夹持输送式残膜回收机切膜装置的设计及试验*

蔡 贺，毕新胜*，王志欢，张新超

（石河子大学机械电气工程学院，新疆 石河子 832000）

夹持输送式残膜回收机切膜装置的设计及试验*

蔡 贺，毕新胜*，王志欢，张新超

（石河子大学机械电气工程学院，新疆 石河子 832000）

由于我国普遍使用超薄地膜，薄膜滞留地里时间相对较长，且薄膜具有膜轻、柔软、易粘附等特点，造成地膜极难回收彻底。对于边膜以及植株根系附近的薄膜来说，覆于其上的土壤经紫外线辐射以及风化出现板结现象，往往导致边膜滞留土壤中。在复杂的工作环境中为提高切膜、碎土、起膜的可靠性，本文通过设计一个切膜圆盘装置，以达到破碎板结土壤，将表面膜以及土壤内部膜切断，并将薄膜带出土壤表面从而进行回收。通过对切膜碎土圆盘的设计，并对圆盘的切膜碎土运动进行研究，确定其最优工作性能参数。通过田间试验可知，该机具在工作速度5.5 km/h、夹指入土角度40°、机具前进速度与切膜圆盘线速度之比为2时，薄膜切断率达96%，同时薄膜回收率达90%，可以满足残膜回收的基本要求。研究成果对开发新的残膜回收机有一定的帮助作用。

残膜；回收；农业机械；切膜圆盘；结构设计；工作分析

目前中国是地膜覆盖使用大国，地膜覆盖面积和使用量均居世界第一。干旱严重制约着北方粮食增产，因为地膜覆盖具有保墒、保水、保肥、减少作物病害及抑制杂草等优点，是农业生产取得高产、稳产的重要措施之一[1-2]，因此获得了国家的重点扶持。据统计，全国地膜覆盖面积已超过2 500万hm2，每年新增残膜高达18 kg/hm2，新疆农田作物种植全部采用地膜覆盖技术，仅棉花生产每年新增残膜约10万t，还不包括玉米、甜菜等作物种植产生的残膜。滞留在农田里的残膜若不能及时回收，将会破坏土壤结构，造成水分养分运输不畅，形成严重的白色污染。

为解决残膜回收问题，国内已研发出各种类型的残膜回收机具，其中秋后收膜作业设备约占总数量的80%左右。此类设备作业工序主要包括切膜、捡膜、脱膜、卸膜等作业[3-5]。由于我国普遍使用超薄地膜，薄膜滞留地里时间相对较长，且薄膜具有膜轻、柔软、易粘附等特点，造成地膜极难回收彻底。对于边膜以及植株根系的薄膜来说，覆于其上的土壤经紫外线辐射以及风化出现板结成块现象，导致切膜时边膜在土壤内部未被切断，从而影响残膜回收。切膜碎土环节的设计研发已成为残膜回收机研发中的一个关键性环节。

农作物收获后薄膜成片附着在地表面，且具有一定的强度，是薄膜回收的最佳时期[6-7]。针对这时期的残膜回收问题，本文通过研究残膜回收机切膜碎土装置、分析探讨切膜碎土机理，提出了一种新型夹持输送式残膜回收机切膜碎土装置。该装置将成片的薄膜切成条状，然后进行夹持回收，本机构具有结构简单、可靠性高、残膜回收率高、含杂率低等优点。对于开发新型残膜回收机、提高残膜回收率、减少白色污染具有重要的现实意义[8-9]。

1 夹持式残膜回收机切膜碎土装置的结构与工作原理

1.1 结构

图1 夹持输送式残膜回收机切膜装置结构示意图

针对现有残膜回收机切膜工作过程存在的缺陷，研发了一种新型夹持式残膜回收机切膜碎土装置。该装置主要由切膜碎土装置、仿行装置和传动系统组成，切膜碎土装置由切膜圆盘、碎土齿和限深轮组成，仿行装置由弹簧和连接杆组成，传动系统由收膜链、收膜夹指、张紧机构、上链轮和下链轮组成，其结构示意图如图1所示。

1.2 工作原理

夹持式残膜回收机工作过程如下：拖拉机牵引夹持式残膜回收机顺着膜行前进，地轮通过传动系统带动切膜碎土装置运动，切膜碎土圆盘将土壤疏松，并将埋在土壤内部的薄膜切成带状，以便枝叶和土块等杂物在残膜夹起输送过程中掉落，以达到清洁残膜的目的。行走轮通过传动系统同时带动夹指输送链运动，夹指输送链运动线速度小于机具前行速度，下链轮与土壤接触。当夹指随夹指输送链转过下链轮底部时，在下链轮节圆曲线的作用下夹指依次张开、入土，并在疏松后的土壤中滑行，被切割后的残膜被挂在夹指上，随着夹指输送链的运动，夹指加紧残膜在输送链向上移动并离开土层；当夹指转过上链轮顶端时，夹指离开输送链再次张开，残膜在地心引力和脱膜装置的脱膜作用下落入收膜箱，从而实现残膜回收。

2 切膜圆盘的设计

图2 切膜圆盘装置示意图

薄膜伴随农作物一个生长周期的历程，薄膜表面的土壤往往会出现板结成块等现象。在残膜回收机具下地进行切膜碎土时，大部分的边膜在土壤内部都难以切断回收，即便后期通过人工捡拾清理田间残膜，也会因为其上方的板结土壤难以回收[10]。边膜以及板结土壤的存在给地膜的切断回收带来极大的不便。如果能实现板结土壤的破碎以及边膜的切断回收，那么就可以大幅度提高残膜回收机具的工作可靠性。考虑到农田复杂的工作环境以及土壤和地膜的物理特性，为提高残膜的切断率以及使板结的土壤破碎，将切膜碎土装置设计成带刃圆盘并附有碎土齿，增大了碎土力以及切割力。其结构示意图如图2所示。

3 圆盘碎土切膜的受力模型分析

根据理论力学分析，圆盘装置碎土切膜运动过程中与土壤之间的应力包括表面正应力和剪应力，而对于切膜圆盘的刃角以及碎土齿，可以将切膜碎土圆盘看成一个完整的圆盘形结构，从而可以将圆盘刃角两边的表面正应力和剪应力看成一个合力q，图3为切膜碎土圆盘过程中的受力情况（其中h为入土深度）；仅对土壤的碎土过程进行具体受力分析。

图3 切膜圆盘碎土切膜受力模型

在切膜碎土工作过程中，需要做如下假设，以提供可靠的理论依据[11-12]：（1）在切膜碎土运动过程中，切膜碎土圆盘不会出现形变；（2）土壤的结构和物理特性保持恒定不变；（3）切膜碎土圆盘运动过程中，保持匀速运动；（4）表面正应σ力均匀分布于切膜碎土圆盘表面上；（5）表面剪应力τ方向与切膜碎土圆盘运动矢量方向相反；（6）阻应力均匀分布于在切膜碎土圆盘刃口处，的方向与刃口上任意一点的速度矢量方向相反；（7）忽略切膜碎土圆盘相对于土壤产生的偏移，即λ=ω=1（切膜碎土圆盘相对土壤无偏移）。

基于上述假设，将切膜碎土圆盘切膜破碎土壤过程中的受力情况写成：

实际过程中，主要关心的还是合力，因此可以将上式简写如下：

式中，

各个力代表的物理意义分别为[13-14]：为破土正压力，这个力会导致土壤产生偏移，同时也能够克服偏移的土壤与未偏移的土壤之间的界面阻力；为土壤与切膜碎土圆盘之间的相对运动所产生的剪应力，它是生成切膜碎土圆盘滚动阻力的主要原因；为圆盘刃口楔入土壤的入土阻力。

在切膜碎土圆盘的运动过程中，土壤产生偏移可以将其看作是偏移土壤与圆盘之间产生的一次非弹性碰撞。而根据力学原理可知：假设质量为，初速度为0的一个物体，当它受到另一个物体的非弹性碰撞后，其速度变成，此时该物体受到的冲量为：

界面阻力的大小与偏移土壤的质量、浅层土壤的内摩擦角以及土壤之间的干湿度有关，通过试验可以测得，浅层土壤的内摩擦角为Φ2，则与正压力有关的分量界面阻力可用2表示：

从而可以得出其正压力：

剪应力T由摩擦力和附着力的合成，根据库伦定律可以计算得：

综上所述，可以得出圆盘在碎土切膜的运动过程中的受力为：

4 田间性能试验

4.1 试验条件

夹持式残膜回收机于2016年10月在第八师石河子市一四六团棉花收获后且滴灌带已回收的田地进行试验。棉田采用宽窄行密植种植模式（660 mm+100 mm），土壤表面较平整，土壤含水率为15%，地膜宽约为1.80 m，地膜厚度0.01 mm，两边覆土厚度为25～35 mm，地膜中间位置和作物根茬附近有土壤覆盖，地膜保存较完整，机具牵引动力由福田雷沃M800-D拖拉机提供。由于田间复杂地理环境以及考虑到残膜回收效率的问题，机组作业速度定为5.5 km/h，试验场景如图4所示。

图4 切割后的带状残膜

4.2 试验方法

综合考虑田间试验实际情况以及机具本身等情况，选取2个主要参数包括残膜切断率和残膜回收率进行现场测试。在田间随机选取5个试验区间进行测试，每个试验区间长度为50.0 m，宽度为1.8 m，在每个试验区间随机选取5个位置点作为检测点，每个检测点长度为5 m，将各检测位置点回收的残膜洗净晾干后，检测其切断程度以及称其质量，计算平均值2作为该片段的试验结果，各检测点当年所铺地膜质量=72.69 g。

残膜回收率可由下式得出

4.3 试验结果

表1 收膜以及切膜性能指标测试

经过田间试验测试，夹持式残膜回收机切膜以及收膜性能指标测试如表1所示。由于土壤具有一定的湿度，残膜上粘附的泥土和水分的质量往往大于残膜的质量，造成残膜的含杂率不便统计，这里只给出残膜切断率以及回收率。经试验结果计算可知，夹持式残膜回收机平均残膜回收率达到90.5%，膜切断率达到96.0%，由图4b可以看出，收起的残膜都是被切断成带状的，并且收起的残膜含杂量相对较少。

5 结论

（1）切膜碎土圆盘的线速度小于机具工作速度，在切膜碎土前行过程中切膜圆盘相对地面有一定的偏移，这对被埋入土的残膜和板结成块的土壤有一定的疏松作用；（2）薄膜在切膜圆盘的切割作用下被切成带状后，单个夹指链回收与其相对应的一个残膜带，其宽度一定，收膜可靠性高；（3）夹持式残膜回收机可有效切割清理板结土壤内部以及根茬附近的残膜，提高了残膜回收率。该机具操作简单，工作可靠，符合实际生产需求。

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2016-10-18

国家自然科学基金资助项目，项目编号：51465050。

*通讯作者：毕新胜（1971-），男，河南镇平县人，教授，硕导，研究方向为现代农业机械设计及理论。E-mail：bxs_mac@shzu.edu.cn。