残膜回收灭茬联合作业机的设计与试验

王新年，王 智

(1.黑龙江农业工程职业学院，哈尔滨 150088；2.东北农业大学 工程学院，哈尔滨 150030)

0 引言

地膜覆盖技术是一项能大幅度提高作物产率及缩短生长周期的栽培技术[1]，尤其在增温、抗涝、抗旱、通光及防病虫方面效果显著[2-5]。其带来的问题也很明显，具体表现为：聚乙烯类薄膜降解难度大；存在时间持久；作物秋收后，地表的残茬多，地膜的破损程度严重，残膜的回收难度大；长时间耕种后，由残膜残茬产生的“白色污染”日渐严重，致使粮食产量逐年降低[6]。针对上述问题，目前主要以人工和机械回收方式处理残膜。与人工捡拾相比，机械作业的生产率有很大提升，但也有回收残膜洁净度差、漏膜，扬尘严重、机组作业速度低、灵活度差、机械工作性能单一及增加机具进地次数等问题[7-13]。为此，在着重改良了机具的传动系统与拾膜部件机构的基础上，设计了一种残膜回收及灭茬联合作业机，大大提高和改善了机具的各方面性能。

1 整体结构设计与工作原理

1.1 结构设计

该机具由机架、减速器、松土铲、拾膜部、灭茬刀、集膜箱、行走轮、输膜板及推膜部件组成，灭茬传动部件安放在机架的右侧，动力由拖拉机输出轴经过减速器经双排链输入，如图1所示。残膜回收部件的传动系统安放在机架的左侧，动力由行走轮经链传动输入；推膜部件安放在机架的上部，动力由行走轮经链传动输入；松土铲安放在机架的两侧；卸膜板一端安装在机架上，另一端搭在收膜滚筒的上部。

1.机架 2.减速器 3.松土铲 4.拾膜部件 5.灭茬刀 6.集膜箱 7.行走轮 8.输膜板 9.推膜部件

1.2 工作原理

工作时，由拖拉机牵引，拖拉机输出轴带动减速器，经过链传动带动灭茬刀进行灭茬作业；行走轮经过链传动带动拾膜部件滚筒转动，在滚筒内偏心安装的伸缩齿杆与滚筒做同时针圆周运动。当转到滚筒上面后方时，齿杆被显露出来留到空中；当继续向后下方转动时，齿杆便穿透农收后的地膜进入田地里；当继续转动时，齿杆便会离开田地，带着地膜沿筒壁转动方向匀速运动，齿杆慢慢地回入滚筒，此时地膜脱离，由推膜部件送入集膜箱，从而完成收膜工作。松土铲便于松弛土地，可使两侧边膜得到更好的回收。输膜板是为了防止收起的地膜随滚筒卷出集膜箱。

1.3 主要性能参数

作业幅宽/cm：40(2垄)

生产率/hm2·h-1：0.27～0.33

收膜率/%：≥85

外形尺寸/mm：2 000 ×1 400×800

配套动力/kW：20～40拖拉机

灭茬深度/mm：50

灭茬转速/r·min-1：350

滚筒转速/r·min-1： 120

2 主要工作部件设计

2.1 伸缩杆拾膜筒的设计及原理

伸缩杆拾膜滚筒主要由螺栓、偏心轴垫圈、左法兰盘、左心轴、左偏心管、弹齿、转动套、偏心轴、外筒、右偏心管、右法兰盘、右偏心管、定位装置及键组成，如图2所示。左法兰盘左端与链轮相连，右端与外筒经螺栓连接；偏心轴左端与左心轴焊合，左心轴与左法兰盘间隙配合，右端通过键与右心轴连接，右心轴通过键与定位装置连接；定位装置一端通过键与右心轴相连，另一端固定在机架上；弹齿为16根，安装在心轴上，可以绕心轴转动。

工作时，左法兰盘带动滚筒转动，同时带动伸缩杆齿绕偏心轴转动。当伸缩杆齿转到滚筒的后上方时，齿杆被显露出来留到空中；继续向后下方转动时，齿杆便穿透农收后的地膜进入田地里；当齿杆继续转动时，齿杆便会离开田地，带着地膜沿筒壁转动方向匀速运动，齿杆慢慢地回入滚筒，此时地膜脱离齿杆，完成收膜作业。

1.螺栓 2.偏心轴垫圈 3.左法兰盘 4.左心轴 5.左偏心管 6.弹齿 7.转动套 8.偏心轴 9.外筒 10.右偏心管 11.右法兰盘 12.右偏心管 13.定位装置 14.键

2.1.1 滚筒的设计

滚筒设计如图3所示。外筒直径确定为500mm，工作幅宽800mm。由螺丝固定外圈部分与支撑圆，外筒表面有若干橡胶圈，可带动伸缩杆齿随滚筒转动，同时防止伸缩杆齿缩回滚筒内部。

2.1.2 左法兰盘的设计

左法兰盘左部由键与链轮连接，右部通过4个螺丝与滚筒连接，如图4所示。其内孔连接左偏心轴，外圆和内孔经过砂轮磨削，保证了精度。内孔和外圆要有精确的形位公差，保持运行稳定。

1.螺丝 2.橡胶圈 3.外筒表面图3 滚筒Fig.3 Roller

图4 左法兰盘Fig.4 Left flange

2.1.3 曲轴的设计

曲轴由左曲轴、偏心轴、右曲轴3个主要部件组成，如图5所示。其中，左曲轴由定心轴、左臂和齿轴组成，连接为焊接；右曲轴连接心轴定位装置，根据实际情况调节来调节伸缩杆齿的拾膜高度。

1.左曲轴 2.偏心轴 3.右曲轴图

2.1.4 卸膜板的设计

卸膜板设计如图6所示。由扁钢弯成具有一定弧度的卸膜板，有弧度的部分贴在滚筒表面，空隙部分让开橡皮圈，避免与伸缩杆齿碰撞而破坏正常工作。下半扁平部分通过螺丝与一长方形钢料螺丝连接，长方形钢料两端与机架固定。

2.2 松土铲的设计

压入田间土地中的部分残膜是相对完整的,收膜时将松土部件从垄侧膜缘压入膜下,使地膜面上和面下的土壤松弛遍好。因此，要求松土工具应有强入土及工作深度稳定的性能。松土铲的材料为扁钢50×12，分为铲柄、铲壁、铲体3部分，如图7所示。铲身上有固定孔可以调节铲的高度。由图7可以看出：铲臂和铲体不但与水平地面有一定的角度，还与运动方向形成一定的角度。

图6 卸膜板Fig.6 Board for unloading plastic film

1.铲柄 2.铲壁 3.铲体

2.3 机架的设计

机架由方钢、角钢和钢板焊接而成，如图8所示。

1.方管 2.连接架 3.连接架 4.连接架 5.方管 6.方管 7.方管 8.方管 9.方管 10.方管 11.方管 12.连接块

连接块13作用是固定松土铲，加工精度为2.5；连接架2、3、4是与拖拉机相接，三点固定，十分牢固；方管1、5作用是固定减速器；方管7、8、9、10焊合成集膜箱；方管11是用来固定推膜部件，焊接时必须保证机架零件之间的垂直度和平行度。

3 传动系统的设计

3.1 灭茬系统的传动

3.1.1 刀辊转速的确定

打茬作业需要的刀辊转速比旋耕机的刀辊转速要高，刀齿的线速度要大于6m/s，但是速度愈高，功率消耗愈大。因此，应合理选择打茬机的速度参数，以获得较高的作业效率。

以黑龙江省为例，在春季打茬作业中，根茬水分少，所需打茬速度较低，一般为4.5m/s；而秋季玉米茬还没有枯死，根茬水分大，所需打茬速度偏高，一般为5.5m/s。大量试验与经验表明：打茬速度越高，玉米茬被处理效果(打茬率)越好。当速度提到一定程度后，打茬率的上升效果就趋于平稳；当打茬速度为5.5m/s时，即使是秋季，打茬率也可达到95%左右，能够满足农业生产要求。

刀轴转速的选择，主要取决于打茬速度和机具前进速度。打茬速度可根据农业生产要求和试验进行确定，该机为5.5m/s。

式中R—刀辊回转半径(m)；

ω—刀辊角速度(r/s)；

h—打茬深度(m)。

计算得出该灭茬机的刀辊转速为310r/min。

3.1.2 传动比的确定

拖拉机动力输出轴额定转速为632r/min，刀辊转速为350r/min，所以总速比为i=632/350=1.8。从拖拉机动力输出轴传出的动力进人中央减速箱，再通过双排链传动灭茬机构。由于总传动比不大，因此确定减速箱的传动比为1.8:1，链轮箱的速比为1:1。

3.2 地膜回收系统的传动

地膜回收系统的传动可分为两个部分：一是地轮与拾膜滚筒之间的传动，二是地轮与推膜部件的传动。其中，地轮与拾膜滚动之间的传动由链传动和齿轮传动组成。齿轮传动的目的是改变传动的方向，如图9所示。

1.行走轮链轮 2.换向齿轮 3.推膜部件链轮 4.滚筒链轮

4 验证与分析

4.1 齿轮的选择与确定

本机具以滚筒的最宜转速120 r/min为标准转速进行了测试，作业幅宽为140cm(两垄)，生产率为0.27～0.33hm2/h，地轮半径为300mm。由此确定地轮转速为20r/min，齿轮传动比为3，链轮传动比为2，且选取直齿圆柱齿轮进行传动。小齿轮材料为40Cr(调质)，硬度为280HBS，大齿轮材料为45钢(调质)，硬度为240HBS,二者材料硬度差为40HBS。使用个数为小齿轮24个，大齿轮72个[14]。

4.2 齿轮强度试算与验证

表1 齿轮各项目数值选取Table 1 Numerical selection of gear items

经验算，小齿轮分度直径应大于91.9mm。以91.9mm为标准进行验证得：圆周速率为0.577m/s，齿宽为91.9mm，齿宽与齿高比为10.7。根据机械设计手册，辅助计算出载荷系数k=1.584。所以，按实际载荷系数校正分度圆直径为104mm，模数为4.3。

表2 大小齿轮各项目数值选取Table 2 Numerical selection of gear and gear

经比较YFαYFβ/[σF]，得出大齿轮比值较大，故带入公式的m=3mm。

对比验算结果表明：齿面接触疲劳强度计算的模数大于由齿根弯曲疲劳强度计算的模数。由弯曲强度算得的模数为3mm，按接触强度算得的分度圆直径为91.9mm，小齿轮齿数为30，大齿轮齿数为90。所以，分度圆直径分别为90、270mm，中心距为180mm。

5 田间试验

田间试验在香坊区东北农业大学试验田进行，在2016年一年春秋两季的时间里前后进行了4次收膜灭茬试验。第1次试验因装备初次使用和经验不足，试验结果不是很理想，出现了遗漏、卡机等现象，其余3次结果良好，各项技术性能指标均达到理想要求。试验综合结果如表3所示。

表3 性能检测报告Table 3 Report of performance test

6 结论

残膜回收灭茬作业机的设计难度主要是如何保证回收率和保证机器运行的稳定性。本设计在考虑各个零部件都能达到正常工作和使用寿命的情况下，对传动系统和回收装置进行了系统优化。设计根据所给作业要求，确定了灭茬速度及系统传动比。参考国内外资料，确定收膜方案为伸缩杆式。

本设计的伸缩杆齿式残膜回收灭茬机具有如下特点：①残膜的捡取、运输、回收和灭茬等工序连续完成，维修方便，工作效率高，残膜残茬回收率达85%以上。②与普通单一作业机具相比节省成本30%以上。