鋸齒滾扎式殘膜回收機設計與試驗*

朱承科，李鋒霞，張佳

(1. 新疆生產建設兵團興新職業技術學院，烏魯木齊市，830074； 2. 新疆工程學院機電工程學院，烏魯木齊市，830023)

0 引言

2020年，新疆地區棉花種植面積約2 502 khm2，占全國棉花種植面積的76%左右[1]，由于新疆地區大部分氣候干旱，晝夜溫差大，在棉花種植時，通常使用地膜覆蓋播種，可以有效提高棉花產量。但常年地膜覆蓋如果未能及時清理，極易造成環境污染并且破壞土壤性能，影響棉花正常生長。

目前，有效解決新疆地區棉田殘膜污染主要有兩種方式，一是機械化回收殘膜，二是采用可降解膜覆蓋種植，可降解膜由于成本較高目前未能推廣使用[2]。機械化回收殘膜技術應用廣泛，近些年國內多家科研院所先后研制多種類型的殘膜回收機，根據殘膜回收機的結構原理不同主要分為氣吸式殘膜回收機、彈齒式殘膜回收機、鏈齒式殘膜回收機、伸縮桿式殘膜回收機以及多功能聯合作業機等[3]，如寧夏某公司研制的一種氣吸式伸縮齒殘膜回收機[4]，主要包括起膜裝置、取膜裝置、收膜裝置和動力傳動裝置，取膜裝置為滾筒式取膜裝置，取膜裝置通過取膜滾筒旋轉，將起膜裝置拋出地表的殘膜刮離地面，收膜裝置包括吸風機和收膜箱，吸風機將刮離地面的殘膜吸至收膜箱內；山東省農業機械研究院以及新疆農墾科學院機械裝備研究所共同研制了一種彈齒式殘膜回收機并進行改進[5]，在殘膜回收機前方增加起膜機構，并改進了撿膜機構的結構，殘膜回收率最高可達為91.4%；新疆農業大學研制了一種鏈齒耙式耕層殘膜回收機，主要包括起膜鏟、起膜彈齒及鏈齒耙以及行走輪，通過拖拉機懸掛，完成起膜鏟鏟膜、彈齒挑膜及殘膜輸送作業，殘膜回收率大于90%；甘肅農業大學研制出一種伸縮桿式殘膜回收機[6]，主要包括撿拾機構、行走機構以及機模機構，撿拾機構主要包括傳動輪、偏心軸以及伸縮桿等，該殘膜回收機結構較為簡單，結構可靠；石河子大學研制出一種4JSM-2000B型殘膜回收機棉稈粉碎裝置，主要包括撿拾機構、卸膜機構、棉稈粉碎裝置、螺旋輸送機構及機架，可一次完成棉桿粉碎以及殘膜回收作業，棉稈粉碎合格率為90.2%，以上類型的殘膜回收機都可以有效地完成殘膜回收作業，但目前還存在可靠性不高、含雜率較高的問題，不利于后期的殘膜回收再利用。

針對于現有殘膜回收機回收殘膜含雜率較高的問題，結合棉田殘膜回收農藝要求，設計一種鋸齒滾扎式殘膜回收機，可一次性完成扎膜、集膜以及土壤平整作業，可靠性高，含雜率較低，具有一定推廣應用前景。

1 整機結構和工作原理

1.1 整機結構及性能參數

鋸齒滾扎式殘膜回收機主要由驅動耙、鋸齒扎膜機構、脫模機構、鎮壓輥、輔助行走輪、集膜箱、懸掛架以及傳動系統組成，整機結構如圖1所示。其中驅動耙與懸掛架連接，驅動耙主要由機架、傳動機構以及若干個耙齒組成；扎膜機構與脫模機構安裝在驅動耙后方，扎膜機構的動力由驅動耙上方的動力輸入端提供，鎮壓輥主要由輥筒以及輥筒上的鎮壓齒構成，輔助行走輪通過其連接的液壓缸調節其升降高度。鋸齒滾扎式殘膜回收機的作業參數如表1所示。

圖1 鋸齒滾扎式殘膜回收機的結構簡圖 Fig. 1 Structure diagram of the sawtooth rolling type residual film recovery machine1.驅動耙 2.鋸齒扎膜機構 3.脫模機構 4.鎮壓輥

表1 殘膜回收機作業參數Tab. 1 Operating parameters of plastic film recovery machine

1.2 工作原理

該殘膜回收機由55 kW以上拖拉機懸掛，殘膜回收機上的動力輸入端與拖拉機動力輸出軸通過聯軸器連接，殘膜回收作業時，殘膜回收機以一定速度勻速前進，驅動耙的耙齒旋轉將田中的土塊進行破碎，扎膜機構的扎膜盤下方的圓周線速度與拖拉機前行方向相同，由扎膜盤上的鋸齒將田中100 mm深度內的殘膜扎起，脫模機構的脫模盤與扎膜盤轉向相反，將殘膜從扎膜盤中的鋸齒上脫離下來進入集膜箱，完成殘膜回收作業。

此外，后方的鎮壓輥將土壤平整，當完成田中殘膜回收作業后，操作拖拉機將懸掛架升起，同時控制輔助行走輪連接的液壓缸，將輔助行走輪推起，鎮壓輥懸空，由輔助行走輪支撐行走。由于在鋸齒扎膜機構前方設置有驅動耙，驅動耙的耙齒將土壤松土破碎，以及將土壤中的殘膜翻轉起來，可提高殘膜回收效率，并且降低鋸齒扎膜機構的鋸齒的損傷。

2 主要部件的設計與分析

2.1 鋸齒扎膜機構

如圖2所示，鋸齒扎膜機構是影響殘膜回收效果的主要機構，根據新疆春季田間土壤環境以及殘膜留存特點，本設計采用一種新型的鋸齒扎膜機構，鋸齒扎膜機構主要由扎膜盤、驅動軸以及輥筒組成，輥筒與驅動軸同心安裝，輥筒上軸向等間距安裝多個扎膜盤，扎膜盤外圓面上圓周等分設置有多個鋸齒，通過傳動系統將動力傳遞給驅動軸端部的鏈輪，從而帶動扎膜盤旋轉，具有含雜率低的特點。其中，輥筒直徑為150 mm，扎膜盤上圓周等分設置有24個鋸齒，鋸齒夾角為20°，鋸齒的齒頂圓直徑為600 mm，鋸齒的齒根圓直徑為350 mm，鋸齒的齒頂和齒根之間的距離為125 mm。

圖2 鋸齒扎膜機構的結構簡圖

2.1.1 鋸齒扎膜機構的運動分析

殘膜回收作業時，扎膜盤的下方的圓周線速度與前行方向相同，如圖3所示，殘膜回收機以勻速v1速度前進，前進方向為x軸正方向，輥筒以角速度ω勻速旋轉。

以鋸齒扎膜機構某一鋸齒的頂尖為研究對象，設鋸齒扎膜機構輥筒的軸心O點為坐標原點，此時鋸齒的頂尖初始進入土壤點P點，經時間t后，達到底部P1點，再經時間t后，輥筒的軸心到達O2點，鋸齒的頂尖到達出土點P2點，鋸齒頂尖的運動軌跡為L[7]。

圖3 鋸齒頂尖的運動軌跡

從圖3可以看出，OP=O1P1=O2P2=R，鋸齒的頂尖從P點到P1的運動方程

(1)

式中：v1——殘膜回收機的作業速度，m/s；

ω——鋸齒扎膜機構角速度，rad/s；

R——鋸齒的頂尖的旋轉半徑，m。

由式(1)可得，鋸齒的頂尖的運動軌跡與回收機速度v1、鋸齒的頂尖的回轉半徑R、以及鋸齒扎膜機構的旋轉角速度ω有關，由式(1)對t求一階、二階倒數可得出鋸齒的頂尖的速度以及加速度方程。

(2)

(3)

通過式(2)和式(3)可得鋸齒頂尖的線速度v合1以及加速度a合1。

(4)

(5)

同理，可知鋸齒的頂尖從P1點到P2的運動方程

(6)

同理可計算出鋸齒的頂尖從P1點到P2的線速度v合2以及加速度a合2。

(7)

(8)

式中：vx、vy——鋸齒的頂尖在X軸、Y軸方向的速度，m/s；

ax、ay——鋸齒的頂尖在X軸、Y軸方向的加速度，m/s2；

v合1、v合2——鋸齒的頂尖在P點到P1以及P1點到P2點的線速度，m/s；

a合1、a合2——鋸齒的頂尖在P點到P1以及P1點到P2點加速度，m/s2。

通過以上對鋸齒扎膜機構的運動分析得出鋸齒的頂尖的運動軌跡方程，確定了鋸齒頂尖從P點到P1以及P1點到P2點線速度v合1、v合2，加速度a合1、a合2，為確定鋸齒扎膜機構的轉速提供設計依據。

2.1.2 殘膜不漏扎的條件分析

要想鋸齒扎膜機構在工作中將殘膜完全扎撿，一方面要求鋸齒能夠扎到足夠的深度，另一方面，要求相鄰鋸齒中第一個鋸齒離開土壤之前，第二個鋸齒進入土壤，如圖4所示，當第一個鋸齒離開土壤B1點，第二個鋸齒進入土壤D1點，即B1點與D1點重合時，形成連續扎膜作業，即臨界公式滿足[8]

C1C2=2Rsinθ

(9)

由圖4可知

C1C2=v1(t2-t1)

(10)

新疆地區棉田殘膜主要在集中在土壤15 cm深度以內，由于驅動耙將20 cm內的土壤破碎以及殘膜翻起，殘膜基本集中在土壤深度100 mm以內，由圖4可以看出，要想將土壤中的殘膜扎起，須滿足以下條件

2Rsinθ>v1(t2-t1)

(11)

扎膜機構鋸齒從入土至出土時間為t1，此時扎膜機構轉過角度為2θ，因此，t1=2θ/ω，設扎膜機構上有z個鋸齒，相鄰鋸齒間的夾角為2π/z，相鄰鋸齒進入土壤的所需時間為2π/zω，圖4分析可以看出，相鄰鋸齒進入土壤的所需時間即(t2-t1)，將(t2-t1)代入式(11)得

(12)

由圖4分析可知

(13)

整理可得

(14)

式中：t1——某一鋸齒的頂尖從進入土壤至出土壤的時間，s；

t2——相鄰兩鋸齒的頂尖相繼進入土壤的時間，s；

θ——鋸齒從入土至最深處扎膜機構轉過的角度，(°)；

H——鋸齒的入土深度，m。

根據本設計扎膜機構的結構尺寸數據，鋸齒回轉半徑R=0.6 m，入土深度為H=0.1 m，扎膜盤上鋸齒有24個，殘膜回收機的作業速度v1為5～8 km/h；根據圖4分析，鋸齒從入土至最深處扎膜機構轉過的角度(初始相位角)θ為56.44°，通過式(14)計算可得ω>5 rad/s，即扎膜機構輥筒的轉速n>48 r/min。經理論分析以及實際作業情況，扎膜機構輥筒轉速確定為60 r/min。

圖4 相鄰鋸齒頂尖的運動分析

此外，殘膜不漏渣的條件還與扎膜機構扎膜盤軸向間距有關。在棉田當中，殘膜成不規則片狀結構，殘膜的面積大小普遍在30～100 mm2范圍內，即扎膜機構扎膜盤軸向間距為不能大于100 mm。理論上分析可得出，扎膜機構扎膜盤軸向間距越小，扎膜效果越好，但扎膜機構扎膜盤軸向間距越小，扎膜機構的可靠性越低且回收殘膜含雜率越高，綜合考慮，扎膜機構扎膜盤軸向間距為40～60 mm為宜。

2.2 脫模機構

脫模機構主要完成對扎膜機構上回收的殘膜進行卸膜作業，將扎膜機構上的殘膜脫下送入集膜箱。脫模機構主要包括傳動軸以及圓周等分安裝在傳動軸上的4排梳齒，具體結構如圖5所示。其中，傳動軸直徑為50 mm，梳齒長度為450 mm，寬度為20 mm，相鄰兩梳齒之間的距離為30 mm。

圖5 脫膜機構結構示意圖

工作時，脫模機構的轉向與扎膜機構轉向相反，已知鋸齒有24排，要想將鋸齒上的殘膜全部卸下，脫模機構的轉速應大于扎膜機構的轉速，脫模機構的轉速與扎膜機構的轉速之比應大于4∶24，根據試驗情況，脫模機構轉速為380 r/min；為了進一步提升脫模效果，在梳齒端部設置一定前傾角，更有利于脫模。

3 扎膜機構的試驗

3.1 試驗條件

試驗于2019年4月在昌吉州瑪納斯縣試驗田進行，試驗田地勢平坦，已進行平整作業。土壤類型為沙壤土，土壤堅實度的均值為2.72 kPa，土壤含水率為19.1%；試驗田中地膜為聚乙烯地膜，試驗田中殘膜厚度為0.005 mm，殘膜形狀不規則，殘膜普遍面積大小為30～100 mm2，留存土壤中的時間至少1年以上。拖拉機輸出軸轉速為540 r/min，試驗儀器主要有：米尺，電子秤、轉速儀、鐵鍬以及秒表等。

3.2 試驗方案

3.2.1 試驗指標

試驗指標：殘膜扎取率η。

為了驗證滾扎式殘膜回收機的作業性能，以殘膜扎取率η為試驗指標，即扎取后殘膜質量與扎取后的殘膜質量以及田中未被扎起的質量之和的比值[9]。

(15)

式中：M1——集膜箱中殘膜重量，g；

M2——田中未被扎起的殘膜質量，g。

3.2.2 試驗因素

通過上述對扎膜機構的結構以及運動分析，對殘膜扎取率影響較大的主要因素為殘膜回收機的作業速度v1、扎膜機構輥筒轉速n以及扎膜機構扎膜盤軸向間距l。因此將它們作為試驗因素，因素編碼表如表2所示。

表2 扎膜機構試驗因素編碼表Tab. 2 Factor code table of film binding mechanism test

3.2.3 試驗過程

根據國家標準GB/T 25412—2010《殘膜回收機》中殘膜回收機試驗方法規定，對鋸齒滾扎式殘膜回收機進行試驗，選取試驗田中面積38 m2(寬1.9 m，長20 m)的場地進行試驗，試驗結束后，將殘膜回收機集膜箱中的殘膜取出，洗凈、晾干稱重，用電子秤測出殘膜重量M1，然后人工用鐵鍬將試驗田中10 cm左右內的土壤翻起，拾取殘膜并將其洗凈、晾干稱重，用電子秤測出殘膜重量M2，通過式(15)可算出殘膜扎取率η。

3.3 試驗結果與分析

為了探究殘膜回收機殘膜扎取率η，采用正交試驗三水平四因素的正交表L9(34)來安排試驗[10-11]，試驗數據為每一種組合重復3次試驗，并求其平均值取值得到，具體試驗方案和試驗結果見表3，結果方差分析見表4。

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

表4 試驗結果方差分析Tab. 4 Variance analysis of orthogonal test

3.3.1 測定值與極差分析

試驗過程中樣機運行穩定，具有一定可靠性，扎取率試驗結果表明當殘膜回收機作業速度為5 km/h、扎膜機構輥筒轉速為60 r/min以及扎膜盤軸向間距為50 mm時，殘膜扎取率為93.3%，滿足殘膜回收機殘膜回收率(≥80%)的設計要求[12]。

扎膜機構扎取率試驗結果以及極差分析如表3所示，影響扎膜機構扎取率的因素為B>C>A，即輥筒轉速>扎膜盤軸向間距>回收機作業速度，試驗結果其最優水平組合為B2A1C2。

3.3.2 方差分析

殘膜扎取率η方差分析如表4所示，在顯著性水平0.1上，FA=2.541F臨，FC=22.737>F臨，所以因素B(輥筒轉速)以及因素C(扎膜盤軸向間距)對試驗指標殘膜扎取率具有顯著性，因素A(殘膜回收機作業速度)對試驗指標殘膜扎取率沒有顯著性，通過分析可以看出，各因素對殘膜扎取率的影響與極差分析結果一致。

4 結論

1) 設計一種可依次完成松土、扎膜、集膜以及土壤平整作業的鋸齒滾扎式殘膜回收機，介紹鋸齒滾扎式殘膜回收機的主要技術參數：配套動力為55 kW、作業幅寬為1 900 mm以及收膜深度為100 mm，建立殘膜回收機的三維模型，確定扎膜機構以及脫模機構的設計參數。

2) 介紹殘膜回收機關鍵部件扎膜機構的結構，并對扎膜機構的鋸齒進行運動分析，得到鋸齒頂尖的運動方程，進一步確定扎膜機構不漏扎的條件為：扎膜機構輥筒轉速不小于60 r/min。

3) 對鋸齒滾扎式殘膜回收機進行樣機試驗，試驗結果表明，影響殘膜扎取率的因素為因素B(輥筒轉速)>因素C(扎膜盤軸向間距)>因素A(殘膜回收機作業速度)，其最優水平組合為輥筒轉速為60 r/min、扎膜盤軸向間距為50 mm、殘膜回收機作業速度為5 km/h，試驗結果中，最高殘膜回收率為93.3%，滿足殘膜回收機殘膜回收率(≥80%)的設計要求。