推送式旋齿起膜机构设计与试验

郭继杰 温浩军 缑海啸 黄国聪 景武辉

摘要：針对现有残膜回收机起膜机构易堵塞、脱膜难等问题，设计一种推送式旋齿起膜机构，该机构可同时完成起膜及辅助上膜工作。设计平行四杆结构、旋齿结构、排列方式及间距；构建旋齿运动轨迹方程，分析相邻旋齿轨迹，检验不漏膜条件，确定影响起膜性能的主要因素；分析旋齿与输送装置作用下膜土混合物的受力情况，确定影响残膜捡拾性能的主要因素为机具作业速度、旋齿起膜机构转速、挂膜输送带与旋齿起膜机构水平距离、竖直距离，根据工作条件确定因素取值范围。设计四因素五水平试验，探究机具作业速度、旋齿起膜机构转速、挂膜输送带与旋齿起膜机构水平距离、竖直距离对残膜捡拾率的影响规律。开展田间试验，利用Design-Expert软件对试验结果进行参数优化分析，并以最优参数组合，进行田间试验验证。试验结果表明，当机具作业速度为1.43 m/s、旋齿起膜机构转速为60.5 r/min、挂膜输送带与旋齿起膜机构水平距离为308.24 mm、竖直距离为91.22 mm时，预测残膜捡拾率为91.8%，实际残膜捡拾率为91.2%，满足残膜回收机具作业要求。

关键词：残膜回收；推送式；旋齿起膜机构；平行四杆结构

中图分类号：S223.5

文献标识码：A

文章编号：2095-5553 （2023） 04-0040-10

Abstract： Aiming at the problems of the existing film lifting mechanism of the residual film recycling machine， such as easy plugging and difficult film removal， a push type rotary tooth film lifting mechanism is designed， which can simultaneously complete film lifting and auxiliary film loading. Design parallel four bar structure， rotary gear structure， arrangement and spacing; The motion track equation of the rotary gear is constructed， the adjacent rotary gear track is analyzed， the main factors affecting the film forming performance are determined， and the film leakage condition is checked; The stress of membrane soil mixture under the action of rotary gear and conveyor is analyzed， and the main factors affecting the performance of residual film picking are determined as the operating speed of the machine， the rotational speed of the rotary gear film lifting mechanism， the horizontal distance and vertical distance between the film hanging conveyor belt and the rotary gear film lifting mechanism. Determine the factor value range according to the working conditions. The four factor five level test was designed to explore the influence of the machine speed， the rotating speed of the rotary tooth film lifting mechanism， the horizontal distance between the film hanging conveyor belt and the rotary tooth film lifting mechanism， and the vertical distance on the residual film picking rate. The field test was carried out， and the parameters of the test results were optimized and analyzed by using Design-Expert software， and the field test was verified by using the optimal parameter combination. The test results show that when the operating speed of the machine is 1.43 m/s， the rotating speed of the rotary tooth film lifting mechanism is 60.5 r/min， the horizontal distance between the film hanging conveyor belt and the rotary tooth film lifting mechanism is 308.24 mm， and the vertical distance is 91.22 mm， the predicted residual film picking rate is 91.8%， and the actual residual film picking rate is 91.2%， meeting the operating requirements of the residual film recovery machine.

Keywords：  residual membrane recovery; push type; rotary tooth film lifting mechanism; parallel four-bar structure

0 引言

覆膜种植模式具有增温保墒、抑制杂草、促进作物早熟、提高作物产量等优势，可大幅提升农作物经济效益，因此被广泛应用于农作物生产过程中，但与此同时，残膜污染问题也逐渐加重［1-3］。由于地膜不易自然降解且长期缺乏有效回收方式，未被清理完全的残膜残留在土壤中逐年积累，污染农田环境，影响作物正常生长，农田地膜残留问题已成为我国农业可持续发展的一大隐患［4-7］。地膜回收方式主要包括人工捡拾和机械回收，相比于人工捡拾，机械化回收具有成本低、作业效率高等优势，是解决残膜污染的重要手段［8-10］。

我国研究开发了多种残膜回收机具，按捡拾装置的结构形式可分为弹齿式、杆齿式、偏心滚筒式、齿链式等。作业流程主要包括起膜、捡拾、输送、脱膜、集膜等［11-13］。起膜装置是残膜回收机具的重要部件，主要可分为固定式和旋转式两种类型，我国学者针对这两种类型都开展了相关研究。康建明等［14］设计了一种起膜铲，对起膜铲导曲面进行设计，并研究不同入土角、起膜铲间距对起膜率的影响；杨松梅［15］设计三种起膜齿，在棉田中测试，探究不同起膜齿对起膜率、机具牵引力、土壤扰动特性及棉花起茬效果的影响；孙岳等［16］为解决耕层残膜回收问题，设计一种旋转式起膜装置，并对其起膜机理进行分析，研究起膜装置转速、起膜装置与输送装置距离对起膜率和膜土分离效果的影响；张新超［17］设计一种钉齿滚筒式起膜装置，利用反向转动的毛刷脱膜，滚筒可随地面高度变化而变化；王昭宇等［18］针对随动式残膜回收机工作过程中出现的起膜铲易堵塞问题设计起膜轮，并分析起膜轮结构参数与工作参数对残膜回收率、清杂率的影响。

固定式起膜装置存在工作阻力大、易积累杂质、造成堵塞等问题。旋转式起膜装置可解决杂质堵塞问题，但易缠膜，导致机具可靠性较低。因此本文针对上述问题，设计一种推送式旋齿起膜机构，该机构通过平行四杆结构保持旋齿在作业过程中始终处于竖直状态，有效防止旋齿出土后挑起膜土混合物，实现自动脱膜；与布置在起膜机构前方的捡拾输送机构联合作业将起膜过程中积累在旋齿前端的膜土混合物捡拾并输送。通过理论分析与田间试验研究确定推送式旋齿起膜机构的最优结构及工作参数，提升旋齿式残膜回收机作业性能，为残膜回收机的机构部件设计提供参考。

1 整机结构与工作原理

1.1 整机结构

如图1所示，旋齿式残膜回收机主要由推送式旋齿起膜机构、挂膜输送带、卷膜机构、机架、变速箱等组成。推送式旋齿起膜机构被固定在机架末端，挂膜输送带倾斜设置在推送式旋齿起膜机构前方；油缸将机架与轮胎连接，以此来实现机具运输与工作深度调整；卷膜机构位于挂膜输送带上端的下部，变速箱布置在机架最前端。

1.2 工作原理

工作时，拖拉机牵引机具前进，动力由拖拉机后输出轴输入至变速箱，继而通过其两侧输出轴输出至机具各部分。左侧链传动驱动推送式旋齿起膜机构工作，右侧链传动驱动挂膜输送带与卷膜机构工作。机具向左侧运动，推送式旋齿起膜机构顺时针旋转，旋齿入土将地膜与土壤向前堆积，膜土混合物被推压至挂膜输送带下端，在旋齿与挂膜输送带共同作用下将地膜捡拾并向上输送。在输送过程中，部分土壤与秸秆从挂膜输送带间隙掉落，挂膜输送带在末端反转，地膜在挂膜输送带离心力及自身重力作用下从挂膜输送带掉落，被底端高速转动的卷膜机构缠绕。

2 关键部件设计

如图2所示，推送式旋齿起膜机构主要由转轴、支撑盘、动盘、摇臂、旋齿梁等部件组成，两侧结构对称分布。转轴与机架两侧通过带座轴承连接，内侧与支撑盘键接，支撑盘内侧与法兰盘利用螺丝螺杆固定连接，摇臂下端与穿过支撑盘的旋齿梁轴头键接，上端与动盘圆周方向布置的滚动轴承连接，定盘与机架固定连接。旋齿梁由方管和两侧轴头组成，旋齿梁沿支撑盘圆周方向等距分布，旋齿穿过旋齿梁被上下两侧螺丝固定。动盘外侧均匀设置外挂轴承，并安装外挂导向轮，外挂导向轮外侧边沿与定盘相切，以此来约束动盘，使动盘只可围绕固定中心旋轉。

2.1 平行四杆结构

如图3所示，推送式旋齿起膜机构由四组偏心平行四杆机构组成，OO1AB为其中一组，B-B′为旋齿梁，长度为2 234.5 mm，其上竖直安装旋齿FG。

两侧结构对称分布，O、O1两点分别为支撑盘和动盘的固定轴心，O-O′为转轴；E点为O点在动盘平面上的投影点，O1E为偏心距，AB为摇臂，其上端与动盘平面相交于A点，下端与支撑盘平面相交于B点。根据旋齿式残膜回收机捡拾输送装置尺寸，将旋齿梁运动半径OB设计为190 mm，偏心距O1E设计为90 mm。

2.2 旋齿

2.2.1 旋齿结构

文献［15］中研究结果表明，当土壤与部件的接触面和土壤水平面垂直时，地膜与土壤分离效果最好。分析现有残膜回收机旋转式起膜装置可知，当钉齿在出土后与竖直方向成一定角度时，地膜不易脱离钉齿。因此将旋齿类型设计为直齿形式且始终保持竖直向下的状态。钉齿下端采用圆锥式结构可减小入土阻力；齿身采用圆柱式结构可增大地膜接触面，有效防止起膜过程中地膜撕裂现象。因此，旋齿结构采用尖头直式钉齿形式，其结构如图4所示。

图5所示为推送式旋齿起膜机构简化结构—平行四杆机构，旋转半径为R，旋齿长度为L，OO1=AB=90 mm，OB=O1A=190 mm。当平行四杆机构处于上端死点位置时，连杆O1A、OB、AB与旋齿BC共线，为避免此时旋齿与转轴产生干涉，旋齿长度应小于旋齿梁中心与转轴外边缘间距；当旋齿梁位置低于挂膜输送带下端时易引起残膜回带，因此，在满足机构力学性能和结构设计要求情况下，应尽可能增大旋齿长度。通过前期试验，将旋齿长度L设计为150 mm。

2.2.2 旋齿排列及间距

如图6所示，新疆棉田普遍实行一膜六行的宽窄行种植模式，窄行相邻棉株间距为100 mm，宽行相邻棉株间距为660 mm［19］；地膜宽度最大距离为2 050 mm，为保证旋齿工作范围满足作业需求，旋齿最大工作距离需超过地膜宽度最大距离，因此将旋齿最大工作距离D设计为2 100 mm。旋齿排列方式采用交错式排列，两种齿数不同的旋齿梁沿轴向间隔分布［17］。

前期田间试验测得最大棉秆长度L1=180 mm，将参数代入式（1）、式（2）可得，129.52≤D1≤180。根据前期田间试验，将旋齿间距D1设计为150 mm。

3 工作过程分析

3.1 起膜过程分析

图7所示为推送式旋齿起膜机构工作示意图。以转轴轴心O为原点建立平面直角坐标系，设机具沿x轴正方向做速度v0的匀速直线运动，推送式旋齿起膜机构以角速度ω顺时针转动，初始相位角为φ，根据图中几何关系可求得旋齿末端点C的轨迹方程。

4.3 试验结果与分析

4.3.1 回归模型及显著性检验

试验结果如表2所示，利用Design-Expert 8.0.6软件对试验结果进行方差分析，如表3所示。

4.3.2 试验因素对残膜捡拾率的影响

由表（3）中F值可检验各因素对残膜捡拾率影响作用，由大至小依次为竖直距离x4、机具作业速度x1、水平距离x3、转速x2。在显著因素交互作用中，机具作业速度与水平距离交互作用x1x3对残膜捡拾率影响作用最大，然后依次为机具作业速度与转速x1x2、机具作业速度与竖直距离x1x4，转速与水平距离x2x3。通过响应曲面图可对因素间交互作用进行分析［28-29］。

图11（a）所示为挂膜输送带与旋齿起膜机构之间水平距离、竖直距离处于（1，-1）水平时，残膜捡拾率随机具作业速度和旋齿起膜机构转速交互作用的变化规律。当旋齿起膜机构转速不变时，残膜捡拾率随着机具作业速度逐渐增大呈现出先增大后减小的趋势，机具作业速度在1.46 m/s附近时，残膜捡拾率有最大值；转速不变时，水平距离增大，残膜捡拾率先增大后减小，当转速在60 r/min左右时，残膜捡拾率有最大值。机具作业速度与转速过大或过小都会导致残膜捡拾率降低，当与挂膜输送带和旋齿起膜机构间距相匹配时残膜捡拾率高。

图11（b）所示为旋齿起膜机构转速、挂膜输送带与旋齿起膜机构竖直距离处于（0，1）水平时，残膜捡拾率在机具作业速度和水平距离交互作用下的变化规律。当水平距离不变时，残膜捡拾率随着机具作业速度的增大呈现先增大后减小的趋势，水平距离在310 mm附近时残膜捡拾率达到最大值，然后缓慢减小。当转速不变时，机具作业速度增大，旋齿起膜长度增长，旋齿与挂膜输送带对膜土混合物的作用力增大，捡拾率上升明显。当机具作业速度过大，导致积累在旋齿前膜土混合物过多，小部分不能被及时向上运送，残膜捡拾率逐渐减小。

图11（c）所示为旋齿起膜机构转速、挂膜输送带与旋齿起膜机构水平距离处于（0，1）水平时，残膜捡拾率在机具作业速度与竖直距离交互作用下的变化规律。机具作业速度不变，捡拾率随着竖直距离增大呈先增大后减小的趋势，竖直距离在0水平附近时残膜捡拾率有最大值。其主要原因是当竖直距离由低水平逐渐增大，旋齿入土深度减小，出土时积累膜土混合物减少，残膜捡拾率增大，当竖直距离越过0水平后，膜土混合物体积小，旋齿与挂膜输送带对膜土混合物的作用力减小，残膜不易被挂膜齿捡拾，残膜捡拾率降低。

4.4 参数优化及验证

为实现最优作业效果，在试验因素范围内寻找残膜捡拾率最大值。利用Design-Expert软件寻优模块，对建立的回归模型进行优化求解，确定最优参数组合：机具作业速度为1.43 m/s、旋齿起膜机构转速为60.5 r/min、水平距离为308.24 mm、竖直距离为91.22 mm，预测捡拾率为91.8%。

为验证优化结果的可靠性，以最优参数组合进行3次田间试验，对3次试验结果取平均值，试验结果如表4所示。残膜捡拾率均值为91.2%，与预测值相差0.6%，小于3%，在误差范圍内，表明回归模型具有可靠性。

5 结论

1） 针对现有残膜回收机起膜装置存在的易堵塞和脱膜难等问题，设计一种推送式旋齿起膜机构。设计推送式旋齿起膜机构结构及工作原理，并通过实际作业条件对其关键部件进行设计，确定平行四杆结构曲柄长度为190 mm，偏心距为90 mm，旋齿长度为150 mm，旋齿间距为150 mm。

2）  通过分析起膜过程中旋齿运动轨迹来确定影响起膜性能的主要因素，检验不漏膜条件。通过对辅助捡拾过程中膜土混合物受力分析来确定影响残膜捡拾性能的主要因素，通过分析工作条件确定因素取值范围。确定以机具作业速度、旋齿起膜机构转速、挂膜输送带与旋齿起膜机构水平距离、竖直距离为试验因素，以残膜捡拾率为试验指标。

3） 采用二次回归正交组合试验设计方法设计试验方案并进行田间试验。根据试验结果建立二次回归模型并分析响应曲面，得出各因素对残膜捡拾率的影响作用从大到小依次为挂膜输送带与旋齿起膜机构竖直距离、机具作业速度、挂膜输送带与旋齿起膜机构水平距离、旋齿起膜机构转速。

4） 利用Design-Expert 8.0.6软件寻找最优参数，最优参数组合为：机具作业速度为1.43 m/s、旋齿起膜机构转速为60.5 r/min、挂膜输送带与旋齿起膜机构水平距离为308.24 mm，竖直距离为91.22 mm，预测残膜捡拾率为91.8%。根据参数优化结果将机构改进设计并进行3次田间验证试验，试验结果表明推送式旋齿起膜机构在最优参数组合条件下，残膜捡拾率为91.2%，试验结果满足残膜回收作业要求，研究结果可为残膜回收机设计及参数优化提供参考。

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