滚筒式残膜回收机的性能试验研究

刘旋峰，石 鑫，郭兆峰，王春耀，王学农※（. 新疆农业科学院农业机械化研究所，乌鲁木齐 83009；. 新疆大学机械工程学院，乌鲁木齐 830008）

滚筒式残膜回收机的性能试验研究

刘旋峰1，石 鑫1，郭兆峰1，王春耀2，王学农1※
（1. 新疆农业科学院农业机械化研究所，乌鲁木齐 830091；2. 新疆大学机械工程学院，乌鲁木齐 830008）

针对“11SM-1.5型滚筒式残膜回收机”核心工作参数匹配不合理，机具在作业时，常常由于使用者操作方式与水平存在差异，影响残膜回收的总体拾膜性能，进而降低残膜拾净率。滚筒式残膜回收机是一种以弧线往复式挑膜装置为核心部件的典型残膜回收机具，该研究根据滚筒式残膜回收机的结构和工作原理，分析弧线往复式挑膜装置的挑膜齿尖运动轨迹特点，确定影响机具性能的主要因子为挑膜装置转速、机具前进速度和挑膜齿入土深度，采用正交试验分析法进行田间试验，分析不同参数配比对残膜拾净率的影响，得出各因素的影响显著性及主次顺序。综合考虑挑膜装置各项指标，选择最优的水平组合，获取机具的最佳工作参数匹配，即：挑膜装置转速45 r/min、机具工作速度4 km/h和挑膜齿入土深度35 mm时，残膜拾净率为88.2%，达到残膜回收机设计标准，比目前成熟的秸秆还田联合式残膜回收机的官方测定捡拾率高6.2个百分点，为机具优化设计提供数据参考，进而指导实际生产。

农业机械；塑料薄膜；试验；残膜回收；挑膜装置；残膜拾净率

0 引 言

地膜覆盖技术是促使农业增效、农民增收的重要手段[1-3]。在地膜技术广泛推广过程中，逐渐显现了地膜好用难于回收的窘境，耕地污染日趋严重，残膜回收的问题一直受到广泛关注[4-6]，迫切需要一种高效可靠的残膜回收机械，来解决耕地污染日趋严重的问题[7]。

在欧洲、北美等国家，为防治残膜污染，一般使用强度高、耐风化的地膜，美国有一种农田地膜回收机，其结构简单实用，其原理是通过卷膜滚筒的旋转，将地表覆盖的地膜卷起，该种地膜回收机的主要是机具工作速度和卷膜滚筒旋转速度相互间的参数匹配[8]；以色列的地膜回收机与美国的回收原理类似，其卷膜滚筒采用液压马达驱动[9-10]；俄罗斯、英国的地膜回收机的工作原理采用缠绕地膜的原理，地膜通过起膜铲从地表铲起，经过卷膜滚筒缠绕成捆[11]。可以看出国外采用地膜必须保证地膜的抗拉强度和耐老化性能，才能有利于应用缠绕式回收原理进行地膜回收，采用这种回收原理的机具构造简单，制造成本低，也便于收集的废旧地膜回收再利用。同时，国外已经开始开发和研制形形色色的新型地膜，例如利用阳光照射而降解的地膜、利用微生物功能而降解的地膜等等[12-13]。

中国主要使用厚度为0.006～0.008 mm的地膜，地膜薄，抗拉强度低。目前，中国的残膜处理方式有人工回收、可降解膜的使用、机械回收3种方式。人工回收占用大量劳动力、效率低，正逐步淘汰；可降解地膜技术尚未成熟，现仍处于研发阶段，生产成本高，难以大面积推广；机械回收是目前最有效的地膜回收途径，根据农艺与作业时间可分为苗期地膜回收、耕前地膜回收、耕后地膜回收，目前广泛使用的是耕前残膜回收机械。基于国内地膜铺设标准，中国地膜回收机设计工作原理基本相近，都是先将表面的地膜通过松土装置抬起、再由收膜装置收起地膜，然后由脱（卸）膜装置将收起的残膜脱（卸）下后，抛入集膜装置，其中“收”、“脱”和“集”是影响地膜回收效果的主要环节[14-15]。11SM-1.5型滚筒式残膜回收机是其中一种典型残膜回收机械，主要以弧线往复式挑膜装置为核心部件，但是由于使用者操作方式与水平存在差异，以及工作参数匹配方面不合理，使得弧线往复式挑膜装置由于受力不均匀，造成旋转受阻，进而影响机具的总体拾膜性能，降低残膜拾净率。

残膜拾净率是滚筒式残膜回收机总体性能的重要指标。从弧线往复式挑膜装置挑膜过程来说，收膜效果的优劣、残膜拾净率的高低与诸多因素有关，经过多年的研究表明，在挑膜齿的形状、材料和数目一定的情况下，挑膜齿的运动速度、机具前进速度和齿尖入土位置3个参数是影响机具残膜拾净率的关键因素[16]。通过确立试验设计方案，进行地膜捡拾性能实地测试，分析3个参数间的配比关系对于滚筒式残膜回收机残膜拾净率的影响，确定机具的最佳工作参数，为滚筒式残膜回收机的优化设计提供数据参考，提高残膜拾净率。进而指导实际生产，提高滚筒式残膜回收机的作业效率，减轻白色污染，保护农田生态环境。

1 整机结构与工作原理

1.1 滚筒式残膜回收机

“11SM-1.5型滚筒式残膜回收机”（简称“滚筒式残膜回收机”）由主牵引架、弧线往复式挑膜装置、主传动系统、松土齿耙、行走举升系统、送膜轮装置等部件构成（如图1）。滚筒式残膜回收机是2015年新疆农业科学院农业机械化研究所研制的新型机具，主要适用于棉秸秆已被回收，无滴灌带及其相关管路的棉田。

图1 11SM-1.5型滚筒式残膜回收机组成结构简图Fig.1 Structure diagram of 11SM-1.5 roller type residual film recycling machine

作业时，滚筒式残膜回收机与拖拉机动力输出轴通过传动轴联结，行走举升系统通过液压控制将机具调整至工作位置，启动动力输出轴，动力传至弧线往复式挑膜装置以及后续工作部件，拖拉机牵引机具开始行进，松土齿耙在此过程中疏松膜面以下的土壤，减小挑膜齿入土的阻力，挑膜装置向上挑起地表残膜并带动到送膜轮装置入口，送膜轮将残膜刮下并抛至残膜收集箱，完成整个收膜过程[17-19]。

1.2 弧线往复式挑膜装置

弧线往复式挑膜装置主要依靠凸轮机构带动挑膜齿组在预定的弧线轨迹上完成往复运动，即在挑膜齿伸出时挑起残膜，挑膜齿缩入内腔时卸下残膜。该装置是耕前残膜回收的一种典型的装置[20-23]。

如图2a，在机具静止状态下，或者弧线往复式挑膜装置相对于机架绕其中心顺时针方向（图示方向）旋转，在凸轮盘滑道的作用下，挑膜齿在旋转至装置上方时缩入内部，在旋转至装置下方时完全伸出。弧线往复式挑膜装置相对于机架旋转一周时，挑膜齿尖的运动轨迹。

当在地表残膜面以下深度h时，每一根齿在土层下划过的距离为L0，h越深，L0越大，与此同时，装置转速越低，挑膜齿在膜面以下所运动的时间越久、轨迹也越长，从而地表的残膜越容易被收起，起膜概率越高[24-26]。

图2 挑膜齿齿尖运动轨迹Fig.2 Trajectory of pick membrane tooth

运用SolidWorks Motion对单组挑膜齿组进行运动仿真，仿真得出挑膜齿齿尖绝对运动轨迹[21]，如图2b所示，通过设定挑膜装置的前进速度v和自转转速ω，得出挑膜齿齿尖的绝对运动轨迹。可以看出，该组挑膜齿齿尖的轨迹为余摆线，若采用图2a所示6组均布挑膜齿杆组时，摆线的重合更为密集，从而可以使得地膜在被挑起的过程中不容易脱落。说明挑膜装置的转速、机具工作速度和挑膜齿入土深度是影响机具残膜拾净率的主要因素。

2 田间试验

2.1 试验条件

2016年5月，选取新疆尉犁县棉花地进行田间试验，棉田秸秆已被全部收割，地块内只存在地表残留的地膜、少数的秸秆和未起拔的根茬，滴灌带及管件已全部抽出。地块面积3.2 hm2，试验地平坦，地表铺设符合国家标准的宽度为1.45 m的农用地膜。

试验选用“11SM-1.5型滚筒式残膜回收机”，根据机具使用要求，避免了在收膜的过程中，存在大量棉花秸秆及其枝叶等带来的外部干扰。测得平均土壤含水率8.9%；单位面积膜平均质量为9.24 g/m2。配套动力采用常发CF420型拖拉机，标定功率30.9 kW，有8个前进档位，2个倒退档位，其后动力输出轴转速为540或720 r/min，试验选取540 r/min。

考虑到驾驶人员的熟练程度对机具的拾膜效果也有一定影响，在正式试验前，试验人员对驾驶人员进行了培训，驾驶人员能够熟练掌握机具的操作。

2.2 试验方法

依据《GB/T25412-2010残地膜回收机》、《NYT 1227-2006残地膜回收机作业质量》，设计试验[27-29]。

2.2.1 残膜拾净测量

机具的测试行程设为300 m，共测量4个行程。在每个行程测量区间内沿长度方向上的两车辙之间，随机抽取1个测点，测点面积为1 m×1 m见方，量取测点范围内当年地表残膜残余量（简称地表残量），人工将测区内未被收起的残膜进行收集装袋，并用净水清洗干净，去除灰尘、茎叶等杂质，晾干后称其质量，计算单个行程中单位面积残膜拾净率，及4个行程单位面积平均残膜拾净率，按式（1）和式（2）计算。

式中FGi为第i行程残膜拾净率，%，i=1,2,…,4; MGz为第i行程中单位面积残膜的平均质量，9.24 g/m2，i表示行数，MGi为第i行程中单位面积残膜残余的质量，g，i=1,2,…,4;FGi为平均残膜拾净率，%；

2.2.2 正交试验的试验因素及控制方法

1）试验因素及调整方法

确定本次试验的主要因素：挑膜装置转速A、机具工作速度B和挑膜齿入土深度C。

（1）挑膜装置转速A

回收机挑膜装置挑膜齿齿尖的轨迹为余摆线，因此在作业时，挑膜齿齿尖的线速度与回收机的工作速度之间的比值要满足一定的关系。

将线速度和速度的比值设为λ，通过前期试验，发现当λ值控制在1.1～1.2区间范围之内时，可以取得较好的拾膜效果，即挑膜装置挑膜齿齿尖接触地面时的水平线速度要略微大于回收机前进速度，可以将地表的残膜挑起而不至于脱落。

行驶速度依据配套拖拉机的2档、3档分别计算，工作速度可通过手动油门控制，当加载至油门最大值，最大工作速度vmax1、vmax3分别为4.31 km/h（1.192 m/s）和6.63 km/h（1.836 m/s）。依据线速度与直径的计算关系，挑膜装置转速，如式（3）：

式中vj为拖拉机前进速度，m/s；然后将工作速度经过单位转换后代入式（5），分别计算可得：ng2挡=45 r/min，ng3挡=67 r/min，

因此，将挑膜装置转速的水平范围确定为40～70 r/min，采用更换链轮组合来调整, 选择45、55和65 r/min作为3个水平。

（2）机具工作速度B

根据配套拖拉机的行驶速度，低速Ⅳ档、中速Ⅱ档、中速Ⅲ档3个档位的速度在柴油机转速为2 300 r/min时，理论速度分别为4.273、5.133、6.28 km/h，而拖拉机动力输出轴的额定转速指的是柴油机的转速2 000转的动力输出转速，发动机的转速越高，动力输出轴的转速随之越高。因此，为了保证前进速度与额定输出转速匹配，等间隔取3个水平分别为4、5、6 km/h。

速度的控制方法：驾驶人员通过转换拖拉机档位和控制手动油门大小调整拖拉机柴油机转速来控制动力输出轴转速和机具工作速度。

（3）挑膜齿入土深度C

由之前的分析可知，挑膜齿入土深度，也对地表的残膜的收集有影响，同时，入土越深也影响挑膜齿自身的使用寿命，因此，C不能过大，按照等间隔取3个水平分别为30、35、40 mm。

2）正交试验

采用三因素三水平试验，试验采用正交表L9（34），因素水平编码表和试验设计及结果见表1。由于拖拉机后输出轴的转速和发动机的转速是同步的，即油门越大，相同档位下的拖拉机前进速度越快，拖拉机后输出轴的转速越高，因此，表1中转速A和机具工作速度B需要通过调节传动系统进行匹配，如变换链轮传动比、皮带轮传动比，来调节挑膜装置转速来匹配不同的拖拉机前进速度[30-32]。

表1 因素水平编码表Table 1 Factor levels coding table

3 结果与分析

正交试验表与结果分析见表2、表3，从表2试验结果可知，各因素水平下的残膜拾净率为79.3%～93.3%；极差分析表明，影响残膜拾净率的主次顺序为挑膜装置转速A、机具工作速度B和挑膜齿入土深度C，其中挑膜装置转速A中最大k值为89.83，机具工作速度B中最大k值为88.73，挑膜齿入土深度C中最大k值为87.97，因此，分析各因素得最优水平组合为A1B1C2，该组合在正交试验表中无对应试验项。将A1B1C2组合再次进行对比试验，得到最优组合A1B1C2下的残膜拾净率为88.2%。比目前成熟的秸秆还田联合式残膜回收机的官方测定捡拾率高6.2个百分点。

表2 正交试验表与结果Table 2 Orthogonal test table and result

表3 残膜拾净率方差分析表Table 3 Variance analysis on rate of residual recovery

如图3，分析各试验因素对残膜拾净率变化趋势的影响发现：挑膜装置转速从45 r/min增至65 r/min时，残膜拾净率起初下降趋势不明显；挑膜装置转速达到55 r/min时，开始明显下降；工作速度从4 km/h增至6 km/h时，残膜拾净率呈逐渐下降趋势明显，说明速度越快残膜拾净率越低。入土深度在30 mm增至40 mm时，残膜拾净率起初呈上升趋势，入土深度达到35 mm时，残膜拾净率接近最大值，此后开始大幅度下降。

图3 残膜拾净率变化趋势Fig.3 Change trend of rate of residual recovery

通过方差分析，由表3可以看出，挑膜装置转速对残膜拾净率得影响高度显著（p＜0.01）。

经过以上分析，在实际生产要求的基础之下，为了使机具达到较高残膜拾净率的，选取最佳的组合为A1B1C2。

4 讨 论

滚筒式残膜回收机性能的优劣主要体现在机具在残膜回收时残膜拾净率上。通过长期的生产实践和经验发现，较高的转速则会消耗较高的能耗，高转速是机具振动的诱因，振动则是影响旋转部件的使用寿命乃至整机寿命的致命因素，而入土深度C越深，则易造成入土部件（松土齿耙、挑膜齿）与地表土层之间的阻力过大，从而入土部件的磨损程度，能耗同时也逐渐提高。因此所选取最佳的组合A1B1C2，适应了实际生产。

相较目前的已经比较成熟的秸秆还田联合式残膜回收机，其官方测定捡拾率为82%，而在实际适使用中由于土质差异（如：沙性土壤、黏性土壤）、棉田内的物料（如：棉秸秆、根茬等）不同、驾驶人员的操作经验等因素，造成残膜拾净率往往低于官方测定值。通过本研究发现，在一定的土质条件下，按照选取的最佳组合进行试验，残膜拾净率可达到88.2%，高于秸秆还田联合式残膜回收机。

但是，本试验只针对了一种土质做了挑膜装置转速、工作速度、入土深度的参数配比试验，具有一定的局限性。今后在此试验的基础上，可以对不同硬度、不同湿度、不同土质进行进一步试验研究。

5 结 论

1）以残膜拾净率为试验指标，以挑膜装置转速、机具工作速度和挑膜齿入土深度为试验因素，对滚筒式残膜回收机进行正交试验，结果表明：影响残膜拾净率的主次顺序为挑膜装置转速、机具工作速度和挑膜齿入土深度，挑膜装置转速对残膜拾净率得影响高度显著。

2）得到机具的最佳工作参数，挑膜装置转速控制在45 r/min、机具工作速度控制在4 km/h和挑膜齿的入土深度控制在35 mm，此时机具残膜拾净率为88.2%，比目前成熟的秸秆还田联合式残膜回收机的官方测定捡拾率高6.2个百分点，达到指导实际生产，提高残膜回收机的作业效率的目的。

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Performance test on roller type residual film recycling machine

Liu Xuanfeng1, Shi Xin1, Guo Zhaofeng1, Wang Chunyao2, Wang Xuenong1※
(1. Research Institute of Agricultural Mechanization, Xinjiang Academy of Agricultural Sciences, Urumqi 830091, China; 2. College of Mechanical Engineering, Xinjiang University, Urumqi 830008, China)

Plastic mulch technology is an important mean to promote agricultural production efficiency and increase income of farmers. As increase of using mulch plastic film in agriculture production, recover and recycling of the film become an issue. So there is an urgent need for an efficient and reliable technique of mechanical recovery of residual film to solve the problem of increasingly serious pollution of arable land caused by the debris of mulch film. 1LSM-1.5 roller type residual film recycling machine is a typical waste plastic mulch film recycling machine, with arc reciprocating film picking drum as core device. This device has a problem of improper matching of working parameters.When the machine operated, because of the uneven of user's operation level, and the improper structure design of the machine, the overall performance of residual film recovery is affected resulting in reduction of recovery rate of residual film. Recovery rate of residual film is an important index of overall performance of roller type residual film recycling machine. From the process of picking plastic mulch film of arc reciprocating picking-up device, the effect of plastic mulch film collection and the rate of recovery of residual film are related to many factors. According to the structure and working principle of the roller type residual film recycling machine, in this study, the working mode of arc reciprocating picking-up device and the trajectory characteristics of film picking tooth were analyzed, Through the analysis, we determined the main factors affecting the performance of equipment, they were plastic mulch film pick up device rotational speed, the machine advance speed, and the embedded depth of film picking tooth. Orthogonal test was used to analyze and determine the main factors affecting the performance of machine. Taking film pick-up device rotational speed, the machine advance speed, and embedded depth of film picking tooth as the experimental factors, with residual film picking rate as test indexes, we determined the significance, priority, and order of factors and at the same time, analyzed the influence of each test factor on the change trend of recovery rate of residual film. The results showed that the optimum level combinations of selected parameters to obtain the best working conditions for the machine were 45 r/mine for the film pick up device rotational speed, 4 km/h for the machine advance speed, and 35 mm for the embedded depth of film picking tooth. With such this optimum working parameters, the equipment residual film collecting rate was 88.2%. The residual film recovery machine achieved design standards, and the residual film recovery rate was 6.2% higher than that of the current straw combined residual film recovery machine. The above research can provide data reference for the optimization design of residual film recycling machine in order to protect the farmland ecological environment.

agricultural machinery; plastic films; experiment; residual film collecting; arc plastic mulch film pick up device; rate of recovery of residual film

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.16.004

S223.5

A

1002-6819(2017)-16-0026-06

刘旋峰，石 鑫，郭兆峰，王春耀，王学农. 滚筒式残膜回收机的性能试验研究[J]. 农业工程学报，2017，33(16)：26 -31.

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.16.004 http://www.tcsae.org

Liu Xuanfeng, Shi Xin, Guo Zhaofeng, Wang Chunyao, Wang Xuenong. Performance test on roller type residual film recycling machine[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(16): 26-31. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.16.004 http://www.tcsae.org

2017-03-02

2017-07-10

新疆维吾尔自治区青年科学基金项目“残膜回收机凸轮机构曲线优化与试验”（2014211B028）。

刘旋峰，男（汉族），新疆乌鲁木齐人，助理研究员，主要从事农业机械化技术装备研究。乌鲁木齐 新疆农业科学院农业机械化研究所，830091。Email：52695694@qq.com.

※通信作者：王学农，男（汉），陕西汉中人，研究员，主要从事农业机械研究。乌鲁木齐 新疆农业科学院农业机械化研究所，830091。

Email：xjwxn@xaas.ac.cn