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1、悬挂式棉秆粉碎还田搂膜机搂膜机构的设计与试验研究王学农1，史建新2，郭俊先2，陈 发1（1. 新疆农业科学院农机化研究所，乌鲁木齐 830091； 2.新疆农业大学机械交通学院，乌鲁木齐 830052）摘 要：介绍了悬挂式棉秆粉碎还田搂膜机的设计要求、基本结构，给出了搂膜机构的结构参数。对切根铲工作阻力进行了理论分析，并通过试验获得主要技术参数；同时，搂膜齿排列试验结果表明，搂膜齿的排列方式对搂膜率有一定的影响，最后一排的齿密度越大效果越好，但排列过密容易壅土，齿间距最小约为110 mm；通过综合试验，确定了悬挂式棉秆粉碎还田搂膜机的主要技术参数的较优水平组合；切根铲工作深度H为45 cm、提
2、升角（或碎土角）为16、机具前进速度V为6.2 km/h。关键词：悬挂式棉秆粉碎还田搂膜机；切根铲；搂膜齿；试验研究中图分类号：S225.91+2 文献标识码：A 文章编号：1002-6819(2008)-2-00-06王学农，史建新，郭俊先，等. 悬挂式棉秆粉碎还田搂膜机搂膜机构的设计与试验研究J.农业工程学报，2008，24(2)：-Wang Xuenong, Shi Jianxin, Guo Junxian, et al. Experimental study and design on film raking mechanism of hanging film raker with c
3、otton-stalk crushing and returning to field J. Transactions of the CSAE, 2008,24(2)：-.(in Chinese with English abstract)0 引 收稿日期：2007-01-10 修订日期：2007-07-02 基金项目：自治区高新技术项目（项目编号：200513119）作者简介：王学农（1964），男，陕西汉中人，副研究员，主要从事农业机械方面的研究。乌鲁木齐 新疆农业科学院农机化研究所，830091。Email：通讯作者：史建新（1956），男，甘肃天水人，教授，主要从事农业机械方面的教学和
4、研究。乌鲁木齐 新疆农业大学机械交通学院，830091。Email： 言地膜植棉大大提高了中国的棉花单产，但也给土地造成严重污染。棉花秸秆粉碎还田与残膜回收联合作业机械是残膜回收作业的发展方向，机具在收膜的同时进行秸秆粉碎还田，可降低作业成本，减少机具的进地次数，大大地提高残膜回收的经济效益，便于残膜回收机的普及和推广1-8。近几年的残膜回收实践表明，现有的秸秆粉碎还田与残膜回收联合作业机还存在一些问题。主要是：1）价格过高，普通农民无法接受；2）一些机型对机手和地块的要求过高。悬挂式棉秆粉碎还田搂膜机开辟了一种残膜回收联合作业机新思路。机具采用高速旋转的甩刀将棉秸秆粉碎，以一定的高度和距离抛
5、送到搂膜部件后，实现残膜与棉秆的分离，为搂膜创造良好的条件。随后切根铲将残留在土壤中的棉根切断，减少对搂膜的影响，同时对土壤表土进行一定的松动，使搂膜齿能够深入土层。机具无论从结构和成本上都有很大的精简，操作比较简单，作业速度适应性较高。1 总体结构原理和设计要求1.1 设计要求悬挂式棉秆粉碎还田搂膜机的基本要求是：1）有足够远的抛送高度与距离（高度大于2 m，向后抛送距离大于3 m）以越过搂膜部件，将棉秆抛到残膜已被清除的地面；2）搂膜率大于80；3）棉秆粉碎质量达到农艺要求（秆长小于200 mm的棉秆占85以上）；4）田间棉秆残留株数小于5根/m；作业幅宽14001800 mm。1.2 总
6、体结构设计1.2.1 悬挂式棉秆粉碎还田搂膜机的总体结构如图1所示，悬挂式棉秆粉碎还田搂膜机由悬挂架1、棉秆粉碎部件2、限深切膜滚筒3、切根铲4、搂膜部件5和传动部件6等组成，尺寸参数见图1所示，其中，第一排齿距为400 mm，第二排齿距为350 mm，第三排齿距为160 mm，第四排齿距为110 mm。1.2.2 悬挂式棉秆粉碎还田搂膜机的工作原理机具工作时，棉秆粉碎部件对棉秆切割、粉碎，并将粉碎后的棉秆抛掷到机具后方，限深切膜滚筒将整块残膜切割分条，切根铲松动棉垄并将棉花根茬切断，搂膜部件的四排搂齿将残膜和根茬同时搂集，工作一段距离待搂膜部件中堆积一定的物料后，升起搂膜部件卸膜。图1 悬挂
7、式棉秆粉碎还田搂膜机结构示意图Fig.1 Structural diagram of hanging film raker with cotton-stalk Crushing and returning to field2 主要部件机构设计和试验2.1 棉秆粉碎部件结构参数的确定棉秆粉碎机的主要参数5：甩刀与机体前挡板的侧隙值为1015 mm，甩刀与机体后挡板的侧隙值为812 mm。甩刀转速、甩刀的地隙分别为2100 r/min和8 cm。2.2 切根铲结构参数的确定切根铲的主要作用有三个方面9-11，1)切断棉根茬，减少搂膜时根茬对残膜的拖挂，同时利于自然降解；2)松土、碎土功能，松动膜下
8、的土壤，利于搂膜齿的入土，防止搂膜时产生堵塞、壅土；3)松动两侧的边膜覆土，挑起边膜。因此，切根铲必须达到1)不漏切棉根茬；2)对土壤的翻动不能过大，残膜表面的残留土量少，不产生膜、土混合；3)功耗低，牵引阻力小，刀柱和刀翼不产生堵塞、壅土。2.2.1 切根铲的结构如图2所示，切根铲是由左右犁铲3和1、犁柱组件2、铲尖4等组成。其中，0是切割前角，i是切根铲刃角，是隙角，等于0i，对于上磨刃切根铲提升角（或碎土角）等于隙角，b是切根铲宽度。2.2.2 切根铲工作时阻力分析如图2，切根铲切根受到3个力的作用12-14，切根铲刃口对棉根的支持力N，棉根在切根铲刃口上受到的摩擦力F，作用在棉根上的挤
9、压阻力Q。挤压阻力Q的分力P是推移棉根滑切阻力，摩擦力F与棉根在切根铲刃口上的摩擦系数有关，F = Ntg。根据力学原理，作用于物体上的主动力应位于摩擦角之外才能使物体产生滑移运动，因此挤压阻力Q与刃口之间的夹角（翼展角的一半）应小于90。棉根沿铲刃滑移时的摩擦角约为4045。所以90，即45。因而切根铲（双翼铲）的翼张角2选定为90。图2 切根铲的结构和受力分析示意图Fig.2 Structural diagram of root cutting shovel and force analysis根据设计要求，切根铲必须具备一定的碎土功能。.西涅阿科夫和.潘诺夫研究表明：影响碎土效果的主要因
10、素有土壤的类型、含水率、碎土角、翼展角、前进速度V和工作深度H等；同时，牵引阻力R（见图3）与碎土角、翼展角、牵引阻力作用角、刃角i和工作深度H等有关，牵引阻力作用角与刃口锋利程度、土壤硬度、土壤中的棉秆和杂草根等有关，刃口磨钝、土壤过硬、棉秆和杂草根以及石头过多，牵引阻力作用角均会减小，从而增加了牵引阻力。图3 切根铲对土壤和残膜的影响Fig.3 Effect of root cutting shovel on soil and film .西涅阿科夫和.潘诺夫研究表明，对于中性粘土和砂土(新疆南疆的土壤类型)，刃角应取 15 20，碎土角应取1025，切根铲刀宽为100 mm，切根铲底刃长
11、度为450 mm，工作深度与土壤的类型和被切作物根部状况有关，平均取80 mm。通过试验测定，棉根的第一分叉距地表的平均深度是89.5 mm，棉根直径等于6 mm位置距地表的平均深度是65.5 mm，因此，切割根系部分应选择在58 cm处，此处根系较细，有土壤的支撑容易切断，如果选择过深，土壤的翻动量过大，牵引阻力增加，如果选择过浅，土壤的支撑过小，容易发生对棉根的拖拉，不能正常切断，产生滑脱。2.2.3 切根铲结构参数的试验研究通过正交试验确定影响残膜表面土壤残留量、棉秆漏切、切根深度3个试验指标的主要影响因素和其较优组合。试验条件：试验地土壤含水率35.94；棉花种植模式252050202
12、5（膜宽140 cm）；地块大小为3.33 hm2；棉秆平均高度50 cm；棉根平均长度180 mm；膜上浮土含量，两侧平均为1.5 mm，中膜有少量浮土。1）试验指标及测定方法试验指标：残膜表面土壤残留量、棉秆漏切、切根长度。测定方法：(1)残膜表面土壤残留量W（）：随机测量光膜上30 cm2内残膜表面土壤的重量；(2)棉秆漏切数N1:随机选择一段长度为1 m的工作带，清点没有被切断的棉根数；(3)切根深度h（cm）：随机选择一段长度为1 m的工作带，清点切断的棉根，测量棉根的入土界面到断根部位的长度。2）试验因素及控制方法本试验确定的主要因素有切根铲工作深度H（A）、提升角（或碎土角）（B
13、）、机具前进速度V（C）、误差项（D）。因素控制方法：调整切根铲工位改变深度H；更换入土铲改变提升角（或碎土角）；改变拖拉机的档位和油门控制机具前进速度V。根据相关理论分析和切根铲的作用，初步确定因素的取值范围。3）因素取值范围切根铲工作深度（A），49 cm；提升角（或碎土角）（B），1016；机具前进速度（C），5.57.0 km/h。4）试验设计、实施和分析采用正交试验，选取正交表L9（34），因素编码表、试验方案及结果分析见表1、2。考察试验指标残膜表面土壤残留量W，误差项大于其他因素项，根据大田试验中出现的现象，土壤类型、含水率、土地的平整程度等不可控因素对W有影响。考察试验指标棉秆
14、漏切数N1，通过极差分析，切根铲工作深度和提升角（或碎土角）对棉秆漏切数都有一定的影响，机具前进速度对其影响不大，其较优组合为A3B3C3，方差分析结果均不明显。考察试验指标切根深度h，分析获得切根铲工作深度对切根深度有显著的影响，提升角（或碎土角）和机具前进速度对其影响不大。考虑到棉根切断深度与功耗有关，综合比较认为切根深度h越小越好，其因素的较优组合为A1C3B1。采用综合平衡法考虑N1和h两个试验指标，其中棉秆漏切数N1对搂膜的影响较大，因而主要考虑棉秆漏切数N1分析所得结果，其次考虑切根深度h和功耗等。确定试验因素的较优组合为A2B3C3，即，切根铲工作深度H为67 cm、提升角（或碎
15、土角）为16、机具前进速度V为7.0 km/h。同时，在试验过程中，兼顾以下不可控因素，机组的前进方向与棉垄的吻合、切根铲刃口锐利度、土地平整度等。表1 切根铲试验因素编码表Table 1 Factors and levels of cotton stubble hoe test水平因 素A工作深度/cm B提升角/（）C机具前进速度/kmh-1D误差项145105.51267136.22389167.03表2 切根铲试验方案、结果和方差分析Table 2 Test scheme, results and variance of cotton stubble hoe test试验号因 素测定值
16、ABCDWNlh111111.777153212221.242152.5313332.37422421231.37103.25522311.6983623120.80806.5731321.05945.25832131.806.5933210.78508.5RW1.750.761.732.44WFW0.610.100.50RN128271111NlFN16.36.481.19Rh12.755.55.752.5hFh17.76*4.03.76 注：*代表显著。2.3 限深切膜辊参数确定限深切膜辊主要参数是切膜刀数和位置，根据新疆的棉花种植模式，采用3片圆盘刀片，使其中的一片处于机具中心位置，另两
17、片对称安装在两侧，距离为80 cm；由于膜的延伸性，切膜刀片的直径大于限深滚筒直径3050 cm。2.4 搂膜齿组件参数确定在切根铲、切膜滚筒和根茬拖拉的共同作用下，残膜与土壤和棉秆相互混合，所有其理论假设不能直接给定，因此，本文主要采用试验进行搂膜齿的排列设计。2.4.1 搂膜齿组件结构如图4所示，搂膜齿组件框架有4排搂齿组成，第一、第二排齿的作用主要是拨动膜、秆、土的混合物，防止物料集堆，第三和四排齿起到搂膜的作用；升降机构有油缸和支座组成，工作时下降搂膜齿搂膜，卸膜时升起搂膜齿。图4 搂膜齿组件结构简图Fig.4 Structural diagram of film raking too
18、th components2.4.2 搂膜齿组件排列的试验根据试验结果，搂膜齿均采用弧形齿，利于残膜堆积上升，搂齿的排列与田间作业环境有关，采用单因素试验方案。初步试验后，单排搂膜齿的工作效果不能满足要求，所以搂膜齿遵循两个原则，第一，采用多排搂膜齿，相互之间有一定的距离，避免壅土；第二，齿的排列形成均分，使每一个齿都能起到搂膜的作用。因此确定三种排列进行试验，试验指标是每米残留膜的质量。试验结果和分析表略。结果表明，搂膜齿的排列方式对试验指标的影响显著性不高，分析其原因主要是试验中不可控因素很多，主要有土壤的硬度、含水率和搂齿入土深度等，尤其是土壤的硬度直接影响搂膜齿的入土，所以在进行综合比
19、较，仍然认为搂膜齿的排列方式影响搂膜率，并将其作为综合试验的一个主要因素。3 整机试验和应用效果通过前述试验结果，影响搂膜率的因素不仅是搂膜齿排列，还有切根铲的结构参数、机具的前进速度、土壤状况和其他一些不可控制因素。通过整机试验，才能确保整机作业效果达到设计的技术要求。3.1 整机试验1）试验指标试验指标和测定方法15：搂膜率s随机选择一段长度为1 m的工作带，收集残留在地表的残膜，清洗后称重为W1，用以下公式计算100，其中W2为未搂膜前，1 m内残膜清洗后质量，其质量测得为8 g。2）试验因素试验因素主要有搂膜齿的排列（A）、提升角（或碎土角）（B）、机具前进速度（C）、切根刀工作深度（
20、D）。根据前述两个试验结果，搂膜齿的排列方式（A）确定为三种，且主要考虑搂膜齿最后一排的选择；提升角（或碎土角）（B）为13和16；机具前进速度V（C）为5.56.2 km/h；切根刀工作深度H（D）47 cm。3）试验因素的水平确定因素编码见表3。表3 整机试验因素编码Table 3 Factors and levels of the whole machine test水平因 素A搂膜齿的排列B提升角（或碎土角）/（）C机具前进速度/kmh-1D切根刀工作深度/cm1排列一（120）135.5 672排列二（110）166.2 453排列三（110）4）试验方案和结果采用混合正交表L12（
21、324），试验方案和结果，以及方差分析见表416。表4 整机试验方案、结果和方差分析Table 4 Test scheme, results and variance of the whole machine test试验号因 素收膜率s/ABCDE(空)1111110.6722111220.7063122120.654122210.6315212110.7646212220.5217221110.6948221220.7139312120.73710311210.48111321120.75312322210.8SS0.00170.0110.000590.014SSE=0.00072DFE
22、=6MSE =0.00012DF2111MS0.000850.0110.000590.014F7.1904.9121.3显著性*注：* 代表显著，* 代表极显著。方差分析表明，提升角（或碎土角）和切根刀工作深度H对试验指标有非常显著影响，搂膜齿的排列方式对试验指标有显著影响，机具前进速度V（C）对试验指标的影响不显著；因素的主次是D、B、A、C，因素的较优水平组合是D1B2A3C2。即搂膜齿的排列方式为第三种排列（排列的方式为第一排4根拨齿，第二排6根搂齿，第三排10根搂齿，第四排采用间距为110 mm的搂齿排列）；提升角（或碎土角）为16；机具前进速度V为6.2 km/h；切根刀工作深度H为
23、45。试验号中没有D1B2A3C2试验方案。5）试验小结（1）搂膜率与切根铲的工作深度有很大的关系，切根铲工作深度过深，翻动大量的表土，并与残膜以及棉秆形成混合物，不利于搂膜。反之，切根铲的工作深度过浅，切根铲不能入土，从膜面滑过，没有对土壤进行必要的松动，不能保证搂齿的入土，搂集效果差。（2）搂膜率与搂齿的排列有很大的关系，搂膜齿采用多排排列有利于搂膜率的提高。从搂膜率的角度来说，最后一排的排列密度越大效果越好，但排列过密，容易壅土，齿间距最小约为110 mm。搂集的工作长度也影响搂集效果，工作长度越长，随着膜秆搂集量的增加，壅土现象明显，加重清运工作量，所以，根据大田试验效果，每2535
24、m卸膜一次。3.2 应用效果将机具的相应参数进行调整，搂膜齿的排列方式为第三种排列，提升角（或碎土角）为16，机具前进速度V为6.2 km/h，切根刀工作深度H为4 5 。新疆维吾尔自治区农机产品质量监督检验站于2006年11月进行了整机综合测定，测定结果搂膜率为82，与分析结果基本吻合。4 结 论1）影响悬挂式棉秆粉碎还田搂膜机性能指标的主要因素有：切根刀工作深度、碎土角和搂膜齿排列方式，各因素的较优值分别为：切根刀工作深度，45 cm，碎土角：16，第3种搂膜齿排列方式。并采用每2535 m卸膜一次，机具前进速度为6.2 km/h。2）影响悬挂式棉秆粉碎还田搂膜机性能指标的因素有许多，不可
25、控因素主要有土壤状况、残膜状况和棉秆湿度，土壤硬度和含水率对搂膜影响很大，硬度大含水低的土壤在切根铲的翻动作用下，容易形成大的土块，压实残膜，搂膜齿搂集时容易发生堵塞和壅土；残膜的质量也直接影响搂膜率，残膜质量完好容易搂集；棉秆湿度也影响搂膜率和秸秆粉碎质量，棉秆湿度大，秸秆粉碎效果不好。参 考 文 献1 马少辉，张学军.废膜收获机的研究现状和发展趋势J.农机化研究，2006，（5）：4344.2 王秀英.残膜污染及治理回收技术发展探讨J.，：2627.3 ，等.新疆博州棉田残膜滞留量及回收对策J.，）：52.4 ，.新疆棉田残膜危害及其治理对策J. 中国棉花， 2006,33（2）：78.5
26、 史建新，陈 发，郭俊先，等.抛送式棉秆粉碎还田机的设计与试验J.农业工程学报，2006，22（3）：6872.6 赵海军，史建新.残膜回收工艺探讨J.中国农机化，2004，（6）：6871.7 王学农，冯 斌，陈 发，等.棉秸秆切碎及残膜回收联合作业关键技术研究J.新疆农业大学学报，2005，28（3）：4952.8 马惠玲.浅议残膜回收问题J.新疆农机化，2004，（4）：1314.9 娄秀华，张东兴，耿端阳康，等.残膜回收机起膜器的设计与试验研究J.农业工程学报，2002，18（6）：8890.10 娄秀华，张东兴，张淑敏等.1MSII型地膜回收机起膜铲动力性能试验分析J.农业机械学报，
27、2004，35（5）：6769.11 刘伟峰，田海清，赵满全，等.1MC-70型地膜回收起茬机铲刀结构和参数确定及试验研究J.中国农机化，2004，（1）：3538.12 .西涅阿科夫，.潘诺夫 著，李清桂，高尔光，张先达，等 译.土壤耕作机械的理论和计算M.中国农业机械出版社，1977：59-82，215237.13 .克鲁契柯夫等 著，彭嵩植 等译.农业机械理论、设计、计算M.上海科学出版社，1966：329342.14 曾德超.机械土壤动力学M.北京科学技术出版社，1995：567573.15 高 燕，裴新民.对残膜拾净率检测方法的探讨J.新疆农机化，2004，（4）：5152.16 李
28、云雁，胡传荣. 试验设计与数据处理M.北京：化学工业出版社，2005：79112.17 王学农，陈 发，张佳喜，等.悬挂式棉秸秆及搂膜联合作业机研制J. 新疆农机化，2007，（2）：4，15.Experimental study and design on film raking mechanism of hanging film raker with cotton-stalk crushing and returning to fieldWang Xuenong1, Shi Jianxin2, Guo Junxian2, Chen Fa1(1.Agricultural Mechanizat
29、ion Research Institute, Xinjiang Academy of Agricultural Sciences, Urumqi 830091 , China；2.College of Machinery and Traffic , Xinjiang Agriculture University, Urumqi 830052, China)Abstract: This article concisely introduced the design requirement and main components of hanging film raker with crushi
30、ng cotton stalk and returning fragment to field, and presented the configuration parameters of raking film mechanism. Based on the theory analysis and the tests of working resistance of root cutting shovel, the authors gained the level of main technological parameters of root cutting shovel; the aut
31、hors also studied on the arrangement of raking film tooth, the results indicated that the array of raking film tooth had a certain effect on film raking ratio, the larger array density of last row is, the better effect of raking film, but if array density was so denser that the tooth is clogged by t
32、he soil, and the minimum space between tooth is about 110 cm. At last, the authors attained the better level combination of main technological parameters by integrated experiment, which is that combination of the work depth cutting root shovel is about 45 cm, upgrade angle(or smash soil angle) is 16and machine working speed V is 6.2 km/h.Key words: hanging film raker with cotton-stalk crushing and returning to field; root cutting shovel; raking film tooth; experimental research