杆齿式残膜回收机的设计与试验

段威林，谢建华，张学军，张凤贤，唐 炜

(新疆农业大学 机电工程学院，乌鲁木齐 830052)

0 引言

地膜覆盖栽培技术引入我国以来，广泛应用于农业生产中。该项技术能够有效保持土壤湿度、提高土壤温度、减轻作物病害和抑制杂草生长[1]，从而提高作物产量。但由于地膜在使用后不能够及时回收处理，加之残膜本身采用聚乙烯等材料，自然条件下很难降解，在土壤中可存在几百年之久[2]。地膜残留田间不仅破坏土壤结构，还会影响水的渗透，阻碍根系生长，严重影响了农业经济的发展[3]。目前，国内主要通过人工捡拾和机械回收两种方式回收残膜[4]，由于人工捡拾存在成本高、拾净率低、效率低等缺点逐渐被机械回收的方式代替。为了解决残膜回收问题，我国农机科研人员研制了多种残膜回收机具，包括夹持式、杆齿式、伸缩杆齿式及钉齿式等几十种[5-7]，但普遍存在拾膜卸膜机构复杂、可靠性差等问题。为此，本文设计了一种结构相对简单的杆齿式残膜回收机，并通过台架试验对影响机具拾膜率和卸膜率的因素进行了分析和优化。

1 杆齿式残膜回收机的结构及工作原理

杆齿式残膜回收机主要由杆齿式拾膜机构、卸膜机构、卸膜驱动机构、起膜装置、行走轮、集膜箱及悬挂架等组成，如图1所示。机具作业时，通过悬挂架与拖拉机相连，牵引机具沿着膜行前进；地轮转动的同时通过其上的链传动系统带动杆齿式拾膜机构转动，固定在拾膜杆齿轴上杆齿入土并在起膜齿的辅助下挑起地膜，向上输送至卸膜位置；卸膜机构在卸膜驱动机构的带动下实现往复摆动，摆动的卸膜杆齿将拾膜杆齿上的残膜刮入集膜箱，实现残膜回收。

杆齿式残膜回收机的主要技术参数如下：

整机尺寸/mm：1 750×1 560×1 200

配套动力/kW：50

作业幅宽/mm：1 500

挂接形式：三点悬挂式

作业速度/km·h-1：4～5

1.机架 2.行走轮 3.集膜箱 4.起膜装置 5.杆齿式卸膜机构 6.杆齿式拾膜机构 7.卸膜驱动机构 8.转轴 9.悬挂架

2 主要部件设计

2.1 杆齿式拾膜机构

杆齿式拾膜机构主要由拾膜主轴、支撑架、拾膜杆齿、拾膜轴、曲柄、滚子及凸轮盘组成，如图2所示。杆齿轴的一端通过带座轴承与支撑架连接，支撑架焊接在拾膜主轴上，杆齿轴的另一端与曲柄固定连接，曲柄和滚子相连，滚子嵌于滑道内，凸轮盘通过螺栓固定在机架上。拾膜机构将当年新铺地表膜挑起并升运至卸膜阶段，为保证拾膜杆齿连续作业及不漏拾地表残膜，支撑板上安装4组拾膜轴。

拾膜杆齿在杆齿轴上的排布应保证拾膜杆齿可靠捡膜、不漏拾、不缠绕残膜和不与残茬干涉。为了使地膜与其下附着的板结土壤分离，需要安装起膜齿辅助挑膜。

拾膜杆齿排布示意图如图3所示。新疆一膜四行种植模式下的覆膜宽度为1.25m，其中窄行间距为100mm，宽行间距为660mm[8]。为避免机具工作时拾膜杆齿与棉花根茬发生触碰，同时考虑到杆齿轴受力均匀，将拾膜杆齿中心距设置为167mm，并均匀地排列在拾膜轴上。

2.2 杆齿式卸膜机构

杆齿式卸膜机构主要由卸膜轴和卸膜杆齿组成，如图4所示。根据拾膜杆齿在拾膜轴上的排布位置，卸膜轴上共布置7组卸膜杆齿，每组卸膜杆齿包含4个卸膜杆齿，且每组卸膜杆齿间的距离e为64mm。根据拾膜杆齿的结构，设定组内一侧两卸膜杆齿间的距离f为8mm，设定组内中间两卸膜杆齿的距离g为51mm。机具工作时，拾膜机构上的双排链轮通过传动链带动转轴，转轴与拾膜机构的速度比为4:1。固定在转轴上的卸膜驱动机构将动力传递给卸膜机构，使卸膜杆齿至少刮捋拾膜杆齿1次。

1.卸膜轴 2.卸膜杆齿

2.3 卸膜驱动机构

由于四杆机构具有结构简单、加工制造容易等特点，因此卸膜驱动机构采用四杆机构。卸膜驱动机构主要由套筒、卸膜杆、销轴、导杆和曲柄组成，如图5所示。

1.套筒 2.卸膜杆 3.销轴 4.导杆 5.曲柄

卸膜驱动机构是实现卸膜杆齿往复摆动的关键部件，可直接控制卸膜杆齿的摆角范围。卸膜杆齿摆角范围的大小对卸膜杆齿能否将拾膜杆齿上的残膜刮入集膜箱有直接影响。摆角范围过小，使得刮下的残膜无法进入到集膜箱，易造成已经捡拾起的残膜落入田间，降低机具的拾膜率；摆角范围过大，会使四杆机构整体尺寸增加，机构运动不稳定，动平衡性能差，最终影响机具寿命。卸膜杆齿的最大、最小摆角出现在曲柄和导杆共线时的极限位置[9]，如图6所示。

卸膜杆齿的摆角大小可以表示为

θ=θ2-θ1=∠BAD-∠B1AD

已知卸膜杆a的长度为190mm，导杆b的长度为680mm，曲柄c的长度为135mm，卸膜轴与转轴间的水平距离d为717mm，通过计算可以得出∠BAD=114°，∠B1AD=21.6°，因此卸膜杆齿的摆角θ取92.4°。

ABCD为卸膜杆齿摆角最小时的极限位置，AB1DC1为卸膜杆齿摆角最大时的极限位置。

图6 卸膜驱动机构极限位置示意图

Fig.6 Schematic diagram of the drive mechanism of unloading film in limiting position

2.4 起膜装置

起膜装置的作用是将地膜与其下附着的板结土壤分离，辅助杆齿式拾膜装置拾膜。起膜装置主要由安装板、起膜轴和起膜齿组成，如图7所示。其中，起膜齿焊接在起膜齿轴上，并通过安装板固定在机架上。起膜齿在起膜时需要入土达到一定深度，其工作阻力是机组牵引阻力的重要部分[10]。为了避开棉花根茬，减小机组牵引阻力，将相邻两起膜齿的距离设置为110mm。起膜齿的入土角也影响起膜齿工作时阻力的大小，入土角越小，起膜齿工作时的阻力越小，但起膜齿入土深度不够；入土角越大，入土深度越深，起膜齿工作阻力越大。经部件试验可知，起膜齿的入土角度β取22°。

1.安装板 2.起膜齿轴 3.起膜齿

3 台架试验

为验证拾膜、卸膜机构性能，找到杆齿式残膜回收机的最优工作参数组合，利用小型移动式土槽台车对机构进行试验。

3.1 试验设备

试验在移动式土槽试验系统上进行，如图8所示。该试验系统由土槽车、固定架、集膜箱、杆齿式拾膜机构、卸膜驱动机构、杆齿式卸膜机构、电动机及控制电箱等组成[11]。土槽车由路阳红404型拖拉机牵引，连接在控制电箱上的变频器可以调节拾膜机构的转速。

1.土槽车 2.固定架 3.集膜箱 4.杆齿式卸膜机构 5.杆齿式拾膜机构 6.卸膜驱动机构 7.电动机 8.控制电箱

3.2 试验因素的确定

根据杆齿式残膜回收机的结构及工作原理，本试验选取机具行进速度A、拾膜杆齿线速度与机具行进速度比B、拾膜杆齿入土深度C为影响拾膜率和卸膜率的3个关键因素。其中，将本试验机具行进速度的范围设定为0.6～1.2m/s，拾膜杆齿线速度与机具行进速度比设定在0.8～1.2之间，拾膜杆齿入土深度设定在30～90mm之间。

3.3 试验评价指标的确定

影响杆齿式残膜回收机性能和工作效果的因素是拾膜率和卸膜率，计算公式分别为

式中P1—拾膜率；

P2—卸膜率；

ma—未被捡拾起的残膜质量；

mb—被杆齿挑起但未被刮入集膜箱中的残膜质量；

mc—被刮入集膜箱中的残膜的质量。

3.4 试验设计

本试验采用Box-Benhnken 试验设计方法，以机具行进速度A、拾膜杆齿线速度与机具行进速度比B、拾膜杆齿入土深度C为自变量，因素水平如表1所示，试验结果如表2所示。

表1 试验因素水平

表2 试验方案及结果

4 试验结果分析及优化

4.1 拾膜率分析

利用Design-Expert软件对表2中的数据进行处理，分析结果如表3所示。同时，得到以拾膜率为响应函数、以各因素为自变量的回归方程为

Y=85.3+4.79A+3.77B-4.08AB-

3.33BC-6.05B2-2.78C2

其中，A、B、C分别为机具行进速度、拾膜杆齿线速度与机具行进速度比、拾膜杆齿入土深度。

回归模型的方差分析如表3所示。拾膜率回归模型的P值远远小于0.01，该模型极其显著，说明试验成立，失拟项P值大于0.05，表明模型与数据拟合程度高。由表3可以看出：A、B、AB、B2对模型影响极显著， BC、C2对模型影响显著，而C、AC、A2对模型无显著影响。各单因素对模型显著性影响大小顺序为：机具行进速度>拾膜杆齿线速度与机具行进速度比>拾膜杆齿入土深度。

表3 回归模型的方差分析

P<0.01为极显著(**)，P<0.05为显著(*)。

交互因素对拾膜率影响的响应面曲线如图9所示。

图9 交互因素对拾膜率的影响

图9(a)为杆齿入土深度在60mm时机具行进速度与速比对拾膜率影响的响应面曲线图，可以看出：速比和机具行进速度同时变大时，拾膜率先增大后减小，存在最优值。在零水平下，机具行进速度对拾膜率的影响比速比对拾膜率的影响更为显著。由图9(b)可以看出：机具行进速度为0.9m/s、拾膜杆齿入土深度与速比同时增加时，拾膜率先增大后减小，存在最优值，速比对拾膜率的影响比杆齿入土深度对拾膜率的影响更显著。

4.2 卸膜率分析

在该组试验中，卸膜率主要和拾膜杆齿线速度与机具行进速度比有关。根据台架试验可知：速比较高时，卸膜机构往复摆动的速度快，卸膜时容易回带残膜；速比较低时，拾膜主轴的转速相对较慢，拾膜杆齿还未将残膜升运至卸膜位置时，在残膜自重的作用下会使得残膜掉落至集膜箱外。根据试验可知：当速比为1.0时，卸膜效果较好。

4.3 参数优化

应用Design-Expert数据分析软件对拾膜率进行优化分析，设定目标函数拾膜率为Y[max]。因素约束分别为：机具行进速度0.6～1.2m/s，拾膜杆齿线速度与机具行进速度比0.8～1.2，杆齿入土深度30～90mm。优化结果为：当机具行进速度1.2m/s、速比1.0、杆齿入土深度55mm时，拾膜率为88.6%。

5 结论

1)根据新疆一膜四行的机采棉覆膜种植模式，设计了杆齿式残膜回收机，并对杆齿式残膜回收机的主要工作部件进行分析，确定了各机构的设计参数。

2)设计了Box-Benhnken三因素三水平响应面试验，并通过Design-Expert数据分析软件对拾膜率方差进行分析。结果表明：机具行进速度、速比对拾膜率影响极其显著，杆齿入土深度对拾膜率影响不显著。

3)通过Design-Expert软件计，算出了机具行进速度、速比、杆齿入土深度三因素的最优组合，即当机具行进速度为1.2m/s、速比为1.0、杆齿入土深度为55mm时，拾膜率、卸膜率最优。