齿带式残膜捡拾机构的设计与试验

康晓悦，赵岩，陈学庚,，周敦兴，缑海啸，田辛亮

(1.青岛农业大学机电工程学院，山东 青岛 266109；2.石河子大学机械电气工程学院，新疆 石河子 832000；3.农业农村部西北农业装备重点实验室，新疆 石河子 832000)

作物覆膜栽培种植技术具有保温、保墒、抑盐、防草、稳定土壤环境、提高光、热利用率、促进作物根系发育等作用，可以实现缩短作物生长期、提高作物产量、扩大作物生长区域的效果[1-6]，我国农膜年使用量约占世界农膜年使用量的90%，而新疆是我国农膜应用的主要区域，就棉花种植而言，覆膜栽培率已达到100%.2018年新疆棉花种植面积约249万hm2[7].由于残膜治理工作的不彻底，造成残膜污染问题日趋严重[8-14].残膜回收方式主要有人工捡拾和机械回收2种.人工捡拾残膜劳动强度大、作业效率低、投入成本高[15-16]；机械回收方式作业效率高、成本低，是目前广泛采用的回收方式.国外农用地膜厚度一般为0.02～0.03 mm，抗拉强度大，易于机械回收和再利用，主要采用卷收机构回收[17]，在残膜捡拾机构方面的研究相对较少；由于我国使用农膜厚度薄，抗拉强度低，铺放时间长，老化严重，加之牲畜踩踏，回收难度大，捡拾机构的研究始终是技术难点和核心问题.

目前，国内有针对种植玉米、马铃薯、烟草等作物地块使用的残膜回收机捡拾机构，依据结构不同，主要有弹齿式、铲式、链齿式、滚筒式等.虽种类形式多样，但均存在有待改进的地方.使用最广泛的弹齿式搂膜机构，作业时弹齿遇到硬物会发生变形或弹齿固定部件损坏；铲式起膜捡拾机构的分离滚筒分离土块效果较好，而对根茬分离效果不佳[18]；滚筒式残膜捡拾机构研究较为深入，但结构复杂，存在残膜吸入滚筒内阻碍机构运转的现象.残膜回收机捡拾机构仍然是残膜回收机的研究热点和待攻克的技术难点.陈学庚团队的缑海啸、杨松梅，蒋莉等人研究的钉齿链板残膜捡拾机构，利用滚筒表面与链板之间产生的摩擦力驱动安装捡拾钉齿的捡拾链板作业[19]，在土壤坚实度较大地块作业会出现打滑现象.课题组为了探索柔性带式钉齿残膜捡拾机构的可行性，进一步提升捡拾机构与滚筒之间的摩擦力，研制了齿带式残膜捡拾机构，该机构由拖拉机后输出轴动力驱动，利用皮带与皮带轮产生摩擦力带动齿带捡拾残膜，原材料易于获取，制作成本低，可以为柔性带式钉齿残膜捡拾机理提供有益补充.

本文确定了钉齿外形尺寸、安装间距、皮带类型、排列布局等关键参数，通过三因素三水平田间试验，研究各因素对残膜回收率的影响，确定机具最优工作参数，为后续物理样机的设计加工和制作提供理论与试验依据.

1 齿带式残膜捡拾机构结构及工作原理

齿带式残膜捡拾机构如图1所示，主要组成部分如下：齿带、上齿带辊(主动辊)、下齿带辊(被动辊)、刮泥装置，齿带绕过上齿带辊、张紧辊和下齿带辊.该机构可1次完成起膜、输膜及初步膜杂分离作业.

1：上齿带辊；2：上齿带辊刮泥板；3：张紧辊；4：下齿带辊刮泥板；5：下齿带辊；6：齿带；7：残膜；8：土壤.

实际生产中，齿带式残膜捡拾机构与茎杆粉碎还田机构、集膜箱配合使用，组成残膜回收与茎杆粉碎还田联合作业机.残膜捡拾机构位于秸秆粉碎部件后、集膜箱前，上部是秸秆输送部件.作业时，拖拉机后输出轴将动力传给传动系统.随着机具的前进，棉秆被茎秆粉碎部件切碎后抛送至输送带，经残膜捡拾机构上方输送皮带，抛落到机具后部的耕地表面.齿带式残膜捡拾机构按图示υ0方向前进，上齿带辊在传动系统驱动下顺时针传动，固定在其上的皮带轮在摩擦力作用下驱动齿带运动，齿带上的钉齿绕下齿带辊中心线做一部分圆周运动，完成入土、出土、挑膜过程，被挑起的残膜随齿带运动至上齿带辊，在脱膜盘作用下与齿带分离，转过最高点后脱落至膜箱.残膜捡拾机构作业时，下齿带辊控制齿带与地面距离，从而控制钉齿入土深度.

2 关键零部件设计与分析

2.1 作业条件

了解机具作业条件是进行研究设计工作的基础，此机具针对新疆棉田铺放农用薄膜设计.为了减轻残膜污染，提高残膜回收率，在《聚乙烯吹塑农用地面覆盖薄膜》中规定，我国使用耐候性地膜厚度不得低于0.01 mm，且新疆棉花种植中，机具单个作业行程内，行间距为100 mm+660 mm+100 mm+660 mm+100 mm，使用农用地膜幅宽为2 050 mm，根据《地膜覆盖机技术条件标准JB T 7732.1-1995》，膜边覆土宽度为50～80 mm，深度高于250 mm.

1：残膜；2：棉株；3：土壤.

2.2 捡拾钉齿设计

该机构就钉齿外形、钉齿排布参数、及固定钉齿的结构而言，不同于课题组设计的其它机具及相关已发表论文，是本文研究的重点内容.

2.2.1 捡拾钉齿外形尺寸 捡拾钉齿是残膜捡拾机构中的重要零件，与残膜捡拾机构的作业效果密切相关，其结构形状和外形尺寸影响固定安装方式、入土阻力和挑膜效果，其材料性能影响使用寿命.通过分析齿带式残膜捡拾机构的工作原理，可得捡拾钉齿应具有以下功能：挑膜功能，即钉齿由入土、出土后完成该动作；辅助输膜功能，钉齿安装于皮带上，随皮带的运动支撑残膜，并将残膜输送到指定位置.因此，设计钉齿时主要考虑以下因素：便于入土和脱膜，钉齿太尖容易刺穿和撕裂残膜，将钉齿顶部设计为锥形，可以减小钉齿入土的阻力，易于脱膜.钉齿锥顶面直径为4 mm，锥底面直径12 mm，锥段长20 mm，钉齿有效作用总长度为50 mm，则圆柱段长度为30 mm；便于与皮带安装组合，钉齿尾部设计两段小径轴肩，首先便于垫片安装定位，皮带包围段直径为8 mm，参考选取皮带厚度，该段长度为21 mm，为防止钉齿从皮带中挣脱，影响机具作业效果，尾段轴肩长度为5 mm，留有余量采用铆接工艺，用来增加强度，防止钉齿从皮带中挣脱，影响机具作业效果.由45#钢制作的零件表面坚硬、耐磨，心部强度高、韧性大，符合钉齿的使用特性.图3为钉齿示意图.

图3 钉齿示意图

2.2.2 捡拾钉齿排列方式 捡拾钉齿的排列方式与挑膜效果密切相关，为了保证钉齿捡拾残膜的作业连续性，应满足相邻捡拾钉齿齿尖轨迹在土壤内有重叠部分.ω0为钉齿运动方向，钉齿运动轨迹如图4所示.

根据钉齿由入土到出土齿尖划过弧长，可以确定钉齿排布的间距，其计算公式如下：

(1)

式中，β为钉齿由入土到出土齿尖在土壤中划过弧长，mm；σ为钉齿扫过角度，(°)；δ为皮带厚度，mm；R为下齿带辊半径，mm；r为钉齿有效作业长度，mm.

齿尖在土壤中划过长度随钉齿入土深度增加而加长，为使布置钉齿间距适用于不同入土深度，以钉齿入土深度为30 mm时为研究对象，代入式(1)得齿尖划过弧长约为193 mm.为确保残膜捡拾的连续性，两相邻钉齿齿尖绝对轨迹位于土壤内部应有重叠部分，设重叠段弧长为M[20]，取M为9 mm.

单条皮带上排布钉齿数目为：

(2)

式中，κ为单条皮带上排布钉齿数目，个；Ld为所用皮带基准带长，mm.M为相邻钉齿齿尖在土壤中划过轨迹重叠部分弧长，mm.根据式(1)～(2)计算得钉齿排布间距为175 mm，单条皮带上钉齿排布数目为18个.

1：下齿带辊；2：齿带；3：齿尖轨迹；4：土壤.

2.2.3 捡拾钉齿受力分析齿带完成起膜及输膜，钉齿的入土角度和入土深度影响残膜的捡拾效果.对钉齿进行受力分析，确定钉齿在实际作业中受到的作用力，对钉齿的选形、选材具有重要意义.钉齿在入土时主要受到5个力的作用：钉齿自身的重力，机具前进引起的土壤对钉齿的水平向后的阻力，残膜、土壤对钉齿的滑动摩擦力，土壤对钉齿的支持力，以及皮带对钉齿的作用力.其受力分析如图5所示.

图5 钉齿受力分析图

根据图示分析，可以列力学平衡方程如下：

(3)

式中，f=μ(FN-F0)；其中f为钉齿所受残膜、土壤对其的滑动摩擦力，N；Fn为土壤对钉齿的支持力，N；F0为皮带对钉齿的作用力；F为由机具前进引起的土壤对钉齿的阻力，N；G为钉齿自身的重力，N.

对式(3)进行化解得公式如下：

(4)

θ为钉齿入土时，齿顶段切面与地面的夹角，该夹角与钉齿形状及钉齿入土深度有关，随钉齿入土深度的增大而减小.此外，由于皮带容易产生弹性形变，也会对θ产生一定的影响.一般情况下，θ不超过90°，分析式(4)可知，当θ减小时，tanθ减小，等式左边分母值增大，分子值减小，两者比值增大，而钉齿自身重力G为固定值，故F即由机具前进造成土壤对钉齿的阻力增大.田间试验时，钉齿入土深为30～50 mm，设计时，根据作图法测量得θ的理论值为25.87°～37.42°.

田间作业时，皮带对钉齿的作用力不是定值，与土壤等障碍物对钉齿的作用力有关.当土壤对钉齿的支持力小于皮带对钉齿的作用力时，皮带对钉齿的作用力会使皮带上的安装孔发生变形，当作用力大到一定程度时，会导致钉齿从安装孔中脱落.

2.3 齿带式残膜捡拾部件

残膜捡拾部件是残膜回收机的核心部件，其作业性能好坏直接关系到整机的作业效果.齿带式残膜捡拾部件有诸多优点：在工作中，单组或几组齿带遇到坚硬障碍物或土壤坚实度大，导致工作阻力过大时，齿带和皮带轮之间会产生打滑现象，起到有效保护钉齿等零部件的作用；齿带在工作时处于张紧状态，随机具振动而产生跳动，在输送残膜过程中，使土块、棉秆等杂物通过齿带间隙掉落地面，实现膜杂初步分离处理；齿带式捡拾部件结构简单，投入成本低，可以单组更换，拆装方便，可靠性高.

2.3.1 钉齿固定皮带 皮带是齿带式捡拾机构的关键部件，主要起到固定钉齿和输送残膜的作用.其截面形状影响钉齿的固定安装方式和工作可靠性，材质影响整个捡拾机构的使用寿命，价格也是影响整机成本的重要因素.基于适合钉齿固定、节约成本、便于更换的目的，选用结构简单，造价低的V带.根据钉齿外形尺寸对固定安装孔的形状要求和强度要求，确定使用V带中包布层采用两层帆布的D带.根据整机空间布局和上齿带辊、下齿带辊中心线距离，以及张紧辊的位置，通过计算，选择型号为3150的D型带.

2.3.2 齿带布局设计 齿带设计为平行阵列排列方式，其布局方式直接影响残膜回收率，以及膜杂分离效果，而膜杂分离效果直接影响机具的卸膜频率.根据新疆棉田棉行排布及地膜铺放特点，设计齿带布局幅宽为2100 mm.通过田间试验测试皮带间距与作业效果之间的关系，发现间距小于80 mm时，残膜回收率较高，但机具工作阻力增加明显，进入集膜箱中的土杂含量大幅增加，平均45 m需要停机卸膜1次，作业效率降低；间距大于100 mm时，残膜回收率低于80%，窄行内残膜残留量增加，残膜随土杂穿过齿带间隙掉落地面现象明显；齿带间距在80～90 mm之间时，捡拾机构对整膜、碎膜的捡拾，及土壤、棉秆等杂物的掉落符合使用要求.残膜捡拾机构作业幅宽2 100 mm，皮带间距及所需数目确定需满足如下条件：

(5)

式中，L0为齿带布局幅宽，mm；h为齿带间距，mm；n0为所需齿带数目，根.根据式(5)计算得齿带间距为84 mm，所需齿带数目为25根.齿带布局如图6所示.

图6 齿带布局示意图

2.3.3 齿带运动分析 研究齿带运动线速度对于分析钉齿挑膜和残膜输送非常重要，当残膜被钉齿挑起后，需提供足够的向心力确保残膜在输送过程中不脱离齿带.

(6)

(7)

式中，Fmax为残膜所受指向上齿带辊中心综合作用力最大值，N；nmax为上齿带辊最大转速，r/min；r0为齿尖到上齿带辊中心距离，mm.根据文献[21]，Fmax取3 mg，带入式(7)，计算并取整得nmax为840 r/min.

捡拾残膜被输送到指定位置要求机具前进速度与钉齿运动线速度相匹配，否则会出现2种情况：机具前进速度小于钉齿齿尖运动线速度时，起出的残膜不能被即时输送，造成壅土；反之，残膜被过度拉伸，甚至导致残膜断裂.根据力学拉伸试验所测，秋季残膜平均断裂伸长率为300%，根据文献[22]列式(9)～(10)，综上所述，机具前进速度与齿尖运动线速度应满足如下关系：

v0≤v′≤3v

(8)

(9)

(10)

式中，v0为机具前进速度，km/h，v′为齿尖运动线速度，km/h；n1为上齿带辊的转速，r/min，n2为机具相对于地面转速，取1，r′为残膜距离齿根距离.联立式(8)～(10)，n1得应处于70～211 r/min之间.

2.4 上齿带辊

2.4.1 上齿带辊结构 上齿带辊主要由中心辊、皮带轮和脱膜圆盘组成，图7为其结构示意图.皮带轮和脱膜圆盘依次间隔、均匀排布，用螺栓固定在中心辊上，皮带轮转动与齿带之间产生摩擦力驱动齿带运动.

1：中心辊；2：皮带轮；3：脱膜圆盘.

2.4.2 上齿带辊作用 如图8所示，残膜和土杂随齿带向上运动到脱膜圆盘附近时，由于脱膜圆盘直径大于钉齿轨迹圆弧段直径，当残膜到达A点(齿尖与脱膜圆盘外缘重合处)时，在脱膜圆盘支撑力的作用下，残膜与钉齿开始分离，并继续随脱膜圆盘运动，当残膜随脱膜圆盘旋转到达B点附近，在重力作用下落在输膜皮带上，被输送至集膜箱.

1：残膜；2：齿带；3：皮带轮；4：脱膜圆盘；5：输膜辊；6：输膜皮带.

3 田间试验

3.1 试验条件

试验时田间滴灌带已收取，地面较为平整；棉秆未处理，由于在秋季进行试验，棉秆含水率低，利于秸秆粉碎机作业；试验田使用0.01 mm的耐候性地膜，在田间铺放时间超过200 d，加之秋季放牧牲畜踩踏，导致残膜表面破损较多，抽取滴灌带作业进一步破坏了膜面的完整性，残膜断裂伸长率为300%.试验配套拖拉机为福田雷沃904轮式拖拉机.试验涉及的试验器材主要有：50 m卷尺1副，精度为0.000 1 g的精密天平秤1台，精度为0.01 s的秒表1个.

3.2 试验指标

残膜回收率，是评价残膜捡拾机构工作效果的主要指标，为测试区间内齿带式残膜捡拾机构捡拾残膜量与区域内地表残膜总量的比值：

(11)

式中，ζ为残膜回收率，%；W为作业后测试区地表残膜质量，g；W0为作业前测试区地表残膜总质量，g.

3.3 试验方案

在作业过程中存在的影响残膜回收效果的因素有很多，其中机具前进速度、上齿带辊转速影响残膜被捡拾及输送时的拉伸情况、钉齿入土深度影响机具抓地能力及残膜距离齿根距离，这三个因素良好配合对机具工作效果具有重要意义.基于Box-benhnken中心组合试验原理，设计三因素三水平试验进行验证.试验测点共选取20个，样机试验方法及残膜回收率的测定参考国家标准GBT 25412-2010.

3.4 试验结果

图9为安装齿带式残膜捡拾机构的残膜回收机田间试验情况.试验结果统计见表1.

图9 田间试验

根据试验结果，应用Design-expert软件，以机具前进速度、钉齿入土深度及上齿带辊转速为自变量建立回归方程式，进行多元回归拟合分析，结果如表2.

试验模型方差分析表显示，F1=17.55，P1<0.000 1，说明试验结果与模型高度拟合，残膜回收率的回归方程如下：

(12)

利用Design-expert绘制三维响应曲面图可以将机具前进速度、钉齿入土深度及上齿带辊转速与残膜回收率之间的关系直观地呈现出来，根据回归方程式(12)，绘制各交互因素对残膜回收率的响应曲面图，如图10-A～C.

表1 试验结果表

表2 回归模型方差分析表

图10-A为上齿带辊转速为105 r/min时，机具前进速度与钉齿入土深度对残膜回收率的交互响应曲面图，由图可知，取较小的钉齿入土深度及较大的机具前进速度值，有助于提高残膜回收率.图10-B为钉齿入土深度为40 mm时，上齿带辊转速与机具前进速度对残膜回收率的交互响应曲面图，由图可知，随上齿带辊转速的增加，残膜回收率增幅明显.图10-C为机具前进速度为5.5 km/h时，上齿带辊转速与钉齿入土深度对残膜回收率的交互响应曲面图，由图可知，随上齿带辊转速增加，钉齿入土深度对残膜回收率的影响减弱，上齿带辊转速的增加，有利于残膜回收率的提高.

对比图10-A～C，根据残膜回收率响应值变化幅度得知，各因素对残膜回收率影响显著性次序为：上齿带辊转速>钉齿入土深度>机具前进速度.主要原因分析：上齿带辊转速较慢时，残膜易从捡拾装置与卸膜装置的间隙中穿过，下落至地面；钉齿入土深度越深，越容易刺穿残膜，脱膜难度增加，小块残膜漏脱的几率增大；机具前进速度较快，皮带容易出现打滑，钉齿与残膜之间的相对速度增加，导致挑膜和输膜不及时.

图10 交互因素对残膜回收率的影响

试验过程中机具主要存在以下问题：该机构捡拾边膜效果不稳定，这是由于作业地块土质变化引起的，在胶泥土区域，边膜与胶泥土粘连，且边膜抗拉强度较大，导致边膜与膜面分裂而无法被收集；部分区间会出现残膜被撕成小块而捡拾效果不佳的现象，这是由于牲畜踩踏及破膜式抽取滴灌带导致膜面破损严重，且部分被翻起挂在棉秆上，残膜连同棉秆被茎秆粉碎机打碎并向后抛回地面造成的.

4 参数优化与试验验证

为了研究机具能够高质高效进行作业时的相关工作参数，利用Design-expert中的优化模块求解所得二元回归方程，并根据所得最优组合进行田间试验验证，为了避免试验结果的偶然性，进行3次重复试验，对试验结果取平均值，优化结果与田间试验结果见表3.

表3 优化结果与田间试验结果

试验结果表明，在机具前进速度为5.5 km/h，钉齿入土深度为30 mm，上齿带辊转速为100 r/min时，残膜回收率可达90.3%，与优化结果接近，表明所建模型准确性较高，残膜回收率高于国家标准要求.

5 结论

1) 为探索皮带应用于残膜回收机捡拾机构的可能性，研究了一种齿带式残膜回收机捡拾机构.

2) 基于中心组合试验原理，研究机具前进速度、钉齿入土深度及上齿带辊转速对残膜回收率的影响，试验结果表明，各因素对残膜回收率影响的显著性次序为：上齿带辊转速>钉齿入土深度>机具前进速度.

3) 利用Box-benheken中的优化模块对齿带式残膜回收机捡拾机构工作参数进行优化，得出最优组合为：机具前进速度为5.5 km/h，钉齿入土深度30 mm，上齿带辊转速100 r/min，该条件下，残膜回收率可达90.3%.