随动式秸秆还田与残膜回收联合作业机设计与试验

张慧明，陈学庚※，颜利民，杨松梅

（1.石河子大学机械电气工程学院，石河子832003；2.农业部西北农业装备重点实验室，石河子832003；3.吉林大学生物与农业工程学院，长春130022）

0 引 言

新疆棉花种植采用旱地铺膜铺管的膜上播种方式，每年有大量的残膜滞留田间，造成了棉田的严重污染，对新疆农业生产的可持续发展造成了严重威胁[1-3]。因此，清理棉田残膜污染已经是一项十分紧迫且具有重要意义的工作[4-6]。新疆棉田的残膜回收仍以人工捡拾为主，人工捡膜劳动强度大、效率低、工作条件恶劣和有效拾净率低，因此研发工作可靠、残膜捡拾率高的残膜回收机具已成为该领域科研院所主要研究热点之一[7-10]。

国外针对残膜回收机的研究较早，机型多以收卷式残膜回收机为主，采用卷膜辊等部件完成作业，效率较高，主要用于苗期地膜及厚度大、强度高的地膜回收[11-13]。国内棉田使用的地膜厚度较薄，抗拉强度低，覆盖后受自然风化和人为因素影响，老化破损严重[14-16]。因此，国内残膜回收机按农艺要求和残膜回收时间，主要分为播前收膜机械、苗期揭膜机械和秋后收膜等回收机械[17-18]。播前收膜机械受弹齿入土深度影响（入土深度为25 mm），仅能回收地表残膜，且由于地膜自然留置时间较长老化严重且易碎，捡拾有一定的困难，该类回收机具回收率较低，只能作为一种临时补救措施[19]；苗期揭膜机械是在浇水前揭去全部地膜，地膜破损小且易于回收，一般采用人机配合方式，此时揭膜还有利于中耕、除草、施肥和灌水等，苗期揭膜导致土壤中水分蒸发量大，增加棉花后期需水量，不适于新疆铺膜铺管旱地播种作业方式[20]。目前，秋后地膜破损虽较严重，但基本上能保持连续性，且具有一定的弹性，比播前收膜效果好[21-22]。因此，国内针对秋后残膜回收膜机具的研究较多，主要采用先粉碎秸秆再回收残膜的作业方式，导致机具作业次数多、成本高、浪费工时，且机具的膜杂分离率低，致使回收残膜的含杂量高，无法回收利用。

本研究针对秋后收膜设计了一种随动式秸秆还田与残膜回收联合作业机，可一次性完成作物秸秆的粉碎还田、膜秆分离、残膜回收等多项作业，减少机具进地次数及工作费用，节约农时，大幅提高机具工作效率，有效降低回收残膜的含杂量。

1 整机结构组成及工作原理

1.1 整机结构组成及性能参数

联合作业机主要由牵引装置、传动系统、秸秆粉碎装置、秸秆输送装置、随动式残膜回收装置等组成；其中随动式残膜回收装置主要由起膜齿、膜上清杂滚筒、捡膜输送链、脱膜辊和机架等组成，整机总体结构如图1 所示，主要技术参数如表1所示[23]。

图1 随动式秸秆还田及残膜回收联合作业机Fig.1 Master-slave straw returning and residual film recycling combine machine

表1 联合作业机技术参数Table1 Technical parameters of combine machine

1.2 工作原理

该联合作业机采用拖拉机牵引式作业，配套动力≥66 kW 的拖拉机，通过后动力输出轴（PTO）输出动力并传递秸秆粉碎还田机，一次性完成秸秆粉碎、横向输送秸秆、膜面除杂、残膜捡拾、膜杂分离和脱膜等作业工序。工作时，联合作业机上的秸秆粉碎装置将通过护秸帘后的秸秆在高速旋转甩刀作用下被打碎，并在甩刀作用的惯性下向后抛撒落入机壳内，在机壳内秸秆经多次粉碎后呈碎段和纤维状，最后被抛送至输送搅龙，再经输送搅龙横向输送到粉碎装置的两侧，均匀的抛撒到田间，完成秸秆粉碎还田作业；联合作业机随拖拉机前进的同时，清杂滚筒在膜面逆时针转动，残膜捡拾部件处于随动工作状态，此时，在清理膜面杂余的同时，起膜钉齿扎入残膜，随着清杂滚筒的转动，残膜随捡膜输送链与土壤分离，并在联合作业机抖动分离装置的作用下，完成膜杂分离作业；当残膜被输送到脱膜装置时，在脱膜辊的作用下完成脱膜作业，完成棉田残膜捡拾作业，实现秸秆还田与残膜回收联合作业机的全部作业工序。

2 关键部件设计与参数确定

2.1 秸秆粉碎输送装置设计

秸秆粉碎输送装置是秸秆还田与残膜回收联合作业机的关键部件，其作业质量直接影响残膜回收和膜杂分离的作业效果。

2.1.1 结构组成

秸秆粉碎输送装置主要由地轮、搅龙撑板、输送搅龙、挡板、“Y”型甩刀、粉碎刀轴、护秸帘、悬挂支架、机架、带轮、侧板、行走轮油缸及龙门架等部分组成，结构示意图如图2所示。

图2 秸秆粉碎输送装置示意图Fig.2 Schematic diegram of straw crushing and conveying device

2.1.2 粉碎装置设计

秸秆粉碎装置是将田间机采过后的秸秆粉碎还田，既要保证粉碎秸秆质量，也要考虑机器工作的可靠性和寿命。秸秆粉碎装置主要由粉碎刀片、刀座和刀轴组成，其中刀片通过销轴与刀座铰接，刀座通过焊接与刀轴固接。

1)粉碎刀轴设计与刀座排列

秸秆粉碎还田作业机在工作时的切碎方式为无支撑切割，对刀片刀端的线速度要求较高。根据研究结果表明，刀片刀端的线速度大于30 m/s 时才能达到良好的粉碎效果，且要求刀轴的回转半径在240～350 mm 之间[24-25]。本文根据粉碎刀轴的工作性能与技术要求，刀轴选用Q345 无缝厚壁钢管加工而成，其外径尺寸D 为299 mm，壁厚尺寸d为12 mm，刀轴总长L为2200 mm。为保证秸秆粉碎还田作业机的作业质量，在作业幅宽、刀轴转速、前进速度相同的情况下，粉碎刀具的数量对其作业质量效果影响显著，数量过少，会出现漏切现象，数量过多则造成成本过高，消耗功率较大的弊端。粉碎刀轴与刀具通过铰接的形式连接，刀座焊接在刀轴上，其数量一般由粉碎密度来确定，对于Y型刀片，刀具的排列密度为0.023～0.04 片/mm[26]。根据作业幅宽要求，采用多头螺旋线排列方式，最终确定其刀座总数为42 个，其安装排列方式如图3所示。

图3 刀片在刀轴上安装排列Fig.3 Blade arrangement on cutter shaft

2)粉碎刀具选型与参数设计

常用的棉粉碎刀具类型主要分为直刀型、L型、Y 型和锤爪型及其它结构类型[27-28]。本文根据粉碎刀具各自特点及作业时整机的动平衡要求，Y 型粉碎刀片在形状上具有几何对称的特性，在作业时能够很好地克服刀组不平衡而造成的整机机体振动，根据随动式秸秆还田及残膜回收联合作业机的作业要求，选用Y 型粉碎刀片作为该装置的粉碎刀具，且设计尺寸为130 mm×60 mm×50 mm（L×W×H），刃口角为30°，折弯角为150°，材料为65Mn 钢，甩刀工作转速为800～1200r/min，其结构示意图如图4所示。

图4 刀片结构示意图Fig.4 Blade mechanism schematic

2.1.3 输送搅龙设计

输送搅龙是秸秆粉碎输送装置的重要组成部件之一，主要作用是将落入机壳内的秸秆横向输送到粉碎装置的两侧，并且均匀抛撒至田间。输送搅龙的结构尺寸和工作参数影响粉碎装置的效率，搅龙工作时其输送量不小于落入机壳内的秸秆量，根据粉碎后秸秆长度及密度等参数，确定输送搅龙的螺距为170 mm，螺旋升角为15°，螺旋叶片直径为200 mm。

2.2 残膜捡拾装置设计

残膜捡拾装置主要由旋转滚筒、除杂搅龙I、除杂搅龙II、起膜钉齿、传动钉齿、卷膜装置、脱膜辊、机架、落杂导板、支架、弹簧、平行四杆机构、限深辊和起膜齿等组成，其结构示意图如图5 所示。工作时旋转滚筒随拖拉机前进而转动，在传动钉齿的作用下残膜捡拾装置处于工作状态，并在整机重力、平行四杆机构及弹簧弹力的作用下捡拾机沿地面行走，完成田间作业仿形；同时，起膜齿与起膜钉齿相继入土，起膜齿将膜下土壤破碎使得地表残膜与其分离，并且起膜钉齿进入土壤将地表残膜挑起随链板总成一起运动，在脱膜辊及卷膜装置的作用下完成脱膜和卷膜，最终完成地表残膜的捡拾作业。在此过程中，地表残膜被翻转180°，使得膜上秸秆等杂质在重力的作用下掉落，在落杂导板的作用下进入除杂搅龙II，最终被输送到机器两侧。

图5 残膜捡拾装置示意图Fig.5 Diagram of residual film picking device

2.2.1 链板总成设计

链板总成是该残膜捡拾机的重要部件之一，主要由起膜钉齿、传动钉齿及链板组成，其中，起膜钉齿与传动钉齿均采用铆接方式进行固接，两链板之间通过销钉连接，结构尺寸示意图如图6 所示。本研究设计的链板为3 mm 厚的不锈钢板，其中链板单节尺寸为L×W=40×30 mm，起膜钉齿长度为50 mm，传动钉齿长度为10 mm，钉齿直径均为10 mm；链节距（相邻起膜钉齿间距）为160 mm，传动钉齿的节距为80 mm，相邻两条链板上的钉齿呈交错排布。

图6 链板总成单元结构示意图Fig.6 Structural diagram of chain plate assembly unit

2.2.2 起膜部件设计

起膜部件主要由起膜齿、圆管、平行四杆机构、机架、弹簧和限深辊组成，结构示意图如图7a 所示。起膜齿是由厚度为6 mm、长度为310 mm的钢板加工而成，均匀焊接在圆管上，两起膜齿间的距离为135 mm，总长度为1 890 mm。起膜齿的设计既要保证入土阻力小，又要保证有良好深松深度及土壤蓬松度，以保证整机的起膜性能及减小作业时壅土状况，并使膜上土壤及秸秆残枝等杂余能够顺利进入滚筒。起膜齿通过平行四杆机构安装在机架上，四杆机构一端通过限位弹簧强制限位起模齿；同时，起模齿在工作过程中具有良好地面仿形与保护作用。

起膜部件在田间工作过程中，对其进行受力分析，并以o 点为坐标原点建立坐标系oxy，如图7b 所示。作业时，工作部件全部入土瞬间，作用在起膜部件的摩擦力达到最大值，此时根据受力平衡方程可得

图7 起膜部件结构示意图Fig.7 Diagram of film-lifting component structure

式中Kt为土壤比阻，kPa，新疆的北疆地区大部分为轻壤、中壤土质，土壤比阻为40～60 kPa；南疆地区大部分为沙壤、轻中壤土质，土壤比阻为30～50 kPa[29]；a为起膜齿入土深度，mm；b为实际工作幅宽，mm。μ为滚动摩擦系数，一般取0.25～0.3；μ0为滑动摩擦系数，一般取0.09～0.10。

联立式（1）～（4）得，起膜齿的入土角为

由式（5）可知，起膜齿的入土角θ与牵引力F、捡拾部件对机架的压力N、起膜齿入土深度a、工作幅宽b、土壤比阻Kt及残膜杂质对起膜齿的压力G0有关。入土角θ 的大小影响残膜回收机的作业效率，通过试验确定残膜机的入土角θ 为10°～35°时残膜回收机的作业效率最好，此时起膜齿的入土深度为54～178 mm。

3 性能试验与分析

3.1 试验材料

为了提高随动式秸秆还田及残膜回收联合作业机的作业效果，针对作业机械工作参数进行优化试验。于2018 年11 月10 日在新疆生产建设兵团第一师十团八连进行田间试验，选取试验对象为铺膜时间约为180 d，厚度为0.01 mm 的耐候地膜。新疆属于典型的温带大陆性气候，作物一年一熟，试验地土壤类型为沙壤土，测得试验田50 mm 土壤坚实度的均值为2.821 kPa，平均含水率为22.1%，试验田为当年铺膜种植的棉田，测得机采后地表秸秆高度为800～900 mm，秸秆平均含水率为30%；棉田整体情况良好，土地平整，试验面积约为3×104m2；机具配套动力为约翰迪尔904 轮式拖拉机，拖拉机后置输出轴转速为540 r/min，前进速度为4.5～5.5 km/h。

3.2 试验仪器

皮尺（量程20 m，精度为0.01 m）、电子秤（量程30 kg，精度为0.001 kg）、分析天平（型号：ES-J200，量程200 g，精度为0.1 g）、土壤水分速测仪（型号：MS-10，精度为0.1%）、土壤硬度计（型号：SC900，精度为0.001 kPa）。

3.3 试验方法

为检验随动式秸秆还田及残膜回收联合作业机作业性能，参考NY/T 500-2015《秸秆粉碎还田机作业质量》与GB/T 25412-2010《残地膜回收机》标准要求，测定机器的作业情况，选择粉碎长度合格率、残膜捡拾率、膜杂分离率为响应评价指标；根据上述标准，秸秆粉碎还田机的作业质量指标要求粉碎长度合格率≥85%[30]，残地膜回收机的作业性能指标要求耐候地膜地表残膜捡拾率≥80%（地表及土层深度0～100 mm），膜杂分离率≥85%[31]；因此，本试验选取粉碎长度合格率≥85%（秸秆粉碎长度≤200 mm）、残膜捡拾率≥80%、膜杂分离率≥85%，为该随动式秸秆还田及残膜回收联合作业机作业性能检测标准。

田间试验测试区长度不少于100 m，宽度应满足机具3 个往返行程；测点为五点法，从测区4 个地角沿对角线，在四分之一至八分之一对角线长度范围内随机确定4个位置，再加上对角线交点，即为作业前的5个测点；然后在作业前的5 个测点附近但不重叠的区域再选取5 个测点，作为作业后的5个测点，测点长度为5 m，宽度为一个膜幅，即测点为2 m×5 m。

3.3.1 秸秆粉碎还田机作业质量测定

每个测点捡拾所有秸杆称质量，从中挑出粉碎长度不合格（＞200 mm）的秸杆（秸杆的切碎长度不包括其两端的韧皮纤维）称其质量，粉碎长度合格率按式（6）计算。

式中Y1为粉碎长度合格率，%；mz为每个测点秸杆质量，g；mb为每个测点中粉碎长度不符合规定要求的秸杆质量，g。

3.3.2 残膜捡拾率的测定

通过称质量作业前后测点的膜杂质量和表层残膜质量，按式（7）计算表层残膜回收率Y2。

式中Y2为残膜捡拾率，%；m 为作业后测点表层残膜质量，g；m0为作业前测点表层残膜质量，g。

3.3.3 膜杂分离率的测定

通过称质量作业前后测点的膜杂质量和表层残膜质量，按式（8）计算膜杂分离率Y3。

式中Y3为膜杂分离率，%；m1为作业后回收的膜杂质量，g；m2为作业前测点的膜杂质量，g。

3.4 试验设计

本试验采用三因素五水平的二次回归正交旋转组合优化试验方法，试验因素和水平编码如表2所示，试验方案及结果如表3所示。共进行20组试验，每组试验重复进行5次，取5次测试结果的平均值作为试验结果。试验方案设计及结果分析应用Design-Expert V8.0.6.1软件完成。

表2 残膜回收试验因素和水平编码表Table2 Factors and levels of residual film recovery

3.5 结果与分析

3.5.1 试验结果回归分析

试验结果如表3所示，通过Design-Expert V8.0.6.1软件进行方差分析，得到分别以秸秆粉碎长度合格率、残膜捡拾率和膜杂分离率为响应函数，以各影响因素为自变量的编码回归数学模型，如式（9）～式（11）所示。

表3 试验设计方案及结果Table3 Experiment design and results

式中X1为甩刀转速，r/min；X2为机器前进速度，km/h；X3为起膜齿入土深度，mm；

对残膜回收试验结果进行方差分析，如表4 所示，结果表明：秸秆粉碎长度合格率Y1、残膜捡拾率Y2和膜杂分离率Y3的回归方程模型P＜0.0001，表明3 个回归方程模型极其显著；Y1、Y2和Y3模型的F 检验均极显著，失拟项不显著，表明回归方程与实际情况具有良好的拟合关系，具有实际意义。

3.5.2 试验因素交互作用对秸秆粉碎长度合格率的影响分析

当起膜齿入土深度固定在0 水平（X3=80 mm）时，甩刀转速与机器前进速度之间的交互作用对秸秆粉碎长度合格率的影响规律见图8：当甩刀转速和机器前进速度分别增大时，秸秆粉碎长度合格率随甩刀转速的增大而增大，随机器前进速度的增大而减小；响应曲面沿甩刀转速X1方向变化较快，而沿机器前进速度X2方向变化较慢；在试验水平下甩刀转速对秸秆粉碎长度合格率的影响比机器前进速度影响显著。

3.5.3 试验因素交互作用对膜杂分离率的影响分析

当起膜齿入土深度固定在0 水平（X3=80 mm）时，甩刀转速与机器前进速度之间的交互作用对膜杂分离率的影响规律见图9a：当甩刀转速和机器前进速度分别增大时，膜杂分离率随甩刀转速的增大而增大，随机器前进速度的增大而减小；响应曲面沿机器前进速度X2方向变化较慢，而沿甩刀转速X1方向变化较快；在试验水平下甩刀转速对膜杂分离率的影响比机器前进速度影响显著。

表4 回归模型方差分析Table 4 Variance analysis of regression models

图8 试验因素对秸秆粉碎长度合格率Y1(X1,X2,80)的影响Fig.8 Influence of experimental factors on straw crushing length pass rateY1(X1,X2,80)

当甩刀转速固定在0 水平（X1=1000 r/min）时，起膜齿入土深度与机器前进速度之间的交互作用对膜杂分离率的影响规律见图9b：当起膜齿入土深度和机器前进速度分别增大时，膜杂分离率随起膜齿入土深度的增大而略有增加趋势，随机器前进速度的增大而减小；响应曲面沿起膜齿入土深度X3方向变化较快，而沿机器前进速度X2方向变化趋势不明显；在试验水平下机器前进速度对膜杂分离率的影响比起膜齿入土深度影响显著。由于起膜齿入土深度增加，起膜效果越好，膜杂分离效果越好。

图9 试验因素对膜杂分离率的影响Fig.9 Influence of experimental factors on membrane miscellaneous separation rate

3.6 参数优化

为了获得较好的残膜捡拾和膜杂分离效果，本文根据秸秆粉碎长度合格率、残膜捡拾率、膜杂分离率的技术要求为优化目标，进行随动式秸秆还田及残膜回收联合作业机的工作参数和结构参数优化分析[32-33]。应用Design-Expert V8.0.6.1 数据分析软件对建立的3 个指标的全因子二次回归模型优化分析，约束条件为：1）目标函数：Y1→Y1max≥85%；Y2→Y2max≥90%；Y3→Y3max≥90%；2）影响因 素 约 束：X1∈[ ]-1,1（甩 刀 转 速800～1200 r/min）；（机器前进速度（起膜齿入土深度60～100 mm）。优化后得出影响因素最佳组合区域，如图10所示，起膜齿入土深度在1水平（100 mm）时，响应目标函数有覆盖区域，通过Design-Expert V8.0.6.1 软件选取满意度最佳的组合为最佳参数组合：甩刀转速1200 r/min，机器前进速度4.5 km/h，起膜齿入土深度100 mm，模型预测的秸秆粉碎长度合格率为91.82%，残膜捡拾率为92.50%，膜杂分离率为95.20%。

图10 响应目标函数优化的覆盖图Fig.10 Overlay plot of graphical optimization

3.7 田间试验

本试验在新疆生产建设兵团第一师十团八连进行田间试验，如图11所示。

田间试验选取参数组合为：甩刀转速1200 r/min，机器前进速度4.5 km/h，起膜齿入土深度100 mm。试验共进行5 次，试验结果取平均值，如表5 所示。在上述参数下，该联合作业机的秸秆粉碎长度合格率＞88.62%、残膜捡拾率＞88.67%、膜杂分离率＞91.89%，其相对误差均小于3%，试验结果表明联合作业机的作业效果满足设计要求。

表5 田间试验测定结果Table 5 Measurement results of field experiment

图11 田间试验Fig.11 Field experiment

4 结论

1）本文针对新疆棉田秋后残膜回收难的问题，设计了一种秸秆还田与残膜回收联合作业机，并对整机关键部件进行了设计，确定了其结构尺寸等工作参数，该联合作业机一次作业可实现秸秆粉碎还田、膜杂分离及残膜回收等工序，大幅提高了机具工作效率；

2）通过响应曲面试验研究，分析了甩刀转速、机器前进速度和起膜齿入土深度对秸秆粉碎长度合格率、残膜捡拾率和膜杂分离率的影响趋势，建立了试验指标对3个因素水平的二次多项响应模型：各试验因素下甩刀转速对秸秆粉碎长度合格率的影响比机器前进速度影响显著；在试验水平下对膜杂分离率影响最显著的是甩刀转速，其次为机器前进速度和起膜齿入土深度；

3）通过Design-Expert V8.0.6.1 软件对试验结果进行优化，得到最佳参数组合为：甩刀转速1200 r/min，机器前进速度4.5 km/h，起膜齿入土深度100 mm；

4）根据最优参数组合进行田间试验，得到秸秆粉碎长度合格率、残膜捡拾率和膜杂分离率的均值分别为89.37%、90.31%和93.16%，表明秸秆还田与残膜回收联合作业机满足作业要求。