朱承科，李鋒霞，張佳

(1. 新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)興新職業(yè)技術(shù)學(xué)院，烏魯木齊市，830074； 2. 新疆工程學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，烏魯木齊市，830023)

0 引言

2020年，新疆地區(qū)棉花種植面積約2 502 khm2，占全國棉花種植面積的76%左右[1]，由于新疆地區(qū)大部分氣候干旱，晝夜溫差大，在棉花種植時(shí)，通常使用地膜覆蓋播種，可以有效提高棉花產(chǎn)量。但常年地膜覆蓋如果未能及時(shí)清理，極易造成環(huán)境污染并且破壞土壤性能，影響棉花正常生長。

目前，有效解決新疆地區(qū)棉田殘膜污染主要有兩種方式，一是機(jī)械化回收殘膜，二是采用可降解膜覆蓋種植，可降解膜由于成本較高目前未能推廣使用[2]。機(jī)械化回收殘膜技術(shù)應(yīng)用廣泛，近些年國內(nèi)多家科研院所先后研制多種類型的殘膜回收機(jī)，根據(jù)殘膜回收機(jī)的結(jié)構(gòu)原理不同主要分為氣吸式殘膜回收機(jī)、彈齒式殘膜回收機(jī)、鏈齒式殘膜回收機(jī)、伸縮桿式殘膜回收機(jī)以及多功能聯(lián)合作業(yè)機(jī)等[3]，如寧夏某公司研制的一種氣吸式伸縮齒殘膜回收機(jī)[4]，主要包括起膜裝置、取膜裝置、收膜裝置和動(dòng)力傳動(dòng)裝置，取膜裝置為滾筒式取膜裝置，取膜裝置通過取膜滾筒旋轉(zhuǎn)，將起膜裝置拋出地表的殘膜刮離地面，收膜裝置包括吸風(fēng)機(jī)和收膜箱，吸風(fēng)機(jī)將刮離地面的殘膜吸至收膜箱內(nèi)；山東省農(nóng)業(yè)機(jī)械研究院以及新疆農(nóng)墾科學(xué)院機(jī)械裝備研究所共同研制了一種彈齒式殘膜回收機(jī)并進(jìn)行改進(jìn)[5]，在殘膜回收機(jī)前方增加起膜機(jī)構(gòu)，并改進(jìn)了撿膜機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)，殘膜回收率最高可達(dá)為91.4%；新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)研制了一種鏈齒耙式耕層殘膜回收機(jī)，主要包括起膜鏟、起膜彈齒及鏈齒耙以及行走輪，通過拖拉機(jī)懸掛，完成起膜鏟鏟膜、彈齒挑膜及殘膜輸送作業(yè)，殘膜回收率大于90%；甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)研制出一種伸縮桿式殘膜回收機(jī)[6]，主要包括撿拾機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)以及機(jī)模機(jī)構(gòu)，撿拾機(jī)構(gòu)主要包括傳動(dòng)輪、偏心軸以及伸縮桿等，該殘膜回收機(jī)結(jié)構(gòu)較為簡單，結(jié)構(gòu)可靠；石河子大學(xué)研制出一種4JSM-2000B型殘膜回收機(jī)棉稈粉碎裝置，主要包括撿拾機(jī)構(gòu)、卸膜機(jī)構(gòu)、棉稈粉碎裝置、螺旋輸送機(jī)構(gòu)及機(jī)架，可一次完成棉桿粉碎以及殘膜回收作業(yè)，棉稈粉碎合格率為90.2%，以上類型的殘膜回收機(jī)都可以有效地完成殘膜回收作業(yè)，但目前還存在可靠性不高、含雜率較高的問題，不利于后期的殘膜回收再利用。

針對于現(xiàn)有殘膜回收機(jī)回收殘膜含雜率較高的問題，結(jié)合棉田殘膜回收農(nóng)藝要求，設(shè)計(jì)一種鋸齒滾扎式殘膜回收機(jī)，可一次性完成扎膜、集膜以及土壤平整作業(yè)，可靠性高，含雜率較低，具有一定推廣應(yīng)用前景。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)及性能參數(shù)

鋸齒滾扎式殘膜回收機(jī)主要由驅(qū)動(dòng)耙、鋸齒扎膜機(jī)構(gòu)、脫模機(jī)構(gòu)、鎮(zhèn)壓輥、輔助行走輪、集膜箱、懸掛架以及傳動(dòng)系統(tǒng)組成，整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中驅(qū)動(dòng)耙與懸掛架連接，驅(qū)動(dòng)耙主要由機(jī)架、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)以及若干個(gè)耙齒組成；扎膜機(jī)構(gòu)與脫模機(jī)構(gòu)安裝在驅(qū)動(dòng)耙后方，扎膜機(jī)構(gòu)的動(dòng)力由驅(qū)動(dòng)耙上方的動(dòng)力輸入端提供，鎮(zhèn)壓輥主要由輥筒以及輥筒上的鎮(zhèn)壓齒構(gòu)成，輔助行走輪通過其連接的液壓缸調(diào)節(jié)其升降高度。鋸齒滾扎式殘膜回收機(jī)的作業(yè)參數(shù)如表1所示。

圖1 鋸齒滾扎式殘膜回收機(jī)的結(jié)構(gòu)簡圖 Fig. 1 Structure diagram of the sawtooth rolling type residual film recovery machine1.驅(qū)動(dòng)耙 2.鋸齒扎膜機(jī)構(gòu) 3.脫模機(jī)構(gòu) 4.鎮(zhèn)壓輥

表1 殘膜回收機(jī)作業(yè)參數(shù)Tab. 1 Operating parameters of plastic film recovery machine

1.2 工作原理

該殘膜回收機(jī)由55 kW以上拖拉機(jī)懸掛，殘膜回收機(jī)上的動(dòng)力輸入端與拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸通過聯(lián)軸器連接，殘膜回收作業(yè)時(shí)，殘膜回收機(jī)以一定速度勻速前進(jìn)，驅(qū)動(dòng)耙的耙齒旋轉(zhuǎn)將田中的土塊進(jìn)行破碎，扎膜機(jī)構(gòu)的扎膜盤下方的圓周線速度與拖拉機(jī)前行方向相同，由扎膜盤上的鋸齒將田中100 mm深度內(nèi)的殘膜扎起，脫模機(jī)構(gòu)的脫模盤與扎膜盤轉(zhuǎn)向相反，將殘膜從扎膜盤中的鋸齒上脫離下來進(jìn)入集膜箱，完成殘膜回收作業(yè)。

此外，后方的鎮(zhèn)壓輥將土壤平整，當(dāng)完成田中殘膜回收作業(yè)后，操作拖拉機(jī)將懸掛架升起，同時(shí)控制輔助行走輪連接的液壓缸，將輔助行走輪推起，鎮(zhèn)壓輥懸空，由輔助行走輪支撐行走。由于在鋸齒扎膜機(jī)構(gòu)前方設(shè)置有驅(qū)動(dòng)耙，驅(qū)動(dòng)耙的耙齒將土壤松土破碎，以及將土壤中的殘膜翻轉(zhuǎn)起來，可提高殘膜回收效率，并且降低鋸齒扎膜機(jī)構(gòu)的鋸齒的損傷。

2 主要部件的設(shè)計(jì)與分析

2.1 鋸齒扎膜機(jī)構(gòu)

如圖2所示，鋸齒扎膜機(jī)構(gòu)是影響殘膜回收效果的主要機(jī)構(gòu)，根據(jù)新疆春季田間土壤環(huán)境以及殘膜留存特點(diǎn)，本設(shè)計(jì)采用一種新型的鋸齒扎膜機(jī)構(gòu)，鋸齒扎膜機(jī)構(gòu)主要由扎膜盤、驅(qū)動(dòng)軸以及輥筒組成，輥筒與驅(qū)動(dòng)軸同心安裝，輥筒上軸向等間距安裝多個(gè)扎膜盤，扎膜盤外圓面上圓周等分設(shè)置有多個(gè)鋸齒，通過傳動(dòng)系統(tǒng)將動(dòng)力傳遞給驅(qū)動(dòng)軸端部的鏈輪，從而帶動(dòng)扎膜盤旋轉(zhuǎn)，具有含雜率低的特點(diǎn)。其中，輥筒直徑為150 mm，扎膜盤上圓周等分設(shè)置有24個(gè)鋸齒，鋸齒夾角為20°，鋸齒的齒頂圓直徑為600 mm，鋸齒的齒根圓直徑為350 mm，鋸齒的齒頂和齒根之間的距離為125 mm。

圖2 鋸齒扎膜機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)簡圖

2.1.1 鋸齒扎膜機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析

殘膜回收作業(yè)時(shí)，扎膜盤的下方的圓周線速度與前行方向相同，如圖3所示，殘膜回收機(jī)以勻速v1速度前進(jìn)，前進(jìn)方向?yàn)閤軸正方向，輥筒以角速度ω勻速旋轉(zhuǎn)。

以鋸齒扎膜機(jī)構(gòu)某一鋸齒的頂尖為研究對象，設(shè)鋸齒扎膜機(jī)構(gòu)輥筒的軸心O點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，此時(shí)鋸齒的頂尖初始進(jìn)入土壤點(diǎn)P點(diǎn)，經(jīng)時(shí)間t后，達(dá)到底部P1點(diǎn)，再經(jīng)時(shí)間t后，輥筒的軸心到達(dá)O2點(diǎn)，鋸齒的頂尖到達(dá)出土點(diǎn)P2點(diǎn)，鋸齒頂尖的運(yùn)動(dòng)軌跡為L[7]。

圖3 鋸齒頂尖的運(yùn)動(dòng)軌跡

從圖3可以看出，OP=O1P1=O2P2=R，鋸齒的頂尖從P點(diǎn)到P1的運(yùn)動(dòng)方程

(1)

式中：v1——?dú)埬せ厥諜C(jī)的作業(yè)速度，m/s；

ω——鋸齒扎膜機(jī)構(gòu)角速度，rad/s；

R——鋸齒的頂尖的旋轉(zhuǎn)半徑，m。

由式(1)可得，鋸齒的頂尖的運(yùn)動(dòng)軌跡與回收機(jī)速度v1、鋸齒的頂尖的回轉(zhuǎn)半徑R、以及鋸齒扎膜機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)角速度ω有關(guān)，由式(1)對t求一階、二階倒數(shù)可得出鋸齒的頂尖的速度以及加速度方程。

(2)

(3)

通過式(2)和式(3)可得鋸齒頂尖的線速度v合1以及加速度a合1。

(4)

(5)

同理，可知鋸齒的頂尖從P1點(diǎn)到P2的運(yùn)動(dòng)方程

(6)

同理可計(jì)算出鋸齒的頂尖從P1點(diǎn)到P2的線速度v合2以及加速度a合2。

(7)

(8)

式中：vx、vy——鋸齒的頂尖在X軸、Y軸方向的速度，m/s；

ax、ay——鋸齒的頂尖在X軸、Y軸方向的加速度，m/s2；

v合1、v合2——鋸齒的頂尖在P點(diǎn)到P1以及P1點(diǎn)到P2點(diǎn)的線速度，m/s；

a合1、a合2——鋸齒的頂尖在P點(diǎn)到P1以及P1點(diǎn)到P2點(diǎn)加速度，m/s2。

通過以上對鋸齒扎膜機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析得出鋸齒的頂尖的運(yùn)動(dòng)軌跡方程，確定了鋸齒頂尖從P點(diǎn)到P1以及P1點(diǎn)到P2點(diǎn)線速度v合1、v合2，加速度a合1、a合2，為確定鋸齒扎膜機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)速提供設(shè)計(jì)依據(jù)。

2.1.2 殘膜不漏扎的條件分析

要想鋸齒扎膜機(jī)構(gòu)在工作中將殘膜完全扎撿，一方面要求鋸齒能夠扎到足夠的深度，另一方面，要求相鄰鋸齒中第一個(gè)鋸齒離開土壤之前，第二個(gè)鋸齒進(jìn)入土壤，如圖4所示，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)鋸齒離開土壤B1點(diǎn)，第二個(gè)鋸齒進(jìn)入土壤D1點(diǎn)，即B1點(diǎn)與D1點(diǎn)重合時(shí)，形成連續(xù)扎膜作業(yè)，即臨界公式滿足[8]

C1C2=2Rsinθ

(9)

由圖4可知

C1C2=v1(t2-t1)

(10)

新疆地區(qū)棉田殘膜主要在集中在土壤15 cm深度以內(nèi)，由于驅(qū)動(dòng)耙將20 cm內(nèi)的土壤破碎以及殘膜翻起，殘膜基本集中在土壤深度100 mm以內(nèi)，由圖4可以看出，要想將土壤中的殘膜扎起，須滿足以下條件

2Rsinθ>v1(t2-t1)

(11)

扎膜機(jī)構(gòu)鋸齒從入土至出土?xí)r間為t1，此時(shí)扎膜機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)過角度為2θ，因此，t1=2θ/ω，設(shè)扎膜機(jī)構(gòu)上有z個(gè)鋸齒，相鄰鋸齒間的夾角為2π/z，相鄰鋸齒進(jìn)入土壤的所需時(shí)間為2π/zω，圖4分析可以看出，相鄰鋸齒進(jìn)入土壤的所需時(shí)間即(t2-t1)，將(t2-t1)代入式(11)得

(12)

由圖4分析可知

(13)

整理可得

(14)

式中：t1——某一鋸齒的頂尖從進(jìn)入土壤至出土壤的時(shí)間，s；

t2——相鄰兩鋸齒的頂尖相繼進(jìn)入土壤的時(shí)間，s；

θ——鋸齒從入土至最深處扎膜機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)過的角度，(°)；

H——鋸齒的入土深度，m。

根據(jù)本設(shè)計(jì)扎膜機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)尺寸數(shù)據(jù)，鋸齒回轉(zhuǎn)半徑R=0.6 m，入土深度為H=0.1 m，扎膜盤上鋸齒有24個(gè)，殘膜回收機(jī)的作業(yè)速度v1為5～8 km/h；根據(jù)圖4分析，鋸齒從入土至最深處扎膜機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)過的角度(初始相位角)θ為56.44°，通過式(14)計(jì)算可得ω>5 rad/s，即扎膜機(jī)構(gòu)輥筒的轉(zhuǎn)速n>48 r/min。經(jīng)理論分析以及實(shí)際作業(yè)情況，扎膜機(jī)構(gòu)輥筒轉(zhuǎn)速確定為60 r/min。

圖4 相鄰鋸齒頂尖的運(yùn)動(dòng)分析

此外，殘膜不漏渣的條件還與扎膜機(jī)構(gòu)扎膜盤軸向間距有關(guān)。在棉田當(dāng)中，殘膜成不規(guī)則片狀結(jié)構(gòu)，殘膜的面積大小普遍在30～100 mm2范圍內(nèi)，即扎膜機(jī)構(gòu)扎膜盤軸向間距為不能大于100 mm。理論上分析可得出，扎膜機(jī)構(gòu)扎膜盤軸向間距越小，扎膜效果越好，但扎膜機(jī)構(gòu)扎膜盤軸向間距越小，扎膜機(jī)構(gòu)的可靠性越低且回收殘膜含雜率越高，綜合考慮，扎膜機(jī)構(gòu)扎膜盤軸向間距為40～60 mm為宜。

2.2 脫模機(jī)構(gòu)

脫模機(jī)構(gòu)主要完成對扎膜機(jī)構(gòu)上回收的殘膜進(jìn)行卸膜作業(yè)，將扎膜機(jī)構(gòu)上的殘膜脫下送入集膜箱。脫模機(jī)構(gòu)主要包括傳動(dòng)軸以及圓周等分安裝在傳動(dòng)軸上的4排梳齒，具體結(jié)構(gòu)如圖5所示。其中，傳動(dòng)軸直徑為50 mm，梳齒長度為450 mm，寬度為20 mm，相鄰兩梳齒之間的距離為30 mm。

圖5 脫膜機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

工作時(shí)，脫模機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)向與扎膜機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)向相反，已知鋸齒有24排，要想將鋸齒上的殘膜全部卸下，脫模機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)速應(yīng)大于扎膜機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)速，脫模機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)速與扎膜機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)速之比應(yīng)大于4∶24，根據(jù)試驗(yàn)情況，脫模機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)速為380 r/min；為了進(jìn)一步提升脫模效果，在梳齒端部設(shè)置一定前傾角，更有利于脫模。

3 扎膜機(jī)構(gòu)的試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)于2019年4月在昌吉州瑪納斯縣試驗(yàn)田進(jìn)行，試驗(yàn)田地勢平坦，已進(jìn)行平整作業(yè)。土壤類型為沙壤土，土壤堅(jiān)實(shí)度的均值為2.72 kPa，土壤含水率為19.1%；試驗(yàn)田中地膜為聚乙烯地膜，試驗(yàn)田中殘膜厚度為0.005 mm，殘膜形狀不規(guī)則，殘膜普遍面積大小為30～100 mm2，留存土壤中的時(shí)間至少1年以上。拖拉機(jī)輸出軸轉(zhuǎn)速為540 r/min，試驗(yàn)儀器主要有：米尺，電子秤、轉(zhuǎn)速儀、鐵鍬以及秒表等。

3.2 試驗(yàn)方案

3.2.1 試驗(yàn)指標(biāo)

試驗(yàn)指標(biāo)：殘膜扎取率η。

為了驗(yàn)證滾扎式殘膜回收機(jī)的作業(yè)性能，以殘膜扎取率η為試驗(yàn)指標(biāo)，即扎取后殘膜質(zhì)量與扎取后的殘膜質(zhì)量以及田中未被扎起的質(zhì)量之和的比值[9]。

(15)

式中：M1——集膜箱中殘膜重量，g；

M2——田中未被扎起的殘膜質(zhì)量，g。

3.2.2 試驗(yàn)因素

通過上述對扎膜機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)以及運(yùn)動(dòng)分析，對殘膜扎取率影響較大的主要因素為殘膜回收機(jī)的作業(yè)速度v1、扎膜機(jī)構(gòu)輥筒轉(zhuǎn)速n以及扎膜機(jī)構(gòu)扎膜盤軸向間距l(xiāng)。因此將它們作為試驗(yàn)因素，因素編碼表如表2所示。

表2 扎膜機(jī)構(gòu)試驗(yàn)因素編碼表Tab. 2 Factor code table of film binding mechanism test

3.2.3 試驗(yàn)過程

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 25412—2010《殘膜回收機(jī)》中殘膜回收機(jī)試驗(yàn)方法規(guī)定，對鋸齒滾扎式殘膜回收機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，選取試驗(yàn)田中面積38 m2(寬1.9 m，長20 m)的場地進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)束后，將殘膜回收機(jī)集膜箱中的殘膜取出，洗凈、晾干稱重，用電子秤測出殘膜重量M1，然后人工用鐵鍬將試驗(yàn)田中10 cm左右內(nèi)的土壤翻起，拾取殘膜并將其洗凈、晾干稱重，用電子秤測出殘膜重量M2，通過式(15)可算出殘膜扎取率η。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

為了探究殘膜回收機(jī)殘膜扎取率η，采用正交試驗(yàn)三水平四因素的正交表L9(34)來安排試驗(yàn)[10-11]，試驗(yàn)數(shù)據(jù)為每一種組合重復(fù)3次試驗(yàn)，并求其平均值取值得到，具體試驗(yàn)方案和試驗(yàn)結(jié)果見表3，結(jié)果方差分析見表4。

表3 試驗(yàn)方案和結(jié)果Tab. 3 Test scheme and results

表4 試驗(yàn)結(jié)果方差分析Tab. 4 Variance analysis of orthogonal test

3.3.1 測定值與極差分析

試驗(yàn)過程中樣機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定，具有一定可靠性，扎取率試驗(yàn)結(jié)果表明當(dāng)殘膜回收機(jī)作業(yè)速度為5 km/h、扎膜機(jī)構(gòu)輥筒轉(zhuǎn)速為60 r/min以及扎膜盤軸向間距為50 mm時(shí)，殘膜扎取率為93.3%，滿足殘膜回收機(jī)殘膜回收率(≥80%)的設(shè)計(jì)要求[12]。

扎膜機(jī)構(gòu)扎取率試驗(yàn)結(jié)果以及極差分析如表3所示，影響扎膜機(jī)構(gòu)扎取率的因素為B>C>A，即輥筒轉(zhuǎn)速>扎膜盤軸向間距>回收機(jī)作業(yè)速度，試驗(yàn)結(jié)果其最優(yōu)水平組合為B2A1C2。

3.3.2 方差分析

殘膜扎取率η方差分析如表4所示，在顯著性水平0.1上，F(xiàn)A=2.541F臨，F(xiàn)C=22.737>F臨，所以因素B(輥筒轉(zhuǎn)速)以及因素C(扎膜盤軸向間距)對試驗(yàn)指標(biāo)殘膜扎取率具有顯著性，因素A(殘膜回收機(jī)作業(yè)速度)對試驗(yàn)指標(biāo)殘膜扎取率沒有顯著性，通過分析可以看出，各因素對殘膜扎取率的影響與極差分析結(jié)果一致。

4 結(jié)論

1) 設(shè)計(jì)一種可依次完成松土、扎膜、集膜以及土壤平整作業(yè)的鋸齒滾扎式殘膜回收機(jī)，介紹鋸齒滾扎式殘膜回收機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)：配套動(dòng)力為55 kW、作業(yè)幅寬為1 900 mm以及收膜深度為100 mm，建立殘膜回收機(jī)的三維模型，確定扎膜機(jī)構(gòu)以及脫模機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)參數(shù)。

2) 介紹殘膜回收機(jī)關(guān)鍵部件扎膜機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)，并對扎膜機(jī)構(gòu)的鋸齒進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析，得到鋸齒頂尖的運(yùn)動(dòng)方程，進(jìn)一步確定扎膜機(jī)構(gòu)不漏扎的條件為：扎膜機(jī)構(gòu)輥筒轉(zhuǎn)速不小于60 r/min。

3) 對鋸齒滾扎式殘膜回收機(jī)進(jìn)行樣機(jī)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，影響殘膜扎取率的因素為因素B(輥筒轉(zhuǎn)速)>因素C(扎膜盤軸向間距)>因素A(殘膜回收機(jī)作業(yè)速度)，其最優(yōu)水平組合為輥筒轉(zhuǎn)速為60 r/min、扎膜盤軸向間距為50 mm、殘膜回收機(jī)作業(yè)速度為5 km/h，試驗(yàn)結(jié)果中，最高殘膜回收率為93.3%，滿足殘膜回收機(jī)殘膜回收率(≥80%)的設(shè)計(jì)要求。