一种残膜回收机切膜松土机构的设计

明光

（武威职业学院，甘肃 武威 733000）

0 引言

地膜覆盖技术是一种既能改善和优化作物生长环境，克服不良条件影响，又能取得早熟、高产、优质和高效的先进农业种植技术。铺设地膜还可以有效利用土地资源和水资源，起到增温、保墒、稳产、提质的效果[1-8]。因此，地膜覆盖技术对我国的农业发展，特别是对西北地区旱地农业具有十分重要的战略意义。但由于连年铺膜且使用过的地膜在农作物收获后未能及时、有效得到回收，以致深耕后埋在土壤中，久而久之对农田土壤造成了严重的“白色污染”，进而导致农作物产量连年下降[9-12]。因此地膜回收已成为当前农业生产中亟需解决的一大重要课题。目前，农田地膜回收主要有人工捡拾和机械回收两种方式，人工捡拾作业劳动强度大、效率低、成本高，机械回收虽克服了人工捡拾的缺点，但现有地膜回收机存在回收率低、含杂率高等缺点。同时，对于已破碎，特别是埋在板结土壤中的地膜，无论是采用钉齿式、搂齿式、夹持式或气吸式等，都很难将地膜直接从地表收起[13-16]。因此，研究并设计一种回收率高、含杂率低的农田地膜回收机具有重要意义。

1 整机结构

针对现有农田地膜回收机工作过程存在的膜杂分离率较低的问题，设计了一种膜杂分离式残膜回收机。该机具主要由横向切膜装置、纵向切膜机构、松膜铲、输膜装置和脱膜机构等组成（图1）。

图1 膜杂分离式残膜回收机

2 工作原理

作业时，拖拉机通过牵引架与本机具相联接，其动力输出轴与变速箱相联接，变速箱通过链轮分别与纵向切膜传动系统、收膜传动系统和脱膜传动系统相联接，组成作业机组。整机作业时，首先启动横向切膜装置，横向切膜刀具高速运动，前地轮通过链轮带动凸轮机构运动，凸轮机构再带动横向切膜装置上下往复运动，横向切膜刀具将地膜隔段切断。同时，拖拉机动力输出轴联接变速箱，通过变速箱联接纵向切膜机构，传动系统带动纵向切膜轮将地膜沿着作物根系纵向连续切断，然后，松膜铲将紧贴地面的地膜进行松土分离，最后，变速箱通过链传动带动收膜机构运动，收膜钉齿依次将挂起的地膜往上输送，直到达脱膜辊处，地膜由脱膜毛刷自收膜齿表面分离，落入集膜网箱内，完成地膜回收。

3 主要零部件的设计

3.1 横向切膜装置

横向切膜装置主要包括凸轮、弹簧、上下移动导轨、链条式刀具等（图2）。凸轮机构的移动导杆与电动装置顶端相联接，导杆套有弹簧且上下被圆形挡块挡住实现复位。作业时，启动横向切膜装置，链式刀具开始高速旋转运动，凸轮轴靠前地轮用链条传动实现横向切膜装置的上下往复运动，地膜被按一定距离横向切断。采用横向切膜装置的主要目的是为了避免在输膜钉齿输送地膜过程中出现杂物积累而将地膜扯断，以致输膜钉齿将杂物挂起进入集膜箱内。

图2 横向切膜装置

由于机具作业前进速度为匀速（等速）状态，本横向切膜装置中采用了凸轮机构，根据凸轮从动件运动规律可知，匀速作业时从动件运动规律为等速运动。

根据从动件运动规律可知，等速运动时，凸轮机构的从动件存在刚性冲击。在大多数情况下，应采取相应措施避免刚性冲击，而本文横向切膜装置中，凸轮的从动件连接横向切膜刀具体，在切膜上下移动过程中正是利用刚性冲击特性，更易将地膜切断。

3.2 纵向切膜机构

在地膜回收过程中，处于地膜上方的农作物根茬会对输送钉齿挂起地膜造成影响。因此在横向切膜装置后设置了纵向切膜机构。考虑到地膜铺设采用一膜多行，则本机具的纵向切膜刀具设置两对以上。图3所示为一对刀具示意图。纵向切膜机构核心部件为圆锯齿形切膜刀，其传动系统连接拖拉机的变速箱。

图3 纵向切膜机构

3.3 松膜铲

农田作物收获时，农用车等机具势必对田间土壤碾压，进而造成土壤板结，铺在上面的地膜被碾压后紧紧黏在板结的土壤表层。为了便于输膜钉齿将地膜挂起，增加了纵向松土铲（图4）。松膜铲底端程尖圆弧形状，经过铲起后的地膜和土壤初步分离，拾膜部件作用于地表时可以直接收起地膜。此外，竖直方向布置带有刀刃的固定支撑板，其行间距宽度与纵向切膜刀具相同。

图4 松膜铲

图5为松土铲作业时的受力图，因地面土壤含有各种杂物，因此这里土壤的纯切削阻力kb不能忽略。

图5 松膜铲受力图

在水平方向上列平衡方程可得如下方程式：

式中F—松膜铲作业时受到的牵引力水平分力（N）；FN—土壤作用于铲面的法向力（N）；μ—土壤与铲面的摩擦系数；b—松膜铲铲面宽度（m）；α—松膜铲入土倾斜角度（rad）。

由（1）式平衡方程可知，当入土倾角α为零度时，此时牵引力水平分力为牵引力，因松膜铲深度较浅，此时的土壤作用于铲面的法向力可以或略不计，与存在倾角时相比，牵引力变小了。另一方面，由于本机具中设计的松膜铲为一体式，即只有两侧支撑，中间为贯通形式，在松膜铲入土后铲底呈水平状态前进作业时，对铲面以上的土壤整体破碎能力作用不大，即某些情况下地膜有可能依然附着在土壤里面。刀面倾斜入土设计，当松膜铲铲起土壤时，土壤在铲面上有一个运动挤压的过程，这种状态下利于土壤的破碎，进而使得地膜与地表土壤分开，更有利于输膜钉齿将地膜挂起且不易拉断地膜。另外，这里的入土倾角不能太大，避免增加作业油耗。根据经验，入土角设计为10°~15°。

3.4 输膜装置

本机具的输膜装置竖向安装方式采用垂直式结构，横向采用多排布置，其中捡膜钉齿与输送链呈一定倾角安装，结构如图6。为了能够有效地将地膜捡起，同时将秸秆、枝叶等杂物与地膜分离开，输膜钉齿的数量和输送链排数不能太少。当输膜钉齿或输送排数间距过大，挂起地膜时容易将杂物裹里面，进而落入集膜箱内；当输膜钉齿或输送排数间距过小时，在输膜钉齿挂起地膜时，秸秆、枝叶等杂物易被卡在两输膜钉齿之间，根据现有机具存在地问题，本机具设计输膜钉齿数量在48~56个和输送链数为8~10排。另外，为了防止杂物进入集膜箱内，在集膜箱上部设计安装了杂物引流板。当输膜钉齿由最高点翻转向下时，被夹在输膜钉齿的杂物就顺着引流板被分离开，实现膜杂分离的目的。

图6 输膜机构

4 总结

本文针对现有农田残膜回收机工作过程存在的膜杂分离率较低的问题，设计了一种膜杂分离式残膜回收机。对机具中的横向切膜装置、纵向切膜机构、松膜铲、输膜装置等核心部件的工作过程以及设计理念进行了说明，具体如下：

（1）对横向切膜装置、纵向切膜机构，依据实际铺膜情况特点进行了理论分析和结构说明；

（2）对松膜铲的入土角度进行了理论计算，得出入土倾角为10°~15°；

（3）根据收膜机构在现有机具作业中存在的问题以及农田杂物特点，设计输膜钉齿个数为48~56个、输送链8~10排。

通过理论分析和计算进一步说明各主要部件在残膜回收中具有可行性。