秸稈還田和殘膜回收聯(lián)合作業(yè)機的設計與研制

杜宇帆 陳慧蘭 王茹萍 趙勁飛 羅樹麗 蘇廣東

（塔里木大學機械電氣化工程學院，新疆阿拉爾 843300）

我國自20 世紀50 年代引進殘膜回收機后經(jīng)過不斷發(fā)展，已在幾十種作物上得到運用，且已有多種機型，但普及度并不高。鑒于此，主要詳細介紹殘膜危害和殘膜回收機的研制。

1 國內外殘膜回收機的發(fā)展現(xiàn)狀

殘膜的回收利用是世界各國面臨的棘手問題。英國和前蘇聯(lián)主要使用懸掛薄膜收獲機[1]，主要結構用松土鏟或梨將表膜和地表土分離，然后將殘膜用滾輪裝置拾取，并將膜清洗、卷凈。日本的土壤主要是火山灰土，土質疏松，地膜強度大，覆蓋周期較短[2]，有利于地膜回收。歐美為了盡可能地減少地膜對土壤的危害，他們增加膜厚度的同時研發(fā)了可自我修復的地膜，有效調高了塑料薄膜的使用年限。殘膜回收作業(yè)機可分為種子發(fā)芽后除膜和秋后除膜。發(fā)芽后除膜是因為此時薄膜覆蓋時間較短分化程度不嚴重，易于拾取，但近幾年出現(xiàn)了膜下灌溉和膜下除草技術要求不但要保留薄膜且要到收獲后再進行殘膜拾取，給殘膜回收帶來了新的問題。目前，如何拾取風化嚴重的殘膜和如何減少其他雜物的參雜，已成為當前研制殘膜回收機的重要方向[3]。

經(jīng)過幾十年的研究，國內已開發(fā)了多個型號的殘膜回收機，其中有些比較成熟的，在一定范圍內得到了推廣，但對于大部分地區(qū)來說推廣并不順利。主要原因是殘留薄膜回收機的理論不夠完善，大多數(shù)實際模型仍處于初步研究和探索階段，殘膜回收沒有直接的經(jīng)濟效益，難以被農民接受。目前，根據(jù)作物收獲時間可分為種子發(fā)芽后拾取農膜、秋后作物收獲后拾取農膜，根據(jù)殘膜所獲方式又可分為撿拾、篩選、靜電吸附等[4]。

通過大量研究發(fā)現(xiàn)，部分顏色的農膜在作物生長階段具有抑制雜草的作用，收獲較易，但對農戶來說經(jīng)濟效益過低。秋后除膜時，農膜經(jīng)過幾個月的風化，厚度變?yōu)?.008 mm左右，對于機具的撿拾結構有著很高的要求。以撿拾方式收取殘膜的機器撿拾后殘留物較多，而使用過篩的方式進行收獲會造成機具結構載荷變大、效率降低。此外，邊膜撿拾也是一大問題，邊膜一般在地表5 cm 以下，風化程度較弱，因此收獲邊膜時極可能黏附土壤一起被拾取至回收機中。如此不但增加了拾取的難度，而且增加了工作流程及時間，因此需對機具結構進行優(yōu)化。

2 整機結構及工作原理

2.1 整機結構 秸稈還田和殘膜回收聯(lián)合作業(yè)機整體機具由拖拉機牽引進行作業(yè)，可一次完成2 項作業(yè)，減少耕作費用、節(jié)約工作時間，同時此機械可通過支撐輪上的液壓系統(tǒng)及時改變拾取深度。殘膜回收機主要由秸稈粉碎機構、殘膜拾取機構、轉運機構、動力傳輸機構等幾個重要部分組成，由于設計原因驅動車對驅動馬力要求較低。整機結構主架采用厚度10 cm 的鋼板、工字鋼結構，外殼采用3 mm 厚鋼板和角鋼，秸稈還田和表膜回收聯(lián)合作業(yè)機主要參數(shù)如表1 所示。整體結構簡單、重量集中且靠近牽引點，主架結構因此未做特別的加強處理。考慮到秋收后作物仍保留較高秸稈，因此此機械前端為秸稈還田機構，優(yōu)點是可將作物秸稈粉碎拋向一側提高撿拾效率和殘膜拾取效果，缺點是對動力要求較高，這也是近年來殘膜回收機使用率不高的原因之一[5-7]。

表1 殘膜回收機主要技術參數(shù)

2.2 工作原理 秸稈還田和殘膜回收聯(lián)合作業(yè)機工作前通過液壓系統(tǒng)調整整機到合適高度，作業(yè)深度為0 ～5 cm。工作時通過拖拉機牽引前進，秸稈還田機構動力主要來源于拖拉機后輸出軸，其余拾取機構和傳送機構均由后承重輪傳送動力，這樣設計的好處是能減少對驅動拖拉機馬力的要求增強實用性。秸稈還田機構將作物殘余的莖稈部分粉碎后拋送至一側，通過鏟子將表膜和邊膜一同和土壤分離，鏟刃與土壤平面夾角為15°～25°，在設定速度下可將土壤拋至合適的高度，疏松后的土壤可為下一步的拾取創(chuàng)造有利條件。通過拔禾輪彈齒拾取殘膜，拔桿與土壤平面夾角在30°左右時相對穩(wěn)定，拾取效果較佳，拔禾輪相鄰位置有帶有凹槽的隔板，可去除彈齒上的殘膜防止纏繞。拔禾輪彈齒拾取的殘膜送入轉運機構并同時對其進行篩選，轉運機構隔板間隔3 cm，可盡量減少纏繞的情況。通過理論計算得出機具的行駛速度8 000 m/h 可作業(yè)1 hm2左右土地，同等動力驅動下效率有所提升，整機示意圖如圖1 所示

圖1 整機示意圖

4 關鍵機構說明

4.1 秸稈還田部件 秸稈還田機構上有主要的遷引部分，其承載了較大的壓力因此采用了較厚的鋼材進行加固，動力主要源于拖拉機后輸出軸，輸出軸轉速一般為540轉/min或1 280 轉/min，經(jīng)過變速齒輪箱變速后轉速可達到2 000轉/min 左右。高轉速有利于徹底粉碎秸稈便于還田，且會影響之后的殘膜拾取質量。由于秸稈還田機構上有螺紋狀的傳輸裝置，其可將粉碎后的秸稈拋向一側，這極大地減少了拾取后的雜質含量。秸稈還田機構設計了可活動的刀片，可在提供高剪切力的同時保護機具，降低撞到石塊造成的機構損傷。皮帶至刀軸的傳動采用了皮帶設計，可在高轉速情況下保護齒輪箱和軸體不受破壞，刀軸刀片的特殊設計可更好地將粉碎的秸稈卷至機構半封閉位置，從而達到對秸稈更好的清理作用。刀軸上具有螺旋狀結構可有效將粉碎后的秸稈輸送至一側，進而降低拾取殘膜的含雜率，秸稈還田部件如圖2所示。

圖2 秸稈還田部件示意圖

4.2 拔禾輪裝置 為了穩(wěn)固拔禾輪作業(yè)時的彈齒，也為了增加彈齒的密度，提高撿拾效率和拾取率，彈齒設計為一件兩齒。彈齒的作業(yè)環(huán)境需選擇高硬度鋼材，因此彈齒基座位置設有彈性機構，當彈齒入土過深時應避免損壞或發(fā)生人身傷害，拔禾輪裝置如圖3 所示。

圖3 拔禾輪裝置示意圖

拔禾輪主要是由偏心盤、偏心幅條、曲柄、拔禾軸組成，作業(yè)時拔禾輪一邊轉動一邊做隨機直線運動，偏心盤上有與轉軸方向非同心的圓，可通過不斷改變曲柄的轉動角度來改變彈齒的觸地角度，同時可通過改變支座和偏心盤上限位孔來調節(jié)彈齒角度，通過理論分析得如下公式：

式中：Vm為拖拉機的前進速度，m/s；ω為鏈輪組角速度，rad/s；r為鏈輪組半徑，mm；L為彈齒長度，mm；λ為撿膜機構的輪速比；H為彈齒入土深度，m；t為運動時間，s；Vx為對水平位移X 一次求導。機具前進方向為x 軸正方向，豎直向上為y 軸正方向，以x 軸水平方向為初始相位。通過計算，拔桿入地與土壤平面夾角成30°左右時，可有效減少拾取撥桿內部剪力減少損壞，同時可有效提高殘膜撿拾能力，改變作用力方向減少對殘膜的破壞，降低撿拾難度。

4.3 轉運機構 轉運機構是在輸送鏈條上固定尼龍板，支撐輪通過鏈條將動力傳輸給轉運機構，支撐輪在Z 軸方向上有一定高度差，在起到輸送作用的同時可對拾取后的殘膜進行篩選，去除殘膜黏附的土壤和其他雜質，以提高收獲效率。在相對封閉的環(huán)境下，轉運機構所受到外界環(huán)境影響較小，每個尼龍板之間的距離為3 cm，且在既定轉速下發(fā)生纏繞的概率很小。

5 結論

經(jīng)研究分析機具各部件對拾取率的影響可知，機器前進速度影響明顯于拔禾輪轉速，而拔禾輪轉速影響明顯于彈齒深度。運用Design-Expert 軟件優(yōu)化模塊，以拾膜率和纏膜率為優(yōu)化目標，確定最后的機具參數(shù)為：機具行駛速度為0.8 m/s，彈齒入土深度為32 mm，拔禾輪轉速和轉運裝置轉速比為1 ∶1.5。由此得出，優(yōu)化作業(yè)時，拾膜率為78.00%，纏繞率為1.20%，優(yōu)化后作業(yè)效果有較為明顯的提升[8]。