齿链复合式残膜回收机设计与试验

谢建华，唐 炜，曹肆林,2，韩英杰，张 毅，杨豫新，李开杰

齿链复合式残膜回收机设计与试验

谢建华1，唐 炜1，曹肆林1,2，韩英杰1，张 毅1，杨豫新1，李开杰1

（1. 新疆农业大学机电工程学院，乌鲁木齐 830052；2.新疆农垦科学院机械装备研究所，石河子 832000）

针对摆杆驱动式残膜回收机拾膜机构漏捡、卸膜机构回带地膜等问题，该文设计了一种齿链复合式残膜回收机。为了提高残膜回收率，该机具采用齿链式拾膜机构和杆齿式拾膜机构配合拾膜，并采用固定刮板式卸膜机构卸膜。为确保机具的可靠性，通过对拾膜、卸膜机构工作机理和动力学分析，获得拾膜机构运动轨迹和方程，确定了实现残膜捡拾、输送和脱卸的条件。以机具行进速度、拾膜齿入土深度、齿链式拾膜机构与杆齿式拾膜机构转速比（速比）为试验因素，拾膜率和缠膜率为响应值，进行了三因素三水平响应面试验，得到各因素的响应面模型，分析了各因素对作业效果的影响，并对各因素进行优化。结果表明，试验因素对拾膜率的影响大小顺序为：速比>机具行进速度>拾膜齿入土深度；对缠膜率的影响大小顺序为：机具行进速度>拾膜齿入土深度>速比。以优化后的结果进行验证试验，结果表明，当机具行进速度0.9 m/s，拾膜齿入土深度42 mm，速比0.6时作业效果最佳，拾膜率87.2%，缠膜率1.6%，拾膜率与理论优化值相差1.3%，缠膜率与理论优化值相差6.3%，误差较小，优化模型可靠，研究结果可为齿链复合式残膜回收机最佳工作参数的选择提供参考。

农业机械；设计；试验；残膜回收；杆齿；齿链；参数优化

0 引 言

由于地膜覆盖技术具有保墒、增温、抑制杂草生长等作用，自引入中国以来便得到大面积推广使用[1-4]，但这也造成了大量的地膜残留[5-7]。国外通常使用抗拉强度较大的厚地膜，回收后的地膜也便于二次利用，因此回收机构相对简单[8-9]。国内使用的大多为在自然环境中难以降解的聚乙烯农膜，回收困难[10-15]。国内许多学者也针对此问题研发了各式残膜回收机具[16-21]。张琴等[22]设计了一种通过起膜铲铲起膜土混合物，并通过锥形挑卷膜机构完成残膜收集的残膜回收机，但残膜缠绕在起膜齿和卷膜辊上，需要人工卸膜。穆道欢等[23]设计了一种通过弹性力完成残膜脱卸的残膜回收机，该机结构简单，但依赖捡拾机构的弹性力卸膜，残膜脱卸不彻底。闫盼盼等[24]设计了一种弹齿链耙式残膜回收机，但拾膜齿与地面接触不充分，容易造成漏捡，影响最终残膜回收率。

课题组前期通过摆杆驱动式残膜回收机的台架试验，确定了拾膜、卸膜机构的最佳结构和工作参数[25-27]。采用台架试验得到的相关参数加工整机，并于2018年7月在新疆兵团石河子市的试验地进行田间试验，试验发现：虽然摆杆驱动式残膜回收机在台架试验时具有较好的试验效果，但对于实际田间环境的适应性较差，在工作过程中容易漏捡，长时间作业会导致卸膜齿弯曲变形，且存在一定程度的回带地膜情况。针对这些问题，并结合实际田间作业情况，在摆杆驱动式残膜回收机的基础之上，改进设计了齿链复合式残膜回收机，增加二次拾膜机构，并将卸膜杆齿卸膜改为柔性橡胶刮板刮膜。本文基于对拾膜、卸膜机构工作机理和动力学分析，确定了实现残膜捡拾、输送和脱卸的条件；运用Design-Expert软件，采用三因素三水平响应面试验分析了各因素对试验指标的影响，利用二次回归模型优化得到机具的最佳工作参数，并进行试验验证。

1 整机结构与工作原理

1.1 整机结构

齿链复合式残膜回收机的工作部件主要包括杆齿式拾膜机构、齿链式拾膜机构和刮板式卸膜机构3大部分。主要是由机架、集膜箱、杆齿式拾膜机构、地轮、齿轮换向机构、链传动机构、齿链式拾膜机构、限深轮和刮板式卸膜机构组成，整机结构如图1所示。

1.机架 2.集膜箱 3.杆齿式拾膜机构 4.地轮 5.齿轮换向机构 6.链传动机构 7.齿链式拾膜机构 8.刮板式卸膜机构 9.限深轮

1.2 工作原理

机具工作时，由拖拉机牵引，带动地轮转动，由地轮通过链传动带动齿轮换向机构转动，再传递给杆齿式拾膜机构，杆齿式拾膜机构通过链传动带动齿链式拾膜机构转动。机具前进时，先由齿链式拾膜机构对地面的残膜进行一次拾膜，残膜经刮板式卸膜机构被卸进集膜箱；地面经齿链式拾膜机构捡拾后，还会存在一部分的地膜残留，再经杆齿式拾膜机构进行二次拾膜，捡拾起来的残膜经齿链式拾膜机构上的弹齿刮捋、输送，最后经刮板式卸膜机构卸进集膜箱。机具在工作时共完成2次拾膜及多次卸膜。

1.3 主要技术参数

齿链复合式残膜回收机的主要技术参数如表1所示。

表1 齿链复合式残膜回收机主要参数

2 主要部件设计

2.1 拾膜机构

2.1.1 齿链式拾膜机构

齿链式拾膜机构作为机具的关键部件，其作业效果及可靠性直接影响到残膜回收机的工作性能。如图2a所示，齿链式拾膜机构主要由固定板、弹齿、弹齿轴和传动链组成。如图2b所示，根据新疆地区一膜四行机采棉种植模式（660 mm+100 mm），在每一根弹齿轴上均匀分布7组弹齿，相邻弹齿中心距167 mm，共设置10根弹齿轴，相邻弹齿轴间距144 mm。弹齿轴通过带座轴承和固定板与机架连接，与机架成45°倾角，由链条带动旋转。

1.机架 2.固定板 3.弹齿 4.弹齿轴 5.传动链 6.作物植株

2.1.2 杆齿式拾膜机构

杆齿式拾膜机构如图3所示，主要由拾膜齿、滚子、曲柄、拾膜齿轴、主轴、滑道和固定外壳组成。为了使每一组杆齿式拾膜机构的弹齿与齿链式拾膜机构的弹齿相匹配，实现残膜的刮捋，同样在每根拾膜齿轴上等距排列7组拾膜齿，共设置4根拾膜齿轴。机具前进时，地轮通过链传动传递动力给杆齿式拾膜机构，在滑道的作用下，拾膜齿完成入土、挑膜、升运。

1.拾膜齿 2.滚子 3.曲柄 4.拾膜齿轴 5.主轴 6.滑道 7.固定外壳

齿链式拾膜机构和杆齿式拾膜机构采用间隔和结构相同的弹齿，如图4所示。弹齿材料为55SiMnVB，弹齿直径为5 mm，弹齿齿间间距为72 mm，齿链式拾膜机构的弹齿轴心距齿尖距离为150 mm，杆齿式拾膜机构的弹齿轴心距齿尖距离为230 mm。

注：L1为弹齿齿间距离，mm；L2为弹齿轴心距齿尖距离，mm；d为弹齿直径，mm。

2.2 卸膜机构

刮板式卸膜机构如图5所示，主要包括机架前横梁、支撑架和橡胶刮板。为了避免拾膜弹齿与卸膜机构碰撞，从而引起卸膜机构产生永久变形，影响后续继续卸膜，卸膜板采用柔性橡胶刮板，刮板上设置宽度为8 mm的条形槽，两两与拾膜齿对应，刮板通过支撑架焊接在机架上。如图5b所示，被拾起的残膜通过卸膜导板输送，一部分在自身重力作用下掉进集膜箱，一部分被拾膜齿输送至卸膜板处，被卸膜板卸下，落入集膜箱，最终完成残膜的收集。

1.机架前横梁 2.支撑架 3.橡胶刮板 4.齿链式拾膜机构 5.输膜板 6.残膜 7.集膜箱

2.3 主要部件动力学分析

2.3.1 齿链式拾膜机构捡拾过程分析

齿链式拾膜机构作为残膜回收机主要拾膜机构，负责回收大部分残膜，杆齿式拾膜机构作为辅助拾膜机构，主要捡拾齿链式拾膜机构未捡拾干净的残膜。机构转速对于拾膜效果有重要的影响，转速过快容易将地膜撕碎，难以捡拾，还会造成振动，影响机构工作的稳定性；而转速过慢，弹齿挑起的残膜在升运过程中容易脱落。因此，需对拾膜机构捡拾过程进行分析，确定拾膜机构转速范围，保证机具正常作业。

则拾膜齿齿尖的运动方程为

将式（1）对时间求导可得拾膜齿的速度方程为

定义拾膜齿齿尖线速度1与机具行进速比的比值为

图6 拾膜齿运动分析

Fig.6 Motion analysis of film pickup tooth

为了避免拾膜齿转速过快而影响拾膜效果，只有当<1时，拾膜齿才能发挥较好的拾膜效果。当拾膜齿挑起残膜向上输送的过程中，被挑起残膜的受力如图7所示。

弹齿在入土挑起残膜后，残膜的受力平衡条件为

要保证残膜在升运过程中不脱落，弹齿给予残膜的摩擦力应不小于残膜所受的离心力，即

式中为被挑起残膜的瞬时加速度，m/s2；为被挑起残膜中心的瞬时半径，m。

根据课题组前期田间试验，结合现有结构参数，将机具行进速度设定为0.9～1.5 m/s，结合链轮半径=70 mm，拾膜齿长度=150 mm，初步确定拾膜齿转速为37～66 r/min。

注：G为残膜重力，N；FN为弹齿对残膜的支持力，Ν；Ff为残膜和弹齿间的摩擦力，Ν；Fg为残膜所受的惯性力，Ν；α为拾膜齿与垂直方向的夹角，(°)；γ为惯性力与支持力间的夹角，(°)。

2.3.2 刮板式卸膜机构卸膜过程分析

卸膜过程残膜的受力如图8所示，忽略残膜与弹齿和刮板间的静电吸附力[28]，残膜和卸膜刮板相对运动过程中受力平衡条件为

残膜被刮板式卸膜板卸进集膜箱的条件为

在卸膜过程中，当弹齿经过卸膜刮板时，应尽量避免弹齿将残膜拉扯断裂及撕裂，因此，弹齿对地膜的作用力应小于地膜的抗拉强度，即

由式（8）和式（9）可知，弹齿瞬时角速度的取值范围为

式中为弹齿上输送的经过卸膜板的残膜截面面积，mm2；[]为残膜的许用拉应力，Pa。

注：为卸膜刮板对残膜的作用力，Ν；1为弹齿与的夹角，(°)；1为弹齿与的夹角，(°)。

Note:is the force of film unloading scraper on residual film, Ν;1is the angle between the spring tooth and the, (°);1is the angle between the spring tooth and the, (°).

图8 卸膜过程中残膜受力分析

Fig.8 Force analysis of residue film during unloading process

3 田间试验

3.1 试验条件

为验证齿链复合式残膜回收机的作业效果、获取最优作业参数，于2019年6月底在石河子市145团进行田间试验。该试验地为留茬未耕地，地膜厚度为0.01 mm，与地表土壤粘结。试验地为较平坦的壤土，平均土壤紧实度为4 700 kPa，平均土壤含水率为18.9%。试验选用约翰迪尔404拖拉机提供动力，天马FA1004型电子天平为残膜称质量，托普云土壤紧实度仪测量土壤状况。

3.2 试验因素的确定及控制方法

根据前期摆杆驱动式残膜回收机的台架试验，结合齿链复合式残膜回收机的结构布置及工作原理，选取以下3个参数作为试验因素：机具行进速度（以下简称速度）1，拾膜齿入土深度（齿链式拾膜机构上拾膜齿的入土深度，以下简称深度）2，齿链式拾膜机构与杆齿式拾膜机构转速比（以下简称速比）3。

1）机具行进速度

拖拉机带动机具前进时，根据配套约翰迪尔404拖拉机的行驶速度，由驾驶人员通过转换拖拉机档位和手动控制油门来调整机具行进速度，根据前期台架试验得到机具最佳作业速度为1.2 m/s，考虑到实际田间情况有别于试验台，因此设置上下0.3 m/s的浮动范围，速度分别为0.9、1.2、1.5 m/s。

2）拾膜齿入土深度

拾膜齿入土深度的调节通过改变机具前端限深轮的高度来实现，拾膜齿入土越深，发生塑性变形的可能性越大，入土太浅则会造成残膜捡拾不净，综合前期台架试验得到的最优入土深度为65 mm和田间实际地膜残留情况，按等距取30、60和90 mm三挡拾膜齿入土深度可调。

3）齿链式拾膜机构与杆齿式拾膜机构转速比

齿链式拾膜机构的拾膜齿对于杆齿式拾膜机构的拾膜齿具备刮捋功能，故两拾膜机构的转速比对于机具的工作效果有着重要影响。由于动力是经链传动由杆齿式拾膜机构传递给齿链式拾膜机构，通过改变传动比可实现转速比的调节，通过前期试验并结合现有结构，速比设定为1.0、1.5、2.0。

试验因素水平见表2。

表2 试验因素和水平

3.3 试验指标

式中1为被收集到集膜箱的残膜质量，g；2为缠绕在机具上的残膜质量，g；3为每30 m地膜铺设前净质量，g。

3.4 试验方案及结果

试验采用三因素三水平响应面分析试验，共进行17组试验，每组试验重复3次取平均值，每次试验机具有效行程大于30 m，由人工收取集膜箱里和缠绕在机具上的残膜并装袋，做好标记。经清洗、晾晒后秤其质量，根据式（12）～（13）计算拾膜率和缠膜率，试验结果见表3。

表3 试验方案及结果

4 结果与分析

4.1 回归模型的建立与检验

利用Design-Expert软件对试验所得的数据进行分析处理，得到拾膜率、缠膜率的回归模型，方差分析结果见表4。拾膜率1的回归模型<0.01，说明该模型极显著，其中1、32对拾膜率1影响极显著，3、13对拾膜率1影响显著。缠膜率2的回归模型<0.01，说明该模型极显著，其中1、13、32对缠膜率2影响极显著，1223对缠膜率2影响显著。

注：<0.05(显著*)；<0.01(极显著**)。

Note:<0.05(significant,*);<0.01(highly significant, **).

根据表4可知，所选3个因素之间的交互作用对试验指标具有一定影响，因此采用多元回归拟合的方式对试验结果进行处理[29]，剔除不显著因素后，得到速度、深度和速比对拾膜率1、缠膜率2影响的回归方程为

4.2 各因素对性能影响分析

各因素对模型的影响程度通过贡献率值的大小来体现，值越大，各因素对模型的影响越大[30-31]，计算方法见式（16）、式（17）。表5为各因素贡献率，由表5可知，各因素对拾膜率贡献率大小顺序为：速比＞机具行进速度＞拾膜齿入土深度；各因素对缠膜率贡献率大小顺序为：机具行进速度＞拾膜齿入土深度＞速比。

表5 各影响因素贡献率

从模型方差分析可知，拾膜齿入土深度对拾膜率影响不显著，这是由于田间残膜含量随着土层深度的加深而逐渐减少，大部分残膜集中在肉眼可见的表层，因此，当拾膜齿入土深度达到一定程度后，其入土深度的变化很难再影响到拾膜率；而单一拾膜齿入土深度和速比两个因素对缠膜率影响均不显著，这是因为齿链复合式残膜回收机采用固定刮板式卸膜机构，卸膜刮板通过对拾膜弹齿的刮捋进行卸膜，单一拾膜齿入土深度和速比的改变不会影响到卸膜方式，故不会对缠膜率造成显著影响，但Design-Expert软件分析发现，速比与机具行进速度的交互作用会对缠膜率造成显著影响，因此，需要深入探究交互因素对各性能指标的影响。

4.3 交互因素对试验指标影响分析

为了直观了解各交互因素对试验指标的影响，运用Design-Expert软件作出各交互因素对拾膜率、缠膜率影响的响应面分析图，如图9所示。

图9a为拾膜齿入土深度位于中心水平（60 mm）时，机具行进速度与速比对拾膜率交互作用的响应面图。由图9a可知，当拾膜齿入土深度在中心水平，机具行进速度固定在低水平（0.9 m/s）时，齿链式拾膜机构与杆齿式拾膜机构转速比由1.0增加到1.5，拾膜率先增加，但当速比继续加大时，拾膜率逐渐降低。这是由于当拾膜机构的速比增加到一定程度后，残膜更容易被撕裂，被撕裂的小碎膜掉落在地里，难以被再次捡拾，从而影响拾膜率。

图9b为速比位于中心水平（1.5）时，拾膜齿入土深度和机具行进速度对缠膜率交互作用的响应曲面图。由图9b可知，当速比在中心水平、拾膜齿入土深度在低水平（30 mm）时，缠膜率随机具行进速度的增加而加大。这主要是由于当机具行进速度过快后，拾膜机构的运转也加快，造成单位时间内拾起的残膜数量增多，影响刮板式卸膜机构的卸膜效率，最终使得残留在拾膜机构上的残膜数量增多，缠膜率增大。

图9 各因素交互作用对拾膜率和缠膜率的影响

图9c为拾膜齿入土深度位于中心水平（60 mm）时，速比和机具行进速度对缠膜率交互作用的响应面图。由图9c可知，当拾膜齿入土深度在水平、机具行进速度在低水平（0.9）时，速比由1.0增加到1.6，缠膜率逐渐降低，但当速比继续增加时，缠膜率开始增加。这是由于齿链式拾膜机构包含10组拾膜齿，杆齿式拾膜机构包含4组拾膜齿，当速比较低时，每一组杆齿式拾膜齿所匹配到的齿链式拾膜齿较少，不能充分地将杆齿式拾膜机构捡拾的地膜刮捋下来，从而造成缠膜率较高。但当速比过高时，同时会伴随拾膜机构转速的提高，造成单位时间内捡拾的残膜增多，影响卸膜，缠膜率增大。图9d中也得出相同结论，并可大致确定速比在1.6时，缠膜率较低。

4.4 参数优化与验证试验

拾膜率和缠膜率是衡量齿链复合式残膜回收机作业效果的重要指标。因此，优化试验参数时，以拾膜率和缠膜率同等权重为优化条件，以提高拾膜率、降低缠膜率为优化目标，借助Design-Expert软件进行寻优。得到最优的试验参数为：机具行进速度0.9 m/s，拾膜齿入土深度42 mm，齿链式拾膜机构与杆齿式拾膜机构转速比1.6，此时拾膜率为88.3%，缠膜率为1.7%。

为验证优化后的试验效果，以优化参数，即机具行进速度0.9 m/s，拾膜齿入土深度42 mm，齿链式拾膜机构与杆齿式拾膜机构转速比1.6，于2019年7月在石河子市145团进行田间验证试验，试验重复3次，依据式（12）～（13）计算拾膜率和缠膜率并取平均值，试验结果见表6。

表6 理论优化与田间试验结果对比

如表6可知，拾膜率与理论优化值相差1.3%，缠膜率与理论优化值相差6.3%，田间试验结果与理论优化值相差较小，优化模型可靠。当残膜回收机以行进速度0.9 m/s、拾膜齿入土深度42 mm，齿链式拾膜机构与杆齿式拾膜机构转速比1.6作业时，拾膜率为87.2%，缠膜率为1.6%。

5 结 论

1）针对摆杆驱动式残膜回收机存在拾膜机构漏捡，卸膜机构回带地膜等问题，设计了齿链复合式残膜回收机。对齿链复合式残膜回收机拾膜卸膜机理进行分析，确定了齿链式拾膜机构、杆齿式拾膜机构和刮板式卸膜机构的设计参数。

2）运用Design-Expert软件进行了三因素三水平响应面分析试验，确定了各因素对拾膜率的影响大小顺序为：速比>机具行进速度>拾膜齿入土深度；对缠膜率的影响大小顺序为：机具行进速度>拾膜齿入土深度>速比。

3）运用Design-Expert软件的优化模块，以拾膜率和缠膜率为优化目标，确定最优工作参数为：机具行进速度0.9 m/s，拾膜齿入土深度42 mm，齿链式拾膜机构与杆齿式拾膜机构转速比1.6，田间验证试验结果表明，以优化参数作业时，拾膜率为87.2%，缠膜率为1.6%，优化结果可靠。

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Xie Jianhua, Zhang Fengxian, Chen Xuegeng, et al. Design and parameter optimization of arc tooth and rolling bundle type plastic film residue collector[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(11): 26－37. (in Chinese with English abstract)

Design and experiment of tooth chain compound residual film recovery machine

Xie Jianhua1, Tang Wei1, Cao Silin1,2, Han Yingjie1, Zhang Yi1, Yang Yuxin1, Li Kaijie1

(1.,,830052,; 2832000)

In order to solve the problems such as the missed picking up of the film pickup mechanism of the swing rod driven residual film recovery machine and the returning of the film unloading mechanism with the mulch film, and optimize the structure of the machine, the tooth chain compound residual film recovery machine was designed. Tooth chain film pickup mechanism and rod-tooth film pickup mechanism were adopted in the tooth chain compound residual film recovery machine which cooperate with each other to improve the film pickup rate, the fixing scraper type film unloading mechanism was used to solve the problem of return in the process of residual film unloading. Through the analysis of working principle and dynamics of film pickup and unloading mechanism, the movement track and equation of film pickup mechanism were obtained, and the conditions of picking, conveying and unloading of residual film were determined. In order to determine the optimum structure and working parameters of the tooth chain compound residual film recovery machine and optimize the structure of the machine, the three-factor and three-level response tests of this machine were carried out. Three factors were taken as test factors: the machine advancing velocity, the depth of pickup tooth into soil, the speed ratio of the tooth chain film pickup mechanism to the rod-tooth film pickup mechanism (speed ratio), and the film pickup rate and the film wrapping rate were taken as test indexes. The quadratic regression models of each factor on film pickup rate and film wrapping rate were established by using Design-Expert data analysis software. The significance of each factor on film pickup rate and film wrapping rate was analyzed. The results showed that the significant effects of the experimental factors on the film pickup rate were that speed ratio > the machine advancing velocity > the depth of pickup tooth into soil, and the significant effects on the film wrapping rate were: that the machine advancing velocity > the depth of pickup tooth into soil > speed ratio. The optimum working parameters were determined as follows: the moving speed of the machine was 0.9 m/s, the depth of pickup tooth into soil was 42 mm, and the speed ratio was 0.6. According to the optimized test parameters, the field verification tests were carried out. The results showed that the film pickup rate was 87.2% and the film wrapping rate was 1.6%. The experimental results had little difference with the theoretical optimum values, and the optimization model was reliable. The research results could provide reference for the selection of the optimum working parameters of tooth chain compound residual film recovery machine.

agricultural machinery; design; experiment; residual film recovery; rod tooth; tooth chain; parameter optimization

谢建华，唐 炜，曹肆林，韩英杰，张 毅，杨豫新，李开杰. 齿链复合式残膜回收机设计与试验[J]. 农业工程学报，2020，36(1)：11－19.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.01.002 http://www.tcsae.org

Xie Jianhua, Tang Wei, Cao Silin, Han Yingjie, Zhang Yi, Yang Yuxin, Li Kaijie. Design and experiment of tooth chain compound residual film recovery machine[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(1): 11－19. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.01.002 http://www.tcsae.org

2019-08-27

2019-11-14

国家自然科学基金资助项目（51965058）；新疆自治区区域协同创新项目（2019E0202）；中国农业大学-新疆农业大学联合基金项目（2017TC009）

谢建华，副教授，博士，主要从事农业机械设计与研究。Email：xjh199032@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.01.002

S223.5

A

1002-6819(2020)-01-0011-09