彈齒鏈耙式殘膜回收機(jī)脫膜裝置設(shè)計與試驗

摘要：針對彈齒鏈耙式殘膜回收機(jī)存在脫膜不徹底、可靠性低等問題，設(shè)計一種固定刮板式脫膜裝置，并對其關(guān)鍵部件進(jìn)行設(shè)計與分析。為驗證脫膜裝置作業(yè)性能，以機(jī)具行駛速度（A）、彈齒長度（B）、彈齒與脫膜板夾角（C）為試驗因素，以脫膜率為試驗指標(biāo)開展L9（34）正交試驗。結(jié)果表明，彈齒鏈耙式殘膜回收機(jī)的脫膜率為92.5%～95.7%；極差分析表明，各因素影響大小為Agt;Cgt;B，脫膜率最優(yōu)試驗條件組合為A2B1C2，即機(jī)具行駛速度為8 km/h、彈齒長度為160 cm、彈齒與脫膜板夾角為50°。對最優(yōu)組合（A2B1C2）做驗證試驗（5次），平均脫膜率為95.16%，滿足彈齒鏈耙式殘膜回收機(jī)作業(yè)要求。

關(guān)鍵詞：彈齒鏈耙式殘膜回收機(jī)；脫膜裝置；作業(yè)性能；設(shè)計

中圖分類號：S223.5" " " " "文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：0439-8114（2025）01-0150-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2025.01.024 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

Design and testing of the peel off device for the elastic tooth chain rake residual film recycling machine

HE Yu-ze，WANG Min，CAO Si-lin，YING Yu-kun，LU Yong-tao，WANG Ji-liang

（Mechanical Equipment Research Institute，Xinjiang Academy of Agricultural and Reclamation Science，Shihezi" 832000，Xinjiang，China）

Abstract： In response to the problems of incomplete film removal and low reliability in the elastic tooth chain rake residual film recycling machine， a fixed scraper type peel off device was designed， and its key components were designed and analyzed. To verify the operational performance of the peel off device， an L9（34） orthogonal experiment was conducted with the driving speed of the machine （A）， the length of the spring teeth （B）， and the angle between the spring teeth and the delamination plate （C） as experimental factors， and the delamination rate as the experimental indicator. The results showed that the delamination rate of the elastic tooth chain rake residual film recycling machine was 92.5% to 95.7%；the range analysis showed that the influence magnitude of each factor was Agt;Cgt;B. The optimal experimental condition combination for the delamination rate was A2B1C2， which meant that the machine’s driving speed was 8 km/h， the length of the spring teeth was 160 cm， and the angle between the spring teeth and the delamination plate was 50°. Validation tests were conducted on the optimal combination （A2B1C2） for 5 times， with an average delamination rate of 95.16%， meeting the operational requirements of the the elastic tooth chain rake residual film recycling machine.

Key words： elastic tooth chain rake residual film recycling machine； peel off device； homework performance； design

覆膜栽培技術(shù)具有增溫保墑、節(jié)水保肥、抑制雜草和病蟲害等特點。自20世紀(jì)70年代引入中國以來，覆膜栽培技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中大面積推廣應(yīng)用，對促進(jìn)作物生長和增產(chǎn)增收效果顯著［1，2］。以聚乙烯為基材的地膜在自然條件下難以降解，可在土壤中存留幾百年，隨著使用年限的增加，造成大量地膜殘留集聚，破壞土壤結(jié)構(gòu)及耕地培育能力，抑制農(nóng)作物生長發(fā)育［3，4］。對比國內(nèi)外農(nóng)用地膜使用情況可知，國外使用加厚耐候地膜，具有較強(qiáng)的延展性和拉伸強(qiáng)度，當(dāng)年作物收獲后可進(jìn)行卷收再利用，大大降低殘膜污染；但國內(nèi)使用的地膜厚度多為0.01 mm，一季作物耕作后地膜老化嚴(yán)重?zé)o法重復(fù)利用，須及時回收，否則會造成白色污染，嚴(yán)重制約農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境保護(hù)和綠色可持續(xù)發(fā)展［5-7］。

目前中國治理殘膜污染主要采取機(jī)械化回收的方式，一些科研單位對殘膜機(jī)械回收進(jìn)行了相關(guān)研究，這些殘膜回收機(jī)主要由起膜裝置、收膜裝置和脫膜裝置等作業(yè)部件組成［8-10］。常見的殘膜回收機(jī)的脫膜裝置分為機(jī)械結(jié)構(gòu)脫膜裝置和氣力脫膜裝置。機(jī)械結(jié)構(gòu)脫膜裝置包括伸縮桿齒脫膜和刮板脫膜等結(jié)構(gòu)，伸縮桿齒脫膜裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造成本較高且作業(yè)過程中桿齒易形變，影響脫膜效果；刮板脫膜裝置結(jié)構(gòu)簡單可靠，應(yīng)用前景較好。氣力脫膜裝置結(jié)構(gòu)簡單、效率高，但易引發(fā)二次纏繞［11-14］。針對上述殘膜回收機(jī)脫膜裝置存在的問題，本研究對彈齒鏈耙式殘膜回收機(jī)的脫膜裝置、脫膜原理進(jìn)行分析，旨在提升機(jī)具脫膜效果和作業(yè)可靠性，對進(jìn)一步優(yōu)化改進(jìn)殘膜回收機(jī)脫膜裝置提供思路和參考，為推進(jìn)殘膜污染治理貢獻(xiàn)力量。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

彈齒鏈耙式殘膜回收機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由機(jī)架、傳動系統(tǒng)、收膜裝置、脫膜裝置、打捆裝置、攜捆裝置、秸稈粉碎裝置、地輪等部件組成。

機(jī)具作業(yè)時，由拖拉機(jī)動力輸出軸提供外部動力，收膜鏈耙?guī)訌楜X轉(zhuǎn)動將地膜挑起，對地表殘膜進(jìn)行撿拾回收，向上運動過程中土塊、秸稈等雜質(zhì)因自身重力和彈齒旋轉(zhuǎn)離心力實現(xiàn)膜雜分離；彈齒軸運動至換向擋板處時，彈齒運動方向變?yōu)槊撃ぐ宸ň€方向，殘膜隨彈齒運動至脫膜板，通過脫膜板上的彈齒縫時將殘膜刮下，掉在下打捆皮帶上，下打捆皮帶帶動殘膜向前運動，上打捆皮帶帶動殘膜向后運動，殘膜受到相反方向的力，隨著殘膜匯聚逐漸揉搓形成圓型膜捆；隨著膜捆直徑增大，打捆皮帶張緊力增大，當(dāng)張緊力達(dá)到額定值時，通過操控地輪液壓油缸打開上打捆裝置蓋門，升起地輪支撐臂，將膜捆卸至攜捆裝置上，關(guān)閉上打捆裝置蓋門后繼續(xù)作業(yè)。

2 關(guān)鍵零部件設(shè)計與分析

2.1 彈齒

彈齒鏈耙式殘膜回收機(jī)的彈齒是由65號錳鋼制成的直齒，相鄰彈齒錯行等距排布，每根彈齒軸均勻安裝10組彈齒，前后兩排彈齒間距50 mm，固定板連接彈齒軸與帶座軸承，鏈條帶動彈齒軸旋轉(zhuǎn)完成作業(yè)，彈齒裝配結(jié)構(gòu)如圖2所示。

彈齒作為收膜裝置的關(guān)鍵部件，其作業(yè)性能是評價收膜效果的重要指標(biāo)，彈齒長度會影響起膜和脫膜效果，在作業(yè)時既要確保起膜順暢，又要確保不漏膜壅土［15-17］。彈齒長度過長易發(fā)生變形，使挑起的殘膜堆積在彈齒根部不易脫落，過短會造成殘膜提前脫落，且不利于挑起低洼處的殘膜；同時，田間作業(yè)環(huán)境復(fù)雜多變，要兼顧機(jī)具作業(yè)效率和效果，作業(yè)速度過快會影響收膜質(zhì)量和脫膜效果，過慢則降低工作效率。為研究彈齒起膜原理，對彈齒運動軌跡進(jìn)行分析，如圖3所示，起膜入土點A，起膜出土點B，圓弧AB為彈齒尖運動路徑，彈齒尖運動方程為圓弧AB對應(yīng)的方程。

彈齒尖運動方程：

[x= v0t +R + Lcosωty=R + Lsinωt] （1）

彈齒尖切線方向速度垂直于彈齒斜向下，將其分解為水平方向（x）和豎直方向（y）的速度：

[vx= v0-ωR + Lsinωtvy= ωR + Lcosωt] （2）

式中，v0為機(jī)具行駛速度，m/s；ω為彈齒角速度，r/min；t為時間，s；L為彈齒長度，mm；R為鏈輪半徑，mm。

彈齒運動速度與機(jī)具行駛速度、彈齒角速度、鏈輪半徑和彈齒長度有關(guān)。根據(jù)前期試驗基礎(chǔ)，兼顧收膜效果及結(jié)構(gòu)可靠性，設(shè)制機(jī)具行駛速度為8 km/h，彈齒長度為160 mm，彈齒直徑為6 mm，彈簧內(nèi)徑為45 mm，鏈輪半徑為300 mm。

2.2 換向機(jī)構(gòu)

彈齒軸完成平穩(wěn)換向是確保脫膜過程的前提，鏈條帶動彈齒軸轉(zhuǎn)動，彈齒挑起地表殘膜向上運動，為保證挑起的殘膜不會二次脫落，彈齒與底板垂直，當(dāng)彈齒軸接觸換向擋板時，產(chǎn)生的作用力使彈齒軸端的固定板底邊與換向擋板的平面平行，此時完成換向作業(yè)。彈齒與脫膜板的夾角由鈍角變?yōu)殇J角，脫膜板脫下彈齒上的殘膜，脫下的殘膜掉入脫膜板下方的打捆腔體完成揉搓打捆，換向機(jī)構(gòu)如圖4所示。

2.3 脫膜機(jī)構(gòu)

脫膜機(jī)構(gòu)由壓板、脫膜板、角鋼、彈齒縫組成，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。角鋼位于脫膜板下方且與機(jī)架焊接，壓板位于脫膜板上方，通過螺絲釘將脫膜板固定，脫膜板上開設(shè)有彈齒縫，方便刮下殘膜且只允許彈齒通過，脫膜板采用耐磨且韌性好的橡膠材質(zhì)，可有效避免彈齒與脫膜板發(fā)生剛性碰撞，造成變形影響后續(xù)作業(yè)的可靠性。

脫膜機(jī)構(gòu)是將彈齒上殘膜脫下的核心部件，為研究脫膜原理，對脫膜過程中殘膜受力情況進(jìn)行分析，如圖6所示。

殘膜受力方程：

[FTcosα+Gcosα+γ= FNFTsinα+Gsinα+γ+FA=μFN] （3）

[FA= mω2 r ] （4）

殘膜從彈齒上脫下的條件為：

[FTsinα+Gsinα+γ+ mω2 r gt;μFN ] （5）

式中，m為殘膜質(zhì)量，g；ω為殘膜回轉(zhuǎn)角速度，r/min；r為殘膜回轉(zhuǎn)半徑，mm；α為彈齒與脫膜板的夾角，（°）；γ為彈齒與豎直方向的夾角，（°）；G為殘膜的重力，N；FN為彈齒對殘膜的支持力，N；FT為脫膜板對殘膜的作用力，N；μFN為殘膜與彈齒的摩擦力，N；FA為脫膜時殘膜受的離心力，N。

彈齒與脫膜板夾角是影響脫膜效果的關(guān)鍵參數(shù)，彈齒與脫膜板夾角過小，彈齒在通過脫膜板的彈齒縫時會不順暢，脫膜不徹底，彈齒與脫膜板夾角過大，彈齒底部殘膜與彈齒縫接觸減少，脫膜板不易刮下殘膜，通過前期試驗對比分析，彈齒與脫膜板適宜夾角為50°。

3 田間試驗與結(jié)果分析

3.1 試驗條件

為檢測彈齒鏈耙式殘膜回收機(jī)脫膜裝置的作業(yè)性能，棉花秋收后，在新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第八師一二一團(tuán)開展了殘膜回收田間試驗。試驗選用約翰迪爾1354拖拉機(jī)，試驗時天氣良好，土壤干燥，地勢平坦，滴灌帶及附屬設(shè)施均已清理，試驗地長約200 m，寬約80 m，采用機(jī)采棉種植模式，鋪設(shè)符合國家標(biāo)準(zhǔn)的地膜（寬度為2 050 mm，厚度為0.01 mm），田間試驗區(qū)如圖7所示。

3.2 試驗指標(biāo)與方法

穩(wěn)定高效的脫膜性能是彈齒鏈耙式殘膜回收機(jī)連續(xù)作業(yè)的必要條件，以脫膜率為試驗指標(biāo)評價脫膜效果，計算式如下。

[Y=MM+M0×100%] （6）

式中，Y為脫膜率，%；M為已回收的殘膜質(zhì)量，g；M0為殘留在彈齒上的殘膜質(zhì)量，g。

參考《GB/T 25412—2021 殘地膜回收機(jī)》制定試驗方案［18，19］，設(shè)計L9（34）正交試驗，共進(jìn)行9組試驗作業(yè)后采集已回收的殘膜和殘留在彈齒上的殘膜，5次重復(fù)。殘膜洗凈、晾干后用電子天平（精度為0.001 g）稱重，各參數(shù)取平均值［20］，根據(jù)式（6）計算脫膜率。

3.3 試驗因素

通過前期研究與試驗，依據(jù)彈齒鏈耙式殘膜回收機(jī)的工作原理，選取機(jī)具行駛速度（A）、彈齒長度（B）、彈齒與脫膜板夾角（C）作為影響脫膜率的主要因素［21］，試驗因素與水平如表1所示。

3.4 試驗結(jié)果與分析

由表2可知，脫膜率為92.5%～95.7%，極差分析（表3）表明，各因素影響大小為Agt;Cgt;B，脫膜率最優(yōu)試驗條件組合為A2B1C2，即機(jī)具行駛速度為8 km/h、彈齒長度為160 cm、彈齒與脫膜板夾角為50°。

為進(jìn)一步探究各因素對試驗指標(biāo)的顯著性影響，對試驗結(jié)果進(jìn)行方差分析，結(jié)果如表4所示。機(jī)具行駛速度、彈齒與脫膜板夾角均對脫膜率產(chǎn)生極顯著影響，彈齒長度對脫膜率產(chǎn)生顯著因素。從F的排序可知，主要因素排序結(jié)果與直觀分析的結(jié)果一致，表明機(jī)具行駛速度、彈齒長度、彈齒與脫膜板夾角對脫膜率產(chǎn)生顯著影響。

3.5 試驗驗證

為驗證較優(yōu)參數(shù)組合的工作效果，采用脫膜率最優(yōu)試驗條件組合（A2B1C2）進(jìn)行驗證試驗，結(jié)果如表5所示，平均脫膜率為95.16%，脫膜效果較好，滿足彈齒鏈耙式殘膜回收機(jī)作業(yè)要求。

4 小結(jié)與討論

1）設(shè)計了一種彈齒鏈耙式殘膜回收機(jī)脫膜裝置，對彈齒運動軌跡和脫膜過程中殘膜受力進(jìn)行分析，確定了影響起膜效果和脫膜效果的主要因素。

2）制作試驗樣機(jī)，選取機(jī)具行駛速度、彈齒長度、彈齒與脫膜板夾角作為主要影響因素，以脫膜率為主控指標(biāo)進(jìn)行正交試驗與結(jié)果分析，脫膜率最優(yōu)試驗條件組合為A2B1C2，即機(jī)具行駛速度為8 km/h、彈齒長度為160 cm、彈齒與脫膜板夾角為50°。對最優(yōu)組合（A2B1C2）做驗證試驗（5次），平均脫膜率為95.16%，滿足彈齒鏈耙式殘膜回收機(jī)作業(yè)要求。

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