彈齒式殘膜撿拾旋耕一體機(jī)的設(shè)計(jì)

皮靈杰，李昳嫻，李忠慶*，湯建堯，李啟雄，李永路

（1.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，云南 昆明 650201；2.上海海事大學(xué)物流工程學(xué)院，上海 浦東 200120；3.昆明市農(nóng)業(yè)機(jī)械化技術(shù)學(xué)校，云南 昆明 650034；4.昆明市盤龍區(qū)滇源街道辦事處農(nóng)林水與應(yīng)急處置中心，云南 昆明 650051；5.文山州農(nóng)業(yè)機(jī)械技術(shù)推廣站，云南 文山 663000；6.硯山縣農(nóng)業(yè)機(jī)械化技術(shù)推廣站，云南 硯山 663100）

地膜覆蓋技術(shù)在我國的推廣使用極大地推動(dòng)了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的增產(chǎn)增收，地膜覆蓋對(duì)農(nóng)作物具有增溫保濕、減輕病蟲害、抑制雜草生長、保肥、加快作物生長的作用，并能明顯提高作物產(chǎn)量[1]。我國對(duì)于地膜的研究和使用相對(duì)較晚，但后來居上，使用面積和范圍均成為全球之首[2]。云南省作為地處西南的農(nóng)業(yè)大省，近些年地膜覆蓋技術(shù)為農(nóng)業(yè)發(fā)展做出了突出貢獻(xiàn)，其中昆明市受獨(dú)特氣候影響，地膜使用量在省內(nèi)位居前列，2020年云南省統(tǒng)計(jì)年鑒顯示，昆明市地膜使用量為0.93萬t，為全省第三[3]。地膜這把雙刃劍在為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來便利的同時(shí)也帶來了嚴(yán)重的環(huán)境污染問題，地膜屬高分子材料，降解難度大，隨地膜的大量使用給土壤環(huán)境帶來了巨大影響，阻礙農(nóng)作物正常生長，甚至造成作物致死和減產(chǎn)[4]。有研究表明，在地膜回收技術(shù)缺乏的情況下，隨地膜使用年限不斷增加，農(nóng)用殘膜造成的作物減產(chǎn)率將會(huì)抵消甚至超過由原先地膜覆蓋技術(shù)引入帶來的農(nóng)作物增產(chǎn)率[5]，面對(duì)當(dāng)前昆明市農(nóng)殘膜機(jī)械化回收技術(shù)缺乏的現(xiàn)狀，開展殘膜機(jī)械化回收技術(shù)研究已經(jīng)刻不容緩。

1 整機(jī)設(shè)計(jì)方案及工作原理

通過研究分析國內(nèi)外殘膜撿拾機(jī)具與聯(lián)合作業(yè)機(jī)具現(xiàn)狀，針對(duì)昆明市獨(dú)特的土壤作業(yè)環(huán)境和殘膜回收機(jī)械化程度不足的問題，以保證拾凈率為原則，從降低農(nóng)戶使用成本和降低推廣難度出發(fā)，選用撿拾原理簡單、造價(jià)成本低、可靠性高的彈齒式原理作業(yè)作為撿拾研究方向。同時(shí)為提高動(dòng)力機(jī)具利用率，提高作業(yè)效率，開展彈齒式殘膜撿拾旋耕聯(lián)合作業(yè)研究，研制一臺(tái)符合昆明實(shí)際作業(yè)情況的彈齒式殘膜撿拾旋耕一體機(jī)。

1.1 整機(jī)設(shè)計(jì)方案

本殘膜撿拾旋耕一體機(jī)主要由破土拾膜刀、機(jī)架、卸膜機(jī)構(gòu)、摟膜耙、刮膜板、萬向節(jié)伸縮傳動(dòng)軸、旋耕機(jī)、加強(qiáng)桿等構(gòu)成，具體結(jié)構(gòu)（見圖1）。

圖1 彈齒式殘膜撿拾旋耕一體機(jī)結(jié)構(gòu)圖

1.2 機(jī)具工作原理

殘膜撿拾旋耕一體機(jī)大致工作步驟為破土、拾膜、旋耕和卸膜。機(jī)具前端設(shè)置破土拾膜刀負(fù)責(zé)破碎土壤，摟起大塊殘膜與雜物。拾膜主要采用彈齒作為摟膜部件，采用類摟草機(jī)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理[6]。彈齒主要負(fù)責(zé)入土拾膜，梳刷分離土壤，暫時(shí)儲(chǔ)存殘膜。旋耕部件為外購旋耕機(jī)焊接結(jié)合，位于整機(jī)后方，旋耕機(jī)動(dòng)力輸入采用加長可伸縮萬向節(jié)傳動(dòng)軸連接。卸膜主要利用液壓油缸驅(qū)動(dòng)翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)摟膜耙翻轉(zhuǎn)，固定刮膜板梳刷完成卸膜，卸膜液壓油缸通過快接連接管與拖拉機(jī)后方自帶液壓接口連接到拖拉機(jī)液壓系統(tǒng)中，拾膜作業(yè)過程中液壓油缸保持伸出狀態(tài)，刮膜作業(yè)時(shí)液壓裝置收縮完成脫膜作業(yè)。整機(jī)工作由拖拉機(jī)采用三點(diǎn)懸掛掛接，采用后懸掛方式，由拖拉機(jī)牽引作業(yè)。

機(jī)具作業(yè)開始前，首先拖拉機(jī)將彈齒式殘膜撿拾旋耕一體機(jī)懸掛至作業(yè)田地中，放置于合適的作業(yè)開始位置，調(diào)節(jié)拖拉機(jī)液壓系統(tǒng)，調(diào)節(jié)整機(jī)高度，使摟膜耙的大致入土深度為50 mm。機(jī)具作業(yè)開始，拖拉機(jī)向前行進(jìn)，同時(shí)拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸旋轉(zhuǎn)旋耕機(jī)開始工作，整機(jī)開始作業(yè)。機(jī)具作業(yè)過程中，首先殘膜撿拾旋耕一體機(jī)最前端破土拾膜刀開始破土作業(yè)，同時(shí)刮起較完整殘膜及作物根莖，減少后端摟膜彈齒受力，第一級(jí)拾膜過程中部分殘膜被扯破，同小塊殘膜一同進(jìn)入摟膜彈齒中被間隙更小且前后交錯(cuò)排布的摟膜耙拾起，拾起后在摟膜彈齒儲(chǔ)膜空間中累積，完成拾膜作業(yè)。進(jìn)一步由位于機(jī)具最后端的旋耕機(jī)對(duì)機(jī)具前端拾膜作業(yè)完成的地塊旋耕作業(yè)。當(dāng)拖拉機(jī)作業(yè)到田壟盡頭或摟膜彈齒集滿時(shí)，拖拉機(jī)駕駛員控制三點(diǎn)懸掛液壓提升裝置將殘膜撿拾旋耕一體機(jī)抬升到合適高度，前端破土拾膜刀上的殘膜及根莖混合物隨重力作用脫落，主要拾膜部件由拖拉機(jī)手驅(qū)動(dòng)液壓油缸收縮，在提升機(jī)構(gòu)的作用下?lián)ぐ曳D(zhuǎn)，摟膜耙上的膜雜混合物在刮膜板的梳刷作用下脫落，堆積在田間等待后續(xù)處理。機(jī)具完成卸膜作業(yè)后，液壓油缸還原到工作狀態(tài)，機(jī)具重新入土繼續(xù)作業(yè)直至結(jié)束，完成拾膜旋耕。

2 田間試驗(yàn)

完成對(duì)彈齒式殘膜撿拾旋耕一體機(jī)的樣機(jī)、彈齒式撿拾關(guān)鍵部件樣機(jī)制造后前往尋甸縣、安寧市、石林縣及盤龍區(qū)滇源街道等地開展樣機(jī)田間作業(yè)試驗(yàn)，彈齒式殘膜撿拾旋耕一體機(jī)試驗(yàn)效果（見圖2），彈齒式撿拾關(guān)鍵部件試驗(yàn)效果（見圖3），通過多處試驗(yàn)表明，本機(jī)具殘膜撿拾效果為60%～90%，使用地膜厚度越大，機(jī)具的撿拾效果越好。其中安寧市八街街道西瓜地試驗(yàn)表明，對(duì)于鋪設(shè)0.015 mm地膜的試驗(yàn)田殘膜撿拾旋耕作業(yè)撿拾率能達(dá)到94.4%，旋耕碎土率為92.19%，耕深平均值為15.5 mm，耕深穩(wěn)定性為99.57%，機(jī)具作業(yè)后能正常完成卸膜，卸膜后彈齒刮膜極少，基本符合作業(yè)要求。

圖2 一體機(jī)試驗(yàn)現(xiàn)場圖

圖3 彈齒部件試驗(yàn)現(xiàn)場圖

3 問題與改進(jìn)

3.1 存在問題

試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)彈齒式殘膜撿拾回收一體機(jī)工作時(shí)存在如下問題：

（1）農(nóng)機(jī)手駕駛拖拉機(jī)拖掛樣機(jī)作業(yè)時(shí)，存在撿拾部件耕深控制難的問題，入土?xí)r耕深符合要求，但是隨著作業(yè)的進(jìn)行，深度會(huì)超過機(jī)具設(shè)計(jì)理論入土深度。從而造成破土刀前端壅土，縮短了機(jī)具的有效作業(yè)距離。

（2）旋耕機(jī)加長版?zhèn)鲃?dòng)裝置針對(duì)不同型號(hào)拖拉機(jī)的匹配效果不好。

（3）機(jī)具對(duì)表層地膜撿拾后經(jīng)旋耕作業(yè)將原有土壤深層殘膜翻起，影響拾凈率。

（4）機(jī)具液壓快接液壓油管密封性不好，液壓接口處漏油。

3.2 改進(jìn)措施

根據(jù)試驗(yàn)機(jī)具存在的問題，后續(xù)將對(duì)機(jī)具進(jìn)行以下改進(jìn)：

（1）對(duì)整機(jī)增加限深裝置，改善機(jī)具作業(yè)深度控制難的問題。

（2）將機(jī)具旋耕部件傳動(dòng)由原有簡單加長傳動(dòng)軸的方案，改為整機(jī)上新增中置傳動(dòng)軸，將后側(cè)旋耕機(jī)的動(dòng)力由原先整機(jī)后端改變?yōu)檎麢C(jī)前端，改善萬向節(jié)動(dòng)力傳動(dòng)軸的匹配效果。

（3）在整機(jī)最后方增設(shè)高密度、小直徑的自重入土摟膜耙。

同時(shí)通過多次多地試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)本機(jī)主要匹配中大型動(dòng)力機(jī)具，對(duì)山地及小型地塊適應(yīng)性較差，為解決地形適應(yīng)性問題，新增了對(duì)小型微耕機(jī)配套殘膜撿拾機(jī)具的研究。

4 微耕機(jī)配套小型殘膜撿拾機(jī)具研究

由于微耕機(jī)動(dòng)力較小，且由人工操作后端預(yù)留機(jī)具安裝空間有限，故微耕機(jī)配套殘膜撿拾機(jī)具不考慮撿拾旋耕聯(lián)合作業(yè)。微耕機(jī)配套機(jī)具（見圖4），主要由刮板座、刮膜板、旋轉(zhuǎn)軸、摟膜彈齒、機(jī)架、刮板手柄、懸掛裝置、加強(qiáng)筋組成。機(jī)具作業(yè)時(shí)由旋耕機(jī)后置飛機(jī)型懸掛裝置懸掛，由微耕機(jī)牽引作業(yè)，懸掛裝置設(shè)置有深度調(diào)節(jié)孔，能根據(jù)實(shí)際情況調(diào)節(jié)。作業(yè)時(shí)由微耕機(jī)牽引彈齒拾膜，當(dāng)彈齒內(nèi)殘膜堆滿后停止作業(yè)，扳動(dòng)刮板手柄，完成卸膜作業(yè)，可通過重復(fù)作業(yè)提升撿拾效果。

圖4 微耕機(jī)配套機(jī)具結(jié)構(gòu)圖

5 結(jié) 語

地膜覆蓋長期大面積推廣造成殘膜污染問題日益突出，土壤破壞及對(duì)農(nóng)作物的危害隨之顯現(xiàn)。此殘膜撿拾機(jī)具的研究及應(yīng)用，將昆明市地形地勢復(fù)雜、微耕機(jī)保有量極高考量其中，適于小型微耕機(jī)配套彈齒式殘膜撿拾機(jī)具的推廣，更好地提高殘膜機(jī)械化撿拾水平，對(duì)昆明市農(nóng)業(yè)機(jī)械化發(fā)展具有重大意義。