李肖婷

（山西省農(nóng)業(yè)機(jī)械發(fā)展中心，山西 太原 030002）

農(nóng)田殘膜對(duì)土地的污染是當(dāng)前農(nóng)村環(huán)境保護(hù)的難題。當(dāng)前山西省北部地區(qū)旱作農(nóng)業(yè)生產(chǎn)面臨的問(wèn)題就是地膜不用不行，用了又清除不出去，回收不回來(lái)。為提高耕地安全利用率，研究一種可靠的殘膜回收清除技術(shù)及配套裝備，對(duì)地表及淺耕層殘膜進(jìn)行大面積回收清除，對(duì)恢復(fù)土壤的性能，保證農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

通過(guò)大量調(diào)研地膜種植情況，市場(chǎng)急需適合本地大田地膜種植作物收獲后的殘膜清除機(jī)具。2018 年承擔(dān)了省科技攻關(guān)項(xiàng)目，CMQ-3 殘膜清除機(jī)研制成功，實(shí)現(xiàn)了松土起膜、摟膜、集膜、卸膜等工序的作業(yè)，為技術(shù)研發(fā)人員提供參考借鑒。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

CMQ-3殘膜清除機(jī)主要由懸掛架、主梁、翼型鏟、仿行機(jī)構(gòu)、鎮(zhèn)壓輥等組成，見(jiàn)圖1。

圖1 仿形機(jī)構(gòu)示意圖Fig.1 The schematic diagram of profiling mechanism

1.2 工作原理

整機(jī)以懸掛架和縱梁為牽引，仿形架和浮動(dòng)架全部靠縱梁支撐拖動(dòng)，前后有限深裝置、起膜裝置、碎土裝置，整機(jī)分左右2 個(gè)部分。主要依靠定制彈性耙齒松土、收集并清除殘膜，可將收集的殘膜落在地頭以方便進(jìn)行集中回收處理。

1.3 主要技術(shù)參數(shù)

按照國(guó)家回收標(biāo)準(zhǔn)的要求，本機(jī)主要參數(shù)，見(jiàn)表1。

表1 CMQ-3主要技術(shù)參數(shù)Tab.1 The main technical parameters of CMQ-3

2 主要部件的理論分析及參數(shù)確定

2.1 仿形機(jī)構(gòu)的理論分析及參數(shù)確定

仿形機(jī)構(gòu)是田間作業(yè)機(jī)具的重要工作部件，可以充分保證作業(yè)深度的一致性。CMQ-3 型殘膜清除機(jī)采用了扇形板微調(diào)功能，在作業(yè)過(guò)程中，面對(duì)的殘茬地不同作業(yè)深度也不一樣，特別是在平作地和起壟地區(qū)別較大。這就要求作業(yè)深度調(diào)整方便簡(jiǎn)單，而且調(diào)整間隔量越小越好，本機(jī)采用四連桿扇形板機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)作業(yè)深度，可以定量調(diào)節(jié)到1 cm。

扇形板有2排大小相等的孔，兩排交錯(cuò)排列，垂直方向等間距1cm，孔的直徑為16 mm，CD 是主框架作為固定架部分，鉸接點(diǎn)是D 和C 點(diǎn)，ABCD 構(gòu)成平行四連桿機(jī)，因?yàn)槊空{(diào)節(jié)1個(gè)相鄰孔（一里一外）則A 點(diǎn)在垂直方向移動(dòng)1 cm，則AB 平行移動(dòng)1 cm，工作部件固定在AB 上，作業(yè)深度可以做到1 cm微調(diào)，見(jiàn)圖2。

圖2 四連桿扇形板結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 The structural diagram of four link sector plate

2.2 摟膜齒的理論分析及參數(shù)的確定

2.2.1 摟膜齒的設(shè)計(jì)

摟膜齒是CMQ-3 農(nóng)田殘膜清除機(jī)的關(guān)鍵工作部件，直接影響整機(jī)的工作性能及可靠性。設(shè)計(jì)要求在殘茬地和土壤堅(jiān)實(shí)度較高的地塊，有很好的入土效果；有適當(dāng)?shù)膶挾?，不能太光滑，能掛膜，掛膜性能好；材料?qiáng)度高，彈性好，適宜復(fù)雜土壤阻力的變化；有一定容量的空間，所摟膜茬存留空間要滿(mǎn)足地塊長(zhǎng)度，見(jiàn)圖3。

圖3 摟膜齒鏟圖Fig.3 The film raking tooth shovel

摟膜齒能否入土，入土是否迅速，是涉及到整機(jī)能否正常工作和生產(chǎn)效率高低的問(wèn)題。清除殘膜的程序是在作物收獲之后，此時(shí)農(nóng)田地表相對(duì)堅(jiān)實(shí)，試驗(yàn)地忻府區(qū)種植的辣椒地土壤堅(jiān)實(shí)度為110 kPa，所以摟膜齒的入土性能必須優(yōu)良。實(shí)踐證明，入土性能除了受土壤條件影響外，還有機(jī)具本身的原因。

2.2.2 摟膜齒工作原理

由于受條件的限制土壤往往不能選擇，從機(jī)具的入土過(guò)程、入土角、入土能力3個(gè)角度分析摟膜齒的入土性能。

入土過(guò)程：通過(guò)機(jī)具的下落由于自重產(chǎn)生，下落結(jié)束后摟膜齒開(kāi)始入土破土。本機(jī)共設(shè)計(jì)4 排摟膜齒，第一排先入土，二、三、四排依次入土。在入土的過(guò)程中摟膜齒略呈前傾，再呈水平狀態(tài)，入土過(guò)程結(jié)束。同時(shí)用高度調(diào)節(jié)法控制作業(yè)深度，限深輪（仿形輥）落地起限深作用。

入土角：本機(jī)把三點(diǎn)懸掛機(jī)構(gòu)在縱向垂直面內(nèi)的瞬心π1設(shè)計(jì)在工作部件的前方，這樣摟膜齒開(kāi)始入土?xí)r就有一定的入土角γ，它隨著摟膜齒的入土逐漸變小，達(dá)到穩(wěn)定作業(yè)深度時(shí)，為設(shè)計(jì)入土角。理論上，γ 值增大有利于入土，因此設(shè)計(jì)時(shí)增加隙角ε。實(shí)際入土角γs=γ+ε。

入土能力：由于過(guò)多地增加入土角和隙角，對(duì)提高入土的性能起的作用并不大，主要還是取決于機(jī)具上各種作用力的綜合效果。摟膜齒的入土運(yùn)動(dòng)主要在縱向垂直面，所以要分析此平面內(nèi)的各種力和入土的關(guān)系。

圖4 摟膜齒入土示意圖Fig.4 The schematic diagram of film raking teeth in soil

R和通過(guò)瞬心π1的上方，形成順時(shí)針力矩R和l，即入土力矩。這是定性分析，定量表達(dá)必須把入土力矩轉(zhuǎn)化成等效力P。根據(jù)P對(duì)瞬心π1的力矩和入土力矩等效得Pm=R和l。

綜上所述，入土角和入土能力2個(gè)條件都要具備，而且配合得當(dāng)，才有良好的入土性能。

掛膜性能從兩方面考慮，一個(gè)是摟膜齒截面形狀，一個(gè)是表面光滑度。從試驗(yàn)來(lái)看，用直徑14 mm 表面光滑的圓鋼做摟膜齒，田間試驗(yàn)結(jié)果是排列齒間間隔100 mm 不掛殘膜，排列齒間間隔65～70 mm 壅土嚴(yán)重。改用摟膜齒后，在試驗(yàn)的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)單個(gè)摟膜齒也可以?huà)斐鰵埬?，但由于摟膜齒的齒柄和齒刀兩部分接觸有間隙，所以入土部分橫截面不是圓形，表面不是光滑的，所掛殘膜殘茬相互纏繞，形成較好的摟膜效果。試驗(yàn)表明細(xì)、圓、光滑的材料形狀掛膜效果很差。

2.2.3 摟膜齒排列

摟膜組架由浮動(dòng)框架和摟膜齒組成。摟膜齒在矩形管上用螺栓固定，可以移動(dòng)以便于調(diào)整齒間距。在排列摟膜齒時(shí)，應(yīng)滿(mǎn)足條件：左右排列盡量對(duì)稱(chēng)均勻，使整個(gè)工作部件受力平衡。本機(jī)是由兩組單組組成，相鄰單組間摟膜齒在繞縱梁轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)不會(huì)撞擊。

在經(jīng)過(guò)多次的排列摟膜齒試驗(yàn)結(jié)果表明：摟膜齒的排列方式對(duì)摟膜效果有著非常大的影響。本機(jī)中前后共四排摟膜齒，每排所起的作用和功能都是不相同的。前三排的摟膜齒在摟膜時(shí)有一定的松土作用，都為最后一排密摟提供必要的條件。松土?xí)r應(yīng)滿(mǎn)足不漏松，也不能因密排而壅土。在調(diào)節(jié)摟膜齒前后、左右之間的距離應(yīng)根據(jù)摟膜齒工作時(shí)產(chǎn)生的土壤變形影響區(qū)確定。前面是與摟膜齒法線成角的平面，兩側(cè)是與摟膜齒幅寬所限定的垂直面成β角度的平面，見(jiàn)圖5。

圖5 單個(gè)摟膜齒產(chǎn)生土壤變形影響區(qū)示意圖Fig.5 The schematic diagram of soil deformation affected area caused by single film holding tooth

由此得

式中，K——變形區(qū)的寬度；k0——摟膜齒工作幅寬；s——摟膜齒作業(yè)深度；β——兩側(cè)破裂面夾角；α——摟膜齒入土角。

由式（1）可知，變形區(qū)域的寬度與土壤類(lèi)型、作業(yè)深度、及摟膜齒入土角有關(guān)。

摟膜齒前面影響范圍L有下式確定

式中，l——摟膜齒伸出的長(zhǎng)度；L——摟膜齒前面影響的范圍。

圖6 摟膜齒橫向排列松土范圍示意圖Fig.6 The schematic diagram of loosening range of film raking teeth in transverse arrangement

由此得出摟膜齒橫向排列松土不漏的條件

式中，B——前三排兩齒之間中心線的距離。

經(jīng)過(guò)分析計(jì)算后可得：第一排的主要起摟膜、摟地面大殘茬根莖、松土的作用。每2 個(gè)摟膜齒之間的中心距31 cm為宜，減掉齒寬距離4.5 cm 得到齒間距離為26.5 cm；第二排的主要作用為摟膜、松土。在安裝時(shí)需要與第一排交錯(cuò)，摟膜齒間中心距還是以31 cm 為宜，減去齒寬距離4.5 cm 得齒間距離為26.5 cm；第三排的作用也是摟膜、松土。安裝時(shí)位置要與第一、二排交錯(cuò)，摟膜齒之間中心31 cm 為宜，減去齒寬距離4.5 cm 得齒間距離為26.5 cm；最后一排的摟膜齒作用為梳摟殘膜殘茬，齒距離密度越大效果越好，過(guò)密造成壅土嚴(yán)重，摟膜齒間中心距18 cm 為宜，減去齒寬距離4.5 cm 得齒之間距離13.5 cm。作業(yè)深度6～12cm，作業(yè)速度7.5～8.5 km/h。第二、三排不能合并成一排是因?yàn)槊芘袍胀痢?/p>

3 試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

3.1 試驗(yàn)條件

在忻州市忻府區(qū)安邑村省農(nóng)科研種子研究所試驗(yàn)基地進(jìn)行，對(duì)CMQ-3 殘膜清除機(jī)進(jìn)行了田間生產(chǎn)性試驗(yàn)和可靠性試驗(yàn)，殘茬為覆膜辣椒地和甘藍(lán)地，共進(jìn)行了26.67 hm2強(qiáng)度考核試驗(yàn)，并進(jìn)行了殘膜回收指標(biāo)測(cè)試，測(cè)得作業(yè)后殘膜清除率見(jiàn)表2。

表2 作業(yè)后殘膜清除率Tab.2 The clearance rate of residual film after operation

3.2 性能試驗(yàn)結(jié)論

該CMQ-3 殘膜清除機(jī)用John deer 1204 約翰迪爾拖拉機(jī)進(jìn)行了試驗(yàn)，機(jī)具入土穩(wěn)定后作業(yè)，下拉桿與水平成5°夾角，基本水平扇形板定位在外排第3 孔作業(yè)深度12cm，實(shí)測(cè)作業(yè)速度9.3 km/h。

3.3 結(jié)論

該機(jī)具有前后、左右4個(gè)方向的仿形能力，能夠?qū)崿F(xiàn)全方位地面仿形。在結(jié)構(gòu)原理上，利用前整平限位輥與后鎮(zhèn)壓輥輪的配合，完成了前后地面仿形。有效解決寬幅作業(yè)機(jī)組地面凹凹不平問(wèn)題。

利用平面四桿機(jī)構(gòu)原理，將仿形架與浮動(dòng)架之間的連架桿設(shè)計(jì)成扇形板形式，實(shí)現(xiàn)了單體耕深獨(dú)立調(diào)整，調(diào)整精度精確到厘米級(jí)別。