夾持輸送式殘膜回收機(jī)切膜裝置的設(shè)計(jì)及試驗(yàn)*

蔡 賀，畢新勝*，王志歡，張新超

（石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子 832000）

夾持輸送式殘膜回收機(jī)切膜裝置的設(shè)計(jì)及試驗(yàn)*

蔡 賀，畢新勝*，王志歡，張新超

（石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子 832000）

由于我國普遍使用超薄地膜，薄膜滯留地里時(shí)間相對較長，且薄膜具有膜輕、柔軟、易粘附等特點(diǎn)，造成地膜極難回收徹底。對于邊膜以及植株根系附近的薄膜來說，覆于其上的土壤經(jīng)紫外線輻射以及風(fēng)化出現(xiàn)板結(jié)現(xiàn)象，往往導(dǎo)致邊膜滯留土壤中。在復(fù)雜的工作環(huán)境中為提高切膜、碎土、起膜的可靠性，本文通過設(shè)計(jì)一個(gè)切膜圓盤裝置，以達(dá)到破碎板結(jié)土壤，將表面膜以及土壤內(nèi)部膜切斷，并將薄膜帶出土壤表面從而進(jìn)行回收。通過對切膜碎土圓盤的設(shè)計(jì)，并對圓盤的切膜碎土運(yùn)動(dòng)進(jìn)行研究，確定其最優(yōu)工作性能參數(shù)。通過田間試驗(yàn)可知，該機(jī)具在工作速度5.5 km/h、夾指入土角度40°、機(jī)具前進(jìn)速度與切膜圓盤線速度之比為2時(shí)，薄膜切斷率達(dá)96%，同時(shí)薄膜回收率達(dá)90%，可以滿足殘膜回收的基本要求。研究成果對開發(fā)新的殘膜回收機(jī)有一定的幫助作用。

殘膜；回收；農(nóng)業(yè)機(jī)械；切膜圓盤；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；工作分析

目前中國是地膜覆蓋使用大國，地膜覆蓋面積和使用量均居世界第一。干旱嚴(yán)重制約著北方糧食增產(chǎn)，因?yàn)榈啬じ采w具有保墑、保水、保肥、減少作物病害及抑制雜草等優(yōu)點(diǎn)，是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)取得高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)的重要措施之一[1-2]，因此獲得了國家的重點(diǎn)扶持。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全國地膜覆蓋面積已超過2 500萬hm2，每年新增殘膜高達(dá)18 kg/hm2，新疆農(nóng)田作物種植全部采用地膜覆蓋技術(shù)，僅棉花生產(chǎn)每年新增殘膜約10萬t，還不包括玉米、甜菜等作物種植產(chǎn)生的殘膜。滯留在農(nóng)田里的殘膜若不能及時(shí)回收，將會(huì)破壞土壤結(jié)構(gòu)，造成水分養(yǎng)分運(yùn)輸不暢，形成嚴(yán)重的白色污染。

為解決殘膜回收問題，國內(nèi)已研發(fā)出各種類型的殘膜回收機(jī)具，其中秋后收膜作業(yè)設(shè)備約占總數(shù)量的80%左右。此類設(shè)備作業(yè)工序主要包括切膜、撿膜、脫膜、卸膜等作業(yè)[3-5]。由于我國普遍使用超薄地膜，薄膜滯留地里時(shí)間相對較長，且薄膜具有膜輕、柔軟、易粘附等特點(diǎn)，造成地膜極難回收徹底。對于邊膜以及植株根系的薄膜來說，覆于其上的土壤經(jīng)紫外線輻射以及風(fēng)化出現(xiàn)板結(jié)成塊現(xiàn)象，導(dǎo)致切膜時(shí)邊膜在土壤內(nèi)部未被切斷，從而影響殘膜回收。切膜碎土環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)研發(fā)已成為殘膜回收機(jī)研發(fā)中的一個(gè)關(guān)鍵性環(huán)節(jié)。

農(nóng)作物收獲后薄膜成片附著在地表面，且具有一定的強(qiáng)度，是薄膜回收的最佳時(shí)期[6-7]。針對這時(shí)期的殘膜回收問題，本文通過研究殘膜回收機(jī)切膜碎土裝置、分析探討切膜碎土機(jī)理，提出了一種新型夾持輸送式殘膜回收機(jī)切膜碎土裝置。該裝置將成片的薄膜切成條狀，然后進(jìn)行夾持回收，本機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、殘膜回收率高、含雜率低等優(yōu)點(diǎn)。對于開發(fā)新型殘膜回收機(jī)、提高殘膜回收率、減少白色污染具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[8-9]。

1 夾持式殘膜回收機(jī)切膜碎土裝置的結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)

圖1 夾持輸送式殘膜回收機(jī)切膜裝置結(jié)構(gòu)示意圖

針對現(xiàn)有殘膜回收機(jī)切膜工作過程存在的缺陷，研發(fā)了一種新型夾持式殘膜回收機(jī)切膜碎土裝置。該裝置主要由切膜碎土裝置、仿行裝置和傳動(dòng)系統(tǒng)組成，切膜碎土裝置由切膜圓盤、碎土齒和限深輪組成，仿行裝置由彈簧和連接桿組成，傳動(dòng)系統(tǒng)由收膜鏈、收膜夾指、張緊機(jī)構(gòu)、上鏈輪和下鏈輪組成，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

1.2 工作原理

夾持式殘膜回收機(jī)工作過程如下：拖拉機(jī)牽引夾持式殘膜回收機(jī)順著膜行前進(jìn)，地輪通過傳動(dòng)系統(tǒng)帶動(dòng)切膜碎土裝置運(yùn)動(dòng)，切膜碎土圓盤將土壤疏松，并將埋在土壤內(nèi)部的薄膜切成帶狀，以便枝葉和土塊等雜物在殘膜夾起輸送過程中掉落，以達(dá)到清潔殘膜的目的。行走輪通過傳動(dòng)系統(tǒng)同時(shí)帶動(dòng)夾指輸送鏈運(yùn)動(dòng)，夾指輸送鏈運(yùn)動(dòng)線速度小于機(jī)具前行速度，下鏈輪與土壤接觸。當(dāng)夾指隨夾指輸送鏈轉(zhuǎn)過下鏈輪底部時(shí)，在下鏈輪節(jié)圓曲線的作用下夾指依次張開、入土，并在疏松后的土壤中滑行，被切割后的殘膜被掛在夾指上，隨著夾指輸送鏈的運(yùn)動(dòng)，夾指加緊殘膜在輸送鏈向上移動(dòng)并離開土層；當(dāng)夾指轉(zhuǎn)過上鏈輪頂端時(shí)，夾指離開輸送鏈再次張開，殘膜在地心引力和脫膜裝置的脫膜作用下落入收膜箱，從而實(shí)現(xiàn)殘膜回收。

2 切膜圓盤的設(shè)計(jì)

圖2 切膜圓盤裝置示意圖

薄膜伴隨農(nóng)作物一個(gè)生長周期的歷程，薄膜表面的土壤往往會(huì)出現(xiàn)板結(jié)成塊等現(xiàn)象。在殘膜回收機(jī)具下地進(jìn)行切膜碎土?xí)r，大部分的邊膜在土壤內(nèi)部都難以切斷回收，即便后期通過人工撿拾清理田間殘膜，也會(huì)因?yàn)槠渖戏降陌褰Y(jié)土壤難以回收[10]。邊膜以及板結(jié)土壤的存在給地膜的切斷回收帶來極大的不便。如果能實(shí)現(xiàn)板結(jié)土壤的破碎以及邊膜的切斷回收，那么就可以大幅度提高殘膜回收機(jī)具的工作可靠性?？紤]到農(nóng)田復(fù)雜的工作環(huán)境以及土壤和地膜的物理特性，為提高殘膜的切斷率以及使板結(jié)的土壤破碎，將切膜碎土裝置設(shè)計(jì)成帶刃圓盤并附有碎土齒，增大了碎土力以及切割力。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

3 圓盤碎土切膜的受力模型分析

根據(jù)理論力學(xué)分析，圓盤裝置碎土切膜運(yùn)動(dòng)過程中與土壤之間的應(yīng)力包括表面正應(yīng)力和剪應(yīng)力，而對于切膜圓盤的刃角以及碎土齒，可以將切膜碎土圓盤看成一個(gè)完整的圓盤形結(jié)構(gòu)，從而可以將圓盤刃角兩邊的表面正應(yīng)力和剪應(yīng)力看成一個(gè)合力q，圖3為切膜碎土圓盤過程中的受力情況（其中h為入土深度）；僅對土壤的碎土過程進(jìn)行具體受力分析。

圖3 切膜圓盤碎土切膜受力模型

在切膜碎土工作過程中，需要做如下假設(shè)，以提供可靠的理論依據(jù)[11-12]：（1）在切膜碎土運(yùn)動(dòng)過程中，切膜碎土圓盤不會(huì)出現(xiàn)形變；（2）土壤的結(jié)構(gòu)和物理特性保持恒定不變；（3）切膜碎土圓盤運(yùn)動(dòng)過程中，保持勻速運(yùn)動(dòng)；（4）表面正應(yīng)σ力均勻分布于切膜碎土圓盤表面上；（5）表面剪應(yīng)力τ方向與切膜碎土圓盤運(yùn)動(dòng)矢量方向相反；（6）阻應(yīng)力均勻分布于在切膜碎土圓盤刃口處，的方向與刃口上任意一點(diǎn)的速度矢量方向相反；（7）忽略切膜碎土圓盤相對于土壤產(chǎn)生的偏移，即λ=ω=1（切膜碎土圓盤相對土壤無偏移）。

基于上述假設(shè)，將切膜碎土圓盤切膜破碎土壤過程中的受力情況寫成：

實(shí)際過程中，主要關(guān)心的還是合力，因此可以將上式簡寫如下：

式中，

各個(gè)力代表的物理意義分別為[13-14]：為破土正壓力，這個(gè)力會(huì)導(dǎo)致土壤產(chǎn)生偏移，同時(shí)也能夠克服偏移的土壤與未偏移的土壤之間的界面阻力；為土壤與切膜碎土圓盤之間的相對運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的剪應(yīng)力，它是生成切膜碎土圓盤滾動(dòng)阻力的主要原因；為圓盤刃口楔入土壤的入土阻力。

在切膜碎土圓盤的運(yùn)動(dòng)過程中，土壤產(chǎn)生偏移可以將其看作是偏移土壤與圓盤之間產(chǎn)生的一次非彈性碰撞。而根據(jù)力學(xué)原理可知：假設(shè)質(zhì)量為，初速度為0的一個(gè)物體，當(dāng)它受到另一個(gè)物體的非彈性碰撞后，其速度變成，此時(shí)該物體受到的沖量為：

界面阻力的大小與偏移土壤的質(zhì)量、淺層土壤的內(nèi)摩擦角以及土壤之間的干濕度有關(guān)，通過試驗(yàn)可以測得，淺層土壤的內(nèi)摩擦角為Φ2，則與正壓力有關(guān)的分量界面阻力可用2表示：

從而可以得出其正壓力：

剪應(yīng)力T由摩擦力和附著力的合成，根據(jù)庫倫定律可以計(jì)算得：

綜上所述，可以得出圓盤在碎土切膜的運(yùn)動(dòng)過程中的受力為：

4 田間性能試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)條件

夾持式殘膜回收機(jī)于2016年10月在第八師石河子市一四六團(tuán)棉花收獲后且滴灌帶已回收的田地進(jìn)行試驗(yàn)。棉田采用寬窄行密植種植模式（660 mm+100 mm），土壤表面較平整，土壤含水率為15%，地膜寬約為1.80 m，地膜厚度0.01 mm，兩邊覆土厚度為25～35 mm，地膜中間位置和作物根茬附近有土壤覆蓋，地膜保存較完整，機(jī)具牽引動(dòng)力由福田雷沃M800-D拖拉機(jī)提供。由于田間復(fù)雜地理環(huán)境以及考慮到殘膜回收效率的問題，機(jī)組作業(yè)速度定為5.5 km/h，試驗(yàn)場景如圖4所示。

圖4 切割后的帶狀殘膜

4.2 試驗(yàn)方法

綜合考慮田間試驗(yàn)實(shí)際情況以及機(jī)具本身等情況，選取2個(gè)主要參數(shù)包括殘膜切斷率和殘膜回收率進(jìn)行現(xiàn)場測試。在田間隨機(jī)選取5個(gè)試驗(yàn)區(qū)間進(jìn)行測試，每個(gè)試驗(yàn)區(qū)間長度為50.0 m，寬度為1.8 m，在每個(gè)試驗(yàn)區(qū)間隨機(jī)選取5個(gè)位置點(diǎn)作為檢測點(diǎn)，每個(gè)檢測點(diǎn)長度為5 m，將各檢測位置點(diǎn)回收的殘膜洗凈晾干后，檢測其切斷程度以及稱其質(zhì)量，計(jì)算平均值2作為該片段的試驗(yàn)結(jié)果，各檢測點(diǎn)當(dāng)年所鋪地膜質(zhì)量=72.69 g。

殘膜回收率可由下式得出

4.3 試驗(yàn)結(jié)果

表1 收膜以及切膜性能指標(biāo)測試

經(jīng)過田間試驗(yàn)測試，夾持式殘膜回收機(jī)切膜以及收膜性能指標(biāo)測試如表1所示。由于土壤具有一定的濕度，殘膜上粘附的泥土和水分的質(zhì)量往往大于殘膜的質(zhì)量，造成殘膜的含雜率不便統(tǒng)計(jì)，這里只給出殘膜切斷率以及回收率。經(jīng)試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算可知，夾持式殘膜回收機(jī)平均殘膜回收率達(dá)到90.5%，膜切斷率達(dá)到96.0%，由圖4b可以看出，收起的殘膜都是被切斷成帶狀的，并且收起的殘膜含雜量相對較少。

5 結(jié)論

（1）切膜碎土圓盤的線速度小于機(jī)具工作速度，在切膜碎土前行過程中切膜圓盤相對地面有一定的偏移，這對被埋入土的殘膜和板結(jié)成塊的土壤有一定的疏松作用；（2）薄膜在切膜圓盤的切割作用下被切成帶狀后，單個(gè)夾指鏈回收與其相對應(yīng)的一個(gè)殘膜帶，其寬度一定，收膜可靠性高；（3）夾持式殘膜回收機(jī)可有效切割清理板結(jié)土壤內(nèi)部以及根茬附近的殘膜，提高了殘膜回收率。該機(jī)具操作簡單，工作可靠，符合實(shí)際生產(chǎn)需求。

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2016-10-18

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào)：51465050。

*通訊作者：畢新勝（1971-），男，河南鎮(zhèn)平縣人，教授，碩導(dǎo)，研究方向?yàn)楝F(xiàn)代農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)及理論。E-mail：bxs_mac@shzu.edu.cn。