梳齿式自动仿形残膜捡拾机的设计及性能试验

王浦舟，吴雪梅，张富贵，黄化刚，喻丽华，聂尧

1 贵州大学，机械工程学院，贵阳，550025；2 贵州省烟草公司，毕节市公司，毕节，551700

烟草设备

梳齿式自动仿形残膜捡拾机的设计及性能试验

王浦舟1，吴雪梅1，张富贵1，黄化刚2，喻丽华1，聂尧1

1 贵州大学，机械工程学院，贵阳，550025；2 贵州省烟草公司，毕节市公司，毕节，551700

为使设计的残膜捡拾机适合山区垄作烟地、能实现自动仿形并有较高的捡拾性能。设计了分段自动仿形的梳齿安装架，分析得到弹齿的最佳入土角范围为15°～45°。利用正交试验方法，以梳齿间距（横向A、纵向B）及机具行进速度（C）为研究对象，分析各因素对收膜率及积土量的影响。试验结果表明在无垄地机具的最佳结构为横向齿间距（90 mm、70 mm和50 mm），纵向齿间距440 mm，机具在低速（3.5 km/h）状态下积土量较小，在高速（7.5 km/h）状态下捡拾率提高。在有垄地的最佳结构为横向齿间距（180 mm、140 mm和50 mm），纵向齿间距为440 mm，机具在高速（7.5 km/h）状态下积土量较小，在低速（3.5 km/h）状态下捡拾率提高。

残膜捡拾机；仿形；正交试验

山区烟叶种植经常采用地膜栽培技术，地膜栽培能起到保温、除草等作用，从而提高烟叶的产量和质量[1]。但是该技术的推广和应用在给烟农带来实际效益的同时，也产生了一定的污染问题[2]。目前，国内地膜捡拾一般可分为人工捡拾和机械捡拾两种。人工拾膜的劳动强度大，捡拾效率低。机械捡拾可以减轻劳动强度，提高烟叶的种植效率[3-4]。

由于贵州山区植烟地的复杂性，地膜在苗期捡拾不完全，导致的残留地膜需在秋后进行二次捡拾。二次收膜存在烟杆残留、土壤积压和残膜较碎的问题[5]。且烟叶收获后，烟地受到风化，垄形被破坏，按照种植标准设计的仿形机构无法高效捡拾残膜。目前常用的CM22.6残膜回收机、1FMJ2850型残膜回收机，以及4TSM24型悬挂式收膜机，经测试均不适用于贵州山区秋后地膜的回收[6-7]。为此，本文提出了利用松土起膜装置作用于垄底，利用自动仿形弹齿机构进行仿形拾膜作业的机具，实现山区垄作烟地的有效拾膜。

1 整体机型设计及工作原理

1.1 整体机型设计

设计的烟田残膜捡拾机具主要由机架、拾膜总成及卸膜总成3部分组成。其中，拾膜总成采用自动仿形设计，能够根据地形自动适应起伏的垄面，实现自动仿形；卸膜总成使用拖拉机自带液压装置作为输入，采用双通液压缸实现卸膜装置竖直方向的双向运动。机具总长度1.56 m，机具总宽2.17 m，其中工作幅宽为2 m。结构示意图如图1所示：

图1 梳齿式自动仿形残膜捡拾机结构示意图Fig.1 Sketch diagram of comb-type automatic pro fi ling plastic fi lm residue collector

1.2 样机工作原理

样机与通过三点悬挂挂在拖拉机后端，卸膜油缸通过液压管与拖拉机的液压系统连接。机具安好后调整拖拉机的位置，使机具正对烟垄在拖拉机牵引下沿覆膜方向前进。松土起膜刀深入垄底土层5 cm～10 cm，可以将垄底压膜土壤翻松，同时将土块下方的地膜翻到地表，还能捡拾部分大块残膜，翻出的地膜由机架两侧的长收膜齿进行收集。垄顶由机架中间的收膜齿收集，其余工位由安装的短齿收集。梳齿组通过弹簧式升降仿形构件自动调整位置，弹簧式升降仿形构件通过地面起伏产生的作用力被动实现对地面的自动仿形。三排梳齿交叉安装，前排漏检的残膜会被后排梳齿继续拾起。当机具完成一垄烟田的作业时，或收膜量达到梳齿承载量时停止收膜，通过拖拉机液压装置，提升机具并通过卸膜油缸驱动卸膜机构进行卸膜操作。

2 仿形分析及部件设计

2.1 机具仿垄形分析

目前贵州省烟叶种植一般的农艺流程是先起垄后覆膜，贵州烟叶种植的烟叶种植标准是一垄双行，标准垄形如图2所示：

图2 标准垄形示意图[7]Fig.2 Sketch diagram of standard ridge shape

受到自然和人力的影响，垄形会发生一定的变化。通过烟地的实地调研和观察，风化变形后的垄形及相关尺寸如图3所示：

2.2 仿形部件设计

为了使机具收膜梳齿能适应变化的垄形以实现仿形工作[8-9]，设计了一种弹簧式升降仿形构件，其结构示意图如图4所示：

图3 风化后的垄形及覆膜情况示意图Fig.3 Sketch diagram of the ridge shape after air-slake and the situation of mulch-covering

图4 弹簧式升降仿形机构示意图Fig.4 Sketch diagram of spring type lifting pro fi ling mechanism

弹簧式升降仿形构件的宽度为280 mm，可根据垄面高度分别安装长、短两种梳齿。梳齿通过定位销固定在机架上，定位销与机架的安装孔限制了弹齿的位置，使其固定在机架上。基于2.1的垄形分析，为适应垄形变化，将7节该构件安装在机架上。安装后各段弹簧式升降仿形构件可在对应的工作位置，根据垄面高低自动调整压缩弹簧，实现竖直方向的自适应仿形；弹齿本身螺旋结构在土垡的作用下产生弹性变形，弹齿在机具前进的反方向产生的变形量，实现了水平方向的自动仿形。如图5所示是该机具在一垄双行烟地上的工作效果。

图5 一垄双行的仿形效果示意图Fig.5 Sketch diagram of the pro fi ling effect of one ridge with double lines

2.3 拾膜梳齿设计

本文使用的拾膜梳齿为较普遍的弹齿，齿尖接触地面，通过拖拉机带动前进。土垡和残膜在后续土块的推动下沿着梳齿的直线段向上滑动；当运动到圆弧段时，质量较轻的残膜留在该段，质量较大土垡在重力的作用下掉落到地面。为了分析能使残膜顺利挂在梳齿且土垡自动掉落的入土条件，假设梳齿直段有一质点，该质点的受力情况如图6所示（残膜用下标C表示，土垡用下标T表示）。

图6 梳齿工作部位受力分析Fig.6 Force analysis of function parts in comb

地膜能向上运动的条件是：

土垡在重力的作用下掉落的条件是：

式中，N是弹齿对质点的支持力（N），F是土垡对质点的推力（N）；f是质点在梳齿上的摩擦力（N）；m为质点的质量（kg）；g为重力加速度（N/kg）；θ是梳齿与地面的夹角（°）。其中：

式中，μC、μT分别为残膜和土垡与梳齿的摩擦系数。

残膜的质量较小，计算时可将其忽略。将式（3）代入式（1）可得：

根据经验，湿度与摩擦系数成正比，一般情况下干燥地膜与梳齿的摩擦系数约为0.64，湿润地膜与梳齿的摩擦系数约为1.28。由于贵州山区土壤湿度较大，本文取μC=1.15，经试验测算得出θ≤ 45°。

考虑到贵州山地土壤一般为粘性土，土垡相互粘接使得FT＜＜GT，将式（3）代入式（2）可得：

残膜回收作业安排在天气干燥的时期，查得干粘性土与梳齿的摩擦系数为0.84～1.00，本文取μT=0.85，经试验测算得出θ≥15°。

综合设计初衷，前排梳齿可以在拾膜的同时进行碎土，后排梳齿可以有效的捡拾前排漏捡的碎膜。各层梳齿的强度依次递减，前、中、后三排的直径分别为12mm、10mm和5mm。弹齿直段的初始入土角度为15°，保证在弹性的作用下有至多30°的弹性余量，以保证拾膜和脱土的效果。

3 回收性能测试试验

3.1 试验条件

本次试验分别进行两组试验用于模拟整地前拾膜和整地后拾膜[10-12]，试验选取机具结构及运行速度为研究对象。根据贵州山区烟地的普遍情况[13-14]，于2016年5月12日在开阳县龙岗烟草研究基地进行了残膜捡拾机回收性能测试试验。经测量现场土壤的湿度为19.71%，土壤在15 cm～20 cm深度的紧实度为150.25 KPa。试验所用的机具为试验专用样机，使用404拖拉机带动，忽略翻地和卸膜工序，仅考虑齿间距及机具速度对捡拾效果的影响。

3.2 回收率及积土量测试试验

3.2.1 试验方法

试验指标为残膜捡拾率η和积土量V。η的测定按JB/T 10363—2002中6.2.2.1规定计算：

其中：S1——废膜遗留量平均值，g/m2；S——废膜总量平均值，g/m2。

为了方便对比，试验过程统一按积土所占的最大立方体体积记录积土量，方法示意图如图7所示。

残膜捡拾机在每一块试验地作业完成后，先测量V,并收集烟田中的遗留残膜并进行洗净、烘干、称重，根据式（6）计算捡拾率η。试验过程如图7所示：

3.2.2 正交试验设计

本文主要目的是针对样机结构的运行速度进行试验，得到最优组合以能达到ηmax和Vmin。机具结构主要包括横向齿间距A、纵向齿间距B（如图9所示），机具的运行速度取决于拖拉机的行进速度C。

图7 积土量测量方法示意图Fig.7 Sketch diagram of the measuring of the amount of soil

图8 试验过程Fig.8 Orthogonal test process

图9 梳齿安装位置示意图Fig.9 Sketch diagram of the place to install comb

残膜捡拾机后排梳齿保持50mm的间距用于捡拾漏捡残膜。A有两个水平：A1—前两排梳齿的齿间距分别为90mm、70mm；A2—前两排梳齿的齿间距分别为180mm、140mm。B和C的水平设置如表1所示，使用L4（23）正交表安排试验[15-17]。

表1 因素水平表Tab.1 Factor levels of orthogonal test

分别设置两块试验地块，1号地（无垄）有4块（30×2）m2的试验地，试验前将地膜撕碎后随机埋在各试验地内，用于模拟整地后陈年旧膜的捡拾；2号地（有垄）有4块（10×2）m2的试验地，试验前先起垄并覆地膜，垄顶地膜用打孔机进行一定的破坏，用于模拟整地前的拾膜作业。

3.2.3 试验结果

将正交试验所得的捡拾率和积土量填入表2。

表2 正交试验结果Tab.2 Results of orthogonal test

从表2可以得到的直观结果是机具在1号地的拾膜效果整体上优于2号地的拾膜效果。其中在1号地的第3次试验所得的捡拾率最高拾膜率，积土量最低，A1B2C2为直观最优组合。

直观结果不能完全反应正交试验结果，为更加全面的分析三个因素不同水平对拾膜率和积土量的影响，需要进行极差分析。

3.3 正交试验结果极差分析

极差R可以判定各因素在试验过程中对试验结果的影响程度[18]。均值kij（其中i表示试验因素，j表示试验水平）可以判定最优水平，其中η均值高的可选为优水平；V均值低的可选为优水平。计算结果如表3所示：

表3 正交试验极差分析Tab.3 Results of extreme analysis

4 试验结果分析及验证

4.1 试验结果分析

由表3可知：

1）1号地块中，影响收膜率的主要因素是B和A，影响积土量的主要因素是C和B。综合考虑，在无垄地块影响机具捡拾性能主要因素是梳齿的纵向间距B。

2）2号地块中，影响收膜率的主要因素是A和C，影响积土量的主要因素是A和B。综合考虑，在有垄地块影响机具捡拾性能的主要因素是梳齿的横向间距A。

3）1号地块中，最佳机具结构为A1B2，C≈7.5km/h时拾膜率提高的同时也增加了积土量。

4）2号地块中，最佳机具结构为A2B2，C≈3.5km/h时捡拾率提高的同时也增加了积土量。

分析以上试验结果可以发现，在机具结构达到最优的前提下，为了产生同样效果在不同地形上所使用的速度是不一样的。产生这一情况的主要原因是整地后的烟田表面地膜分布较多且土壤疏松度极大，此时机具的仿形能力体现较少，在机具快速运行时地膜被捡拾的概率较大，但是由于排土时间短，土垡容易堆积从而增加了积土量；有垄地块表面地膜较大且土壤以下也存在陈年旧膜，但土壤结实，此时机具的仿形能力体现较多，机具在快速运行时，部分表面膜受土垡压力的影响，无法有效的挂在收膜齿上，而土壤由于疏松度较小，不容易积土。也就是机具行进速度不能同时满足ηmax和Vmin的要求。为了克服这一矛盾，本文在结构固定的前提下，提出以下假设：

1）无垄条件下作业速度先控制在3.5 km/h左右，保证积土量低的情况下进行初捡作业；然后将机具行进速度控制在7.5 km/h左右，进行高效捡拾。

2）有垄条件下作业速度先控制在7.5 km/h左右，保证积土量低的情况下进行初捡作业；然后将机具行进速度控制在3.5 km/h左右，进行高效捡拾。

4.2 试验结果验证

为了进一步论证假设的可行性及理论的实际效果，根据试验前提，在烟叶收获以后选取了有相同覆膜年限的烟田进行验证，其中有垄和无垄烟田各3块。对文中4.1中所提假设进行3次试验，结果记录在表4中。

表4 验证假设可行性Tab.4 Feasibility validation assumptions

由表4可以看出，重复试验结果稳定性较高，对拾膜率和积土量的影响效果优于表2中的正交试验组合的结果。为了与设计样机的作业性能进行对比，课题组采购了三种常见机具并在试验区域进行性能测试，发现这三台具有代表性的机具在贵州的捡拾效果不理想，最大捡拾率为75%，最小积土量达0.452m3，远远低于课题要求。

5 总结

本文提出了一种可实现烟田自动仿形作业的残膜捡拾机具，该机具适用于无垄烟地，在有垄烟田可实现自动仿形，本文分析了该机具的仿形机构对垄形的适应情况，得到了仿形机构的具体结构；分析了土垡及残膜在梳齿上的受力情况，得到梳齿的最佳入土角度为 15°～45°。

通过正交试验得到了无垄烟田和有垄烟田对机具结构和行进速度的要求。

1）无垄条件下，最佳机具结构为梳齿横向间距是前中后梳齿的齿间距分别为90 mm、70 mm和50 mm，梳齿纵向间距为440 mm，机具先以3.5 km/h左右的速度前进以降低积土量再以7.5 km/h左右的速度前进以提高捡拾率。按此方案机具的平均捡拾率达88.76%，最小捡拾率为88.54%；平均积土量为0.168m3，最大积土量为0.170m3；均优于上述采购样机的作业性能。

2）有垄条件下，最佳机具结构为梳齿横向间距是前中后梳齿的齿间距分别为180mm、140mm和50mm，梳齿纵向间距为440mm，机具先以7.5 km/h左右的速度前进以降低积土量再以3.5 km/h左右的速度前进以提高捡拾率。按此方案机具的平均捡拾率达80.67%，最小捡拾率为79.85%；平均积土量为0.207m3，最大积土量为0.225m3；均优于上述采购样机的作业性能。

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:WANG Puzhou, WU Xuemei, ZHANG Fugui, et al. Design and performance test of comb-type automatic pro fi ling residual fi lm collecting machine [J]. Acta Tabacaria Sinica, 2017,23(3)

*Corresponding author.Email：xm_wu@163.com

Design and performance test of comb-type automatic pro fi ling residual fi lm collecting machine

WANG Puzhou1, WU Xuemei1*, ZHANG Fugui1，HUANG Huagang2，YU Lihua1，NIE Yao1
1 College of Mechanical Engineering, Guizhou University, Guiyang 550025, China ;2 Guizhou Bijie Municipal Tobacco Corporation, Bijie 551700, Guizhou, China

In order to design a residual fi lm collecting machine suitable for mountainous area and to achieve automatic pro fi ling and high performance efficiency, a segmented automatic comb mounts was designed and the best angle of elastic claw to get into ground was set to 15°～45°. Orthogonal experiments in di ff erent fi elds were carried out in order to analyze how crosswise separated distance (A), longitudinal separated distance (B) of two comb teeth and speed of machine (C) a ff ect collecting efficiency and amount of soil. Results showed that under no ridge environment, the optimal crosswise separated distance between two comb teeth was 90mm, 70mm and 50mm, the optimal longitudinal separated distance between two comb teeth was 440mm, the amount of soil was small at low speed (3.5km/h）, and the collecting efficiency was improved at high speed (7.5km/h）. However, if there were ridges in tobacco fields, results showed that the optimal crosswise separated distance between two comb teeth was 180mm, 140mm and 50mm, the optimal longitudinal separated distance between two comb teeth was 440mm, the amount of soil was small at low speed (3.5km/h）, and the collecting efficiency was improved at high speed (7.5km/h）. This paper provides a theoretical and experimental reference for structure design of comb-teeth pro fi le collecting machine.

residual fi lm collecting machine; pro fi ling; orthogonal experiment

王浦舟，吴雪梅，张富贵，等. 梳齿式自动仿形残膜捡拾机的设计及性能试验[J]. 中国烟草学报，2017, 23（3）

贵州省科技厅科技计划项目《贵州山地残膜捡拾机具研发及应用研究》（黔科合GZ字[2015]3007-3）；贵州省烟草公司毕节市公司《山区烟地残膜回收技术研究及机具研制与应用》科技项目资助（贵烟毕课[2014]1号）

王浦舟（1993—），硕士研究生，主要研究方向为农业机械化工程，Tel：0851-83627516，Email：zxc124128@sina.com

吴雪梅（1975—），博士，副教授，Tel：0851-83627516，Email：xm_wu@163.com

2016-11-15； < class="emphasis_bold">网络出版日期：

日期：2017-05-16