1MSF-2型立秆式地膜回收机的研制

任　萍，胡　斌，罗　昕

(石河子大学 机械电气工程学院，新疆 石河子　832000)



1MSF-2型立秆式地膜回收机的研制

任萍，胡斌，罗昕

(石河子大学 机械电气工程学院，新疆 石河子832000)

摘要：针对秋后棉田的地膜回收率低、适应性差、人工卸膜效率低及强度大等技术问题，在整体仿形搂膜机基础上，设计研制了一种具有单体动态仿形搂膜、自动卸膜、起边膜和株间断膜等功能的1MSF-2立秆式地膜回收机。介绍了其总体结构和工作原理，分析确定了该机悬挂机架、双立轴四杆仿形机构、双排弹齿搂膜机构、液力式转轴卸膜机构、仿形护禾板，以及起膜边机构等关键部件的结构及参数，并进行了田间性能试验。试验结果表明：该机在平均作业速度为7.4km/h的情况下，平均地膜回收率为88.1%，平均生产效率可达到5hm2/h，各指标均达到设计要求。该机能实现单行独立仿形残膜回收作业，适应机采棉种植模式下秋后棉田立秆回收残膜的农艺技术要求。

关键词：地膜回收机；单体仿形；双立轴四杆；收边膜；自动卸膜

0引言

覆膜种植是新疆棉花的主要种植模式[1]，但随着覆膜年限的增长，地膜残留带来的环境污染日益明显[2]。机械回收是治理地膜污染的主要方式，现有的地膜回收机按工作形式可分为两个大的种类：一是秸秆还田和地膜回收联合作业机[3-4]。其造价成本高、功耗大、适应性较差，作业时所搂的地膜夹杂大量秸秆，破坏了秸秆还田有机肥有效再利用[5]，并没有得到应用与推广。二是膜与秆分开处理的分段作业机，如搂膜机[6-7]，由于结构简单、可靠性好、成本低、搂膜效率较高，是目前生产应用最为广泛的一种机型；但该机采用整体仿形，人工卸膜，始终存在作业适应性差、地膜回收率低及人工卸膜强度大等技术问题。

石河子大学2014年研制了一种具有单体动态仿形搂膜、自动卸膜、起边膜和株间断膜功能的新型搂膜机[8](专利号：201410229064.9)，较好地解决了上述技术问题。

1整机设计与作业原理

1.1　整机设计

该机由悬挂机架和4组独立仿形收膜单体组成，每组单体由双立轴四杆机构、双排弹齿搂膜机构、液力式转轴卸膜机构、仿形护禾板、起膜边机构等零部件所组成，如图1所示。

1.悬挂主梁　2.连接板　3.销轴　4.四杆支架　5.四杆连接杆

每两组单体组合完成一幅膜的回收，每组单体通过四杆机构与主梁连接，有随地面起伏的仿形和自动对行仿形的功能，不同数量的单体组合可以满足不同作业幅宽或行数的要求。

1.2　工作原理

该机适用于机采棉种植模式的秋后立秆(茎秆切碎还田前)作业。样机与51.5～66.2kW拖拉机配套,通过三点悬挂联接，拖拉机的液压系统通过液压管连接卸膜油缸。作业时，拖拉机牵引机具利用棉秸秆与仿形护板相互作用产生的力引导双立轴四杆仿形机构带动搂膜部件对准每幅膜，同时引导边膜起膜盘准确扎进覆土的膜边，然后通过具有动态仿形功能的搂膜部件将行间地膜和已起出的膜边地膜搂起；每隔一定距离将收集一定量的地膜通过液压自动卸落机构将地膜卸于地膜打包作业带上，完成自动对行、起膜边、仿形地膜及自动脱膜等工序。

1.3　主要技术参数

地膜回收机主要技术参数如表1所示。

表1　主要技术参数

2主要部件结构设计

2.1　悬挂机架结构设计

悬挂机架由主梁和连接板等零部件组成，功能在于支撑和牵引其他零部件。机架主梁采用了U型螺栓连接方式，即安装双立轴四杆仿形机构(通过U型螺栓和连接板固定在主梁上)。根据设计要求，主梁的长度为4 400mm，如图2所示。

1.主梁　2.U型螺栓　3.连接板

2.2　四杆仿形机构结构设计

四杆仿形机构是该机的特色创新机构，也是整机设计的技术难点，由四杆连接杆、四杆支架和两个立轴组成，如图3所示。

四杆机构具有上下限位和左右限位功能。四杆支架和四杆连接杆通过立轴连接，可以实现上下活动空间，同时限位。四杆支架和下悬架之间通过立轴连接，下悬架的材料是槽钢，起到左右限位的作用。根据田间试验，确定四杆连接杆总长320mm，四杆支架高260mm。

1.轴销　2.四杆支架　3.四杆连接杆

2.3　搂膜机构结构设计

搂膜机构是立秆残膜回收机的核心，是决定残膜回收率的重要因素，由搂膜支架、定位卡片和双排弹尺构成。搂膜支架由搂膜转轴支梁、搂膜支梁、油缸支座、搂膜横梁、搂膜齿支架连接梁和搂膜齿支架等组成，如图4所示。

1.搂膜支架　2.定位卡片　3.双排弹尺

搂膜机构采用双排搂膜齿安装结构，第2排搂膜齿可将第1排作业后未能清理的田间残膜进行二次搂拾。搂膜支架用于与其他零部件的连接及安装搂膜齿。搂膜齿选用双排弹齿，采用直径12mm的弹簧钢制造，保证了搂膜齿的使用强度、弹性和回位能力，能防止搂膜齿瞬间因冲击载荷过大而损坏，可适应于不同地况的棉田。在整机牵引式作业时，弹齿入土深度约为2~4cm。

每组单体搂膜机构中株间弹齿的个数为4个，膜边弹齿的个数为2个。挑膜齿间距及个数的确定原则主要根据当前新疆机采棉种植模式下棉花株距100mm、行距660mm、两边覆土压膜各75mm确定。相邻搂膜齿的间距为70mm。搂膜齿的安装间距会对残膜回收率产生很大影响，若排列间距过大，残膜被搂膜齿搂起后，容易造成残膜漏收；若间距过小，搂膜齿搂起的残膜含杂率较高，搂膜齿上夹杂的残膜在较短的时间大量堆积，大大降低了搂膜效率，同时搂起的残膜很难回收再利用。

2.4　卸膜机构结构设计

卸膜机构由带座球轴承、卸膜推杆、卸膜连接杆、液压油缸和卸膜杆等组成，如图5所示。其主要由液压油缸带动转轴驱动卸膜推杆摆动，卸膜推杆摆动的过程中带动卸膜杆绕固定点转动，从而将搂膜弹齿上的残膜脱卸；卸膜连接杆连接前后两排的卸膜杆，起到力传递的作用，同时保证前后卸膜杆同时同速作业。

1.带座球轴承2.卸膜推杆3.卸膜连接杆4.液压油缸5.卸膜杆

图5卸膜机构结构示意图

卸膜杆采用直径12mm的圆钢加工，长度为560mm。根据搂膜机构搂膜齿间距与个数，设计每组单体的自动卸膜机构中株间卸膜杆的个数为7个，膜边卸膜杆的个数为3个，每相邻两个卸膜杆之间的距离为70mm。整机作业时，每隔一定距离液压油缸会带动卸膜推杆将收集了一定量的地膜从搂膜齿上卸落，防止搂膜齿上残膜堆积过多而影响搂膜；与其它残膜回收机比较，可节省人工，且卸膜快速彻底。

2.5　仿形护禾板结构设计

仿形护禾板由固定板钢板、护板支架和护板壳体构成，如图6所示。护禾板是前端为漏斗式开口，后端为长方体的折面壳体，整个装置通过U型螺栓安装在悬挂主梁上，主要起到仿形导向和隔离的作用。

1.护板壳体　2.护板支架　3.固定板钢板

护禾板的参数设计非常重要，是保证其作业效果的关键。根据田间实地调研，棉秆的高度在40~70cm之间，取护禾板装置的高为60cm、长160cm。前端主要是利用棉秆和护禾板的相互作用力来引导双立轴四杆仿形机构带动搂膜部件对准每幅膜行，起到仿形导向的作用，所以护板壳体前端宽度取40cm。根据机采棉种植模式下棉田的实际情况，护板壳体后端宽度取15cm。

2.6　起膜边机构结构设计

起膜边机构是该机的创新之处，由起膜盘、调节杆和固定支架等组成，如图7所示。调节杆和固定支架通过螺栓连接，可以调节起膜盘的入土高度和入土角度。

1.起膜盘　2.调节杆　3.固定支架

膜边起膜盘采用65Mn钢加工，直径350mm。其刃口平面与机具前进方向有一垂直于地面的夹角，在牵引力的作用下，起膜盘滚动前进，在机具的重力和土壤的反力作用下，切入土壤一定的深度；起膜盘滚动时，在刃口和曲面的综合作用下，进行推土、铲土，并使土壤沿起膜盘的凹面上升和跌落，将边膜上的覆土切开并导向一边，减小搂膜部件的搂拾阻力；同时，带有弧度和豁口起膜盘会将边膜拔出，有利于搂膜齿顺利地将边膜搂起，提高残膜回收率。

2.7　株间断膜机构结构设计

株间断膜机构由圆盘刀支架、圆盘刀调节座和圆盘切刀等组成，如图8所示。

圆盘切刀直径400mm。株间断膜机构的功能在于将各行间残膜切成段，避免残膜的韧性引起残膜搂拾阻力增大，使得搂膜齿更轻便地将残膜搂起。同时，残膜切断可减少缠绕，有助于自动卸摸，为残膜打包再利用做准备。通过调节圆盘刀支架与圆盘刀调节座的配合长度，可调节圆盘切刀的入土深度。

1.圆盘刀支架　2.圆盘刀调节座　3.圆盘切刀

3田间性能试验

试验依据JB/T 10363《农田废膜捡拾机》和《农业机械实验规范和程序》相关规定[9-10]，以作业效率和地膜回收率为评价指标，对2MLF-2型立秆式地膜回收机的实际作业性能进行测试研究。

3.1　试验条件

田间试验在新疆生产建设兵团农八师149团进行。试验地为机采棉种植模式下的秋收后棉田，采用膜下滴灌技术，滴管带已回收；地面平整，有少量碎石，土壤类型为粘土；壤坚实度为398kPa，土壤体积含水率19.46%；前茬作物为棉花，未清理；地膜宽度2 050mm、厚度0.008mm，秸秆株距100mm，秸秆行距660mm，秸秆高度700～800mm；田间管理按照北疆棉区高产田要求进行。机具平均作业速度4.3～7.4km/h，配套动力为雷沃M800H-D轮式拖拉机，标定功率59kW。

3.2　试验方法

3.2.1测试区确定

沿作业地块长宽方向的中线，将其划为4块，以对角的两块随机选取6个测试区，每个测试区在同一作业行上，长度为20m，在地头和地尾处分别预留出10m掉头区域，测试区两端用标杆做好标记。测点采用五点法，从测区的4个地角沿对角线，在1/4～1/8对角线长度范围内随机确定4个作业后测点的位置；然后在作业后的4个测点附近不重复的区域再选4个作业前测点。

3.2.2评价指标测试方法

作业效率为

式中η—机具的作业效率(hm2/h)；

L—测试区长度(m)；

t—机具每经过一个测试区所需时间(s)；

D—机具作业宽度(m)。

地膜回收率为

式中C—地膜回收率(%)；

W—作业后地膜质量(g)；

W0—作业前地膜质量(g)。

由人工捡拾4个测试点内未收起的地膜，运用质量法，将各测点取出的地膜去除尘土和水分后称其质量。选取4个测试点进行重复试验，每次试验后记录相关数据，最后取4次试验的平均值。

3.3　试验结果与分析

1MSF-2立秆式地膜回收机田间试验结果如表2所示。

表2　试验结果

立秆式地膜回收机随着拖拉机挡位的升高，地膜回收速度加快，地膜回收率升高。当拖拉机在快2挡位(7.4km/h)作业时，地膜回收率较高，且生产效率最高，可达到5hm2/h。

4结论

1)1MSF-2型立秆式地膜回收机的成功研制，提高了残膜回收率，降低了劳动强度和作业成本，缓解了农田的白色污染，增加了生产企业和机具手收入，具有很大的市场空间。田间试验表明：在平均作业速度为7.4km/h的情况下，平均地膜回收率为88.1%，平均生产效率可达到5hm2/h。各指标均达到设计要求。

2)针对现有搂膜机整体仿形搂膜率低的问题，提输了双立轴四杆仿形机构。田间试验表明：该机构可满足设计要求，实现上下对地仿形和左右对行仿形的功能。

3)针对现有搂膜机需人工卸膜的技术难点，创新设计了液压带动转轴式自动卸膜机构。田间试验表明：该机可实现自动卸膜功能，有效降低搂膜作业过程中的人工劳动强度，提高了残膜脱卸效率。

参考文献：

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Research on Manufacturing the 1MSF-2 Plastic Flim Recycling Machine

Ren Ping, Hu Bin, Luo Xin

(Machinery and Electricity Engineering College，Shihezi University，Shihezi 832000，China)

Abstract：To solve the technical problem of low plastic film recycling rate, poor adaptability, low efficiency and big intensity artificial unloading residual plastic film on residual plastic film in cotton field after the autumn harvest, a 1MSF-2 vertical stem type of plastic film recycling machine with the functions of separate individual imitation hugging up the plastic film, automatic unloading the plastic film, stirring up the edge of plastic film and cutting off between plants has been developed. Introducing the overall structure and working principle, analysis to determine the structure and parameters of key components of the suspension frame, the double vertical shaft four-link imitation institutions, the double elastic tooth recycling institutions, the hydraulic type turned shaft unloading plastic film institutions, imitation protected plants plates, the recycling edge of plastic film institutions.The field experiment was carried out, the results show that the when the machine with the average operating speed is 7.4 km/h. the plastic film recycling rate was 88.1%, the production efficiency could reach 5 hm2/h. Each indicator could achieve the design requirements.The machine can realize single independent the residual plastic film recycling operation, and adapt to recycling residual plastic film agricultural technical requirements of the planting mode of the pick cotton machine after the autumn harvest.

Key words：plastic film recycling machine; separate individual imitation; double vertical shaft four-link; recycling edge of plastic film; unloading plastic film

中图分类号：S224.9

文献标识码：A

文章编号：1003-188X(2016)09-0136-05

作者简介：任萍(1988-),女，陕西渭南人，硕士研究生，(E-mail) 461983250@qq.com。通讯作者：罗昕(1969-)，女，四川隆昌人，教授，硕士生导师，(E-mail)lx_mac@shzu.edu.cn。

基金项目：新疆生产建设兵团重大科技专项(2014AA002)；农业部行业专项(201503105)

收稿日期：2015-08-27