气吹分离式垄作花生残膜回收机设计与试验

黄嘉宝，王东伟，尚书旗，何晓宁，郭鹏，左百强，赵泽龙，董成

（266109 山东省 青岛市 青岛农业大学 机电工程学院）

0 引言

花生是一种重要的油料和经济作物，2019 年全国花生播植面积约为470.5 万hm2，在我国种植业中占有重要地位。山东是我国花生传统种植区域，2019 年种植面积达到92 万hm2，占全国种植面积的19.77%。由于农用覆膜使用面积不断扩张和存留年限不断提高，残膜含量达到23.98 kg/hm2，残膜已成为影响作物增产增收的一大隐患[1-2]。

使用后的农膜较薄、易撕裂，人工回收农田残膜成本高且效率低，国内外基本上都使用农膜回收机械来清理。国内外研究学者对残膜回收机及其关键部件展开了大量研究，也研发了适应不同种植方式的残膜回收机[3-4]。目前市场上占主导地位的还是适用于北方农业环境的回收机型，尤其以新疆棉花等作物为主，机器工作幅宽大，要求机耕道更宽，但适合山东垄作区花生残膜回收机的研究较少。

另外，国内外学者在研究残膜回收机时往往只考虑单一的残膜分离装置，例如气吹式残膜回收机利用离心风机的风力达到脱膜，将土壤和残膜分离[5-6]；铲筛式残膜回收机在田间作业时，起膜铲将地膜起出，位于起膜铲上方的扫刷机构将地膜和土壤杂草混合物抛向输送机构，输送机构将杂余筛除，输送到集膜箱中[7-8]。本文借鉴气吹式残膜回收机的优点，在保留风机的基础上增加分离滚筒协同作业，既保障残膜回收机的土壤和残膜的分离效果，又大大提高了残膜回收率，为山东垄作区花生残膜回收机的设计提供了参考。

1 残膜回收机的设计

1.1 整机设计

针对现有残膜回收机存在的问题，以土中或土上残膜为主要研究对象，以机器与地表残膜的相互作用为研究目标，研制出适宜不同用膜方式的联合回收机，为残膜回收机的形式提供新思路。该机具主要由机架、传动系统、风机、掘土装置、输送装置、膜土分离装置、集膜箱、限深轮、支撑轮等部分组成，如图1 所示。残膜回收机由拖拉机牵引，再由拖拉机后输出轴提供动力，动力一路至传送带主动辊及风机，另一路经传送带主动辊另一侧传至后方分离滚筒主动轴，该部分由一对锥齿轮传动，滚筒筛外圈安装锥齿轮齿圈，从而带动滚筒筛旋转。

图1 残膜回收机侧视图Fig.1 Side view of residual film recovery machine

1.2 工作原理

作业过程中，前面的犁刀作为掘土装置，深入土层将膜土混合物铲起，其两侧的限深轮可调节，控制犁刀入土深度；犁刀后面焊接的栅条将膜土混合物挑至传送带，传送带将膜土混合物向后方输送，在导流板的汇聚作用下，膜土混合物顺利进入膜土分离滚筒；分离滚筒后部稍向下倾斜，滚筒内壁有筛网，滚筒转动，土从网格漏下，残膜及杂物滑到后部集膜筐；集膜筐满后，由液压装置将集膜筐翻转，将残膜倾倒至地头空旷处或者残膜回收站，完成残膜回收过程。

2 关键部件有限元分析

起膜铲工作时需要入土，为了保证其工作可靠，要求起膜铲有较高的强度。起膜铲工作过程中，受到土壤的阻力存在一定应力和变形，通过传统方法计算起膜铲的应力变化非常复杂，且目前还没有准确计算起膜铲与土壤间作用力的方法。因此采用有限元软件对起膜铲静强度进行分析，有助于预测起膜铲的应力分布和变形状况，可为起膜铲具体结构设计提供理论依据。

2.1 模型搭建

（1）模型处理。为减小计算量，对模型进行适当简化，对不规则几何模型进行分割处理，切割成多个零部件，以便划分结构。提取起膜铲的关键工作部件，如图2 所示。将部件导出为stp 格式，并导入到ANSYS 进行受力加载分析。

图2 起膜铲结构图Fig.2 Structural drawing of a shovel

（2）网格划分。上述stp 格式的起膜铲导入ANSYS 划分网格，指定网格尺寸对起膜铲进行网格划分，起膜铲网格数量199 133 个，节点数量316 972 个，起膜铲整体网格与局部网格如图3所示。

图3 起膜铲网格划分效果Fig.3 Meshing effect of film shovel

（3）模型材料及载荷添加。起膜铲材料为Q235钢，密度为7.8E-6 kg/mm3，弹性模量为2.1E5 MPa，泊松比为0.3，屈服强度为235 MPa，抗拉强度为466 MPa，延伸率为23%[9]。

起膜铲机具在前进速度为4 km/h 的情况下，根据相关文献选取阻力为4 kN[10]，将该载荷加载于起膜铲的工作表面，并在起膜铲左右两侧及中间部位与整机连接部位设置约束，如图4 所示。

图4 起膜铲加载与约束图示Fig.4 Diagram of loading and restraint of film shovel

2.2 仿真结果分析

起膜铲变形仿真结果如图5 所示，由于左右起膜铲在机架两端固定安装，同时在左右起膜铲交接位置增加与机架的连接点，因此起膜铲的最大变形位置应该在左右起膜铲的中间位置，仿真结果也反映出左右起膜铲中间位置为最大变形位置，由中间向两侧逐渐减小。由图5 可得起膜铲的最大变形为1.3 mm，但是相对于整体机架尺寸，变形十分微小。

图5 起膜铲变形图Fig.5 Deformation diagram of film shovel

起膜铲的应力应变如图6、图7 所示，左右起膜铲为两端固定，在起膜铲表面加载时，最大应力应变应该出现在两端固定点的位置，由图6、图7可知，最大应力为125 MPa，最大应变为0.063%，出现在左右起膜铲的连接部位，其数值远低于真实抗拉强度466 MPa 与延伸率23%，因此该起膜铲性能完全满足要求。

图6 起膜铲应变图Fig.6 Strain diagram of film shovel

图7 起膜铲应力图Fig.7 Stress diagram of film shovel

3 田间试验与结果分析

3.1 田间试验方法

田间试验在山东省农业科学院花生试验基地进行，试验品种为鲁花9 号。试验地属于典型花生种植主产区，试验面积0.05 hm2，土壤含水率15.9%，种植方式为垄作，如图8 所示。

图8 大田实验照片Fig.8 Field experiment photos

田间试验是对前期研究成果的检验，也是对新型垄作花生残膜回收机分离装置各项指标的检测，可对分离装置的合理性与科学性进行验证。通过设计试验，利用数据分析软件对试验数据进行优化处理，寻找分离装置的最优工作参数组合。

测定残膜回收率的方法有质量法和面积法。考虑到实验操作的可行性和数据测定的准确性，在本次试验和测定过程中，采用质量法计算测试区的残膜回收率。质量法分别将每个测试区所有塑料袋内的残膜除杂、洗净、晒干并称重，然后按式（1）计算测试区的残膜回收率。

式中：N——残膜回收率，%；M——回收残膜的质量，g；M0——未回收残膜的质量，g。

3.2 田间试验设计

分离滚筒装置是残膜回收机的重要拾膜部件和动力输出部件，其工作稳定性和连续可靠性直接影响气吹式残膜卷收机的性能、可靠性以及作业效率。根据前期的文献查阅和理论分析，在实际作业中，新型垄作花生残膜回收机的性能受到各种因素的影响，如机具前进速度、土壤性能、杆齿结构形状、起膜部件尺寸、起膜部件入土深度等，其中影响较大的因素是机具前进速度。若机具前进速度较大，残膜回收机易发生打滑且起膜部件与土壤之间的作用阻力较大；若机具前进速度较小，机具的工作效率较低。对起膜部件工作性能影响较大的另一个因素是分离滚筒的转速，其性能直接决定分离效率，影响残膜回收效果。根据前期理论分析和实际作业结果，可得各因素参数的取值范围：作业速度取值4、5、6 km/h；滚筒转速300、400、500 r/min，试验各水平组合如表1 所示。

表1 试验水平组合Tab.1 Test level combinations

3.3 试验结果分析

将回收的残膜及回收后在测试区捡拾的残膜带回实验室。按标签上每袋残膜的属性分别进行洗净、晒干并称重，实验数据统计如表2 所示。

表2 试验数据统计Tab.2 Statistics of test data

对实验数据的分析采用单一变量法，首先对机具前进速度单一变量影响展开分析，如图9 所示。对相同滚筒转速、不同机具行走速度下残膜回收率进行对比，如图10 所示。

图9 机具前进速度下残膜回收率Fig.9 Recovery rate of residual film at forward speed of the machine

由图9 可以发现，3 条折线都呈现随机具行走速度提高，残膜回收率先增大后变小，即残膜回收率：机具行走速度5 km/h >6 km/s>4 km/s，其中机具行走速度5 km/h 时残膜回收率平均值约为89%。出现这种现象的原因有2 方面，一是作业速度增加时，传送带震动较大，造成残膜在输送时重新落入田间；二是起膜部件与作业速度不匹配，起膜部件转速一定时，作业速度越大越会造成漏捡；但作业速度小时，残膜回收率较大，同时也必然会降低作业效率。所以应该考虑实际作业情况，选择合适的作业速度，本机行走速度选择5 km/h 最佳。

由图10 可见，在机具行走速度相同情况下，3 条折线都呈现随着滚筒转速提高残膜回收率先增大后变小，即残膜回收率：滚筒转速400 r/min>300 r/min>500 r/min。在滚筒转速400 r/min、机具行走速度5 km/h 工况下，残膜回收率约为89.3%。在实际工作状态下，滚筒转速过小会造成残膜和土壤一并掉入田埂，严重影响残膜回收率和工作效率；当滚筒转速过大时，残膜离心力大，当离心风机风速固定时，滚筒中的风力难以将残膜和土壤分离，也会影响残膜回收率。本机器最佳工作参数为滚筒转速400 r/min，机具行走速度5 km/h。

4 结论

（1）通过对残膜回收机起膜铲的有限元分析得出：在工作载荷作用下，最大应力为125 MPa，最大应变为0.063%，数值远低于真实抗拉强度466 MPa与延伸率23%，因此该起膜铲性能完全满足要求。

（2）完成了样机试制。进行了田间试验，通过单一变量分析得到作业速度5 km/h、滚筒转速400 r/min 为本机器最佳工作参数，残膜回收率达到89%。