圆盘扎辊式残膜回收机的设计

谢建华，杨业龙，孙超伟，曹晓冉，王 坤

(新疆农业大学 机械交通学院，乌鲁木齐 830052)



圆盘扎辊式残膜回收机的设计

谢建华，杨业龙，孙超伟，曹晓冉，王 坤

(新疆农业大学 机械交通学院，乌鲁木齐 830052)

针对边膜回收较难的问题，设计了一种圆盘扎辊式残膜回收机。阐述了该机具的工作原理和设计方案，并对圆盘扎辊式残膜回收机具中圆盘和拾膜杆齿等主要部件进行了设计，确定了拾膜杆齿的排列方式和运动轨迹方程。对机具进行试验表明，该机具的净回收率为80%以上。

回收机；圆盘扎辊式；边膜

0 引言

地膜覆盖技术是农业种植中的一项重要技术，在我国北方地区的应用比较广泛。地膜覆盖技术具有防虫灭草、保持植物生长环境的温度和湿度等作用，对农作物产量的提高具有显著效果[1-3]。随着气候反常的加剧和种植结构对农作物生长的影响，需要地膜覆盖的作物种类和种植面积在不断地增加[4-5]。我国农用地膜的使用量自20世纪80年代以来，年均增长率约为8%；1991-2011年的20年间，农用地膜的使用量增加了3～10倍[6-7]。地膜使用量增加和使用后残地膜回收不彻底，导致了大量使用后的地膜碎片残留在土壤中，造成农业用地的严重污染。

近年来，国内劳动力的短缺使得人工捡拾残膜的方式难以持续，机械回收残膜成为未来残膜回收的发展趋势。现有的残膜回收机具存在回收率低、边膜回收难等问题，用于固定地膜的土壤经风化作用后板结于边膜之上，导致残膜回收过程中部分或大部分边膜仍滞留在土壤中[8]。为此，设计了一种圆盘扎辊式残膜回收机，包括圆盘碎土装置、扎辊式拾膜装置和卸膜装置3个部件，圆盘碎土装置将边膜覆土破碎且把边膜带出土壤，然后残膜由扎辊回收装置捡拾，再由刮膜板刮下后进入集膜箱。

1 设计方案及工作原理

1.1 设计方案

圆盘扎辊式残膜回收机由拾膜辊筒、卸膜板、集膜箱、机架、圆盘碎土装置和悬挂架等组成，如图1所示。

1.拾膜辊筒 2.卸膜板 3.集膜箱 4.机架 5.圆盘碎土装置 6.悬挂图1 圆盘扎辊式残膜回收机Fig.1 The disc-roller residual film recycling machine

1.2 工作原理

机具作业时，碎土圆盘将覆盖于边膜上的板结土壤破碎，并将边膜翻出土壤表面，便于拾膜装置对边膜的回收。机具前进过程中，拾膜杆齿扎入土壤，杆齿和土壤间的作用给辊筒转动提供动力，拾膜杆齿扎入土壤的同时将残地膜扎破带起；带有残膜的拾膜杆齿转到卸膜板位置时，由卸膜板将残膜刮下，被卸膜板刮下的残膜顺着弧形卸膜板进入集膜箱内。机具工作过程中，调节角度调节轴的长短和方向可以调整圆盘的碎土深度和角度，圆盘和拾膜杆齿可以根据实际要求进行拆卸和更换。

1.3 主要技术参数

配套动力/kW：≤15的中小型拖拉机

挂接形式：三点悬挂式

作业幅宽/mm：900

作业速度/km·h-1：4～5

圆盘碎土率/%：≥75

拾膜率/%：≥80

2 主要结构部件的设计

圆盘碎土装置主要由角度调节轴、顶丝、U型卡、固定板、套筒及碎土圆盘等组成，如图1所示。固定板通过其两端的U型卡固定于机架上，套筒焊接在固定板的中间位置。为了满足强度要求，角度调节轴选择直径为32mm的圆钢，套筒上下两端安装有两个顶丝，用于固定角度调节轴，实现圆盘工作深度和角度的调节。

1.角度调节轴 2.顶丝 3.U型卡 4.固定板 5.套筒 6.碎土圆盘图2 圆盘碎土装置结构图Fig.2 Structure of the disc soil crushing plant

2.1 圆盘的设计

圆盘是农业机械中应用较为普遍的碎土部件，农机中采用的圆盘多为球面圆盘，按其外形可分为缺口圆盘和无缺口圆盘。缺口圆盘外缘存在6～12个半圆形、三角形或梯形缺口，入土性能较强，碎土性能较好；无缺口圆盘的特点是制作工艺简单，磨刃较方便。碎土圆盘用于残膜回收机中破碎边膜覆土时，同时要考虑碎土、翻土和避免缠膜等问题，故选择无缺口球面圆盘作为圆盘扎辊式残膜回收机的碎土部件。

除圆盘的材质外，其圆盘工作角度、圆盘刃角、圆盘曲率半径及圆盘直径等因素对圆盘性能都会产生影响。圆盘的结构图如图3所示。

2.1.1 圆盘直径的选取

圆盘直径D主要由碎土深度决定，经验公式为[9]

D=Ka

(1)

其中，K为径深比，范围选取为3～5，碎土深度较大时取小值，反之取大值；a为设计碎土深度，20～40mm。

结构设计要求安装在轴上的圆盘可实现自由转动，则圆盘的直径应符合如下公式，即

D>2a+d

(2)

式中d—中心安装孔直径。

a为设计碎土深度；d为中心安装孔；o为曲率圆圆心；2φ为圆心角ρ为曲率半径；γ为圆盘偏角；i为耙片刃角；δ为圆盘厚度

图3 圆盘的结构参数

Fig.3 Structural parameters of a disc

2.1.2 曲率半径的选取

圆盘曲率半径ρ的选取与圆盘直径D、圆盘偏角γ和径深比K有关。曲率半径的选取按照经验公式选取，也可由下式计算，即

(3)

圆盘曲率半径越小，其翻土性能越强，工作阻力越大；反之，圆盘曲率半径越大，其翻土性能越差，工作阻力越小。

2.1.3 圆盘刃角的选取

圆盘刃角i的选取原则是在保证刃角口强度的前提下尽量取小刃角。只有圆盘刃角越小，圆盘才越锋利，碎土时工作阻力才越小。因此，本文设计的圆盘刃角为20°。

2.1.4 圆盘厚度的选取

圆盘厚度δ的选取一般依据其工作负荷的大小进行，或应用下面经验公式选取[10]，即

δ=0.008D

(4)

工作环境为黏重土壤时，δ=0.008D+1，常用圆盘厚度为3.5～6mm。

2.2 拾膜辊筒的设计

本设计中，残膜的捡拾采用了扎膜式回收方式，扎膜辊式残膜捡拾机构如图4所示。扎膜辊式拾膜辊筒由拾膜杆齿、紧固螺母、固定螺母、轴承、主轴和辊筒等组成。考虑制作安装方便，辊筒直径为400mm，壁厚为4mm，辊筒作业宽度为900mm。为减少漏拾面积，辊筒壁上呈螺旋状分布有64个杆齿固定孔，在辊筒外壁孔同心的位置上焊接螺母，对杆齿的一端进行套丝处理，用于和辊筒连接，且每根杆齿的螺纹端各配一个紧固螺母，方便杆齿紧固和拆卸。

1.拾膜杆齿 2.紧固螺母 3.固定螺母 4.轴承 5.主轴 6.辊筒图4 扎辊捡拾机构的结构图Fig.4 Structure of bar roll combination mechanism

2.2.1 拾膜杆齿的设计

本设计中拾膜杆齿的方式为扎膜方式，对杆齿的要求是在杆齿插入土壤的同时把残地膜带起。拾膜杆齿选择经过热处理后的45钢，选取圆头直杆齿、尖头直杆齿和尖头带弯度杆齿3种不同形状的拾膜杆齿，图5所示。

图5 拾膜杆齿结构简图Fig.5 Structure diagram of pickup rod tooth

2.2.2 排列方式

拾膜杆齿在入土的同时要尽量多地把土壤表面和土壤中的残地膜扎起，杆齿在入土的过程中主要受土壤垂直向上的阻力，杆齿的轴向排列要均匀[11]。拾膜杆齿在辊筒上的排列方式为交叉螺旋式排列，其在土壤上的作用效果如图6所示。辊筒旋转1周的作用面积为A×B=1.130m2。拾膜杆齿间距要尽量小，但要避免杆齿排列过于密集，对残膜造成破碎。两相邻杆齿的横向间距a=100mm，纵向距离b=97mm。

2.2.3 拾膜杆齿运动轨迹

扎辊捡拾机构在工作时的运动包括随拖拉机的前行运动和自身的圆周运动。当拾膜杆齿的入土速度过快时，冲击力较大，杆齿易变形，影响其拾膜效果，还会对卸膜带来困难；当拾膜杆齿的入土速度较慢时，出现漏拾现象，也会影响其拾膜效果。

图6 拾膜杆齿作用在土壤上的效果Fig.6 The effect of picking up the tooth of the membrane in the soil

图7为拾膜杆齿顶端M点在随辊筒转动时的运动轨迹，其M点的运动方程为

x=vt+rsinωty=rcosωt

(5)

式中v—拾膜机具前进速度(m/s)；

t—时间(s)；

ω—角速度(rad/s)；

r—辊筒中心到拾膜杆齿M点的距离mm。

图7 拾膜杆齿顶端M点运动轨迹Fig.7 The motion trajectory of M point on the tooth tip of the pick up rod

2.3 卸膜机构的设计

卸膜机构由固定螺栓、刮膜胶板和弧形板组成，如图8所示。其卸膜方式如下：当拾膜杆齿转到卸膜板空隙(空隙宽度为d)位置时，拾膜杆齿与刮膜胶板接触。图9为拾膜杆齿转过卸膜机构时与弧形板的位置关系。在拾膜杆齿转过卸膜机构的过程中(拾膜杆齿尖部经过1～4个位置)，拾膜杆齿上的残膜被刮膜胶板刮下后进入集膜箱。

1.固定螺栓 2.刮膜胶板 3.弧形板图8 卸膜机构简图Fig.8 Structure diagram of Film unloading mechanism

图9 拾膜杆齿与卸膜机构的位置关系Fig.9 Position relation between the position of the pickup rod

and the unloading mechanism

3 试验验证

图10为残膜回收机试验过程。试验选取地表较为平整的试验用地进行覆膜，农用地膜宽度为800mm，厚度标准为0.010mm。田间试验表明：机具作业速度选取4～5km/h、圆盘工作倾角选取20°～30°之间时，圆盘对边膜覆土的碎土率为75%～90%，且能将边膜翻出土壤表面。3种拾膜杆齿中，拾膜效果最佳的为尖头带弯度拾膜杆齿，其次为尖头直杆齿和圆头直杆齿；选取尖头带弯度拾膜杆齿时的拾膜率为80%～90%。

图10 残膜回收机试验过程Fig.10 Process of Testing of residual film recycling machine

4 结论

圆盘扎辊式残膜回收机主要用于种植行距在800mm以内的蔬菜平作覆膜种植，该回收机具结构简单、制作成本较低，拾膜杆齿可拆换。机具试验表明：边膜碎土率为75%以上、残膜回收率为80%以上，对边膜的回收具有较好的作用，满足农户对残膜回收机具的要求。

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Design of Disc-roller Residual Film Recycling Machine

Xie Jianhua, Yang Yelong, Sun Chaowei, Cao Xiaoran, Wang Kun

In this paper, we design a kind of recovery equipment of the disc roller type residual film. The working principle and design scheme of the recycling machine are described. The design of the main components of the disc and pick - up rod in the recovery equipment for the disc roller type residual film is designed. The arrangement mode and the motion track equation of the pick-up rod are determined. Test equipment to show that the net recovery of the machine is more than 80%.

recycling machine; disc-roller; the edge of ficm

2016-05-26

国家自然科学基金项目(51465057)

谢建华(1975-)，女，四川安岳人，副教授，硕士生导师，(E-mail)xjh199032@163.com。

S233.5

A

1003-188X(2017)06-0091-05