一种玉米地残膜捡拾机的设计与试验

王建吉，孙旖彤，弥 宁，敬志臣，帅忠奎

(1.陇东学院 机械工程学院，甘肃 庆阳 745000；2.庆阳市前进机械制造有限公司，甘肃 庆阳 745000)

0 引言

干旱地区农作物种植采用地膜覆盖技术，可起到抗旱保墒、除草保肥的作用，从而达到增产的目的。据统计，2017年甘肃省地膜覆盖总面积达到195.5万hm2，地膜使用量超过17万t。地膜技术在保障农作物增产增收的同时，废弃的地膜残留在土壤中，破坏了生态环境[1]。为了降低残膜的危害，农机研究人员设计和发明了各种残膜捡拾机回收废弃的地膜，将其回收再利用。然而，由于残膜风化和农作物根茎黏附在一起，造成捡拾残膜难度大。当前国内研制的残膜捡拾机大致有5种，即滚筒伸缩式、耙齿式、气吸式、链齿式、弹齿式。针对这5种结构，研究人员做了不同形式的改进和优化。

李亚丽等[2]为了卸膜方便设计了一种锥形卷膜辊，当缠绕在卷膜辊上的残膜达到一定厚度时，停机取下卷膜辊，拆掉捡膜齿，人工从两端将残膜拽下。该结构虽然卸膜相对容易，但卷膜辊和捡膜齿的连接可靠性低，连接过紧，卸膜时不容易拆除，连接过松，捡膜齿工作时容易脱落。张琴等[3]对残膜捡拾机起膜铲进行了优化，设计了一种栅叉式起膜铲，减小了土壤对起膜铲的阻力。贾晶霞等[4]对挖掘铲的参数进行了优化，通过有限元分析发现，凹面铲的挖掘性能优于平面铲。刘青海[5]发明的弹齿式残膜捡拾机，捡膜率高，膜土分离也很干净；但卸膜困难，依靠人工用刀割的方法，卸膜时间长严重影响了整个作业效率；后期虽然改进了卸膜机构，但由于农业机械作业环境差，将捡膜齿与捡膜架采用螺纹连接，金属生锈后不易卸下，所以仍存在卸膜难的问题。陈智[6]发明了锥形卷膜辊，提高了卸膜效率，对于膜厚尺寸大的残膜使用效果良好。戴飞等[7-9]结合当地农艺要求，设计了全膜双垄沟残膜捡拾机，考虑了地形结构、起膜深度等因素，并通过室内试验验证了设计的合理性。以上的研究均未考虑硬茬农作物根茬对捡膜效果的影响，尤其在陇东地区，玉米根茬粗大，气候条件恶劣，地膜和根茬黏附在一起，采用常用机具，很难将残膜捡拾干净。

本文在深入分析现有残膜捡拾机的优缺点后，在功能和结构上进行了改进，并结合甘肃省本地土壤的特征和现有的破茬装置[10-12]，设计了一种新型的玉米地破茬残膜捡拾机。该机由深松机构、破茬机构、仿地形起膜机构、捡拾机构、卸齿机构及切膜机构等部件组成。同时，对关键零部件载荷进行了计算和应力分析，结构优化后加工制造样机，经过田间试验验证，基本达到预期目的。

1 整机机构及工作原理

1.1 整机结构

残膜捡拾机由机架、传动系统、深松器、破茬组件、挑膜齿、捡膜组件、卸齿机构、割膜装置及地轮等部分组成，如图1所示。其中，破茬组件由3组可沿轴向移动的刀盘组成，动力通过带传动传递；挑膜机构由挑膜齿和弹簧组成，挑膜齿具有仿地形的性能；卸膜机构通过扳手推动捡膜齿架，使得捡膜齿从卡槽中退出；割膜装置由切片、切片电机、丝杠及丝杠电机组成。

(a) 主视图

(b) 俯视图 1.机架 2.减速换向器 3.深松器 4.破茬机构 5.捡膜割膜机构 6.挑膜齿 7.地轮图1 残膜捡拾机结构示意图Fig.1 The structure sketch map of the pickup machine for residual plastic film

1.2 工作原理

工作时，利用四轮拖拉机三点悬挂牵引，拖拉机动力输出轴与减速换向器输入轴连接，换向减速器通过带传动，带动破茬装置和捡拾机构转动。深松器与机架相连接，调节两个深松器的距离，使之与田地垄宽相同，将垄两侧土翻起，便于残膜捡拾。挑膜齿将地膜与地面分离，并做高速旋转运动，齿尖将地膜挑起缠绕在卷膜辊上；当卷膜辊上的废膜缠绕到一定厚度时，停机，扳动捡膜齿架，将捡膜齿从捡膜齿架上的卡槽退出；启动切片电机和丝杠电机，切片将卷膜辊上的膜沿轴向切开，再人工转动卷膜辊，使之转动180°，再切一刀，残膜将从卷膜辊上自动脱落；待膜脱落后，将捡膜齿插入捡膜齿架的卡槽中，完成1个周期的残膜捡拾工作。

1.3 基本参数

结合当地农艺参数，样机在工作过程中的性能指标及基本技术参数如表1所示。

表1 残膜捡拾机基本参数Table 1 The essential parameter of the residual film pickup machine

2 核心部件设计

残膜捡拾机核心部件包括深松铲、破茬机构、起膜机构及捡膜机构等，各部分的几何尺寸对整机的可靠性和捡拾效果均有影响。

2.1 深松铲设计

双垄沟种植玉米覆膜后，垄两侧地膜被压实，由于地膜长期和土壤接触，在残膜捡拾时，垄两侧的残膜不容易直接被捡膜齿捡拾，这也是造成现有残膜捡拾机捡拾率地的一个重要原因。本设计采用一种深松铲将垄两侧土壤疏松，便于残膜捡拾，结构和受力分析如图2所示。

1.支撑架 2.调节螺栓 3.入土铲图2 深松器结构与受力分析Fig.2 The Structure and force analysis of deep looser

为了适用不同参数的土壤，通过调节深松器螺母，调整铲尖的入土角，达到不同的入土深度要求。入土深度影响深松器的工作阻力，通过对深松器进行受力分析，可得到深松器工作阻力与深松器及土壤参数之间的关系。根据式(1)可计算出工作阻力FR的大小，即

(1)

其中，FR为深松器工作阻力；G为深松器上土壤与地膜的质量；n为深松器个数；C为土壤内聚力系数；A为土壤剪切面积；T为土壤沿深松器面运动的驱动力 ；δ为铲面倾角；μ为土壤内摩擦因数；γ为土壤与金属附着力参数；μq为深松器与土的摩擦因数。

2.2 破茬结构设计

2.2.1 结构设计

破茬机构由3组刀盘组成，每个刀盘安装4把圆弧刀，根据玉米行间距调节刀盘之间的轴向距离，如图3所示。拖拉机牵引机器向前运动，输出轴通过换向器后，利用带传动带动刀辊旋转，刀辊传递扭矩使得刀盘转动；圆弧刀入土后，土壤和根茬的阻力迫使圆弧刀有向前局部滑移实现破茬，同时随刀盘绕刀辊转动。根据当地实际情况，一般玉米收割后，根茬伸出地面约100mm，设计刀盘回转半径为300mm。

1.破茬刀 2.刀架 3.传动轴图3 破茬刀组件示意图Fig.3 The Schematic diagram of stubble cutter assembly

2.2.2 运动分析

以刀尖的运动为研究对象，分析其运动轨迹。以刀盘回转中心为坐标原点，设刀尖坐标为M(x,y)，在水平面内，以拖拉机运动方向为横坐标，垂直方向为纵坐标，建立坐标系，刀尖运动为转动和移动的合成运动。刀尖运动示意图如图4所示，其运动函数为

(2)

其中，v为拖拉机牵引速度(m/s)；ω为刀盘角速度(rad/s)；r为刀盘半径(mm)；t为时间(s)。根据式(3)确定刀盘转速，即

(3)

图4 刀尖运动分析示意图Fig.4 A sketch map of tool tip motion analysis

2.3 挑膜机构设计

2.3.1 挑膜齿结构设计

由于西北地区残膜捡拾一般都在春播前或秋收后，地膜风化后和土壤板结在一起，所以在捡拾残膜作业时，利用挑膜机构将一定深度的土壤和地膜一起挑起，在疏松土壤的同时，将大部分地膜与土壤分离，漂浮在地表，便于捡膜齿捡拾。挑膜齿与机架采用铰链连接，挑膜齿后端利用弹簧弹性固定在机架上，如图5所示。

图5 挑膜齿示意图Fig.5 The structure sketch map of the membrane tooth

由于地面凹凸不平，齿尖受力也不断变化，为了对挑膜齿的刚度和强度进行分析，根据文献[2]的计算方法，工作阻力挑膜齿结构参数有关，具体大小根据式(4)计算，即

F=ρgBT2tan(α+φ)

(4)

其中，g为重力加速度；ρ为土壤密度；B为挑膜齿工作宽度，取1 100mm；T为捡拾齿入土深度，取60～100mm；α为挑膜齿刃倾角，取18°；φ为土壤和金属的摩擦因数。

2.3.2 挑膜齿有限元静力学分析

为了验证结构设计的合理性，对挑膜齿进行静强度分析，将挑膜齿结构参数带入式(4)中，计算挑膜齿的工作阻力的大小约为400N。利用ANSYS软件，分析挑膜齿的应力和变形分布，分析结果如图6和图7所示。由图6可以看出，变形最大出现在齿尖，最大变形量为1.155mm；由图7可以看出：应力最大值出现在挑膜齿连接铰链处，最大应力为103.62MPa，最小值出现在齿尖。由于应力最大值小于材料的许用应力235MPa，证明挑膜齿能够达到应用要求。但是，为了提高挑膜齿可靠性，仍需进行结构优化。

图6 挑膜齿应变图Fig.6 The strainFigure of the membrane tooth

图7 挑膜齿应力图Fig.7 The stressFigure of the membrane tooth

2.4 捡膜割膜组件设计

2.4.1 捡膜机构设计及工作原理

捡膜齿利用卡槽安装在捡膜齿架上，借助于弹簧的弹性力将捡膜齿压紧在卡槽当中。捡膜齿架端部加工成四方体，与卷膜辊的四方孔配合连接，通过带传动提供动力做旋转运动，利用捡膜齿齿尖将地膜从土壤中挑起使其缠绕在卷膜辊上面，如图8所示。为了保证捡膜齿有足够的强度和刚度，选择捡膜齿长度为420mm，直径为15mm，需淬火处理；采用单排11个齿，如果布置多排齿，使得单位时间内齿接触地膜的次数增多，将地膜撕破，留在地表而不能缠绕在卷膜辊上。

1.带轮 2.弹簧 3.捡膜齿 4.捡膜齿架 5.卷膜辊图8 捡膜机构示意图Fig.8 The schematic diagram of film picking mechanism

2.4.2 割膜工作原理及零部件设计

当卷膜辊上的残膜达到一定厚度时，应停机，将卸齿扳手向上抬起，把捡膜齿从捡膜齿架上拔出；调节卷膜辊角度，使得切片与卷膜辊表面的凹槽对齐；启动丝杠电机和切片电机，切片将缠绕在沿卷膜辊的残膜沿轴向切开，待切片走刀至起始位置时，将卷膜辊旋转180°；再重复切一次，这时地膜在重力作用下，掉在地面上，割膜工作结束。切片直径为150mm, 丝杠电机和切片电机功率为1kW,结构如图9所示。

1.丝杠 2.机架 3.丝杠电机 4.切片电机 5.卸齿扳手图9 捡膜割膜部件图Fig.9 Picking up the film and cutting the membrane part diagram

2.4.3 捡膜齿应力分析

为了验证捡膜齿在工作阻力作用下的可靠性，对挑膜齿利用ANSYS软件进行应变分析，挑膜齿材料为Q235，齿尖受土壤和废膜的阻力，通过计算加载在齿尖的载荷为400N。模拟静力学变形过程，变形结果如图10所示。其齿尖变形量最大，最大值为0.724mm，变形量能够满足设计要求。

图10 捡膜齿应变图Fig.10 The picking up film tooth strain diagram

3 试验方法

根据残膜捡拾机使用标准，捡拾率和破茬率是衡量机器性能的重要指标，具体计算方法如下。

3.1 捡拾率计算

在试验田随机选取5段20m的玉米地作为试验地段，根据种植经验计算20m所需要地膜的质量m1；然后开始计时，利用残膜捡拾机捡拾收集残膜，将每段玉米地的残膜分别保存；捡拾结束后，把每段所捡拾的残膜洗净晒干后称重，设质量为m2，分别利用下式计算捡拾率η，然后求平均值，有

3.2 破茬率计算

破茬的目的不仅为了提高捡拾率，也是为了保护挑膜齿，减小其弯矩，提高使用寿命。参考文献可知，根茬破茬率表达式为

其中，ε为破茬率；np为被破茬刀破开的根茬的数量；nz为试验段总的根茬数量。

4 田间试验

4.1 试验方法

残膜捡拾机样机2018年3月在甘肃省庆阳市西峰区进行田间试验。试验地为全膜玉米地，土壤为黄绵土，配套动力为29.4kW雷沃-404轮式拖拉机，土壤坚实度1 138kPa。深松器入土角度可通过调节螺栓调节，挑膜齿的入土深度通过挑膜齿上的销孔调节。为了选择不同的土壤含水率，田间试验选择雨后，隔一天试验一次。试验按照残膜捡拾机田间试验标准进行，试验样机如图11所示，主要影响因素如表2所示。

图11 试验样机图片Fig.11 The test prototype picture表2 主要影响因素Table 2 The main influencing factors

序号入土深度A/mm牵引速度B/m·s-1土壤含水率C/%1601.013.82801.214.531001.518.6

4.2 试验结果及分析

采用正交试验的方法[13]，设计试验方案，验证含水率、入土深度、牵引速度3个因素对残膜捡拾率的影响，试验结果如表3所示。

表3 试验结果对照表Table 3 The comparison of test results

由表3可以看出：挑膜齿入土深度越大，捡拾效果越好。这是由于挑膜齿入土深可将地表的残膜有效的托起，使其与土壤分离，漂浮在地表之上，便于捡膜齿的捡拾。含水率过低时，土壤干燥，挑膜齿容易犁过土壤将地膜划破，不便于地膜捡拾；含水率过高时，挑膜齿入土后，土壤和废膜粘附在挑膜齿上，捡拾效率降低。前进速度的快慢决定了捡膜齿的转速，经过试验发现，捡膜齿转速太慢，捡膜齿将残膜划破导致一部分残膜无法拾起；转速过快时，捡膜齿单位时间内接触地膜的次数增加，地面对挑膜齿的阻力增加，导致一部分地膜被扎破，来不及被缠绕到捡膜棍上，就使得捡拾效果降低。综上分析，在挑膜齿入土深度大、含水率及前进速度中等时，捡拾效果越好；牵引速度对破茬率影响最大，最优方案为A3B2C2 。机器本身的性能参数对破茬率的影响不大，主要与玉米种植标准程度有关。

5 结论

1)根据当地农艺要求，设计制造了一台新型玉米地破茬残膜捡拾机，是集破茬、深松、挑膜、捡膜、切膜及回收为一体的组合机构。

2)该机采用杆齿式捡拾机构，利用离心力将土甩出，起到膜土分离的效果，并设计了切膜机构来提高工作效率。

3)田间试验表明：残膜捡拾率达到90%以上，破茬率达到80%以上，工作效率较滚筒式残膜捡拾机提高了15%，性价比满足农户要求。