梳齒式自動仿形殘膜撿拾機(jī)的設(shè)計(jì)及性能試驗(yàn)

王浦舟，吳雪梅，張富貴，黃化剛，喻麗華，聶堯

1 貴州大學(xué)，機(jī)械工程學(xué)院，貴陽，550025；2 貴州省煙草公司，畢節(jié)市公司，畢節(jié)，551700

煙草設(shè)備

梳齒式自動仿形殘膜撿拾機(jī)的設(shè)計(jì)及性能試驗(yàn)

王浦舟1，吳雪梅1，張富貴1，黃化剛2，喻麗華1，聶堯1

1 貴州大學(xué)，機(jī)械工程學(xué)院，貴陽，550025；2 貴州省煙草公司，畢節(jié)市公司，畢節(jié)，551700

為使設(shè)計(jì)的殘膜撿拾機(jī)適合山區(qū)壟作煙地、能實(shí)現(xiàn)自動仿形并有較高的撿拾性能。設(shè)計(jì)了分段自動仿形的梳齒安裝架，分析得到彈齒的最佳入土角范圍為15°～45°。利用正交試驗(yàn)方法，以梳齒間距（橫向A、縱向B）及機(jī)具行進(jìn)速度（C）為研究對象，分析各因素對收膜率及積土量的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明在無壟地機(jī)具的最佳結(jié)構(gòu)為橫向齒間距（90 mm、70 mm和50 mm），縱向齒間距440 mm，機(jī)具在低速（3.5 km/h）狀態(tài)下積土量較小，在高速（7.5 km/h）狀態(tài)下?lián)焓奥侍岣摺Ｔ谟袎诺氐淖罴呀Y(jié)構(gòu)為橫向齒間距（180 mm、140 mm和50 mm），縱向齒間距為440 mm，機(jī)具在高速（7.5 km/h）狀態(tài)下積土量較小，在低速（3.5 km/h）狀態(tài)下?lián)焓奥侍岣摺?/p>

殘膜撿拾機(jī)；仿形；正交試驗(yàn)

山區(qū)煙葉種植經(jīng)常采用地膜栽培技術(shù)，地膜栽培能起到保溫、除草等作用，從而提高煙葉的產(chǎn)量和質(zhì)量[1]。但是該技術(shù)的推廣和應(yīng)用在給煙農(nóng)帶來實(shí)際效益的同時(shí)，也產(chǎn)生了一定的污染問題[2]。目前，國內(nèi)地膜撿拾一般可分為人工撿拾和機(jī)械撿拾兩種。人工拾膜的勞動強(qiáng)度大，撿拾效率低。機(jī)械撿拾可以減輕勞動強(qiáng)度，提高煙葉的種植效率[3-4]。

由于貴州山區(qū)植煙地的復(fù)雜性，地膜在苗期撿拾不完全，導(dǎo)致的殘留地膜需在秋后進(jìn)行二次撿拾。二次收膜存在煙桿殘留、土壤積壓和殘膜較碎的問題[5]。且煙葉收獲后，煙地受到風(fēng)化，壟形被破壞，按照種植標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的仿形機(jī)構(gòu)無法高效撿拾殘膜。目前常用的CM22.6殘膜回收機(jī)、1FMJ2850型殘膜回收機(jī)，以及4TSM24型懸掛式收膜機(jī)，經(jīng)測試均不適用于貴州山區(qū)秋后地膜的回收[6-7]。為此，本文提出了利用松土起膜裝置作用于壟底，利用自動仿形彈齒機(jī)構(gòu)進(jìn)行仿形拾膜作業(yè)的機(jī)具，實(shí)現(xiàn)山區(qū)壟作煙地的有效拾膜。

1 整體機(jī)型設(shè)計(jì)及工作原理

1.1 整體機(jī)型設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的煙田殘膜撿拾機(jī)具主要由機(jī)架、拾膜總成及卸膜總成3部分組成。其中，拾膜總成采用自動仿形設(shè)計(jì)，能夠根據(jù)地形自動適應(yīng)起伏的壟面，實(shí)現(xiàn)自動仿形；卸膜總成使用拖拉機(jī)自帶液壓裝置作為輸入，采用雙通液壓缸實(shí)現(xiàn)卸膜裝置豎直方向的雙向運(yùn)動。機(jī)具總長度1.56 m，機(jī)具總寬2.17 m，其中工作幅寬為2 m。結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示：

圖1 梳齒式自動仿形殘膜撿拾機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Sketch diagram of comb-type automatic pro fi ling plastic fi lm residue collector

1.2 樣機(jī)工作原理

樣機(jī)與通過三點(diǎn)懸掛掛在拖拉機(jī)后端，卸膜油缸通過液壓管與拖拉機(jī)的液壓系統(tǒng)連接。機(jī)具安好后調(diào)整拖拉機(jī)的位置，使機(jī)具正對煙壟在拖拉機(jī)牽引下沿覆膜方向前進(jìn)。松土起膜刀深入壟底土層5 cm～10 cm，可以將壟底壓膜土壤翻松，同時(shí)將土塊下方的地膜翻到地表，還能撿拾部分大塊殘膜，翻出的地膜由機(jī)架兩側(cè)的長收膜齒進(jìn)行收集。壟頂由機(jī)架中間的收膜齒收集，其余工位由安裝的短齒收集。梳齒組通過彈簧式升降仿形構(gòu)件自動調(diào)整位置，彈簧式升降仿形構(gòu)件通過地面起伏產(chǎn)生的作用力被動實(shí)現(xiàn)對地面的自動仿形。三排梳齒交叉安裝，前排漏檢的殘膜會被后排梳齒繼續(xù)拾起。當(dāng)機(jī)具完成一壟煙田的作業(yè)時(shí)，或收膜量達(dá)到梳齒承載量時(shí)停止收膜，通過拖拉機(jī)液壓裝置，提升機(jī)具并通過卸膜油缸驅(qū)動卸膜機(jī)構(gòu)進(jìn)行卸膜操作。

2 仿形分析及部件設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)具仿壟形分析

目前貴州省煙葉種植一般的農(nóng)藝流程是先起壟后覆膜，貴州煙葉種植的煙葉種植標(biāo)準(zhǔn)是一壟雙行，標(biāo)準(zhǔn)壟形如圖2所示：

圖2 標(biāo)準(zhǔn)壟形示意圖[7]Fig.2 Sketch diagram of standard ridge shape

受到自然和人力的影響，壟形會發(fā)生一定的變化。通過煙地的實(shí)地調(diào)研和觀察，風(fēng)化變形后的壟形及相關(guān)尺寸如圖3所示：

2.2 仿形部件設(shè)計(jì)

為了使機(jī)具收膜梳齒能適應(yīng)變化的壟形以實(shí)現(xiàn)仿形工作[8-9]，設(shè)計(jì)了一種彈簧式升降仿形構(gòu)件，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示：

圖3 風(fēng)化后的壟形及覆膜情況示意圖Fig.3 Sketch diagram of the ridge shape after air-slake and the situation of mulch-covering

圖4 彈簧式升降仿形機(jī)構(gòu)示意圖Fig.4 Sketch diagram of spring type lifting pro fi ling mechanism

彈簧式升降仿形構(gòu)件的寬度為280 mm，可根據(jù)壟面高度分別安裝長、短兩種梳齒。梳齒通過定位銷固定在機(jī)架上，定位銷與機(jī)架的安裝孔限制了彈齒的位置，使其固定在機(jī)架上?；?.1的壟形分析，為適應(yīng)壟形變化，將7節(jié)該構(gòu)件安裝在機(jī)架上。安裝后各段彈簧式升降仿形構(gòu)件可在對應(yīng)的工作位置，根據(jù)壟面高低自動調(diào)整壓縮彈簧，實(shí)現(xiàn)豎直方向的自適應(yīng)仿形；彈齒本身螺旋結(jié)構(gòu)在土垡的作用下產(chǎn)生彈性變形，彈齒在機(jī)具前進(jìn)的反方向產(chǎn)生的變形量，實(shí)現(xiàn)了水平方向的自動仿形。如圖5所示是該機(jī)具在一壟雙行煙地上的工作效果。

圖5 一壟雙行的仿形效果示意圖Fig.5 Sketch diagram of the pro fi ling effect of one ridge with double lines

2.3 拾膜梳齒設(shè)計(jì)

本文使用的拾膜梳齒為較普遍的彈齒，齒尖接觸地面，通過拖拉機(jī)帶動前進(jìn)。土垡和殘膜在后續(xù)土塊的推動下沿著梳齒的直線段向上滑動；當(dāng)運(yùn)動到圓弧段時(shí)，質(zhì)量較輕的殘膜留在該段，質(zhì)量較大土垡在重力的作用下掉落到地面。為了分析能使殘膜順利掛在梳齒且土垡自動掉落的入土條件，假設(shè)梳齒直段有一質(zhì)點(diǎn)，該質(zhì)點(diǎn)的受力情況如圖6所示（殘膜用下標(biāo)C表示，土垡用下標(biāo)T表示）。

圖6 梳齒工作部位受力分析Fig.6 Force analysis of function parts in comb

地膜能向上運(yùn)動的條件是：

土垡在重力的作用下掉落的條件是：

式中，N是彈齒對質(zhì)點(diǎn)的支持力（N），F(xiàn)是土垡對質(zhì)點(diǎn)的推力（N）；f是質(zhì)點(diǎn)在梳齒上的摩擦力（N）；m為質(zhì)點(diǎn)的質(zhì)量（kg）；g為重力加速度（N/kg）；θ是梳齒與地面的夾角（°）。其中：

式中，μC、μT分別為殘膜和土垡與梳齒的摩擦系數(shù)。

殘膜的質(zhì)量較小，計(jì)算時(shí)可將其忽略。將式（3）代入式（1）可得：

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，濕度與摩擦系數(shù)成正比，一般情況下干燥地膜與梳齒的摩擦系數(shù)約為0.64，濕潤地膜與梳齒的摩擦系數(shù)約為1.28。由于貴州山區(qū)土壤濕度較大，本文取μC=1.15，經(jīng)試驗(yàn)測算得出θ≤ 45°。

考慮到貴州山地土壤一般為粘性土，土垡相互粘接使得FT＜＜GT，將式（3）代入式（2）可得：

殘膜回收作業(yè)安排在天氣干燥的時(shí)期，查得干粘性土與梳齒的摩擦系數(shù)為0.84～1.00，本文取μT=0.85，經(jīng)試驗(yàn)測算得出θ≥15°。

綜合設(shè)計(jì)初衷，前排梳齒可以在拾膜的同時(shí)進(jìn)行碎土，后排梳齒可以有效的撿拾前排漏撿的碎膜。各層梳齒的強(qiáng)度依次遞減，前、中、后三排的直徑分別為12mm、10mm和5mm。彈齒直段的初始入土角度為15°，保證在彈性的作用下有至多30°的彈性余量，以保證拾膜和脫土的效果。

3 回收性能測試試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)條件

本次試驗(yàn)分別進(jìn)行兩組試驗(yàn)用于模擬整地前拾膜和整地后拾膜[10-12]，試驗(yàn)選取機(jī)具結(jié)構(gòu)及運(yùn)行速度為研究對象。根據(jù)貴州山區(qū)煙地的普遍情況[13-14]，于2016年5月12日在開陽縣龍崗煙草研究基地進(jìn)行了殘膜撿拾機(jī)回收性能測試試驗(yàn)。經(jīng)測量現(xiàn)場土壤的濕度為19.71%，土壤在15 cm～20 cm深度的緊實(shí)度為150.25 KPa。試驗(yàn)所用的機(jī)具為試驗(yàn)專用樣機(jī)，使用404拖拉機(jī)帶動，忽略翻地和卸膜工序，僅考慮齒間距及機(jī)具速度對撿拾效果的影響。

3.2 回收率及積土量測試試驗(yàn)

3.2.1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)指標(biāo)為殘膜撿拾率η和積土量V。η的測定按JB/T 10363—2002中6.2.2.1規(guī)定計(jì)算：

其中：S1——廢膜遺留量平均值，g/m2；S——廢膜總量平均值，g/m2。

為了方便對比，試驗(yàn)過程統(tǒng)一按積土所占的最大立方體體積記錄積土量，方法示意圖如圖7所示。

殘膜撿拾機(jī)在每一塊試驗(yàn)地作業(yè)完成后，先測量V,并收集煙田中的遺留殘膜并進(jìn)行洗凈、烘干、稱重，根據(jù)式（6）計(jì)算撿拾率η。試驗(yàn)過程如圖7所示：

3.2.2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本文主要目的是針對樣機(jī)結(jié)構(gòu)的運(yùn)行速度進(jìn)行試驗(yàn)，得到最優(yōu)組合以能達(dá)到ηmax和Vmin。機(jī)具結(jié)構(gòu)主要包括橫向齒間距A、縱向齒間距B（如圖9所示），機(jī)具的運(yùn)行速度取決于拖拉機(jī)的行進(jìn)速度C。

圖7 積土量測量方法示意圖Fig.7 Sketch diagram of the measuring of the amount of soil

圖8 試驗(yàn)過程Fig.8 Orthogonal test process

圖9 梳齒安裝位置示意圖Fig.9 Sketch diagram of the place to install comb

殘膜撿拾機(jī)后排梳齒保持50mm的間距用于撿拾漏撿殘膜。A有兩個(gè)水平：A1—前兩排梳齒的齒間距分別為90mm、70mm；A2—前兩排梳齒的齒間距分別為180mm、140mm。B和C的水平設(shè)置如表1所示，使用L4（23）正交表安排試驗(yàn)[15-17]。

表1 因素水平表Tab.1 Factor levels of orthogonal test

分別設(shè)置兩塊試驗(yàn)地塊，1號地（無壟）有4塊（30×2）m2的試驗(yàn)地，試驗(yàn)前將地膜撕碎后隨機(jī)埋在各試驗(yàn)地內(nèi)，用于模擬整地后陳年舊膜的撿拾；2號地（有壟）有4塊（10×2）m2的試驗(yàn)地，試驗(yàn)前先起壟并覆地膜，壟頂?shù)啬び么蚩讬C(jī)進(jìn)行一定的破壞，用于模擬整地前的拾膜作業(yè)。

3.2.3 試驗(yàn)結(jié)果

將正交試驗(yàn)所得的撿拾率和積土量填入表2。

表2 正交試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Results of orthogonal test

從表2可以得到的直觀結(jié)果是機(jī)具在1號地的拾膜效果整體上優(yōu)于2號地的拾膜效果。其中在1號地的第3次試驗(yàn)所得的撿拾率最高拾膜率，積土量最低，A1B2C2為直觀最優(yōu)組合。

直觀結(jié)果不能完全反應(yīng)正交試驗(yàn)結(jié)果，為更加全面的分析三個(gè)因素不同水平對拾膜率和積土量的影響，需要進(jìn)行極差分析。

3.3 正交試驗(yàn)結(jié)果極差分析

極差R可以判定各因素在試驗(yàn)過程中對試驗(yàn)結(jié)果的影響程度[18]。均值kij（其中i表示試驗(yàn)因素，j表示試驗(yàn)水平）可以判定最優(yōu)水平，其中η均值高的可選為優(yōu)水平；V均值低的可選為優(yōu)水平。計(jì)算結(jié)果如表3所示：

表3 正交試驗(yàn)極差分析Tab.3 Results of extreme analysis

4 試驗(yàn)結(jié)果分析及驗(yàn)證

4.1 試驗(yàn)結(jié)果分析

由表3可知：

1）1號地塊中，影響收膜率的主要因素是B和A，影響積土量的主要因素是C和B。綜合考慮，在無壟地塊影響機(jī)具撿拾性能主要因素是梳齒的縱向間距B。

2）2號地塊中，影響收膜率的主要因素是A和C，影響積土量的主要因素是A和B。綜合考慮，在有壟地塊影響機(jī)具撿拾性能的主要因素是梳齒的橫向間距A。

3）1號地塊中，最佳機(jī)具結(jié)構(gòu)為A1B2，C≈7.5km/h時(shí)拾膜率提高的同時(shí)也增加了積土量。

4）2號地塊中，最佳機(jī)具結(jié)構(gòu)為A2B2，C≈3.5km/h時(shí)撿拾率提高的同時(shí)也增加了積土量。

分析以上試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在機(jī)具結(jié)構(gòu)達(dá)到最優(yōu)的前提下，為了產(chǎn)生同樣效果在不同地形上所使用的速度是不一樣的。產(chǎn)生這一情況的主要原因是整地后的煙田表面地膜分布較多且土壤疏松度極大，此時(shí)機(jī)具的仿形能力體現(xiàn)較少，在機(jī)具快速運(yùn)行時(shí)地膜被撿拾的概率較大，但是由于排土?xí)r間短，土垡容易堆積從而增加了積土量；有壟地塊表面地膜較大且土壤以下也存在陳年舊膜，但土壤結(jié)實(shí)，此時(shí)機(jī)具的仿形能力體現(xiàn)較多，機(jī)具在快速運(yùn)行時(shí)，部分表面膜受土垡壓力的影響，無法有效的掛在收膜齒上，而土壤由于疏松度較小，不容易積土。也就是機(jī)具行進(jìn)速度不能同時(shí)滿足ηmax和Vmin的要求。為了克服這一矛盾，本文在結(jié)構(gòu)固定的前提下，提出以下假設(shè)：

1）無壟條件下作業(yè)速度先控制在3.5 km/h左右，保證積土量低的情況下進(jìn)行初撿作業(yè)；然后將機(jī)具行進(jìn)速度控制在7.5 km/h左右，進(jìn)行高效撿拾。

2）有壟條件下作業(yè)速度先控制在7.5 km/h左右，保證積土量低的情況下進(jìn)行初撿作業(yè)；然后將機(jī)具行進(jìn)速度控制在3.5 km/h左右，進(jìn)行高效撿拾。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證

為了進(jìn)一步論證假設(shè)的可行性及理論的實(shí)際效果，根據(jù)試驗(yàn)前提，在煙葉收獲以后選取了有相同覆膜年限的煙田進(jìn)行驗(yàn)證，其中有壟和無壟煙田各3塊。對文中4.1中所提假設(shè)進(jìn)行3次試驗(yàn)，結(jié)果記錄在表4中。

表4 驗(yàn)證假設(shè)可行性Tab.4 Feasibility validation assumptions

由表4可以看出，重復(fù)試驗(yàn)結(jié)果穩(wěn)定性較高，對拾膜率和積土量的影響效果優(yōu)于表2中的正交試驗(yàn)組合的結(jié)果。為了與設(shè)計(jì)樣機(jī)的作業(yè)性能進(jìn)行對比，課題組采購了三種常見機(jī)具并在試驗(yàn)區(qū)域進(jìn)行性能測試，發(fā)現(xiàn)這三臺具有代表性的機(jī)具在貴州的撿拾效果不理想，最大撿拾率為75%，最小積土量達(dá)0.452m3，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于課題要求。

5 總結(jié)

本文提出了一種可實(shí)現(xiàn)煙田自動仿形作業(yè)的殘膜撿拾機(jī)具，該機(jī)具適用于無壟煙地，在有壟煙田可實(shí)現(xiàn)自動仿形，本文分析了該機(jī)具的仿形機(jī)構(gòu)對壟形的適應(yīng)情況，得到了仿形機(jī)構(gòu)的具體結(jié)構(gòu)；分析了土垡及殘膜在梳齒上的受力情況，得到梳齒的最佳入土角度為 15°～45°。

通過正交試驗(yàn)得到了無壟煙田和有壟煙田對機(jī)具結(jié)構(gòu)和行進(jìn)速度的要求。

1）無壟條件下，最佳機(jī)具結(jié)構(gòu)為梳齒橫向間距是前中后梳齒的齒間距分別為90 mm、70 mm和50 mm，梳齒縱向間距為440 mm，機(jī)具先以3.5 km/h左右的速度前進(jìn)以降低積土量再以7.5 km/h左右的速度前進(jìn)以提高撿拾率。按此方案機(jī)具的平均撿拾率達(dá)88.76%，最小撿拾率為88.54%；平均積土量為0.168m3，最大積土量為0.170m3；均優(yōu)于上述采購樣機(jī)的作業(yè)性能。

2）有壟條件下，最佳機(jī)具結(jié)構(gòu)為梳齒橫向間距是前中后梳齒的齒間距分別為180mm、140mm和50mm，梳齒縱向間距為440mm，機(jī)具先以7.5 km/h左右的速度前進(jìn)以降低積土量再以3.5 km/h左右的速度前進(jìn)以提高撿拾率。按此方案機(jī)具的平均撿拾率達(dá)80.67%，最小撿拾率為79.85%；平均積土量為0.207m3，最大積土量為0.225m3；均優(yōu)于上述采購樣機(jī)的作業(yè)性能。

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:WANG Puzhou, WU Xuemei, ZHANG Fugui, et al. Design and performance test of comb-type automatic pro fi ling residual fi lm collecting machine [J]. Acta Tabacaria Sinica, 2017,23(3)

*Corresponding author.Email：xm_wu@163.com

Design and performance test of comb-type automatic pro fi ling residual fi lm collecting machine

WANG Puzhou1, WU Xuemei1*, ZHANG Fugui1，HUANG Huagang2，YU Lihua1，NIE Yao1
1 College of Mechanical Engineering, Guizhou University, Guiyang 550025, China ;2 Guizhou Bijie Municipal Tobacco Corporation, Bijie 551700, Guizhou, China

In order to design a residual fi lm collecting machine suitable for mountainous area and to achieve automatic pro fi ling and high performance efficiency, a segmented automatic comb mounts was designed and the best angle of elastic claw to get into ground was set to 15°～45°. Orthogonal experiments in di ff erent fi elds were carried out in order to analyze how crosswise separated distance (A), longitudinal separated distance (B) of two comb teeth and speed of machine (C) a ff ect collecting efficiency and amount of soil. Results showed that under no ridge environment, the optimal crosswise separated distance between two comb teeth was 90mm, 70mm and 50mm, the optimal longitudinal separated distance between two comb teeth was 440mm, the amount of soil was small at low speed (3.5km/h）, and the collecting efficiency was improved at high speed (7.5km/h）. However, if there were ridges in tobacco fields, results showed that the optimal crosswise separated distance between two comb teeth was 180mm, 140mm and 50mm, the optimal longitudinal separated distance between two comb teeth was 440mm, the amount of soil was small at low speed (3.5km/h）, and the collecting efficiency was improved at high speed (7.5km/h）. This paper provides a theoretical and experimental reference for structure design of comb-teeth pro fi le collecting machine.

residual fi lm collecting machine; pro fi ling; orthogonal experiment

王浦舟，吳雪梅，張富貴，等. 梳齒式自動仿形殘膜撿拾機(jī)的設(shè)計(jì)及性能試驗(yàn)[J]. 中國煙草學(xué)報(bào)，2017, 23（3）

貴州省科技廳科技計(jì)劃項(xiàng)目《貴州山地殘膜撿拾機(jī)具研發(fā)及應(yīng)用研究》（黔科合GZ字[2015]3007-3）；貴州省煙草公司畢節(jié)市公司《山區(qū)煙地殘膜回收技術(shù)研究及機(jī)具研制與應(yīng)用》科技項(xiàng)目資助（貴煙畢課[2014]1號）

王浦舟（1993—），碩士研究生，主要研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)機(jī)械化工程，Tel：0851-83627516，Email：zxc124128@sina.com

吳雪梅（1975—），博士，副教授，Tel：0851-83627516，Email：xm_wu@163.com

2016-11-15； < class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版日期：

日期：2017-05-16