曲轴式棉田地表残膜回收机捡膜特性分析及工作参数优化

靳 伟，张学军,2※，鄢金山,2，袁盼盼，白圣贺，方 旭

（1. 新疆农业大学机电工程学院，乌鲁木齐 830052；2. 新疆农业工程装备创新设计实验室重点实验室，乌鲁木齐 830052）

0 引 言

地膜覆盖技术具有增产增效、抑制杂草、保温增湿等作用，因此被广泛应用于农业生产[1-5]。由于地膜回收不干净，导致土壤中残膜碎片逐年累计增加，破坏生态环境，阻碍了农业持续发展[6]。目前残膜回收有人工捡拾和机械化回收 2种方法，人工捡拾残膜劳动强度大、效率低、捡拾不干净；机械化回收残膜成本高、装备容易损坏、对土壤压实强度大、装备功能单一。土壤内残膜含量超过一定数量时，将会破坏土壤结构、降低微生物活力、降低土壤贮存水分的能力。根据相关研究试验测定：连续使用约4 a地膜的土地，若不及时捡拾残膜，玉米和棉花的产量将下降 10%左右，其他农作物的产量和质量也会明显降低[7-13]。

欧美国家一方面推广高强度、耐老化地膜，另一方面积极开发研制新型地膜，使地膜在土壤中自动分解为无害物质[14]。残膜回收问题是世界性的难题，国外主要采用高强度加厚膜，在苗期阶段揭膜回收，地膜完整利于回收作业，回收的地膜统一集中处理；国外积极研发可降解地膜、纸质地膜，但可降解地膜价格高，目前还处于试验阶段，不能够大面积推广应用[15]。中国使用的地膜较薄、力学性能较差，残膜回收装备按照作业季节可分为苗期残膜捡拾装备、收获后残膜捡拾装备、播前残膜捡拾装备。苗期残膜比较完整、回收比较容易、残膜回收装备相对简单，但大部分地区苗期不适宜回收地膜；收获后残膜捡拾装备一般与耕整地机械或者秸秆粉碎机械联合使用，一次性下地作业，减小对土壤的压实、降低残膜回收成本，但联合作业机械结构复杂、工作不可靠、捡拾效率低；播前残膜已破碎成小块且力学性能较差，不容易回收残膜，残膜捡拾装备结构较复杂、捡拾效率较低、成本高[16-17]。

新疆研制的残膜回收机主要针对棉田残膜回收，如石河子大学机械电气工程学院与新疆农垦科学院联合研制的4JSM-2000型棉杆粉碎与残膜回收联合作业机；中国农业大学工学院与新疆农垦科学院联合研制的CMJY-1500型农田残膜回收打包作业机；新疆农业科学院农机化研究所研制的4JLM-1800型棉秆还田及残膜回收联合作业机；新疆农垦科学院研制的4SJ-1.6型残膜回收与秸秆粉碎联合作业机[18-19]。上述机型捡拾残膜效果好，但其结构比较复杂、制造成本较高、可靠性低。

目前亟需研制适合中国国情的残膜回收机，促进农业绿色、环保、可持续、高速发展[20-22]。11SM-1.7型曲轴式残膜回收机属于典型残膜回收机械，主要用于无滴灌带、秸秆收获后的棉田表层残膜回收，但由于操作不恰当、工作参数不合理，导致捡拾齿受力不均匀、阻力较大，易发生卡死问题，导致卸膜板弯曲、断裂，残膜漏捡区域较大。因此，合理选取残膜回收机前进速度、捡拾齿转动角速度、捡拾齿回转半径、入土深度、偏心距等参数，对于提高11SM-1.7型曲轴式残膜回收机作业性能至关重要。

1 残膜回收机结构与工作原理

1.1 整机结构

11SM-1.7型曲轴式残膜回收机（简称曲轴式残膜回收机）主要由机架、悬挂装置、传动装置、起膜装置、残膜捡拾装置、刮膜装置、集膜装置等组成，具体结构如图 1所示。结合新疆棉花矮密化特色种植模式以及棉花行距的要求，弧形齿的配置与新疆棉花种植行距相一致，棉花株距为100 mm、行距为660 mm、6行棉花由2根滴灌带供水，即弧形齿间距采用100、660 mm模式，棉花种植模式是曲轴式残膜回收机捡拾装置的设计依据[23-25]。该残膜回收机采用偏心弧形齿连续捡拾土壤表层残膜，利用刮膜板实现自动卸膜；作业幅宽1 800 mm、配套动力50 kW、质量约800 kg，残膜回收箱容积0.38 m3、作业速度约1.3 m/s、弧形齿入土深度35 mm左右。

图1 11SM-1.7型曲轴式残膜回收机整体结构Fig.1 Overall structure of 11SM-1.7 crankshaft type residual film recycling machine

1.2 工作原理

曲轴式残膜回收机是2015年阿克苏天典农机制造有限责任公司与新疆农业大学联合研制的新型农机具，主要用于无滴灌带和棉杆的棉田表层残膜回收。如图 1所示，残膜回收机以悬挂方式与拖拉机相连，拖拉机动力输出轴通过传动轴与机具的传动系统相连，分别带动辊刀和捡拾机构工作，刮膜板由液压马达提供动力。作业时，曲轴式残膜回收机捡拾机构沿着棉花行向前进，辊刀由传动轴和减速箱带动旋转，利用辊刀和起膜铲将地表残膜铲起。捡拾机构通过链传动提供动力，起膜铲安装在捡拾机构下方铲膜，偏心弧形齿捡拾棉田地表残膜。当弧形齿运动至捡拾装置下方时，弧形齿伸出卸膜板齿孔距离最大、入土深度最深，捡拾地表残膜；当弧形齿运动至捡拾装置上方时，弧形齿缩回卸膜板齿孔，刮膜板将弧形捡拾齿上的残膜刮至集膜箱，重复捡膜、刮膜与集膜过程。残膜回收箱装满残膜后，收起膜箱内的网袋，可简单、快捷地卸下收集的残膜。

2 偏心弧形齿捡膜特性仿真分析

2.1 偏心弧形齿捡拾机构

针对“11SM-1.7型曲轴式残膜回收机”核心捡膜部件残膜回收率较低、弧形齿运动阻力较大及漏捡残膜等问题，通过对偏心弧形齿捡膜特性进行仿真分析，获取该偏心弧形齿端点的运动轨迹，分析其捡膜特性，合理选取残膜回收机前进速度、捡拾齿转动速度、捡拾齿半径、入土深度、偏心距参数，为优化残膜回收机工作参数提供理论基础，对于提高曲轴式残膜回收机捡膜性能至关重要。

如图2所示，偏心弧形齿捡拾机构由曲轴、卸膜板、套筒、弧形捡膜齿、端盖、轴头等构成，总长为1 800 mm、由3段构成，捡拾齿圆周均布4排、曲轴偏心距50 mm、捡拾装置直径为520 mm。该机构采用弧形齿捡拾残膜，弧形齿与曲轴通过套筒铰接，弧形齿与套筒焊接且穿过卸膜板齿孔，套筒在曲轴上做周向转动但不能轴向滑动；曲轴由曲柄和主轴构成，通过螺栓连接，安装、拆卸较方便，曲轴与机架固连；捡膜作业时曲轴相对机架处于静止状态，卸膜板、端盖及弧形齿通过套筒带动绕曲轴主轴周向转动。套筒在曲柄的作用下，推动弧形齿做往复式伸出及缩回卸膜板齿孔运动，同时随机具平移运动，即弧形齿运动为绕曲轴自转和随机具平移运动的合成，根据平面机构运动分析可简化为曲柄摇杆机构，如图 3所示。

图2 偏心弧形齿捡拾机构Fig.2 Collecting mechanism of eccentric arc tooth

2.2 建立偏心弧形齿仿真运动模型

建立偏心弧形齿运动模型，为弧形齿运动特性编程和仿真分析提供理论基础。弧形捡拾齿端点运动轨迹为摆线，其轨迹曲线形状由捡拾齿端点线速度与残膜回收机前进速度之比，即速比系数的大小决定。

图3 偏心弧形齿捡拾机构运动模型Fig.3 Motion model of eccentric arc tooth collecting structure

如图3所示，选取A、B、C点为弧形捡拾齿初始位置，回转半径为b，运动时间t、捡拾齿转动角度ωt，捡拾齿A、B、C点由原初始位置转动至A1、B1、C1点，残膜回收机前进距离vt。在坐标参考系中，根据弧形捡拾齿端点运动位移、速度、加速度之间的关系，推导出捡拾齿端点C1绝对运动轨迹、速度、加速度方程如式（1）、式（2）、式（3），即得偏心弧形齿运动模型。通过对捡拾齿端点绝对运动轨迹方程求一阶导函数、二阶导函数得弧形捡拾齿端点速度和加速度方程，分析弧形捡拾齿捡膜特性，为弧形齿运动特性编程和仿真分析提供运动方程。

令θ、θ1、θ2、θ3、f1(t)、f2(t)分别为

式中为弧形齿端点水平绝对运动位移，mm；为弧形齿端点垂直绝对运动位移，mm；为弧形齿端点水平分速度，m/s；为弧形齿端点垂直分速度，m/s；为弧形齿端点水平加速度，m/s2；为弧形齿端点垂直加速度，m/s2；a为曲柄长度，mm；b为弧形齿回转半径，mm；a为O1O2与垂线之间的夹角，rad；q为CC1与水平面之间的夹角，rad；maxb为O2C1与垂线之间的最大夹角，rad；w为弧形齿转动角速度，rad/s；v为残膜回收机前进速度，m/s；t为时间，s；'()tq、''()tq分别为q函数对时间t的一阶导函数和二阶导函数。

2.3 弧形齿运动特性仿真分析

弧形齿运动特性仿真可直观显示捡拾齿端点运动变化状况和漏捡区域，为利用MATLAB编程求出漏捡面积提供基础。结合11SM-1.7型曲轴式残膜回收机结构和参数、参考新疆农业科学院农业机械化研究所对弧形齿残膜捡拾机理研究的结论，确定捡拾齿运动特性仿真参数组合和正交因素水平表。以曲轴轴头中心为坐标原点、偏心距a为50 mm、O1O2与垂线夹角α为30°、O2C1与垂线之间最大夹角βmax为65°、弧形齿转动速度r为50～70 r/min、残膜回收机运移时间t为2 s、机具前进速度v为1～1.6 m/s，捡拾齿圆周均布4排，弧形齿半径b取190～300 mm。

弧形齿运动特性仿真必须在确定的参数组合条件下才能进行，在不同参数组合仿真条件下，捡拾齿端点运动轨迹曲线会发生变化，漏捡区域面积也会发生变化，但轨迹曲线周期性的变化趋势相同。为了更加清晰、直观地显示捡拾齿端点运动变化状况和漏捡区域，根据新疆农业科学院农业机械化研究所对弧形齿残膜捡拾机理研究的结论，选取仿真参数组合即a为50 mm、βmax为65°、α为30°、r为60 r/min、t为2 s、v为1 m/s、b分别取190、245和300 mm。将上述参数组合分别带入捡拾齿端点C1绝对运动轨迹方程式（1），利用 MATLAB软件编程仿真，获取相邻2个弧形齿端点运动轨迹，如图4所示。

图4 捡拾齿端点运动轨迹Fig.4 Trajectory of pickup tooth endpoint

由图4可知，当残膜回收机前进速度、捡拾齿转速、偏心距为定值时，相邻捡拾齿端点轨迹交点距捡拾齿轨迹最低点的距离（即图4中2条水平线y1y2、y3y4、y5y6之间的距离）随捡拾齿半径增大而增大。当弧形捡拾齿半径分别取190、245和300 mm时，相邻捡拾齿轨迹交点距捡拾齿轨迹最低点距离分别为32、41和53 mm；漏捡区域面积S1、S2、S3分别为 1 432、1 598、1 837 mm2。

曲轴偏心距a为50 mm、残膜回收机前进速度v为1 m/s、捡拾齿转速r为60 r/min、半径b取190 mm时，如图4a所示，捡拾齿端点水平和垂直位移变化较平稳，即捡拾齿速度、加速度变化较小；当捡拾齿半径b取245 mm时，如图4b所示，捡拾齿端点垂直位移变化较大；当捡拾齿半径b取300 mm时，如图4c所示，捡拾齿端点垂直位移变化较剧烈，捡拾齿与卸膜板之间的摩擦阻力较大。因此，合理选取机具前进速度、捡拾齿转速、捡拾齿半径、入土深度、偏心距参数，对于提高曲轴式残膜回收机作业性能至关重要。

3 残膜捡拾试验与工作参数优化

3.1 试验条件与因素

2017年5月选在新疆生产建设兵团第一师六团七连，秸秆已被收获的棉田地进行试验，地表有少量根茬、秸秆，滴灌管道已被回收，试验地较为平坦，选用 11SM-1.7型曲轴式残膜回收机进行残膜回收试验。经过测定试验地土壤含水率均值为9.81%、地表残膜含量均值为11.32 g/m2、土壤坚实度均值为0.7 MPa、土壤碎土率为74.8%、覆盖地膜采用国家标准地膜厚度为0.008 mm、棉杆粉碎后直径和长度分别约为20和50 mm，选用东方红500型拖拉机、额定功率50 kW。根据弧形齿捡拾残膜特性分析结果及参考新疆农业科学院农业机械化研究所对弧形齿残膜捡拾机理研究的结论，设计试验因素水平，如表1所示。

表1 试验因素水平Table 1 Factor level table of experiment

3.2 残膜捡拾率与卸膜率试验方法

根据 NYT1227-2006残膜回收机作业质量标准设计试验，在棉杆和滴灌带收获后试验地内随机选取 5个面积为1 m2区域，将每个区域地表残膜收集装袋、洗净、晾晒干并称质量，分别记为Ma1、Ma2、Ma3、Ma4、Ma5；残膜回收机前进距离为100 m、共设置5个测量行程，在5个作业后100 m行程内随机各选取1个面积为1 m2区域，将每个区域地表剩余残膜捡拾干净装袋、洗净、晾晒干并称质量，分别记为Mb1、Mb2、Mb3、Mb4、Mb5。每个行程捡拾残膜后，将残膜回收箱中的残膜装袋、洗净、晒干并称质量，分别记为Na1、Na2、Na3、Na4、Na5，再将捡拾齿上未卸下的残膜收集装袋、洗净、晾晒干并称质量，分别记为Nb1、Nb2、Nb3、Nb4、Nb5。残膜捡拾率与卸膜率计算公式如式（4）、（5）所示[26-28]。

式中η为残膜捡拾率，%；γ为卸膜率，%；Mai为捡膜作业前随机1 m2区域残膜含量，g；Mbi为捡膜作业后随机1 m2区域残膜含量，g；Nai为残膜回收机捡膜作业100 m后，膜箱中残膜质量，g；Nbi为残膜回收机捡膜作业100 m后，捡拾齿未卸下残膜的质量，g；为捡膜作业前随机1 m2区域残膜含量的均值，g；为捡膜作业后随机1 m2区域残膜含量均值，g；为残膜回收机捡膜作业100 m后，膜箱中残膜质量均值，g；为残膜回收机捡膜作业100 m，捡拾齿未卸下残膜的质量均值，g。

3.3 残膜漏捡率试验方法

11SM-1.7型曲轴式残膜回收机前进速度分别取1.0、1.3和1.6 m/s、捡拾齿转速分别取50、60和70 r/min、捡拾齿半径分别取190、245和300 mm时，利用MATLAB编程求出漏捡高度，再利用积分法获取捡膜作业1 m2内残膜漏捡率。

根据 11SM-1.7型曲轴式残膜回收机结构及田间试验，残膜回收机前进距离为100 m、共设置5个测量行程，在5个作业后100 m行程内随机各选取1个测量区域。如图5所示，用刻度尺分别测量5个区域高度，分别记为h1、h2、h3、h4、h5；在曲线分别取 5个测量点，利用曲线拟合最小二乘法，求出曲线的拟合直线即曲线段13FFl、23F Fl拟合为直线段、利用拟合直线代替曲线构建；5个区域的长度分别记为l1、l2、l3、l4、l5；在5个测量区域1 m2内捡拾齿入土捡膜的次数分别记为n1、n2、n3、n4、n5。参考内蒙古农业大学机电工程学院关于牧草捡拾器漏捡率研究过程中提出的牧草空间漏捡率和质量漏捡率，本文在借鉴牧草漏捡率的研究基础上，将残膜理论漏捡率问题转化为漏捡区域长度和高度即面积问题，以便于试验验证，残膜回收机漏捡率计算公式如式（10）所示。

式中ζ为残膜回收机漏捡率，%；in为1 m2内捡拾齿入土捡膜的次数，次；为 1 m2内捡拾齿入土捡膜次数的均值，次；iSD为漏捡区域拟合为三角形的面积，mm2；为漏捡区域拟合三角形面积的均值，漏捡区域高度的均值，为拟合曲线长度的均值，mm；为漏捡区域高度，mm；il为拟合曲线长度，mm。

图5 测量残膜实际漏捡率Fig.5 Measure actual residual leakage rate of pickup film

3.4 残膜捡拾率与卸膜率试验结果与分析

曲轴式残膜回收机田间捡膜试验如图6、捡拾率与卸膜率正交试验结果如表 2所示，捡拾机构选取不同因素水平组合条件下的残膜捡拾率为79.8%～93.2%；根据极差Rη数值大小可知影响残膜捡拾率主次因素顺序为：捡拾齿转速r＞残膜回收机前进速度v＞捡拾齿半径b；前进速度v中最大Kη2值为87.1%、捡拾齿转速r中最大Kη2值为91.5%、捡拾齿半径b中最大Kη2值为85.4%，所以残膜捡拾率各因素水平最优组合为v2r2b2，该因素水平组合在正交试验表中对应为第 5组试验，该组试验残膜捡拾率最大为93.2%、卸膜率最大为94.6%。

表2 残膜捡拾正交试验结果Table 2 Orthogonal experiment results of pickup film

图6 11SM-1.7型残膜回收机田间试验Fig.6 Field test of film recycling machine of 11SM-1.7 type

通过残膜捡拾率方差分析（如表3所示），捡拾齿转速和残膜回收机前进速度对残膜捡拾率影响高度显著（P<0.01），捡拾齿半径对残膜捡拾率影响显著（P<0.05）。通过以上仿真模拟和正交试验优化分析，结合田间试验效果，选取最佳因素水平组合为v2r2b2，即残膜回收机前进速度1.3 m/s、捡拾齿转速60 r/min、捡拾齿半径245 mm时，残膜捡拾率最大为93.2%、卸膜率最大为94.6%。

表3 残膜捡拾率方差分析Table 3 Variance analysis on rate of residual recovery

3.5 残膜漏捡率试验结果与分析

残膜漏捡率MATLAB编程仿真结果与正交试验结果如表4所示，漏捡率正交试验结果为1.13%～4.80%；当因素水平组合为v2r2b2时，残膜漏捡率试验值为 1.61%。漏捡率的大小与残膜回收机前进速度、捡拾齿转速和半径有关，由表4结果可以得出，残膜回收机前进速度越小、捡拾齿转速越大、捡拾齿半径越大，残膜漏捡率越小。

表4 残膜漏捡率正交试验结果Table 4 Orthogonal experiment results of leakage film ratio

4 讨 论

1）曲轴式残膜回收机性能优劣主要依据残膜捡拾率来衡量，其残膜捡拾率的影响因素主要有机具前进速度、捡拾齿入土深度、捡拾齿转速、捡拾齿半径。根据理论分析和田间试验发现，机具前进速度和捡拾齿半径为定值时，捡拾齿转速越高、捡拾齿入土深度越深，漏捡区域面积越小。但捡拾齿转速较高时，会加剧机具振动、降低零部件的使用寿命；捡拾齿入土深度较深时，起膜辊刀、捡拾齿阻力较大，能耗较大。

2）目前已经研制成型的残膜捡拾机适应性和可靠性不高，作业土壤不同（沙土、黏土）其性能有很大差异；另外残膜捡拾机性能与田间作物种类、驾驶人员操作技术水平等因素有很大关系。但本试验选在新疆生产建设兵团第一师六团七连，秸秆已被收获的棉田地中进行，属于沙性土壤，没有在粘性土壤、除棉田以外作物田间试验，具有一定局限性。今后将在不同土壤含水率、不同土壤坚实度、不同碎土率、不同秸秆直径和粉碎长度的条件下进行深入试验研究。

5 结 论

1）针对 11SM-1.7型曲轴式残膜回收机核心捡膜部件作业参数不合理、残膜回收率较低、漏捡率较大等问题，本文建立弧形齿捡拾装置的运动模型，运用MATLAB编程分析了往复式偏心弧形齿尖运动特性和漏捡率，并且进行田间试验，验证了理论模型的正确性。

2）残膜捡拾率正交试验结果表明：捡拾齿转速和残膜回收机前进速度对残膜捡拾率影响高度显著；影响残膜捡拾率主次因素顺序为捡拾齿转速＞残膜回收机前进速度＞捡拾齿半径。通过仿真分析和正交试验优化验证，获取最佳参数组合为：残膜回收机前进速度1.3 m/s、捡拾齿转速60 r/min、捡拾齿半径245 mm，此时残膜捡拾率最大为93.2%、卸膜率最大为94.6%、残膜漏捡率试验结果为1.61%。

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