2種鏟篩組合式殘膜回收機作業(yè)性能對比試驗

張亞萍， 胡志超， 游兆延， 顧峰瑋， 吳 峰， 陳有慶

(農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機械化研究所，江蘇南京 210014)

覆膜種植是一種農(nóng)業(yè)種植模式，具有保溫、保墑、提高土壤肥力、減輕病蟲害、抑制雜草生長的作用，能夠有效提高作物產(chǎn)量和農(nóng)民收入。覆膜種植技術的應用產(chǎn)生了巨大效益，但同時也帶來了一系列新的問題，殘留在田間地頭的塑料薄膜是主要的農(nóng)業(yè)污染源之一。從2010年至2014年，我國農(nóng)用塑料薄膜的使用量約增加了410萬t，殘膜的高效回收與再利用成為科研人員面臨的新挑戰(zhàn)[1-5]。目前，我國殘膜回收已經(jīng)由人工挖掘撿拾逐步向機械化收獲發(fā)展。本研究通過對國內(nèi)殘膜回收機的廣泛調(diào)研分析，介紹了2種典型的鏟篩組合式殘膜回收機，并對這2種機具的工作性能進行了對比分析。

國內(nèi)殘膜回收機種類較多，按照分離輸送裝置的結(jié)構(gòu)形式，一般分為鏟篩組合式殘膜回收機、鏟鏈組合式殘膜回收機、鏟柵一體式殘膜回收機和耙齒式殘膜回收機。鏟篩式挖掘收獲機可以將振動分離篩做成可更換的形式，因此容易實現(xiàn)一機多用，從而延長機具的工作時間，提高機器的利用率，有利于改善機具短時工作、長時閑置的現(xiàn)狀，適應了目前我國農(nóng)業(yè)機械產(chǎn)品向多用途多功能方向發(fā)展的趨勢[6-8]。

本研究介紹的是2種鏟篩組合式殘膜回收機，以農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機械化研究所研制的2種機型為例：一種是1MCS-100型殘膜回收機，另一種是1MCDS-100A型殘膜回收機。2種機型均是將挖掘鏟固定在機架前部，鏟后方配置分離輸送裝置，該裝置由篩板和篩床組成，篩床與機架固定，篩板通過螺栓固定在篩床上，可根據(jù)作業(yè)環(huán)境和具體收獲對象更換不同形式和參數(shù)的篩板，因此可完成不同作業(yè)對象的收獲，作業(yè)過程中篩床和篩板一同抖動完成收獲物的分離輸送。

殘膜回收機在中國起步較晚，國內(nèi)對鏟篩組合式殘膜回收機的研究較少。因此，對2種常見的鏟篩組合式殘膜回收機進行田間對比試驗和性能分析，可以為殘膜回收機的后續(xù)研制提供參考，具有重要意義。

1 2種鏟篩組合式殘膜回收機的特性

選用1MCS-100型、1MCDS-100A型殘膜回收機進行田間對比試驗。這2種機型是目前國內(nèi)常用鏟篩組合式殘膜回收機的主要類型，具有一定的代表性。

1.1 1MCS-100型殘膜回收機的機構(gòu)與工作原理

1MCS-100型殘膜回收機為單篩型鏟篩組合式殘膜回收機，主要由挖掘裝置、分離輸送裝置、驅(qū)振裝置、集膜裝置4個部分組成，結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。其中，驅(qū)振裝置由1對關于機架中心線左右對稱安裝的連桿機構(gòu)組成，帶動振動篩往復抖動，偏心塊用來平衡連桿機構(gòu)往復運動時產(chǎn)生的慣性力；分離輸送裝置為16 mm間距的鋸齒篩，鋸齒可以破土、碎土，并有利于殘膜的向后輸送。機具在田間作業(yè)時，需要提供配套動力源，一般為中小型農(nóng)用拖拉機。機具的懸掛裝置與拖拉機通過三點懸掛聯(lián)接，整機在拖拉機的牽引下前行。拖拉機的動力輸出軸通過萬向節(jié)將動力傳輸給機具，驅(qū)動機具內(nèi)部結(jié)構(gòu)的運轉(zhuǎn)。作業(yè)時，挖掘裝置將土壤和殘膜同時掘起，通過鏟后方的分離柵條對掘起物進行初步膜土分離，剩余物料繼續(xù)向后運動，到達往復抖動的分離輸送裝置時，進行更徹底的膜土分離，并將殘膜和殘余土雜向后輸送到集膜裝置內(nèi)，集膜裝置布滿小孔，以篩去夾雜的碎土。當集膜裝置裝滿殘膜后，手動調(diào)節(jié)卸膜裝置進行卸膜。

1.2 1MCDS-100A型殘膜回收機的機構(gòu)與工作原理

1MCDS-100A型殘膜回收機為雙篩型鏟篩組合式殘膜回收機，結(jié)構(gòu)簡圖如圖2所示。在結(jié)構(gòu)組成上，該機具除分離輸送裝置、驅(qū)振裝置和卸膜裝置以外，其他部分機構(gòu)和 1MCS-100型殘膜回收機類似。1MCDS-100A型殘膜回收機的分離輸送裝置由上下平行排布的前篩和后篩2個部分組成，篩型采用16 mm鋸齒篩，且前篩后端和后篩前端上下重疊，兩篩在驅(qū)振裝置的作用下反向同頻等幅振動；驅(qū)振裝置由飛輪、連桿機構(gòu)和1對偏心驅(qū)振臂組成；卸膜裝置由電動推桿、控制器和開關組成，可以實現(xiàn)集膜裝置的自動卸膜。田間工作時，機具由拖拉機牽引作業(yè)，挖起裝置將殘膜和部分土雜掘起后向后輸送，通過前篩和后篩進行較為充分的膜土分離，分離后的殘膜被送入到集膜裝置內(nèi)，卸膜時按下開關，電動推桿收縮，驅(qū)動集膜裝置完成卸膜動作。

2 田間性能對比試驗

田間試驗是機具在真實作業(yè)環(huán)境下進行的試驗研究，其試驗結(jié)果是評價機具機械性能的重要指標，也是機具研制與優(yōu)化提升的重要依據(jù)。在試驗過程中，應選擇環(huán)境條件較均勻的試驗田，盡量避免土壤條件等因素對試驗的干擾，同時需要進行合理的重復試驗，以減小試驗誤差對試驗結(jié)果的影響[9-10]。

在相同條件下，對2種殘膜回收機進行田間試驗，確定并對比2種機型的殘膜回收率、膜土比、振動加速度。綜合分析試驗結(jié)果，比較2種機型的田間作用性能，為鏟篩式殘膜回收機的優(yōu)化設計提供理論依據(jù)。

2.1 試驗條件

2016年7月，在山東省青島市膠州膠萊鎮(zhèn)進行殘膜回收試驗，所選試驗田較為平整，土壤濕度、肥力較均勻，土壤類型為沙壤土，含水率7.31%，平均堅實度為0.41 MPa。該試驗田為收獲后的馬鈴薯地，一壟雙行覆膜種植，壟作技術參數(shù)：壟距900 mm，小行距300 mm，株距250 mm，開溝深80 mm，溝寬250 mm。所覆膜為厚度0.008 mm的白色地膜，膜寬700 mm。

2.2 試驗設備

本試驗所用主要試驗設備如表1所示。

2.3 試驗目的

在相同條件下，通過田間試驗，確定2種不同機型的殘膜回收率、膜土比、振動加速度，對比2種機型的試驗結(jié)果，綜合分析機具的田間作業(yè)性能， 為鏟篩式殘膜回收機的后續(xù)研究和優(yōu)化設計提供理論依據(jù)。

表1 主要試驗設備

2.4 試驗指標

本試驗的試驗指標為殘膜回收率、膜土比、均方根加速度。

2.5 試驗內(nèi)容

試驗時參考《殘地膜回收機》(GB/T 25412—2010)和《殘地膜回收機 作業(yè)質(zhì)量》(NY/T 1227—2006)，分別測定2種機型的殘膜回收率、膜土比、振動加速度。測區(qū)長度取 100 m，測區(qū)寬度滿足機具3個往返的工作寬度。測點確定采用五點法，在離田塊四邊1～2 m遠處，隨機選擇5個點，作為作業(yè)前的5個測點，在這5個點附近但不重疊的區(qū)域再隨機選取5個測點，作為作業(yè)后的5個測點。測點長5 m，寬為1個膜幅[11-14]。按照上述方法另取1個測區(qū)，進行重復試驗。

2.5.1 殘膜回收率的測定 在殘膜回收作業(yè)前與作業(yè)后，分別對兩測區(qū)內(nèi)作業(yè)前、作業(yè)后的各10個測點進行取樣，取樣深度150 mm。將各測點取出的地膜洗凈晾干后稱質(zhì)量，并記錄相關數(shù)據(jù)。按公式(1)計算各測點殘膜回收率。

(1)

式中：η為殘膜回收率(%)；X為作業(yè)后測點區(qū)域內(nèi)地膜質(zhì)量(g)；X0為作業(yè)前測點區(qū)域內(nèi)地膜質(zhì)量(g)。

2.5.2 膜土比的測定 殘膜回收作業(yè)過程中，當集膜裝置裝滿物料時，需要停機卸膜。卸膜時將所卸物料收集稱質(zhì)量，然后將地膜揀出洗凈晾干后再進行稱質(zhì)量。隨機選取10次卸膜時的物料分別稱質(zhì)量，處理后稱取地膜凈質(zhì)量。按公式(2)計算膜土比。

τ=Y：(Y0-Y)。

(2)

式中：τ為膜土比；Y為地膜凈質(zhì)量(g)；Y0為土雜凈質(zhì)量(g)。

2.5.3 振動加速度的測定 作業(yè)開始前，通過控制拖拉機油門，將驅(qū)振軸的轉(zhuǎn)速固定為200 r/min。作業(yè)時對兩機具分別隨機選取10個工作時間段，利用DH5902動態(tài)數(shù)據(jù)記錄儀測試記錄機具的振動加速度，時間段的長度以數(shù)據(jù)穩(wěn)定后為準。以機具前后方向為x軸，左右方向為y軸，垂直方向為z軸，沿3個方向在機架上布置傳感器，機架測試方位坐標示意圖如圖3所示。測試完成后，通過筆記本電腦上的軟件進行數(shù)據(jù)回收，并對各測點3個方向的振動加速度求均方根，得到均方根加速度值，以此評價機具振動大小。

2.6 試驗結(jié)果

由表2可以看出，1MCS-100型殘膜回收機回收效果較好，殘膜回收率高于國家標準的最高值(表土層拾凈率80%)。單篩體做平面往復運動時產(chǎn)生的慣性力較大，沒有進行有效的平衡處理，整機振動較大，帶動拖拉機一起振動，駕駛的舒適性較差，同時也影響整機作業(yè)的穩(wěn)定性。該機作業(yè)時輸膜較為順暢，但膜土分離效果有待提升，集膜裝置內(nèi)含土雜較多。

1MCDS-100A型殘膜回收機回收效果與1MCS-100效果差別不大，但前者分離輸送裝置采用雙篩體結(jié)構(gòu)，兩篩往復運動產(chǎn)生的慣性力相互抵消，整機振動較小，工作性能穩(wěn)定，駕駛員駕駛時沒有明顯的不適。此外，1MCDS-100A型殘膜回收機膜土分離效果明顯優(yōu)于1MCS-100殘膜回收機，集膜裝置內(nèi)含土較少。

表2 2種殘膜回收機試驗結(jié)果

2.7 結(jié)果分析

由表2及圖4至圖9分析可得，對于殘膜回收率而言，2臺機具都達到了國家標準要求，1MCS-100型殘膜回收機略低于1MCDS-100A型殘膜回收機，2臺機具的表現(xiàn)差異不大；1MCS-100型殘膜回收機膜土比約為1 ∶9，1MCDS-100A型殘膜回收機膜土比約為1 ∶4，后者明顯大于前者，且較前者穩(wěn)定，說明后者膜土分離效果明顯優(yōu)于前者；對于均方根加速度而言，1MCS-100型殘膜回收機明顯大于1MCDS-100A型殘膜回收機，約為后者3倍，說明后者整機振動大小遠小于前者，作業(yè)舒適性和機具穩(wěn)定性較好，同時說明了分離輸送裝置采用雙篩體機構(gòu)性能夠有效平衡慣性力，減小整機振動。

3 結(jié)論

通過對2種鏟篩式殘膜回收機進行田間試驗和性能對比分析，可得到以下結(jié)論：(1)2種機型的結(jié)構(gòu)形式均為鏟篩式，篩體由篩床和篩板組成，篩板拆卸方便，可根據(jù)具體收獲對象和作業(yè)條件更換相應的篩板，因此可以一機多用，提高了機器利用率，適應了目前我國農(nóng)機產(chǎn)品向多功能多用途方向發(fā)展的趨勢，例如可以更換桿條篩用來收獲馬鈴薯。(2)在實際工作效果上，1MCDS-100A型殘膜回收機整體上要優(yōu)于1MCS-100型殘膜回收機。從殘膜回收率看，1MCDS-100A型略高于1MCS-100型，兩者差異不明顯，均達國家標準要求；從膜土比看，1MCDS-100A型性能明顯優(yōu)于1MCS-100型；從均方根加速度看，1MCS-100型約為1MCDS-100A型的3倍，作業(yè)過程中整機振動明顯較后者劇烈，因此后者性能較優(yōu)。1MCDS-100A 型殘膜回收機分離輸送裝置采用雙篩體自平衡結(jié)構(gòu)，一方面，雙篩體延長了篩分行程，土壤破碎、篩分更為充分，膜土分離效果較好；另一方面，雙篩體平行配置，同頻等幅反向運動，兩篩往復運動的慣性力互相抵消，具有明顯的減振效果。(3)2種鏟篩式殘膜回收機作業(yè)效果受土壤類型影響較大，適宜作業(yè)的土壤類型為沙土或沙壤土，黏性土壤作業(yè)效果不理想。此外，機具作業(yè)效果還與種植模式、作物種類等因素有關，需要作業(yè)人員根據(jù)具體條件合理調(diào)整機具參數(shù)，建議相關科研人員在后續(xù)研發(fā)中提高機具的適應性。