旋齒式殘膜回收機掛膜輸送帶的設計與試驗

宋柱亭，郭繼杰，溫浩軍

（1.新疆生產建設兵團第六師農業技術推廣站，新疆 五家渠 831300；2.石河子大學機械電氣工程學院）

0 引言

撿拾機構作為殘膜回收機械的重要組成部分，通常包括彈齒式、釘齒滾筒式、伸縮桿齒式和齒鏈式等幾種類型[10-12]。在這些結構類型中，齒鏈式撿拾機構具有較好的膜雜分離效果，因此本研究基于農業收獲機械中常用的桿條式升運器設計掛膜輸送帶，其作業內容包括撿拾、輸送殘膜和分離雜質。桿條式升運器的鏈條形式主要有帶桿式、鏈桿式和鉤桿式等，其中帶桿式桿條鏈結構具有耐磨、使用壽命長和工作噪聲小等特點[13]，適用于殘膜回收作業環境惡劣，地膜與雜質混合量大的情況。

1 結構及工作原理

1.1 整機結構與工作原理

旋齒式殘膜回收機結構如圖1，主要由旋齒式起膜機構、掛膜輸送帶、卷膜機構、機架、地輪和變速箱等部分組成。

工作時，拖拉機牽引機具前進，旋齒式起膜機構轉動，安裝于其表面的旋齒入土將地膜與土壤分離，并將膜土混合物推壓至掛膜輸送帶下端，同時，掛膜齒隨掛膜輸送帶向上方轉動，在兩機構共同作用下，地膜被撿拾并向上輸送。在輸送過程中，部分土壤、秸稈等雜質從掛膜輸送帶之間的間隙掉落，地膜在掛膜輸送帶末端與其分離，被底端卷膜機構回收。

1.2 掛膜輸送帶結構與工作原理

掛膜輸送帶結構如圖2，主要由主動輪、被動輪、托輪、桿條和提升帶等部件組成。工作時，鏈輪驅動主動輪轉動，主動輪通過與其齒槽嚙合的輸送桿條將動力傳遞至提升帶，從而帶動掛膜輸送帶進行工作。在掛膜輸送帶下端被動輪處，桿條上分布的掛膜齒向掛膜輸送帶上方轉動，將殘膜撿拾并向上輸送，在殘膜向上運送的過程中，較大的土塊沿輸送帶上表面滾落，部分較小的土壤顆粒及棉稈在自身重力及機具振動作用下從輸送桿條之間的間隙下落至田間，殘膜在掛膜輸送帶末端脫離掛膜輸送帶。

圖2 掛膜輸送帶結構示意

2 關鍵部件設計

2.1 桿條間距

輸送桿條是掛膜輸送帶的重要組成部件，其主要作用是傳遞動力、運送地膜和分離地膜中的雜質等。桿條間距作為其主要結構參數對掛膜輸送帶的工作性能有重要影響。根據掛膜輸送帶的作業要求，在設計輸送桿條間距時應主要考慮以下兩個方面的影響作用：地膜可以被輸送帶桿條順利向上運送，不在輸送過程中滑落；在支撐地膜不下落的同時，輸送桿條之間的間隙應可使土壤、棉花秸稈等雜質在輸送過程中從中掉落。

輸送帶桿條結構如圖3，由圖中幾何關系可得：

圖3 輸送桿條結構示意

式中L—桿條間距長度，mm；L1—桿條間隙長度，mm。

在混凝土配合比設計時，在保證混凝土抗壓、抗滲、抗凍指標的前提下，可適當摻入一定量的優質粉煤灰，不僅可以明顯改善混凝土拌和物的工作性能，還可以起到抑制混凝土堿-集料反應的作用。優質粉煤灰摻入混凝土后，第一，可稀釋水泥中的堿含量；第二，在摻入粉煤灰后，可優先生成堿-鈣-硅膠凝體，可達到延緩堿-集料反應的速度，從而減小混凝土內部的膨脹應力。最后，需要特別說明的是摻入優質粉煤灰，其活性SiO2含量必須達到能夠足以抑制或減緩堿-集料反應的要求。

根據前期田間試驗效果，確定桿條間隙L1為41mm，桿條直徑d為11mm，由式（1）可得桿條間距L為52mm。

2.2 掛膜齒結構及排列

2.2.1 掛膜齒結構

掛膜齒的作用是撿拾地膜并在輸送過程中增大輸送桿條對地膜的提升力，防止地膜從掛膜輸送帶表面滑落，其結構形式及參數的選擇合適與否直接影響殘膜撿拾效果。殘膜回收機撿拾機構常用撿拾齒結構形式主要包括彈齒、圓柱釘齒和尖頭圓柱式釘齒等，考慮到掛膜齒不需要入土撿膜且掛膜輸送帶在輸送地膜時采用上輸送方式，地膜不易掉落，對撿拾齒掛膜能力要求低，因此確定掛膜齒結構形式為尖頭圓柱式釘齒，高度設計為15mm，直徑8 mm，尖端部分高度為9mm，掛膜齒結構如圖4，安裝時焊接在輸送帶桿條上，方向與提升膠帶垂直。

圖4 掛膜齒結構示意

2.2.2 間距及排列

掛膜齒間距包括縱向間距和橫向間距。當橫向間距過大時，輸送帶對地膜橫向作用點少，容易出現撿拾力不足的情況，導致殘膜撿拾率降低；當橫向間距過小時，輸送帶對地膜橫向作用點多，掛膜齒撿拾能力強，但在輸送過程中阻礙地膜脫落的力較大、不利于后續脫膜；掛膜齒縱向間距主要影響地膜撿拾的連續性與輸送地膜時掛膜作用力的大小。

基于地膜的輸送穩定性考慮，掛膜齒排列方式選用交錯分布式（圖5）。地膜在撿拾輸送過程中應滿足不被膜面雜質拉斷的條件，其關系可用下式表示：

圖5 掛膜齒排列分布示意

其中

式中p—單位距離膜面雜質質量，g；g—重力加速度，m/s2；Fmax—地膜縱向拉斷力，N；d2—掛膜齒縱向間距，mm；q—掛膜齒縱向分布桿條間隔數。

根據前期田間試驗測定數據，膜面雜質含量p為1 301 g/m，根據參考文獻[14]中地膜力學性能測定數據，地膜縱向拉斷力為2.4 N，重力加速度g取9.8 m/s2，聯立式（2）（3），并將參數帶入計算可得掛膜齒縱向分布桿條個數q＜3.6，因此將q取值為3，即縱向間距為156 mm。為使掛膜齒分布不阻礙棉花秸稈在輸送帶上的移動，交錯分布的掛膜齒對齊距離應大于膜面最大棉稈長度，其關系可表示為：

式中d1—掛膜齒橫向間距，mm。

前期田間試驗測得棉稈最大長度l1=180 mm，d2=156mm，將參數帶入式（4）可得d1＞179.6mm。綜合考慮后將掛膜齒橫向間距d1設計為200mm。其排列布置如圖5，橫向最大距離D為1800mm，稍小于膜面橫向最大距離。

2.3 輸送帶線速度

當輸送帶線速度過大時，起膜機構在單位時間的起膜量小于掛膜輸送帶在單位時間的撿拾輸送量，造成機構動力過剩，同時，輸送帶線速度過大導致掛膜齒在輸送帶撿拾段轉速增大，從而使掛膜齒對殘膜的撿拾力過大，容易造成地膜撕裂損傷；當輸送帶線速度過小時，起膜機構在單位時間的起膜量大于掛膜輸送帶在單位時間的撿拾輸送量，掛膜輸送帶在運行時容易出現擁堵現象，且此時掛膜齒轉速小，殘膜撿拾能力弱，會導致殘膜撿拾率下降。輸送帶線速度v1與主動鏈輪轉速n、齒數Z、節距t等相關，其關系可由下式表示：

其中

聯立式（5）、（6）可得：

分析式（7）可知，輸送帶線速度與主動鏈輪節距及輸送帶自激振頻率相關，當主動輪節距Z不變時，隨著輸送帶線速度的增加，其自激振頻率逐漸增大。前期田間試驗得出，當輸送帶自激振頻率維持在30Hz左右時膜雜分離效果較好，已確定Z=11，t=52mm，根據式（7）計算可得輸送帶線速度為1.56m/s。同時為保證掛膜輸送帶對物料的輸送效率及撿拾性能，輸送帶線速度應稍大于機具前進速度，殘膜回收機具作業速度一般為5～7 km/h，即1.39～1.94 m/s，故將掛膜輸送帶線速度確定為1.7m/s。

2.4 掛膜輸送帶長度及傾角

掛膜輸送帶長度的確定主要受到輸送地膜及雜質量和膜雜分離效果的影響。當掛膜輸送帶長度過小時，運輸的殘膜與雜質量大，容易發生堵塞，掛膜輸送帶長度過小還可能導致桿條間隙不足，無法順暢地進行分離和輸送；較大的掛膜輸送帶長度可以容納更多的桿條，提高輸送量和作業速度，但掛膜輸送帶長度過大可能會導致桿條之間的不穩定性和振動。掛膜輸送帶安裝傾角對其輸送、膜雜分離性能都有重要影響，傾角過小，膜雜分離效果較差，傾角過大，殘膜容易沿輸送帶滑落。

如圖6，參考薯類收獲機械設計，結合前期田間試驗效果，將掛膜輸送帶長度D1設計為1200mm，輸送帶安裝傾角θ確定為40°。

圖6 掛膜輸送帶側視圖

3 田間試驗

田間試驗在新疆喀什市岳普湖縣進行。試驗田地面平整，棉花種植模式為（660+100）mm，地膜厚度為0.01 mm，試驗前滴灌帶均已被抽出，棉稈留茬高度為60～80 mm。動力機具為福田雷沃M904-D型拖拉機，機具作業速度為5.6km/h，試驗過程如圖7。

圖7 田間試驗

試驗結果表明殘膜撿拾率91.12%，回收膜卷含膜率為52.75%，含稈率為8.53%。

4 結論

（1）針對新疆農田殘膜污染問題，基于農業收獲機械中的桿條式升運分離結構設計了旋齒式殘膜回收機殘膜撿拾輸送機構掛膜輸送帶。

（2）根據棉田作業條件、地膜及雜質物料特性及前期田間試驗確定掛膜輸送帶主要參數，包括桿條間距、掛膜齒結構及分布、輸送帶線速度、輸送帶長度和安裝傾角。

（3）進行田間試驗，試驗測得殘膜撿拾率為91.12%，含膜率為52.75%，含稈率為8.53%，滿足殘膜回收作業要求。