耙齒式殘膜回收機自動脫膜機構設計

施麗莉，胡志超，顧峰瑋，吳 峰，陳有慶

?

耙齒式殘膜回收機自動脫膜機構設計

施麗莉，胡志超※，顧峰瑋，吳 峰，陳有慶

（農業部南京農業機械化研究所，南京 210014）

針對耙齒式殘膜回收機回收殘膜后缺乏自動脫膜機構的現狀，設計了耙齒式殘膜回收機自動脫膜機構。分析平行四連桿脫膜機構的運動穩定性可靠性及脫膜順暢性，設計液壓裝置進行脫膜，并在試驗的基礎上優化機構，對不同形式刮板進行試驗及分析并最終設計適合耙齒式殘膜回收機的“倒八字”型刮板。針對影響自動脫膜機構工作效率的關鍵部件和影響因素分析其運動及受力情況，對“倒八字”型刮板進行影響因素的響應面分析。可得齒板距、刮板角度、脫膜夾角為顯著影響的因素，且影響強弱關系為齒板距＞刮板角度＞脫膜夾角。綜合考慮后得到的最佳參數組合為齒板距2 mm、刮板角度70°、脫膜夾角60°。該研究可為相關設備的設計提供參考。

機械化；設計；優化；殘膜回收機；響應面分析；脫膜率

0 引 言

地膜覆蓋栽培技術因具有增溫、保墑、保肥、抑制雜草、減輕作物病害等作用而廣泛運用于多種作物的種植過程中。隨著地膜覆蓋面積的不斷增大，造成了越來越嚴重的“白色污染”，對作物產量及農田機械化均產生不利影響[1-2]。

花生是中國重要的油料作物和經濟作物，多年來中國花生種植面積和產量均穩居世界前2位，其殘膜污染問題亟待解決[3-4]。現有的滾筒式、鏟鏈式、鏟篩式、耙齒式等回收機中，尤以耙齒式殘膜回收機回收殘膜效果較好，結構簡單且工作效率高，能基本滿足壟作花生殘膜的回收要求，但目前制約耙齒式殘膜回收機大面積推廣使用的是缺少自動脫膜裝置。現有殘膜回收機采用的脫膜方法主要有人工脫膜、伸縮桿齒脫膜和脫膜葉片脫膜等，人工脫膜勞動強度大、效率低；伸縮桿齒脫膜機構制造成本高、故障率高；整體或獨立葉片脫膜大部分采用逆向脫膜，效果差，不能達到脫膜裝置作業要求[5-8]。

針對耙齒式殘膜回收機，其自動脫膜機構的研發已成為關鍵環節。因此，研究殘膜回收機脫膜機構、分析探討脫膜機理，對于研發殘膜回收機、提升設備技術水平、滿足農業生產要求具有重要現實意義[9-12]。

1 結構及原理

如圖1為耙齒式殘膜回收機的整機結構示意圖。耙齒式自脫膜殘膜回收機的主要部件為機架、耙齒、液壓裝置及脫膜裝置組成。其中，液壓裝置分別裝于機架兩側，脫膜工作時，脫膜方管及刮板一起沿著轉軸旋轉，如圖1所示的雙點劃線即為極限位置，脫膜裝置沿著雙點劃線的軌跡運動，并在液壓裝置的驅動下實現上下往復運動實現脫膜，圖1中為液壓固定端點的位置，所示位置為任意一刮板端點的位置。如圖2所示為整機結構的三維模型圖。

1.機架 2.液壓轉軸固定 3.液壓固定支架 4.耙齒5.脫膜方管 6.液壓裝置 7.脫膜刮板

圖2 耙齒式殘膜回收機結構三維圖

2 關鍵部件設計

由于殘膜的物料特性對機具脫膜性能及結構參數等均有重要影響，所以在進行關鍵部件設計之前必須進行田間殘膜的物料特性研究。

本次試驗地為青島膠州，通過實地調研可知，殘膜大多呈條狀和塊狀分布，膜土草混雜且相互纏繞。地表殘留較多，地下也有殘留，形狀不規則大小不一，在陽光和高溫下容易出現脆化等現象。通過對殘膜進行的力學性能試驗可得結論：厚度相同殘膜的拉伸負荷中，縱向和橫向拉伸負荷相差不大；殘膜與新地膜對比，縱向、橫向拉伸負荷等力學特性均發生明顯變化，說明鋪設時間對地膜的力學性能影響顯著。

殘膜的物理特性決定了其回收以及收后脫膜的困難程度，因為變形大和膜土草纏繞，所以必須強制脫膜，且脫膜徹底可以實現反復作業。根據分析，可得耙齒式殘膜回收機自動脫膜機構的關鍵部件為脫膜裝置及液壓裝置設計。

2.1 脫膜裝置設計

在過程中，耙齒會產生變形，變形后的耙齒會使脫膜更加困難且脫膜機構到達極限位置后難以順暢歸位（即回歸水平位置），分析可知脫膜順暢歸位機構裝置設計最主要就是脫膜刮板形狀和位置的設計。脫膜刮板均勻的分布在轉軸上，刮板與耙齒之間相互交錯配合，殘膜在耙齒與刮板之間的相對運動之中從耙齒上脫下，實現脫膜。脫膜刮板的設計應滿足結構合理，回位精準，脫膜順暢，工作性能可靠，使用壽命長，脫膜效率高等[13-16]。

圖3為設計的3種類型的刮板示意圖。圖3a、圖3b為“一”字型刮板和“U”字型刮板示意圖，由分析及試驗結果可知，其脫膜時主要問題為部分耙齒變形較大，刮板到達極限位置后無法順暢歸位，即耙齒無法保證順利進入刮板之間的間隙；無法進入刮板間隙的耙齒阻礙了脫膜裝置的順暢歸位，必須依靠人力將其扳回原位，影響了作業的順暢性及工作效率。圖3c的“倒八字”型刮板具有順暢歸位機構設置，則很好的解決了脫膜裝置的回位問題。

具體分析及對比如圖4所示，由于耙齒在前進過程中不僅前后方向，左右方向也會產生變形，所以當左右變形較大時，在反復脫膜的過程中耙齒無法一直保持在刮板間隙之中，會跟刮板卡住，阻礙了機具的順暢性，“倒八字”型刮板因有脫膜夾角，可在脫膜過程中將耙齒順暢引回原軌道，回位精準實現位置矯正，確保機具連續作業及耙齒的使用性能。

圖3 三種類型刮板示意圖

1.“一”字型刮板 2.耙齒變形后 3.耙齒變形前 4.“U”字型刮板 5.“倒八字”型刮板

如圖5所示為殘膜受力簡圖，且其中虛線所示的“倒八字”弧形軌道可保證回位精準，刮板角度為，刮板向下運動時與耙齒之間的夾角為，刮板耙齒之間的距離為且非常小，刮板緊貼耙齒向下運動進行脫膜可保證脫膜效果。在殘膜回收機的脫膜過程中，殘膜要收到重力、耙齒的摩擦力、刮板的摩擦力、殘膜自身對耙齒的壓力、耙齒的支持力外，還要受到由殘膜自身特性產生的吸附力和靜電作用力。其中，吸附力及靜電作用力亦十分微小，故忽略不計[2]。

注：Ff為摩擦力，N；θ為刮板角度，(°)；F1為耙齒對殘膜的拉力，N；FN為耙齒對殘膜的支持力，N；F2為刮板向下的作用力，N；G為耙齒上殘膜的重力，N；μ為動摩擦系數；F′為刮板對殘膜的壓力，N；Fy為殘膜在豎直方向收到的合力，N；β為刮板向下運動時與耙齒之間的夾角，(°)；S為刮板耙齒之間的距離。

如圖5所示為任意點處殘膜的受力簡圖，可得殘膜滿足以下方程：

根據分析可知，實現順暢脫膜需滿足式（6）、式（7）2個條件，即殘膜在豎直方向的受力合力方向是豎直向下的，且刮板向下運動時與耙齒之間的夾角應為鈍角。

2.2 液壓脫膜裝置設計

2.2.1 平面連桿機構設計

脫膜裝置應在滿足脫膜要求的前提下，結構簡單運行平穩，故采用平面連桿機構進行設計[17-20]。如圖6a所示為平面連桿機構的一種，為含一個移動副的四桿機構，運動時，滑塊2既可沿點旋轉也可沿著方向進行往復運動。

a. 平面連桿機構示意圖

a. Diagram of planar linkage

b. 運動軌跡示意圖

b. Diagram of movement track

注：、為固定端，為可運動部件，1、2分別為可運動部件在運動過程中的2個位置，為的距離，、1、3、1為運動過程中各部件的夾角，(°)。

Note:,are fixed end;is moving parts;1,2are two places of;is the space betweenand;,1,3and1are angles of parts during moving, (°).

圖6 平面連桿機構示意圖

Fig.6 Schematic diagram of planar linkage

如圖6b所示為平面連桿機構的運動軌跡示意圖，可以看出極位夾角及運動路徑。1為極位夾角，其取值范圍為（0°，180°），并有=1。在耙齒式殘膜回收機設計中，點位置即為圖1中2液壓轉軸固定的位置，的位置即為圖1中液壓裝置的固定點的位置，而的運動方式即為液壓驅動下脫膜方管與液壓連接點的運動方式，點可實現沿液壓驅動方向的直線往復運動以及圍繞固定點的旋轉運動，從理論上驗證了液壓驅動連桿機構進行卸膜的合理性。

如上述分析及圖1中所示點的運動軌跡滿足如下方程：

（8）

式中X、Y分別為點在方向、方向的位移；刮為刮板的長度；為運動過程中刮板與水平面的夾角角度。

2.2.2 液壓裝置設計

耙齒式自動脫膜殘膜回收機的液壓裝置是關鍵部件，其設計要求涉及整機的安全性能和工作性能，因此需總體上對所設計的液壓系統做出設計和計算，結合實際工作條件，確定合理參數。在進行脫膜作業時，液壓主要提供推力和拉力，位置和距離要求精確穩定，因此選擇單活塞雙作用液壓缸。

1）負載分析

設液壓油缸的工作負載為F

根據分析及推算，現暫定F=2 000 N，根據標準，可得工作壓力1=6 MPa；液壓缸的機械效率=0.95。

2）油缸內徑

液壓缸缸體的材料選為45#鋼，調制處理，活塞桿的材料選為45#鋼，調制處理。由式（10）計算可得后對數據進行圓整，并根據實際工作情況，先設計液壓缸內徑=40 mm。

3）活塞桿直徑

式中為活塞桿直徑，m；為油缸內徑，m；為速度比；1為活塞桿的回縮速度，m/min；2為活塞桿的伸出速度，m/min。

當壓力1≤10 MPa時，速度比為1.33；當壓力1在>10～20 MPa時，速度比的范圍為1.46～2；當壓力1>20 MPa時，速度比為2。本文速度比取值為1.33。根據式（12）計算，對數據進行圓整以及分析實際情況，確保運行平穩及性能可靠，現取活塞桿直徑=25 mm。

4）活塞桿強度校核

在液壓脫膜的過程中，活塞桿是液壓缸向外傳遞推力的重要零件，它承受著對刮板向下的作用力，必須有足夠強度，故按強度進行校核。

式中為材料的屈服強度；為安全系數（一般取≥1.4）。

又根據公式材料的許用應力[]=σ/，已知45號鋼的許用應力為72 MPa，最大推力2 000 N，可求得活塞桿直徑的取值范圍≥5.9 mm，而=25 mm，故活塞桿強度符合要求。

3 田間試驗及參數優化

如圖7a所示為刮板幾何形狀示意圖。分析可知刮板的幾何形狀對脫膜率有很大影響。從避免干涉和結構合理的角度分析，刮板的整體長度3應保持在合理范圍之內，即100～120 mm之間。刮板角度以及刮板與耙齒之間的距離等都是影響其工作效率的重要因素[21-26]。

注：L1、L2、L3、S1、S2、K分別表示刮板的長度尺寸；γ為脫膜夾角, (°)。

各因素之間的關系如式（14）－（17）所示。

式中為刮板與耙齒間距離，mm；為相鄰兩耙齒間距離，mm。

如圖8b刮板安裝位置示意圖，點為耙齒圓心的位置，刮板的安裝位置與耙齒上端的距離為，不同的安裝位置導致刮板向下運動時與耙齒的夾角也會不同，分析可知，脫膜夾角的大小也是影響脫膜效率的重要因素之一，即為銳角時等有利于脫膜過程的進行。由前期試驗可得，相鄰兩耙齒之間的最佳距離為120 mm，此時的殘膜回收率較高且不會壅土，即=120 mm。上述公式經化簡后可得式（18）－（20）。

通過上述分析，刮板與耙齒間距、脫膜夾角、刮板角度為影響脫膜率的重要因素。應通過試驗的方式進行分析優化，并進行驗證試驗以確定最優的結構和參數組合，使耙齒式殘膜回收機自動脫膜機構的工作性能達到最佳，以實現自動脫膜，解決耙齒式殘膜回收機的缺乏有效自脫膜機構的難題。

3.1 試驗設計

3.1.1 試驗條件及指標

本試驗地點為山東青島，時間為2016年9月-10月，前茬作物為花生，花生收獲后進行收膜試驗。花生種植方式為壟作，一壟雙行，壟高100 mm；土壤類型為沙壤土且土塊較多，表層含水率約為16%（0～50 mm）。地膜寬度1 000 mm，厚度0.008 mm。先進行收膜試驗，再進行自動脫膜試驗。試驗現場如圖8所示。

圖8 試驗現場

脫膜過程運行平穩、一次脫膜率高是衡量機構脫膜效果的指標。耙齒式殘膜回收機脫膜裝置進行脫膜后，對脫下來的殘膜進行洗凈、晾曬，并用電子稱進行稱量和數據記錄；未脫下來仍纏繞在耙齒上的殘膜由人工卸下，并進行凈、晾曬、稱量和數據記錄。用脫膜裝置脫下來的殘膜質量與殘膜的總質量的比值為機具的一次脫膜率。

式中為一次脫膜率；1為進行一次脫膜試驗后脫下的殘膜的質量，kg；2為一次脫膜試驗后未脫下的殘膜的質量，kg。

3.1.2 試驗過程與結果

在自動脫膜過程中存在很多影響一次脫膜率的非線性因素，通常需要選用二次或者更高次的模型來逼近響應，模型可采用響應面法來建立[27-30]。根據分析及經驗，刮板與耙齒間距（簡稱齒板距）、刮板角度、脫膜夾角為影響脫膜率的重要因素，為便于統一及對數據進行分析，響應面分析中將這3個因素分別用1、2、3表示，一次脫膜率作為評價指標，用表示[22-26]。

通過分析可知：齒板距1的距離對脫膜效果有影響，刮板和耙齒之間貼合的越近，脫膜的效果也好。但是在耙齒式殘膜回收機在收膜的過程中，耙齒會不可避免的產生變形，變形后再進行脫膜時，會產生回位困難的問題，所以齒板距1應在合理范圍內，即試驗時分別選為1、2、3 mm。刮板角度2的取值若過大則會導致其垂直方向的分力減小，不利于脫膜；且刮板整體高度有限制，2的取值也不能過小，故試驗時刮板角度2分別為60°、70°、80°。脫膜夾角3的理論取值范圍為（0°，90°），即為銳角；角度過大會導致脫膜效率降低，角度過小又不符合實際情況，所以試驗時脫膜夾角3的取值為50°、60°、70°。對各因素進行水平編碼如表1所示，試驗結果如表2所示。

表1 試驗因素水平

表2 試驗結果

3.1.3 試驗結果分析

應用軟件Design expert對表3中數據擬合并進行方差分析，可得回歸系數及其顯著性檢驗如表3所示。殘膜回收機自脫膜裝置脫膜率回歸方程如式（22）所示。

式中1、2、3分別為齒板距、刮板角度和脫膜夾角對應的編碼值。

如表3所示，模型的顯著性檢驗=363.37，<0.000 1，說明二次回歸方程的檢驗達到高度顯著；且失擬性檢驗=0.047，＞0.1為不顯著，說明在試驗范圍內模型的擬合性非常好，可以用此模型進行對齒板距、刮板角度、脫膜夾角這3個因素的影響效果進行分析和預測。

表3 顯著性檢驗

注：<0.01為極顯著，<0.05為顯著。

Note:<0.01 is highly significant,<0.05 is significant.

3.2 影響因素分析及參數優化

3.2.1 影響因素分析

通過表3顯著性檢驗分析可知，齒板距、刮板角度、脫膜夾角對一次脫膜率均有顯著性影響，且影響強弱次序為齒板距＞刮板角度＞脫膜夾角，其中齒板距的影響為極顯著，且13、23、12、22均為顯著。

如圖9所示為一次脫膜率的響應曲面及3D效果圖。從圖中可直觀看出，1、2、3對目標函數影響顯著。圖9a、9b、9c分別表示因素12、23、13對一次脫膜率均產生影響，綜合考慮3個因素并對其進行優化分析可得出最優參數組合。

3.2.2 參數優化

一次脫膜率是反應耙齒式殘膜回收機自動脫膜機構工作效果的重要指標，在試驗范圍內要求其值越大越好。應用Design expert的尋優功能對其進行優化，優化后的齒板距為1.32 mm、刮板角度71.34°、脫膜夾角59.05°，預測的一次脫膜率為0.966。在實際試驗過程中，齒板距大小對一次脫膜率影響較大。齒板距越小，耙齒與脫膜刮板貼合的越近，越有利于脫膜。對優化結果進行圓整，圓整后的齒板距為1.5 mm、刮板角度70°、脫膜夾角60°，仿真試驗得到的一次脫膜率為0.959。實際的工作過程中，耙齒會產生變形，即齒板距可能會小于1.5 mm。在試驗中，若間距過小導致耙齒與脫膜刮板緊緊貼合使得脫膜困難、回位困難、產生噪音等以及影響脫膜作業的順暢性，再加上田間收膜受到阻力及本身加工誤差等原因，綜合考慮軟件分析結果及田間試驗作業實際情況，現定最優組合為齒板距2 mm、刮板角度70°、脫膜夾角60°。

注：響應面試驗因素和水平表見表1，響應值見表2，下同。

4 結 論

1）耙齒式殘膜回收機的自動脫膜機構的主要部件之一為脫膜刮板，通過對“一”字型，“U”字型，“倒八字”型結構優缺點進行分析及試驗，確定“倒八字”型脫膜刮板回位精準，可保障其脫膜順暢，為最合理的順暢脫膜機構。通過分析可得，實施脫膜順暢性需滿足的條件為：殘膜在豎直方向所受合力方向為向下，刮板向下運動時與耙齒之間的夾角為鈍角。

2）液壓裝置設計為平面連桿機構形式，具體為擺動導桿機構，通過對其結構和運動軌跡的分析從理論上確定了該結構的可行性。

3）以一次脫膜率為主控目標，以耙齒刮板間距、脫膜夾角、刮板角度為影響脫膜率的重要因素進行試驗，并用Design-expert進行響應面分析。并綜合考慮軟件分析結果及試驗實際情況，影響強弱次序為齒板距＞刮板角度＞脫膜夾角，確定最優組合為齒板距2 mm、刮板角度70°、脫膜夾角60°。相比于人工卸膜，提高了工作效率，可為耙齒式殘膜回收機大規模推廣使用提供參考。

[1] 嚴昌榮，梅旭榮，何文清，等. 農用地膜殘留污染的現狀與防治[J]. 農業工程學報，2006，22(11)：269－272.

Yan Changrong, Mei Xurong, He Wenqing, et al. Present situation of residue pollution of mulching plastic film and controlling measures[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2006, 22(11): 269－272. (in Chinese with English abstract)

[2] 杜曉明，徐剛，許端平，等. 中國北方典型地區農用地膜污染現狀調查及其防治對策[J]. 農業工程學報，2005，21(增刊1)：225－227.

Du Xiaoming, Xu Gang, Xu Duanping, et al. Mulch film residue contamination in typical areas of North China and counter measures[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2005, 21(Supp.1): 225－227. (in Chinese with English abstract)

[3] 馬樹慶，王琪，郭建平，等. 東北地區玉米地膜覆蓋增溫增產效應的地域變化規律[J]. 農業工程學報，2007，23(8)：66－71.

Ma Shuqing, Wang Qi, Guo Jianping, et al. Geographical change law of effects of corn plastic mulching on increasing temperature and production in Northeast China[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2007, 23(8): 66－71. ( 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] 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)

[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] 謝建華. 壟作殘膜撿拾及卸脫裝置的研究[D]. 北京：中國農業大學，2014：79－93.

Xie Jianhua. Study on Pick-up and Unloading Device for Residual Plastic Film of Bed Planting[D]. Beijing: China Agricultural University, 2014: 79－93. (in Chinese with English abstract)

[8] 徐弘博，胡志超，吳峰，等. 殘膜回收收膜部件研析[J]. 農機化研究，2016，38(8)：242－249.

Xu Hongbo, Hu Zhichao, Wu Feng, et al. Study on the collecting component of plastic film residue collector[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2016, 38(8): 242－249. (in Chinese with English abstract)

[9] 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 Agricultural Machinery, 2006, 37(6): 36－41. (in Chinese with English abstract)

[10] 游兆延，顧峰瑋，吳峰，等. 壟作花生殘膜回收技術研究[J]. 農機化研究，2016，38(1)：207－211.

You Zhaoyan, Gu Fengwei, Wu Feng, et al. Research on ridged peanut residue plastic film recycling technology[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2016,38(1): 207－211. (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] 李斌，王吉奎，蔣蓓，等. SMS-1500型殘膜回收機的改進與起輸膜分析[J]. 農機化研究，2013，35(4)：44－47，51.

Li Bin, Wang Jikui, Jiang Bei, et al. The improvement and analysis on the picking and transporting film compoments of SMS-1500 type tlastic film collecting machine[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2013,35(4): 44－47,51. (in Chinese with English abstract)

[13] 李從權，王學農，史建新，等. 秸稈粉碎還田及殘膜回收聯合作業機械的懸掛架的有限元分析[J]. 農機化研究，2007(4)：38－40.

Li Congquan, Wang Xuenong, Shi Jianxin, et al. Finite element analysis on suspension frame of field straw chopper work with mulch film collect machine[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2007(4): 38－40. (in Chinese with English abstract)

[14] 張佳喜，陳發，王學農，等. 一種新型可自動卸膜滾刀式秸稈粉碎殘膜回收聯合作業機的研制[J]. 中國農機化，2012(1)：122－125.

Zhang Jiaxi, Chen Fa, Wang Xuenong, et al. Study on a new type of hob plastic film residue recovery machine with self-motion unloading plastic film[J]. Chinese Agricultural Mechanization, 2012(1): 122－125. (in Chinese with English abstract)

[15] 聶理君. 殘膜回收機弧形挑膜齒的應用研究[D]. 烏魯木齊：新疆大學，2006：26－27.

Nie Lijun. Researching the Application of the arc Spring-finger in Plastic Film Residue Collector[D]. Urumqi: Xinjiang University, 2006: 26－27. (in Chinese with English abstract)

[16] 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)

[17] 李明洋. 分區式殘膜回收機的設計與試驗研究[D]. 阿拉爾：塔里木大學，2015：17－30. Li Mingyang. Design and Experiment Study on Zoning of Residual Film Recycling Machine[D]. Alaer: TARIM University, 2015: 17－30. (in Chinese with English abstract)

[18] 張佳. 驅動耙殘膜回收聯合作業機的設計及試驗研究[D]. 烏魯木齊：新疆農業大學，2013：11－20.

Zhang Jia. Design and Experiment Study on Driving Target and Plastic Film Collecting Operation Machine[D]. Urumqi: Xinjiang Agricultural University, 2013: 11－20. (in Chinese with English abstract)

[19] 李剛，張林海，付宇，等. 曲柄搖桿式殘地膜撿拾機構研究[J]. 農業機械學報，2014，45(增刊1)：63－67.

Li Gang, Zhang Linhai, Fu Yu, et al. Crank-rocker mechanism for collecting plastic film[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Machinery, 2014, 45(Supp.1): 63－67. (in Chinese with English abstract)

[20] 張惠友，侯書林，那明君，等. 收膜整地多功能作業機的研究[J]. 農業工程學報，2007，23(8)：130－134.

Zhang Huiyou, Hou Shulin, Na Mingjun, et a1. Multifunctional machine for retrieving the used plastic film after harvesting and soil preparation[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2007, 23(8): 130－134. (in Chinese with English abstract)

[21] 徐愛英. 靜電式農田殘膜回收理論分析與試驗研究[D]. 阿拉爾：塔里木大學，2017.

Xu Aiying. Theoretical Analysis and Experimental Research of Electrostatic Fields Residual Film Recycling[D]. Alaer：Tarim University, 2017. (in Chinese with English abstract)

[22] 謝建華，陳學庚，孫超偉. 桿齒式殘膜回收機卸膜過程分析及高速攝像試驗[J]. 農業工程學報，2017，33(10)：17－24.

Xie Jianhua, Chen Xuegeng, Sun Chaowei. Unloading film process analysis and high-speed photography experiment of pole-tooth residual plastic film collector[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(10): 17－24. (in Chinese with English abstract)

[23] 王科杰，胡斌，羅昕，等. 殘膜回收機單組仿形摟膜機構的設計與試驗[J]. 農業工程學報，2017，33(8)：12－20.

Wang Kejie, Hu Bin, Luo Xin, et al. Design and experiment of monomer profiling raking-film mechanism of residue plastic film collector[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(8): 12－20. (in Chinese with English abstract)

[24] 徐偉. 農用殘膜回收機主要結構設計與分析研究[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業大學，2006.

Xu Wei. Design and Analysis Study on Main Working Parts of an Agricultural Used Plastic Film Collector[D]. Harbin: Harbin Institute of Technology, 2006. (in Chinese with English abstract)

[25] 明光，畢新勝，王曉東，等. 夾持輸送式殘膜撿拾機氣力脫膜機理研究[J]. 中國農機化學報，2016，37(7)：1－5.

Ming Guang, Bi Xinsheng, Wang Xiaodong, et al. Research on mechanism of air force separating residual film for grippinog residu film for gripping and delivering residual plastic film collector[J]. Journal of Chinese Agricultural Mechanization, 2016, 37(7): 1－5. (in Chinese with English abstract)

[26] 王春耀，陳發，郭小軍，等. 弧形挑膜齒殘膜清理滾筒運動分析[J]. 農業機械學報，2005，36(8)：38－44. Wang Chunyao, Chen Fa, Guo Xiaojun, et al. Analysis on the movement of arc spring-finger type plastic film residue pickup cylinder[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2005, 36(8): 38－44. (in Chinese with English abstract)

[27] 鄭文緯. 機械原理[M]. 北京：高等教育出版社，2008：77－89.

[28] 張澤志，韓春亮，李成未. 響應面法在試驗設計與優化中的應用[J]. 河南教育學院學報：自然科學版，2011，20(4)：34－37.

Zhang Zezhi, Han Chunliang, Li Chengwei. Application of response surface method in experiment and optimization[J]. Journal of Henan Institute of Education: Natural Science Edition, 2011, 20(4): 34－37. (in Chinese with English abstract)

[29] 任露泉. 試驗優化設計與分析[M]. 北京：高等教育出版社，2003：11－16.

[30] 陳魁. 試驗設計與分析[M]. 北京：清華大學出版社，1996：22－26.

Design on automatic unloading mechanism for teeth type residue plastic film collector

Shi Lili, Hu Zhichao※, Gu Fengwei, Wu Feng, Chen Youqing

(,,210014,)

With the increasing use of the agricultural plastic film, the pollution it brings is also becoming more and more serious.Therefore, design and experiment on plastic film collector of ridged peanut mean great significance to us, of course, facing huge problems. Mechanical recycling plastic film can overcome shortcomings of the great labor intensity and low efficiency using artificial picking up. However the existing plastic film recycling equipments are generally designed based on experiences and have no precise theoretical researches for components, and there are some issues including unreliable picking up performance and unloading mechanism and serious wear of working parts. This paper focuses on the lack of effective automatic removing mechanism for teeth type residue plastic film collector, and according to this situation, automatic removing and smooth returning mechanism for teeth type residue plastic film collector have been designed. Teeth type residue plastic film collector with self-motion unloading mechanism consists of frame, hydraulic shaft fixture, hydraulic fixing bracket, rake, self-motion unloading square tube, hydraulic device, and self-motion unloading scraper. The stability, reliability, and returning smoothness of the motion of the parallel 4-rod linkage mechanism are analyzed. We design a variety of different forms of squeegees to test, and at last find the best form of inverted “八” squeegee. The key part of the mechanism is focused and the stress analysis is performed. Teeth are persistently distorted when they are working. We design 3 types of squeegees including “一” squeegee, U-shaped squeegee, and inverted “八” squeegee, and at last we find the inverted “八” squeegee can ensure that teeth are put back in origin place, so it can achieve the best results. The design and innovation of the hydraulic system are also important. We choose single-rod hydraulic cyclinder of 45#steel, the size of hydraulic cyclinder diameter is 40 mm, and the size of piston rod diameter is 25 mm. We use the stress analysis on squeegee, and the movement analysis on planar linkage, and find the movement track of the squeegee at last. Based on this, the objective function and constraints are determined, and the major influencing factors of teeth type residue plastic film collector with self-motion unloading mechanism are the space between teeth and squeegee, squeegee angle, and automatic removing mechanism angle. We do experiment in Jiaozhou, Qingdao, China, the previous crop is peanut, and moisture content of soil is 16%. The experiment and response surface analysis are done for the space between teeth and squeegee, squeegee angle, and automatic removing mechanism angle. The data are then processed, and the parameters are optimized by the response surface method with Design Expert. The response surface analysis of the model shows that the effect of the 3 factors on the primary film removal rate is significant. The order of influencing factors is: The space between teeth and squeegee > squeegee angle > automatic removing mechanism angle. The machine is optimized by the function of optimization of Design Expert, the space between teeth and squeegee is 2 mm, the squeegee angle is 70°, and the automatic removing mechanism angle is 60°. Through the field test, which shows the feasibility of the optimization scheme and will provide theoretical basis for the optimization of related machines.The teeth type residue plastic film collector of ridged peanut has a good film removal effect, which meets the design requirements of plastic recyling machine.

mechanization; design; optimization; residue plastic film collector; response surface analysis; rate of automatic unloading

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.18.002

S223.5

A

1002-6819(2017)-18-0011-08

2017-01-18

2017-06-20

公益性行業（農業）科研專項“殘膜污染農田綜合治理技術方案”（201503105_08）；中國農業科學院創新工程土下果實收獲機械。

施麗莉，女（漢），安徽合肥人，助理研究員，主要從事農機化裝備研發。南京 農業部南京農業機械化研究所，210014。Email：1301706961@qq.com

胡志超，男（漢），陜西藍田人，研究員，博士，博士生導師，主要從事農作物收獲及產后加工技術與裝備研究。南京 農業部南京農業機械化研究所，210014。Email：nfzhongzi@163.com