馬鈴薯挖掘與殘膜回收聯(lián)合作業(yè)機的研制與試驗

李勇，趙武云，戴飛，石林榕，郭笑歡

（甘肅農業(yè)大學工學院，甘肅 蘭州 730070）

馬鈴薯挖掘與殘膜回收聯(lián)合作業(yè)機的研制與試驗

李勇，趙武云，戴飛，石林榕，郭笑歡

（甘肅農業(yè)大學工學院，甘肅 蘭州 730070）

摘 要：為解決馬鈴薯收獲后的殘膜回收問題，研制了一種用于馬鈴薯挖掘和殘膜回收的聯(lián)合作業(yè)機。馬鈴薯挖掘機采用成熟機型4U-83型馬鈴薯收獲機，殘膜回收機采用曲柄滑塊扒膜裝置和圓筒式收膜與卸膜裝置。通過計算確定了曲柄滑塊扒膜裝置和圓筒式收膜與卸膜裝置的關鍵參數(shù)，改進了起膜鏟的形狀和參數(shù)，在降低傷薯率的同時提高了起膜和收膜的效果。田間試驗表明：該機挖掘和輸運流暢，分離效果顯著，殘膜能連續(xù)性地被卷膜筒卷起，卸膜方便可靠，傷薯率為4.4%，明薯率為96.4%，殘膜回收率為89.3%、脫膜率為98.1%，均可達到技術規(guī)范設計要求。聯(lián)合作業(yè)機與馬鈴薯收獲機單獨作業(yè)相比，明薯率和損傷率無明顯差距。

關 鍵 詞：馬鈴薯；挖掘；地膜；回收；聯(lián)合作業(yè)機

投稿網址：http：//xb.ijournal.cn

隨著地膜覆蓋種植技術的推廣，塑料薄膜的使用量迅速增加并逐年增長［1-3］。由于使用后的地膜難以完整回收，大部分殘膜被翻入土壤，逐年累加，造成土地嚴重污染。有資料表明，連續(xù)3年沒有清理殘膜的馬鈴薯地塊，產量下降7%～13%。目前，殘膜回收機具的推廣應用并不盡如人意，究其原因，一是專用殘膜回收機價格較高，二是有些殘膜回收機具本身存在缺陷，比如結構復雜、可靠性低或者調整使用不方便等，收膜和卸膜困難的問題尤為突出。甘肅省作為馬鈴薯種植大省，研制推廣先進適用的殘膜回收機械迫在眉睫［4-8］?，F(xiàn)今殘膜回收機具仍以收膜功能為主，使用效率和收膜的經濟效益低，很難為農戶所接受，為此，研發(fā)在殘膜回收的同時完成馬鈴薯挖掘聯(lián)合作業(yè)裝備，能降低作

筆者針對現(xiàn)有馬鈴薯挖掘機作業(yè)時存在的殘膜回收問題，設計了一種與現(xiàn)有成熟機型4U-83型馬鈴薯收獲機相適應的殘膜回收機，兩者組合成一種適合西北旱作農業(yè)區(qū)壟作種植的馬鈴薯挖掘和殘膜回收聯(lián)合作業(yè)機，設計確定了殘膜回收機的摟膜裝置和起膜裝置的關鍵參數(shù)，并進行了田間試驗。該機具有挖掘和輸運流暢、分離效果明顯、明薯率高、傷薯率低、殘膜回收率和脫膜率高等特點，明薯率和傷薯率較馬鈴薯挖掘機單獨作業(yè)無明顯差別，現(xiàn)將結果報道如下。

1 整機結構與工作原理

1.1 整機結構

馬鈴薯挖掘和殘膜回收聯(lián)合作業(yè)機由2部分組成，馬鈴薯挖掘機采用成熟機型4U-83型馬鈴薯收獲機，主要由懸掛裝置、挖掘裝置、防纏繞裝置、限深裝置、輸送裝置、機架組成；殘膜回收機主要由摟膜裝置、卷膜裝置構成，其結構如圖1 所示。

圖1 馬鈴薯挖掘與殘膜回收聯(lián)合作業(yè)機的結構Fig.1 Structure of the machine combining digging potato with collecting plastic film residue

1.2 工作原理

作業(yè)時，聯(lián)合作業(yè)機在拖拉機的拖（驅）動下，馬鈴薯與土壤一起被挖掘鏟鏟起；隨著機具的前行，馬鈴薯和土壤被推送至輸送裝置上；到達起膜鏟處時，由于摟膜裝置與輸送裝置存在一定高度差，且起膜鏟間距足夠大，土薯混合物從摟膜裝置的下方繼續(xù)推送上行，傳動裝置在運行中，因不斷轉動而有序抖動；輸送裝置上的馬鈴薯在隨輸送鏈向上運動的同時，其上的泥塊由于輸送鏈的抖動而被不斷清除；馬鈴薯運動至鏈高端后鋪放在已收區(qū)地面上，同時地膜被起膜鏟抬升至摟膜裝置的固定板下端，當曲柄滑塊機構的移動桿旋轉到固定板上方時，地膜在移動桿的帶動下被抬升，當曲柄滑塊機構的移動桿旋轉到固定板下方時，地膜停留在固定板上等待下一次的抬升，在地膜被抬升到卷膜裝置過程中，地膜在固定板與移動桿之間一直作間歇抬升運動，直到被抬升到卷膜機構；當?shù)啬さ竭_主動滾筒時，在主動滾筒旋轉作用下，地膜被卷入主動滾筒與卷膜筒之間，同時卷膜筒通過與主從動滾筒的摩擦力帶動一起旋轉，地膜被卷膜筒不斷卷起；當?shù)啬な占暌院?，通過使卷膜筒的直徑變?。ㄖ睆降淖兓看笥诘啬さ淖冃瘟浚?，從而使整卷地膜能夠順利地被卸下。

2 殘膜回收機主要部件設計及參數(shù)確定

2.1 摟膜裝置

摟膜裝置主要由起膜機構和扒膜機構組成，其中起膜機構由起膜鏟和起膜鏟軸組成，扒摸機構由移動軸、轉動桿、固定板、曲柄軸組成，其結構如圖2所示。

圖2 摟膜裝置的結構Fig.2 Structure of the hug membrane device

曲柄滑塊機構上部的曲柄軸與卷膜機構連接，套在曲柄軸上的固定板與主動滾筒相切，曲柄機構中部的活動桿隨著曲柄軸作圓周運動，帶動地膜向上運動，曲柄機構下部移動軸在馬鈴薯挖掘機外側軌道上作直線運動，固定板下部與起膜鏟軸連接，而起膜鏟軸固定在馬鈴薯挖掘機內側板上。

2.1.1 起膜裝置的設計

起膜裝置的功能是使地膜與土薯混合物分離，將地膜抬升到固定板上。據(jù)試驗，起膜鏟與馬鈴薯挖掘機上輸送裝置表面的夾角β和起膜鏟的長度L與馬鈴薯挖掘機作業(yè)速度有密切關系，在地膜性能一定的情況下，輸送裝置轉速越快， L越長，β越大，但輸送裝置轉速范圍是確定的，為了使地膜順利到達固定板上， L和β對撿拾機的工作性能至關重要。對起膜過程進行受力分析（圖3），結果表明，要使地膜沿摟膜裝置上行到主動滾筒，必須滿足平衡方程式：

圖3 地膜的受力分析Fig.3 Analysis of forces acting on the film

綜合上式得 ：

β越大，雖入土性能好，有利于撿拾深層地膜，但廢膜上行困難和起膜鏟工作阻力增大；β過小，影響入土深度和起膜率［10］。由式（2）和式（3）有α+β≤37.6°，取α=18°，則β 的取值范圍為0°～19.6°。最終考慮作業(yè)速度（1.5 km/h）及計算值，取β=16°。

起膜鏟的長度主要應保證其有足夠的入土深度，能將及壟面以下10 cm內的廢膜梳理出來［10-11］，同時還應保證曲柄機構的移動軸有足夠的高度，以避免傷薯。結合起膜角綜合考慮，取起膜鏟的長度L=180 mm；為了使馬鈴薯順利通過以及減少傷薯率，起膜鏟材料采用直徑為6 mm的塑料棒，間距為250 mm。

2.1.2 扒膜裝置的設計

扒膜裝置的功能及設計要求是：卷膜之前，將起膜裝置抬升到固定板上的地膜輸送至殘膜回收裝置上；地膜被卷膜筒卷起后，刮除根茬和附著的土壤，保證后續(xù)地膜的順利回收。

工作時，地膜被起膜裝置抬升至固定板下端，曲柄軸旋轉帶動移動桿轉動，當移動桿處于固定板下方時，地膜靜止于固定板上，當移動桿處于固定板上方時，移動桿帶動地膜向上運動，地膜間歇式向上運動到地膜回收裝置上。分析地膜處于固定桿上和移動桿上是否會滑落，可確定固定板的傾斜角度和移動桿的最大傾斜角度。要使地膜沿摟膜裝置上行到主動滾筒，必須滿足平衡方程式：

綜合上式得：

固定板傾斜角γ的確定，以地膜不回翻滾落為條件，若γ值超過理論值，則地膜沿固定板回翻滾落。為了使馬鈴薯地膜不回翻滾落，粘附于地膜上的土壤與固定板之間的摩擦角應小于理論值，而土壤對鋼的摩擦角取30°［12-13］，故γ應小于30°。結合試驗綜合考慮，取γ為20°。

傾斜角 δ的確定對扒膜與拋膜產生較大的影響，δ過大，拔膜時可能脫落，拋膜時動能太大，影響卷膜效果；δ過小，拔膜時地膜向上直線運動較慢，導致起膜鏟處地膜堆積，影響起膜效果。由式（5）和式（6）得γ+δ≤38.5°，由于γ=20°，因此，δ的取值范圍為 0°～18°，結合田間試驗綜合考慮，取δ為15°。

2.2 卷膜與卸膜裝置

2.2.1 結構及原理

圓筒式卷膜與卸膜裝置主要由主動滾筒、從動滾筒、卷膜筒、側板、連接桿組成，結構如圖4所示。

圖4 圓筒式卷膜與卸膜裝置的結構Fig.4 Structure of the cylinder type of collecting and unloading film device

主動滾筒與從動滾筒處于卷膜筒同一水平處，且與卷膜筒相切，由于柵條與主動滾筒相切，當?shù)啬さ竭_主動滾筒時，主動滾筒帶動卷膜筒和地膜旋轉，同時通過鏈帶帶動從動滾筒同向旋轉，從動滾筒也帶動卷膜筒旋轉。

2.2.2 卷膜筒的設計

卷膜筒主要由軸、固定軸端蓋、活動軸端蓋、活動卷膜板、連接板組成。卷膜時，卷膜筒直徑最大，連接板處于軸徑方向，通過卷膜筒與主從動滾筒的相互作用帶動卷膜筒卷膜；脫膜時，卷膜筒直徑最小，連接板處于軸線方向，在重力的作用下，整卷膜順利地脫下。卷膜和脫膜結構如圖5所示。

圖5 卷膜和卸膜狀態(tài)Fig.5 State of collecting and unloading plastic film residue

2） 卷膜筒中活動平行四邊形機構尺寸的確定。平行四邊形機構由固定在軸上的支撐點通過兩端連接板與活動板連接而成［14-17］。卷膜過程中，活動板發(fā)生彈性彎曲變形，中間點的撓度最大，其受力如圖6所示。查《機械設計手冊》［13］，整理得

圖6 平行四邊形機構受力分析Fig.6 Stress analysis of parallelogram mechanism

式中：Δmax為活動板中間點的最大撓度（mm）；W為施加在活動板上的載荷（N）；L為活動板長度（mm）；E為活動板的彈性模量（Gpa）；R為活動板的外徑（mm）；r為活動板的內徑（mm）；η為活動板弧長所對應的角度（°）。

2.2.3 主從動滾筒的設計

主從動滾筒將扒膜機構抬升上來的地膜送入卷膜筒上，通過與卷膜筒之間的摩擦力帶動卷膜筒轉動，從而完成卷膜作業(yè)。由卷膜側視分析圖（圖7）可知，由于卷膜筒上的活動板均勻間隔分布，卷膜筒在圓周上存在空缺，可能發(fā)生主從動滾筒與卷膜筒卡死現(xiàn)象，為了避免此類現(xiàn)象，必須選擇合適的主從動滾筒與卷膜筒之間的夾角ε以及主從動滾筒直徑。已知θ=45°，當ε≥45°時，主從動滾筒總有一個與卷膜筒接觸，即可行；主從動滾筒直徑過大，角度變大，兩者之間接觸點較遠，導致地膜無法到達從動滾筒，從而使卷膜筒無法卷起地膜；主從動滾筒直徑過小，角度過小，出現(xiàn)卡死現(xiàn)象。結合這兩個影響因素、田間試驗及加工工藝等綜合考慮，主從動滾筒直徑都為150 mm，ε=65°。

圖7 卷膜側視分析圖Fig.7 Analysis diagram of rolling up plastic film residue

3 田間試驗

3.1 試驗條件

田間試驗在甘肅省洮河拖拉機制造有限公司進行。試驗田塊地勢平坦，土壤為黃綿土，土壤含水率為16.2%～18.4%，馬鈴薯品種為‘定薯1號’。馬鈴薯種植采用大壟雙行覆膜方式。壟高 15～20 cm，壟寬60～70 cm；行距20～25 cm，株距25 cm；地膜為黑膜，幅寬150 cm，厚度0.008 mm。

3.2 試驗方法

依據(jù)NY／T 648—2002《馬鈴薯收獲機作業(yè)質量評價技術規(guī)范》［19］和GB/T 25412—2010《殘地膜回收機》［20-21］，對馬鈴薯收獲與殘膜回收聯(lián)合作業(yè)機進行試驗。試驗動力為東方紅-300型拖拉機，功率22．1 kW，前進行駛的速度為1.5 km/h［17-18］。

選取2塊長度為100 m、幅寬0.6 m的試驗地，分別作聯(lián)合作業(yè)機和馬鈴薯挖掘機的對比試驗。在試驗地長度方向每隔10 m取0.6 m×10 m區(qū)域共10組進行試驗，記錄相關數(shù)據(jù)，結果取 10 次試驗的平均值。聯(lián)合作業(yè)機測試計算明薯率、傷薯率、殘膜回收率和脫膜率，馬鈴薯挖掘機測試計算明薯率和傷薯率。

3.3 試驗結果

馬鈴薯挖掘與殘膜回收聯(lián)合作業(yè)機作業(yè)的明薯率為 96.4%，傷薯率為 4.4%，殘膜回收率為89.3%，脫膜率為98.1%；馬鈴薯挖掘機單獨作業(yè)的明薯率為96.6%，傷薯率為4.38%。對比可知，聯(lián)合作業(yè)機和馬鈴薯挖掘機的明薯率和傷薯率接近，且都滿足馬鈴薯收獲作業(yè)技術要求，即殘膜撿拾機構對馬鈴薯收獲機構的工作性能影響甚微；殘膜回收率和脫膜率都滿足殘膜回收機作業(yè)質量評價技術規(guī)范。

聯(lián)合作業(yè)機作業(yè)時，牽引拖拉機行走流暢，收獲機運動機構運行穩(wěn)定，土薯分離順暢，浮薯效果明顯，未發(fā)生壅土現(xiàn)象；地膜能連續(xù)被卷膜筒卷起；卸膜方便可靠；脫膜效果良好。聯(lián)合作業(yè)機對田間風化的小片殘膜回收時仍存在一定困難，影響了殘膜回收率。

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責任編輯：羅慧敏

英文編輯：吳志立

中圖分類號：S223.5

文獻標志碼：A

文章編號：1007-1032（2016）01-0102-06

收稿日期：2015-10-07 修回日期：2015-12-18

基金項目：國家公益性行業(yè)（農業(yè)）科研專項經費項目（201503105）；甘肅省科技重大專項（143NKDJ018）

作者簡介：李勇（1987—），男，湖南郴州人，碩士研究生，主要從事農業(yè)工程技術與裝備研究，871231374@qq.com；*通信作者，趙武云，博士，教授，主要從事農業(yè)工程技術與裝備研究，zhaowy@gsau.edu.cn業(yè)費用、減少拖拉機的作業(yè)次數(shù)和減輕對土壤的壓實，提高綜合效益，有較好的推廣應用前景［6-9］。

Development and experiment of combined operation machine for potato harvesting and plastic film collecting

Li Yong， Zhao Wuyun， Dai Fei， Shi Linrong， Guo Xiaohuan
（School of Engineering， Gansu Agricultural University， Lanzhou 730070， China）

Abstract：In order to solve the problem of collecting the residue of plastic film after potato harvesting， a combined machine was developed to dig potato and collect the residue of plastic film simultaneously. Based on the 4U-83 potato harvester， a crank-rocker mechanism was designed to strip the residue of plastic film and a cylinder device to collect and unload the residue of plastic film. The key parameters were calculated and determined for both of the devices. The shape and parameter of the shovel was improved to reduce the damage rate of potato and the efficiency of lifting and collecting the residue of plastic film. Field test showed that potato digger performed smoothly in digging and transporting with efficient separation. The plastic film can be rolled up continuously and reliably unloaded in convenient. The damage rate was 4.4% with the obvious rate of 96.4%. The recovery rate of the residual film was 89.3% with the film release rate of 98.1%. All of the parameters reached the requirements of technical specifications for design. The combined machine with digging and collecting functions achieved the same performance as the original potato harvester.

Keywords：potato； digging； plastic film； recovery； combined machine