膜齒附近時，受離心式風機高速氣流作用進入浮動式氣力卷膜裝置，并在卷膜驅動輥、卷膜從動輥、氣流導膜板及卷膜輥的共同作用下完成殘膜回收。與此同時，“土-薯”物料在土薯抖動升運裝置的作用下進一步輸送，并在薯塊集條裝置的配合下完成挖掘薯塊的帶狀鋪放。作業機后置薯塊減速護欄由樹脂橡膠棒制成，可有效抑制薯塊在升運鏈末端的高速拋擲及跌落損傷，降低收獲作業時的傷薯率。

1.3 主要技術指標

根據甘肅省馬鈴薯大壟雙行的主導種植模式及其農藝要求，聯合作業機主要技術參數如表1所示。

表1 作業機主要技術參數
Tab.1 Main technical parameters of operation machine

參數數值整機尺寸(長×寬×高)/(m×m×m)2.10×1.10×0.92工作幅寬/m0.90配套動力/kW23.2～29.4掛接方式后三點懸掛整機質量/kg286作業速度/(km·h-1)1.8～2.0生產率/(hm2·h-1)0.16～0.25殘膜回收率/%≥90明薯率/%≥95傷薯率/%≤5

2 關鍵部件設計與參數確定

2.1 階梯挖掘鏟

如圖3所示，階梯挖掘鏟既要入土阻力小，又要有良好的碎土性能，保證在“膜-土-薯”物料復合體進入土薯抖動升運裝置前能夠將三者進行初步疏松作業，打破覆蓋在薯塊頂部的“膜-土”板結層，滿足掘起物料的順利后輸。采用階梯狀挖掘鏟通過3組不同的鏟面傾角(α1、α2、α3)，分別實現作業機低減阻入土、高性能碎土及“膜-土-薯”疏松過程。

圖3 階梯挖掘鏟結構示意圖Fig.3 Schematic diagram of ladder digging blade1.鏟體入土段 2.鏟體碎土段 3.鏟體疏松段 4.“膜-土-薯”復合體

由圖3可以看出，階梯挖掘鏟的入土段、碎土段及“膜-土-薯”復合體疏松段皆與傾角α有關，根據“膜-土-薯”復合體在鏟體不同功能段的移動條件可建立方程[13]

(1)

其中

F=μN

(2)

式中P——沿著階梯挖掘鏟移動“膜-土-薯”復合體所需要的力，N

F——鏟面與“膜-土-薯”復合體摩擦力，N

N——階梯挖掘鏟對“膜-土-薯”復合體的反作用力，N

G——鏟面上“膜-土-薯”復合體重力，N

μ——“膜-土-薯”復合體與階梯挖掘鏟的摩擦因數

α——鏟面不同作業功能段的傾角，(°)

由式(1)、(2)計算得出

(3)

根據式(3)可以看出，當階梯挖掘鏟面傾角α變小時，“膜-土-薯”復合體沿著階梯挖掘鏟移動所需的力變小，挖掘阻力小，入土性能好，但易出現壅土現象，碎土性能差；當階梯挖掘鏟面傾角α變大時，碎土性能好，但挖掘阻力大[14]。

為保證階梯挖掘鏟鏟刃的自動清理，鏟刃斜角、“膜-土-薯”復合體與階梯挖掘鏟的摩擦因數應滿足[13]

(4)

式中θ——階梯挖掘鏟鏟刃斜角，為50°φ——“膜-土-薯”復合體與階梯挖掘鏟的摩擦角，(°)

φmax——“膜-土-薯”復合體與階梯挖掘鏟的最大摩擦角，(°)，取臨界值

由式(4)計算得出，φmax=40°，μ=0.84。

馬鈴薯收獲機挖掘鏟傾角α一般應在14°～25°之間[15]。因此，依照式(1)～(4)的計算分析與階梯挖掘鏟實現的不同功能要求，取鏟體總長L=310 mm，鏟寬H=110 mm。其中，鏟體AB段傾角應取較小值，α1取16°、LAB=140 mm；中部鏟體BC段傾角增大有利于碎土，α2取23°，為降低挖掘阻力，同時縮短鏟體長度，LBC=75 mm；為使受到擠壓的“膜-土-薯”復合體折彎疏松，鏟體CD段傾角應取較小值，α3取13°。為防止階梯挖掘鏟前部鏟刃受力過大而出現應力集中，鏟體AB段與BC段過渡處以R=10 mm的加工圓弧過渡，鏟體CD段通過銷釘與主鏟體鉸接。整機挖掘入土角可根據其后置升降手柄進行調節。

2.2 土薯抖動升運裝置

如圖4所示，土薯抖動升運裝置由導向撐鏈輪、升運鏈、托鏈輪、抖動輪及驅動輪等部件組成。當整機作業時，該裝置能夠實現“膜-土-薯”復合體的提升輸運及大部分土壤的抖動篩分，并最終完成薯塊的后置拋落。為保證“膜-土-薯”復合體充分疏松分離，土薯抖動升運裝置有效輸運距離為1 300 mm，升運寬度為900 mm；抖動輪選用三頭型，其大節圓半徑為R=58 mm，小節圓半徑為r=36 mm，能夠使升運鏈實現22 mm的理論振動幅值。

圖4 土薯抖動升運裝置示意圖Fig.4 Schematic diagrams of soil-potato dither conveyor device1.導向撐鏈輪 2.托鏈輪 3.升運鏈 4.驅動輪 5.抖動輪

升運線速度、抖動輪轉速及抖動頻率對于“膜-土-薯”復合體的疏松分離起著至關重要的作用，是影響土薯抖動升運裝置作業性能的關鍵參數。

其中，土薯抖動升運裝置升運最低線速度[13]為

(5)

其中

式中vmin——升運最低線速度，m/sg——重力加速度，取9.8 m/s2K——系數

由式(5)計算得出：K=0.62，vmin=0.96 m/s。

因此，土薯抖動升運裝置升運線速度不應當小于0.96 m/s，與此同時土薯抖動升運裝置升運線速度還應與整機的前進作業速度相匹配。升運線速度過小會減小“膜-土-薯”復合體的提升速度，產生物料擁堵現象，降低聯合作業機工作效率；升運線速度過大會導致“膜-土-薯”復合體疏松分離效果變差，降低整機明薯率與殘膜回收率。試驗過程中發現，當整機前進作業速度為0.50～0.55 m/s，匹配的土薯抖動升運裝置升運線速度v為1.0～1.1 m/s時，整機土薯升運作業效果較佳。因此，土薯抖動升運裝置相關重要參數均在此條件下確定。

土薯抖動升運裝置中被動式抖動輪轉速與升運線速度、抖動輪周長的關系[13]為

(6)

其中

式中n——抖動輪轉速，r/minL1——抖動輪周長，m

由式(6)計算得出抖動輪周長L1=0.3 m，抖動輪轉速n為200～220 r/min。

在土薯抖動升運裝置中，當抖動輪類型及其轉速確定情況下，對應的抖動頻率為

(7)

式中f——抖動頻率，HzZ——抖動輪凸頂數，取3

由式(7)計算得出f為10.0～11.0 Hz。

因此，當聯合作業機田間工作前進速度為0.50～0.55 m/s時，土薯抖動升運裝置相應的升運線速度可達1.0～1.1 m/s，裝置選取周長為0.3 m的三頭型抖動輪，其轉速在200～220 r/min之間，對應抖動頻率保持在10.0～11.0 Hz之間，能夠實現22 mm的理論振動幅值，在此作業參數條件下整機土薯升運性能良好。

2.3 浮動式氣力卷膜裝置

2.3.1 結構組成與工作原理

如圖5所示，浮動式氣力卷膜裝置安裝在土薯抖動升運裝置上端部，主要由卷膜驅動輥、卷膜從動輥、卷膜輥、浮動滑槽架、氣流導膜板、升運導膜桿及離心式風機等組成。當整機田間作業時，地輪順時針轉動并通過鏈條II將動力傳遞至卷膜驅動輥處，卷膜驅動輥端部同軸安裝有兩個同類型鏈輪，并將動力通過鏈條I傳遞至卷膜從動輥處(均為順時針轉動，角速度ω2=ω3=15 rad/s)，卷膜輥在其輥軸兩側掛接的預緊彈簧、卷膜驅動輥和卷膜從動輥的共同作用下產生相對逆時針轉動。

圖5 浮動式氣力卷膜裝置結構圖Fig.5 Structure diagram of floating pneumatic curl-up film mechanism1.升運鏈 2.地輪 3.鏈條I 4.卷膜驅動輥 5.浮動滑槽架 6.氣流導膜板 7.卷膜輥 8.卷膜從動輥 9.鏈條II 10.升運導膜桿 11.離心式風機

為保證卷膜從動輥能夠將離心式風機高速氣流吹送過來的殘膜瞬時抓取送移，卷膜從動輥表面圓周陣列設置有8組紋桿元件；氣流導膜板下端部與卷膜驅動輥形成閉合區域，上端部沿著卷膜輥頂部切線方向延伸，通過氣流導膜板與離心式風機的風送配合，既實現了殘膜的順向引導卷收，又降低了薯秧、土壤與殘膜的混合夾雜程度；卷膜輥由4組弧形葉片組成，與其左、右軸套配合安裝，當殘膜纏繞至預定厚度時可將兩邊的軸套與葉片分離，并將弧形葉片直接從殘膜卷中抽出，完成卸膜作業。

2.3.2 作業過程分析

浮動式氣力卷膜裝置作業過程如圖6所示，當“膜-土-薯”復合體經階梯挖掘鏟疏松作用并沿著升運鏈向上提升輸送時，疏松的復合體物料在整機前進速度、升運鏈速度的作用下先沿著升運導膜桿向上運移，其中薯塊、大量土壤在重力影響下，沉降至整機土薯抖動升運裝置上并向后運輸；此時連片或大塊狀的殘膜仍然留在升運導膜桿上，并進一步沿著升運導膜桿向上運移。

圖6 浮動式氣力卷膜裝置作業過程Fig.6 Operation process of floating pneumatic curl-up film mechanism1.風機氣流 2.卷膜從動輥 3.浮動滑槽架 4.卷膜輥 5.氣流導膜板 6.卷膜驅動輥 7.田間殘膜 8.升運導膜桿

整機田間作業過程中發現，大部分殘膜纏繞回收時以間斷大塊狀存在，僅少量殘膜呈連片狀態[16]。當殘膜為間斷的大塊狀升運至導膜桿尾部弧形脫膜齒部位時，受到沿著該弧形脫膜齒公法線方向風機高速氣流的吹送與引導，殘膜在卷膜從動輥上紋桿的摩擦牽引，及卷膜輥兩側預緊彈簧力、卷膜驅動輥的輔助作用下不斷傳輸，最終依靠離心式風機氣流、氣流導膜板的輔助導向及卷膜輥的纏繞轉動完成殘膜回收(殘膜與卷膜輥之間的摩擦因數約為0.20)；當殘膜為少量連片狀時，風機高速氣流仍然起到對殘膜進入浮動式氣力卷膜裝置的引導作用，但當連片狀殘膜進入裝置內部后，離心式風機部分氣流由于受到連片狀殘膜阻擋難以從正面方向進入導膜板下端部與卷膜驅動輥形成閉合區域，使得大量高速氣流換向從卷膜輥纏繞拉伸殘膜的左右端部空隙進入閉合區域，實現對殘膜兩側的風送式輔助作業，同樣在氣流導膜板作用下完成相同作業原理的殘膜回收。

2.3.3 浮動卷膜裝置機構參數

如圖7所示，浮動卷膜裝置主要由卷膜從動輥、卷膜驅動輥及卷膜輥組成，三者的滾筒半徑均為r1=r2=r3=75 mm。裝置中卷膜驅動輥與卷膜從動輥轉速相同，卷膜輥在其輥軸兩側掛接彈簧預緊力的作用下產生相反方向的轉動。

圖7 浮動卷膜裝置Fig.7 Device of floating curl-up film1.氣流導膜板 2.浮動滑槽架 3.卷膜從動輥 4.卷膜驅動輥5.預緊彈簧 6.卷膜輥 7.田間殘膜

為保證升運導膜桿運移的殘膜能及時被卷膜輥卷起，且避免因卷膜輥轉速過慢或過快引起的地膜滯留堵塞或拉斷現象，需保證在相同時間內地輪前進距離應與卷膜輥卷起的地膜長度一致。由于卷膜輥始終被緊壓在卷膜驅動輥與卷膜從動輥上，因此三者的輪緣線速度相等[17]；當浮動卷膜裝置如圖7a進行殘膜卷膜前空載狀態時，卷膜輥與卷膜驅動輥、卷膜從動輥中心連線夾角α4取65°，可得

ω2r2=ω3r3=ω4r1

(8)

式中ω4——卷膜輥空載角速度，rad/s

由式(8)計算得出卷膜輥空載角速度ω4=15 rad/s。

當浮動卷膜裝置如圖7b進行殘膜卷膜作業時，卷膜輥直徑為變量，可得

(9)

(10)

F1=K1b2

(11)

式中ω′4——卷膜后卷膜輥角速度，rad/sr′1——纏繞了殘膜后的卷膜輥半徑，mm

α4——卷膜輥空載時與卷膜驅動輥、卷膜從動輥中心連線夾角，(°)，取65°

α5——卷膜后卷膜輥與卷膜驅動輥、卷膜從動輥中心連線夾角，(°)

b1——卷膜厚度，mm

b2——卷膜輥在浮動滑槽內向上的浮動位移，mm

F1——彈簧預緊力，N

K1——倔強系數，取1 350 N/m

按照試驗計算，每回收0.5 hm2地殘膜卷膜厚度約為25 mm，要求當達到該厚度時進行卸膜，即b1≤25 mm，計算中卷膜厚度取最大值25 mm。

由式(9)～(11)計算得出殘膜卷膜回收作業完成后卷膜輥與卷膜驅動輥、卷膜從動輥中心連線夾角α5=53.7°，卷膜輥在浮動滑槽內向上的浮動位移b2=25 mm，卷膜滿載后卷膜輥角速度ω′4=11.25 rad/s，彈簧預緊力F1=33.75 N。

因此，由參數確定結果可以看出：當浮動卷膜裝置從開始卷膜至卸膜作業時，卷膜輥與卷膜驅動輥、卷膜從動輥中心連線夾角由65°減小至53.7°，卷膜輥在浮動滑槽內向上浮動高度為25 mm，卷膜輥的角速度由15 rad/s降低至11.25 rad/s，卷膜輥與浮動滑槽架相連接彈簧預緊力為33.75 N，確保浮動卷膜裝置不發生殘膜滯留堵塞、拉斷及卷膜打滑現象。

2.3.4 離心式風機關鍵參數

離心式風機轉速n1、風量Q、風機全壓p是決定離心式風機作業性能的重要參數，其中離心式風機的設計轉速n1=1 200 r/min；按照試驗過程中升運導膜桿弧形脫膜齒處的殘膜質量為4.5～5.1 g計算，殘膜懸浮速度為2.0～2.4 m/s[18]。由于田間收回的殘膜覆有部分泥土、夾雜薯秧等雜質，因此實際風機氣流速度應高于臨界殘膜懸浮風度，風機氣流速度v1越大對氣流吹送導膜越有利，但消耗功率隨之增大，綜合考慮風機氣流速度v1取3.2 m/s。離心式風機氣流出口設計為矩形，其橫截面尺寸為180 mm×360 mm(長×寬)，可得風機氣流出口面積A=0.065 m2。

離心式風機風量Q計算式[19]為

Q=v1A

(12)可計算得出離心式風機風量Q=0.21 m3/s。

離心式風機全壓p計算式為

p=pd+ps

(13)

其中

式中ps——離心式風機出口靜壓，Pa，利用排氣試驗裝置測得離心式風機工作時的出口靜壓ps=173.5 Pa

pd——氣流出口動壓，Pa

ρ——空氣密度，取1.2 kg/m3

由式(13)可計算得出離心式風機氣流出口動壓pd=6.1 Pa，全壓p=179.6 Pa。

2.3.5 地輪行走作業條件分析

浮動式氣力卷膜裝置中卷膜驅動輥、從動輥及卷膜輥的作業動力皆由聯合作業機地輪轉動帶動，地輪在田間行走出現的附著能力差(行走打滑)或受阻強度大而無法轉動均對作業效果產生重要影響，因此，需要對地輪田間行走產生不滑動的滾動條件進行分析計算。

圖8 地輪受力示意圖Fig.8 Force diagrams of wheel1.輪輞 2.輪爪 3.田間土壤

如圖8a所示，聯合作業機地輪由半徑r4為230 mm的鋼制輪輞及輪爪組成，12組輪爪以地輪回轉中心O點為基準均布排列，則地輪輪爪與其垂直中心線的夾角α6為15°。當整機前進作業時，順時針轉動行走的地輪需克服田間土壤、軸承摩擦力矩及地輪帶動其他部件所需扭矩等的阻礙作用(阻力矩為Mt)，以地輪輪爪OB扎入田間土壤B點瞬間狀態建立方程，獲得能使地輪產生不滑動的滾動條件[20]

(14)

其中

Rmax=frW

(15)

式中P1——地輪所受的拉力，NRmax——地輪滾動時與土壤支撐面接觸力的水平分力之和最大值，N

W——聯合作業機地輪所承受的載荷，取2 600 N

kc——地輪滾動時土壤支撐面接觸力的水平分力之和、鉛垂分力之和交點與地輪垂直中心線的距離，m

h——地輪滾動時土壤支撐面接觸力的水平分力之和、鉛垂分力之和交點與地輪水平中心線的距離，m

fr——輪爪入土后地輪滾動摩擦因數，取0.60

由圖8b幾何關系可以得出

(16)

由式(14)～(16)計算得出能使地輪田間行走產生不滑動的滾動條件為

即整機田間作業時，地輪所受到的拉力應當小于或等于1 560 N，地輪需克服田間土壤、軸承摩擦力矩及其帶動卷膜驅動輥、從動輥及卷膜輥轉動的阻力扭矩應小于191.9 N·m。

3 田間試驗與分析

3.1 試驗條件

2015年10月，在甘肅省定西市安定區香泉鎮進行了馬鈴薯收獲與氣力輔助殘膜回收聯合作業機田間作業性能試驗。試驗用地尺寸為300 m×80 m，土壤為黃綿土，含水率約為13.6%，馬鈴薯種植品種為新大坪，采用大壟雙行覆膜種植模式，如圖9a所示，其中壟體高為180～200 mm，壟體寬為800～850 mm，種植行距為400 mm，兩壟體中心線位置相距1 200 mm，結薯深度為100～120 mm。聯合作業機田間作業回收黑色殘膜厚度為0.01 mm、寬度為1 200 mm，按照馬鈴薯大壟雙行機械化起壟覆膜種植作業農藝要求，壟體兩側覆土厚度為30～40 mm，膜上覆土厚度為35～45 mm，因此，田間回收殘地膜幾乎全部被土壤、薯秧翻埋覆蓋，故在馬鈴薯收獲與氣力輔助殘膜回收聯合作業機工作前，試驗地預先進行殺秧處理不會對覆蓋地膜造成較大損傷，試驗地況如圖9b所示。

圖9 試驗地示意圖Fig.9 Schematic diagrams of experiment field1.大壟壟體 2.壟溝 3.馬鈴薯薯秧 4.薯塊

3.2 試驗方法

按照樣機預期實現的設計功能，結合國家行業標準GB/T 25412—2010《殘地膜回收機》和NY/T 648—2002《馬鈴薯收獲機質量評價技術規范》規定的試驗方法進行馬鈴薯收獲與氣力輔助殘膜回收聯合作業機田間作業性能試驗(如圖10所示)，聯合作業機動力選取東方紅-300型拖拉機，標定功率為22.1 kW，整機作業速度控制在1.8～2.0 km/h。其中，選取殘膜回收率、明薯率、傷薯率作為試驗現場能夠體現整機工作性能的測試指標，同時考察階梯挖掘鏟、土薯抖動升運裝置、浮動式氣力卷膜裝置的工作運轉情況。

圖10 田間作業性能試驗Fig.10 Field performance test of combined operation machine

規定試驗小區以單一壟體寬度(800～850 mm)為基準，測定區長度為20 m，試驗小區在試驗地中隨機選取，馬鈴薯收獲與殘膜回收試驗重復10次，試驗結果取10次試驗測定指標的平均值。其中，殘膜回收率、明薯率、傷薯率計算式[21-23]為

(17)

(18)

(19)

其中

m=m2+m3+m4

式中T1——殘膜回收率，%m1——聯合作業機回收殘膜的質量(卷膜輥上殘膜質量)，g

m0——試驗小區覆蓋地膜總質量，g

T2——明薯率，%

T3——傷薯率，%

m——總薯質量，kg

m2——明薯質量，kg

m3——傷薯質量，kg

m4——埋薯質量和漏挖薯質量，kg

3.3 試驗結果與分析

馬鈴薯收獲與氣力輔助殘膜回收聯合作業機田間試驗結果如表2所示。

表2 田間試驗結果Tab.2 Result of field experiment %

由試驗結果可以得出，馬鈴薯收獲與氣力輔助殘膜回收聯合作業機殘膜回收率(91.6%)、明薯率(96.8%)及傷薯率(2.3%)均達到國家和行業標準要求，能夠實現馬鈴薯挖掘集條鋪放與殘膜回收的聯合作業過程。階梯挖掘鏟與“膜-土-薯”復合體的高性能疏松行為接觸，保證了三者后續的二次有效分離；氣力輔助殘膜回收既降低了傳統收獲工藝配套下機具的進地次數，又協同薯塊挖掘的同時及時完成殘膜回收，減少了田間表面覆蓋物的滯留，間接提高了作業機明薯率，降低了回收殘膜的含雜率；土薯抖動升運裝置運行平穩，在升運鏈末端樹脂橡膠減速護欄的配合作用下有效降低收獲作業時的傷薯率；浮動式氣力卷膜裝置工作過程可靠，能夠隨著“卷膜-卸膜”作業過程進行其動態工作參數的不斷適應與調整，依靠離心式風機高速氣流、氣流導膜板的吹送導向及卷膜輥的轉動纏繞最大限度完成殘膜回收。

試驗過程中發現，當整機作業速度保持在1.8～2.0 km/h范圍內時，殘膜回收率較高且相對穩定；當聯合作業機前進速度過高時，“膜-土-薯”復合體與階梯挖掘鏟相互作用時間縮短不能夠充分疏松分離，殘膜在升運導膜桿弧形脫膜齒處有較大量的滯留，地輪產生滑移，影響殘膜進入浮動式氣力卷膜裝置的及時性與準確性；當地輪轉速增加后，卷膜輥速度相繼提高，在纏繞過程中對殘膜產生撕扯而發生斷裂，進而影響殘膜回收的連續性與膜片的完整性。因此，有待于后續進一步試驗優化。殘膜回收過程表明，由于馬鈴薯大壟雙行起壟覆膜種植模式的特殊農藝要求(壟體兩側覆土厚度為30～40 mm，膜上覆土厚度為35～45 mm)，掩埋于壟體表面土壤內的黑色地膜保持基本完整，這也是保證浮動式氣力卷膜裝置工作過程可靠、殘膜回收率高的主要原因之一。

4 結論

(1)通過對階梯挖掘鏟、土薯抖動升運裝置及浮動式氣力卷膜裝置重要作業部件進行設計與選型，并完成其關鍵參數計算確定，研制了馬鈴薯收獲與氣力輔助殘膜回收聯合作業機，該機能夠較好解決田間馬鈴薯薯塊與覆蓋地膜同步機械化聯合回收的作業難題。

(2)采用所設計的階梯挖掘鏟通過不同的鏟體傾角，能夠實現將“膜-土-薯”復合體充分挖掘疏松，保證復合體物料后續的二次有效分離；土薯抖動升運裝置抖動頻率合理，升運速度穩定，可實現“膜-土-薯”復合體的充分分離與輸送，并在其后置樹脂橡膠減速護欄的配合作用下有效降低聯合作業機傷薯率；通過對地輪田間行走產生不滑動的滾動條件進行分析計算，確保浮動式氣力卷膜裝置工作過程可靠，能夠隨著“卷膜-卸膜”作業過程對其動態工作參數進行適應與調整，最大限度完成殘膜回收。

(3)田間試驗表明，馬鈴薯收獲與氣力輔助殘膜回收聯合作業機作業后殘膜回收率為91.6%，明薯率為96.8%，傷薯率為2.3%，田間性能試驗指標均達到了國家、行業標準要求，試驗結果滿足設計要求。

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Design and Experiment of Combined Operation Machine for Potato Harvesting and Plastic Film Pneumatic Auxiliary Collecting

DAI Fei1ZHAO Wuyun1SUN Wei1WU Zhengwen2SONG Xuefeng1LI Yong1

(1.CollegeofEngineering,GansuAgriculturalUniversity,Lanzhou730070,China2.GansuWuweiBusinessFlourishesAgriculturalMachineryManufacturingCo.,Ltd.,Wuwei733018,China)

According to the problems of field plastic film pollution caused by the cultivation pattern of potato big ridge double line which was promoted in large area in Northwest China, the combined operation machine for potato harvesting and plastic film pneumatic auxiliary collecting was designed, which had synchronous implementation function of potato harvesting and plastic film pneumatic collecting. Based on design and selection of key operation parts for the prototype, the structure and operation parameters of ladder digging blade, soil-potato dither conveyor device and floating pneumatic curl-up film mechanism were determined. The operation process of floating pneumatic curl-up film mechanism was analyzed and the conditions to make sure that the floating pneumatic curl-up film mechanism did not produce the phenomenon of plastic film remained and jam, tensile and skid were achieved, the conditions of wheel did not slip but rolling in the field were analyzed and calculated. For the relevant work performance test of prototype, the field experiment results showed that when the operation speed of the combined operation machine was 1.8～2.0 km/h, the plastic film collecting ratio was 91.6%, the obvious ratio of potato was 96.8% and the injury ratio of potato was 2.3%, which met the relevant work quality evaluation specification requirements, and also the experiment results met the design requirements of combined operation machine. The research achievement would provide an important reference for root-tuber crop collecting machine development under plastic film mulching cultivation.

potato； plastic film pneumatic auxiliary collecting； harvesting； combined operation machine

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.01.009

2016-01-24

2016-02-19

農業部公益性行業科研專項(201503105)和甘肅省科技重大專項計劃項目(143NKDJ018)

戴飛(1987—)，男，講師，主要從事北方旱區作物生產裝備工程研究，E-mail: daifei@gsau.edu.cn

趙武云(1966—)，男，教授，博士生導師，主要從事旱區農業工程技術與裝備研究，E-mail: zhaowy@gsau.edu.cn

S223.5

A

1000-1298(2017)01-0064-09