4MKJ-2000殘膜回收機脫膜裝置設計與試驗

王敏，王吉亮★，王?；?，2，盧勇濤，營雨琨，秦朝民，何玉澤，李凈凱，2

（1新疆農墾科學院機械裝備研究所，新疆 石河子 832000；2石河子大學機械電氣工程學院，新疆 石河子 832000）

地膜覆蓋栽培技術可增溫保濕，有效抑制雜草和病蟲害，改善作物生長環境和提高作物產量[1-3]。新疆作為我國主要種植棉花的省份之一，2018年地膜覆蓋面積為35.12萬hm2，棉田覆膜率100%。自然條件下，地膜可在土壤中殘留200—400年，地膜使用量日益增加，導致“白色污染”的風暴席卷全國，嚴重影響農業綠色可持續發展，治理殘膜污染迫在眉睫[4-6]。

目前處理殘膜的方法有人工撿拾、焚燒、填埋、機械回收等，人工回收勞動強度大、回收效率低；焚燒填埋浪費土地，焚燒后產生有害氣體污染環境；機械回收是目前最實用有效的解決方法。在新疆應用最廣泛的彈齒式殘膜回收機具有低成本、高效率、結構簡單可靠等優點，但普遍存在脫膜不徹底、脫膜機構和摟膜彈齒易損壞變形的問題[7-9]。針對上述問題，本試驗設計了一種彈齒式殘膜回收機脫膜裝置，并研究脫膜機構、分析脫膜原理，旨在改善脫膜不徹底的問題，以提升機具作業水平，為殘膜回收機脫膜裝置的設計提供理論基礎和參考。

2 結構組成與工作原理

4MKJ-2000殘膜回收打捆與秸稈粉碎聯合作業機（下文簡稱4MKJ-2000聯合作業機）中殘膜回收部分的結構如圖1所示，主要由機架、齒鏈、脫膜裝置及打包系統等部件組成。

圖1 彈齒式殘膜回收機Figure 1 Spring tooth residual film reclaimer

機具作業時，外部動力由拖拉機提供，收膜鏈耙對地表殘膜進行撿拾回收，收膜彈齒在運動過程中將地膜挑起，隨彈齒運動至脫膜板處，在脫膜機構的作用下，回收的地膜從彈齒上脫離，掉入打包系統的V型槽中，前打包皮帶帶動殘膜向下運動，后打包皮帶帶動殘膜向上運動，形成相對運動，在打包系統的作用下，形成圓輥，隨著殘膜增多，膜輥直徑增大，打包帶張緊力增大，張緊力達到額定值或作業到地頭時，液壓油缸的作用使前后輥帶組下端分開，升起收膜鏈耙及打包蓋門，膜捆自動卸下，收膜鏈耙越過膜捆后方能進行下一輪作業。

3 關鍵零部件設計

3.1 彈齒

彈齒式撿拾機構作為機具的關鍵部件，其作業效果和可靠性直接影響殘膜回收機的收膜效果，收膜彈齒在機具前進過程中，將殘膜挑起，并在上升過程中將殘留的土壤和秸稈等雜質進行分離，彈齒設計的關鍵既要保證入土流暢，將殘膜充分收起，又要保證收起的殘膜隨彈齒平穩上升及時與秸稈碎土等雜質分離，且不漏膜、不壅土[10-12]。4MKJ-2000聯合作業機的每一根彈齒軸上均勻分布安裝10組彈齒，彈齒軸通過帶座軸承與固定板成45°傾角和機架相連，鏈條帶動彈齒旋轉。彈齒軸裝配圖如圖2所示。

圖2 彈齒軸裝配圖Figure 2 Spring tooth shaft assembly drawing

機具作業速度過快會影響收膜和脫膜效果，過慢則達不到工作效率。為研究彈齒起膜原理，對彈齒進行運動軌跡研究，如圖3所示可知，θ為初始相位角，ω為拾膜彈齒角速度，V為機具運行速度，L為彈齒長度，R為鏈輪半徑，A為起膜入土點，B為起膜出土點，圓弧AB為彈齒尖運動路徑，彈齒尖運動方程為圓弧AB對應的方程，彈齒尖運動方程對時間求導可得其運動速度與時間的方程。

圖3 彈齒運動軌跡Figure 3 Trajectory of spring tooth

彈齒尖運動方程：

其中彈齒轉過的角度θ與時間t的關系為：θ=ωt，即運動位移與時間的關系：

將上式對時間t求導可得水平和豎直方向的速度方程：

由式（3）可得，彈齒運動速度與拾膜彈齒角速度ω、機具運行速度V、彈齒長度L和鏈輪半徑R有關。兼顧收膜效果和結構可靠性設計彈齒長度L為180mm，彈簧部分內徑r為46mm，鏈輪半徑R為310mm。

彈齒長度也是影響脫膜的關鍵因素，彈齒過長易發生折彎和變形，且收起的殘膜在秸稈、土壤等作用下，大部分堆積在彈齒根部，不易將其脫下；彈齒過短時，對殘膜的回收不徹底，還會出現殘膜脫離彈齒的現象，所以選擇合適的彈齒長度，對脫膜至關重要。

3.2 脫膜板

脫膜機構是將彈齒上收起的殘膜脫下的核心部件，也是打包成型的基礎，由脫膜板壓板、脫膜板、脫膜板角鋼、彈齒縫組成，其結構如圖4所示。摟膜彈齒每經過一次地表時，都會有大量殘膜懸掛在彈齒上，為不影響后續摟膜工作，需將彈齒上的殘膜卸下，鏈耙轉動帶動彈齒向上運動，卸膜板上設置有彈齒縫，只允許彈齒經過，從而將彈齒上的殘膜卸下。

圖4 脫膜板結構Figure 4 Structure diagram of stripper

為避免拾膜彈齒與脫膜板發生剛性碰撞，造成塑性變形，影響后續使用，故卸膜板采用柔性橡膠刮板，并設置有彈齒縫，方便將殘膜刮下且允許彈齒通過，卸膜板通過卸膜板角鋼焊接在機架上。脫膜機構與收膜鏈耙的相對位置如圖5所示，彈齒拾起的殘膜在上升過程中一部分因自身重力落在打包系統的V型槽中進行打包，另一部分由彈齒輸送至卸膜板處被卸下，落入打包系統的V型槽中，最終完成收膜作業。

圖5 脫膜機構與收膜鏈耙相對位置Figure 5 The position of the release mechanism relative to the take-up chain rake

4 試驗設計與模型建立

4.1 試驗設計

4.1.1 田間試驗

如圖6所示，為更加準確地了解該齒鏈式殘膜回收機的脫膜率，2020年10月在棉花收獲后，選擇新疆生產建設兵團第八師一二一團進行秋收后田間試驗，試驗前滴灌帶及設施已全部清理。配套拖拉機選用約翰迪爾1354，動力86.6kW，牽引速度7～9km·h-1，試驗面積為20hm2，參考《GB/T 25412-2010殘地膜回收機》制定試驗方案[13-14]，選取棉田種植區間內5個不同行不同列，長度為10m的試驗區，作業后采集已回收的殘膜和殘留在彈齒上的殘膜樣本，5次重復。殘膜取樣清洗曬干后用JAS5003A電子精密天平秤稱質量，各參數取平均值[15-16]。

圖6 田間試驗Figure 6 field experiment

4.1.2 試驗指標

高效的脫膜性能是殘膜回收機持續工作的必要條件，根據實際作業情況確定脫膜率為試驗指標，計算公式如下：

式中：η為脫膜率（%）；M0為已回收的殘膜質量（g）；M1為殘留在彈齒上的殘膜質量（g）。

5 試驗過程與結果分析

5.1 試驗設計

分析彈齒式殘膜回收機脫膜原理，根據其結構特點，可確定影響其脫膜率的主要因素有：機具運動速度X1、彈齒長度X2、脫膜板與彈齒接觸角X3，試驗參數各因素水平編碼如表1所列，試驗結果如表2所列。

表1 試驗因素水平Table 1 Test factor level

表2 試驗結果Table 2 Testing results

利用Design-expert軟件對數據多元回歸擬合并方差分析，如表3所列可知，回歸模型P＜0.01為極顯著因素，P＜0.05為顯著因素。纏膜率Y的回歸模型P＝0.0064，說明該模型為極顯著，且失擬性檢驗P＞0.01為不顯著，其中X2、X32為極顯著因素，X1、X3、X12、X22為顯著因素。剔除P＞0.05的不顯著因素，得到脫膜率Y的回歸方程為：

表3 回歸模擬方差分析Table 3 Variance analysis regression model

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

5.2 響應面分析

根據Box-behnken中心組合試驗方法做出各互交因素對響應值影響的響應曲面圖，如圖7所示。

圖7 各互交因素對響應值的影響Figure 7 The influence of the interaction factors on the response value

5.3 驗證試驗

利用Design-expert軟件對其結構組成進行參數優化，為驗證優化后結構參數的可行性，以優化參數進行田間試驗，運動速度7.8km·h-1，彈齒長度160.6mm，脫膜板與彈齒接觸角α為48.3°，脫膜率，為90.13%。結果取5次平均值，得到試驗區平均脫膜率88.76%，與預期值相差1.5%，誤差較小，滿足作業要求。

6 結語

針對彈齒式殘膜回收機，設計一種脫膜裝置，對脫膜裝置進行三因素三水平正交試驗，并進行五次田間重復試驗，運動速度7.8km·h-1，彈齒長度160.6mm，脫膜板與彈齒接觸角α為48.3°，平均脫膜率88.76%，滿足殘膜回收機脫膜裝置的作業要求。