一種膜雜分離式殘膜回收機(jī)關(guān)鍵零部件的設(shè)計

明 光

（武威職業(yè)學(xué)院，甘肅 武威 733000）

地膜覆蓋種植技術(shù)是一種改善和優(yōu)化作物生長環(huán)境，克服不良條件影響，取得早熟、高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)和高效等效果的先進(jìn)農(nóng)業(yè)種植技術(shù)。該技術(shù)不僅可增加有效積溫，延長作物的生長期，而且可以起到抑制雜草生長的作用；同時還可以有效利用土地資源和水資源，起到增溫保墑的效果[1-8]。因此，地膜覆蓋技術(shù)對發(fā)展我國的農(nóng)業(yè)，尤其是西北干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)有著重要的戰(zhàn)略意義。但由于需連年鋪膜，且使用過的地膜未能及時有效回收，對農(nóng)田土壤造成了嚴(yán)重的 “白色污染” ，導(dǎo)致農(nóng)作物產(chǎn)量連年下降，因此，地膜回收技術(shù)成為農(nóng)業(yè)領(lǐng)域亟需研究的一大重要課題。

目前，國內(nèi)已經(jīng)研制出多種類型殘膜回收機(jī)，從市場及參考文獻(xiàn)來看，迄今現(xiàn)有的殘膜回收機(jī)械在地膜回收方面各有其優(yōu)點(diǎn)與不足。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，影響各類機(jī)具作業(yè)的一大關(guān)鍵問題在于田間作業(yè)環(huán)境比較復(fù)雜，地面雜物種類多種多樣，很難使各類收膜部件直接發(fā)揮作用[9-24]。且殘膜回收過程中殘膜與雜物難以分離，使得已回收后的殘膜含雜量較多，難以再次利用。

另外，由于現(xiàn)有的農(nóng)用地膜非常的薄，厚度只有0.006～0.008 mm，雖然有些地方要求地膜厚度不低于0.01 mm，但使用一定時間后，回收時抗拉強(qiáng)度下降，極易破碎。而現(xiàn)有地膜回收機(jī)在回收地膜過程中很難將回收的地膜與雜物分離開來，造成地膜重復(fù)利用率低。且地膜易纏繞在收膜工作部件上，進(jìn)而影響地膜回收機(jī)連續(xù)回收作業(yè)，難以滿足地膜回收要求。

1 總體結(jié)構(gòu)

針對現(xiàn)有農(nóng)田地膜回收機(jī)工作過程存在的膜雜難分離的問題，設(shè)計了一種膜雜分離式殘膜回收機(jī)。該機(jī)具主要由縱向切膜裝置、清雜裝置、收膜裝置、輸膜裝置和脫膜裝置等組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 膜雜分離式殘膜回收機(jī)Fig.1 The membrane impurity separation residual membrane recovery machine

2 工作原理

整機(jī)作業(yè)時，變速箱啟動，變速箱動力輸出軸端部設(shè)置的第二鏈輪通過脫模傳動鏈帶動脫膜輥轉(zhuǎn)動，脫膜輥通過切膜傳動鏈帶動縱向切膜輪將地膜縱向沿著作物根部連續(xù)切斷。同時，半圓形起膜鏟將地膜鏟起，后地輪通過收膜傳動鏈帶動收膜滾筒轉(zhuǎn)動，收膜滾筒帶動輸膜夾持板周向轉(zhuǎn)動進(jìn)行輸膜，在輸膜過程中，膜下的土壤從半圓形起膜鏟的間隙掉落，膜上的雜物則順著輸膜夾持板落入兩夾持板的收膜滾筒上。然后，輸膜夾持板將鏟的地膜輸送到半圓形鏟鏟柄最上端，接著，通過輸膜滾筒上的輸膜釘齒，將地膜輸送至脫膜輥處，脫膜輥上的脫膜毛刷將地膜從收膜釘齒刷離，落入收膜箱內(nèi)，完成地膜的回收。同時，輸膜過程中被輸膜夾持板夾住的雜物也會順著夾持板落入兩夾持板之間的收膜滾筒上，實(shí)現(xiàn)二次雜物分離。最后，當(dāng)輸膜夾持板轉(zhuǎn)到一定角度，其上的雜物會順著輸膜夾持板落入清雜絞龍中，最終將雜物排出，從而不影響繼續(xù)收膜。

3 主要零部件的設(shè)計

3.1 收膜裝置

收膜裝置主要包括弧形起膜鏟、輸膜夾板、滾筒等機(jī)構(gòu)，見圖2。弧形起膜鏟通過連接桿并列連接起來，中間留有一定間隔，滾筒上隔一定距離裝有夾持板。當(dāng)機(jī)具開始作業(yè)時，整體式起膜鏟將地膜從土壤里鏟起，緊接著夾板在滾筒帶動下依次將鏟起的地膜沿著弧形鏟進(jìn)行輸送，膜下的土在起膜鏟的間隔中漏掉，膜上的雜物隨著夾持板到達(dá)一定高度會順著夾持板掉落在兩夾持板間的滾筒上，實(shí)現(xiàn)起膜、輸膜過程中的膜雜分離。特別在地膜回收時，本機(jī)具的收膜裝置采用弧形整體式起膜鏟，克服了起膜后用帶輪或鏈輪輸送殘膜時雜物壅堵以及纏繞的問題。

圖2 收膜裝置Fig.2 The film collecting device

起膜時膜下的雜物主要是土壤，考慮到地表土壤板結(jié)情況，本機(jī)具的起膜鏟設(shè)計為扁平傾斜式代替了圓尖式。當(dāng)起膜鏟鏟起土壤時，土壤會在鏟面上有一個運(yùn)動擠壓過程，這種狀態(tài)下利于土壤的破碎，進(jìn)而使得膜下土壤更易從起膜鏟間隔中掉落，其鏟面受力，見圖3。因地面土壤含有各種雜物，因此這里土壤的純切削阻力kb不能忽略。

圖3 松膜鏟受力圖Fig.3 The stress diagram of loose film shovel

在水平方向上列平衡方程可得如下方程式：

式中：F——松膜鏟作業(yè)時受到的牽引力水平分力，N；FN——土壤作用于鏟面的法向力，N；μ——土壤與鏟面的摩擦系數(shù)；b——松膜鏟鏟面寬度，m；α——松膜鏟入土傾斜角度（此處入土傾角不能太大，避免增加作業(yè)油耗，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，入土角設(shè)計為15°～20°）。

另外，整體式起膜鏟橫向排列間隔距離不能過大或過小。當(dāng)間隔距離過大時，鏟起的地膜被輸膜夾板輸送過程中會在起膜鏟間隔形成凹形形狀，隨著輸膜夾板不斷上升凹形里兜起的雜物會從輸膜夾板縫掉落下來，最后會影響輸膜夾板輸膜甚至造成輸膜夾板的破壞；當(dāng)間隔距離過小時，會造成膜下土壤等雜物難掉落，最后會影響殘膜回收。根據(jù)原有收膜裝置存在的問題以及作物行間距，本機(jī)具整體式輸膜鏟排列數(shù)量為6～8排。

3.2 縱向切膜機(jī)構(gòu)

在機(jī)具作業(yè)過程中，考慮到處在地膜上的農(nóng)作物根茬對起膜鏟起膜時會造成一定的影響。因此，在收膜裝置的前面設(shè)置了縱向切膜機(jī)構(gòu)。由于目前地膜鋪設(shè)方式采用一膜多行，因此本機(jī)具的縱向切膜刀具設(shè)置兩對以上，見圖4。縱向切膜機(jī)構(gòu)核心部件為圓盤鋸齒形切膜刀，其傳動系統(tǒng)間接連接拖拉機(jī)的變速箱。

圖4 縱向切膜機(jī)構(gòu)Fig.4 The longitudinal film cutting mechanism

圓盤鋸齒形切膜刀在切膜時，刀刃上任意一點(diǎn)的運(yùn)動可由該點(diǎn)隨殘膜回收機(jī)的平動和繞固定軸的轉(zhuǎn)動合成。若忽略圓盤鋸齒形切膜刀沿地面的滑移，可以將圓盤鋸齒形切膜刀的運(yùn)動視為純滾動，則圓盤鋸齒形切膜刀與入土深度最低點(diǎn)為其速度瞬心，見圖5。

圖5 圓盤鋸齒形切膜刀純滾動時刀刃上任一點(diǎn)的速度Fig.5 The speed at any point of the blade when the disc saw tooth film cutter is rolling

在刀刃上任意取一點(diǎn)N，由于M點(diǎn)為此時的速度瞬心，所以N點(diǎn)的速度方向與MN垂直。當(dāng)圓盤鋸齒形切膜刀做純滾動時，由圖5可得M點(diǎn)的速度v為：

式中：v——M點(diǎn)速度，m/s；vO——?dú)埬せ厥諜C(jī)前進(jìn)速度，m/s；R——圓盤鋸齒形切膜刀半徑，m；hm——圓盤鋸齒形切膜刀入土深度，m。

由式（2）可得出：圓盤鋸齒形切膜刀在縱向切膜時，假設(shè)殘膜回收機(jī)前進(jìn)的速度不變，其刀刃上任一點(diǎn)的速度與該點(diǎn)到入土最低點(diǎn)的距離為h和圓盤鋸齒形切膜刀半徑R有關(guān)；隨著圓盤鋸齒形切膜刀的前進(jìn)，h逐漸降低，切膜的速度也將會隨著減小。因此增加圓盤鋸齒形切膜刀半徑R，則會降低切膜的速度，所以圓盤刀半徑不宜過大。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，這里圓盤鋸齒形切膜刀半徑設(shè)計為10～15 cm較為合適。

3.3 二次輸膜機(jī)構(gòu)

當(dāng)輸膜夾持板剛好夾住鏟的地膜的同時，也會將膜上的秸稈、枝葉等雜物夾住，為了避免被輸膜夾持板夾住的雜物落入到殘膜回收箱里面，增加二次輸膜機(jī)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)見圖6。

圖6 二次輸膜機(jī)構(gòu)Fig.6 The secondary film transport mechanism

二次輸膜機(jī)構(gòu)主要包括滾筒、掛膜釘齒。考慮刀更好地將地膜掛起，這里掛膜釘齒采用傾斜方式安裝于滾筒上，當(dāng)輸膜夾持板夾著地膜運(yùn)動到最高端將要松開夾住的地膜時，掛膜釘齒瞬間將地膜掛起逆時針運(yùn)動，緊接著輸膜夾持板夾住的雜物會掉落且落入兩輸膜夾持板之間，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)輸膜過程中的第二次雜物清除，有效降低了殘膜回收的含雜率。

3.4 清雜裝置

根據(jù)本機(jī)具的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)在收膜裝置前面增加了清雜裝置，其組成主要包括絞龍、絞龍整體式支撐架，其結(jié)構(gòu)見圖7。

圖7 清雜裝置Fig.7 The trash remover

當(dāng)殘膜回收機(jī)正常作業(yè)時，兩輸膜夾持板之間的雜物在經(jīng)過最高端以后，到達(dá)一定傾斜角度時，雜物會完全掉落到收膜裝置正前方，特別是雜物堆積過多對于輸膜夾持板運(yùn)動會造成影響，甚至不能正常工作，因此設(shè)計了絞龍式清雜裝置。

設(shè)絞龍葉片在輸送雜物時的O點(diǎn)的牽連速度為Vo，相對速度AB，絕對速度為Vf，圖8為清除雜物時的速度分析圖。

圖8 清除雜物的運(yùn)動速度Fig.8 The movement speed of debris removal

根據(jù)圖8的速度分析圖可得雜物沿軸向的運(yùn)動速度。

式中：S——為絞龍葉片的螺距；n——絞龍軸的轉(zhuǎn)速；f，φ——摩擦系數(shù)和摩擦角。

由（7）式可知，當(dāng)1-f tgα≤0時，VZ≤0，雜物將不能沿著軸向運(yùn)動，所以絞龍的葉片螺旋角應(yīng)滿足以下條件：

4 總結(jié)

本文針對現(xiàn)有農(nóng)田殘膜回收機(jī)工作過程存在的殘膜與雜物難以分離的問題，設(shè)計了一種膜雜分離式殘膜回收機(jī)。通過對機(jī)具中的收膜裝置、二次輸膜裝置、切膜機(jī)構(gòu)和清雜裝置等核心部件的工作過程以及設(shè)計理念依次進(jìn)行了分析計算說明，結(jié)論如下：

（1）結(jié)合鋪膜實(shí)際情況以及現(xiàn)有機(jī)型在膜雜分離過程中存在的問題，設(shè)計起膜鏟為整體式結(jié)構(gòu)。其橫向排列數(shù)量設(shè)計為6～8排，起膜鏟入土角設(shè)計范圍為15°～20°，采用滾筒式輸膜夾持板分離膜上雜物。

（2）考慮植株對收膜的影響，在收膜裝置前端設(shè)置了縱向圓盤鋸齒形切膜刀，目的是將地膜沿著殘留植株根旁縱向切開，便于收膜。通過計算并結(jié)合實(shí)際情況，設(shè)計圓盤鋸齒形切膜刀的半徑為10～15 cm。

（3）為了進(jìn)一步降低殘膜回收含雜率，在整體起膜鏟前方設(shè)置了二次輸膜機(jī)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)為滾筒釘齒式，掛膜釘齒采用傾斜安裝，傾斜角為45°，有利于將地膜掛起。

（4）考慮機(jī)具作業(yè)前進(jìn)時不受雜物影響，在收膜裝置前面設(shè)置了清雜裝置的絞龍，為了更好的實(shí)現(xiàn)雜物清除，通過計算，得出葉片螺旋角為α≤90°-φ。

本設(shè)計機(jī)具結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，各機(jī)構(gòu)設(shè)計巧妙，機(jī)構(gòu)間布局合理巧妙、環(huán)環(huán)相扣，動力輸入小，能耗低，具有良好的推廣應(yīng)用價值。同時，本設(shè)計也可為膜雜分離式地膜回收機(jī)械的研制提供參考。