一種殘膜回收機(jī)切膜松土機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

明光

（武威職業(yè)學(xué)院，甘肅 武威 733000）

0 引言

地膜覆蓋技術(shù)是一種既能改善和優(yōu)化作物生長(zhǎng)環(huán)境，克服不良條件影響，又能取得早熟、高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)和高效的先進(jìn)農(nóng)業(yè)種植技術(shù)。鋪設(shè)地膜還可以有效利用土地資源和水資源，起到增溫、保墑、穩(wěn)產(chǎn)、提質(zhì)的效果[1-8]。因此，地膜覆蓋技術(shù)對(duì)我國(guó)的農(nóng)業(yè)發(fā)展，特別是對(duì)西北地區(qū)旱地農(nóng)業(yè)具有十分重要的戰(zhàn)略意義。但由于連年鋪膜且使用過(guò)的地膜在農(nóng)作物收獲后未能及時(shí)、有效得到回收，以致深耕后埋在土壤中，久而久之對(duì)農(nóng)田土壤造成了嚴(yán)重的“白色污染”，進(jìn)而導(dǎo)致農(nóng)作物產(chǎn)量連年下降[9-12]。因此地膜回收已成為當(dāng)前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中亟需解決的一大重要課題。目前，農(nóng)田地膜回收主要有人工撿拾和機(jī)械回收兩種方式，人工撿拾作業(yè)勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低、成本高，機(jī)械回收雖克服了人工撿拾的缺點(diǎn)，但現(xiàn)有地膜回收機(jī)存在回收率低、含雜率高等缺點(diǎn)。同時(shí)，對(duì)于已破碎，特別是埋在板結(jié)土壤中的地膜，無(wú)論是采用釘齒式、摟齒式、夾持式或氣吸式等，都很難將地膜直接從地表收起[13-16]。因此，研究并設(shè)計(jì)一種回收率高、含雜率低的農(nóng)田地膜回收機(jī)具有重要意義。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

針對(duì)現(xiàn)有農(nóng)田地膜回收機(jī)工作過(guò)程存在的膜雜分離率較低的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種膜雜分離式殘膜回收機(jī)。該機(jī)具主要由橫向切膜裝置、縱向切膜機(jī)構(gòu)、松膜鏟、輸膜裝置和脫膜機(jī)構(gòu)等組成（圖1）。

圖1 膜雜分離式殘膜回收機(jī)

2 工作原理

作業(yè)時(shí)，拖拉機(jī)通過(guò)牽引架與本機(jī)具相聯(lián)接，其動(dòng)力輸出軸與變速箱相聯(lián)接，變速箱通過(guò)鏈輪分別與縱向切膜傳動(dòng)系統(tǒng)、收膜傳動(dòng)系統(tǒng)和脫膜傳動(dòng)系統(tǒng)相聯(lián)接，組成作業(yè)機(jī)組。整機(jī)作業(yè)時(shí)，首先啟動(dòng)橫向切膜裝置，橫向切膜刀具高速運(yùn)動(dòng)，前地輪通過(guò)鏈輪帶動(dòng)凸輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，凸輪機(jī)構(gòu)再帶動(dòng)橫向切膜裝置上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，橫向切膜刀具將地膜隔段切斷。同時(shí)，拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸聯(lián)接變速箱，通過(guò)變速箱聯(lián)接縱向切膜機(jī)構(gòu)，傳動(dòng)系統(tǒng)帶動(dòng)縱向切膜輪將地膜沿著作物根系縱向連續(xù)切斷，然后，松膜鏟將緊貼地面的地膜進(jìn)行松土分離，最后，變速箱通過(guò)鏈傳動(dòng)帶動(dòng)收膜機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，收膜釘齒依次將掛起的地膜往上輸送，直到達(dá)脫膜輥處，地膜由脫膜毛刷自收膜齒表面分離，落入集膜網(wǎng)箱內(nèi)，完成地膜回收。

3 主要零部件的設(shè)計(jì)

3.1 橫向切膜裝置

橫向切膜裝置主要包括凸輪、彈簧、上下移動(dòng)導(dǎo)軌、鏈條式刀具等（圖2）。凸輪機(jī)構(gòu)的移動(dòng)導(dǎo)桿與電動(dòng)裝置頂端相聯(lián)接，導(dǎo)桿套有彈簧且上下被圓形擋塊擋住實(shí)現(xiàn)復(fù)位。作業(yè)時(shí)，啟動(dòng)橫向切膜裝置，鏈?zhǔn)降毒唛_(kāi)始高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，凸輪軸靠前地輪用鏈條傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)橫向切膜裝置的上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，地膜被按一定距離橫向切斷。采用橫向切膜裝置的主要目的是為了避免在輸膜釘齒輸送地膜過(guò)程中出現(xiàn)雜物積累而將地膜扯斷，以致輸膜釘齒將雜物掛起進(jìn)入集膜箱內(nèi)。

圖2 橫向切膜裝置

由于機(jī)具作業(yè)前進(jìn)速度為勻速（等速）狀態(tài)，本橫向切膜裝置中采用了凸輪機(jī)構(gòu)，根據(jù)凸輪從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律可知，勻速作業(yè)時(shí)從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律為等速運(yùn)動(dòng)。

根據(jù)從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律可知，等速運(yùn)動(dòng)時(shí)，凸輪機(jī)構(gòu)的從動(dòng)件存在剛性沖擊。在大多數(shù)情況下，應(yīng)采取相應(yīng)措施避免剛性沖擊，而本文橫向切膜裝置中，凸輪的從動(dòng)件連接橫向切膜刀具體，在切膜上下移動(dòng)過(guò)程中正是利用剛性沖擊特性，更易將地膜切斷。

3.2 縱向切膜機(jī)構(gòu)

在地膜回收過(guò)程中，處于地膜上方的農(nóng)作物根茬會(huì)對(duì)輸送釘齒掛起地膜造成影響。因此在橫向切膜裝置后設(shè)置了縱向切膜機(jī)構(gòu)?？紤]到地膜鋪設(shè)采用一膜多行，則本機(jī)具的縱向切膜刀具設(shè)置兩對(duì)以上。圖3所示為一對(duì)刀具示意圖?？v向切膜機(jī)構(gòu)核心部件為圓鋸齒形切膜刀，其傳動(dòng)系統(tǒng)連接拖拉機(jī)的變速箱。

圖3 縱向切膜機(jī)構(gòu)

3.3 松膜鏟

農(nóng)田作物收獲時(shí)，農(nóng)用車(chē)等機(jī)具勢(shì)必對(duì)田間土壤碾壓，進(jìn)而造成土壤板結(jié)，鋪在上面的地膜被碾壓后緊緊黏在板結(jié)的土壤表層。為了便于輸膜釘齒將地膜掛起，增加了縱向松土鏟（圖4）。松膜鏟底端程尖圓弧形狀，經(jīng)過(guò)鏟起后的地膜和土壤初步分離，拾膜部件作用于地表時(shí)可以直接收起地膜。此外，豎直方向布置帶有刀刃的固定支撐板，其行間距寬度與縱向切膜刀具相同。

圖4 松膜鏟

圖5為松土鏟作業(yè)時(shí)的受力圖，因地面土壤含有各種雜物，因此這里土壤的純切削阻力kb不能忽略。

圖5 松膜鏟受力圖

在水平方向上列平衡方程可得如下方程式：

式中F—松膜鏟作業(yè)時(shí)受到的牽引力水平分力（N）；FN—土壤作用于鏟面的法向力（N）；μ—土壤與鏟面的摩擦系數(shù)；b—松膜鏟鏟面寬度（m）；α—松膜鏟入土傾斜角度（rad）。

由（1）式平衡方程可知，當(dāng)入土傾角α為零度時(shí)，此時(shí)牽引力水平分力為牽引力，因松膜鏟深度較淺，此時(shí)的土壤作用于鏟面的法向力可以或略不計(jì)，與存在傾角時(shí)相比，牽引力變小了。另一方面，由于本機(jī)具中設(shè)計(jì)的松膜鏟為一體式，即只有兩側(cè)支撐，中間為貫通形式，在松膜鏟入土后鏟底呈水平狀態(tài)前進(jìn)作業(yè)時(shí)，對(duì)鏟面以上的土壤整體破碎能力作用不大，即某些情況下地膜有可能依然附著在土壤里面。刀面傾斜入土設(shè)計(jì)，當(dāng)松膜鏟鏟起土壤時(shí)，土壤在鏟面上有一個(gè)運(yùn)動(dòng)擠壓的過(guò)程，這種狀態(tài)下利于土壤的破碎，進(jìn)而使得地膜與地表土壤分開(kāi)，更有利于輸膜釘齒將地膜掛起且不易拉斷地膜。另外，這里的入土傾角不能太大，避免增加作業(yè)油耗。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，入土角設(shè)計(jì)為10°~15°。

3.4 輸膜裝置

本機(jī)具的輸膜裝置豎向安裝方式采用垂直式結(jié)構(gòu)，橫向采用多排布置，其中撿膜釘齒與輸送鏈呈一定傾角安裝，結(jié)構(gòu)如圖6。為了能夠有效地將地膜撿起，同時(shí)將秸稈、枝葉等雜物與地膜分離開(kāi)，輸膜釘齒的數(shù)量和輸送鏈排數(shù)不能太少。當(dāng)輸膜釘齒或輸送排數(shù)間距過(guò)大，掛起地膜時(shí)容易將雜物裹里面，進(jìn)而落入集膜箱內(nèi)；當(dāng)輸膜釘齒或輸送排數(shù)間距過(guò)小時(shí)，在輸膜釘齒掛起地膜時(shí)，秸稈、枝葉等雜物易被卡在兩輸膜釘齒之間，根據(jù)現(xiàn)有機(jī)具存在地問(wèn)題，本機(jī)具設(shè)計(jì)輸膜釘齒數(shù)量在48~56個(gè)和輸送鏈數(shù)為8~10排。另外，為了防止雜物進(jìn)入集膜箱內(nèi)，在集膜箱上部設(shè)計(jì)安裝了雜物引流板。當(dāng)輸膜釘齒由最高點(diǎn)翻轉(zhuǎn)向下時(shí)，被夾在輸膜釘齒的雜物就順著引流板被分離開(kāi)，實(shí)現(xiàn)膜雜分離的目的。

圖6 輸膜機(jī)構(gòu)

4 總結(jié)

本文針對(duì)現(xiàn)有農(nóng)田殘膜回收機(jī)工作過(guò)程存在的膜雜分離率較低的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種膜雜分離式殘膜回收機(jī)。對(duì)機(jī)具中的橫向切膜裝置、縱向切膜機(jī)構(gòu)、松膜鏟、輸膜裝置等核心部件的工作過(guò)程以及設(shè)計(jì)理念進(jìn)行了說(shuō)明，具體如下：

（1）對(duì)橫向切膜裝置、縱向切膜機(jī)構(gòu)，依據(jù)實(shí)際鋪膜情況特點(diǎn)進(jìn)行了理論分析和結(jié)構(gòu)說(shuō)明；

（2）對(duì)松膜鏟的入土角度進(jìn)行了理論計(jì)算，得出入土傾角為10°~15°；

（3）根據(jù)收膜機(jī)構(gòu)在現(xiàn)有機(jī)具作業(yè)中存在的問(wèn)題以及農(nóng)田雜物特點(diǎn)，設(shè)計(jì)輸膜釘齒個(gè)數(shù)為48~56個(gè)、輸送鏈8~10排。

通過(guò)理論分析和計(jì)算進(jìn)一步說(shuō)明各主要部件在殘膜回收中具有可行性。