玉米大壟雙行種植模式下殘膜回收機的結構設計與研究

許光明 王浩宇 牛云鵬 于振華 許正余

（吉林省農業機械研究院，吉林 長春 130000）

1 殘留地膜的危害

“大壟雙行膜下滴灌”作為一種成熟的種植模式，已經在干旱少雨地區得到了大面積推廣，僅吉林省已經推廣了66.7萬hm2。極大促進了糧食增產，農民增收，調動農民的生產積極性。在增產增收的同時，由于大量地膜的不能被完整的回收，造成了嚴重的環境污染問題。據估算，按4kg/667m2計算，保守估計，光是吉林省推廣的66.7萬hm2，地膜殘留就達到了4000萬kg，地膜殘留危害很大，殘膜碎片影響了土壤對外界水分養分的吸收，阻礙了土壤與外界的空氣交換，使土壤中的微生物難以存活，破壞了土壤中的團粒結構，最終使土壤板結。殘膜污染嚴重的地方會造成土地的鹽堿化，使農作物難以生長。由于殘膜影響作物根系的生長，阻礙作物對水分和養分的吸收，使作物的產量下降。有資料表明：連續3a殘膜沒有清理的地塊，小麥產量下降2%～3%；玉米產量下降10%左右；棉花產量下降10%～15%。

2 國內外殘膜回收機發展現狀

2.1 國外的地膜回收機發展現狀

目前發達國家主要采用2種方式：使用光降解膜、生物降解膜、植物纖維降解膜：使用厚度大，抗拉強度大、耐老化的薄膜，一般能用2～3a。利于機械回收，所以國外的殘膜回收機結構比較簡單。

2.2 國內的殘膜回收機發展現狀及存在的問題

自20世紀90年代以來，國內科研機構開發成功了20余種型號的殘膜回收機。主要有以下幾種形式：伸縮桿撿拾滾筒式、彈齒式拾膜方式、鏟式起茬方式、滅茬收膜一體作業機。

現有殘膜回收機有的回收率低，有的結構過于復雜，有的能耗過大不經濟，有的分離效果不好，有的受地域、種植品種、種植模式限制，都有一定的局限性。

因此急需開發一款適合東北壟作玉米“大壟雙行”種植模式下殘膜回收機。

3 整體設計方案

機具總體方案的設計基于殘膜特性分析、調研、了解國內現有殘膜回收機基本性能和參數基礎上，針對國內現有機具的優缺點，吸取有關殘膜回收機具的使用經驗，結合吉林省實際而確定如下設計方案。

針對玉米茬的特點，起膜部分采用鏟刀式結構，單由1個整體鏟變成2個分體的鏟，角度可調。

中部輸送改為1層鏈板輸送結構，減少小塊殘膜在輸送過程中掉落。

增加了分離滾筒結構，實現根茬、殘膜與泥土分離。

圖1 殘膜回收機結構簡圖

后部設有集膜茬箱，收集從滾筒分離出來的根茬和殘膜。

前后設有4個行走限深輪，都能自由調節高度。

與拖拉機連接采用懸掛式，動力來源于拖拉機動力輸出軸。

4 關鍵結構設計

4.1 起膜鏟的設計

殘膜回收率的高低關鍵取決于起膜鏟能不能把地表和埋在地里的膜鏟起，起膜鏟的設計很關鍵。經過理論計算和試驗分析，確定了鏟刀結構和主要參數。

4.1.1 切土角τ，碎土角α的確定

圖2 鏟刀入土角度示意圖ι刃角 τ切土角 Δα隙角

由圖2可知，τ=i+Δα，刃角i為刀板底刃的磨角。i角越小，切斷能力越強。但刃角太小時，刃口太薄，易磨鈍，切削強度差，易殘缺，考慮到鏟斷作物根系和中耕部件除草鏟角度，i角取值20～25°。隙角Δα是刀板的切土隙角，Δα過小，直接影響鏟刀的入土性能，特別是刃口磨鈍后不易入土，經過試驗，Δα取值范圍為7～10°。則τ=i+Δα=27～35°。

碎土角α越大，越有利于殘膜、根茬與土壤的分離。但是α過大會使牽引阻力明顯增大。另外，覆膜地區大都干旱少雨，土壤以砂質土為主，對α角碎土作用要求較低，經過試驗，對于玉米茬地α角選為20～35°。又因為當τ=α時，鏟刀作業效果好，所以經過試驗確定 τ=25，α=25。

4.1.2 起膜鏟性能參數試驗

試驗目的是驗證理論上確定的鏟刀能否滿足起膜、起茬要求，并且使牽引力較小，以及碎土角α，起土角η，推土角γ對牽引阻力的影響。根據理論分析結果，設計加工8片鏟刀，各參數是在理論分析基礎上確定的，對取值范圍進行不同的組合，進行起膜、起茬性能做對比試驗。

表1 鏟刀角度參數數據表

試驗用40馬力拖拉機為動力，耕作速度為5km/h，壟側入土深度為100mm，對8片鏟刀在同一片試驗田進行試驗，效果如表2。

表2 鏟刀入土試驗數據表

從1～6組試驗數據來看，碎土角α決定著鏟刀的入土性能，進而影響牽引力的大小,在保證刃口不易被磨鈍，避免切土隙角Δα過小，不易入土情況下，α取25°作業效果最佳。

4.2 殘膜回收機分離滾筒結構設計

滾筒是整個機具的核心工作部件，它承擔著膜根茬與土分離和輸送到集膜箱的工序，所以滾筒設計十分關鍵。參照國標關于分離滾筒的設計要求和回收地域的實際情況，分離滾筒設計為錐形結構。由進料口、滾筒篩網、出料口焊接而成。

4.2.1 滾筒的錐度確定

α—滾筒的傾斜角

ω—滾筒的角速度

μ—殘膜對滾筒的摩察系數

4.2.2 滾筒的入口半徑確定

根據公式H=R+Rsinα

α—滾筒的傾斜角

H—物料升起高度

R—殘膜進口半徑

確定滾筒半徑，入口半徑為450mm，C出口半徑為500mm。

滾筒長度為830mm,篩網采用軸向均布與滾筒和出口焊接在一起。經過實驗研究，將滾筒在360圓周均布53跟圓鋼，如圖3所示。后經過田間試驗，設計比較合理，達到了設計要求。環出口焊接節距為25.4的12B型鏈條。利用鏈條與齒輪減速器的輸出軸上的鏈輪嚙合實現滾筒的滾動。

圖3 收膜滾筒結構圖1.滾筒進口；2.滾筒篩網；3.滾筒出口

4.2.3 滾筒的轉數確定

根據公式n＝30/R1/2

n——滾筒的轉數；

R——殘膜進口半徑；

確定滾筒轉數為70轉/min。

5 整機試驗

5.1 表層拾凈率測定

圖4 表層拾凈率測定數據表

從圖4可以看出，作業前殘膜重量在80～90g之間，作業后殘膜重量在10～20g之間。所以反應出機具作業比較平穩，收凈率比較穩定。

J=(1-W/W0)×100=（1-13.99/70.99）×100=80.3%

5.2 深層拾凈率測定

圖5 深層拾凈率測定數據表

從圖5可以看出，作業前殘膜重量在70～90g之間，作業后殘留殘膜重量在8～20g之間。所以反應出機具作業也是比較平穩，收凈率也比較穩定。

J=(1-W/W0)×100=（1-18.66/64.12）×100=70.9%

6 研究結論

經過設計、加工、試驗，這是一種專門針對玉米“大壟雙行”種植模式的殘膜回收機，生產成本低；以拖拉機為動力，動力來源廣泛；結構合理，可靠、調整、維護方便；回收效率高，性價比高，達到了設計要求。