梁剛，宮玉敏，邵澤亮，李志，劉同聰

(淄博市農(nóng)業(yè)機械研究所, 山東 淄博 255086)

地膜覆蓋栽培技術(shù)具有增溫、保墑、保肥、抑制雜草生長和減輕農(nóng)作物病害的作用，廣泛應(yīng)用于棉花、玉米、蔬菜、烤煙等多種農(nóng)作物種植過程中。隨著地膜覆蓋種植面積擴大和年限累積，越來越多的殘膜積留在農(nóng)田中，不僅造成農(nóng)田和環(huán)境的嚴重污染，還嚴重影響農(nóng)作物的耕種出苗、根系生長和收獲產(chǎn)量[1]。

目前殘膜殘茬的回收主要采用人工撿拾和機械回收兩種方式。人工撿拾殘膜勞動強度大、效率低、成本高[1];機械回收殘膜殘茬可克服人工撿拾的缺點，但現(xiàn)有機具性能單一，只能進行殘膜殘茬簡單混裝，不能實現(xiàn)分離和分裝處理[2-3]。

為此，本文在對殘茬殘膜回收機具及相關(guān)技術(shù)進行調(diào)研的基礎(chǔ)上，設(shè)計一種1CMJF-110型殘膜殘茬分離回收機。

1 總體結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 實現(xiàn)功能

1)入土深度調(diào)節(jié)。該機具能實現(xiàn)≤150 mm范圍內(nèi)入土深度調(diào)節(jié)，滿足玉米、棉花、蔬菜、瓜類、烤煙等農(nóng)作物對不同殘茬清理深度的要求。

2)殘膜殘茬分離回收。該機具具有獨立的殘膜和殘茬分離回收系統(tǒng)，采用前后布局，實現(xiàn)殘膜撿拾在前、殘茬撅起在后，并設(shè)計有各自的輸送機構(gòu)和收集倉，從而實現(xiàn)殘膜殘茬的分離回收功能。

1.2 總體結(jié)構(gòu)

1CMJF-110型殘膜殘茬分離回收機結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.牽引限深機構(gòu)；2.摟膜耙；3.收茬鏟；4.殘茬輸送帶；5.后輪；6.后輪行走動力輸出總成；7.底盤；8.機身高度調(diào)節(jié)絲桿；9.殘茬收集倉；10.殘茬收集倉翻轉(zhuǎn)油缸；11.滾筒篩；12.機架；13.殘膜收集倉；14.殘膜輸送帶；15.殘膜收集倉推拉機構(gòu)；16.茬鏟升降油缸；17.滾筒拾膜器；18.變向減速機。

該機具主要由底盤系統(tǒng)、機身、傳動機構(gòu)、殘膜分離回收系統(tǒng)、殘茬分離回收系統(tǒng)組成。其中，底盤系統(tǒng)由底盤 、牽引限深機構(gòu)、后輪等組成；機身由機架、機身高度調(diào)節(jié)絲桿、茬鏟升降油缸等組成；傳動機構(gòu)由后輪行走動力輸出總成、變向減速機等組成；殘膜分離回收系統(tǒng)由摟膜耙、滾筒拾膜器、殘膜輸送帶、殘膜收集倉、殘膜收集倉推拉裝置等組成；殘茬分離回收系統(tǒng)由除茬鏟、殘茬輸送帶、滾筒篩、殘茬收集倉、殘茬收集倉翻轉(zhuǎn)油缸等組成。

1.3 工作原理

1CMJF-110型殘膜殘茬分離回收機具體工作流程如圖2所示。機具以88.3 kW以上拖拉機為動力，總體采用半懸掛式結(jié)構(gòu)布局，通過圖1中牽引限深機構(gòu)1的兩個牽引銷孔，用插銷與拖拉機的兩個下拉桿鉸接。

圖2 殘膜殘茬分離回收機工作流程圖

作業(yè)前根據(jù)種植作物不同，通過調(diào)節(jié)圖1中的牽引限深機構(gòu)1，改變摟膜耙2和收茬鏟3的入土深度，調(diào)節(jié)完成后，由拖拉機進行拖曳行走作業(yè)。作業(yè)過程中，安裝在機具前端的摟膜耙2首先將地面殘膜挑起并累積在前方，同時后輪5通過后輪行走動力輸出總成6的兩級鏈傳動帶動滾筒拾膜器17旋轉(zhuǎn)。滾筒拾膜器17內(nèi)設(shè)置有可隨筒壁轉(zhuǎn)動的伸縮齒，當伸縮齒轉(zhuǎn)動到與摟膜耙交界處時，外伸至最長鉤起殘膜，隨后鉤起的殘膜輸送到與殘膜輸送帶交界處時，伸縮齒收縮進筒壁內(nèi)，完成脫膜。殘膜輸送帶14上的橡膠板將脫離伸縮齒的殘膜刮起運輸?shù)綒埬な占瘋}13中。在殘膜進行回收的同時，安裝在后方的收茬鏟3進行破土，將土壤中的殘茬掘起，隨著拖拉機的前進，掘起的殘茬、土、部分殘膜通過殘膜輸送帶14運輸?shù)讲煌ＰD(zhuǎn)的滾筒篩11中進行篩選。殘膜輸送帶14和滾筒篩11的動力通過變向減速機18外接拖拉機動力輸出軸輸入。篩選過后的剩余殘膜和殘茬被輸送到殘膜收集倉13中進行集中處理，篩選的土壤直接還田處理。通過上述過程，不需要旋耕破土即可實現(xiàn)殘膜殘茬與土壤的有效分離和回收。

1.4 技術(shù)參數(shù)

1CMJF-110型殘膜殘茬分離回收機的主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 1CMJF-110型殘膜殘茬分離回收機技術(shù)參數(shù)

收茬鏟設(shè)計寬度為1 100 mm，且無相應(yīng)寬度調(diào)整機構(gòu)，為適應(yīng)作業(yè)環(huán)境，作業(yè)地塊壟寬可在800～1 100 mm，因此機具作業(yè)幅寬為800～1 100 mm。根據(jù)GB/T 25412—2010殘地膜回收機中4.2作業(yè)性能指標的要求，表層拾凈率≥80%，深層拾凈率≥70%；入土深度根據(jù)該標準5.2試驗地的要求≤150 mm。

2 主要工作部件的設(shè)計

2.1 牽引限深機構(gòu)

2.1.1 部件結(jié)構(gòu)

牽引限深機構(gòu)由絲桿、鎖緊螺栓、行走輪，調(diào)節(jié)螺母等零件組成，具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。該機構(gòu)通過固定銷軸與底盤連接，通過牽引懸掛銷孔與拖拉機連接。

1.絲桿；2.鎖緊螺栓；3. 牽引懸掛銷孔；4.行走輪；5.軸套；6.調(diào)節(jié)螺母；7.固定銷軸。

2.1.2 入土深度的調(diào)節(jié)

牽引限深機構(gòu)的主要作用是在機身高度確定后，調(diào)節(jié)摟膜齒和收茬鏟入土深度，控制土壤的掘起量，有效掘起殘膜殘茬。具體過程如下：將圖1中茬鏟升降油缸16復(fù)位，機架12貼底盤7，此時機架基本處于水平狀態(tài)，通過調(diào)節(jié)機身高度調(diào)節(jié)絲桿8，改變機身高度。當機身高度調(diào)整完成后，通過調(diào)節(jié)圖3中牽引限深機構(gòu)絲桿上的調(diào)節(jié)螺母6，改變行走輪4相對于摟膜齒齒尖、收茬鏟鏟尖的垂直距離， 從而確定入土深度，實現(xiàn)≤150 mm范圍內(nèi)入土深度的調(diào)節(jié)。入土深度調(diào)節(jié)完成后，擰緊螺栓2和調(diào)節(jié)螺母6。

2.2 后輪行走動力輸出系統(tǒng)

2.2.1 部件結(jié)構(gòu)

1CMJF-110殘膜殘茬分離回收機的后輪行走動力輸出系統(tǒng)主要由后輪動力輸出主動鏈輪、拾膜器主動齒輪等結(jié)構(gòu)組成，如圖4所示。

a)主視圖

2.2.2 滾筒拾膜器拾取轉(zhuǎn)速的確定

1CMJF-110殘膜殘茬分離回收機通過拖拉機進行拖曳行走時，主運動首先通過圖4中與后輪同軸的主動鏈輪7輸出，通過一級傳動鏈5傳遞給從動鏈輪8，從動鏈輪8與鏈輪9同軸轉(zhuǎn)動，然后將運動通過二級傳動鏈4傳遞給二級從動鏈輪11,同時鏈輪11與拾膜器主動齒輪3同軸轉(zhuǎn)動，拾膜器從動齒輪2與主動齒輪3相嚙合，最終將動力傳遞給滾筒拾膜器，實現(xiàn)轉(zhuǎn)動。同時，滾筒拾膜器內(nèi)的伸縮齒隨著筒壁的轉(zhuǎn)動進行周期性的伸縮，從而實現(xiàn)鉤膜、脫膜功能。

由于后輪與后輪動力輸出主動鏈輪7同軸，轉(zhuǎn)速相同，因此后輪動力輸出主動鏈輪7的轉(zhuǎn)速n1可通過式(1)計算,即

(1)

式中：v為拖拉機牽引速度；r為拖拉機后輪半徑。主動鏈輪7與拾膜器從動齒輪2的傳動比i可通過式(2)計算,即

(2)

式中：n6為滾筒拾膜器轉(zhuǎn)速；z1為主動鏈輪7齒數(shù)；z2為一級從動鏈輪8齒數(shù)；z3為二級主動鏈輪9齒數(shù)；z4為二級從動鏈輪11齒數(shù)；z5為拾膜器主動齒輪3齒數(shù)；z6為拾膜器從動齒輪2齒數(shù)。聯(lián)立公式(1)、(2)，可得滾筒拾膜器的轉(zhuǎn)速為

(3)

根據(jù)轉(zhuǎn)速與速度的關(guān)系，可得滾筒拾膜器的拾取速度v1為

(4)

式中r1為滾筒拾膜器的半徑。由于1CMJF-110殘膜殘茬分離回收機的后輪半徑r與滾筒拾膜器的半徑r1相等,所以滾筒拾膜器的拾取速度v1僅與鏈輪齒數(shù)和牽引速度有關(guān)。當各鏈輪齒數(shù)不同，傳動比i>1時，n1>n6

，v>v1，拖拉機走過的路程與摟膜耙挑起的殘膜長度相同，大于拾膜器拾取的長度，導(dǎo)致殘膜在摟膜耙上積累過多；當傳動比i<1時，n1

綜上所述，滾筒拾膜器的拾取轉(zhuǎn)速與拖拉機的牽引速度成正比關(guān)系。在理想狀態(tài)下，通過控制各鏈輪齒數(shù)和牽引速度，可實現(xiàn)后輪轉(zhuǎn)速與拾取轉(zhuǎn)速同步，從而實現(xiàn)殘膜的有效回收。但實際作業(yè)效果需在樣機制作完成后的型式試驗中進行驗證。

3 動力匹配

1CMJF-110殘膜殘茬分離回收機拖拉機牽引力主要用于克服摟膜耙、收茬鏟、牽引限深機構(gòu)行走輪以及后輪受的阻力，受力分析如圖5所示。

圖5 殘膜殘茬分離回收機受力分析圖

取回收機整體為研究對象，根據(jù)平面力系平衡的必要充分條件即力系的主矢和對于任意一點的主矩都等于零，建立圖5所示直角坐標系，列出平衡方程組，即

∑Fx=F1+F2+Pt+Rc-F=0，

(5)

∑Fy=N1+N2-G=0，

(6)

∑MO=N2(L1+L2)-GL1-FL3=0，

(7)

式中：F為拖拉機的牽引力；F1為土壤對后輪的阻力；F2為土壤對行走輪的阻力；Pt為摟膜耙牽引阻力；Rc為收茬鏟牽引阻力；G為回收機的重力；N1為地面對后輪的支持力；N2為地面對行走輪的支持力?；厥諜C的總質(zhì)量約為2 581 kg，因此總重力G=mg=2 581×9.8≈25.294 kN。阻力F1、F2與支持力N1、N2的關(guān)系為

F1=f1N1，

(8)

F2=f2N2，

(9)

式中：f1為土壤對后輪的滾動摩擦系數(shù)；f2為土壤對行走輪的滾動摩擦系數(shù)。

1)摟膜耙牽引阻力Pt的計算[4]。如圖6所示,摟膜耙牽引阻力計算參考鏵氏犁[4-6]的計算公式，即

圖6 摟膜耙分布圖

(10)

式中：Pt為牽引阻力(N)；k為犁耕比阻(N/cm2)；a為耕深(cm)；b為耕幅(cm)；ηt為牽引力利用系數(shù)；n為鏵犁個數(shù)。

1CMJF-110殘膜殘茬分離回收機的樓膜耙個數(shù)n為8，耕幅b為樓膜耙的直徑1.8 cm，耕深a為53 mm(5.3 cm)(如圖7所示)，牽引力利用系數(shù)ηt[4]的一般范圍為0.8～0.95,這里取最大0.95，犁耕比阻取最大值6 N/cm2，則摟膜耙所需牽引阻力為

圖7 摟膜耙最大耕深

2)收茬鏟的牽引阻力Rc的計算。1CMJF-110殘膜殘茬分離回收機的收茬鏟與挖掘鏟的功能等同，其牽引阻力受土壤類型、挖掘深度、鏟的形狀和鏟的傾角等影響很大，收茬鏟的牽引阻力[4]可用式(11)確定,即

Rc=SLρgtan(α+φ)+KS+KpG2，

(11)

式中：α為鏟的傾角(°)；φ為內(nèi)摩擦角(°)；L為鏟的長度(m)；S為土壤沉切面積(m2)；K為犁溝土壤比阻(N/ m2)；ρ為土壤的密度(kg/ m3)；Kp為機器沿壟驅(qū)動的阻力系數(shù)；G2為機器和在鏟上的土壤重力。

根據(jù)研究，挖掘鏟的土壤沉切面積為[7-9]

(12)

式中：b為挖掘鏟(收茬鏟)幅寬(m) ；d為入土深度(m)；β為前失效面傾角(°)，取β=34°[7]。

根據(jù)回收機的技術(shù)參數(shù)，作業(yè)幅寬即為挖掘鏟幅寬，取最大值b=1 100 mm (1.1 m)，最大入土深度d=150 mm (0.15 m), 因此鏟的土壤沉切面積S=1.1×0.15÷sin34°≈0.295m2。

機器和在鏟上的土壤總重力G2與機器總重力G大致相當，取G2=25.294 kN,鏟的設(shè)計長度L=0.6 m(600 mm)，K、Kp取中等結(jié)實土情況下的最大值;φ根據(jù)砂壤土(硬)取26°[10]，鏟的設(shè)計傾角為28°,土壤密度ρ約為1 500 kg/ m3。則收茬鏟(挖掘鏟)的牽引力為

Rc=0.295×0.6×1500×9.8×

tan(26°+28°)+30 000×0.295+

0.17×25.294≈12.436 kN。

3)阻力F1、F2的計算。輪式拖拉機在茬地狀態(tài)下f1一般取值0.08～0.1[4]，此處取最大值0.1，鋼制或鑄鐵輪在割茬地的滾動摩擦系數(shù)f2為0.15[4]。將摟膜耙牽引阻力Pt和收茬鏟的牽引阻力Rc代入式(5)—式(9)，可得F1=0.946 kN、F2=2.375 kN。

綜上所述，可求得拖拉機的牽引力大致為16.239 kN。

4 結(jié)論

1)設(shè)計的農(nóng)田殘膜殘茬分離、回收機具，能夠達到不需要旋耕破土即可實現(xiàn)殘膜殘茬與土壤有效分離和回收的目標。

2)1CMJF-110殘膜殘茬分離回收機通過牽引限深機構(gòu)可實現(xiàn)≤150 mm范圍內(nèi)入土深度的連續(xù)調(diào)節(jié)，適應(yīng)不同茬地需求。

3)1CMJF-110殘膜殘茬分離回收機通過后輪行走動力輸出系統(tǒng)，可實現(xiàn)后輪轉(zhuǎn)速與滾筒拾膜器的拾取轉(zhuǎn)速同步，實現(xiàn)殘膜的有效回收。

4)1CMJF-110殘膜殘茬分離回收機拖拉機牽引力主要用于克服摟膜耙、收茬鏟、牽引限深機構(gòu)行走輪以及輪胎所受的阻力，其值約為16.239 kN。