链齿耙式耕层残膜回收机捡拾机构的设计

赵攸乐，张学军，靳 伟，袁盼盼，刘家强

(新疆农业大学 机电工程学院，乌鲁木齐 830052)

0 引言

地膜覆盖在农业种植中得到广泛应用，通过覆膜种植可以达到保墒、节水、降低杂草生长及加速作物早熟的目的。土壤中的残膜对作物的生长会造成危害，主要是对出苗率造成影响，使得单位面积收获的植株数量降低；同时造成棉花的生长不良，单产降低[1]。另外，残膜将对土样的理化性质造成影响，使得土样中氮磷等营养含量下降，水分分布不均匀。通过与无残膜植株的对比发现，生物量、根系的表面积及根冠比等指标都有较明显差别。所以，残膜对土地的可持续利用也构成较大影响[2]。

残膜回收成为秋收后及春播前覆膜种植用地的常见作业项目。目前，人工拾膜效率低，劳动力成本高，通过机械方式回收残膜是必然趋势。残膜回收机捡拾机构是残膜残膜回收的核心，主要分为搂耙式、滚筒式及钉齿式等，存在对土地适应性差、耕层碎膜捡拾效果不佳及捡拾效率低等问题。为此，设计了一种链齿耙式耕层残膜捡拾机构，作业效率高，工作可靠，适用于春播前残膜回收[3-4]。

1 设计方案及工作原理

1.1 设计方案

链齿耙式耕层残膜回收机捡拾机构由机架、传动系统、悬挂架、起膜铲、链齿耙、起膜弹齿及行走轮等组成，如图1所示。

1.机架 2.皮带 3.小带轮 4.齿轮减速箱 5.悬挂架 6.起膜铲 7.起膜弹齿 8.链齿耙 9.抖动装置 10.行走轮 11.链轮 12.大带轮

其中，传动系统由减速箱输出动力，与之配合传动轴带动小皮带轮，随后通过皮带传动带动大皮带轮，再由与之同轴的链轮带动链齿耙运动，完成整个传动系统路线。

1.2 工作原理

该机构拾膜时，分为起膜铲铲膜阶段、弹齿挑膜阶段及残膜升运阶段。残膜回收机构的悬挂架与拖拉机后悬挂，采用三点式连接，通过拖拉机液压顶杆，调节机构入土深度；由拖拉机动力输出轴提供扭矩，带动减速箱经变速后，通过皮带传动，带动升运链及收膜弹齿移动。同时，拖拉机与悬挂架相连，带动整体前进。起膜铲将土膜一并铲起，并沿着铲面抬升，后移；然后，含膜土块越过起膜铲落在升运链上，经过运输、抖动，到达升运链末端大部分土壤被抖落，残膜在起膜弹齿的作用下也被运输到升运链末端，后置土膜分离装置和膜箱，即可完成整个收膜过程。

2 主要零部件的设计

2.1 起膜铲设计

起膜铲安装在机架的前端，工作过程中起膜铲可以将耕层中的膜土一并铲起，使捡拾装置与土膜更好地接触；同时，松碎土壤，减小土壤对起膜弹齿和链齿耙的冲击，降低机具磨损，提高使用寿命。铲刀还可切断残留作物或闲置土地杂草根茎，减小捡拾阻力。本机要求起膜铲的作业深度为150mm[5]。

2.1.1 铲面倾角设计

起膜铲倾角设计的原则是松碎土壤，降低前进阻力，在保证土膜顺畅向上、向后移动的同时，防止铲后大量壅土。起膜铲的受力分析如图2所示。

图2 土膜在起膜铲面受力分析

由图2可得起膜铲铲起膜土的受力平衡方程为

(1)

式中α—起膜铲相对地面倾角(°)；

F—后端堆积土块对起膜铲面堆积土块作用力(N)；

N—起膜铲对残膜及土块垂直于铲面方向作用力(N)；

G—残膜及土块所受重力(N)；

f—残膜及土块受到的摩擦阻力(N)；

μ—起膜铲与土块之间的摩擦因数。

沙性土的摩擦因数f取0.25～0.35，土壤的密度取9.65g/cm3[6]。

由式(1)得

(2)

由式(2)可知：牵引阻力的大小与起膜铲倾角有关。倾角变小，挖掘阻力相应减少，但倾角过小，作业深度不够，碎土能力差；反之，倾角变大，挖掘阻力相应变大，碎土能力好，但前进阻力增大，容易出现壅土现象[7]。

2.1.2 起膜铲长度设计

土块和残膜所做的总功WL(即沿铲面前进长度L、克服摩擦力所做功)及抬升高度H克服重力势能所做的功WH为

WH=GH=GLsinα

(3)

WL=μNL=μGLcosα

(4)

假设土块与残膜沿起膜铲滑移到铲面最后端速度v降为0，此时刚好能够落入下方的链齿耙上。根据动能定理，土块及残膜运动到后端的动能为

(5)

土块及残膜运动的能量平衡方程为

(6)

起膜铲的总长度L为[8]

(7)

式中WH—土膜在铲面运动克服重力势能所做的功(J)；

WL—土膜在铲面运动克服摩擦力所做功(J)；

v—土膜在起膜铲上的运动速度(m/s)；

L—起膜铲总长度(mm)。

起膜铲倾角的大小与工作土质本身特性有关。平面挖掘铲的倾角一般α=16°～20°(较大的倾角适用于有一定粘度的土壤，较小的倾角适用于沙性土质)[9]。机构田间试验土质为沙性土，但土壤有部分板结的情况，所以取α=20°，作业深度100～150mm，取挖掘铲的入土深度约为150mm。所以，根据公式，可计算出起膜铲的长度L不应大于420mm，以减小上土阻力及部件成本等。由公式(7)知，当机构前进速度取最大时，L约为290mm。

根据计算及机构作业实际条件，同时保证起膜铲输出端与升运链的相对位置合理及土膜顺畅输送,取挖掘铲的总长L取300mm。

2.1.3 起膜铲宽度设计

新疆机采棉铺膜种植模式(株距100mm、行距660mm、地膜两边各覆膜75mm)，同时考虑到拖拉机行走轨迹的误差及起膜铲的强度等因素影响，设计起膜铲宽度1 700mm。

2.2 链齿耙设计

链齿耙主要由多排固定在输送链条上的齿杆组成。动力经链轮带动输送链条运动，固定链条上的齿杆也随之运动。链齿耙的主要作用有3方面：一是通过链齿耙上的起膜弹齿将土中的残膜挑起；二是将捡拾的残膜通过链齿耙在可靠不漏膜的情况下运输到土膜分离装置处；三是通过与抖动装置相配合，在重力作用下，实现运输过程中部分土块抖动分离。链齿耙与地面成一定倾角θ1，组成结构如图3所示。

1.起膜弹齿 2.下端支撑轮 3.链齿耙托辊 4.抖动装置 5.驱动链轮图3 链齿耙结构简图

链齿耙弹齿齿尖在土中移动的长度L1为[10]

式中l—弹齿杆长(mm)；

R—下端支撑轮中心到链条外缘垂直距离(mm)；

θ1—链齿耙与地面夹角(°)；

θ2—为弹齿杆与地面夹角(°)；

h—下端支撑轮离地高度(mm)；

V—机构前进速度(m/s)。

由公式(8)可知：当其他参数不变时，弹齿杆越长，杆齿及链齿耙与地面夹角增大时，机器前进速度加快，支撑轮与地面距离越大，则弹齿齿尖在土中移动距离越长。弹齿入土的阶段是作业阶段，弹齿土中移动距离越长，则作业阶段所占时间越多,则弹齿拾膜效率越高，漏膜也就越少；但以上参数过高，会导致零部件强度不够及残膜被撕裂等问题，反而影响拾膜效果[11]。根据弹齿强度入土深度等因素，弹齿长度取100mm。

2.3 弹齿排列方式设计

收膜效果与弹齿的排列间距有关。弹齿间距太大，容易导致捡拾区域有遗漏，残膜回收率降低；而间距太小，收膜率就高，但壅土量会增大，土膜分离难度增加，同时链齿耙的阻力也会加大。弹齿采用交错排列方式，在保证合理间距的同时又能减小漏膜的可能，如图 4所示[12]。其中，a为相邻两排弹齿间距；b为同排弹齿间距；c为链齿耙长度；d为链齿耙宽度。

1.弹齿 2.机架 3.筛杆

3 捡拾机构试验

3.1 试验条件

在新疆生产建设兵团农一师六团进行田间试验，以测试机构的工作运转情况及捡拾效果。试验地为春播前棉花地，棉花秸秆及滴灌带已回收；土壤类型为沙性土，地面较平整；配备动力为56kW约翰迪尔-754型拖拉机。

3.2 试验方法

本试验将工作地块4个地角连对角线，采用五点法测点，分别在对角线1/4及1/8位置及对角线的交点取点,分别为A1、A2、A3、A4、A0。然后，在捡拾作业后5点附近非重叠区域再取对角线的分点及交点，分别为B1、B2、B3、B4、B0。

以所测点为中心，在每个点挖掘深度20cm、长宽分别为1m的立方体区域，将其中的残膜全部捡拾、洗净、晾干后称重。称重仪器采用OHAUS CP3102电子天平，精度0.01g(单位为g)。将捡拾前及捡拾后5点残膜的质量分别相加，求加权平均值。

捡拾率γ的表达式为

(9)

式中γ—捡拾率(%)；

m1—机构已捡拾地膜质量(g)；

m2—未被捡起的残膜质量(g)。

作业效率ξ(hm2/h)的表达式为[13]

ξ=V·T·0.36

(10)

式中V—机构前进作业速度(m/s);

T—捡拾机构作业宽度(m)。

3.3 试验结果

捡拾机构的试验结果如图5所示。

图5 机构捡拾结果折线图Fig.5 The organization pick up result line chart

试验分别取0.7、1.0、1.3、1.6、1.9m/s等5种前进速度测试。由图5可知：随着作业速度的提高，残膜捡拾率降低；机构前进作业速度越慢，则弹齿对同样面积地块的作业次数就越多；如果作业速度过高，存在弹齿来不及捡拾地面残膜的问题，相应残膜回收率就会降低,零件的强度要求较高，磨损也较大。

当作业速度为0.7m/s时拾膜率最高；当作业速度为0.7～1.3m/s时，拾膜率变化较平缓；大于1.3m/s时，变化较大。用公式(10)可算出：作业速度1.0m/s时，作业效率0.61hm2/h；1.3m/s时,作业效率0.8hm2/h,收膜率差值较小，但作业效率相差较大。所以，经综合考虑，采用1.3m/s前进速度。

4 结论

1)对链齿耙式耕层残膜回收机捡拾机构进行了设计，明确了牵引阻力与起膜铲的倾角有关，确定了倾角α取20°。根据土膜运动的运动学分析及结合实际作业情况，确定了起膜铲长度L取300mm，宽度取1 700mm。通过分析，确定了弹齿长度l取100mm及其在链齿耙上的排列方式。

2)田间试验表明：机构作业运行流畅，起膜铲及弹齿的入土深度合适，耕层碎膜捡拾效果较理想。根据机构前进的速度对拾膜率影响的试验，确定了合适的机器运行作业速度取1.3m/s，残膜捡拾率大于90%，达到了较好的捡拾效果。