玉米大壟雙行種植模式下殘膜回收機的結(jié)構(gòu)設(shè)計與研究

許光明 王浩宇 牛云鵬 于振華 許正余

（吉林省農(nóng)業(yè)機械研究院，吉林 長春 130000）

1 殘留地膜的危害

“大壟雙行膜下滴灌”作為一種成熟的種植模式，已經(jīng)在干旱少雨地區(qū)得到了大面積推廣，僅吉林省已經(jīng)推廣了66.7萬hm2。極大促進了糧食增產(chǎn)，農(nóng)民增收，調(diào)動農(nóng)民的生產(chǎn)積極性。在增產(chǎn)增收的同時，由于大量地膜的不能被完整的回收，造成了嚴重的環(huán)境污染問題。據(jù)估算，按4kg/667m2計算，保守估計，光是吉林省推廣的66.7萬hm2，地膜殘留就達到了4000萬kg，地膜殘留危害很大，殘膜碎片影響了土壤對外界水分養(yǎng)分的吸收，阻礙了土壤與外界的空氣交換，使土壤中的微生物難以存活，破壞了土壤中的團粒結(jié)構(gòu)，最終使土壤板結(jié)。殘膜污染嚴重的地方會造成土地的鹽堿化，使農(nóng)作物難以生長。由于殘膜影響作物根系的生長，阻礙作物對水分和養(yǎng)分的吸收，使作物的產(chǎn)量下降。有資料表明：連續(xù)3a殘膜沒有清理的地塊，小麥產(chǎn)量下降2%～3%；玉米產(chǎn)量下降10%左右；棉花產(chǎn)量下降10%～15%。

2 國內(nèi)外殘膜回收機發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 國外的地膜回收機發(fā)展現(xiàn)狀

目前發(fā)達國家主要采用2種方式：使用光降解膜、生物降解膜、植物纖維降解膜：使用厚度大，抗拉強度大、耐老化的薄膜，一般能用2～3a。利于機械回收，所以國外的殘膜回收機結(jié)構(gòu)比較簡單。

2.2 國內(nèi)的殘膜回收機發(fā)展現(xiàn)狀及存在的問題

自20世紀90年代以來，國內(nèi)科研機構(gòu)開發(fā)成功了20余種型號的殘膜回收機。主要有以下幾種形式：伸縮桿撿拾滾筒式、彈齒式拾膜方式、鏟式起茬方式、滅茬收膜一體作業(yè)機。

現(xiàn)有殘膜回收機有的回收率低，有的結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，有的能耗過大不經(jīng)濟，有的分離效果不好，有的受地域、種植品種、種植模式限制，都有一定的局限性。

因此急需開發(fā)一款適合東北壟作玉米“大壟雙行”種植模式下殘膜回收機。

3 整體設(shè)計方案

機具總體方案的設(shè)計基于殘膜特性分析、調(diào)研、了解國內(nèi)現(xiàn)有殘膜回收機基本性能和參數(shù)基礎(chǔ)上，針對國內(nèi)現(xiàn)有機具的優(yōu)缺點，吸取有關(guān)殘膜回收機具的使用經(jīng)驗，結(jié)合吉林省實際而確定如下設(shè)計方案。

針對玉米茬的特點，起膜部分采用鏟刀式結(jié)構(gòu)，單由1個整體鏟變成2個分體的鏟，角度可調(diào)。

中部輸送改為1層鏈板輸送結(jié)構(gòu)，減少小塊殘膜在輸送過程中掉落。

增加了分離滾筒結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)根茬、殘膜與泥土分離。

圖1 殘膜回收機結(jié)構(gòu)簡圖

后部設(shè)有集膜茬箱，收集從滾筒分離出來的根茬和殘膜。

前后設(shè)有4個行走限深輪，都能自由調(diào)節(jié)高度。

與拖拉機連接采用懸掛式，動力來源于拖拉機動力輸出軸。

4 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計

4.1 起膜鏟的設(shè)計

殘膜回收率的高低關(guān)鍵取決于起膜鏟能不能把地表和埋在地里的膜鏟起，起膜鏟的設(shè)計很關(guān)鍵。經(jīng)過理論計算和試驗分析，確定了鏟刀結(jié)構(gòu)和主要參數(shù)。

4.1.1 切土角τ，碎土角α的確定

圖2 鏟刀入土角度示意圖ι刃角 τ切土角 Δα隙角

由圖2可知，τ=i+Δα，刃角i為刀板底刃的磨角。i角越小，切斷能力越強。但刃角太小時，刃口太薄，易磨鈍，切削強度差，易殘缺，考慮到鏟斷作物根系和中耕部件除草鏟角度，i角取值20～25°。隙角Δα是刀板的切土隙角，Δα過小，直接影響鏟刀的入土性能，特別是刃口磨鈍后不易入土，經(jīng)過試驗，Δα取值范圍為7～10°。則τ=i+Δα=27～35°。

碎土角α越大，越有利于殘膜、根茬與土壤的分離。但是α過大會使牽引阻力明顯增大。另外，覆膜地區(qū)大都干旱少雨，土壤以砂質(zhì)土為主，對α角碎土作用要求較低，經(jīng)過試驗，對于玉米茬地α角選為20～35°。又因為當τ=α?xí)r，鏟刀作業(yè)效果好，所以經(jīng)過試驗確定 τ=25，α=25。

4.1.2 起膜鏟性能參數(shù)試驗

試驗?zāi)康氖球炞C理論上確定的鏟刀能否滿足起膜、起茬要求，并且使牽引力較小，以及碎土角α，起土角η，推土角γ對牽引阻力的影響。根據(jù)理論分析結(jié)果，設(shè)計加工8片鏟刀，各參數(shù)是在理論分析基礎(chǔ)上確定的，對取值范圍進行不同的組合，進行起膜、起茬性能做對比試驗。

表1 鏟刀角度參數(shù)數(shù)據(jù)表

試驗用40馬力拖拉機為動力，耕作速度為5km/h，壟側(cè)入土深度為100mm，對8片鏟刀在同一片試驗田進行試驗，效果如表2。

表2 鏟刀入土試驗數(shù)據(jù)表

從1～6組試驗數(shù)據(jù)來看，碎土角α決定著鏟刀的入土性能，進而影響牽引力的大小,在保證刃口不易被磨鈍，避免切土隙角Δα過小，不易入土情況下，α取25°作業(yè)效果最佳。

4.2 殘膜回收機分離滾筒結(jié)構(gòu)設(shè)計

滾筒是整個機具的核心工作部件，它承擔著膜根茬與土分離和輸送到集膜箱的工序，所以滾筒設(shè)計十分關(guān)鍵。參照國標關(guān)于分離滾筒的設(shè)計要求和回收地域的實際情況，分離滾筒設(shè)計為錐形結(jié)構(gòu)。由進料口、滾筒篩網(wǎng)、出料口焊接而成。

4.2.1 滾筒的錐度確定

α—滾筒的傾斜角

ω—滾筒的角速度

μ—殘膜對滾筒的摩察系數(shù)

4.2.2 滾筒的入口半徑確定

根據(jù)公式H=R+Rsinα

α—滾筒的傾斜角

H—物料升起高度

R—殘膜進口半徑

確定滾筒半徑，入口半徑為450mm，C出口半徑為500mm。

滾筒長度為830mm,篩網(wǎng)采用軸向均布與滾筒和出口焊接在一起。經(jīng)過實驗研究，將滾筒在360圓周均布53跟圓鋼，如圖3所示。后經(jīng)過田間試驗，設(shè)計比較合理，達到了設(shè)計要求。環(huán)出口焊接節(jié)距為25.4的12B型鏈條。利用鏈條與齒輪減速器的輸出軸上的鏈輪嚙合實現(xiàn)滾筒的滾動。

圖3 收膜滾筒結(jié)構(gòu)圖1.滾筒進口；2.滾筒篩網(wǎng)；3.滾筒出口

4.2.3 滾筒的轉(zhuǎn)數(shù)確定

根據(jù)公式n＝30/R1/2

n——滾筒的轉(zhuǎn)數(shù)；

R——殘膜進口半徑；

確定滾筒轉(zhuǎn)數(shù)為70轉(zhuǎn)/min。

5 整機試驗

5.1 表層拾凈率測定

圖4 表層拾凈率測定數(shù)據(jù)表

從圖4可以看出，作業(yè)前殘膜重量在80～90g之間，作業(yè)后殘膜重量在10～20g之間。所以反應(yīng)出機具作業(yè)比較平穩(wěn)，收凈率比較穩(wěn)定。

J=(1-W/W0)×100=（1-13.99/70.99）×100=80.3%

5.2 深層拾凈率測定

圖5 深層拾凈率測定數(shù)據(jù)表

從圖5可以看出，作業(yè)前殘膜重量在70～90g之間，作業(yè)后殘留殘膜重量在8～20g之間。所以反應(yīng)出機具作業(yè)也是比較平穩(wěn)，收凈率也比較穩(wěn)定。

J=(1-W/W0)×100=（1-18.66/64.12）×100=70.9%

6 研究結(jié)論

經(jīng)過設(shè)計、加工、試驗，這是一種專門針對玉米“大壟雙行”種植模式的殘膜回收機，生產(chǎn)成本低；以拖拉機為動力，動力來源廣泛；結(jié)構(gòu)合理，可靠、調(diào)整、維護方便；回收效率高，性價比高，達到了設(shè)計要求。