膜面清潔打捆自卸式殘膜回收機的設計

李 東 趙武云* 辛尚龍 曲 浩 劉小龍 梁加棟

(1.甘肅農業大學 機電工程學院，蘭州 730070；2.甘肅武威興東機械有限公司，甘肅 武威 733018)

地膜覆蓋是旱作農業的關鍵技術措施，具有良好的增溫、保墑、滅草功能，可有效提高農作物產量和品質，特別是在干旱少雨的西北地區，可使玉米、馬鈴薯等作物增產30%以上。而大量土壤殘留地膜不僅增加了微塑料在土壤中的累積，還破壞了土壤團聚體，降低土壤的通氣和透水性，影響土壤結構，進而損害作物生長[1-3]。

為解決殘膜導致的環境污染問題，近年來，我國研究人員研制了不同的殘膜回收機械，按殘膜回收時期可分為播前、苗期及秋后殘膜回收機，其中秋后殘膜回收機在我國應用最廣。秋后殘膜回收機在結構上主要有伸縮彈齒式、彈齒耙齒式、起茬篩網式、滾筒纏繞式、氣吸式等。國外殘膜回收機大多利用地膜自身的拉力實現地膜與土壤的分離，主要在苗期以卷收為主，而我國則利用殘膜回收機械的摟、扎、卷、挑等輔助收膜，主要在秋后對殘膜進行回收[4-10]。

甘肅省河西灌區玉米收獲后，秸稈留茬高，地表殘留秸稈量大、秸稈根系發達，現有殘膜回收機不能有效的將秸稈回收或還田，不能清理膜面上覆蓋的秸稈，目前殘膜回收處于無機可用狀態。本研究針對河西灌區玉米的種植方式，旨在設計一種膜面清潔打捆自卸式殘膜回收機，以期為河西灌區殘膜回收機具的研發提供參考。

1 總體結構與工作原理

1.1 整機結構

膜面清潔打捆自卸式殘膜回收機整體結構由懸掛裝置、機架、傳動裝置、膜面清潔裝置、起膜裝置、撿拾喂入裝置、打捆裝置、卸膜裝置和地輪組成(圖1)。傳動裝置由變速箱、鏈輪、齒輪、鏈條等組成；膜面清潔裝置由滅茬甩刀、甩刀前后擋板、秸稈輸送攪龍、秸稈輸送攪龍下擋板、秸稈輸送攪龍軸及秸稈排出口組成；起膜裝置由起膜鏟、起膜鏟深淺調節裝置及起膜鏟保持架組成；撿拾喂入裝置由撿拾滾筒、偏心伸縮扒齒、曲柄及鏈輪等組成；打捆裝置由轉輥、打捆機動力接入齒輪、轉輥鏈輪、傳動鏈條等組成；卸膜裝置由卸膜導板油缸、卸膜導板、隨動導板、打捆機升降導軌、打捆機升降油缸組成。配套動力102 kW以上的輪式拖拉機，一次能完成膜面清潔、起膜壓茬、碎土、膜土輸送分離、廢膜打捆和卸膜作業。適合土壤含水率低于18%的平作和全膜雙壟溝地塊撿拾作業，有利于減少殘膜對土壤及生態環境的污染。膜面清潔打捆自卸式殘膜回收機主要技術參數見表1。

1.地輪；2.懸掛裝置；3.變速箱；4.膜面清潔裝置；5.機架；6.鎮壓輥；7.傳動裝置；8.卸膜裝置；9.起膜裝置；10.撿拾裝置；11.脫膜裝置；12.打捆裝置1.Ground wheel; 2.Suspension device; 3.Gearbox; 4.Membrane surface cleaning device; 5.Frame; 6.Pressing roller; 7.Transmission device; 8.Membrane unloading device; 9.Membrane lifting device; 10.Pick up device; 11.Feeding device; 12.Baling device圖1 膜面清潔打捆自卸式殘膜回收機整體結構Fig.1 Overall structure diagram of film surface cleaning， bundling and self unloading residual film recovery machine

表1 膜面清潔打捆自卸式殘膜回收機主要技術參數Table 1 Main technical parameters of film surface cleaning,bundling and self unloading residual film recovery machine

1.2 工作原理

作業前，已對玉米秸稈進行回收，但留茬較高。為保證膜面干凈，在殘膜回收時需對未收干凈的秸稈進行切碎輸送，樣機以懸掛方式與拖拉機聯接，傳動裝置通過動力輸入軸與拖拉機的動力輸出軸相連接。作業時，機組沿地塊最左側膜行前行，甩刀將未收干凈的玉米秸稈、部分根茬切碎，被切碎的秸稈沿甩刀逆時針方向拋送。甩刀在高速旋轉時產生負壓，秸稈輸送攪龍在旋轉的同時將切碎的秸稈向機具前進方向的左側輸送，完成膜雜分離的膜面清潔工作。由于河西灌區采取灌溉種植，土壤的板結度較高，鎮壓輥對土壤表層結構進行破碎處理，起膜鏟將地膜從地表揭起，撿拾喂入裝置中的偏心伸縮扒齒對揭起的地膜進行撿拾，撿拾起來的地膜隨著撿拾滾筒做逆時針旋轉，當撿拾滾筒旋轉到成捆室喂入口時，偏心伸縮扒齒伸進撿拾滾筒，脫膜轉輥反向旋轉，將撿拾的殘膜喂入到成捆室中，殘膜在成捆室中進行旋轉，當殘膜體積達到成捆室容積時，將打捆裝置動力切斷并利用液壓油缸控制進行提升，提升到最高位置時，利用液壓油缸打開打捆機構前半部分進行卸膜，完成整個殘膜回收工作。

2 關鍵部件設計

2.1 膜面清潔裝置

膜面清潔裝置由滅茬甩刀、甩刀前后擋板、秸稈輸送攪龍、秸稈輸送攪龍下擋板、秸稈輸送攪龍軸及秸稈排出口組成(圖2)，其中秸稈輸送攪龍的直徑為200 mm，旋向為右旋，位于滅茬甩刀的側后上方。為確?；厥盏哪っ娓蓛魺o秸稈，膜面清潔裝置的設計在現有滅茬機構的基礎上，重新設計了滅茬甩刀的數量及在刀軸上的排列方式，并增加了秸稈輸送攪龍，利用負壓原理將切碎的秸稈輸送到已作業地表。

1.滅茬甩刀；2.甩刀刀軸；3.秸稈輸送攪龍下擋板；4.秸稈輸送攪龍軸；5.秸稈輸送攪龍；6.甩刀后擋板；7.機架；8.主動帶輪；9.動力輸出軸；10.甩刀前擋板；11.懸掛裝置1.Stubble cutter; 2.Cutter shaft; 3.Lower baffle plate of straw conveying agitator; 4.Straw conveying agitator; 5.Straw conveying auger; 7.Frame; 8.Driving pulley; 9.Power output shaft; 10.Front baffle plate; 11.Suspension device圖2 膜面清潔裝置結構示意圖Fig.2 Structure of film surface cleaning device

膜面清潔裝置中的滅茬甩刀由L型甩刀和直刀組合而成，組合式甩刀兩側采用L型甩刀，中間加置一片直刀。經試驗，組合式甩刀針對類似玉米收獲后未完全干的作物秸稈，其切碎效果比L型甩刀和直刀相對較好。組合式甩刀采用65Mn鋼制造，并對其進行熱處理，使其表面硬度HRC為48～56，芯部硬度為33～40，其一組甩刀的作業幅寬為39 mm[11]。

甩刀數量直接影響切碎效果，若數量過多，會導致機具能耗增加，甚至出現壅堵現象；若數量過少，對作物秸稈的切碎效果不理想，會出現漏割現象。因此，合理布置甩刀的數量才會改善對作物秸稈的切碎效果，滅茬甩刀的數量由式(1)計算：

N=CL

(1)

式中：N為滅茬甩刀的數量，片；C為刀片的排列密度，片/mm；L為作業幅寬，mm。

根據《農業機械設計手冊》[12]，L型甩刀的刀片的排列密度C為0.02～0.04片/mm，在本設計中機具的作業幅寬L=1 400 mm，結合河西灌區復雜的地表工況，為提高膜面清潔裝置的效果，L型甩刀的數量取72片。

理想的切碎效果除了合理的甩刀數量，滅茬甩刀在刀軸上的排列方式對切碎效果也有一定程度的影響。目前國內常見滅茬甩刀的排列方式主要有：對稱排列、單螺旋線排列、雙螺旋線排列及交錯排列等[13-17]。合理排列甩刀，有利于降低機具的震動提高機具的切碎效果。在本設計中甩刀采取單螺旋的排列方式，按照4排10列的方式布置在刀軸上，每排設有18片L型甩刀，每4片L型甩刀為一組，每相鄰兩組之間的夾角為90°，考慮河西地區玉米種植農藝及機具的工作幅寬，將最后2片L型甩刀單獨成組(圖3)。

表示4片L型甩刀；表示2片L型甩刀。共有72片L型甩刀。represents 4 L-shaped swing blades. represents 2 L-shaped swinging blades. A total of 72 L-shaped swinging blades.圖3 刀軸上滅茬甩刀的排列Fig.3 Arrangement of stubble killing and throwing blades on the cutter shaft

2.2 起膜裝置

起膜裝置包括起膜鏟、起膜鏟深淺調節機構及起膜鏟保持架(圖4)，用于將地表的玉米根茬破開并將地膜挑起，確定起膜鏟的數量為10個，均布在起膜鏟保持架上，相鄰起膜鏟的距離為150 mm。起膜裝置設計在機具前進方向的最后端。起膜鏟深淺調節機構設在機架上，可對起膜鏟的高度進行調整。起膜鏟保持架上設計有起膜鏟，起膜鏟直接與地表接觸，可將根茬從中破開并將地表的殘膜挑起，地膜稍多時會向后堆積。偏心撿拾扒齒在旋轉的過程中將堆積在起膜鏟處的地膜挑起，沿導膜桿送向打捆裝置，在脫膜轉輥的作用下將撿拾的殘膜喂入成捆室。

1.偏心伸縮扒齒；2.起膜鏟；3.撿拾滾筒；4.曲柄；5.起膜鏟深淺調節機構；6.起膜鏟保持架；7.導膜桿1.Eccentric retractable pick up teeth; 2.Film lifter; 3.Pick up roller; 4.Crank; 5.Depth and shallowly adjusting mechanism of film lifting shovel; 6.Film lifter cage; 7.Film guide rod圖4 起膜鏟與撿拾裝置結構示意圖Fig.4 Structure diagram of film lifter and pick up

圖5為起膜鏟受力簡圖。依據起膜鏟的受力簡圖，確定殘膜和土壤所受作用力的平衡方程[18-19]為：

(2)

F=Nf

(3)

T為殘膜和土壤在起膜鏟表面移動所需的力；F為起膜鏟對土壤和殘膜的摩檫力；N為起膜鏟對土壤和殘膜的作用力；G為殘膜土壤及根茬的重力；f為起膜鏟對接觸物的摩擦因數；S為起膜鏟鏟尖長；α為起膜鏟的入土傾角；H為起膜鏟鏟尖最大高度。T is the force required for the movement of the plastic film soil and the residual film on the surface of the film lifting shovel; F is the friction force of the film lifting shovel on the soil and the film; N is the force of the film lifting shovel on the soil and the film; G is the gravity of the plastic film soil and the stubble; f is the friction factor of the contact between the film lifting shovel; L is the length of the film lifting shovel tip; α is the angle of penetration of the film shovel; H is the maximum height of the film lifting shovel tip.圖5 起膜鏟受力分析圖Fig.5 Stress analysis diagram of film lifting shovel

式中：T為殘膜和土壤在起膜鏟表面移動所需的力，N；F為起膜鏟對土壤和殘膜的摩檫力,N；N為起膜鏟對土壤和殘膜的作用力,N；G為殘膜土壤及根茬的重力,N；α為起膜鏟入土傾角，(°)；f為起膜鏟對接觸物的摩擦因數。綜上可得：

(4)

由式(4)及試驗得到：如果入土傾角過大，會將土壤及根茬、殘膜一并鏟起，將導致土壤和根茬都壅堵在起膜鏟附近，對撿拾作業造成極大不便。如果入土傾角過小，將導致邊膜無法鏟起。綜合考慮河西灌區的種植條件，并結合田間試驗，可得起膜鏟的入土傾角α的取值范圍為18°～26°，本研究取α=23°。

2.3 撿拾喂入裝置

撿拾喂入裝置由撿拾滾筒、偏心伸縮扒齒、曲柄及鏈輪等組成。撿拾滾筒的設計直徑為380 mm，滾筒體內部設有27個偏心伸縮扒齒，呈3排均布在撿拾滾筒上，每3個偏心伸縮彈齒設在2個起膜鏟之間。

偏心伸縮扒齒通過曲柄與固定半軸固結在一起，偏心伸縮扒齒軸與滾筒中心有一定的偏心距，工作時要求偏心伸縮扒齒轉到機具最下端時伸出，以便于撿拾、撥送，轉到機具上方時，縮回滾筒體，將撿拾的廢膜喂入到成捆室中。調節偏心伸縮彈齒軸與筒體中心的相對位置，可改變扒齒伸縮位置和伸出長度。偏心伸縮扒齒的確定參照《農業機械設計手冊》中谷物聯合收獲機伸縮扒指的計算方式，按式(5)計算：

(5)

式中：l為偏心伸縮扒齒的長，mm；d為撿拾滾筒外直徑，mm；e為偏心距，mm，偏心距e=65～70 mm，取e=70 mm，故偏心伸縮扒齒的長l=270 mm。

2.4 打捆裝置

打捆裝置由轉輥、打捆機動力接入齒輪、轉輥鏈輪、傳動鏈條等組成，其中打捆機前側板上安裝有7根轉輥，打捆機后側板上安裝有5根轉輥。轉輥呈八邊形，其中轉輥的外接圓直徑為150 mm，所回收的殘膜的最大直徑為600 mm。打捆過程中，殘膜不與轉輥發生纏繞，在卸膜工作狀態時可切斷打捆裝置的輸入動力。

2.4.1殘膜成捆室的設計

常見的成捆室結構有方形和圓形2種，方形成捆室常用于作物秸稈的打捆，其結構比較復雜，需要配套較高的動力。圓形成捆室常用于青儲飼料的打捆，結構簡單，體積較小。所回收的殘膜具有內松外緊的特點，故在本設計中選用了圓形成捆室。

殘膜成捆室由一組鋼管制成的轉輥排列成螺旋線形狀構成(圖6)。以殘膜成捆室為中心，喂入口下端3個轉輥按螺旋線方向依次縮進固定距離，打捆機轉輥呈逆時針旋轉，所回收的殘膜呈順時針旋轉，當殘膜旋轉到一定高度時，殘膜的上升速度基本為零，在殘膜自身重力下產生回落，殘膜在成捆室中不斷旋轉形成膜捆，在旋轉過程中將殘膜上的碎土漏掉[20-23]。

1.八棱轉輥；2.脫膜轉輥；3.殘膜1.Octagonal roll; 2.Stripping roll; 3.Residual filmD，所回收殘膜直徑；D1，轉輥所構成圓的直徑；d1，八棱轉輥的外接圓直徑。D is the diameter of the recovered residual film; D1 is the diameter of the circle formed by the roll; d1 is the diameter of the circumcircle of the eight edge roll.圖6 殘膜成捆室結構示意圖Fig.6 Structural diagram of circular bale chamber

參照秸稈圓捆打捆機的設計，所回收殘膜的直徑為D，八棱轉輥的外接圓直徑為d1，則轉輥所構成圓的直徑為D1=D+d1/2，此時需13根轉輥，調整八棱轉輥的位置為殘膜成捆室留有足夠的喂入空間，去掉1根轉輥，故八棱轉輥的設計總數為12根，其中前側板布置7根，后側板5根。

2.4.2打捆裝置轉輥的選擇

轉輥是打捆裝置的關鍵部件，殘膜被喂入到成捆室之后，在轉輥的作用下打成圓捆，目前我國使用最廣的有多邊形轉輥和圓形轉輥2種。

圓形轉輥大多用于作物秸稈的打捆，由于作物秸稈在物理特性上較殘膜表面粗糙，摩擦因數大，不易堵塞。而將圓形轉輥應用于殘膜打捆時，由于殘膜表面光滑，極易與圓形轉輥發生纏繞，纏繞到極限位置時，相鄰轉輥之間無法容納更多的殘膜，從而導致傳動系統超負荷運轉，打捆裝置無法工作。為盡量避免纏繞，殘膜打捆裝置中的轉輥選擇八邊形轉輥，設計轉輥長度為1 400 mm，直徑為150 mm。

2.4.3脫膜轉輥的設計

脫膜轉輥安裝在打捆裝置后側板上，與轉輥及伸縮扒齒直接接觸，同時起脫膜及喂入殘膜的作用，由脫膜軸和脫膜葉片組成。脫膜轉輥上均布有2對脫膜葉片，脫膜葉片與脫膜軸焊合，脫膜葉片高45 mm，脫膜軸及脫膜葉片的旋轉直徑為100 mm，脫膜葉片用于安裝脫膜的柔性材料，常用的柔性材料有橡膠板、綿綸帶、編制帶和尼龍絲，在本設計中脫膜的柔性材料選擇橡膠板，安裝在脫膜葉片外邊緣的1/3處，脫膜及喂入效果較好[24]。

2.5 卸膜裝置

卸膜裝置由卸膜導板油缸、卸膜導板、隨動導板、打捆機升降導軌、打捆機升降油缸等組成(圖7)，其中隨動導板設在打捆機前端下方，同時起導土和輔助卸膜作用。自卸裝置采取先提升再卸膜的方式，當成捆室內殘膜集滿后，對打捆機整體進行提升，提升到卸膜高度之后，操縱卸膜液壓油缸，打捆機打開一定角度的同時隨動導土板被用作輔助卸膜導板，使打成圓捆的殘膜滑動到卸膜導板，操縱卸膜導板液壓油缸將卸膜導板提升，殘膜順卸膜導板滑向已作業地塊，完成卸膜工作。

1.卸膜導板液壓缸；2.卸膜導板；3.打捆機升降液壓缸；4.打捆機轉輥；5.卸膜液壓缸；6.隨動導土板；7.打捆機升降導軌；8.打捆機安裝架1.Unloading guide hydraulic cylinder; 2.Unloading guide; 3.Baler lifting hydraulic cylinder; 4.Baler rol; 5.Unloading hydraulic cylinder; 6.Follow-up guide; 7.Baler lifting guide; 8.Baler mounting frame圖7 卸膜裝置結構示意圖Fig.7 Structure diagram of film unloading device

3 田間試驗

3.1 試驗條件

為驗證膜面清潔打捆自卸式殘膜回收機的作業效果、得到最優工作參數，2019年11月在甘肅省金昌市進行田間試驗。試驗地為玉米根茬地，種植幅寬1 400 mm，每3行為一種植幅寬，每行間距500 mm，土壤緊實度約為220 kPa，0～50 mm的土壤濕度約為17%，地膜表面玉米秸稈含量約200 g/m2，試驗田面積為1 hm2，配套世紀紅1404拖拉機，駕駛員技術嫻熟。

3.2 試驗指標

依據GB/T 25412—2010《殘地膜回收機》[25]，將試驗中測得的殘膜拾凈率和含雜率作為試驗指標，計算公式如下。

殘膜拾凈率：

(6)

式中：J為殘膜拾凈率，%；W為作業后的殘膜質量，g；W0為作業前的殘膜質量，g。

殘膜含雜率：

(7)

式中：Z為殘膜含雜率，%；G1為回收殘膜中玉米秸稈的含量，g；G2為未回收殘膜中玉米秸稈的含量，g。

3.3 試驗方案

田間試驗測試區域的長度大于100 m，寬度可以適應機具在田間往返3個工作行程。在測試區域選取兩批40個測試點，第一批測試點為20個，作為試驗前測試點，用來收集作業前殘膜。第二批20個測試點選取在第一批附近但不重疊區域，作為作業后的測試點，用來收集作業后殘膜。測試點在選取時沿地塊對角線的1/4～1/8的區域再加2條對角線的交點構成，然后以1.11、1.39、1.67、1.94 m/s的速度分別進行試驗。

試驗后，將作業前后測試點在地表及土壤深度100～150 mm的殘膜取出，作為試驗樣本，清洗其表面的塵土晾干后用精密電子天平(精度為0.000 1 g)進行稱重，并計算其平均值，按式(6)計算殘膜拾凈率；再將作業前后40個測試點所回收殘膜中參雜的玉米秸稈收集作為樣本，按式(7)計算殘膜含雜率。

3.4 試驗結果

膜面清潔打捆自卸式殘膜回收機田間試驗及膜面清潔效果見圖8，試驗過程中機具能夠平穩運行，無故障現象發生。試驗結果見表2，根據試驗數據及式(6)、(7)，可以得到：當作業速度為1.11～1.94 m/s 時，殘膜的平均拾凈率為91.25%，含雜率為3.77%，當作業速度為1.39 m/s時，殘膜的拾凈率為92.46%，含雜率為2.15%，此時為較適宜的作業速度，可以有效實現膜土分離、膜雜分離、地膜回收利用效率高，且可以達到GB/T 25412—2010《殘地膜回收機》規定的殘膜拾凈率標準。

圖8 膜面清潔打捆自卸式殘膜回收機田間試驗及膜面清潔效果Fig.8 Field test drawing and cleaning effect drawing of film surface of self unloading film recycling machine

表2 膜面清潔打捆自卸式殘膜回收機田間試驗結果Table 2 Field test results of film surface cleaning and bundling selfunloading residual film recovery machine

試驗過程中，當機具作業速度較高時，會出現殘膜漏撿現象，其原因是作業速度較快時導致部分邊膜在起膜的過程中遺漏。此外，在機具前進時，起膜鏟會將根茬從中破開，由于玉米根茬較大，使壓在根茬下方的少許殘膜無法撿拾。

4 結 論

針對河西灌區玉米機械化收獲作業后存在的地膜回收難、含雜率高和可利用價值低等問題，本研究設計了一種膜面清潔打捆自卸式殘膜回收機，能夠一次性完成膜面清潔、地膜撿拾與自動打捆卸膜作業，主要結論如下：

1)對膜面清潔裝置中滅茬甩刀結構形狀、數量及在刀軸上的排列方式和秸稈攪龍輸送裝置進行了設計，可實現將粉碎的秸稈輸送到已作業地表；結合河西灌區的工況，對起膜鏟的形狀和入土傾角進行了分析，確定了最佳入土傾角α=23°，撿拾喂入裝置中偏心伸縮扒齒長l=270 mm；根據河西灌區殘膜分離特性，對打捆室和轉輥的結構參數進行設計，確定打捆室中轉輥的數量為12根，長度為1 400 mm，直徑為150 mm，殘膜成捆室的直徑為600 mm。

2)田間試驗證明，最佳作業速度為1.39 m/s，在最佳作業速度下，殘膜拾凈率為92.46%，含雜率為2.15%，可以實現膜土、膜雜分離，有效解決了秸稈殘留附著在地面上造成的殘膜難以回收及回收后含雜多、可利用價值低的問題。