4MKJ-2000残膜回收机脱膜装置设计与试验

王敏，王吉亮★，王海基，2，卢勇涛，营雨琨，秦朝民，何玉泽，李净凯，2

（1新疆农垦科学院机械装备研究所，新疆 石河子 832000；2石河子大学机械电气工程学院，新疆 石河子 832000）

地膜覆盖栽培技术可增温保湿，有效抑制杂草和病虫害，改善作物生长环境和提高作物产量[1-3]。新疆作为我国主要种植棉花的省份之一，2018年地膜覆盖面积为35.12万hm2，棉田覆膜率100%。自然条件下，地膜可在土壤中残留200—400年，地膜使用量日益增加，导致“白色污染”的风暴席卷全国，严重影响农业绿色可持续发展，治理残膜污染迫在眉睫[4-6]。

目前处理残膜的方法有人工捡拾、焚烧、填埋、机械回收等，人工回收劳动强度大、回收效率低；焚烧填埋浪费土地，焚烧后产生有害气体污染环境；机械回收是目前最实用有效的解决方法。在新疆应用最广泛的弹齿式残膜回收机具有低成本、高效率、结构简单可靠等优点，但普遍存在脱膜不彻底、脱膜机构和搂膜弹齿易损坏变形的问题[7-9]。针对上述问题，本试验设计了一种弹齿式残膜回收机脱膜装置，并研究脱膜机构、分析脱膜原理，旨在改善脱膜不彻底的问题，以提升机具作业水平，为残膜回收机脱膜装置的设计提供理论基础和参考。

2 结构组成与工作原理

4MKJ-2000残膜回收打捆与秸秆粉碎联合作业机（下文简称4MKJ-2000联合作业机）中残膜回收部分的结构如图1所示，主要由机架、齿链、脱膜装置及打包系统等部件组成。

图1 弹齿式残膜回收机Figure 1 Spring tooth residual film reclaimer

机具作业时，外部动力由拖拉机提供，收膜链耙对地表残膜进行捡拾回收，收膜弹齿在运动过程中将地膜挑起，随弹齿运动至脱膜板处，在脱膜机构的作用下，回收的地膜从弹齿上脱离，掉入打包系统的V型槽中，前打包皮带带动残膜向下运动，后打包皮带带动残膜向上运动，形成相对运动，在打包系统的作用下，形成圆辊，随着残膜增多，膜辊直径增大，打包带张紧力增大，张紧力达到额定值或作业到地头时，液压油缸的作用使前后辊带组下端分开，升起收膜链耙及打包盖门，膜捆自动卸下，收膜链耙越过膜捆后方能进行下一轮作业。

3 关键零部件设计

3.1 弹齿

弹齿式捡拾机构作为机具的关键部件，其作业效果和可靠性直接影响残膜回收机的收膜效果，收膜弹齿在机具前进过程中，将残膜挑起，并在上升过程中将残留的土壤和秸秆等杂质进行分离，弹齿设计的关键既要保证入土流畅，将残膜充分收起，又要保证收起的残膜随弹齿平稳上升及时与秸秆碎土等杂质分离，且不漏膜、不壅土[10-12]。4MKJ-2000联合作业机的每一根弹齿轴上均匀分布安装10组弹齿，弹齿轴通过带座轴承与固定板成45°倾角和机架相连，链条带动弹齿旋转。弹齿轴装配图如图2所示。

图2 弹齿轴装配图Figure 2 Spring tooth shaft assembly drawing

机具作业速度过快会影响收膜和脱膜效果，过慢则达不到工作效率。为研究弹齿起膜原理，对弹齿进行运动轨迹研究，如图3所示可知，θ为初始相位角，ω为拾膜弹齿角速度，V为机具运行速度，L为弹齿长度，R为链轮半径，A为起膜入土点，B为起膜出土点，圆弧AB为弹齿尖运动路径，弹齿尖运动方程为圆弧AB对应的方程，弹齿尖运动方程对时间求导可得其运动速度与时间的方程。

图3 弹齿运动轨迹Figure 3 Trajectory of spring tooth

弹齿尖运动方程：

其中弹齿转过的角度θ与时间t的关系为：θ=ωt，即运动位移与时间的关系：

将上式对时间t求导可得水平和竖直方向的速度方程：

由式（3）可得，弹齿运动速度与拾膜弹齿角速度ω、机具运行速度V、弹齿长度L和链轮半径R有关。兼顾收膜效果和结构可靠性设计弹齿长度L为180mm，弹簧部分内径r为46mm，链轮半径R为310mm。

弹齿长度也是影响脱膜的关键因素，弹齿过长易发生折弯和变形，且收起的残膜在秸秆、土壤等作用下，大部分堆积在弹齿根部，不易将其脱下；弹齿过短时，对残膜的回收不彻底，还会出现残膜脱离弹齿的现象，所以选择合适的弹齿长度，对脱膜至关重要。

3.2 脱膜板

脱膜机构是将弹齿上收起的残膜脱下的核心部件，也是打包成型的基础，由脱膜板压板、脱膜板、脱膜板角钢、弹齿缝组成，其结构如图4所示。搂膜弹齿每经过一次地表时，都会有大量残膜悬挂在弹齿上，为不影响后续搂膜工作，需将弹齿上的残膜卸下，链耙转动带动弹齿向上运动，卸膜板上设置有弹齿缝，只允许弹齿经过，从而将弹齿上的残膜卸下。

图4 脱膜板结构Figure 4 Structure diagram of stripper

为避免拾膜弹齿与脱膜板发生刚性碰撞，造成塑性变形，影响后续使用，故卸膜板采用柔性橡胶刮板，并设置有弹齿缝，方便将残膜刮下且允许弹齿通过，卸膜板通过卸膜板角钢焊接在机架上。脱膜机构与收膜链耙的相对位置如图5所示，弹齿拾起的残膜在上升过程中一部分因自身重力落在打包系统的V型槽中进行打包，另一部分由弹齿输送至卸膜板处被卸下，落入打包系统的V型槽中，最终完成收膜作业。

图5 脱膜机构与收膜链耙相对位置Figure 5 The position of the release mechanism relative to the take-up chain rake

4 试验设计与模型建立

4.1 试验设计

4.1.1 田间试验

如图6所示，为更加准确地了解该齿链式残膜回收机的脱膜率，2020年10月在棉花收获后，选择新疆生产建设兵团第八师一二一团进行秋收后田间试验，试验前滴灌带及设施已全部清理。配套拖拉机选用约翰迪尔1354，动力86.6kW，牵引速度7～9km·h-1，试验面积为20hm2，参考《GB/T 25412-2010残地膜回收机》制定试验方案[13-14]，选取棉田种植区间内5个不同行不同列，长度为10m的试验区，作业后采集已回收的残膜和残留在弹齿上的残膜样本，5次重复。残膜取样清洗晒干后用JAS5003A电子精密天平秤称质量，各参数取平均值[15-16]。

图6 田间试验Figure 6 field experiment

4.1.2 试验指标

高效的脱膜性能是残膜回收机持续工作的必要条件，根据实际作业情况确定脱膜率为试验指标，计算公式如下：

式中：η为脱膜率（%）；M0为已回收的残膜质量（g）；M1为残留在弹齿上的残膜质量（g）。

5 试验过程与结果分析

5.1 试验设计

分析弹齿式残膜回收机脱膜原理，根据其结构特点，可确定影响其脱膜率的主要因素有：机具运动速度X1、弹齿长度X2、脱膜板与弹齿接触角X3，试验参数各因素水平编码如表1所列，试验结果如表2所列。

表1 试验因素水平Table 1 Test factor level

表2 试验结果Table 2 Testing results

利用Design-expert软件对数据多元回归拟合并方差分析，如表3所列可知，回归模型P＜0.01为极显著因素，P＜0.05为显著因素。缠膜率Y的回归模型P＝0.0064，说明该模型为极显著，且失拟性检验P＞0.01为不显著，其中X2、X32为极显著因素，X1、X3、X12、X22为显著因素。剔除P＞0.05的不显著因素，得到脱膜率Y的回归方程为：

表3 回归模拟方差分析Table 3 Variance analysis regression model

Y=88.78-1.82X1-2.92X2-2.21X3-3.19X12-2.64X22-3.99X32

5.2 响应面分析

根据Box-behnken中心组合试验方法做出各互交因素对响应值影响的响应曲面图，如图7所示。

图7 各互交因素对响应值的影响Figure 7 The influence of the interaction factors on the response value

5.3 验证试验

利用Design-expert软件对其结构组成进行参数优化，为验证优化后结构参数的可行性，以优化参数进行田间试验，运动速度7.8km·h-1，弹齿长度160.6mm，脱膜板与弹齿接触角α为48.3°，脱膜率，为90.13%。结果取5次平均值，得到试验区平均脱膜率88.76%，与预期值相差1.5%，误差较小，满足作业要求。

6 结语

针对弹齿式残膜回收机，设计一种脱膜装置，对脱膜装置进行三因素三水平正交试验，并进行五次田间重复试验，运动速度7.8km·h-1，弹齿长度160.6mm，脱膜板与弹齿接触角α为48.3°，平均脱膜率88.76%，满足残膜回收机脱膜装置的作业要求。