4JSM-2000型棉稈粉碎與殘膜回收聯合作業機的設計與試驗

由佳翰，陳學庚,2※，張本華，吳 杰

（1. 沈陽農業大學工程學院，沈陽 110866；2. 新疆農墾科學院機械裝備研究所，石河子 832000；3. 石河子大學機械電氣工程學院，石河子 832003）

4JSM-2000型棉稈粉碎與殘膜回收聯合作業機的設計與試驗

由佳翰1，陳學庚1,2※，張本華1，吳 杰3

（1. 沈陽農業大學工程學院，沈陽 110866；2. 新疆農墾科學院機械裝備研究所，石河子 832000；3. 石河子大學機械電氣工程學院，石河子 832003）

為提高新疆秋后棉地殘膜回收機械化水平，解決傳統殘膜回收機械普遍存在的殘膜回收率低、含雜率高、殘膜易纏繞和作業效率低等問題，該文研制了一種可一次完成棉稈粉碎還田、殘膜回收、殘膜與棉稈及土等雜物分離作業的秋后棉稈粉碎還田與殘膜回收聯合作業機。該機使用錘片式粉碎裝置和螺旋攪龍輸送裝置，作業時起膜齒將殘膜揭起后堆積在起膜齒末端處；偏心滾筒式拾膜機構將殘膜拾起并運送至卸膜機構，撿拾滾筒壁上的卸膜槽與卸膜葉片協調配合完成卸膜作業，卸膜葉片通過卸膜輥的高速旋轉產生離心風力，使落入蝸殼殼體內的殘膜沿風道進入殘膜回收箱，完成殘膜回收。田間試驗結果表明，該機在作業速度為6.0 km/h時，作業效率為1.15 hm2/h、棉稈粉碎合格率為90.1%、殘膜回收率84.4%、膜稈分離率87.3%，棉稈粉碎還田和膜稈分離效果較好。該機各項參數滿足農藝要求，研究結果有利于解決棉田殘膜污染問題。

農業機械；塑料薄膜；秸稈；聯合作業機；秸稈粉碎；地膜回收

由佳翰，陳學庚，張本華，吳 杰. 4JSM-2000型棉稈粉碎與殘膜回收聯合作業機的設計與試驗[J]. 農業工程學報，2017，33(10)：10－16. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.10.002 http://www.tcsae.org

You Jiahan, Chen Xuegeng, Zhang Benhua, Wu Jie. Design and experiment of 4JSM-2000 type combined operation machine for cotton stalk chopping and residual plastic film collecting[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE), 2017, 33(10): 10－16. (in Chinese with English abstract)

doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.10.002 http://www.tcsae.org

0 引 言

地膜覆蓋技術對促進農作物生長、提高產量、防治雜草和節水有重要作用[1-2]。新疆于20世紀90年代中期開始大面積的使用地膜覆蓋技術種植棉花，棉田鋪膜率達100%[3]。中國農用地膜主要成分是聚乙烯類物質，若不回收，長期積累不僅會污染土壤還會阻礙水肥輸導，影響棉花產量[4-5]。盡管針對殘膜問題采取了很多措施進行解決，但殘膜污染情況依舊嚴峻[6-9]。

秋后是回收殘膜的較佳時期，但該時期棉花收獲后棉稈殘留量大并與殘膜和土等雜質混雜在一起。所以，實現殘膜回收機具作業時棉稈、土與殘膜的分離，是秋后機械化殘膜回收必須解決的問題[10-11]。針對棉田秋后殘膜回收問題，國內的一些科研單位進行了相關研究。如新疆農墾科學院生產的 4FS2地膜聯合回收機和 4SJ-1.6型殘膜回收與秸稈粉碎還田機，新疆農業大學研制的氣吹式秋后殘膜回收機，石河子大學研制的SMS-1500型秸稈粉碎與殘膜回收機，新疆農業科學院研制的4JSM-1800系列棉稈還田及殘膜回收聯合作業機。上述機型存在著功能較為單一，作業幅寬小不適用現今新疆棉田普遍使用2 050 mm寬度的地膜，殘膜與土和棉稈不能有效分離，易出現堵塞，沒有仿形功能起膜效果不穩定等問題[12-17]。

為解決上述問題，該文設計4JSM-2000型棉稈粉碎與殘膜回收聯合作業機，增加了風力攪龍輸送裝置，與原有錘片式粉碎裝置組合用于棉稈粉碎還田，齒桿式起膜機構和偏心滾筒式拾膜機構同步作業完成殘膜撿拾，氣力式卸膜機構可防止與卸膜葉輪纏繞有助于將殘膜拋送至殘膜回收箱，以提高機具殘膜回收率并降低含雜率，此外，大容積的殘膜回收箱降低了卸膜次數，有效提高作業效率。

1 整機結構與工作原理

1.1 整機結構

機具結構如圖 1所示，主要有懸掛裝置、棉稈粉碎還田裝置、起膜機構、偏心滾筒式拾膜機構、氣力式卸膜機構、大容積殘膜回收箱、機架、傳動系統和地輪等部分組成。其中，棉稈粉碎裝置由限深輪、刀軸、動刀片、定刀片、螺旋攪龍等組成；起膜機構有起膜齒、起膜架和角度調節板等組成；拾膜機構主要由撿拾滾筒和伸縮齒桿等組成；卸膜機構由卸膜輥和蝸殼等組成；卸膜輥由卸膜葉片與轉動軸組成。機具在拖拉機的牽引下，可一次完成棉稈粉碎還田、起膜、拾膜、卸膜、殘膜回收和壓實土壤等一系列作業。

圖1 4JSM-2000型棉稈粉碎與殘膜回收聯合作業機結構Fig.1 Structure of 4JSM-2000 type combined operation machine for cotton stalk chopping and plastic film collecting

1.2 工作原理

如圖 1所示，田間作業時，機具以三點懸掛的方式與拖拉機連接，拖拉機動力輸出軸通過傳動軸與棉稈粉碎還田裝置傳動系統相連接，帶動棉稈粉碎刀軸高速旋轉，棉稈被動刀片和定刀片配合打碎或打成較小根塊后落入螺旋攪龍內，由螺旋攪龍配合動刀片高速旋轉產生的風力將粉碎后的棉稈拋送至地表一側，實現棉稈與殘膜分離。同時，起膜齒在棉稈已被粉碎的地表作業，將殘膜揭起，揭起的殘膜與土等雜質堆積在起膜齒末端處，伸縮齒桿隨偏心軸轉動撿拾殘膜。在撿拾滾筒表面與伸縮齒桿對應處設有卸膜槽，殘膜攜帶的土等雜質會通過卸膜槽落下，而殘膜不會滑落出滾筒表面，實現了殘膜與土的分離。當滾筒表面的殘膜運動到卸膜機構時，卸膜輥將滾筒表面殘膜撥下至蝸殼體內，高速旋轉的卸膜葉片產生離心風力，風力使蝸殼體內的殘膜吹出并順著殼壁拋入殘膜回收箱。

1.3 主要結構參數

表1 主要結構參數Table1 Key structure parameters

2 主要部件設計與運動分析

2.1 棉稈粉碎還田裝置

2.1.1 棉稈粉碎機構

棉稈粉碎機構主要由限深輪、刀軸、動刀片、定刀片和螺旋攪龍組成。為保證軸向力均勻，棉稈粉碎良好，動刀片使用Y型刀片，采用螺旋線排列方式鉸接在刀軸上，由《農業機械設計手冊》可知，Y型刀片的甩刀密度一般為0.23～0.40片/cm，相鄰兩刀片的徑向夾角一般要大于60°。該設計綜合選取甩刀密度為0.26片/cm，作業幅寬2 100 mm，得甩刀數目為56片，相鄰兩刀片的徑向夾角為90°。刀軸直徑為254 mm，棉稈平均直徑為10.35 mm（試驗測得）為防止棉稈堵塞刀座間隙，經計算螺旋升角為15°時每組動刀的刀座間隙為33.23 mm滿足要求。圖2為動刀的刀座在刀軸上的排列展開圖。

圖2 刀座在刀軸上的展開圖Fig.2 Unfold drawing of arrangement of knife-seat on cutter shaft

定刀片位于刀軸斜前上方粉碎機罩殼內側，根據現有棉稈粉碎機具的設計經驗，該文定刀刀片間距為45 mm。田間作業時，動刀片的刀端點絕對速度Va由拖拉機前進速度Ve和刀端點的線速度Vr合成，其運動方程為：

以刀軸軸心為原點，機具前進的反方向為x軸正方向，建立直角坐標系，如圖3所示。

圖3 動刀片運動分析Fig.3 Analysis of moving blade

取動刀片端部某點M（x，y），則M點運動軌跡方程為：

式中ω0為刀軸旋轉角速度，rad/s；R為動刀片旋轉半徑，mm。

引入旋耕機研究中旋耕速度比λ，即動刀端點回轉切線速度與機具前進速度之比，表達式為：

將式（3）代入（2）整理后得到方程：

式（4）表明，動刀作業過程中運動軌跡是擺線，據文獻[11]可知當λ≤1時，動刀無法進行反復切碎，并且漏切嚴重；當λ＞1時，運動軌跡為余擺線，有重合部分，棉稈粉碎效果良好，動刀片在運動到最高點時，刀片端點水平速度方向與機具前進方向相反，有利于粉碎的棉稈進入螺旋攪龍殼體內。動刀片的線速度與刀軸的轉速直接相關，刀軸的轉速n公式如下：

本文機具動刀片旋轉半徑R設計為247 mm，刀軸轉速為2 100 r/min。拖拉機的前進速度Ve為5～7 km/h，則計算可得刀端點的線速度Vr為52.35～52.90 m/s，滿足大于48 m/s的設計需求[23]。

2.1.2 棉稈輸送還田機構

棉稈輸送還田機構是保證膜稈分離效果的重要工作機構。螺旋輸送裝置具有結構簡單、操作方便和易于維修等特點，是農作物秸稈的主要運輸方式之一[18-19]。臥式螺旋輸送裝置的參數較多，每個參數都影響著螺旋輸送裝置的輸送能力，現分析一些主要參數的確定。

螺旋輸送裝置的理論輸送量為單位時間內被粉碎的棉稈質量，該文拖拉機的作業速度范圍在5～7 km/h，棉稈粉碎機構作業幅寬為 2.10 m，根據田間試驗結果單位面積內平均粉碎棉稈質量為422.19 g/m2，根據計算可得螺旋輸送裝置的理論輸送量Q約為1.23～1.72 kg/s。參照螺旋機輸送機理與理論設計方法，各主要參數設計公式如下[20-22]。

式中K為粉碎棉稈特性系數；為傾斜系數；為填充系數；為輸送棉稈的堆積密度，t/m3；

根據螺旋輸送機設計標準[23]，秋后棉稈水分較大粉碎后有黏性易成塊狀，填充系數取0.20；粉碎棉稈特性系數K取0.071；因為螺旋輸送裝置水平放置，傾斜系數為1；粉碎棉稈的堆積密度經測算為0.12 t/m3。

將數值代入式（6）可計算出螺旋外徑最小為392 mm，取整D=400 mm；將D=400 mm代入式（7）可計算出螺旋軸徑在80～140 mm之間，為避免棉稈堵塞攪龍，取螺旋軸徑d0=120 mm；由式（8）計算出螺距取值范圍為200～880 mm，取螺距為400 mm。

2.2 殘膜回收裝置

2.2.1 起膜機構

起膜機構位于整機的最下方，由起膜齒、起膜架和角度調節板等組成，其結構如圖 1所示。機具作業時，要求起膜齒具有較強的入土能力和穩定的作業深度，通過角度調節板對起膜齒的角度進行調節以滿足起膜齒對起膜角度和深度的要求。該文通過正交試驗確定起膜角和作業深度的最優值。

2.2.2 拾膜機構

拾膜機構的主要作用是將起膜機構揭起的殘膜撿拾并運送至卸膜機構，主要由偏心軸、撿拾滾筒、伸縮桿齒和卸膜槽等組成，其結構如圖4所示。

圖4 拾膜機構示意圖Fig.4 Schematic diagram of film collecting device

當伸縮齒桿撿拾起殘膜上升時，殘膜受力情況如圖5所示。

圖5 殘膜受力分析Fig.5 Force analysis of plastic film

設伸縮齒桿離開作業面時與豎直方向的夾角為a2

式中d為伸縮齒桿最大作業深度，mm；l為伸縮齒桿回轉半徑，mm。

設伸縮齒桿端點C處殘膜重力為G。

式中m為殘膜質量，kg；g為重力加速度，m/s2；Gn為重力沿伸縮齒桿方向的法向分力，N；Gt為重力沿伸縮齒桿方向的切向分力，N。

設伸縮齒桿對殘膜的法向作用力為F1

式中Pb為殘膜所受慣性力，N；β為殘膜所受慣性力與重力法向分力間夾角，(°)；r為殘膜運動時的瞬時半徑，mm；ω為撿拾滾筒轉動角速度，rad/s。

伸縮齒桿能夠撿拾殘膜的必要條件為

式中f為殘膜與伸縮齒桿的摩擦力，N；μ為殘膜與伸縮齒桿的摩擦系數。

上式可簡化為；

式中n1為撿拾滾筒轉速，當 cosa2-μ2sina2＞0和μcosβ-sinβ＞0時，上式才有意義。經計算取μ=0.5時，a2＜63.44°、β＜26.56°。

以試驗樣機為例滾筒半徑為290 mm，伸縮齒桿回轉半徑為340 mm，則取a2=52.5°，r=0.4 m，β=25°時，計算得出ω＞10.12 rad/s，即n1＞97 r/min。轉速過大，伸縮齒桿會對殘膜過度打擊，使殘膜進一步破碎，增加回收難度；轉速過小，拾膜效率降低，不滿足生產作業要求。根據上述理論分析結合實際作業情況，選取撿拾滾筒轉速為110 r/min。

2.2.3 卸膜機構

卸膜機構主要是由卸膜輥（如圖 6所示）和蝸殼組成，主要作用是將撿拾滾筒上回收的殘膜撥至蝸殼內并吹入殘膜回收箱內。為使作業過程中殘膜順利脫離卸膜葉片，需滿足殘膜在卸膜輥頂端受到的離心力大于與卸膜葉片間的吸附力和纏繞力[24]，即殘膜脫離卸膜輥的條件為

式中v為卸膜葉片端部線速度，m/s；R1為卸膜輥回轉半徑，m；f1為卸膜葉片對殘膜的摩擦力，N；m1單個葉片上殘膜質量，N；q為卸膜葉片與水平面的夾角，(°)；n2為卸膜輥轉速，r/min。1m為皮帶靜摩擦因數，取0.6。

卸膜輥設計轉速n2≥1 000 r/min，代入式（19）、（20）可得R1＞0.254 m，取R1=0.260 m。按照試驗過程中單個葉片上殘膜質量1.89×10-3kg（試驗測得）計算，殘膜需要的懸浮速度為大于1.2 m/s[25]，由于田間作業時殘膜含有少量土和棉稈等雜質，因此實際殼體內氣流速度應大于此速度，滿足殘膜脫離卸膜輥的最小n2值為1 000 r/min經風速儀測得，當卸膜輥轉速為1 000 r/min時，氣流出口風速為7.4 m/s，滿足理論要求。

圖6 卸膜輥示意圖Fig.6 Schematic diagram of film uploading roller

3 田間試驗

3.1 試驗條件

試驗于2016年10月在石河子市149團11連進行，前茬作物為棉花，試驗區棉花種植面積為600 m×550 m，試驗地土壤類型為漠土，土壤堅實度為365 kPa，土壤含水率為18.24%；棉稈平均高度為 715 mm，平均直徑為10.35 mm，含水率為20.15%；地膜寬度為2 050 mm，地膜厚度0.008 mm，地膜兩邊壓入土中，膜中間有部分覆土，有少量破損；地表雜草較多，配套動力為88 kW拖拉機，圖7為試驗現場。

圖7 田間試驗現場Fig.7 Scene of field experiment

3.2 試驗設計

起膜齒的作用是將地表下的殘膜與土壤鏟起，并沿起膜齒上升。起膜齒的起膜角對殘膜回收質量有較大影響，為保證起膜期間土壤破碎掉落，殘膜繼續上升，根據文獻[26]起膜齒起膜角范圍在20°～35°之間為優。在新疆典型棉花種植區，殘留地膜在各土層中均有分布[27]，而當年的地膜主要分布在地表淺層，本次試驗選取起膜齒作業深度范圍為 20～60 mm。機具作業速度范圍為5.0～7.0 km/h。試驗因素取值范圍如表2所示[28]。

表2 試驗因素水平Table 2 Experiment factors and levels

殘膜回收率是衡量正交試驗的主要指標，其值可用式（22）表示

式中η為殘膜回收率，%；W1為回收殘膜的質量，g；W0為試驗地塊所鋪地膜的總質量，g。

3.3 試驗結果

試驗方案和結果如表 3所示，試驗結果數據方差分析如表4所示。

表3 試驗方案和結果Table 3 Test scheme and results

表4 方差分析Table 4 Variance analysis

根據表4可知3個因素對殘膜回收率均勻顯著影響。通過表3可知，誤差項E極差遠低于其他因素極差，說明因素間的交互作用對試驗指標影響不明顯，可以不考慮，則殘膜回收率的影響因素主次順序為B、A、C，較優方案為B2A2C1，由于C1與C2結果差距很小，考慮到作業效率，確定本試驗的最優組合為B2A2C2。

3.4 最優組合試驗驗證

按照 GB/T25412-2010《殘地膜回收機》和 GB/T24675.6-2009《保護性耕作機械：秸稈粉碎還田機》的要求[29-30]，在最優組合的參數條件下對試驗樣機進行作業性能試驗，測試棉稈粉碎合格率、殘膜回收率和膜稈分離率等作業參數，并考查機具作業時各個裝置的工作配合情況。

3.4.1 試驗性能指標

棉稈粉碎合格率為粉碎合格棉稈質量占測試地段上粉碎棉稈總質量的百分比。采用五點法測試，每個點取1 m2范圍，測定范圍內地表所有粉碎棉稈，棉稈長度≤150 mm為合格。棉稈粉碎合格率為

式中η1為棉稈粉碎合格率，%；W2為粉碎合格棉稈質量，g；W3為粉碎棉稈總質量，g。

膜稈分離率分別是評估機具工作性能優劣和棉稈粉碎還田的主要指標之一，膜桿分離率可由式（24）算得：

式中η2為膜稈分離率，%；W1為回收殘膜的質量，g；W4為機具回收殘膜和秸稈的總質量，g；

3.4.2 試驗結果

表5 田間試驗結果Table 5 Field experiment result

機具平穩作業后，隨機選取5個作業長度為100 m試驗區進行試驗。經試驗結果統計可知，機具平均作業效率為1.15 hm2/h，試驗區地表凹凸不平且石塊較多，機具作業顛簸嚴重造成部分傳動系統松動造成與理論效率值1.26 hm2/h有一定誤差；平均殘膜回收率為84.4%。試驗后地表殘膜回收較干凈，但有少量碎膜未被回收，這是因為留茬和伸縮齒桿對殘膜的刮取導致部分殘膜被打碎，此外試驗區棉花是機械收獲，一部分殘膜、棉稈和土壤一起被壓實，也給殘膜的回收帶來一定影響；平均膜稈分離率為87.3%，由于田間試驗時間為初秋，棉稈含水率較大，在螺旋攪龍內有一定堵塞現象，造成棉稈拋出距離不夠，導致少量粉碎的棉稈被撿拾回收，影響了膜稈分離率；平均棉稈粉碎合格率為90.1%。與目前現有的秋后殘膜回收機械相比較，例文獻[11]雖然機具作業各測試性能較優，但機具作業幅寬已不適用現今新疆棉田普遍使用的地膜寬度，該文針對新的作業幅寬設計的4JSM-2000型棉稈粉碎與殘膜回收聯合作業機，結構創新，各項參數滿足農藝要求，盡管在殘膜回收率和膜稈分離率上低于該文獻，但無明顯差異。

4 結 論

1）該文針對現今新疆棉田普遍使用的2 050 mm寬度的地膜設計了能夠一次性完成棉稈的粉碎輸送還田、膜土桿分離和殘膜回收等作業的聯合作業機。該機各項參數滿足農藝要求，有利于解決新疆棉田殘膜污染問題。

2）通過理論分析與性能試驗確定了棉稈粉碎還田裝置、殘膜撿拾滾筒和卸膜機構的關鍵部件結構及工作參數。

3）在確定撿拾滾筒的轉速為110 r/min、卸膜輥轉速為1 000 r/min的基礎上，經正交試驗得知起膜齒的最優參數組合為起膜角30°、作業深度40 mm，機具作業速度6.0 km/h，在最優組合的參數條件下進行田間試驗，結果顯示棉稈粉碎合格率為90.1%，膜稈分離率為87.3%，作業效率為1.15 hm2/h，殘膜回收率為84.4%。

[1]畢繼業，王秀芬，朱道林. 地膜覆蓋對農作物產量的影響[J]. 農業工程學報，2008，24(11)：172－175．Bi Jiye, Wang Xiufen, Zhu Daolin. Effect of plastic-film mulch on crop yield[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE),2008, 24(11): 172－175. (in Chinese with English abstract)

[2]李元橋，何文清，嚴昌榮，等. 點源供水條件下殘膜對土壤水分運移的影響[J]. 農業工程學報，2015，31(6)：145－149．Li Yuanqiao, He Wenqing, Yan Changrong, et al. Effect of residual film on soil infiltration under drip irrigation[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(6): 145－149. (in Chinese with English abstract)

[3]劉建國，李彥斌，張偉，等. 綠洲棉田長期連作下殘膜分布及對棉花生長的影響[J]. 農業環境科學學報，2010，29(2)：246－250．Liu Jianguo, Li Yanbin, Zhang Wei, et al. The distributing of the residue film and influence on cotton growth under continuous cropping in oasis of Xinjiang[J]. Journal of Agro-Environment Science, 2010, 29(2): 246－250. (in Chinese with English abstract)

[4]董合干，劉彤，李勇冠，等. 新疆棉田地膜殘留對棉花產量及土壤理化性質的影響[J]. 農業工程學報，2013，29(8)：91－99．Dong Hegan, Liu Tong, Li Yongguan, et al. Effects of plastic film residue on cotton yield and soil physical and chemical properties in Xinjiang[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE),2013, 29(8): 91－99. (in Chinese with English abstract)

[5]解紅娥，李永山，楊淑巧，等. 農田殘膜對土壤環境及作物生長發育的影響研究[J]. 農業環境科學學報，2007，26(增刊)：153－156．Xie Honge, Li Yongshan, Yang Shuqiao, et al. Influence of residual plastic film on soil structure, crop growth and development in fields[J]. Journal of Agro-Environment Science, 2007, 26(Supp.): 153－156. (in Chinese with English abstract)

[6]呂釗欽，張磊，張廣玲，等. 鏈條導軌式地膜回收機的設計與試驗[J]. 農業工程學報，2015，31(18)：48－54．Lü Zhaoqin, Zhang Lei, Zhang Guangling, et al. Design and test of chain guide rail-type plastic film collector[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(18): 48－54. (in Chinese with English abstract)

[7]陳發，史建新，王學農，等. 弧型齒殘膜撿拾滾筒撿膜的機理[J]. 農業機械學報，2006，37(6)：36－41．Chen Fa, Shi Jianxin, Wang Xuenong, et al. Study on collecting principle of arc-type tooth roller for collecting plastic residue[J]. Transactions of the Chinese Society for Agriculture Machinery, 2006, 37(6): 36－41. (in Chinese with English abstract)

[8]盧博友，楊青，薛少平，等. 圓弧形彈齒滾筒式殘膜撿拾機構設計及撿膜性能分析[J]. 農業工程學報，2000，16(6)：68－71．Lu Boyou, Yang Qing, Xue Shaoping, et al. Design of arc spring-tooth type collector for collecting mulching plastic film the collecting property analysis[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2000, 16(6): 68－71. (in Chinese with English abstract)

[9]謝建華. 壟作殘膜撿拾及脫卸裝置的研究[D]. 北京：中國農業大學，2014．Xie Jianhua. Study on Pick-up and Unloading Device for Residual Plastic Film of Bed Planting[D]. Beijing: China Agricultural University, 2014. (in Chinese with English abstract)

[10]侯書林，胡三媛，孔建銘，等. 國內殘膜回收機研究的現狀[J]. 農業工程學報，2002，18(3)：186－190.Hou Shulin, Hu Sanyuan, Kong Jianming, et al. Present situation of research on plastic film residue collector in China[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2002, 18(3): 186－190. (in Chinese with English abstract)

[11]胡凱，王吉奎，李斌，等. 棉稈粉碎還田與殘膜回收聯合作業機研制與試驗[J]. 農業工程學報，2013，29(19)：24—32．Hu Kai, Wang Jikui, Li Bin, et al. Development and experiment of combined operation machine for cotton straw chopping and plastic film collecting[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2013, 29(19): 24—32. (in Chinese with English abstract)

[12]湯國棟，李亞雄，梅健，等. 4FS2地膜聯合回收機的改進設計[J]. 新疆農機化，1994(2)：35－37．

[13]曹肆林，王序儉，魯濱，等. 4SJ-1.6殘膜回收與莖稈粉碎聯合作業機的研制[J]. 新疆農機化，2009(1)：25－31．

[14]魯亞云，楊志誠，楊宛章，等. 氣吹式秋后殘膜回收機的研究[J]. 新疆農業大學學報，2005，28(1)：57－60．Lu Yayun, Yang Zhicheng, Yang Wanzhang, et al. The research of a type of machine used plastic film collection with air blast after harvest[J]. Journal of Xinjiang Agriculture University, 2005, 28(1): 57－60. (in Chinese with English abstract)

[15]王吉奎，付威，王衛兵，等. SMS-1500型秸稈粉碎與殘膜回收機的設計[J]. 農業工程學報，2011，27(7)：168－172．Wang Jikui, Fu Wei, Wang Weibing, et al. Design of SMS-1500 type straw chopping and plastic film residue collecting machine[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2011,27(7): 168－172. (in Chinese with English abstract)

[16]王學農，馮斌，陳發，等. 4JSM-1800棉秸稈還田及殘膜回收聯合作業機研制[J]. 新疆農機化，2003(4)：53－54．

[17]高德梅. 殘膜回收機械化現狀及存在的問題[J]. 新疆農機化，2012(3)：17－20．

[18]賈朝斌，程珩. 螺旋輸送機參數化設計方法研究[J]. 機械設計與制造，2015(4)：206－208.Jia Chaobin, Cheng Hang. Research on parametric study method of screw conveyor[J]. Machinery Design ＆Manufacture, 2015(4): 206－208. (in Chinese with Englishabstract)

[19]烏蘭圖雅，王春光，祁少華，等. 揉碎玉米秸稈螺旋輸送理論模型分析與試驗[J]. 農業工程學報，2016，32(22)：18－26．Wulantuya, Wang Chunguang, Qi Shaohua, et al. Theoretical model analysis and test of screw conveyor for rubbing and breaking corn straw[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE),2016, 32(22): 18－26. (in Chinese with English abstract)

[20]胡勇克，戴莉莉，皮亞南. 螺旋輸送器的原理與設計[J]. 南昌大學學報：工科版，2000，22(4)：29－33．Hu Yongke, Dai Lili, Pi Ya’nan. Theories and calculation of he auger-type conveyer[J]. Journal of Nanchang University:Engineering & Technology Edition, 2000, 22(4): 29－33. (in Chinese with English abstract)

[21]尹忠俊，孫潔，陳兵，等. 開式螺旋輸送機輸送機理分析與參數設計[J]. 礦山機械，2010(11)：66－71．Yin Zhongjun, Sun Jie, Chen Bing, et al. Study on transportation mechanism of open screw conveyors and design of parameters[J]. Mining & Processing Equipment,2010(11): 66－71. (in Chinese with English abstract)

[22]賈朝斌，程珩. 螺旋輸送機參數化設計方法研究[J]. 機械設計與制造，2015(4)：206－213．Jia Chaobin, Cheng Hang. Research on parametric study method of screw conveyor[J]. Machinery Design ＆Manufacture, 2015(4): 206－213. (in Chinese with English abstract)

[23]中國農業機械化科學研究院. 農業機械設計手冊[M]. 北京：中國農業科學技術出版社，2007．

[24]李斌，王吉奎，蔣蓓. 殘膜回收機順向脫膜機理分析與試驗[J]. 農業工程學報，2012，28(21)：23－28．Li Bin, Wang Jikui, Jiang Bei. Analysis and test of forword film removing mechanism for polythene film collector[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2012, 28(21): 23－28. (in Chinese with English abstract)

[25]李斌. 后置鏈齒耙式殘膜回收機工作機理研究[D]. 石河子：石河子大學，2013．Li Bin. Research on Residual Film Recycling Mechanism of Rear Chain Harrow Machine[D]. Shihezi: Shihezi University,2013. (in Chinese with English abstract)

[26]李斌，王吉奎，蔣蓓. SMS-1500型殘膜回收機的改進與起輸膜分析[J]. 農機化研究，2013(4)：44－51．Li Bin, Wang Jikui, Jiang Bei. The improvement and analysis on the picking and transporting film compoments of SMS-1500 type plastic film collecting machine[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2013(4): 44－51. (in Chinese with English abstract)

[27]李斌，王吉奎，蔣蓓. 新疆棉區殘膜污染及其治理技術[J].農機化研究，2012(5)：228－232．Li Bin, Wang Jikui, Jiang Bei. The plastic film pollution and treatment technology in Xinjiang cotton area[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2012(5): 228－232. (in Chinese with English abstract)

[28]李云雁，胡傳榮. 試驗設計與數據處理[M]. 北京：化學工業出版社，2005．

[29]中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，殘地膜回收機GB/T25412-2010[S]．北京：中國標準出版社，2010．

[30]中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，保護性耕作機械：秸稈粉碎還田機 GB/T24675.6-2009[S]．北京：中國標準出版社，2009．

Design and experiment of 4JSM-2000 type combined operation machine for cotton stalk chopping and residual plastic film collecting

You Jiahan1, Chen Xuegeng1,2※, Zhang Benhua1, Wu Jie3
(1.College of Engineering, Shenyang Agricultural University,Shenyang110866,China; 2.Mechanical Equipment Research Institute,Xinjiang Academy of Agricultural and Reclamation Science,Shihezi832000,China;3.College of Mechanical and Electrical Engineering,Shihezi University,Shihezi832003,China)

In order to improve the mechanization of the domestic equipment for recycling agricultural plastic film in cotton field of Xinjiang, and solve the common problems existing in traditional plastic film recovery machine including low recovery rate of plastic film, high impurity content of recovered plastic film, difficult to separate stalk and soil from plastic film, plastic film easy to wrap cotton stalk and film collecting parts, and low efficiency, the 4JSM-2000 type cotton stalk chopping and plastic film collecting machine was designed, for collecting residual plastic film with width of 2 050 mm. The designed mainly consisted of suspension device, cotton stalk chopping device, stalk conveying device, loosening film device, film collecting device, film removing device, transmission system, plastic film box, and so on. It could realize cotton stalk chopper returning,plastic film recycling, and soil and straw separation from plastic film with one operation. The machine combined the hammer type stalk chopping device and spiral convey device. The separation effect was good. When the machine operated, the plastic film was lifted from the field by loosening film tooth, and piled up on the end of loosening film tooth. The film collecting device picked up plastic film and delivered it to the film-unloading entrance. The plastic film was unloaded by the cooperation of unloading impeller and film-unloading groove on the cylinder. Strong centrifugal wind produced by high speed rotation of the film unloading roller blew the plastic film in volute into the residual film box. The working parameters of loosening film tooth were determined through the orthogonal test. The penetrating angle, operation depth, and operation speed were taken as 3 factors, and a three-factor and three-level orthogonal test was conducted. In the test, the penetrating angle was 30°, operation depth was 40 mm, operation speed was 6 km/h were the optimal combination. The film collecting device mainly included eccentric shaft, cylinder, retractable finger frame, and so on. The device had high film collecting rate. Through the force analysis, the rotation speed of cylinder should need greater than 97 r/min, if the rotation speed of cylinder was too fast, the retractable finger would broken plastic film, increased the difficulty of recycling, and comprehensive consideration the rotation speed of cylinder was 110 r/min The film uploading device mainly included shaft, uploading film roller, uploading film impeller, volute, and wind increasing hole, and so on. The film unloading device was designed based on the force analysis and experiment, the working speed of film uploading rotation shaft was greater than 1000 r/min. Results of field experiment demonstrated that when the traction speed of tractor was 6.0 km/h, the operating efficiency was 1.15 hm2/h, the qualified rate of cotton straw chopping was 90.1%, when the cutter shaft speed was 2100 r/min, the recovery rate of agricultural plastic film was 84.4%, and the separation ratio of cotton straw and plastic film was 87.3%. The parameters of the machine meet the agricultural requirements. The research results may be helpful for solving the problem of plastic film pollution in cotton field.

agricultural machinery; plastic films; straw; combined operation machine; stalk chopping; plastic film recycling

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.10.002

S223.5

A

1002-6819(2017)-10-0010-07

2016-11-08

2017-04-25

農業部公益性行業（農業）科研專項項目（201503105）

由佳翰，男，遼寧海城人，博士生，主要從事智能農機裝備設計研究，沈陽 沈陽農業大學工程學院，110866。Email：synydxyjh@163.com

※通信作者：陳學庚，男，江蘇泰興市，中國工程院院士，研究員，博士生導師，從事農業機械設計研究。石河子 新疆農墾科學院機械裝備所，832000。Email：chenxg130@sina.com