鏈齒式耕層殘膜回收機撿拾機構設計與試驗

李 辰，白圣賀，靳 偉

(新疆農業大學 機電工程學院，烏魯木齊 830052)

0 引言

地膜覆蓋技術最早是從20世紀50年代開始應用于農業生產，因為地膜覆蓋技術可提高土壤溫度、保持土壤水分、改善土壤環境和提高糧食產量而在全世界得到了廣泛的推廣應用[1-5]。由于地膜的優良特性，農民大量地使用地膜，最終導致了土地的一系列問題，殘膜的處理也變得十分重要。早從20世紀70年代初，我國就已經開始試驗并且開始推廣地膜覆蓋技術，由于這些地膜技術的推廣，應用覆膜技術種植的作物品種也越來越多，因此地膜的使用率得到了較大的提高。

雖然地膜覆蓋技術極大地促進了農業的快速發展，但使用過的地膜不能及時、有效地得到回收，并且難于分解，長期埋在土壤里，致使大面積的耕地遭到嚴重地破壞，甚至在許多地區形成了“白色污染”。根據目前的國情來看，人工撿拾效率低并且勞動成本高，加上技術缺乏，塑料地膜很難被可降解地膜在短時間代替。針對上述問題,設計了一種鏈齒式耕層殘膜回收機，其工作可靠、效率高，成本低，符合基本國情，可促進農業的發展[6-8]。

1 整體結構與工作原理

1.1 整機結構

鏈齒式殘膜回收機主要由起膜裝置、機架、撿拾裝置、集膜裝置及卸膜裝置等組成，如圖1所示。該機主要采用以拖拉機直接牽引機具方式，對地表以下150mm左右的殘膜進行回收，可以減輕殘膜回收的勞動量，提高勞動生產率。

1.傳動系統 2.起土鏟 3.撿拾裝置 4.抖動裝置 5.機架 6.集膜箱 7.卸膜輥

1.2 工作原理

該機具的工作原理為：整個機具是由牽引架與拖拉機連接，拖拉機后動力輸出軸與減速箱的輸入軸相連接，在拖拉機的牽引作用下向前行進。行進過程中，起膜裝置將殘膜和土壤一并鏟起到撿拾裝置上，工作幅寬800mm，可對耕層150mm以內的殘膜進行回收撿拾；撿拾裝置采用鏈傳動的方式，把土壤和殘膜向上輸送到卸膜裝置，同時鏈桿上的彈齒把殘膜進行撿拾，撿拾率可以達到80%以上；抖動裝置采用抖動的方式把鏈桿上的土壤抖動下去，將土壤和殘膜分離，提高殘膜的干凈率；卸膜裝置采用刷的方式，把彈齒上的殘膜刷下來；集膜箱將卸膜輥刷下來的殘膜進行收集，在拖拉機的不斷行進的過程中，機構不斷重復這個過程，實現地表殘膜連續回收，防止污染環境。

2 鏈齒式撿拾機構的設計與分析

2.1 撿拾機構的設計

撿拾部件主要由彈齒、鏈桿、鏈輪、傳動鏈及抖動裝置等組成[9]，如圖2所示。工作時，主要把由起膜裝置回收到地表上的殘膜進行撿拾，撿拾裝置上的鏈桿安裝有彈齒，通過彈齒對殘膜進行撿拾。為了提高膜土分離率，在撿拾裝置上安裝了抖動裝置，如圖3所示。

1.托輥 2.鏈傳動 3.U型扣4.彈齒 5.鏈桿 6.鏈輪 7.套筒

圖3 抖動裝置Fig.3 Dithering device

2.2 撿拾機構的運動分析

鏈齒主要由多排固定在輸送鏈條上的齒桿組成。動力經鏈輪帶動輸送鏈條運動，固定鏈條上的齒桿也隨之運動。鏈齒的主要作用有3方面：一是通過鏈齒上的起膜彈齒將土中的殘膜挑起；二是通過鏈齒將撿拾的殘膜在可靠不漏膜的情況下運輸到土膜分離裝置處；三是通過與抖動裝置相配合，在重力作用下，實現運輸過程中部分土塊抖動分離。鏈齒與地面成一定傾角θ2,其組成結構如圖4所示。

圖4 鏈齒式運動結構Fig.4 Kinematic structure of chain tooth

齒尖在土中移動的長度L為

(1)

彈齒的運動軌跡為

(2)

式中R—彈齒頂端到托輥中心的距離(mm)；

h—下端支撐輪中心到鏈條外緣垂直距離(mm)；

θ1—鏈齒耙與地面夾角(°)；

θ2—為彈齒桿與地面夾角(°)；

H-下端支撐輪離地高度(mm)；

v—機構前進速度(m/s)；

ω-彈齒的轉速(m/s)。

由公式可知：彈齒入土的階段是作業階段，彈齒土中移動距離越長，作業階段所占時間越多,則彈齒拾膜效率越高，漏膜也就越少；但以上參數過高，會導致零部件強度不夠，出現殘膜被撕裂等問題，反而影響拾膜效果[10]。

2.3 撿膜齒頂端相對運動軌跡

有效撿拾面為當彈齒挑起殘膜時，可以全部作用到由起膜鏟鏟起的土壤和殘膜里面。如果要想保證膜不遺漏，只有當前一排彈齒頂端經過有效撿拾面離開臨界點B時，下一排彈齒頂端至少應該進入該臨界點。如圖5所示[11]。以托輥中心為坐標原點，撿拾齒頂端相對運動軌跡方程為

(3)

圖5 撿膜齒相對運動軌跡Fig.5 Colds and plstic on the spade up membrane surface stress anlysis

由圖5可知

h=R(1-cosθ)
2Rsinθ=OA

(4)

保障作業時不出現地表漏撿應滿足的條件為

2Rsinθ≥v(t1-t2)

(5)

當半徑R轉過角度2θ時，所需的時間為t1=2θ/ω。同樣，彈齒從入土到出土所用的時間也為t1，若設同一圓周上彈齒的排數為k，那么可以推出相鄰兩排彈齒之間的夾角β=2π/kω；當下一排彈齒經歷工作區轉過角β，而后一排彈齒的頂端位處于D點，所用的時間是t2=2π/k[10]。將t1t2帶入求解得

(6)

從而

(7)

經整理，解得

(8)

式中v—工作速度(m/s)；

t—D到A點的運動時間(s)；

R—彈齒頂端的轉動半徑(mm)；

ω—彈齒繞O點旋轉的角速度(rad/s)；

h—彈齒入土深度(mm)；

θ—彈齒入土傾角(°)；

k—鏈齒圓周上的彈齒排數。

根據上述公式，當確定了機組的工作速度、彈齒的轉動半徑、彈齒入土深度、傾角、圓周上的彈齒排數這些因素，便能求出相對應的彈齒旋轉角速度，從而保證在工作過程中殘膜不漏撿。

因耕層殘膜回收機的工作要求，確定機具作業速度選取2～3km/h。為了滿足關系式，得出撿拾轉速為30r/min，撿拾齒入土深度為120mm，撿拾齒軸向間距為35mm，撿拾齒的周向間距為135mm。

2.4 彈齒的配置形式

新疆是全國最大的棉花產區，并且全部應用地膜覆蓋，因此殘膜污染比較嚴重，是亟需解決的突出問題。彈齒的排列方式與撿拾效果有很大的關系，間距過大，容易導致漏膜；間距過小，導致壅土量大和膜土不易分離。撿拾齒分布如圖6所示，周向平均分布17組，撿拾齒共有255個。

圖6 撿拾齒布圖Fig.6 picking up gear layout

工作時，主轉動軸通過皮帶傳動，主轉動軸上的鏈輪帶動主動鏈，從而帶動鏈桿運動；撿拾齒分布在兩個鏈桿上，一端與鏈桿上的套筒焊接固聯，而套筒在鏈桿上，鏈桿兩端用U型扣將其固定，周向不能滑移從而進行周向運動，另一端靠其支撐。田間試驗表明：撿膜齒的數量不宜過多也不宜太少：若周向布置撿膜齒的數量太少，地膜可能會滑落，不易被撿拾齒挑起；若周向布置撿膜齒過多，挑膜時容易將地膜撕碎，滑落、飄落到土壤里，造成二次污染，且地膜不易被卸下，地膜不連續，對地膜回收利用較困難。挑膜齒其材料為45鋼，經熱處理，其硬度和耐磨性都比較好，滿足工作需求。

3 撿拾裝置結構因素的優化試驗

3.1 試驗方法

優化機具結構因素試驗[12]的地點選在阿克蘇六團棉田地里，每次試驗選取同一塊試驗地，然后隨機選取5個試驗測量區，并且測量區統一規定大小(長度2m，寬度0.8m)，將收集的殘膜先進行洗凈、曬干，再稱重記錄試驗結果。

3.2 試驗因素與水平

根據自動卸膜式殘膜回收機的工作原理、整體結構、關鍵工作部件撿拾裝置的設計與分析、田間預試驗的結果，可以初步確定試驗因素，如表1所示。

表1 試驗因素水平Table 1 Level of test factors

試驗過程中機具前進的速度為2.5km/h，影響撿拾率的試驗因素為撿拾轉速n、入土深度h、撿拾齒軸向間距g及撿拾齒周向間距p。

圖7為阿克蘇6團棉田的試驗照片。由田間試驗可看出：該殘膜回收機對小塊殘膜的撿拾率較高，撿拾裝置上的撿拾齒也不會夾雜大量地土塊；殘膜回收箱中基本沒有土塊，收集到集膜箱中的殘膜較干凈，便于后續的裝袋、回收處理，降低了殘膜回收的難度。

圖7 試驗照片Fig.7 Test photos

3.3 撿拾率正交試驗與方差分析

為確定各因素對殘膜回收機撿拾率影響的主次關系及撿拾率最高時各因素水平的最優組合，設計了一個撿拾率正交試驗，并將結果記錄下來，如表2所示。由表2可知：撿拾率正交試驗結果最大值為88%，滿足地膜撿拾機的設計指標要求；當撿拾轉速為30r/min、撿拾齒入土深度120mm左右、撿拾齒軸向間距為35mm左右、撿拾齒的周向間距為135mm時，撿膜率最高。方差分析如表3所示。

表2 撿拾率正交試驗結果Table 2 Orthogonal test results of pickup rate

表3 撿拾率方差分析Table 3 Variance Analysis of pickup rate

查F分位數表可知，F0.75(4，4)=2.06。由表3可以看出：滾筒轉速和撿拾齒入土的深度對試驗有顯著影響；撿拾齒軸向間距、周向個數對試驗影響很大。由F值得出各因素對試驗影響程度排序為：g>p>h>n。

4 結論

在進行試驗的過程中，選取的地膜標準為寬度800mm、厚度0.010mm，選用地面平整地面作為試驗地。試驗結果表明:當機具前進速度為2～3km/h且起膜鏟傾角保持在30°～40°之間時，可將耕層以上120mm殘膜一并鏟起，拾膜率為88%。