自走式山地割膜耙膜卷膜一体机的设计与试验

张大斌，刘祖国，余朝静，卢 泽，曹 阳

(贵州大学 机械工程学院，贵阳 550025)

0 引言

目前，地膜覆盖技术已广泛用于农业的种植和生产，但由于农民在地膜回收方面不够重视，导致大量地膜残留在田间，严重地影响了土壤结构，大大降低了来年的收成[1-5]。因此，开展地膜回收机械化的研究具有重要意义。

从我国对残膜回收的类型来看，残膜回收机主要分为3个阶段进行地膜的回收，分别是苗期、秋后、播种前。其中，秋后和播种前主要的收膜方式是耙爪式且研究较为成熟，而针对苗期作物残膜回收机械的研究较少。虽然目前已经有了苗期地膜回收机械，但大多采用的是悬挂的方式进行残膜回收[6-7]，针对的是无垄种植模式的地膜回收，这些机型无法适应山区垄间地膜的回收作业。为此，研制了一种可靠性较高、田间通过性较强的自走式山地割膜、耙膜及卷膜一体机，并通过田间单因素和多因素试验，确定了最佳的作业参数，降低了作业成本，有效保证了地膜的完整性，实现了地膜回收再利用。

1 整机结构及工作原理

1.1 农艺指标和整机结构

本文主要针对的是我国西南山区烟草苗期地膜的回收，根据山区的农艺要求可知，烟农在种植烟草过程中的起垄标准大多都是采用单垄种植的标准，垄距为1 050～1 150mm，垄高为250～300mm，地膜厚度为0.008～0.01mm中，大多采用的是0.008mm的厚度，宽度为1 200mm。在铺设地膜时，垄沟两侧均需要翻起300～500mm的土覆盖在地膜上，防止地膜被风吹起和起到保温的作用。地膜铺设好后，需要打追肥孔，方便施肥和种植烟苗，根据相关文献可知，揭膜的最佳时间是在烟苗生长的旺长期，如图1所示。

图1 农艺种植作物指标

依据农艺要求设计了一种自走式山地割膜、耙膜、卷膜一体机，其主要由耙膜主件、发动机、割膜刀、收膜箱及琉璃条等关键部件组成，如图2所示。工作时，整机前进主要由割膜刀从垄中间割开，再由耙膜主件把膜趴到垄沟，通过发动机传动轴由皮带带动变速器输出经过皮带轮带动卷膜传送带，进行卷膜-收膜操作。

1.2 烟草地膜回收机技术指标

根据烟农种植烟草的农艺要求和本课题对技术经济指标规定，设计的地膜回收机应当达到如下指标：

配套动力/kW：宗申汽油发动机(8kW)

残膜回收率/%：≥90

作业速度/km·h-1：≥1.1

生产率/ hm2·h-1：≥0.12

工作幅宽/mm：1 100～1 200

(a) 整机左视图

(b) 整机主视图

1.3 传动系统

传统收膜机的行走机构主要分为牵引式和自走式两种方式，由于本设计主要是在山地烟田中行走，如果采用牵引式将会损伤烟叶，应采用龙门式的结构，所以本文优先考虑自走式的方式，利用变速箱进行速度的匹配。整机的传动系统如图3所示。

本设计中采用的动力源为宗申牌汽油发动机，将其安装在地膜回收机的机架上通过皮带将动力传递到变速箱内，再通过齿轮和过渡链轮一部分传递到卷膜辊轴，一部分传递到行走轮上；通过机具行走带动地膜铲将掩埋在土壤下的地膜铲除，再通过皮带式卷膜辊将地膜挑起并在机架上设置有护苗板，在保证收膜率的请况下能有效防止伤苗。

1.驱动链轮 2.变速箱输出轴 3.过渡齿轮 4.过渡齿轮 5.分动链轮 6.输出链轮 7.过渡链轮 8.分动皮带卷膜辊链轮 9.皮带卷膜辊轴 10.过渡链轮 11.行走轮轴 12.行走链轮 13.过渡链轮 14.变速箱 15.发动机输出轴 16.发动机皮带轮 17.变速箱皮带轮

2 功率匹配

2.1 行走功率

揭膜机行走过程中，地膜铲与地面摩擦，受行走阻力约束，其行走部件所需功率与机组的前进速度、整机质量及土壤状况有关。行走功率为

P1=mgfvδ

式中P1—行走功率(W);

m—整机总质量(kg);

g—物体重力的常数，取值9.8N/kg ;

f—滚动阻力系数；

v—机组行走速度(m/s)，v=0.6;

δ—经验系数，取3～4。

整机质量为250kg,f取0.8，经计算v=0.6m/s,δ取3.5。因此，P1=mgfvδ=3kW。

2.2 卷膜功率

卷膜功率公式为

P辊=F辊×V辊

V=ω×r=190mm/s

式中V辊—卷膜辊额定线速度约为0.2m/s。

依据经验可取F辊=100N，可得P辊=20W。

由于滚筒是两个，所以P辊=40W，输出到卷膜辊时经过了5级传动(3级链传动，2级减速箱传动)可得到需要发动机输出的功率为：P辊=40/0.85=122W。地膜铲功率为

P铲=F阻×V

通过试验经验取F阻=600N，V为机具行走的速度取0.6m/s。由此可以计算出P铲=3 600W。

由于在机具传递动力时有一部分要用来克服链轮摩擦及变速箱内部所损失的功，所以在计算总功率时需要确定传递的效率来确定发动真实应当确定的功率，则有

发动机总功率最小值应为

根据上述分析可以知道选用8kW的发动机满足要求,额定功率为2 400r/min。

3 主要工作部件

3.1 送膜及收膜机构设计

在整个回收地膜系统中，送膜装置主要由挑膜齿、皮带及带动皮带旋转的滚筒组成，在皮带上设置的挑膜齿呈弧形排列，使得在挑膜时地膜向皮带中间靠拢，不致使地膜卡在滚筒内。卸膜装置中，在卸膜箱上设置有卸膜齿且卸膜齿与挑膜齿之间的排列方式也是呈错位排列的方式且有一定的间隙，有效地防止地膜一直缠在皮带齿上造成的滞留堵塞现象。由于揭膜机在作业过程中会倒退，而皮带卷膜辊转动方向也会发生变化，为了避免挑膜齿与卸膜箱发生刚性接触，使挑膜齿发生失效，在卸膜箱中的卸膜齿板设为可前后移动，可有效防止因揭膜机倒退发生的刚性接触，如图4所示。

(a) 三维图 (b) 二维平面图

其中，各部分都是利用幅度为2mm的钢板焊接而成的，长×宽×高=700mm×200mm×350mm，利用卸膜板上分布的齿将地膜刮入收膜箱中。

国内对于地膜回收机的研究中送膜方式多数采用的是气吸/气吹和偏心伸缩式的方式直接将地膜从田间回收到收膜箱内，采用这种方式回收地膜回收率不高还会出现卡死、堵塞的现象且脱膜困难。所以，本设计采用的是皮带式送膜，带齿式收膜箱收膜的方式将地膜进行收集。输送皮带与地面的水平角度不能太大，如果太大，地膜由于自身的重力将会出现下滑，为了避免这种现象的发生，设计中采用的皮带为带齿式的皮带。为了收膜箱能够顺利地将输送过来的地膜刮下，设计中皮带上的齿为错位排列的方式进行排布，能够有效地提高地膜的回收率且保证地膜回收过程的稳定性，如图5所示。

1.烟田地膜 2.传动轴1 3.输送皮带 4.挑膜齿 5.传动轴2 6.收膜箱

在对输送带进行设计中，主要考虑的因素是地膜回收率及轴的转速。地膜的回收率公式为

Q=SVK

式中Q—回收率(m3/s)；

V—皮带的线速度(m/s)；

K—输送带与地面的夹角对回收率的影响系数；

S—皮带的横向宽度的面积。

工作中，由于皮带安置在机架内侧，设计中垄沟的宽度取最大400mm，所以皮带可工作地区域局限在150～200mm之间，再通过将回收效率及机具工作时的实际参数代入即可以求出皮带的横向宽度的面积约为138mm。

在皮带输送过程中，对皮带的作业强度也有一定的要求，根据经验公式有

式中Z—代表输送带的厚度；

F—在工作过程中皮带受到的最大张力；

B—皮带的宽度；

σ—输送带纵向扯断强度(N/m)；

n—安全系数。

根据上述公式即可验证设计是否满足强度要求。

需要对输送带的长度进行设计，长度的设计牵涉到是否能更好地与地膜铲与行走速度的配合。根据工况条件，皮带设置为长方形状，依据公式有

L=πD

式中D—卷膜滚筒的直径。

在设计中卷膜滚筒的直径设置为80mm,将其代入公式中即可得到，皮带上的水平距离(不包括两边半圆弧)251.2mm。

图6 挑膜齿的排列图

3.2 护苗机构设计

护苗机构主要是在回收地膜过程中防止烟叶被机架及地膜铲和卷膜辊刮伤烟叶，其通过控制伸缩管架来调节扶苗机构的长短，有效保证了烟叶是附在流利条上。由于割膜刀要沿着烟秆根部将地膜划开，所以在保证伸缩管架紧贴在烟杆根部，依靠自身重力割膜刀将进行割膜。设计中，采用流利条来护烟叶，将以往的滑动摩擦变为滚动摩擦，大大降低了烟叶的损伤，提高了地膜的回收率。此结构主要由支撑管架、流利条、伸缩管架及割膜刀等构成。

通过农艺要求可以知道：垄沟的设置宽度设置为400mm，设置为1 100mm。根据烟田起垄的垄面的倾斜度以及垄面到垄沟的距离，设置流利条的宽度为134mm，长度设为817mm。支撑管架是连接在机架上，所以设置长度为27mm，宽度为143mm，如图7所示。

图7 护苗机构尺寸侧视图

4 田间试验

4.1 试验场地建设

为了进行田间试验，项目组在贵州大学农场内种植了烟苗，并按照农艺要求将地膜厚度为0.008mm的地膜覆在垄上。烟田的总体长为30m，宽为25m，垄沟平整，烟田中有少量杂草，将垄沟两侧的地膜掩埋在0.015～0.03m之间，由宗申188F牌发动机提供动力。整机田间试验如图8所示。

图8 田间试验

4.2 单因素试验结果与分析

在作业过程中，前进速度是影响整机收膜率的因素之一，先分别设定前进速度为0.2、0.3、0.4、0.5m/s的4种作业速度，并记录试验现象和参数，得到试验结果如表1所示。

地膜铲在作业过程中也是影响作业性能及收膜率的因素之一，通过将地膜铲的入土深度控制在0.04、0.05、0.06m的深度，将力传感器设置在地膜铲上，观察膜土分离效果及阻力变化情况，得到结果如表2所示。

表1 作业速度对地膜回收率的影响

表2 不同入土深度膜土分离效果

挑膜齿的安装角度也是影响地膜回收率的因素，在收膜过程中能否有效的保证地膜完整性及回收再利用，挑膜齿的安装角度是关键。由于挑膜齿是可拆卸的，可以将挑膜齿的安装角度设置为30°、60°、90°、120°，得到试验结果如表3所示。

表3 挑膜齿安装角度对地膜完整性的影响

4.3 多因素试验结果与分析

地膜回收率是评价整机工作性能的关键指标[8]，通过设计一组正交试验，研究作业速度、地膜铲入土深度及挑膜齿安装角度3因素对地膜回收率的影响。

在试验过程中，将地膜回收率作为评价指标(%)、作业速度(m/s)、地膜铲入土深度(m)及挑膜齿安装角度(°)为实验因素，每组因素设置3个水平进行正交试验。试验因素水平和正交试验结果如表4和表5所示。

表4 试验因素水平

表5 正交试验设计与试验结果

续表5

通过对各个因素进行分析、计算可得到显著性和正交试验方差如表6所示。其中，偏差平方和为S，自由度为f，均方为MS，F比为Si/SE。

表6 显著性和正交试验方差

4.4 试验结果分析

由表6中的显著性和正交试验方差可以看出：整机在田间试验过程中因素A[作业速度(m/s)]对试验指标的影响相对于因素B和因素要显著，而因素C相对于因素B要显著。所以，得到三因素的主次顺序依次为A，C，B。通过表5中的偏差(Kij)可以得到：地膜回收率试验最优的组合为A2B1C2,即当作业速度为0.3m/s、地膜铲入土深度0.04m、挑膜齿安装角度90°时，地膜回收率可以达到95%。

5 结论

自走式山地割膜耙膜卷膜多功能一体机是在研究秋后及播种前残膜回收机的基础上设计的，主要在作物苗期时进行地膜的回收，能有效保证地膜的完整性，大大改善了人工揭膜效率低的问题。此外，对卷模皮带和收膜箱的设计使得整机能够自动完成卷膜和收膜的过程，通过田间单因素与多因素试验得到了最优参数匹配，且多功能一体机的各项指标达到设计要求。

参考文献：

[1] 何文清,严昌荣,赵彩霞,等.我国地膜应用污染现状及其防治途径研究[J].农业环境科学学报,2009,28(3):533-538.

[2] 侯书林,胡三媛.国内残膜回收机研究的现状[J].农业工程学报,2002(3):186- 190.

[3] 马少辉,张学军.废膜收获机的研究现状及发展趋势[J].农机化研究,2006(5):37-38.

[4] 董妍,常蕊.圆捆缠膜机械国内外研究概况[J].农业工程，2016(1) : 19-21．

[5] 张惠友,侯书林.收膜整地多功能作业机的研究[J].农业工程学报,2007,23(8):130-134.

[6] 张将,刁培松,刁怀龙,等.自走式青贮打捆缠膜一体机的设计与试验[J].农机化研究,2017,39(12):73-77.

[7] 吕钊钦,张 磊，张广玲，等.链条导轨式地膜回收机的设计与试验[J].农业工程学报,2015，31(18):48-54.

[8] 胡凯,王吉奎,李斌,等.棉秆粉碎还田与残膜回收联合作业机研制与试验[J].农业工程学报,2013,29(19)：24-32.