钉齿式马铃薯残膜复合收获机的设计和试验研究

高明青，简建明，侯书林，郭文松，散鋆龙，孙 岳，田玉泰，翟浩州

(中国农业大学 工学院，北京 100083)

0 引言

地膜覆盖技术可优化和改善栽培条件，克服农作物生长的的不利影响，具有保持水分、提高土壤温度及抑制杂草生长等特点；但这种技术广泛地使用导致 “白色污染”问题却日益严重。机械收膜方式能提高生产效率、降低劳动成本，研发改进适用性高的残膜回收机已成为农业机械化发展的迫切任务[1-2]。据中国国家统计局国家数据(2015)统计：2014 年我国马铃薯种植面积557.3万hm2(约占全球种植面积的21.7%；全国马铃薯产量1 910.3万t约占全球总产量的45.1%。马铃薯种植方式分为平作、垄作，尤以垄作使用最为广泛。垄作播种可方便排灌、防止田间积水和烂果，有利于马铃薯的发育，比平作种植产量高10%以上[3-5]。但其田间残膜会破坏土地结构，易导致土壤结板失去供养能力，影响马铃薯产量响马铃薯产量和农业机械的使用顺畅性。现有残膜回收机主要分为滚筒式、铲链式、铲筛式及耙齿式等[6]，却少有针对垄作马铃薯残膜回收的机具。目前，残膜回收机研发的焦点在玉米、棉花等作物，我国现阶段的马铃薯残膜回收机只有有限的几种，且大部分是在马铃薯收获后再进行残膜回收，只存在少数的机型可以实现马铃薯收获和残膜回收，所以解决垄作马铃薯残膜污染问题难度高且意义重大。

本文所设计的机型机构简便，不需要专门的卸膜装置，工作效率高。为此，设计确定了挖掘铲、输送装置和收膜装置等关键参数，并进行了田间试验。结果表明：该机具有挖掘和输送稳定、收膜率高、伤薯率低的特点。

1 整体结构设计和工作原理

钉齿式垄作马铃薯残膜复合收获收实物图如图1所示。

图1 钉齿式垄作马铃薯残膜复合机

机具结构简图如图2所示。复合收获机由复合机由挖掘铲、运送装置和收膜装置组成组成。机具作业时，四轮拖拉机尾部将动力传输到变速器，传送带采用PVC材质，PVC传送带带体弹性好，不易变形[7]，将钉齿安装PVC传送带上。从变速器传递来的动力通过三角带传递到PVC传送带和运送链，钉齿随着传送带转动。拖拉机驱动复合收获机前进，挖掘铲深入地下，将马铃薯和带有残膜的土壤铲起；随着运送链运动，当马铃薯运输到机具尾部时土豆掉到机具外面，残膜被挂在钉齿上随着传送袋转动；当残膜随着挑膜齿运动到b时，由于残膜自身的重力慢慢掉落在集膜箱中。机具进行田间作业时发现残膜到达b以后会过早掉落，易掉落在集膜箱壁上进而脱落在膜箱外面，或者直接掉落在集膜箱外，所以通过加入张紧轮将ab段设计成一段斜面，有效解决了残膜过早掉落的现象。收膜完成后，打开集膜箱将残膜取出。

1.挖掘铲 2.悬挂 3.变速器 4.集膜箱 5.张紧轮 6.钉齿 7.传送带 8.行走轮 9.三角带 10.运送链

plastic film composite potato harvester

2 关键部件机构设计及参数确定

2.1 振动挖掘铲

2.1.1 挖掘铲的关键尺寸

马铃薯收获后，田间的残膜、石块及马铃薯秧苗残留，都会对残膜回收机的工作效率和性能产生影响，所以对挖掘铲设计要点之一就是要满足田间工作要求。在工作过程中，起膜铲有主要由两个功用：①挖掘出土壤中的马铃薯；②将土壤表层和深层的残膜传递到输送链中。将马铃薯从土壤中挖掘出来，铲刃斜角α、挖掘铲的入土角β对挖掘起着决定性作用，其设计不合理时造成壅土现象，阻碍机器的前进速度，降低作业效率，且容易造成挖掘铲损坏，影响整个机器的稳定性[6]。挖掘铲横截面如图3所示。

图3 挖掘铲横截面示意图

图3中，α为铲刃斜角；β为挖掘铲入土角；h为挖掘铲的高度；L为挖掘铲的长度；Fn为地膜在挖掘铲面所受的摩擦力；Ff为地膜在挖掘铲面所受的摩擦力；G为地膜的重力；F为挖掘铲掘起物移动所需的力。由图3可知β、h、L之间的数学关系为

(1)

由查阅文献可知[8]：入土角为β为28°时，挖掘铲的整体性最好。由于马铃薯种植垄高一般为250～300mm，所以挖掘铲的高度不能超过300mm。取h=120mm，带入公式(1)取整，可得L=256cm。

2.1.2 挖掘铲振动装置结构原理

挖掘铲的振动装置主要由偏心轮、连杆、挖掘铲、连接横梁、销及螺栓紧固件等组成，如图4所示。

1.偏心轮 2.连杆 3.销座 4.连接横梁 5.挖掘铲

拖拉机将动力传递到变速器端的主动轴，带动轴端的偏心曲柄连杆机构转动，挖掘铲随之做往复运动。挖掘铲振动的工作性能与挖掘铲的入土深度、偏心距、机具的前进速度及挖掘铲的长度有关。机器在工作时，可以通过拖拉机后面的液压装置改变挖掘铲的入土深度及偏心轮的偏心距大小来调整挖掘铲的偏心运动幅度。机器前进速度随拖拉机的速度而变化。挖掘铲的振动装置可减小机器前进所受的阻力，大大减少壅土现象的发生，有利于增加马铃薯的挖掘效率和对残膜的回收率。

2.2 运送装置

运送装置主要由主从动轮、支撑轮、抖动轮、运送杆等组成，如图5所示。工作原理：位于前方的振动挖掘铲深入土壤，将马铃薯、土壤及残膜崛起；然后输送到运送装置的前端，倾斜升运杆条在向后运动的过程中会不断受到两侧两个抖动轮的抖动作用，挖入的土壤就会变松，而脱离马铃薯的土块就会往下落入土地中[9]。此装置的关键部件为抖动轮，两侧的抖动轮间歇性地与杆条接触，杆条就会上下抖动。

1.挖掘铲 2.从动轮 3.运送杆 4.支撑轮 5.抖动轮 6.主动轮图5 运送装置示意图

运动装置结构简图如图6所示。

图6 运送装置结构简图

图6中，L为两轴中心距；α为运送链的倾斜角度。根据运送链式输送装置线速度vp与机组速度vm的比值λ来确定运送带的线速度，即

(2)

试验表明，收膜率与输送带的线速度成反比例。当线速度在1.15～1.80m/s之间变化时，收膜率较高。为了保证机组的行进速度以及收获质量，通常取λ=1，使输送带的速度略高于机组的行进速度。为此，取输送带的线速度v=1.5m/s。

两轴中心距L的公式为

(3)

Lmin=0.75m

式中v-输送带线速度；

f-马铃薯滚动时的摩擦因数；

α-输送带倾斜角。

因此，设计主从驱动轮的中心距L为1 300mm，升运链的倾角α为23°，升运的高度为391mm。

3 收膜装置

残膜回收装置采用钉齿PVC传送带式回收装置，钉齿通过螺栓固定在传送带上。考虑到挑膜齿不能太密，容易刮伤土豆，采用同一排齿数量在4个最为合理。钉齿采用Q235材质钢筋，公称直径为8mm，长度为170mm，横向间距为250mm，纵向间距为400mm。传送带具有花纹，为了增大摩擦力在传动轮上缠上相同材质的PVC传送带，通过两个部分的摩擦面接触，靠摩擦力带动传送带转动。当马铃薯和残膜经运输链后，马铃薯掉在地上，残膜挂着挑膜齿上随着布袋转动，由于自身重力掉入集膜箱中。机具工作过程中，当残膜随着挑膜齿运动到b时，由于残膜自身的重力而掉落，残膜掉落早集膜箱壁上进而脱落在膜箱外面。所以，要将ab段设计成一段斜面，ab段倾斜的角度α的大小由张紧轮调节。经过田间试验，可得角度最佳为45°。传送带示意图如图7所示。

1.主动轮 2.残膜 3.张紧轮 4.PVC传送带 5.钉齿 6.从动轮

4 田间试验与结果

4.1 试验条件

田间试验在选定在河北省固安县清泉机械有限公司试验基地基地进行，马铃薯的种植面积约为0.5hm2，该地区覆膜垄作马铃薯地土壤各项指标适宜。其种植采用双垄覆膜方式，株距250mm，双行1m宽垄；地膜为白色地膜，宽度1 500mm，厚度为0.008mm；田间作业时采用东方红-404拖拉机，前进速度定位低速Ⅰ挡，输出转速为540r/min。

4.2 试验方法

钉齿式马铃薯残膜复合收获机试验的依据是NY/T648—2002《马铃薯收获机作业质量评价技术规范》[10]和GB/T25412—2010 《残地膜回收机》[11-12]。在试验田中随机选取1块长度为100m、宽度为1m试验区，把试验区分割成10m×1m的10块区域分别进行试验，记录试验相关数据；取10次试验的平均值来测定马铃薯残膜复合收获机的残膜捡拾率和伤薯率。

4.3 试验结果与分析

马铃薯残膜复合收获机的平均残膜捡拾率为90.3%，平均伤薯率为4.72%，满足马铃薯收获机和残地膜回收机的技术要求。复合收获机作业时，拖拉机行走流畅，各运动机构运行稳定，没发生壅土现象。通过复合收获机在田间的作业情况和地膜的状态可知，影响残膜回收率的主要原因是：残膜的面积较小时，随运输链传动到尾部时不能被钉齿挂住从而掉到土地表面；残膜压土较多并已经板结时，膜土分离不理想，影响残膜的回收。影响伤薯率的主要原因是：机具的前进速度及运输链的旋转速度速度过大时，相应的挑膜齿的线速度增大，导致伤薯率增大。

5 结论

1)马铃薯残膜复合收获机的性能参数为：配合动力≥25.7kW，整机外形尺寸为2 500mm×1 100mm×2 100mm，钉齿长度为17cm，生产率为0.3hm2/h，残膜回收率为90.3%，伤薯率为4.72%。

2)钉齿安装PVC传送带上将残膜从马铃薯残膜复合收获机的运输链链中挑起，并输送到机器上方的膜箱中。其机构简单，残膜依靠自身重力掉落到集膜箱中，不需要专门的卸膜装置。

3)复合收获机对田间小片残膜的回收存在一定的困难，残膜面积太小难以被钉齿挂住影响了残膜回收率。