殘膜撿拾壓縮車及其作業工藝設計與試驗

劉進寶，鄭 炫，趙 巖，陳學庚，劉興愛，葛士林

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殘膜撿拾壓縮車及其作業工藝設計與試驗

劉進寶1，鄭 炫2※，趙 巖2，陳學庚2，劉興愛1，葛士林3

（1. 新疆科神農業裝備科技開發股份有限公司，石河子 832000；2. 新疆農墾科學院機械裝備研究所，石河子 832000；3. 中國農業大學工學院，北京 100083）

為解決殘膜回收時撿拾率低、機具集膜箱存儲量小、機械化作業過程不連續等問題，研制了一種棉田殘膜撿拾壓縮車，該機主要由清雜機構、撿膜機構、脫膜輸送機構、壓縮機構等組成，可同時完成殘膜雜質分離、殘膜撿拾、脫膜輸送和壓縮作業。通過對樣機關鍵作業部件的設計，確定了清雜輥、撿膜機構和脫膜輸送裝置的結構及工作參數，并分析了機具作業過程。樣機分別在3種殘膜分段回收工藝：摟集—撿壓、秸稈還田—摟集—撿壓、秸稈還田—撿壓中進行試驗，田間試驗表明，機具作業速度在5～7 km/h，清雜輥轉速為240 r/min，撿膜機構轉速為90 r/min，脫膜輥轉速為1 000 r/min時，在回收工藝一摟膜距離≤40 m，回收工藝二摟膜距離≤60 m時，膜堆殘膜撿拾率大于80%，清雜率大于78%；在回收工藝三中，棉桿殘留根茬高度≤80 mm時，未集堆地表殘膜撿拾率達到88.21%，機具纏膜率小于2%，機具可一次性撿拾壓縮回收8 hm2田間殘膜。

農業機械；設計；試驗；殘膜；回收工藝；清理雜質；膜堆撿拾；液壓壓縮

0 引 言

目前殘膜回收機具主要由殘膜撿拾機構和卸膜輸送機構組成，按撿拾機構的結構形式可分為彈齒式、摟齒式、鏈耙式、氣吸式等結構，其中摟齒式結構能將地膜摟集呈堆狀，摟集殘膜時將部分棉桿、棉葉等雜質一同摟起，因此其清雜能力差；彈齒式結構采用伸縮齒相對于滾筒往復伸縮的運動形式，具有較好的清雜能力；鏈耙式結構采用排列密度大的耙齒，其撿拾率較高，但殘膜纏繞較為嚴重[1-5]。

殘膜回收機按有無集膜箱又可分為：殘膜撿拾回收機和摟膜集條機2種機型，其中，殘膜撿拾回收機設置有集膜箱，利用撿膜機構撿拾田間殘膜，利用中間脫膜輸送裝置，將撿拾殘膜輸送至集膜箱，一次性實現殘膜撿拾裝箱作業[6-10]。此類機型由于整機尺寸的限制，集膜箱容積有限，由于殘膜堆積時呈虛狀，導致集膜箱殘膜裝載量有限，作業過程需要頻繁停機卸膜，限制了作業效率[11-15]。摟膜集條機無集膜箱，作業時利用弧形彈齒將地表殘膜摟起，弧形彈齒可臨時存儲一定量的殘膜，作業一段距離后利用卸膜桿將殘膜卸落至地表，通過摟集作業后，形成集條成堆的地表膜堆[16-19]，然后通過人工將集條膜堆中殘膜與雜質分離，并清理裝車；此類機型無法一次性將殘膜回收，需要進行膜堆二次撿拾回收作業[20]。

目前殘膜回收普遍存在的問題是，由于機具無集膜箱或集膜箱裝載量小的限制，不僅降低機具作業效率，而且使田間存在大量的回收膜堆，目前還未研制出較為成熟的撿拾膜堆的機具，作業過程需要消耗大量人力物力，并且膜堆無法及時回收處理容易造成二次污染；回收后的殘膜含有大量的棉桿、葉、雜土等，導致回收后的殘膜雜質含有量較高，給回收殘膜再利用帶來了很大的不便[15]。針對上述問題，設計了配合殘膜分段回收作業模式的一種棉田殘膜撿拾壓縮車，以期為高效的殘膜回收機械化連續作業提供參考。

1 殘膜撿拾壓縮車整機結構設計

1.1 總體結構

棉田殘膜撿拾壓縮車是根據殘膜分段回收工藝模式，為殘膜清雜撿拾壓縮作業環節設計的一種新機型，殘膜撿拾壓縮車主要由機架、清雜機構、撿膜機構，脫膜輸送機構、殘膜壓縮機構和液壓控制系統組成。清雜機構主要由清雜輥組成，撿膜機構由伸縮桿齒滾筒式撿拾機構組成，清雜輥在圓周上按規律排列有多組弧形彈齒，在清雜輥的后上方安裝有伸縮桿齒滾筒式撿拾機構。在伸縮桿齒滾筒式撿拾機構的上方安裝有脫膜輸送機構，脫膜輸送機構主要由脫膜輥、脫膜平皮帶、護罩組成。殘膜壓縮機構主要由壓縮液壓缸、推膜板、壓縮箱體、卸膜后門、后門開關液壓缸和翻斗液壓缸組成。殘膜撿拾壓縮車整機結構如圖1所示。

1. 牽引架 2. 齒輪箱 3. 機架 4. 清雜輥 5. 偏心滾筒 6. 桿齒 7. 防護罩 8. 壓縮液壓缸 9. 推膜板 10. 地輪 11. 翻斗液壓缸 12. 壓縮箱體 13. 卸膜后門 14. 后門開關液壓缸 15. 脫膜輥護罩 16. 脫膜輥

1.2 工作原理

機具作業時，由拖拉機牽引前進，由清雜輥4將膜堆向前上方挑起，將殘膜從莖稈、雜土等雜質中挑出，一部分殘膜被挑至雜質表層，另一部分殘膜被清雜輥彈齒挑起，這時轉動的伸縮桿齒6將地表殘膜撿起，同時還可以將彈齒上的殘膜挑起，通過伸縮桿齒6與偏心滾筒5的圓周運動配合，在偏心滾筒5的頂部將桿齒6上的殘膜脫落至滾筒表面，然后由脫膜平皮帶將殘膜刮起，通過脫膜輥16的回轉運動與脫膜輥護罩15的共同作用下，將殘膜運送至殘膜壓縮箱體12中；當殘膜落入壓縮箱體12后，由往復動作的壓縮液壓缸8推動楔形推膜板9將殘膜壓縮至箱體后方；通過連續的殘膜撿拾、雜質清理、脫膜、壓縮作業，最后將殘膜裝滿壓縮箱體后，后門開關液壓缸14動作，將卸膜后門13打開，然后翻斗液壓缸11動作，將壓縮后的殘膜卸出。

1.3 主要技術參數

根據殘膜回收國家標準和棉花種植農藝要求，并結合新疆平作區棉花種植特點，殘膜撿拾壓縮車主要技術指標如下表1所示。

表1 主要技術指標

2 關鍵機構設計及分析

2.1 清雜機構設計

由于集條后的膜堆中含有大量的秸稈、雜土等雜質，大量殘膜被雜質覆蓋，在殘膜撿拾之前，需要先將殘膜從雜質中分離，因此設計了一種清雜輥，其結構如圖2所示。

1. 擋盤 2. 彈齒 3. 鋼管 4. 半軸

1. Back plate 2.Spring tooth 3. Steel pipe 4. Axles

注：為彈齒末端回轉半徑，mm；為彈齒安裝折彎角，（°）；為機具作業速度，m·s–1；1為清雜輥轉動角速度，rad·s–1。

Note:is the radius of gyration at the end of spring tooth, mm;is the install bend angle of spring tooth, (°);is the machine forward speed, m·s–1;1is the angular velocity of the separating roller, rad·s–1.

圖2 清雜輥結構示意圖

Fig.2 Structure diagram of separating impurity roller

清雜輥圓周表面排列有多組彈齒，機具前進作業時，通過清雜輥的回轉運動，彈齒將膜堆中殘膜與雜質一同挑起，由于離心力的作用，雜土、秸稈等雜質被清雜輥離心拋出，而質量較輕的殘膜被挑起時，一部分殘膜掉落在地面，另一部分殘膜纏繞在彈齒上。

雜質被彈齒挑起時應做離心運動，滿足如下條件：

式中0為雜質質量，kg；為彈齒末端回轉半徑，mm；1為清雜輥轉動角速度，rad/s；0為雜質與彈齒之間的摩擦力，N；為彈齒安裝折彎角，（°）。

其中摩擦力0=00sin，0為雜質與彈齒的摩擦因數，取0.43。得出

經過清理雜質試驗驗證，彈齒安裝折彎角 取20°，清雜效果較好，通過測量集條膜堆尺寸，膜堆高度在150～400 mm之間，因此彈齒末端回轉半徑取225 mm，得出1>6.88 rad/s。

2.2 撿膜機構設計

殘膜撿拾機構主要包括滾筒、偏心支撐座、連桿、桿齒總成，其結構如圖3所示。桿齒與轉軸盤構成桿齒總成，并通過連桿與滾筒相連，偏心支撐座將滾筒與桿齒總成鉸接在機架上，當桿齒在做回轉運動時，桿齒可相對于滾筒上的柵縫進行往復伸縮，當桿齒伸出滾筒柵縫最長時進行挑膜作業，當桿齒伸出滾筒柵縫長度不斷減小時，滾筒將桿齒上附著的殘膜逐漸脫至桿齒齒尖處，最后將殘膜附著在滾筒外表面上，然后進行下一道脫膜輸送作業，達到了既能撿拾殘膜又能將殘膜脫落的作用。

2.2.1 桿齒排列結構設計

桿齒總成作為撿拾殘膜的主要部件，由6組桿齒圓周均布排列在轉軸盤上組成，通過卡子將桿齒方鋼固定在轉軸盤上，為了減小桿齒入土挑膜時的阻力，將桿齒末端切為尖角狀。

1. 偏心支撐座 2. 滾筒法蘭盤 3. 連桿銷 4. 連桿 5. 轉軸盤 6. 滾筒

桿齒與清雜輥彈齒安裝時采取交錯排列，排列方式見圖4，其中在圓周方向，桿齒設為6組，彈齒設為4組，桿齒中心處于相鄰兩彈齒中心線上，桿齒與相鄰彈齒之間的間隙為2，設置桿齒與彈齒排列間距相等，即2=0.51。為保證桿齒與彈齒的強度，清雜輥彈齒受力較大，設計1=16 mm，2=25 mm，使兩者既不相互干涉，又能滿足撿拾分布的密度，桿齒外圓面與彈齒外圓面安裝間隙距離取12 mm，得出排列間距1=32.5 mm。

1. 桿齒 2. 彈齒

1. Pole teeth 2. Spring teeth

注：1為相鄰彈齒排列間距，mm；2為桿齒與相鄰彈齒之間的安裝間隙，mm；1為桿齒直徑，mm；2為彈齒直徑，mm。

Note:1is the spacing between adjacent spring teeth, mm;2is the installation clearance between pole teeth and adjacent spring teeth, mm;1is diameter of pole teeth, mm;2is diameter of spring teeth, mm.

圖4 桿齒與彈齒排列

Fig.4 Arrangement of pole teeth and spring teeth

2.2.2 滾筒結構設計與運動分析

滾筒結構主要由滾筒和滾筒法蘭盤組成，機構簡圖如圖5所示。

滾筒由2.5 mm厚的鋼板卷制而成，滾筒表面圓周均布排列有6組柵縫，滾筒法蘭盤為幅板型，幅板將滾筒法蘭盤分成3等份，滾筒法蘭盤幅板上設有連桿鉸接安裝孔。桿齒伸入滾筒柵縫中與之配合。由于滾筒中心與桿齒軸中心之間存在偏心距，兩者之間再次用連桿相連，連桿中心距與偏心距相等。

簡化桿齒滾筒運動模型，其中點為桿齒轉軸中心，1點為滾筒軸心，點為連桿1與桿齒轉軸盤2的鉸接點，點為連桿1與滾筒3的鉸接點，點為桿齒末端，桿齒滾筒機構由平行四桿機構演變而來，短桿1作為機架、長桿作為主動曲柄的平行四桿機構運動。

1. 滾筒 2. 滾筒法蘭盤 3. 桿齒 4. 轉軸盤 5. 連桿

1. Roller 2. Roller flange 3. Pole teeth 4. Rotation shaft flange 5.Connecting rod

注：點為桿齒轉軸中心，1點為滾筒軸心，點為連桿與桿齒轉軸盤的鉸接點，點為連桿與滾筒的鉸接點，點為桿齒末端。為連桿力，N；1為鉸接點距滾筒圓心的半徑，mm；為偏心距，mm；為滾筒法蘭盤幅板等分角，（°）；為連桿傳動角，（°）；v為點線速度，m·s–1；2為桿齒轉動角速度，rad·s–1。

Note:is the center of rotation shaft;1is the center of roller;is the hinge point of the rotation shaft flange and the connecting rod;is the hinge point of the connecting rod and the roller;is the end of pole teeth;is connecting rod force, N;1is the radius of the hinge pointfrom the center of the roller, mm;is eccentricity, mm;is the roller flange plate equal angle, (°);is the connecting rod drive angle, (°);vis thepoint line speed, m·s–1;2is the angular velocity of the pole teeth, rad·s–1.

圖5 桿齒運動示意圖

Fig.5 Structure diagram of pole teeth motion

機構轉動時，拖拉機動力輸出軸通過齒輪箱、皮帶傳動，帶動轉軸盤轉動，桿齒轉軸盤作為主動件，通過連桿帶動滾筒一起轉動，由桿齒通過沿著連桿的方向傳遞的力，在滾筒上產生一個主動力矩，從而驅動滾筒轉動。6組桿齒與3等分的滾筒法蘭盤幅板通過2組連桿連接，2組連桿安裝位置如圖5中所示。其中，連桿產生的主動力矩為：

兩組連桿產生的主動力矩值為：

式中為主動力矩，N·m；為連桿力，N；1為滾筒法蘭盤連桿鉸接點距滾筒圓心的半徑，mm；為滾筒法蘭盤幅板等分角，取120°；為連桿傳動角，（°）。

從式中可以看出，當其中一組連桿11傳動角=90°時，連桿處于機構的死點位置，連桿驅動的有效分力為零，此時由另一組連桿提供有效分力

當兩組連桿傳動角≠90°時，由兩組連桿共同提供有效分力，使機構穩定可靠做回轉運動。

2.2.3 桿齒撿膜及防纏繞參數確定

機具以圖6a中速度方向作業時，清雜輥以1的角速度順時針轉動，桿齒以2的角速度逆時針轉動。

清雜輥彈齒末端在坐標系中的運動方程為：

式中為機具作業速度，m/s；為桿齒中心與清雜輥中心水平距離，取490 mm；為桿齒中心與清雜輥中心豎直距離，取245 mm；為機具前進作業時間，s。

注：點為桿齒轉軸中心，2點為清雜輥軸中心，為桿齒與清雜輥彈齒轉動的重疊區域，為桿齒末端運動軌跡與2連線的交點；0為轉軸盤半徑，mm；為桿齒末端回轉半徑，mm；為桿齒長度，mm；為桿齒中心與清雜輥中心水平距離，mm；為桿齒中心與清雜輥中心豎直距離，mm；為桿齒接觸地面時彈齒入土深度，mm；為桿齒安裝角，（°）；v為桿齒末端在點相對彈齒的運動速度，m·s–1。

Note:is the center of rotation shaft;2is the center of separating roller;is the overlapping region of the pole teeth and the rotation of the spring teeth of the cleaning compound roller;is the intersection of the end of the pole teeth and the2line;0is the radius of rotation shaft flange, mm;is the radius of gyration at the end of pole teeth, mm;is the length of pole teeth, mm;is the horizontal distance between the center of the pole teeth and the spring teeth, mm;is the erect distance between the center of the pole teeth and the spring teeth, mm;is depth into earth of spring teeth when pole teeth touching ground, mm;is the installation angle of pole teeth, (°);vis the speed at which the end of the pole teeth at the a point relative to the projectile, m·s–1.

圖6 桿齒與彈齒挑膜運動示意圖

Fig.6 Structure diagram of sketch map of film movement of pole teeth and spring teeth

桿齒末端運動軌跡方程為：

式中2為桿齒轉動角速度，rad/s；為桿齒末端回轉半徑，mm。

其中

式中0為桿齒轉軸盤半徑，取210 mm；為桿齒長度，取245 mm；為桿齒安裝角，取45°。計算得出=427.5 mm。

同時為保證清雜與撿拾充分，避免出現漏挑區域，清雜輥彈齒和桿齒末端運動軌跡應呈余擺線，即速度比滿足以下條件：

式中1為清雜輥速度比，2為桿齒速度比。

綜合考慮作業效率和效果，取1=3，2=2，根據機具作業速度范圍在5～7 km/h，為保證機具撿拾率及機具運行的穩定性，經過多次試驗論證，得到機具最大作業速度為1.9 m/s，因此取=1.9 m/s，取=225 mm，=427.5 mm，計算得出清雜輥轉速1=25.3 rad/s，桿齒轉速2=8.9 rad/s，通過MATLAB軟件繪制桿齒末端和彈齒末端的運動軌跡曲線，如圖6b所示。

清雜輥彈齒和桿齒的安裝位置相對于地面高度不相同，當桿齒末端接觸到地面時，清雜輥彈齒需入土深度=45 mm。由于膜堆底部存有大量殘膜，為保證清雜與撿拾充分，作業時桿齒入土深度為10 mm，則清雜輥彈齒入土深度為55 mm。

清雜輥彈齒在清雜膜堆時，容易使殘膜纏繞在彈齒以及清雜輥上，為了使清雜輥上纏繞的殘膜能被及時回收，設置伸縮桿齒與清雜輥相互配合作業，圖中陰影區域為桿齒與清雜輥彈齒轉動的重疊區域，在此區域中，桿齒可將接觸到清雜輥彈齒上纏繞的殘膜。

在重疊區域中，桿齒中心與清雜輥中心2連心線的切線方向，桿齒末端線速度與清雜輥彈齒末端線速度同向，在接近清雜輥彈齒根部相交點處的相對速度v為：

將=490 mm，=245 mm代入公式（10），計算得出v=0.8 m/s。桿齒和清雜輥之間具有相對運動速度，因此可將清雜輥彈齒上纏繞的殘膜挑起，有效防止清雜輥纏膜現象。

根據轉速與角速度關系：

最終確定清雜輥轉速1=301/p=240 r/min，桿齒轉速2=302/p=90 r/min。

2.3 脫膜輸送機構的設計

在撿膜機構的正上方設置有脫膜輸送機構，脫膜輸送機構采用類似風機結構[21-22]，主要由脫膜輥和脫膜護罩組成，脫膜輥圓周表面均布排列有8組脫膜葉片，脫膜葉片采用寬度=150 mm的平皮帶，脫膜滾筒采用半徑2=120 mm、壁厚為3 mm的鋼管，其中鋼管外壁設置有8組直徑為60 mm的氣流通道孔，脫膜護罩正下方為開口狀，為殘膜輸送的入口，脫膜護罩斜上方開口為殘膜輸送出口，結構如圖7所示。

2.3.1 脫膜輸送過程分析

1）刮膜提升作業：通過脫膜葉片的刮取作用，將撿拾滾筒上的殘膜刮起，殘膜臨時存儲在相鄰脫膜葉片之間，通過脫膜輥的轉動將殘膜運送至脫膜輥上方，作業過程中脫膜輥轉向與撿膜機構轉向相反。

2）拋送作業：當殘膜在脫膜輥上方，脫膜輥將殘膜拋出，同時脫膜輥轉動產生的氣流，使其做離心運動，在拋送作業時，殘膜沿著脫膜葉片向外運動，假設殘膜集中在脫膜葉片質點處，受力情況須滿足：

式中c為離心力，N；w為氣流作用力，N；為脫膜葉片摩擦力，N；為脫膜葉片工作偏轉角，（°）；為氣流作用力與脫膜葉片夾角，（°）。

其中

式中3為脫膜輥角速度，rad/s；t為脫膜葉片末端距中心半徑，取270 mm。

1. 脫膜護罩 2. 脫膜葉片 3. 脫膜滾筒 4. 仿形彈簧 5. 定位板 6. 緩沖彈簧 7. 機架 8. 撿膜機構 9. 彈簧螺桿 10. 定位螺母

1. Residual film shedding shield 2. Residual film removing blade 3. Residual film shedding roller 4. Copying spring 5. Locating plate 6. Buffer spring 7. Frame 8. Pickup mechanism 9. Spring screw 10. Locating nut

注：3點為脫膜滾筒軸心，4為脫膜護罩與機架鉸接點；為脫膜葉片寬度，mm；2為脫膜滾筒半徑，mm；為脫膜護罩與滾筒間隙，mm；為脫膜葉片工作偏轉角，（°）；為氣流作用力與脫膜葉片夾角，（°）；為殘膜質量，kg；3為脫膜輥角速度，rad·s–1；c為離心力，N；w為氣流作用力，N；為脫膜葉片摩擦力，N；n為脫膜葉片對殘膜的支持力，N。

Note:3is the center of the residual film shedding roller;4is the residual film shedding shield and frame hinge joint;is the width of the residual film removing blade, mm;2is the radius of residual film shedding roller, mm;is clearance between residual film shedding shield and roller, mm;is residual film removing blade work deflection angle, (°);is the angle between the air force and the residual film removing blade, (°);is residual film quality, kg;3is the angular velocity of the residual film shedding roller, rad·s–1;cis centrifugal force, N;wis the air force, N;is the frictional force of the residual film removing blade, N;nis supporting force of residual film removing blade on residual film, N.

圖7 脫膜機構結構示意圖

Fig.7 Structure diagram of residual film shedding mechanism

其中脫膜葉片摩擦力

式中為脫膜葉片摩擦因數，取0.6。得出：

本設計中，為保證脫膜順利不產生擁堵，假設在不考慮氣流作用力w的情況下，殘膜依靠離心力便可被脫膜輥拋出，即滿足：

當=20°，得出脫膜輥角速度3>6.5 rad/s。

3）氣流輸送作業：當殘膜被拋出脫膜葉片后，殘膜被拋出的瞬間具有離心運動速度v，并且依靠風機產生的氣體流速v將其從脫膜護罩中吹出，殘膜脫離脫膜葉片時瞬時合速度為v與v的矢量和：

其中殘膜懸浮速度在0.3～1.2 m/s之間[23]，短莖稈懸浮速度在2.8～4.4 m/s之間[24-25]。由于殘膜在拋送過程中含有少量的短莖稈，因此氣體流速v須大于殘膜和短莖稈的懸浮速度，才能將殘膜吹送出脫膜護罩。通過試驗測得當脫膜輥轉速為1 000 r/min時，出口的風速接近10 m/s，轉速滿足脫膜作業要求。

2.3.2 防擁堵結構設計

由于殘膜在摟集成堆時，堆放尺寸及含雜率不規律，使得撿拾時喂入量不均勻，當撿拾量過大時，脫膜護罩與撿拾滾筒之間容易產生擁堵，因此將脫膜護罩右端與機架采用鉸接連接方式，脫膜護罩左端焊接有定位板，定位板上設有彈簧螺桿伸縮孔，定位板與機架之間設有2組彈簧，彈簧套裝在彈簧螺桿上，上端為仿形彈簧，當擁堵殘膜對脫膜護罩施加載荷時，脫膜護罩相對于鉸接點以較小角度向上轉動，此時仿形彈簧被壓縮，脫膜護罩與撿拾滾筒之間間隙變大，擁堵的殘膜及雜質從間隙間被拋出，當擁堵消除后，仿形彈簧復位，脫膜護罩恢復初始狀態，下端緩沖彈簧起到緩沖作用，其中間隙初始值為25 mm。

2.4 壓縮系統設計

壓縮系統主要由壓縮箱體，液壓系統和控制系統組成，其中液壓回路如圖8a所示，液壓回路包括壓縮液壓缸、翻斗液壓缸和后門液壓缸三組獨立動作的液壓缸。

1. 液壓油箱 2. 液壓泵 3. 溢流閥 4. 單向閥 5. 減壓閥 6~8. 三位四通電磁換向閥 9～10. 雙向液壓鎖 11～14. 二位二通電磁換向閥 15～17. 節流閥 18. 壓力繼電器19. 壓縮液壓缸 20. 翻斗液壓缸 21. 后門液壓缸

每組液壓缸由2個參數相同的缸體組成，通過電磁換向閥控制回路液壓油的流向，在翻斗液壓缸回路和后門液壓缸回路中分別設置雙向液壓鎖，防止液壓缸伸出后由于外界較大載荷迫使液壓缸縮回現象。由于翻斗液壓缸和后門液壓缸在動作時，所受載荷在不斷變化，為避免機構之間產生激烈的碰撞，在兩組液壓缸回路中設置了2條回路，其中第一條回路通過二位二通電磁換向閥控制通斷，回路液壓流量不變；第二條回路由二位二通電磁換向閥和節流閥組成，由二位二通電磁換向閥控制回路通斷，由節流閥降低回路液壓流量，從而控制液壓缸動作速度；機構運動時，在沖擊較小的區間，采用第一條回路，在沖擊較大的區間，采用第二條調速回路，降低動作速度，避免機構產生較大沖擊。

其中壓縮液壓缸動作時，由行程開關SQ1和壓力繼電器共同控制往復壓縮動作，在壓縮過程中，當壓縮液壓缸進油腔的壓力達到減壓閥5設定值時，壓縮缸停止壓縮作業，并且有桿腔進行縮回，當有桿腔縮回至行程開關SQ1處時，電磁換向閥1換向，進行下一次壓縮作業。液壓回路中電磁換向閥的換向動作由PLC控制，采用西門子S7-200型PLC進行控制，其中輸入信號由按鈕、行程開關和壓力繼電器產生，輸出信號控制液壓回路的電磁換向閥。PLC輸入輸出分配如圖8b所示。

3 殘膜撿拾田間試驗

3.1 試驗條件

2016年10月5日～2016年10月15日在新疆生產建設兵團石河子149團進行田間試驗，作業地塊為秋后棉花收獲后的平作區棉田，回收地膜厚度為0.008 mm聚乙烯農用地膜，殘膜撿拾壓縮車配套動力為雷沃754輪式拖拉機。

3.2 試驗方法

為了使殘膜回收實現機械化連續作業，樣機分別在3種分段回收工藝：①摟集—撿壓、②秸稈還田—摟集—撿壓、③秸稈還田—撿壓中進行試驗，在試驗中配合其他機具實現殘膜機械化分段連續作業回收，作業模式如圖9所示。

1. 棉稈 2. 集條殘膜

1. Cotton stalk 2. Collection strip residual film

注：為集條膜堆幅寬，m；為一次摟膜作業距離，m；向為棉花種行方向；、向為垂直于棉花種行的方向。

Note:is residual film stack width, m;is once gathering up the residual film distance, m;is cotton planting direction;、is perpendicular to the cotton planting direction

圖9 殘膜回收工藝模式簡圖

Fig.9 Diagram of residual film recycling method

3.2.1 回收工藝一：摟集—撿壓

作業過程：秸稈還田機開設卸膜集條區?立桿摟膜機摟膜集條?殘膜撿拾壓縮車撿拾膜堆；作業特點：首先利用秸稈還田機在垂直于棉花種行的方向上，每間隔一段距離開設一定寬度的卸膜區，其次立桿摟膜機進行田間摟膜作業，并且將摟起的殘膜堆積在卸膜區域，最后利用殘膜撿拾壓縮車將卸膜區的集條殘膜進行清雜撿拾裝箱壓縮作業。目前，在殘膜回收機市場中，立桿摟膜機占有率較大，回收工藝一技術應用推廣較為成熟。

為了便于各回收工序之間高效銜接作業，應滿足以下參數要求：①集條膜堆幅寬小于殘膜撿拾壓縮車作業幅寬；②一次摟膜作業距離不宜過大，避免集條膜堆含雜率高導致集條殘膜的膜堆尺寸過大；③秸稈還田機作業幅寬應與集條膜堆區域幅寬相近。

3.2.2 回收工藝二：秸稈還田—摟集—撿壓

作業過程：秸稈還田殘膜集條機作業?殘膜撿拾壓縮車撿拾膜堆；作業特點：首先利用秸稈還田殘膜集條聯合作業機作業，棉桿粉碎還田作業的同時利用摟膜機構將殘膜摟集成條成堆，然后利用殘膜撿拾壓縮車將集條殘膜進行清雜撿拾裝箱壓縮作業。近年來秸稈還田殘膜回收聯合作業技術發展較快，隨著聯合作業技術的不斷成熟[23-26]，回收工藝二正逐步推廣使用。

3.2.3 回收工藝三：秸稈還田—撿壓

作業過程：秸稈還田機進行秸稈還田作業/拔棉桿機回收棉桿作業?殘膜撿拾壓縮車撿拾田間地表殘膜；作業特點：首先利用秸稈還田機將棉桿粉碎還田，或者利用拔棉桿回收機回收棉桿，然后利用殘膜撿拾壓縮車將秸稈還田后地表殘膜清雜撿拾裝箱壓縮作業，兩道工序作業方向均沿著棉花種行方向。隨著棉桿造紙技術的不斷提升、電廠燃料的需求、以及秸稈還田技術的日益成熟[27-30]，回收工藝三具有較好的應用前景。

3.2.4 試驗參數測定方法

在作業工藝一和作業工藝二的前期摟膜作業時，摟膜作業距離依次設置為30、40、50、60、70 m，然后利用殘膜撿拾壓縮車撿拾集條殘膜膜堆，測得膜堆相關數據，以及殘膜撿拾壓縮車作業的相關數據。

在5組摟膜作業距離中，隨機選取測試區，每一組選取5個測試點，測試點的作業面積相等，分別稱質量每個測試點的膜堆總質量、回收后殘膜毛質量，并且對回收后的殘膜和未收回殘膜進行清洗稱質量，測得其凈質量。其中，清雜率、膜堆質量、膜堆中所含殘膜質量c、回收殘膜毛質量1、回收殘膜凈質量2之間的關系為：

撿拾率、回收殘膜凈質量2、未收回殘膜凈質量a之間的關系為：

其中一定面積內集條膜堆中殘膜凈質量所占占有率為：

根據作業對象可分為兩大類，第一類為回收膜堆殘膜，即工藝一和工藝二，前2種回收工藝根據摟膜距離做比較試驗；第二類為回收秸稈還田后未集堆殘膜，即為回收工藝三，因此不考慮膜堆殘膜占有率與清雜率，主要測其撿拾率、裝載量和壓縮效果。

3.3 試驗結果

分段回收作業配套機具選用科神公司研制的應用較為廣泛的1LM-6.6型立桿摟膜機（收膜部件為弧形彈齒，作業方式為單一摟集作業，作業幅寬為6.6 m），和4JLM- 2.0型秸稈還田彈齒摟膜機（收膜部件為弧形彈齒，作業方式為秸稈還田殘膜摟集聯合作業，作業幅寬為2 m）進行前期摟膜集條作業，2種方式摟集后的膜堆堆放尺寸、雜質含量均不相同，摟膜作業結果如圖10所示。

a. 立桿摟膜集條膜堆 a. Setting heap of gathering up residual film before cotton stalk smashingb. 秸稈還田彈齒摟膜集條膜堆 b. Setting heap of gathering up residual film after cotton stalk smashing

殘膜撿拾壓縮車分別撿拾立桿摟膜作業的膜堆和秸稈還田摟膜聯合作業的膜堆，即殘膜撿拾壓縮車應用于回收工藝一和回收工藝二中，撿拾集條膜堆殘膜試驗數據統計結果如表2所示。

表2 殘膜撿拾壓縮車回收工藝一、二試驗數據

由試驗結果可以看出，集條膜堆中殘膜占有率隨著摟膜距離的增加在不斷減小，殘膜撿拾壓縮車的撿拾率和清雜率也相應的下降。其中，回收工藝一中，當摟膜距離≤40 m時，膜堆殘膜撿拾率大于80%；回收工藝二中，當摟膜距離≤60 m時，膜堆殘膜撿拾率大于80%，達到撿拾作業要求。因此，為指導當前作業規范，回收工藝一中立桿摟膜距離設定為40 m，殘膜撿拾壓縮車撿拾率為82.96%，回收工藝二中打桿摟膜距離設定為60 m，殘膜撿拾壓縮車撿拾率為81.91%。

在回收工藝三的試驗中，利用秸稈還田機將棉桿粉碎還田后，根茬高度≤80 mm。秸稈還田后田間地膜含雜率較低，裝滿壓縮膜箱（裝載量為1 200 kg，壓縮密度為300 kg/m3）可一次性撿拾8 hm2田間地膜，殘膜撿拾率為88.21%，撿拾作業效果對比如圖11。機具纏膜現象主要發生在清雜輥處，由于撿膜機構設置了防纏繞作業參數，據3種回收工藝試驗效果，機具纏膜率均小于2%。

注：圖11b中，含雜率高，撿拾率低；圖11c，含雜率低，撿拾率高。

在實際壓縮作業時，壓縮液壓缸壓縮速度對殘膜壓縮影響較為明顯，壓縮不及時導致殘膜在壓縮膜箱入口處出現擁堵。因此，根據殘膜撿拾喂入量與壓縮時間相匹配的關系，進行了多次試驗，機具作業速度為1.9 m/s時，設置壓縮缸往復壓縮一次用時20 s，能保證壓縮作業順暢。回收殘膜雜質含量對裝載量及壓縮密度有較大的影響，當壓縮缸壓力一定，雜質含量較低時，殘膜容易松散，壓縮缸在退回階段，殘膜易產生回落，因此還需進一步研究壓縮壓力與雜質含量對殘膜壓縮密度的影響。

由試驗結果看出，前期摟膜作業的含雜率對膜堆殘膜撿拾率有明顯的影響，因此，后續研究需進一步提高機具的清雜能力。機具實際作業時，地表并非絕對平整，由于播種、中耕、植保、采收等機具作業時對地面的壓力，導致棉田地表有部分凹陷，殘膜撿拾壓縮車的隨地仿形能力較為局限，因此在凹陷處殘膜撿拾率較低，還需改進機具隨地仿形能力，進一步提高殘膜撿拾率和清雜率。

4 結論與討論

1）為了配合殘膜分段回收作業模式，研制了一種殘膜撿拾壓縮車，通過對清雜機構、撿膜機構、脫膜輸送機構及壓縮系統進行設計，計算各關鍵部件的結構及工作參數，該機能較好的適應3種新型殘膜回收工藝作業。

2）提出了適合秋季棉田殘膜回收的3種回收工藝方法，分別為：①秸稈還田機切碎棉稈開設卸膜區?立桿摟膜機摟膜集條?殘膜撿拾壓縮車撿拾膜堆殘膜；②秸稈還田殘膜集條機作業?殘膜撿拾壓縮車撿拾膜堆殘膜；③秸稈還田機進行秸稈還田作業或拔棉桿機回收棉桿作業?殘膜撿拾壓縮車撿拾田間地表殘膜。3種回收工藝中，各回收工序環節可高效有序的銜接作業，能夠較好的解決秋后棉田機械化回收的難題。

3）樣機田間殘膜回收率試驗表明，回收工藝三效果最佳，殘膜撿拾壓縮車撿拾秸稈還田后的地表殘膜，回收率可達88.21%，殘膜回收作業工序較少，作業效率較高。為指導當前作業規范，回收工藝一中立桿摟膜距離設定為40 m，殘膜撿拾壓縮車撿拾率為82.96%，回收工藝二中打桿摟膜距離設定為60 m，殘膜撿拾壓縮車撿拾率為81.91%。通過樣機試驗測試，各項性能試驗指標均滿足設計要求。

在新提出的回收工藝中，膜堆雜質含量情況直接影響殘膜撿拾壓縮車的撿拾率及清雜率，因此在各作業環節中需要進一步提升機具的清雜能力，進一步提高殘膜撿拾率。

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Design and experiment of operating process for collecting residual film compacted truck

Liu Jinbao1, Zheng Xuan2※, Zhao Yan2, Chen Xuegeng2, Liu Xingai1, Ge Shilin3

(1.832000,; 2.832000,;3.100083,)

The high impurity content and the residual film loosening have led to the problems that the recovery rate of residual film is low, the machine loading capacity is small, and the mechanized operation process is not continuous. In order to solve these problems, we put forward 3 kinds of recycling models of residual film recovery after cotton harvest, and analyzed the operation process and operating features of these 3 kinds of recycling methods. The first kind of recycling process was as follows: Firstly, the straw returning machine set up the residual film strip; secondly, the heap of the residual film was set before cotton stalk recovery; finally, the truck collecting and compacting residual film picked up the heap of the residual film gathered. For the second kind of recycling process, cotton straw chopping and residual plastic film collection strip combined machine was firstly operated; next, the truck collecting and compacting residual plastic film picked up the heap of the residual film gathered. The third kind of recycling process was as follows: Firstly, straw returning machine operates, or cotton stalk pulling machine operates; secondly, the truck collecting and compacting residual film picked up the surface residual plastic film. A new operation mode was designed for the truck collecting and compacting residual film. The machine consists of impurities separation mechanism, pickup mechanism, residual film shedding mechanism, residual film compression mechanism, and hydraulic control system. Machine can simultaneously complete separation of residual film and impurities, residual film pickup and delivery, and residual film compression. A kind of structure preventing residual film winding was designed, and spring teeth and pole teeth in this structure were in staggered arrangement. The equations of the motion of impurities separation mechanism and pickup mechanism were respectively established, and the process of impurities separation mechanism and pickup mechanism operation was analyzed. The rotational speed of the end of the spring teeth was calculated to be 240 r/min, and the rotational speed of the pole teeth end of the picking mechanism was 90 r/min. The mechanism was designed, which could prevent residual film shedding mechanism from congestion. The operation process of the residual film conveying mechanism was analyzed, and the rotational speed of the end of film removing blade was 1 000 r/min. A kind of electronically controlled hydraulic compression system was designed, and the residual film loading of the compressed film box was improved. Then we examined the capability of the prototype and checked its production functions in field. The size of the heap of the residual film and the proportion of the residual film were recovered in the different distances for the first kind of recovery process model and the second kind of recovery process model. The prototype field experiments showed that, with the increase of the work distance of gathering up the film, the size of the residual film stack was increasing, and the proportion of residual film was decreased obviously. In the case of the same work distance gathering up the residual, the impurity content in the first kind of recycling process was higher than that of the second kind of recycling process, and the recovery rate of the residual film in the first kind of recycling process was lower than that of the second kind of recycling process. The recovery effects of three kinds of recovery processes were compared. The first kind of recovery method included gathering up the residual film before cotton stalk recovery—collecting residual film and compressing, with a work distance of gathering up the film of less than 40 m, and its pickup work was better. The secondary recovery method included gathering up the film after cotton stalk returning—setting heap of the residual film gathered—collecting residual film and compressing, with a work distance of gathering up the film of less than 60 m, and its pickup work was better, with a pickup rate of greater than 80%. The third recovery method included cotton stalk recovery—collecting residual film and compressing, and when the stubble height was less than 80 mm, the collecting rate of residual film reached 88.21%. The truck collecting and compacting residual film could pick up and compress the residue film in 8 hm2field. The rate of film winding was less than 2%. Through compression test, it demonstrated, to ensure the smooth operation of the machine when the operating speed of the machine was 1.9 m/s, the reciprocating compression time of compression cylinder was 20 s; the compression density was up to 300 kg/m3.

agricultural machinery; design; experiments; residual film; recovery method; cleaning out impurities; residual film stack pickup; hydraulic compression

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.19.003

S223.5

A

1002-6819(2017)-19-0017-10

2017-03-11

2017-08-04

公益性行業（農業）科研專項經費項目（201503105）；兵團重大科技項目（2014AA002-2）。

劉進寶，男，新疆伊犁人，助理研究員，主要從事現代農業機械裝備的研究，Email：jinbao1226@126.com

※通信作者：鄭 炫，女，江蘇徐州人，研究員，主要從事現代農業機械裝備的研究。Email：jiazhengxuan@sohu.com。