鏈齒式耕層殘膜回收機撿拾機構(gòu)設(shè)計與試驗

李 辰，白圣賀，靳 偉

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院，烏魯木齊 830052)

0 引言

地膜覆蓋技術(shù)最早是從20世紀(jì)50年代開始應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，因為地膜覆蓋技術(shù)可提高土壤溫度、保持土壤水分、改善土壤環(huán)境和提高糧食產(chǎn)量而在全世界得到了廣泛的推廣應(yīng)用[1-5]。由于地膜的優(yōu)良特性，農(nóng)民大量地使用地膜，最終導(dǎo)致了土地的一系列問題，殘膜的處理也變得十分重要。早從20世紀(jì)70年代初，我國就已經(jīng)開始試驗并且開始推廣地膜覆蓋技術(shù)，由于這些地膜技術(shù)的推廣，應(yīng)用覆膜技術(shù)種植的作物品種也越來越多，因此地膜的使用率得到了較大的提高。

雖然地膜覆蓋技術(shù)極大地促進了農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，但使用過的地膜不能及時、有效地得到回收，并且難于分解，長期埋在土壤里，致使大面積的耕地遭到嚴(yán)重地破壞，甚至在許多地區(qū)形成了“白色污染”。根據(jù)目前的國情來看，人工撿拾效率低并且勞動成本高，加上技術(shù)缺乏，塑料地膜很難被可降解地膜在短時間代替。針對上述問題,設(shè)計了一種鏈齒式耕層殘膜回收機，其工作可靠、效率高，成本低，符合基本國情，可促進農(nóng)業(yè)的發(fā)展[6-8]。

1 整體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機結(jié)構(gòu)

鏈齒式殘膜回收機主要由起膜裝置、機架、撿拾裝置、集膜裝置及卸膜裝置等組成，如圖1所示。該機主要采用以拖拉機直接牽引機具方式，對地表以下150mm左右的殘膜進行回收，可以減輕殘膜回收的勞動量，提高勞動生產(chǎn)率。

1.傳動系統(tǒng) 2.起土鏟 3.撿拾裝置 4.抖動裝置 5.機架 6.集膜箱 7.卸膜輥

1.2 工作原理

該機具的工作原理為：整個機具是由牽引架與拖拉機連接，拖拉機后動力輸出軸與減速箱的輸入軸相連接，在拖拉機的牽引作用下向前行進。行進過程中，起膜裝置將殘膜和土壤一并鏟起到撿拾裝置上，工作幅寬800mm，可對耕層150mm以內(nèi)的殘膜進行回收撿拾；撿拾裝置采用鏈傳動的方式，把土壤和殘膜向上輸送到卸膜裝置，同時鏈桿上的彈齒把殘膜進行撿拾，撿拾率可以達到80%以上；抖動裝置采用抖動的方式把鏈桿上的土壤抖動下去，將土壤和殘膜分離，提高殘膜的干凈率；卸膜裝置采用刷的方式，把彈齒上的殘膜刷下來；集膜箱將卸膜輥刷下來的殘膜進行收集，在拖拉機的不斷行進的過程中，機構(gòu)不斷重復(fù)這個過程，實現(xiàn)地表殘膜連續(xù)回收，防止污染環(huán)境。

2 鏈齒式撿拾機構(gòu)的設(shè)計與分析

2.1 撿拾機構(gòu)的設(shè)計

撿拾部件主要由彈齒、鏈桿、鏈輪、傳動鏈及抖動裝置等組成[9]，如圖2所示。工作時，主要把由起膜裝置回收到地表上的殘膜進行撿拾，撿拾裝置上的鏈桿安裝有彈齒，通過彈齒對殘膜進行撿拾。為了提高膜土分離率，在撿拾裝置上安裝了抖動裝置，如圖3所示。

1.托輥 2.鏈傳動 3.U型扣4.彈齒 5.鏈桿 6.鏈輪 7.套筒

圖3 抖動裝置Fig.3 Dithering device

2.2 撿拾機構(gòu)的運動分析

鏈齒主要由多排固定在輸送鏈條上的齒桿組成。動力經(jīng)鏈輪帶動輸送鏈條運動，固定鏈條上的齒桿也隨之運動。鏈齒的主要作用有3方面：一是通過鏈齒上的起膜彈齒將土中的殘膜挑起；二是通過鏈齒將撿拾的殘膜在可靠不漏膜的情況下運輸?shù)酵聊し蛛x裝置處；三是通過與抖動裝置相配合，在重力作用下，實現(xiàn)運輸過程中部分土塊抖動分離。鏈齒與地面成一定傾角θ2,其組成結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 鏈齒式運動結(jié)構(gòu)Fig.4 Kinematic structure of chain tooth

齒尖在土中移動的長度L為

(1)

彈齒的運動軌跡為

(2)

式中R—彈齒頂端到托輥中心的距離(mm)；

h—下端支撐輪中心到鏈條外緣垂直距離(mm)；

θ1—鏈齒耙與地面夾角(°)；

θ2—為彈齒桿與地面夾角(°)；

H-下端支撐輪離地高度(mm)；

v—機構(gòu)前進速度(m/s)；

ω-彈齒的轉(zhuǎn)速(m/s)。

由公式可知：彈齒入土的階段是作業(yè)階段，彈齒土中移動距離越長，作業(yè)階段所占時間越多,則彈齒拾膜效率越高，漏膜也就越少；但以上參數(shù)過高，會導(dǎo)致零部件強度不夠，出現(xiàn)殘膜被撕裂等問題，反而影響拾膜效果[10]。

2.3 撿膜齒頂端相對運動軌跡

有效撿拾面為當(dāng)彈齒挑起殘膜時，可以全部作用到由起膜鏟鏟起的土壤和殘膜里面。如果要想保證膜不遺漏，只有當(dāng)前一排彈齒頂端經(jīng)過有效撿拾面離開臨界點B時，下一排彈齒頂端至少應(yīng)該進入該臨界點。如圖5所示[11]。以托輥中心為坐標(biāo)原點，撿拾齒頂端相對運動軌跡方程為

(3)

圖5 撿膜齒相對運動軌跡Fig.5 Colds and plstic on the spade up membrane surface stress anlysis

由圖5可知

h=R(1-cosθ)
2Rsinθ=OA

(4)

保障作業(yè)時不出現(xiàn)地表漏撿應(yīng)滿足的條件為

2Rsinθ≥v(t1-t2)

(5)

當(dāng)半徑R轉(zhuǎn)過角度2θ時，所需的時間為t1=2θ/ω。同樣，彈齒從入土到出土所用的時間也為t1，若設(shè)同一圓周上彈齒的排數(shù)為k，那么可以推出相鄰兩排彈齒之間的夾角β=2π/kω；當(dāng)下一排彈齒經(jīng)歷工作區(qū)轉(zhuǎn)過角β，而后一排彈齒的頂端位處于D點，所用的時間是t2=2π/k[10]。將t1t2帶入求解得

(6)

從而

(7)

經(jīng)整理，解得

(8)

式中v—工作速度(m/s)；

t—D到A點的運動時間(s)；

R—彈齒頂端的轉(zhuǎn)動半徑(mm)；

ω—彈齒繞O點旋轉(zhuǎn)的角速度(rad/s)；

h—彈齒入土深度(mm)；

θ—彈齒入土傾角(°)；

k—鏈齒圓周上的彈齒排數(shù)。

根據(jù)上述公式，當(dāng)確定了機組的工作速度、彈齒的轉(zhuǎn)動半徑、彈齒入土深度、傾角、圓周上的彈齒排數(shù)這些因素，便能求出相對應(yīng)的彈齒旋轉(zhuǎn)角速度，從而保證在工作過程中殘膜不漏撿。

因耕層殘膜回收機的工作要求，確定機具作業(yè)速度選取2～3km/h。為了滿足關(guān)系式，得出撿拾轉(zhuǎn)速為30r/min，撿拾齒入土深度為120mm，撿拾齒軸向間距為35mm，撿拾齒的周向間距為135mm。

2.4 彈齒的配置形式

新疆是全國最大的棉花產(chǎn)區(qū)，并且全部應(yīng)用地膜覆蓋，因此殘膜污染比較嚴(yán)重，是亟需解決的突出問題。彈齒的排列方式與撿拾效果有很大的關(guān)系，間距過大，容易導(dǎo)致漏膜；間距過小，導(dǎo)致壅土量大和膜土不易分離。撿拾齒分布如圖6所示，周向平均分布17組，撿拾齒共有255個。

圖6 撿拾齒布圖Fig.6 picking up gear layout

工作時，主轉(zhuǎn)動軸通過皮帶傳動，主轉(zhuǎn)動軸上的鏈輪帶動主動鏈，從而帶動鏈桿運動；撿拾齒分布在兩個鏈桿上，一端與鏈桿上的套筒焊接固聯(lián)，而套筒在鏈桿上，鏈桿兩端用U型扣將其固定，周向不能滑移從而進行周向運動，另一端靠其支撐。田間試驗表明：撿膜齒的數(shù)量不宜過多也不宜太少：若周向布置撿膜齒的數(shù)量太少，地膜可能會滑落，不易被撿拾齒挑起；若周向布置撿膜齒過多，挑膜時容易將地膜撕碎，滑落、飄落到土壤里，造成二次污染，且地膜不易被卸下，地膜不連續(xù)，對地膜回收利用較困難。挑膜齒其材料為45鋼，經(jīng)熱處理，其硬度和耐磨性都比較好，滿足工作需求。

3 撿拾裝置結(jié)構(gòu)因素的優(yōu)化試驗

3.1 試驗方法

優(yōu)化機具結(jié)構(gòu)因素試驗[12]的地點選在阿克蘇六團棉田地里，每次試驗選取同一塊試驗地，然后隨機選取5個試驗測量區(qū)，并且測量區(qū)統(tǒng)一規(guī)定大小(長度2m，寬度0.8m)，將收集的殘膜先進行洗凈、曬干，再稱重記錄試驗結(jié)果。

3.2 試驗因素與水平

根據(jù)自動卸膜式殘膜回收機的工作原理、整體結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵工作部件撿拾裝置的設(shè)計與分析、田間預(yù)試驗的結(jié)果，可以初步確定試驗因素，如表1所示。

表1 試驗因素水平Table 1 Level of test factors

試驗過程中機具前進的速度為2.5km/h，影響撿拾率的試驗因素為撿拾轉(zhuǎn)速n、入土深度h、撿拾齒軸向間距g及撿拾齒周向間距p。

圖7為阿克蘇6團棉田的試驗照片。由田間試驗可看出：該殘膜回收機對小塊殘膜的撿拾率較高，撿拾裝置上的撿拾齒也不會夾雜大量地土塊；殘膜回收箱中基本沒有土塊，收集到集膜箱中的殘膜較干凈，便于后續(xù)的裝袋、回收處理，降低了殘膜回收的難度。

圖7 試驗照片F(xiàn)ig.7 Test photos

3.3 撿拾率正交試驗與方差分析

為確定各因素對殘膜回收機撿拾率影響的主次關(guān)系及撿拾率最高時各因素水平的最優(yōu)組合，設(shè)計了一個撿拾率正交試驗，并將結(jié)果記錄下來，如表2所示。由表2可知：撿拾率正交試驗結(jié)果最大值為88%，滿足地膜撿拾機的設(shè)計指標(biāo)要求；當(dāng)撿拾轉(zhuǎn)速為30r/min、撿拾齒入土深度120mm左右、撿拾齒軸向間距為35mm左右、撿拾齒的周向間距為135mm時，撿膜率最高。方差分析如表3所示。

表2 撿拾率正交試驗結(jié)果Table 2 Orthogonal test results of pickup rate

表3 撿拾率方差分析Table 3 Variance Analysis of pickup rate

查F分位數(shù)表可知，F(xiàn)0.75(4，4)=2.06。由表3可以看出：滾筒轉(zhuǎn)速和撿拾齒入土的深度對試驗有顯著影響；撿拾齒軸向間距、周向個數(shù)對試驗影響很大。由F值得出各因素對試驗影響程度排序為：g>p>h>n。

4 結(jié)論

在進行試驗的過程中，選取的地膜標(biāo)準(zhǔn)為寬度800mm、厚度0.010mm，選用地面平整地面作為試驗地。試驗結(jié)果表明:當(dāng)機具前進速度為2～3km/h且起膜鏟傾角保持在30°～40°之間時，可將耕層以上120mm殘膜一并鏟起，拾膜率為88%。