彈齒鏈耙式殘膜回收機脫膜裝置設計與試驗

摘要：針對彈齒鏈耙式殘膜回收機存在脫膜不徹底、可靠性低等問題，設計一種固定刮板式脫膜裝置，并對其關鍵部件進行設計與分析。為驗證脫膜裝置作業性能，以機具行駛速度（A）、彈齒長度（B）、彈齒與脫膜板夾角（C）為試驗因素，以脫膜率為試驗指標開展L9（34）正交試驗。結果表明，彈齒鏈耙式殘膜回收機的脫膜率為92.5%～95.7%；極差分析表明，各因素影響大小為Agt;Cgt;B，脫膜率最優試驗條件組合為A2B1C2，即機具行駛速度為8 km/h、彈齒長度為160 cm、彈齒與脫膜板夾角為50°。對最優組合（A2B1C2）做驗證試驗（5次），平均脫膜率為95.16%，滿足彈齒鏈耙式殘膜回收機作業要求。

關鍵詞：彈齒鏈耙式殘膜回收機；脫膜裝置；作業性能；設計

中圖分類號：S223.5" " " " "文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（2025）01-0150-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2025.01.024 開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Design and testing of the peel off device for the elastic tooth chain rake residual film recycling machine

HE Yu-ze，WANG Min，CAO Si-lin，YING Yu-kun，LU Yong-tao，WANG Ji-liang

（Mechanical Equipment Research Institute，Xinjiang Academy of Agricultural and Reclamation Science，Shihezi" 832000，Xinjiang，China）

Abstract： In response to the problems of incomplete film removal and low reliability in the elastic tooth chain rake residual film recycling machine， a fixed scraper type peel off device was designed， and its key components were designed and analyzed. To verify the operational performance of the peel off device， an L9（34） orthogonal experiment was conducted with the driving speed of the machine （A）， the length of the spring teeth （B）， and the angle between the spring teeth and the delamination plate （C） as experimental factors， and the delamination rate as the experimental indicator. The results showed that the delamination rate of the elastic tooth chain rake residual film recycling machine was 92.5% to 95.7%；the range analysis showed that the influence magnitude of each factor was Agt;Cgt;B. The optimal experimental condition combination for the delamination rate was A2B1C2， which meant that the machine’s driving speed was 8 km/h， the length of the spring teeth was 160 cm， and the angle between the spring teeth and the delamination plate was 50°. Validation tests were conducted on the optimal combination （A2B1C2） for 5 times， with an average delamination rate of 95.16%， meeting the operational requirements of the the elastic tooth chain rake residual film recycling machine.

Key words： elastic tooth chain rake residual film recycling machine； peel off device； homework performance； design

覆膜栽培技術具有增溫保墑、節水保肥、抑制雜草和病蟲害等特點。自20世紀70年代引入中國以來，覆膜栽培技術在農業生產中大面積推廣應用，對促進作物生長和增產增收效果顯著［1，2］。以聚乙烯為基材的地膜在自然條件下難以降解，可在土壤中存留幾百年，隨著使用年限的增加，造成大量地膜殘留集聚，破壞土壤結構及耕地培育能力，抑制農作物生長發育［3，4］。對比國內外農用地膜使用情況可知，國外使用加厚耐候地膜，具有較強的延展性和拉伸強度，當年作物收獲后可進行卷收再利用，大大降低殘膜污染；但國內使用的地膜厚度多為0.01 mm，一季作物耕作后地膜老化嚴重無法重復利用，須及時回收，否則會造成白色污染，嚴重制約農業生態環境保護和綠色可持續發展［5-7］。

目前中國治理殘膜污染主要采取機械化回收的方式，一些科研單位對殘膜機械回收進行了相關研究，這些殘膜回收機主要由起膜裝置、收膜裝置和脫膜裝置等作業部件組成［8-10］。常見的殘膜回收機的脫膜裝置分為機械結構脫膜裝置和氣力脫膜裝置。機械結構脫膜裝置包括伸縮桿齒脫膜和刮板脫膜等結構，伸縮桿齒脫膜裝置結構復雜、制造成本較高且作業過程中桿齒易形變，影響脫膜效果；刮板脫膜裝置結構簡單可靠，應用前景較好。氣力脫膜裝置結構簡單、效率高，但易引發二次纏繞［11-14］。針對上述殘膜回收機脫膜裝置存在的問題，本研究對彈齒鏈耙式殘膜回收機的脫膜裝置、脫膜原理進行分析，旨在提升機具脫膜效果和作業可靠性，對進一步優化改進殘膜回收機脫膜裝置提供思路和參考，為推進殘膜污染治理貢獻力量。

1 整機結構與工作原理

彈齒鏈耙式殘膜回收機結構如圖1所示，主要由機架、傳動系統、收膜裝置、脫膜裝置、打捆裝置、攜捆裝置、秸稈粉碎裝置、地輪等部件組成。

機具作業時，由拖拉機動力輸出軸提供外部動力，收膜鏈耙帶動彈齒轉動將地膜挑起，對地表殘膜進行撿拾回收，向上運動過程中土塊、秸稈等雜質因自身重力和彈齒旋轉離心力實現膜雜分離；彈齒軸運動至換向擋板處時，彈齒運動方向變為脫膜板法線方向，殘膜隨彈齒運動至脫膜板，通過脫膜板上的彈齒縫時將殘膜刮下，掉在下打捆皮帶上，下打捆皮帶帶動殘膜向前運動，上打捆皮帶帶動殘膜向后運動，殘膜受到相反方向的力，隨著殘膜匯聚逐漸揉搓形成圓型膜捆；隨著膜捆直徑增大，打捆皮帶張緊力增大，當張緊力達到額定值時，通過操控地輪液壓油缸打開上打捆裝置蓋門，升起地輪支撐臂，將膜捆卸至攜捆裝置上，關閉上打捆裝置蓋門后繼續作業。

2 關鍵零部件設計與分析

2.1 彈齒

彈齒鏈耙式殘膜回收機的彈齒是由65號錳鋼制成的直齒，相鄰彈齒錯行等距排布，每根彈齒軸均勻安裝10組彈齒，前后兩排彈齒間距50 mm，固定板連接彈齒軸與帶座軸承，鏈條帶動彈齒軸旋轉完成作業，彈齒裝配結構如圖2所示。

彈齒作為收膜裝置的關鍵部件，其作業性能是評價收膜效果的重要指標，彈齒長度會影響起膜和脫膜效果，在作業時既要確保起膜順暢，又要確保不漏膜壅土［15-17］。彈齒長度過長易發生變形，使挑起的殘膜堆積在彈齒根部不易脫落，過短會造成殘膜提前脫落，且不利于挑起低洼處的殘膜；同時，田間作業環境復雜多變，要兼顧機具作業效率和效果，作業速度過快會影響收膜質量和脫膜效果，過慢則降低工作效率。為研究彈齒起膜原理，對彈齒運動軌跡進行分析，如圖3所示，起膜入土點A，起膜出土點B，圓弧AB為彈齒尖運動路徑，彈齒尖運動方程為圓弧AB對應的方程。

彈齒尖運動方程：

[x= v0t +R + Lcosωty=R + Lsinωt] （1）

彈齒尖切線方向速度垂直于彈齒斜向下，將其分解為水平方向（x）和豎直方向（y）的速度：

[vx= v0-ωR + Lsinωtvy= ωR + Lcosωt] （2）

式中，v0為機具行駛速度，m/s；ω為彈齒角速度，r/min；t為時間，s；L為彈齒長度，mm；R為鏈輪半徑，mm。

彈齒運動速度與機具行駛速度、彈齒角速度、鏈輪半徑和彈齒長度有關。根據前期試驗基礎，兼顧收膜效果及結構可靠性，設制機具行駛速度為8 km/h，彈齒長度為160 mm，彈齒直徑為6 mm，彈簧內徑為45 mm，鏈輪半徑為300 mm。

2.2 換向機構

彈齒軸完成平穩換向是確保脫膜過程的前提，鏈條帶動彈齒軸轉動，彈齒挑起地表殘膜向上運動，為保證挑起的殘膜不會二次脫落，彈齒與底板垂直，當彈齒軸接觸換向擋板時，產生的作用力使彈齒軸端的固定板底邊與換向擋板的平面平行，此時完成換向作業。彈齒與脫膜板的夾角由鈍角變為銳角，脫膜板脫下彈齒上的殘膜，脫下的殘膜掉入脫膜板下方的打捆腔體完成揉搓打捆，換向機構如圖4所示。

2.3 脫膜機構

脫膜機構由壓板、脫膜板、角鋼、彈齒縫組成，其結構如圖5所示。角鋼位于脫膜板下方且與機架焊接，壓板位于脫膜板上方，通過螺絲釘將脫膜板固定，脫膜板上開設有彈齒縫，方便刮下殘膜且只允許彈齒通過，脫膜板采用耐磨且韌性好的橡膠材質，可有效避免彈齒與脫膜板發生剛性碰撞，造成變形影響后續作業的可靠性。

脫膜機構是將彈齒上殘膜脫下的核心部件，為研究脫膜原理，對脫膜過程中殘膜受力情況進行分析，如圖6所示。

殘膜受力方程：

[FTcosα+Gcosα+γ= FNFTsinα+Gsinα+γ+FA=μFN] （3）

[FA= mω2 r ] （4）

殘膜從彈齒上脫下的條件為：

[FTsinα+Gsinα+γ+ mω2 r gt;μFN ] （5）

式中，m為殘膜質量，g；ω為殘膜回轉角速度，r/min；r為殘膜回轉半徑，mm；α為彈齒與脫膜板的夾角，（°）；γ為彈齒與豎直方向的夾角，（°）；G為殘膜的重力，N；FN為彈齒對殘膜的支持力，N；FT為脫膜板對殘膜的作用力，N；μFN為殘膜與彈齒的摩擦力，N；FA為脫膜時殘膜受的離心力，N。

彈齒與脫膜板夾角是影響脫膜效果的關鍵參數，彈齒與脫膜板夾角過小，彈齒在通過脫膜板的彈齒縫時會不順暢，脫膜不徹底，彈齒與脫膜板夾角過大，彈齒底部殘膜與彈齒縫接觸減少，脫膜板不易刮下殘膜，通過前期試驗對比分析，彈齒與脫膜板適宜夾角為50°。

3 田間試驗與結果分析

3.1 試驗條件

為檢測彈齒鏈耙式殘膜回收機脫膜裝置的作業性能，棉花秋收后，在新疆生產建設兵團第八師一二一團開展了殘膜回收田間試驗。試驗選用約翰迪爾1354拖拉機，試驗時天氣良好，土壤干燥，地勢平坦，滴灌帶及附屬設施均已清理，試驗地長約200 m，寬約80 m，采用機采棉種植模式，鋪設符合國家標準的地膜（寬度為2 050 mm，厚度為0.01 mm），田間試驗區如圖7所示。

3.2 試驗指標與方法

穩定高效的脫膜性能是彈齒鏈耙式殘膜回收機連續作業的必要條件，以脫膜率為試驗指標評價脫膜效果，計算式如下。

[Y=MM+M0×100%] （6）

式中，Y為脫膜率，%；M為已回收的殘膜質量，g；M0為殘留在彈齒上的殘膜質量，g。

參考《GB/T 25412—2021 殘地膜回收機》制定試驗方案［18，19］，設計L9（34）正交試驗，共進行9組試驗作業后采集已回收的殘膜和殘留在彈齒上的殘膜，5次重復。殘膜洗凈、晾干后用電子天平（精度為0.001 g）稱重，各參數取平均值［20］，根據式（6）計算脫膜率。

3.3 試驗因素

通過前期研究與試驗，依據彈齒鏈耙式殘膜回收機的工作原理，選取機具行駛速度（A）、彈齒長度（B）、彈齒與脫膜板夾角（C）作為影響脫膜率的主要因素［21］，試驗因素與水平如表1所示。

3.4 試驗結果與分析

由表2可知，脫膜率為92.5%～95.7%，極差分析（表3）表明，各因素影響大小為Agt;Cgt;B，脫膜率最優試驗條件組合為A2B1C2，即機具行駛速度為8 km/h、彈齒長度為160 cm、彈齒與脫膜板夾角為50°。

為進一步探究各因素對試驗指標的顯著性影響，對試驗結果進行方差分析，結果如表4所示。機具行駛速度、彈齒與脫膜板夾角均對脫膜率產生極顯著影響，彈齒長度對脫膜率產生顯著因素。從F的排序可知，主要因素排序結果與直觀分析的結果一致，表明機具行駛速度、彈齒長度、彈齒與脫膜板夾角對脫膜率產生顯著影響。

3.5 試驗驗證

為驗證較優參數組合的工作效果，采用脫膜率最優試驗條件組合（A2B1C2）進行驗證試驗，結果如表5所示，平均脫膜率為95.16%，脫膜效果較好，滿足彈齒鏈耙式殘膜回收機作業要求。

4 小結與討論

1）設計了一種彈齒鏈耙式殘膜回收機脫膜裝置，對彈齒運動軌跡和脫膜過程中殘膜受力進行分析，確定了影響起膜效果和脫膜效果的主要因素。

2）制作試驗樣機，選取機具行駛速度、彈齒長度、彈齒與脫膜板夾角作為主要影響因素，以脫膜率為主控指標進行正交試驗與結果分析，脫膜率最優試驗條件組合為A2B1C2，即機具行駛速度為8 km/h、彈齒長度為160 cm、彈齒與脫膜板夾角為50°。對最優組合（A2B1C2）做驗證試驗（5次），平均脫膜率為95.16%，滿足彈齒鏈耙式殘膜回收機作業要求。

參考文獻：

［1］ 薛穎昊， 曹肆林， 徐志宇， 等. 地膜殘留污染防控技術現狀及發展趨勢［J］. 農業環境科學學報，2017，36（8）：1595-1600.

［2］ 張金瑞， 任思洋， 戴吉照， 等. 地膜對農業生產的影響及其污染控制［J］. 中國農業科學，2022，55（20）：3983-3996.

［3］ 康曉悅， 陳學庚， 趙 巖， 等. 齒帶式殘膜回收機脫膜裝置的設計與試驗［J］. 農機化研究，2021，43（4）：161-166，173.

［4］ 謝建華， 楊豫新， 曹肆林， 等. 導向鏈耙式地表殘膜回收機設計與試驗［J］. 農業工程學報，2020，36（22）：76-86.

［5］ 唐永飛， 趙永滿， 王吉奎， 等. 夾指鏈式殘膜回收機脫膜裝置設計與試驗［J］.農業工程學報，2020，36（13）：11-19.

［6］ 趙 巖， 鄭 炫， 陳學庚， 等. CMJY-1500型農田殘膜撿拾打包聯合作業機設計與試驗［J］. 農業工程學報，2017，33（5）：1-9.

［7］ 何文清， 嚴昌榮， 劉 爽， 等. 典型棉區地膜應用及污染現狀的研究［J］. 農業環境科學學報，2009，28（8）：1618-1622.

［8］ 周新星， 胡志超， 嚴 偉， 等. 國內殘膜回收機脫膜裝置的研究現狀［J］. 農機化研究，2016，38（11）：263-268．

［9］ 由佳翰，陳學庚，張本華，等. 4JSM-2000型棉稈粉碎與殘膜回收聯合作業機的設計與試驗［J］. 農業工程學報，2017，33（10）：10-16.

［10］ 游兆延， 胡志超， 吳惠昌， 等. 1MCDS-100A型鏟篩式殘膜回收機的設計與試驗［J］. 農業工程學報，2017，33（9）：10-18.

［11］ 張慧明， 陳學庚， 顏利民， 等. 隨動式秸稈還田與殘膜回收聯合作業機設計與試驗［J］. 農業工程學報，2019，35（19）：11-19.

［12］ 鄭士琦， 曹肆林， 王 敏，等. 旋轉脫膜式殘膜回收機的設計與試驗［J］. 西北農林科技大學學報（自然科學版），2020，48（10）：146-154.

［13］ 明 光， 畢新勝， 王曉東， 等. 夾持輸送式殘膜撿拾機氣力脫膜機理研究［J］. 中國農機化學報， 2016，37（7）： 1-5.

［14］ 王 征， 王吉奎， 唐永飛， 等. 帶式殘膜揉搓打包機設計與試驗［J］. 農業工程學報，2020，36（19）：11-18.

［15］ 施麗莉， 胡志超， 顧峰瑋， 等. 耙齒式殘膜回收機自動脫膜機構設計［J］. 農業工程學報，2017，33（18）：11-18.

［16］ 于云海， 陳學庚， 溫浩軍，等. 秸稈粉碎與殘膜集條聯合作業機的研制與試驗［J］. 農業工程學報，2016，32（24）：1-8.

［17］ 閆盼盼， 曹肆林， 羅 昕， 等. 彈齒鏈耙式播前殘膜回收機的設計研究［J］. 農機化研究，2016，38（6）：137-142.

［18］ 劉 策， 胡 斌， 羅 昕， 等. 基于滾筒彈齒式起膜機構的殘膜回收機的設計與試驗［J］. 甘肅農業大學學報，2022，57（5）：230-239.

［19］ 李 強，趙武云，王久鑫，等. 玉米全膜雙壟溝殘膜回收機的改進設計與試驗［J］.林業機械與木工設備，2022，50（9）：82-87，91.

［20］ 李 斌， 王吉奎， 胡 凱， 等. 殘膜回收機順向脫膜機理分析與試驗［J］. 農業工程學報，2012，28（21）：23-28.

［21］ 趙昱宇，謝建華，曹肆林， 等. 導向伸縮式殘膜撿拾裝置設計與試驗［J］. 中國農機化學報，2023，44（11）：14-20.