4JSM-2000型棉稈粉碎與殘膜回收聯(lián)合作業(yè)機的設(shè)計與試驗

由佳翰，陳學(xué)庚,2※，張本華，吳 杰

（1. 沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，沈陽 110866；2. 新疆農(nóng)墾科學(xué)院機械裝備研究所，石河子 832000；3. 石河子大學(xué)機械電氣工程學(xué)院，石河子 832003）

4JSM-2000型棉稈粉碎與殘膜回收聯(lián)合作業(yè)機的設(shè)計與試驗

由佳翰1，陳學(xué)庚1,2※，張本華1，吳 杰3

（1. 沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，沈陽 110866；2. 新疆農(nóng)墾科學(xué)院機械裝備研究所，石河子 832000；3. 石河子大學(xué)機械電氣工程學(xué)院，石河子 832003）

為提高新疆秋后棉地殘膜回收機械化水平，解決傳統(tǒng)殘膜回收機械普遍存在的殘膜回收率低、含雜率高、殘膜易纏繞和作業(yè)效率低等問題，該文研制了一種可一次完成棉稈粉碎還田、殘膜回收、殘膜與棉稈及土等雜物分離作業(yè)的秋后棉稈粉碎還田與殘膜回收聯(lián)合作業(yè)機。該機使用錘片式粉碎裝置和螺旋攪龍輸送裝置，作業(yè)時起膜齒將殘膜揭起后堆積在起膜齒末端處；偏心滾筒式拾膜機構(gòu)將殘膜拾起并運送至卸膜機構(gòu)，撿拾滾筒壁上的卸膜槽與卸膜葉片協(xié)調(diào)配合完成卸膜作業(yè)，卸膜葉片通過卸膜輥的高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生離心風(fēng)力，使落入蝸殼殼體內(nèi)的殘膜沿風(fēng)道進入殘膜回收箱，完成殘膜回收。田間試驗結(jié)果表明，該機在作業(yè)速度為6.0 km/h時，作業(yè)效率為1.15 hm2/h、棉稈粉碎合格率為90.1%、殘膜回收率84.4%、膜稈分離率87.3%，棉稈粉碎還田和膜稈分離效果較好。該機各項參數(shù)滿足農(nóng)藝要求，研究結(jié)果有利于解決棉田殘膜污染問題。

農(nóng)業(yè)機械；塑料薄膜；秸稈；聯(lián)合作業(yè)機；秸稈粉碎；地膜回收

由佳翰，陳學(xué)庚，張本華，吳 杰. 4JSM-2000型棉稈粉碎與殘膜回收聯(lián)合作業(yè)機的設(shè)計與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2017，33(10)：10－16. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.10.002 http://www.tcsae.org

You Jiahan, Chen Xuegeng, Zhang Benhua, Wu Jie. Design and experiment of 4JSM-2000 type combined operation machine for cotton stalk chopping and residual plastic film collecting[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE), 2017, 33(10): 10－16. (in Chinese with English abstract)

doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.10.002 http://www.tcsae.org

0 引 言

地膜覆蓋技術(shù)對促進農(nóng)作物生長、提高產(chǎn)量、防治雜草和節(jié)水有重要作用[1-2]。新疆于20世紀90年代中期開始大面積的使用地膜覆蓋技術(shù)種植棉花，棉田鋪膜率達100%[3]。中國農(nóng)用地膜主要成分是聚乙烯類物質(zhì)，若不回收，長期積累不僅會污染土壤還會阻礙水肥輸導(dǎo)，影響棉花產(chǎn)量[4-5]。盡管針對殘膜問題采取了很多措施進行解決，但殘膜污染情況依舊嚴峻[6-9]。

秋后是回收殘膜的較佳時期，但該時期棉花收獲后棉稈殘留量大并與殘膜和土等雜質(zhì)混雜在一起。所以，實現(xiàn)殘膜回收機具作業(yè)時棉稈、土與殘膜的分離，是秋后機械化殘膜回收必須解決的問題[10-11]。針對棉田秋后殘膜回收問題，國內(nèi)的一些科研單位進行了相關(guān)研究。如新疆農(nóng)墾科學(xué)院生產(chǎn)的 4FS2地膜聯(lián)合回收機和 4SJ-1.6型殘膜回收與秸稈粉碎還田機，新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)研制的氣吹式秋后殘膜回收機，石河子大學(xué)研制的SMS-1500型秸稈粉碎與殘膜回收機，新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院研制的4JSM-1800系列棉稈還田及殘膜回收聯(lián)合作業(yè)機。上述機型存在著功能較為單一，作業(yè)幅寬小不適用現(xiàn)今新疆棉田普遍使用2 050 mm寬度的地膜，殘膜與土和棉稈不能有效分離，易出現(xiàn)堵塞，沒有仿形功能起膜效果不穩(wěn)定等問題[12-17]。

為解決上述問題，該文設(shè)計4JSM-2000型棉稈粉碎與殘膜回收聯(lián)合作業(yè)機，增加了風(fēng)力攪龍輸送裝置，與原有錘片式粉碎裝置組合用于棉稈粉碎還田，齒桿式起膜機構(gòu)和偏心滾筒式拾膜機構(gòu)同步作業(yè)完成殘膜撿拾，氣力式卸膜機構(gòu)可防止與卸膜葉輪纏繞有助于將殘膜拋送至殘膜回收箱，以提高機具殘膜回收率并降低含雜率，此外，大容積的殘膜回收箱降低了卸膜次數(shù)，有效提高作業(yè)效率。

1 整機結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機結(jié)構(gòu)

機具結(jié)構(gòu)如圖 1所示，主要有懸掛裝置、棉稈粉碎還田裝置、起膜機構(gòu)、偏心滾筒式拾膜機構(gòu)、氣力式卸膜機構(gòu)、大容積殘膜回收箱、機架、傳動系統(tǒng)和地輪等部分組成。其中，棉稈粉碎裝置由限深輪、刀軸、動刀片、定刀片、螺旋攪龍等組成；起膜機構(gòu)有起膜齒、起膜架和角度調(diào)節(jié)板等組成；拾膜機構(gòu)主要由撿拾滾筒和伸縮齒桿等組成；卸膜機構(gòu)由卸膜輥和蝸殼等組成；卸膜輥由卸膜葉片與轉(zhuǎn)動軸組成。機具在拖拉機的牽引下，可一次完成棉稈粉碎還田、起膜、拾膜、卸膜、殘膜回收和壓實土壤等一系列作業(yè)。

圖1 4JSM-2000型棉稈粉碎與殘膜回收聯(lián)合作業(yè)機結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of 4JSM-2000 type combined operation machine for cotton stalk chopping and plastic film collecting

1.2 工作原理

如圖 1所示，田間作業(yè)時，機具以三點懸掛的方式與拖拉機連接，拖拉機動力輸出軸通過傳動軸與棉稈粉碎還田裝置傳動系統(tǒng)相連接，帶動棉稈粉碎刀軸高速旋轉(zhuǎn)，棉稈被動刀片和定刀片配合打碎或打成較小根塊后落入螺旋攪龍內(nèi)，由螺旋攪龍配合動刀片高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的風(fēng)力將粉碎后的棉稈拋送至地表一側(cè)，實現(xiàn)棉稈與殘膜分離。同時，起膜齒在棉稈已被粉碎的地表作業(yè)，將殘膜揭起，揭起的殘膜與土等雜質(zhì)堆積在起膜齒末端處，伸縮齒桿隨偏心軸轉(zhuǎn)動撿拾殘膜。在撿拾滾筒表面與伸縮齒桿對應(yīng)處設(shè)有卸膜槽，殘膜攜帶的土等雜質(zhì)會通過卸膜槽落下，而殘膜不會滑落出滾筒表面，實現(xiàn)了殘膜與土的分離。當滾筒表面的殘膜運動到卸膜機構(gòu)時，卸膜輥將滾筒表面殘膜撥下至蝸殼體內(nèi)，高速旋轉(zhuǎn)的卸膜葉片產(chǎn)生離心風(fēng)力，風(fēng)力使蝸殼體內(nèi)的殘膜吹出并順著殼壁拋入殘膜回收箱。

1.3 主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

表1 主要結(jié)構(gòu)參數(shù)Table1 Key structure parameters

2 主要部件設(shè)計與運動分析

2.1 棉稈粉碎還田裝置

2.1.1 棉稈粉碎機構(gòu)

棉稈粉碎機構(gòu)主要由限深輪、刀軸、動刀片、定刀片和螺旋攪龍組成。為保證軸向力均勻，棉稈粉碎良好，動刀片使用Y型刀片，采用螺旋線排列方式鉸接在刀軸上，由《農(nóng)業(yè)機械設(shè)計手冊》可知，Y型刀片的甩刀密度一般為0.23～0.40片/cm，相鄰兩刀片的徑向夾角一般要大于60°。該設(shè)計綜合選取甩刀密度為0.26片/cm，作業(yè)幅寬2 100 mm，得甩刀數(shù)目為56片，相鄰兩刀片的徑向夾角為90°。刀軸直徑為254 mm，棉稈平均直徑為10.35 mm（試驗測得）為防止棉稈堵塞刀座間隙，經(jīng)計算螺旋升角為15°時每組動刀的刀座間隙為33.23 mm滿足要求。圖2為動刀的刀座在刀軸上的排列展開圖。

圖2 刀座在刀軸上的展開圖Fig.2 Unfold drawing of arrangement of knife-seat on cutter shaft

定刀片位于刀軸斜前上方粉碎機罩殼內(nèi)側(cè)，根據(jù)現(xiàn)有棉稈粉碎機具的設(shè)計經(jīng)驗，該文定刀刀片間距為45 mm。田間作業(yè)時，動刀片的刀端點絕對速度Va由拖拉機前進速度Ve和刀端點的線速度Vr合成，其運動方程為：

以刀軸軸心為原點，機具前進的反方向為x軸正方向，建立直角坐標系，如圖3所示。

圖3 動刀片運動分析Fig.3 Analysis of moving blade

取動刀片端部某點M（x，y），則M點運動軌跡方程為：

式中ω0為刀軸旋轉(zhuǎn)角速度，rad/s；R為動刀片旋轉(zhuǎn)半徑，mm。

引入旋耕機研究中旋耕速度比λ，即動刀端點回轉(zhuǎn)切線速度與機具前進速度之比，表達式為：

將式（3）代入（2）整理后得到方程：

式（4）表明，動刀作業(yè)過程中運動軌跡是擺線，據(jù)文獻[11]可知當λ≤1時，動刀無法進行反復(fù)切碎，并且漏切嚴重；當λ＞1時，運動軌跡為余擺線，有重合部分，棉稈粉碎效果良好，動刀片在運動到最高點時，刀片端點水平速度方向與機具前進方向相反，有利于粉碎的棉稈進入螺旋攪龍殼體內(nèi)。動刀片的線速度與刀軸的轉(zhuǎn)速直接相關(guān)，刀軸的轉(zhuǎn)速n公式如下：

本文機具動刀片旋轉(zhuǎn)半徑R設(shè)計為247 mm，刀軸轉(zhuǎn)速為2 100 r/min。拖拉機的前進速度Ve為5～7 km/h，則計算可得刀端點的線速度Vr為52.35～52.90 m/s，滿足大于48 m/s的設(shè)計需求[23]。

2.1.2 棉稈輸送還田機構(gòu)

棉稈輸送還田機構(gòu)是保證膜稈分離效果的重要工作機構(gòu)。螺旋輸送裝置具有結(jié)構(gòu)簡單、操作方便和易于維修等特點，是農(nóng)作物秸稈的主要運輸方式之一[18-19]。臥式螺旋輸送裝置的參數(shù)較多，每個參數(shù)都影響著螺旋輸送裝置的輸送能力，現(xiàn)分析一些主要參數(shù)的確定。

螺旋輸送裝置的理論輸送量為單位時間內(nèi)被粉碎的棉稈質(zhì)量，該文拖拉機的作業(yè)速度范圍在5～7 km/h，棉稈粉碎機構(gòu)作業(yè)幅寬為 2.10 m，根據(jù)田間試驗結(jié)果單位面積內(nèi)平均粉碎棉稈質(zhì)量為422.19 g/m2，根據(jù)計算可得螺旋輸送裝置的理論輸送量Q約為1.23～1.72 kg/s。參照螺旋機輸送機理與理論設(shè)計方法，各主要參數(shù)設(shè)計公式如下[20-22]。

式中K為粉碎棉稈特性系數(shù)；為傾斜系數(shù)；為填充系數(shù)；為輸送棉稈的堆積密度，t/m3；

根據(jù)螺旋輸送機設(shè)計標準[23]，秋后棉稈水分較大粉碎后有黏性易成塊狀，填充系數(shù)取0.20；粉碎棉稈特性系數(shù)K取0.071；因為螺旋輸送裝置水平放置，傾斜系數(shù)為1；粉碎棉稈的堆積密度經(jīng)測算為0.12 t/m3。

將數(shù)值代入式（6）可計算出螺旋外徑最小為392 mm，取整D=400 mm；將D=400 mm代入式（7）可計算出螺旋軸徑在80～140 mm之間，為避免棉稈堵塞攪龍，取螺旋軸徑d0=120 mm；由式（8）計算出螺距取值范圍為200～880 mm，取螺距為400 mm。

2.2 殘膜回收裝置

2.2.1 起膜機構(gòu)

起膜機構(gòu)位于整機的最下方，由起膜齒、起膜架和角度調(diào)節(jié)板等組成，其結(jié)構(gòu)如圖 1所示。機具作業(yè)時，要求起膜齒具有較強的入土能力和穩(wěn)定的作業(yè)深度，通過角度調(diào)節(jié)板對起膜齒的角度進行調(diào)節(jié)以滿足起膜齒對起膜角度和深度的要求。該文通過正交試驗確定起膜角和作業(yè)深度的最優(yōu)值。

2.2.2 拾膜機構(gòu)

拾膜機構(gòu)的主要作用是將起膜機構(gòu)揭起的殘膜撿拾并運送至卸膜機構(gòu)，主要由偏心軸、撿拾滾筒、伸縮桿齒和卸膜槽等組成，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 拾膜機構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic diagram of film collecting device

當伸縮齒桿撿拾起殘膜上升時，殘膜受力情況如圖5所示。

圖5 殘膜受力分析Fig.5 Force analysis of plastic film

設(shè)伸縮齒桿離開作業(yè)面時與豎直方向的夾角為a2

式中d為伸縮齒桿最大作業(yè)深度，mm；l為伸縮齒桿回轉(zhuǎn)半徑，mm。

設(shè)伸縮齒桿端點C處殘膜重力為G。

式中m為殘膜質(zhì)量，kg；g為重力加速度，m/s2；Gn為重力沿伸縮齒桿方向的法向分力，N；Gt為重力沿伸縮齒桿方向的切向分力，N。

設(shè)伸縮齒桿對殘膜的法向作用力為F1

式中Pb為殘膜所受慣性力，N；β為殘膜所受慣性力與重力法向分力間夾角，(°)；r為殘膜運動時的瞬時半徑，mm；ω為撿拾滾筒轉(zhuǎn)動角速度，rad/s。

伸縮齒桿能夠撿拾殘膜的必要條件為

式中f為殘膜與伸縮齒桿的摩擦力，N；μ為殘膜與伸縮齒桿的摩擦系數(shù)。

上式可簡化為；

式中n1為撿拾滾筒轉(zhuǎn)速，當 cosa2-μ2sina2＞0和μcosβ-sinβ＞0時，上式才有意義。經(jīng)計算取μ=0.5時，a2＜63.44°、β＜26.56°。

以試驗樣機為例滾筒半徑為290 mm，伸縮齒桿回轉(zhuǎn)半徑為340 mm，則取a2=52.5°，r=0.4 m，β=25°時，計算得出ω＞10.12 rad/s，即n1＞97 r/min。轉(zhuǎn)速過大，伸縮齒桿會對殘膜過度打擊，使殘膜進一步破碎，增加回收難度；轉(zhuǎn)速過小，拾膜效率降低，不滿足生產(chǎn)作業(yè)要求。根據(jù)上述理論分析結(jié)合實際作業(yè)情況，選取撿拾滾筒轉(zhuǎn)速為110 r/min。

2.2.3 卸膜機構(gòu)

卸膜機構(gòu)主要是由卸膜輥（如圖 6所示）和蝸殼組成，主要作用是將撿拾滾筒上回收的殘膜撥至蝸殼內(nèi)并吹入殘膜回收箱內(nèi)。為使作業(yè)過程中殘膜順利脫離卸膜葉片，需滿足殘膜在卸膜輥頂端受到的離心力大于與卸膜葉片間的吸附力和纏繞力[24]，即殘膜脫離卸膜輥的條件為

式中v為卸膜葉片端部線速度，m/s；R1為卸膜輥回轉(zhuǎn)半徑，m；f1為卸膜葉片對殘膜的摩擦力，N；m1單個葉片上殘膜質(zhì)量，N；q為卸膜葉片與水平面的夾角，(°)；n2為卸膜輥轉(zhuǎn)速，r/min。1m為皮帶靜摩擦因數(shù)，取0.6。

卸膜輥設(shè)計轉(zhuǎn)速n2≥1 000 r/min，代入式（19）、（20）可得R1＞0.254 m，取R1=0.260 m。按照試驗過程中單個葉片上殘膜質(zhì)量1.89×10-3kg（試驗測得）計算，殘膜需要的懸浮速度為大于1.2 m/s[25]，由于田間作業(yè)時殘膜含有少量土和棉稈等雜質(zhì)，因此實際殼體內(nèi)氣流速度應(yīng)大于此速度，滿足殘膜脫離卸膜輥的最小n2值為1 000 r/min經(jīng)風(fēng)速儀測得，當卸膜輥轉(zhuǎn)速為1 000 r/min時，氣流出口風(fēng)速為7.4 m/s，滿足理論要求。

圖6 卸膜輥示意圖Fig.6 Schematic diagram of film uploading roller

3 田間試驗

3.1 試驗條件

試驗于2016年10月在石河子市149團11連進行，前茬作物為棉花，試驗區(qū)棉花種植面積為600 m×550 m，試驗地土壤類型為漠土，土壤堅實度為365 kPa，土壤含水率為18.24%；棉稈平均高度為 715 mm，平均直徑為10.35 mm，含水率為20.15%；地膜寬度為2 050 mm，地膜厚度0.008 mm，地膜兩邊壓入土中，膜中間有部分覆土，有少量破損；地表雜草較多，配套動力為88 kW拖拉機，圖7為試驗現(xiàn)場。

圖7 田間試驗現(xiàn)場Fig.7 Scene of field experiment

3.2 試驗設(shè)計

起膜齒的作用是將地表下的殘膜與土壤鏟起，并沿起膜齒上升。起膜齒的起膜角對殘膜回收質(zhì)量有較大影響，為保證起膜期間土壤破碎掉落，殘膜繼續(xù)上升，根據(jù)文獻[26]起膜齒起膜角范圍在20°～35°之間為優(yōu)。在新疆典型棉花種植區(qū)，殘留地膜在各土層中均有分布[27]，而當年的地膜主要分布在地表淺層，本次試驗選取起膜齒作業(yè)深度范圍為 20～60 mm。機具作業(yè)速度范圍為5.0～7.0 km/h。試驗因素取值范圍如表2所示[28]。

表2 試驗因素水平Table 2 Experiment factors and levels

殘膜回收率是衡量正交試驗的主要指標，其值可用式（22）表示

式中η為殘膜回收率，%；W1為回收殘膜的質(zhì)量，g；W0為試驗地塊所鋪地膜的總質(zhì)量，g。

3.3 試驗結(jié)果

試驗方案和結(jié)果如表 3所示，試驗結(jié)果數(shù)據(jù)方差分析如表4所示。

表3 試驗方案和結(jié)果Table 3 Test scheme and results

表4 方差分析Table 4 Variance analysis

根據(jù)表4可知3個因素對殘膜回收率均勻顯著影響。通過表3可知，誤差項E極差遠低于其他因素極差，說明因素間的交互作用對試驗指標影響不明顯，可以不考慮，則殘膜回收率的影響因素主次順序為B、A、C，較優(yōu)方案為B2A2C1，由于C1與C2結(jié)果差距很小，考慮到作業(yè)效率，確定本試驗的最優(yōu)組合為B2A2C2。

3.4 最優(yōu)組合試驗驗證

按照 GB/T25412-2010《殘地膜回收機》和 GB/T24675.6-2009《保護性耕作機械：秸稈粉碎還田機》的要求[29-30]，在最優(yōu)組合的參數(shù)條件下對試驗樣機進行作業(yè)性能試驗，測試棉稈粉碎合格率、殘膜回收率和膜稈分離率等作業(yè)參數(shù)，并考查機具作業(yè)時各個裝置的工作配合情況。

3.4.1 試驗性能指標

棉稈粉碎合格率為粉碎合格棉稈質(zhì)量占測試地段上粉碎棉稈總質(zhì)量的百分比。采用五點法測試，每個點取1 m2范圍，測定范圍內(nèi)地表所有粉碎棉稈，棉稈長度≤150 mm為合格。棉稈粉碎合格率為

式中η1為棉稈粉碎合格率，%；W2為粉碎合格棉稈質(zhì)量，g；W3為粉碎棉稈總質(zhì)量，g。

膜稈分離率分別是評估機具工作性能優(yōu)劣和棉稈粉碎還田的主要指標之一，膜桿分離率可由式（24）算得：

式中η2為膜稈分離率，%；W1為回收殘膜的質(zhì)量，g；W4為機具回收殘膜和秸稈的總質(zhì)量，g；

3.4.2 試驗結(jié)果

表5 田間試驗結(jié)果Table 5 Field experiment result

機具平穩(wěn)作業(yè)后，隨機選取5個作業(yè)長度為100 m試驗區(qū)進行試驗。經(jīng)試驗結(jié)果統(tǒng)計可知，機具平均作業(yè)效率為1.15 hm2/h，試驗區(qū)地表凹凸不平且石塊較多，機具作業(yè)顛簸嚴重造成部分傳動系統(tǒng)松動造成與理論效率值1.26 hm2/h有一定誤差；平均殘膜回收率為84.4%。試驗后地表殘膜回收較干凈，但有少量碎膜未被回收，這是因為留茬和伸縮齒桿對殘膜的刮取導(dǎo)致部分殘膜被打碎，此外試驗區(qū)棉花是機械收獲，一部分殘膜、棉稈和土壤一起被壓實，也給殘膜的回收帶來一定影響；平均膜稈分離率為87.3%，由于田間試驗時間為初秋，棉稈含水率較大，在螺旋攪龍內(nèi)有一定堵塞現(xiàn)象，造成棉稈拋出距離不夠，導(dǎo)致少量粉碎的棉稈被撿拾回收，影響了膜稈分離率；平均棉稈粉碎合格率為90.1%。與目前現(xiàn)有的秋后殘膜回收機械相比較，例文獻[11]雖然機具作業(yè)各測試性能較優(yōu)，但機具作業(yè)幅寬已不適用現(xiàn)今新疆棉田普遍使用的地膜寬度，該文針對新的作業(yè)幅寬設(shè)計的4JSM-2000型棉稈粉碎與殘膜回收聯(lián)合作業(yè)機，結(jié)構(gòu)創(chuàng)新，各項參數(shù)滿足農(nóng)藝要求，盡管在殘膜回收率和膜稈分離率上低于該文獻，但無明顯差異。

4 結(jié) 論

1）該文針對現(xiàn)今新疆棉田普遍使用的2 050 mm寬度的地膜設(shè)計了能夠一次性完成棉稈的粉碎輸送還田、膜土桿分離和殘膜回收等作業(yè)的聯(lián)合作業(yè)機。該機各項參數(shù)滿足農(nóng)藝要求，有利于解決新疆棉田殘膜污染問題。

2）通過理論分析與性能試驗確定了棉稈粉碎還田裝置、殘膜撿拾滾筒和卸膜機構(gòu)的關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)及工作參數(shù)。

3）在確定撿拾滾筒的轉(zhuǎn)速為110 r/min、卸膜輥轉(zhuǎn)速為1 000 r/min的基礎(chǔ)上，經(jīng)正交試驗得知起膜齒的最優(yōu)參數(shù)組合為起膜角30°、作業(yè)深度40 mm，機具作業(yè)速度6.0 km/h，在最優(yōu)組合的參數(shù)條件下進行田間試驗，結(jié)果顯示棉稈粉碎合格率為90.1%，膜稈分離率為87.3%，作業(yè)效率為1.15 hm2/h，殘膜回收率為84.4%。

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Design and experiment of 4JSM-2000 type combined operation machine for cotton stalk chopping and residual plastic film collecting

You Jiahan1, Chen Xuegeng1,2※, Zhang Benhua1, Wu Jie3
(1.College of Engineering, Shenyang Agricultural University,Shenyang110866,China; 2.Mechanical Equipment Research Institute,Xinjiang Academy of Agricultural and Reclamation Science,Shihezi832000,China;3.College of Mechanical and Electrical Engineering,Shihezi University,Shihezi832003,China)

In order to improve the mechanization of the domestic equipment for recycling agricultural plastic film in cotton field of Xinjiang, and solve the common problems existing in traditional plastic film recovery machine including low recovery rate of plastic film, high impurity content of recovered plastic film, difficult to separate stalk and soil from plastic film, plastic film easy to wrap cotton stalk and film collecting parts, and low efficiency, the 4JSM-2000 type cotton stalk chopping and plastic film collecting machine was designed, for collecting residual plastic film with width of 2 050 mm. The designed mainly consisted of suspension device, cotton stalk chopping device, stalk conveying device, loosening film device, film collecting device, film removing device, transmission system, plastic film box, and so on. It could realize cotton stalk chopper returning,plastic film recycling, and soil and straw separation from plastic film with one operation. The machine combined the hammer type stalk chopping device and spiral convey device. The separation effect was good. When the machine operated, the plastic film was lifted from the field by loosening film tooth, and piled up on the end of loosening film tooth. The film collecting device picked up plastic film and delivered it to the film-unloading entrance. The plastic film was unloaded by the cooperation of unloading impeller and film-unloading groove on the cylinder. Strong centrifugal wind produced by high speed rotation of the film unloading roller blew the plastic film in volute into the residual film box. The working parameters of loosening film tooth were determined through the orthogonal test. The penetrating angle, operation depth, and operation speed were taken as 3 factors, and a three-factor and three-level orthogonal test was conducted. In the test, the penetrating angle was 30°, operation depth was 40 mm, operation speed was 6 km/h were the optimal combination. The film collecting device mainly included eccentric shaft, cylinder, retractable finger frame, and so on. The device had high film collecting rate. Through the force analysis, the rotation speed of cylinder should need greater than 97 r/min, if the rotation speed of cylinder was too fast, the retractable finger would broken plastic film, increased the difficulty of recycling, and comprehensive consideration the rotation speed of cylinder was 110 r/min The film uploading device mainly included shaft, uploading film roller, uploading film impeller, volute, and wind increasing hole, and so on. The film unloading device was designed based on the force analysis and experiment, the working speed of film uploading rotation shaft was greater than 1000 r/min. Results of field experiment demonstrated that when the traction speed of tractor was 6.0 km/h, the operating efficiency was 1.15 hm2/h, the qualified rate of cotton straw chopping was 90.1%, when the cutter shaft speed was 2100 r/min, the recovery rate of agricultural plastic film was 84.4%, and the separation ratio of cotton straw and plastic film was 87.3%. The parameters of the machine meet the agricultural requirements. The research results may be helpful for solving the problem of plastic film pollution in cotton field.

agricultural machinery; plastic films; straw; combined operation machine; stalk chopping; plastic film recycling

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.10.002

S223.5

A

1002-6819(2017)-10-0010-07

2016-11-08

2017-04-25

農(nóng)業(yè)部公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專項項目（201503105）

由佳翰，男，遼寧海城人，博士生，主要從事智能農(nóng)機裝備設(shè)計研究，沈陽 沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，110866。Email：synydxyjh@163.com

※通信作者：陳學(xué)庚，男，江蘇泰興市，中國工程院院士，研究員，博士生導(dǎo)師，從事農(nóng)業(yè)機械設(shè)計研究。石河子 新疆農(nóng)墾科學(xué)院機械裝備所，832000。Email：chenxg130@sina.com