李 東 趙武云* 辛尚龍 曲 浩 劉小龍 梁加棟

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，蘭州 730070；2.甘肅武威興東機(jī)械有限公司，甘肅 武威 733018)

地膜覆蓋是旱作農(nóng)業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)措施，具有良好的增溫、保墑、滅草功能，可有效提高農(nóng)作物產(chǎn)量和品質(zhì)，特別是在干旱少雨的西北地區(qū)，可使玉米、馬鈴薯等作物增產(chǎn)30%以上。而大量土壤殘留地膜不僅增加了微塑料在土壤中的累積，還破壞了土壤團(tuán)聚體，降低土壤的通氣和透水性，影響土壤結(jié)構(gòu)，進(jìn)而損害作物生長(zhǎng)[1-3]。

為解決殘膜導(dǎo)致的環(huán)境污染問(wèn)題，近年來(lái)，我國(guó)研究人員研制了不同的殘膜回收機(jī)械，按殘膜回收時(shí)期可分為播前、苗期及秋后殘膜回收機(jī)，其中秋后殘膜回收機(jī)在我國(guó)應(yīng)用最廣。秋后殘膜回收機(jī)在結(jié)構(gòu)上主要有伸縮彈齒式、彈齒耙齒式、起茬篩網(wǎng)式、滾筒纏繞式、氣吸式等。國(guó)外殘膜回收機(jī)大多利用地膜自身的拉力實(shí)現(xiàn)地膜與土壤的分離，主要在苗期以卷收為主，而我國(guó)則利用殘膜回收機(jī)械的摟、扎、卷、挑等輔助收膜，主要在秋后對(duì)殘膜進(jìn)行回收[4-10]。

甘肅省河西灌區(qū)玉米收獲后，秸稈留茬高，地表殘留秸稈量大、秸稈根系發(fā)達(dá)，現(xiàn)有殘膜回收機(jī)不能有效的將秸稈回收或還田，不能清理膜面上覆蓋的秸稈，目前殘膜回收處于無(wú)機(jī)可用狀態(tài)。本研究針對(duì)河西灌區(qū)玉米的種植方式，旨在設(shè)計(jì)一種膜面清潔打捆自卸式殘膜回收機(jī)，以期為河西灌區(qū)殘膜回收機(jī)具的研發(fā)提供參考。

1 總體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

膜面清潔打捆自卸式殘膜回收機(jī)整體結(jié)構(gòu)由懸掛裝置、機(jī)架、傳動(dòng)裝置、膜面清潔裝置、起膜裝置、撿拾喂入裝置、打捆裝置、卸膜裝置和地輪組成(圖1)。傳動(dòng)裝置由變速箱、鏈輪、齒輪、鏈條等組成；膜面清潔裝置由滅茬甩刀、甩刀前后擋板、秸稈輸送攪龍、秸稈輸送攪龍下?lián)醢濉⒔斩捿斔蛿圐堓S及秸稈排出口組成；起膜裝置由起膜鏟、起膜鏟深淺調(diào)節(jié)裝置及起膜鏟保持架組成；撿拾喂入裝置由撿拾滾筒、偏心伸縮扒齒、曲柄及鏈輪等組成；打捆裝置由轉(zhuǎn)輥、打捆機(jī)動(dòng)力接入齒輪、轉(zhuǎn)輥鏈輪、傳動(dòng)鏈條等組成；卸膜裝置由卸膜導(dǎo)板油缸、卸膜導(dǎo)板、隨動(dòng)導(dǎo)板、打捆機(jī)升降導(dǎo)軌、打捆機(jī)升降油缸組成。配套動(dòng)力102 kW以上的輪式拖拉機(jī)，一次能完成膜面清潔、起膜壓茬、碎土、膜土輸送分離、廢膜打捆和卸膜作業(yè)。適合土壤含水率低于18%的平作和全膜雙壟溝地塊撿拾作業(yè)，有利于減少殘膜對(duì)土壤及生態(tài)環(huán)境的污染。膜面清潔打捆自卸式殘膜回收機(jī)主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

1.地輪；2.懸掛裝置；3.變速箱；4.膜面清潔裝置；5.機(jī)架；6.鎮(zhèn)壓輥；7.傳動(dòng)裝置；8.卸膜裝置；9.起膜裝置；10.撿拾裝置；11.脫膜裝置；12.打捆裝置1.Ground wheel; 2.Suspension device; 3.Gearbox; 4.Membrane surface cleaning device; 5.Frame; 6.Pressing roller; 7.Transmission device; 8.Membrane unloading device; 9.Membrane lifting device; 10.Pick up device; 11.Feeding device; 12.Baling device圖1 膜面清潔打捆自卸式殘膜回收機(jī)整體結(jié)構(gòu)Fig.1 Overall structure diagram of film surface cleaning， bundling and self unloading residual film recovery machine

表1 膜面清潔打捆自卸式殘膜回收機(jī)主要技術(shù)參數(shù)Table 1 Main technical parameters of film surface cleaning,bundling and self unloading residual film recovery machine

1.2 工作原理

作業(yè)前，已對(duì)玉米秸稈進(jìn)行回收，但留茬較高。為保證膜面干凈，在殘膜回收時(shí)需對(duì)未收干凈的秸稈進(jìn)行切碎輸送，樣機(jī)以懸掛方式與拖拉機(jī)聯(lián)接，傳動(dòng)裝置通過(guò)動(dòng)力輸入軸與拖拉機(jī)的動(dòng)力輸出軸相連接。作業(yè)時(shí)，機(jī)組沿地塊最左側(cè)膜行前行，甩刀將未收干凈的玉米秸稈、部分根茬切碎，被切碎的秸稈沿甩刀逆時(shí)針?lè)较驋佀?。甩刀在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生負(fù)壓，秸稈輸送攪龍?jiān)谛D(zhuǎn)的同時(shí)將切碎的秸稈向機(jī)具前進(jìn)方向的左側(cè)輸送，完成膜雜分離的膜面清潔工作。由于河西灌區(qū)采取灌溉種植，土壤的板結(jié)度較高，鎮(zhèn)壓輥對(duì)土壤表層結(jié)構(gòu)進(jìn)行破碎處理，起膜鏟將地膜從地表揭起，撿拾喂入裝置中的偏心伸縮扒齒對(duì)揭起的地膜進(jìn)行撿拾，撿拾起來(lái)的地膜隨著撿拾滾筒做逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，當(dāng)撿拾滾筒旋轉(zhuǎn)到成捆室喂入口時(shí)，偏心伸縮扒齒伸進(jìn)撿拾滾筒，脫膜轉(zhuǎn)輥反向旋轉(zhuǎn)，將撿拾的殘膜喂入到成捆室中，殘膜在成捆室中進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，當(dāng)殘膜體積達(dá)到成捆室容積時(shí)，將打捆裝置動(dòng)力切斷并利用液壓油缸控制進(jìn)行提升，提升到最高位置時(shí)，利用液壓油缸打開打捆機(jī)構(gòu)前半部分進(jìn)行卸膜，完成整個(gè)殘膜回收工作。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 膜面清潔裝置

膜面清潔裝置由滅茬甩刀、甩刀前后擋板、秸稈輸送攪龍、秸稈輸送攪龍下?lián)醢?、秸稈輸送攪龍軸及秸稈排出口組成(圖2)，其中秸稈輸送攪龍的直徑為200 mm，旋向?yàn)橛倚?，位于滅茬甩刀的?cè)后上方。為確?；厥盏哪っ娓蓛魺o(wú)秸稈，膜面清潔裝置的設(shè)計(jì)在現(xiàn)有滅茬機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上，重新設(shè)計(jì)了滅茬甩刀的數(shù)量及在刀軸上的排列方式，并增加了秸稈輸送攪龍，利用負(fù)壓原理將切碎的秸稈輸送到已作業(yè)地表。

1.滅茬甩刀；2.甩刀刀軸；3.秸稈輸送攪龍下?lián)醢澹?.秸稈輸送攪龍軸；5.秸稈輸送攪龍；6.甩刀后擋板；7.機(jī)架；8.主動(dòng)帶輪；9.動(dòng)力輸出軸；10.甩刀前擋板；11.懸掛裝置1.Stubble cutter; 2.Cutter shaft; 3.Lower baffle plate of straw conveying agitator; 4.Straw conveying agitator; 5.Straw conveying auger; 7.Frame; 8.Driving pulley; 9.Power output shaft; 10.Front baffle plate; 11.Suspension device圖2 膜面清潔裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure of film surface cleaning device

膜面清潔裝置中的滅茬甩刀由L型甩刀和直刀組合而成，組合式甩刀兩側(cè)采用L型甩刀，中間加置一片直刀。經(jīng)試驗(yàn)，組合式甩刀針對(duì)類似玉米收獲后未完全干的作物秸稈，其切碎效果比L型甩刀和直刀相對(duì)較好。組合式甩刀采用65Mn鋼制造，并對(duì)其進(jìn)行熱處理，使其表面硬度HRC為48～56，芯部硬度為33～40，其一組甩刀的作業(yè)幅寬為39 mm[11]。

甩刀數(shù)量直接影響切碎效果，若數(shù)量過(guò)多，會(huì)導(dǎo)致機(jī)具能耗增加，甚至出現(xiàn)壅堵現(xiàn)象；若數(shù)量過(guò)少，對(duì)作物秸稈的切碎效果不理想，會(huì)出現(xiàn)漏割現(xiàn)象。因此，合理布置甩刀的數(shù)量才會(huì)改善對(duì)作物秸稈的切碎效果，滅茬甩刀的數(shù)量由式(1)計(jì)算：

N=CL

(1)

式中：N為滅茬甩刀的數(shù)量，片；C為刀片的排列密度，片/mm；L為作業(yè)幅寬，mm。

根據(jù)《農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》[12]，L型甩刀的刀片的排列密度C為0.02～0.04片/mm，在本設(shè)計(jì)中機(jī)具的作業(yè)幅寬L=1 400 mm，結(jié)合河西灌區(qū)復(fù)雜的地表工況，為提高膜面清潔裝置的效果，L型甩刀的數(shù)量取72片。

理想的切碎效果除了合理的甩刀數(shù)量，滅茬甩刀在刀軸上的排列方式對(duì)切碎效果也有一定程度的影響。目前國(guó)內(nèi)常見(jiàn)滅茬甩刀的排列方式主要有：對(duì)稱排列、單螺旋線排列、雙螺旋線排列及交錯(cuò)排列等[13-17]。合理排列甩刀，有利于降低機(jī)具的震動(dòng)提高機(jī)具的切碎效果。在本設(shè)計(jì)中甩刀采取單螺旋的排列方式，按照4排10列的方式布置在刀軸上，每排設(shè)有18片L型甩刀，每4片L型甩刀為一組，每相鄰兩組之間的夾角為90°，考慮河西地區(qū)玉米種植農(nóng)藝及機(jī)具的工作幅寬，將最后2片L型甩刀單獨(dú)成組(圖3)。

表示4片L型甩刀；表示2片L型甩刀。共有72片L型甩刀。represents 4 L-shaped swing blades. represents 2 L-shaped swinging blades. A total of 72 L-shaped swinging blades.圖3 刀軸上滅茬甩刀的排列Fig.3 Arrangement of stubble killing and throwing blades on the cutter shaft

2.2 起膜裝置

起膜裝置包括起膜鏟、起膜鏟深淺調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)及起膜鏟保持架(圖4)，用于將地表的玉米根茬破開并將地膜挑起，確定起膜鏟的數(shù)量為10個(gè)，均布在起膜鏟保持架上，相鄰起膜鏟的距離為150 mm。起膜裝置設(shè)計(jì)在機(jī)具前進(jìn)方向的最后端。起膜鏟深淺調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)設(shè)在機(jī)架上，可對(duì)起膜鏟的高度進(jìn)行調(diào)整。起膜鏟保持架上設(shè)計(jì)有起膜鏟，起膜鏟直接與地表接觸，可將根茬從中破開并將地表的殘膜挑起，地膜稍多時(shí)會(huì)向后堆積。偏心撿拾扒齒在旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中將堆積在起膜鏟處的地膜挑起，沿導(dǎo)膜桿送向打捆裝置，在脫膜轉(zhuǎn)輥的作用下將撿拾的殘膜喂入成捆室。

1.偏心伸縮扒齒；2.起膜鏟；3.撿拾滾筒；4.曲柄；5.起膜鏟深淺調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)；6.起膜鏟保持架；7.導(dǎo)膜桿1.Eccentric retractable pick up teeth; 2.Film lifter; 3.Pick up roller; 4.Crank; 5.Depth and shallowly adjusting mechanism of film lifting shovel; 6.Film lifter cage; 7.Film guide rod圖4 起膜鏟與撿拾裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Structure diagram of film lifter and pick up

圖5為起膜鏟受力簡(jiǎn)圖。依據(jù)起膜鏟的受力簡(jiǎn)圖，確定殘膜和土壤所受作用力的平衡方程[18-19]為：

(2)

F=Nf

(3)

T為殘膜和土壤在起膜鏟表面移動(dòng)所需的力；F為起膜鏟對(duì)土壤和殘膜的摩檫力；N為起膜鏟對(duì)土壤和殘膜的作用力；G為殘膜土壤及根茬的重力；f為起膜鏟對(duì)接觸物的摩擦因數(shù)；S為起膜鏟鏟尖長(zhǎng)；α為起膜鏟的入土傾角；H為起膜鏟鏟尖最大高度。T is the force required for the movement of the plastic film soil and the residual film on the surface of the film lifting shovel; F is the friction force of the film lifting shovel on the soil and the film; N is the force of the film lifting shovel on the soil and the film; G is the gravity of the plastic film soil and the stubble; f is the friction factor of the contact between the film lifting shovel; L is the length of the film lifting shovel tip; α is the angle of penetration of the film shovel; H is the maximum height of the film lifting shovel tip.圖5 起膜鏟受力分析圖Fig.5 Stress analysis diagram of film lifting shovel

式中：T為殘膜和土壤在起膜鏟表面移動(dòng)所需的力，N；F為起膜鏟對(duì)土壤和殘膜的摩檫力,N；N為起膜鏟對(duì)土壤和殘膜的作用力,N；G為殘膜土壤及根茬的重力,N；α為起膜鏟入土傾角，(°)；f為起膜鏟對(duì)接觸物的摩擦因數(shù)。綜上可得：

(4)

由式(4)及試驗(yàn)得到：如果入土傾角過(guò)大，會(huì)將土壤及根茬、殘膜一并鏟起，將導(dǎo)致土壤和根茬都壅堵在起膜鏟附近，對(duì)撿拾作業(yè)造成極大不便。如果入土傾角過(guò)小，將導(dǎo)致邊膜無(wú)法鏟起。綜合考慮河西灌區(qū)的種植條件，并結(jié)合田間試驗(yàn)，可得起膜鏟的入土傾角α的取值范圍為18°～26°，本研究取α=23°。

2.3 撿拾喂入裝置

撿拾喂入裝置由撿拾滾筒、偏心伸縮扒齒、曲柄及鏈輪等組成。撿拾滾筒的設(shè)計(jì)直徑為380 mm，滾筒體內(nèi)部設(shè)有27個(gè)偏心伸縮扒齒，呈3排均布在撿拾滾筒上，每3個(gè)偏心伸縮彈齒設(shè)在2個(gè)起膜鏟之間。

偏心伸縮扒齒通過(guò)曲柄與固定半軸固結(jié)在一起，偏心伸縮扒齒軸與滾筒中心有一定的偏心距，工作時(shí)要求偏心伸縮扒齒轉(zhuǎn)到機(jī)具最下端時(shí)伸出，以便于撿拾、撥送，轉(zhuǎn)到機(jī)具上方時(shí)，縮回滾筒體，將撿拾的廢膜喂入到成捆室中。調(diào)節(jié)偏心伸縮彈齒軸與筒體中心的相對(duì)位置，可改變扒齒伸縮位置和伸出長(zhǎng)度。偏心伸縮扒齒的確定參照《農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》中谷物聯(lián)合收獲機(jī)伸縮扒指的計(jì)算方式，按式(5)計(jì)算：

(5)

式中：l為偏心伸縮扒齒的長(zhǎng)，mm；d為撿拾滾筒外直徑，mm；e為偏心距，mm，偏心距e=65～70 mm，取e=70 mm，故偏心伸縮扒齒的長(zhǎng)l=270 mm。

2.4 打捆裝置

打捆裝置由轉(zhuǎn)輥、打捆機(jī)動(dòng)力接入齒輪、轉(zhuǎn)輥鏈輪、傳動(dòng)鏈條等組成，其中打捆機(jī)前側(cè)板上安裝有7根轉(zhuǎn)輥，打捆機(jī)后側(cè)板上安裝有5根轉(zhuǎn)輥。轉(zhuǎn)輥呈八邊形，其中轉(zhuǎn)輥的外接圓直徑為150 mm，所回收的殘膜的最大直徑為600 mm。打捆過(guò)程中，殘膜不與轉(zhuǎn)輥發(fā)生纏繞，在卸膜工作狀態(tài)時(shí)可切斷打捆裝置的輸入動(dòng)力。

2.4.1殘膜成捆室的設(shè)計(jì)

常見(jiàn)的成捆室結(jié)構(gòu)有方形和圓形2種，方形成捆室常用于作物秸稈的打捆，其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，需要配套較高的動(dòng)力。圓形成捆室常用于青儲(chǔ)飼料的打捆，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積較小。所回收的殘膜具有內(nèi)松外緊的特點(diǎn)，故在本設(shè)計(jì)中選用了圓形成捆室。

殘膜成捆室由一組鋼管制成的轉(zhuǎn)輥排列成螺旋線形狀構(gòu)成(圖6)。以殘膜成捆室為中心，喂入口下端3個(gè)轉(zhuǎn)輥按螺旋線方向依次縮進(jìn)固定距離，打捆機(jī)轉(zhuǎn)輥呈逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，所回收的殘膜呈順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，當(dāng)殘膜旋轉(zhuǎn)到一定高度時(shí)，殘膜的上升速度基本為零，在殘膜自身重力下產(chǎn)生回落，殘膜在成捆室中不斷旋轉(zhuǎn)形成膜捆，在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中將殘膜上的碎土漏掉[20-23]。

1.八棱轉(zhuǎn)輥；2.脫膜轉(zhuǎn)輥；3.殘膜1.Octagonal roll; 2.Stripping roll; 3.Residual filmD，所回收殘膜直徑；D1，轉(zhuǎn)輥所構(gòu)成圓的直徑；d1，八棱轉(zhuǎn)輥的外接圓直徑。D is the diameter of the recovered residual film; D1 is the diameter of the circle formed by the roll; d1 is the diameter of the circumcircle of the eight edge roll.圖6 殘膜成捆室結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 Structural diagram of circular bale chamber

參照秸稈圓捆打捆機(jī)的設(shè)計(jì)，所回收殘膜的直徑為D，八棱轉(zhuǎn)輥的外接圓直徑為d1，則轉(zhuǎn)輥所構(gòu)成圓的直徑為D1=D+d1/2，此時(shí)需13根轉(zhuǎn)輥，調(diào)整八棱轉(zhuǎn)輥的位置為殘膜成捆室留有足夠的喂入空間，去掉1根轉(zhuǎn)輥，故八棱轉(zhuǎn)輥的設(shè)計(jì)總數(shù)為12根，其中前側(cè)板布置7根，后側(cè)板5根。

2.4.2打捆裝置轉(zhuǎn)輥的選擇

轉(zhuǎn)輥是打捆裝置的關(guān)鍵部件，殘膜被喂入到成捆室之后，在轉(zhuǎn)輥的作用下打成圓捆，目前我國(guó)使用最廣的有多邊形轉(zhuǎn)輥和圓形轉(zhuǎn)輥2種。

圓形轉(zhuǎn)輥大多用于作物秸稈的打捆，由于作物秸稈在物理特性上較殘膜表面粗糙，摩擦因數(shù)大，不易堵塞。而將圓形轉(zhuǎn)輥應(yīng)用于殘膜打捆時(shí)，由于殘膜表面光滑，極易與圓形轉(zhuǎn)輥發(fā)生纏繞，纏繞到極限位置時(shí)，相鄰轉(zhuǎn)輥之間無(wú)法容納更多的殘膜，從而導(dǎo)致傳動(dòng)系統(tǒng)超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，打捆裝置無(wú)法工作。為盡量避免纏繞，殘膜打捆裝置中的轉(zhuǎn)輥選擇八邊形轉(zhuǎn)輥，設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)輥長(zhǎng)度為1 400 mm，直徑為150 mm。

2.4.3脫膜轉(zhuǎn)輥的設(shè)計(jì)

脫膜轉(zhuǎn)輥安裝在打捆裝置后側(cè)板上，與轉(zhuǎn)輥及伸縮扒齒直接接觸，同時(shí)起脫膜及喂入殘膜的作用，由脫膜軸和脫膜葉片組成。脫膜轉(zhuǎn)輥上均布有2對(duì)脫膜葉片，脫膜葉片與脫膜軸焊合，脫膜葉片高45 mm，脫膜軸及脫膜葉片的旋轉(zhuǎn)直徑為100 mm，脫膜葉片用于安裝脫膜的柔性材料，常用的柔性材料有橡膠板、綿綸帶、編制帶和尼龍絲，在本設(shè)計(jì)中脫膜的柔性材料選擇橡膠板，安裝在脫膜葉片外邊緣的1/3處，脫膜及喂入效果較好[24]。

2.5 卸膜裝置

卸膜裝置由卸膜導(dǎo)板油缸、卸膜導(dǎo)板、隨動(dòng)導(dǎo)板、打捆機(jī)升降導(dǎo)軌、打捆機(jī)升降油缸等組成(圖7)，其中隨動(dòng)導(dǎo)板設(shè)在打捆機(jī)前端下方，同時(shí)起導(dǎo)土和輔助卸膜作用。自卸裝置采取先提升再卸膜的方式，當(dāng)成捆室內(nèi)殘膜集滿后，對(duì)打捆機(jī)整體進(jìn)行提升，提升到卸膜高度之后，操縱卸膜液壓油缸，打捆機(jī)打開一定角度的同時(shí)隨動(dòng)導(dǎo)土板被用作輔助卸膜導(dǎo)板，使打成圓捆的殘膜滑動(dòng)到卸膜導(dǎo)板，操縱卸膜導(dǎo)板液壓油缸將卸膜導(dǎo)板提升，殘膜順卸膜導(dǎo)板滑向已作業(yè)地塊，完成卸膜工作。

1.卸膜導(dǎo)板液壓缸；2.卸膜導(dǎo)板；3.打捆機(jī)升降液壓缸；4.打捆機(jī)轉(zhuǎn)輥；5.卸膜液壓缸；6.隨動(dòng)導(dǎo)土板；7.打捆機(jī)升降導(dǎo)軌；8.打捆機(jī)安裝架1.Unloading guide hydraulic cylinder; 2.Unloading guide; 3.Baler lifting hydraulic cylinder; 4.Baler rol; 5.Unloading hydraulic cylinder; 6.Follow-up guide; 7.Baler lifting guide; 8.Baler mounting frame圖7 卸膜裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.7 Structure diagram of film unloading device

3 田間試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)條件

為驗(yàn)證膜面清潔打捆自卸式殘膜回收機(jī)的作業(yè)效果、得到最優(yōu)工作參數(shù)，2019年11月在甘肅省金昌市進(jìn)行田間試驗(yàn)。試驗(yàn)地為玉米根茬地，種植幅寬1 400 mm，每3行為一種植幅寬，每行間距500 mm，土壤緊實(shí)度約為220 kPa，0～50 mm的土壤濕度約為17%，地膜表面玉米秸稈含量約200 g/m2，試驗(yàn)田面積為1 hm2，配套世紀(jì)紅1404拖拉機(jī)，駕駛員技術(shù)嫻熟。

3.2 試驗(yàn)指標(biāo)

依據(jù)GB/T 25412—2010《殘地膜回收機(jī)》[25]，將試驗(yàn)中測(cè)得的殘膜拾凈率和含雜率作為試驗(yàn)指標(biāo)，計(jì)算公式如下。

殘膜拾凈率：

(6)

式中：J為殘膜拾凈率，%；W為作業(yè)后的殘膜質(zhì)量，g；W0為作業(yè)前的殘膜質(zhì)量，g。

殘膜含雜率：

(7)

式中：Z為殘膜含雜率，%；G1為回收殘膜中玉米秸稈的含量，g；G2為未回收殘膜中玉米秸稈的含量，g。

3.3 試驗(yàn)方案

田間試驗(yàn)測(cè)試區(qū)域的長(zhǎng)度大于100 m，寬度可以適應(yīng)機(jī)具在田間往返3個(gè)工作行程。在測(cè)試區(qū)域選取兩批40個(gè)測(cè)試點(diǎn)，第一批測(cè)試點(diǎn)為20個(gè)，作為試驗(yàn)前測(cè)試點(diǎn)，用來(lái)收集作業(yè)前殘膜。第二批20個(gè)測(cè)試點(diǎn)選取在第一批附近但不重疊區(qū)域，作為作業(yè)后的測(cè)試點(diǎn)，用來(lái)收集作業(yè)后殘膜。測(cè)試點(diǎn)在選取時(shí)沿地塊對(duì)角線的1/4～1/8的區(qū)域再加2條對(duì)角線的交點(diǎn)構(gòu)成，然后以1.11、1.39、1.67、1.94 m/s的速度分別進(jìn)行試驗(yàn)。

試驗(yàn)后，將作業(yè)前后測(cè)試點(diǎn)在地表及土壤深度100～150 mm的殘膜取出，作為試驗(yàn)樣本，清洗其表面的塵土晾干后用精密電子天平(精度為0.000 1 g)進(jìn)行稱重，并計(jì)算其平均值，按式(6)計(jì)算殘膜拾凈率；再將作業(yè)前后40個(gè)測(cè)試點(diǎn)所回收殘膜中參雜的玉米秸稈收集作為樣本，按式(7)計(jì)算殘膜含雜率。

3.4 試驗(yàn)結(jié)果

膜面清潔打捆自卸式殘膜回收機(jī)田間試驗(yàn)及膜面清潔效果見(jiàn)圖8，試驗(yàn)過(guò)程中機(jī)具能夠平穩(wěn)運(yùn)行，無(wú)故障現(xiàn)象發(fā)生。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)及式(6)、(7)，可以得到：當(dāng)作業(yè)速度為1.11～1.94 m/s 時(shí)，殘膜的平均拾凈率為91.25%，含雜率為3.77%，當(dāng)作業(yè)速度為1.39 m/s時(shí)，殘膜的拾凈率為92.46%，含雜率為2.15%，此時(shí)為較適宜的作業(yè)速度，可以有效實(shí)現(xiàn)膜土分離、膜雜分離、地膜回收利用效率高，且可以達(dá)到GB/T 25412—2010《殘地膜回收機(jī)》規(guī)定的殘膜拾凈率標(biāo)準(zhǔn)。

圖8 膜面清潔打捆自卸式殘膜回收機(jī)田間試驗(yàn)及膜面清潔效果Fig.8 Field test drawing and cleaning effect drawing of film surface of self unloading film recycling machine

表2 膜面清潔打捆自卸式殘膜回收機(jī)田間試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Field test results of film surface cleaning and bundling selfunloading residual film recovery machine

試驗(yàn)過(guò)程中，當(dāng)機(jī)具作業(yè)速度較高時(shí)，會(huì)出現(xiàn)殘膜漏撿現(xiàn)象，其原因是作業(yè)速度較快時(shí)導(dǎo)致部分邊膜在起膜的過(guò)程中遺漏。此外，在機(jī)具前進(jìn)時(shí)，起膜鏟會(huì)將根茬從中破開，由于玉米根茬較大，使壓在根茬下方的少許殘膜無(wú)法撿拾。

4 結(jié) 論

針對(duì)河西灌區(qū)玉米機(jī)械化收獲作業(yè)后存在的地膜回收難、含雜率高和可利用價(jià)值低等問(wèn)題，本研究設(shè)計(jì)了一種膜面清潔打捆自卸式殘膜回收機(jī)，能夠一次性完成膜面清潔、地膜撿拾與自動(dòng)打捆卸膜作業(yè)，主要結(jié)論如下：

1)對(duì)膜面清潔裝置中滅茬甩刀結(jié)構(gòu)形狀、數(shù)量及在刀軸上的排列方式和秸稈攪龍輸送裝置進(jìn)行了設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)將粉碎的秸稈輸送到已作業(yè)地表；結(jié)合河西灌區(qū)的工況，對(duì)起膜鏟的形狀和入土傾角進(jìn)行了分析，確定了最佳入土傾角α=23°，撿拾喂入裝置中偏心伸縮扒齒長(zhǎng)l=270 mm；根據(jù)河西灌區(qū)殘膜分離特性，對(duì)打捆室和轉(zhuǎn)輥的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，確定打捆室中轉(zhuǎn)輥的數(shù)量為12根，長(zhǎng)度為1 400 mm，直徑為150 mm，殘膜成捆室的直徑為600 mm。

2)田間試驗(yàn)證明，最佳作業(yè)速度為1.39 m/s，在最佳作業(yè)速度下，殘膜拾凈率為92.46%，含雜率為2.15%，可以實(shí)現(xiàn)膜土、膜雜分離，有效解決了秸稈殘留附著在地面上造成的殘膜難以回收及回收后含雜多、可利用價(jià)值低的問(wèn)題。