全膜雙壟溝地膜撿拾機(jī)的設(shè)計(jì)

吳一非，戴飛，趙武云，吳正文，李勇

（1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，甘肅蘭州730070；2.武威興旺農(nóng)機(jī)制造有限公司，甘肅武威733000）

全膜雙壟溝地膜撿拾機(jī)的設(shè)計(jì)

吳一非1，戴飛1，趙武云1，吳正文2，李勇1

（1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，甘肅蘭州730070；2.武威興旺農(nóng)機(jī)制造有限公司，甘肅武威733000）

為了解決地膜污染問題，通過對(duì)國(guó)內(nèi)外地膜撿拾機(jī)的研究和借鑒，研制出全膜雙壟溝地膜撿拾機(jī)。運(yùn)用SolidWorks motion功能仿真彈齒M點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡和X方向線性速度，得出收膜滾筒的轉(zhuǎn)速為80 r·min－1，通過設(shè)計(jì)計(jì)算和考慮其它因素得出入土角為25°；在此基礎(chǔ)上增加反向推膜機(jī)構(gòu)，對(duì)集膜滾筒機(jī)械進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化并做出樣機(jī)。實(shí)驗(yàn)表明，該樣機(jī)作業(yè)生產(chǎn)率為0.4～0.6 hm2·h－1，地膜撿拾率為90%，使用可靠性為98%，工作效率高，制造成本低，適應(yīng)性強(qiáng)。

地膜撿拾機(jī)；全膜雙壟溝；設(shè)計(jì)；優(yōu)化

旱地全膜雙壟溝播模式是甘肅省在傳統(tǒng)地膜覆蓋技術(shù)基礎(chǔ)上，將地膜覆蓋與壟溝種植相結(jié)合的一項(xiàng)集雨、保墑、抗旱新技術(shù)［1－3］。該技術(shù)可顯著提高旱農(nóng)田降水的保蓄率、利用率和作物水分利用效率，其中玉米全膜覆蓋雙壟溝播增產(chǎn)效果十分顯著［4－6］。但地膜在土壤中殘留的時(shí)間很長(zhǎng)，破壞農(nóng)田生態(tài)環(huán)境，致使農(nóng)作物減產(chǎn)，造成白色污染，人工撿拾地膜費(fèi)時(shí)費(fèi)力。針對(duì)上述問題，研制出全膜雙壟溝地膜撿拾機(jī)。王波等［7］對(duì)旱地全膜雙壟溝殘膜撿拾機(jī)的設(shè)計(jì)，解決了人工撿拾地膜費(fèi)時(shí)費(fèi)力問題，但其設(shè)計(jì)也有所不足。第一，挑膜齒安裝在凸輪中，在滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)過程可能出現(xiàn)卡死現(xiàn)象；第二，其運(yùn)動(dòng)時(shí)，起膜裝置與滾筒位于機(jī)架運(yùn)動(dòng)方向的前方，滾筒旋轉(zhuǎn)方向與行走輪方向相反，挑起的殘膜在外界壞境的影響下會(huì)脫離挑膜齒，嚴(yán)重影響殘膜撿拾率；第三，其不能將小壟中的地膜分離，影響挑膜齒撿拾殘膜撿拾率。本文針對(duì)以上出現(xiàn)的問題，研制出一種全膜雙壟溝地膜撿拾機(jī)，運(yùn)用偏心塊等裝置解決了可能出現(xiàn)卡死的問題；將起膜裝置與滾筒后置以及運(yùn)用仿形耙齒機(jī)構(gòu)使殘膜撿拾率提高；運(yùn)用仿形切膜裝置解決地膜分離問題，提高殘膜撿拾率。并結(jié)合研制樣機(jī)進(jìn)行室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，對(duì)其關(guān)鍵裝置進(jìn)行進(jìn)一步改進(jìn)和優(yōu)化。

1 整機(jī)機(jī)構(gòu)及工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

全膜雙壟溝地膜撿拾機(jī)如圖1所示（見296頁）。樣機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1a所示，傳動(dòng)裝置由換向變齒齒輪箱等部件組成，殘膜回收裝置由耙齒、副齒、收膜滾筒、伸縮齒、偏心塊等部件組成，撥膜裝置由撥膜器等部件組成，收膜裝置由集膜箱、壓膜裝置等部件組成，以及卸膜裝置與行走輪。樣機(jī)由機(jī)架、傳動(dòng)裝置、殘膜回收裝置、撥膜裝置、收膜裝置、卸膜裝置等部分組成（圖1b）。

1.2 工作原理

樣機(jī)采用耙齒耙出地膜，伸縮齒將其撿起，撥膜器將撿起地膜撥到集膜箱中的撿膜、卸膜過程。作業(yè)時(shí)，由拖拉機(jī)牽引機(jī)架、行走輪和切膜圓盤在拖拉機(jī)牽引下自行行走，相距400mm的兩把切膜圓盤刀將小壟中的膜切開，耙齒從地表中將地膜耙起，通過副齒將地膜擁起，伸縮齒挑起地膜。傳動(dòng)系統(tǒng)通過換向變齒齒輪箱伸出傳動(dòng)軸與拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸相聯(lián)。拖拉機(jī)通過傳動(dòng)系統(tǒng)帶動(dòng)收膜滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)，收膜滾筒帶動(dòng)伸縮齒在偏心塊軸上轉(zhuǎn)動(dòng)，由伸縮齒伸縮將膜撿拾，收膜滾筒通過鏈傳動(dòng)將動(dòng)力傳到撥膜器，撥膜器將伸縮齒上的膜撥到集膜箱，撥膜器通過鏈傳動(dòng)將動(dòng)力傳到壓膜裝置上，壓膜裝置轉(zhuǎn)動(dòng)，其上壓膜裝置將膜往下壓制，從而節(jié)約出空間集膜，最后完成卸膜作業(yè)。

1.3 主要技術(shù)指標(biāo)

樣機(jī)一次作業(yè)可實(shí)現(xiàn)撿膜卸膜工作，其主要技術(shù)參數(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 主要技術(shù)指標(biāo)Table 1 Main technical index

2 重要部件設(shè)計(jì)

2.1 偏心桿齒

偏心桿齒如圖2所示，鉸接彈齒鉸接到轉(zhuǎn)子上，固定彈齒焊接到轉(zhuǎn)上，從而轉(zhuǎn)子上有一根鉸接彈齒和一根固定彈齒，其角度為180°，這樣就避免在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中出現(xiàn)彈齒被卡死現(xiàn)象。偏心塊調(diào)節(jié)角度固定后，固定彈齒在收膜滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)下帶動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)子通過孔隙配合在軸上，軸安裝在偏心塊兩邊的推力軸承上轉(zhuǎn)動(dòng)，此設(shè)計(jì)防止轉(zhuǎn)子在軸上轉(zhuǎn)動(dòng)干摩擦力太大以致出現(xiàn)被卡死現(xiàn)象而使彈齒變形。當(dāng)其出現(xiàn)卡死現(xiàn)象時(shí)，轉(zhuǎn)子可以帶動(dòng)軸在兩邊推力軸承上一起轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖2 撿膜裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.2 Structure diagram of the film collecting device

2.1.1 伸縮齒的運(yùn)動(dòng)分析伸縮齒安裝在滾筒內(nèi)，在隨滾筒一起轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，齒頂部M的運(yùn)動(dòng)方程為［8－12］：

式中，R為滾筒半徑；l為齒桿的長(zhǎng)度；α為滾筒轉(zhuǎn)角；e為偏心距λ＝e／R；ρ＝（1－2λcosα＋λ2）1／2；周期T＝2πR；極大點(diǎn)Ak［（2k－1）πR，2R］；極小點(diǎn)Bk（2kπR，－2ρ）。

其運(yùn)動(dòng)軌跡如圖3所示。

圖3 伸縮齒桿頂部M的運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.3 The moving track of M point of the top telescopic rod

2.1.2 SolidWorks motion運(yùn)動(dòng)仿真在SolidWorks的插件Slidworks motion中將偏心機(jī)構(gòu)進(jìn)行模擬仿真。樣機(jī)前進(jìn)速度為1.5m·s－1保持不變，設(shè)計(jì)其滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)速度為50、80、120 r·min－1，得出彈齒M點(diǎn)在Motion仿真運(yùn)動(dòng)軌跡和彈齒X方向線性速度，如圖4、5所示。

圖4所示得出結(jié)論：當(dāng)收膜滾筒速度越大，其下拾膜扣環(huán)就越大，出現(xiàn)余擺線越明顯，滾筒轉(zhuǎn)速越快，不能與前進(jìn)速度協(xié)調(diào)，地膜就容易被扯斷，從而影響整個(gè)撿膜效率；當(dāng)余擺線現(xiàn)象不明顯時(shí)，說明收膜滾筒轉(zhuǎn)速與整機(jī)前進(jìn)速度相互協(xié)調(diào)，但如果小到?jīng)]有扣環(huán)，說明伸縮齒拾膜不連貫，出現(xiàn)漏拾情況。

圖5所示得出結(jié)論：滾筒轉(zhuǎn)速越大其彈齒X向線性速度變化就越快，由此對(duì)收膜滾筒上的導(dǎo)向套磨損也就越大，從而減少撿膜裝置的壽命。根據(jù)Motion模擬仿真與實(shí)際各因素考慮選擇收膜滾筒的轉(zhuǎn)速為80 r·min－1。

2.2 仿形耙齒

耙齒在拖拉機(jī)牽引下耙起地中的地膜，副齒的作用是將耙起的地膜擁住，如果沒有副齒，地膜被耙起以后會(huì)向上飄，在有風(fēng)的環(huán)境中地膜會(huì)被吹飛，致使撿膜機(jī)不能達(dá)到撿膜效果。仿形耙齒如圖6所示。

圖4 M點(diǎn)Motion仿真運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.4 The simulated Motion track of M point

圖5 彈齒X方向線性速度Fig.5 Linear velocity of the elastic tooth at X direction

圖6 仿形耙齒結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.6 Structure diagram of copying harrow tooth

耙齒通過鉸鏈連接到機(jī)架上，彈簧安裝在支撐桿上，形成了仿形機(jī)構(gòu)，彈簧會(huì)根據(jù)耙齒在田間運(yùn)動(dòng)情況而變化，支撐桿與機(jī)架連接而承受耙齒田間運(yùn)動(dòng)受到的作用力。耙齒入土角通過拖拉機(jī)絲杠來調(diào)節(jié)。

仿形耙齒入土角設(shè)計(jì)：選擇耙齒入土角的原則是在不擁堵的前提下，將殘地膜抬起一定高度，使伸縮齒可靠地?fù)焓暗乩锏牡啬?。圖7為仿形耙齒的受力圖，可從理論中確定地膜及土壤所受作用力的平衡方程［13－15］：

式中，T為地膜及土壤在耙齒面移動(dòng)所需的力（N）；F為耙齒面對(duì)地膜及土壤的摩擦力（N）；N1為耙齒面對(duì)地膜及土壤的作用力（N）；G為耙起地膜及土壤的的重力（N）。

從以上方程可以得到

圖7 仿形耙齒受力圖Fig.7 Bearing force chart for copying harrow tooth

從以上公式中可以得出傾角β過大，耙起的地膜及土壤就會(huì)擁堵在耙齒面，從而不能擁起到副齒而滑下。從以上理論設(shè)計(jì)入土角計(jì)算與實(shí)際中耙起地膜與土壤的高度及土壤的性能確定，綜合得出β取值范圍為20°～30°。此設(shè)計(jì)中采用β＝25°。

2.3 仿形切膜裝置

切膜裝置由切膜機(jī)架、彈簧、切膜圓盤刀等機(jī)構(gòu)組成，如圖8所示。

圖8 切膜裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.8 Structure diagram for the cutting film device

切膜裝置主要作用是在全膜雙壟溝中切除小壟中覆著土的地膜，從而將原來覆土的地膜變?yōu)榈啬み吘壐餐?，利于機(jī)器回收。該機(jī)構(gòu)直接嫁接在整機(jī)機(jī)架上，其為仿形機(jī)構(gòu)，在作業(yè)時(shí)遇到根茬或較硬土塊時(shí)，彈簧在力的作用下上下移動(dòng)，切膜機(jī)架上端聯(lián)接在整機(jī)機(jī)架條形孔，整機(jī)機(jī)架上的方形鋼與切膜機(jī)架焊接連接形成三角形機(jī)構(gòu)。在作業(yè)過程中，遇到根莖硬茬時(shí)，切膜支架可以在條形孔中上下前后左右移動(dòng)，繞過根茬中心，在根茬周邊切除地膜，達(dá)到仿形作用。

3 關(guān)鍵裝置改進(jìn)與優(yōu)化

通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)如下問題：（1）當(dāng)收膜滾筒撿膜到達(dá)上方，由撥膜器撥到集膜箱中。實(shí)驗(yàn)過程中有膜順著收膜滾筒繼續(xù)向下運(yùn)動(dòng)沒有被收集到集膜箱中；（2）集膜箱太小，從而不能滿足收集地膜要求。根據(jù)以上問題，對(duì)樣機(jī)關(guān)鍵裝置進(jìn)行改進(jìn)與優(yōu)化。

3.1 反向推膜機(jī)構(gòu)

反向推膜機(jī)構(gòu)由起膜軸和起膜橡膠轉(zhuǎn)子組成如圖9所示，其位置在收膜滾筒和集膜箱之間，伸縮齒將膜挑到上方時(shí)，撥膜機(jī)構(gòu)將膜撥到反向推膜機(jī)構(gòu)上，反向推膜機(jī)構(gòu)將膜轉(zhuǎn)到集膜箱，在這過程中撿拾的田間雜物根茬將從反向推膜機(jī)構(gòu)空隙中掉落到田間。經(jīng)試驗(yàn)，其轉(zhuǎn)速是收膜滾筒的2倍時(shí)，這樣推膜效果最好。

3.2 集膜滾筒機(jī)構(gòu)

奶牛適宜的環(huán)境溫度通常為10～20 ℃，當(dāng)環(huán)境溫度達(dá)到30 ℃時(shí)奶牛便會(huì)出現(xiàn)明顯的應(yīng)激反應(yīng)。盛夏高溫季節(jié)，氣候炎熱，空氣潮濕，很容易造成奶牛熱應(yīng)激。奶牛的散熱能力與外界溫度、濕度高低有很大的關(guān)系。當(dāng)環(huán)境溫度增加時(shí)，奶牛所處環(huán)境的溫度與其體溫的差異減小，為散發(fā)體熱，奶牛對(duì)蒸發(fā)散熱的依賴增加。然而盛夏時(shí)節(jié)溫度高、濕度大，較高的相對(duì)濕度降低了蒸發(fā)散熱的效力，奶牛不能消除多余的體熱，體溫升高。大量的體熱在寒冷季節(jié)對(duì)高產(chǎn)奶牛的生產(chǎn)有益，但夏季期間大量體熱會(huì)誘發(fā)熱應(yīng)激，對(duì)奶牛造成嚴(yán)重危害。

集膜滾筒機(jī)構(gòu)由集膜滾筒外側(cè)板、卷膜器、滾筒1、滾筒2、防滑機(jī)構(gòu)等機(jī)構(gòu)組成，如圖10所示。

圖9 反向推膜機(jī)構(gòu)Fig.9 Structure of reverse push film device

圖10 集膜滾筒機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.10 Structure diagram of collecting film roller

地輪行走時(shí)傳動(dòng)滾筒1和滾筒2，使其轉(zhuǎn)動(dòng)并帶著與其相切卷膜器轉(zhuǎn)動(dòng)，從而達(dá)到卷膜效果。防滑機(jī)構(gòu)作用是在根茬進(jìn)入時(shí)，防止?jié)L筒打滑，卷膜器不轉(zhuǎn)動(dòng)。

卷膜器由左軸套、右軸套和葉片等機(jī)構(gòu)組成，如圖11所示。葉片通過孔隙配合到左右軸套上，左右軸套通過與軸承配合后固定在軸承座上，在滾筒帶動(dòng)下進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)收膜，收膜結(jié)束后將兩邊的軸套與葉片分離，分離后葉片自行散落，膜直接可以從葉片中拿出，完成收膜、卸膜過程。

圖11 卷膜器結(jié)構(gòu)圖Fig.11 Structure diagram of voluming film device

4 結(jié)論以及改進(jìn)后的樣機(jī)

根據(jù)以上分析和實(shí)驗(yàn)，在工廠中做出樣機(jī)并進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，如圖12所示。

由于大田作物種植季節(jié)限制，全膜雙壟溝地膜撿拾機(jī)樣機(jī)于2015年在武威興旺農(nóng)機(jī)制造有限公司工廠內(nèi)進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)。該樣機(jī)工作幅寬1.1 m，作業(yè)速度分別為3.6、5.4 km·h－1，得到作業(yè)生產(chǎn)率0.4～0.6 hm2·h－1。ME300拖拉機(jī)作為牽引動(dòng)力，從田間人工撿拾10 kg殘膜和玉米根茬混合物進(jìn)行試驗(yàn)，其混合比例大約為9∶1。地膜撿拾率的計(jì)算公式為：

式中，S為撿拾率；ms為拾膜機(jī)構(gòu)撿拾的地膜質(zhì)量；mw為拾膜機(jī)構(gòu)未撿拾的地膜質(zhì)量。由此可得出地膜撿拾率為90%。

在實(shí)驗(yàn)過程，當(dāng)遇到根茬或小石頭等雜物時(shí)，收膜機(jī)構(gòu)都能將其收集，沒有出現(xiàn)卡死不能卷膜現(xiàn)象，樣機(jī)在作業(yè)過程中沒有因?yàn)槿魏喂收隙Ｖ棺鳂I(yè)，因此其使用可靠性基本能達(dá)到98%。該機(jī)具操作簡(jiǎn)單，工作可靠，生產(chǎn)效率高，制造成本低，適應(yīng)性強(qiáng)，為機(jī)械化回收殘膜創(chuàng)造了良好的作業(yè)條件，提高了殘膜回收率。

圖1 全膜雙壟溝殘膜撿拾機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖（a）和樣機(jī)圖（b）Fig.1 The structure and prototype diagram of the whole film picking machine for double furrows

圖12 改進(jìn)后樣機(jī)圖與室內(nèi)試驗(yàn)圖Fig.12 Diagram of the improved prototype machine and indoor test

［1］楊祁峰，劉廣才，熊春蓉，等.旱地玉米全膜雙壟溝播技術(shù)的水分高效利用機(jī)理研究［J］.農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化研究，2010，31（1）：113-116.

［2］劉曉偉，何寶林，郭天文.全膜雙壟溝不同覆膜時(shí)期對(duì)玉米土壤水分和產(chǎn)量的影響［J］.核農(nóng)學(xué)報(bào)，2012，26（3）：602-609.

［3］黃高寶，方彥杰，李玲玲，等.旱地全膜雙壟溝播玉米高效用水機(jī)制研究［J］.干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究，2010，（6）：116-121.

［4］李來祥，劉廣才，楊祁峰，等.甘肅省旱地全膜雙壟溝播技術(shù)研究與應(yīng)用進(jìn)展［J］.干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究，2009，27（1）：114-115.

［5］張雷，牛芬菊，李小燕，等.旱地全膜雙壟溝播秋覆膜對(duì)玉米產(chǎn)量和水分利用率的影響［J］.中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào)，2010，26（22）：142-145.

［6］趙武云，戴飛，楊杰，等.玉米全膜雙壟溝直插式精量穴播機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2013，44（11）：91-97.

［7］王波，韓正晟，王松林，等.旱地全膜雙壟溝殘膜撿拾機(jī)的設(shè)計(jì)［J］.農(nóng)機(jī)化研究，2015，7（7）：109-112.

［8］張東興.殘膜回收機(jī)的設(shè)計(jì)［J］.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1999，4（6）：41-43.

［9］李剛，張林海，付宇，等.曲柄搖桿式殘地膜撿拾機(jī)構(gòu)研究［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2014，45（11）：63-67.

［10］楊樹森，沈美容，林素元.彈齒式收膜機(jī)工作部件的研究［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，1988，4（2）：17-25.

［11］謝建華，侯書林，付宇，等.殘膜回收機(jī)彈齒式拾膜機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析與試驗(yàn)［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2014，45（10）：94-99.

［12］王文明，王春光.彈齒滾筒式撿拾裝置參數(shù)分析與仿真［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2012，43（10）：82-89.

［13］Joseph E，Shigley CR，Mischke.Mechanicai Engineering Design.English Version（6 edition）［M］.Beijing：Mechanical Industry Press，2002.

［14］Robert L Mott.Machine Elements in Mechanical Design.English Version（3 edition）［M］.Beijing：Mechanical Industry Press，2003.

［15］楊麗，劉佳，張東興，等.棉花苗期地膜回收機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2010，41（增刊）：73-77.

Design of the film picking machine for double furrows

WU Yi-fei1，DAIFei1，ZHAOWu-yun1，WU Zheng-wen2，LIYong1
（1.College of Engineering，Gansu Agricultural University，Lanzhou，Gansu 730070，China；2.Xingwang Agricultural Machinery Manufacturing Co.，Wuwei，Gansu 733000，China）

In order to solve the problem of plastic film pollution，through the research and reference for the film picking machine at home and abroad，developed the film packingmachine for whole double furrows.Using the Solid Works motion function simulated the movement track of the elastic claw M point and the linear velocity of X direction，obtained that the rotation rate was80 r·min－1for the film roller.Through the design and calculation and considered other factors obtained the soil penetration angle was25°.Finally carried out the improvement and potimization for the key parts of the prototype machine.The experiments showed that：The prototype working productivity was 0.4～0.6 hm2·h－1，picking plastic film rate was 90%，and the using reliability was 98%，with high work efficiency，low manufacturing cost and strong adaptability.

plastic film picking machine；whole film for double furrows；design；optimization

S225.2＋3

A

1000-7601（2016）06-0292-05

10.7606／j.issn.1000-7601.2016.06.44

2015-10-27

農(nóng)業(yè)部公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目（201503105）；甘肅省科技重大專項(xiàng)計(jì)劃項(xiàng)目（143NKDJ018）

吳一非（1991—），男，江蘇泰州人，碩士研究生，研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)工程技術(shù)與裝備。E-mail：245049173＠qq.com。

趙武云（1966—），男，甘肅蘭州人，教授，博士，主要從事農(nóng)業(yè)工程技術(shù)與裝備。E-mail：zhaowy＠gsau.edu.cn。