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(yíng)雨琨，秦朝民，何玉澤，李凈凱，2

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

地膜覆蓋栽培技術(shù)可增溫保濕，有效抑制雜草和病蟲(chóng)害，改善作物生長(cháng)環(huán)境和提高作物產(chǎn)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(wàn)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(fēng)暴席卷全國，嚴重影響農業(yè)綠色可持續發(fā)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(dòng)強度大、回收效率低；
焚燒填埋浪費土地，焚燒后產(chǎn)生有害氣體污染環(huán)境；
機械回收是目前最實(shí)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(jiǎn)單可靠等優(yōu)點(diǎn)，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(wèn)題[7-9]。針對上述問(wèn)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(wèn)題，以提升機具作業(yè)水平，為殘膜回收機脫膜裝置的設計提供理論基礎和參考。

4MKJ-2000殘膜回收打捆與秸稈粉碎聯(lián)合作業(yè)機（下文簡(jiǎn)稱(chēng)4MKJ-2000聯(lián)合作業(yè)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(yè)時(shí)，外部動(dòng)力由拖拉機提供，收膜鏈耙對地表殘膜進(jìn)行撿拾回收，收膜彈齒在運動(dòng)過(guò)程中將地膜挑起，隨彈齒運動(dòng)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(dòng)殘膜向下運動(dòng)，后打包皮帶帶動(dòng)殘膜向上運動(dòng)，形成相對運動(dòng)，在打包系統的作用下，形成圓輥，隨著(zhù)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(yè)到地頭時(shí)，液壓油缸的作用使前后輥帶組下端分開(kāi)，升起收膜鏈耙及打包蓋門(mén)，膜捆自動(dòng)卸下，收膜鏈耙越過(guò)膜捆后方能進(jìn)行下一輪作業(yè)。

3.1 彈齒

彈齒式撿拾機構作為機具的關(guān)鍵部件，其作業(yè)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(jìn)過(guò)程中，將殘膜挑起，并在上升過(guò)程中將殘留的土壤和秸稈等雜質(zhì)進(jìn)行分離，彈齒設計的關(guān)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(shí)與秸稈碎土等雜質(zhì)分離，且不漏膜、不壅土[10-12]。4MKJ-2000聯(lián)合作業(yè)機的每一根彈齒軸上均勻分布安裝10組彈齒，彈齒軸通過(guò)帶座軸承與固定板成45°傾角和機架相連，鏈條帶動(dòng)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(yè)速度過(guò)快會(huì )影響收膜和脫膜效果，過(guò)慢則達不到工作效率。為研究彈齒起膜原理，對彈齒進(jìn)行運動(dòng)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(cháng)度，R為鏈輪半徑，A為起膜入土點(diǎn)，B為起膜出土點(diǎn)，圓弧AB為彈齒尖運動(dòng)路徑，彈齒尖運動(dòng)方程為圓弧AB對應的方程，彈齒尖運動(dòng)方程對時(shí)間求導可得其運動(dòng)速度與時(shí)間的方程。

圖3 彈齒運動(dòng)軌跡Figure 3 Trajectory of spring tooth

彈齒尖運動(dòng)方程：

其中彈齒轉過(guò)的角度θ與時(shí)間t的關(guān)系為：θ=ωt，即運動(dòng)位移與時(shí)間的關(guān)系：

將上式對時(shí)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(dòng)速度與拾膜彈齒角速度ω、機具運行速度V、彈齒長(cháng)度L和鏈輪半徑R有關(guān)。兼顧收膜效果和結構可靠性設計彈齒長(cháng)度L為180mm，彈簧部分內徑r為46mm，鏈輪半徑R為310mm。

彈齒長(cháng)度也是影響脫膜的關(guān)鍵因素，彈齒過(guò)長(cháng)易發(fā)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(guò)短時(shí)，對殘膜的回收不徹底，還會(huì )出現殘膜脫離彈齒的現象，所以選擇合適的彈齒長(cháng)度，對脫膜至關(guān)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(jīng)過(guò)一次地表時(shí)，都會(huì )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(dòng)帶動(dòng)彈齒向上運動(dòng)，卸膜板上設置有彈齒縫，只允許彈齒經(jīng)過(guò)，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(fā)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(guò)，卸膜板通過(guò)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(guò)程中一部分因自身重力落在打包系統的V型槽中進(jìn)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(yè)。

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

4.1 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(chǎn)建設兵團第八師一二一團進(jìn)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(dòng)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(gè)不同行不同列，長(cháng)度為10m的試驗區，作業(yè)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(chēng)質(zhì)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(shí)際作業(yè)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(zhì)量（g）；
M1為殘留在彈齒上的殘膜質(zhì)量（g）。

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(diǎn)，可確定影響其脫膜率的主要因素有：機具運動(dòng)速度X1、彈齒長(cháng)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(zhù)因素，P＜0.05為顯著(zhù)因素。纏膜率Y的回歸模型P＝0.0064，說(shuō)明該模型為極顯著(zhù)，且失擬性檢驗P＞0.01為不顯著(zhù)，其中X2、X32為極顯著(zhù)因素，X1、X3、X12、X22為顯著(zhù)因素。剔除P＞0.05的不顯著(zhù)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(jìn)行參數優(yōu)化，為驗證優(yōu)化后結構參數的可行性，以?xún)?yōu)化參數進(jìn)行田間試驗，運動(dòng)速度7.8km·h-1，彈齒長(cháng)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(mǎn)足作業(yè)要求。

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