南方农田残膜捡拾机捡膜装置的设计及试验

doi:10.13304/j.nykjdb.2024.0351

摘要/Abstract

摘要：

为高效捡拾我国南方丘陵地区深层土壤中难降解的残留地膜，在分析残膜的物理特性、分布情况以及土壤特性的基础上，设计一款操作简便、高效捡拾的农田残膜捡拾装置。根据三维模型运动学分析及仿真分析结果确定表土层弯齿扎膜滚筒和深土层垂直扎膜齿组的最优设计参数，并进行验证。通过模拟土槽试验得出多因素试验结果，其最优参数组合为表土层扎膜部件入土深度30 mm，机器行走速度5 km·h^-1，动力输出转速450 r·min^-1。在最优参数组合下，地膜回收率达85.9%，符合国内残膜捡拾标准，满足了捡拾高碎片化程度残膜的需求。

关键词: 残膜捡拾机, 表土层, 深土层, 残膜捡拾率, 多因素试验

Abstract:

To efficiently pick up recalcitrant residual film in deep soil of hilly areas in southern China， a simple and high efficient agricultural residual film picking device was designed based on the physical properties， distribution and soil characteristics of residual film. According to the kinematic analysis and simulation results of the 3D model， the optimal design parameters for the curved toothed membrane tying roller in the surface soil layer and the vertical membrane tying tooth group in the deep soil layer were obtained and verified. The experimental prototype were multi-factor test results obtained through simulating soil tank tests， and the optimal parameter combination were obtained with a depth of 30 mm for the surface soil layer membrane component， a machine walking speed of 5 km·h^-1 and a power output speed of 450 r·min^-1. Under this parameters， the recovery rate of plastic film reached 85.9%， which met the domestic standards for picking up residual film and satisfies the demand for picking up highly fragmented residual film.

Key words: residue film picker, topsoil layer, deep soil layer, residue film picking rate, multi-factor test

中图分类号:

S224

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图/表 19

图1 残膜捡拾机轴侧结构注：1—机架；2—变速箱；3—表土层弯齿扎膜滚筒；4—松土旋耕刀组；5—深土层垂直扎膜齿组；6—凸轮机构；7—第Ⅰ链传动机构；8—第Ⅱ链传动机构；9—第Ⅲ 链传动机构。

Fig. 1 Shaft side structure of residual film picking machineNote：1—Rack； 2—Gearbox； 3—Bent toothed membrane roller for topsoil layer； 4—Loosening and rotary tillage blade set； 5—Vertical membrane tying teeth group in deep soil layers； 6—Cam mechanism； 7—The first chain transmission mechanism； 8—The second chain transmission mechanism； 9— The third chain transmission mechanism.

表2 残膜捡拾机主要技术参数

Table 2 Main technical parameters of film recovery machine

参数Parameter	数值Value
尺寸（长×宽×高） Size （length × width × height）/mm	1 180×1 280×242
结构质量 Structural quality/kg	225
配套动力 Supporting power/kW	70
作业速度 Operating speed/（km·h^-1）	2~8
作业幅宽 Operating width/mm	1 200
综合回收率 Comprehensive recovery rate/%	81

图2 表土层弯齿扎膜滚筒注：1—滚轴；2—弯度扎膜齿。

Fig. 2 Curved teeth filming drum in surface soilNote：1—Roller； 2 Curved film tying teeth.

图3 深土层垂直扎膜齿组注：1—垂直扎膜杆；2—垂直扎膜齿。

Fig. 3 Vertical film-bound teeth group in deep soilNote：1—Vertical film tie rod； 2—Vertical film tying teeth.

图4 盘形凸轮轮廓

Fig. 4 Disc cam profile

图5 扎膜齿的运动

Fig. 5 Motion of zigzag teeth

图 6 扎膜齿的连续运动

Fig. 6 Continues motion of zigzag teeth

表3 Q690钢的材料特性参数

Table 3 Material characteristic parameters of Q690 steel

参数Parameter	数值Value
密度 Density ρ/（t∙m^-3）	7.85×10^-9
弹性模量 Elastic modulus/MPa	2.1×10^-5
泊松比 Poisson’s ratio	0.29
屈服强度 Yield strength/MPa	690
许用应力 Allowable stress/MPa	690/1.34≈515

表4 残膜特性

Table 4 Characterics of residual film

特性Characterics	残膜1 Film 1			残膜2 Film 2
膜厚 Thickness/mm	0.010			0.006
初始长度 Initial length/mm	100	100	100	100	100	100
拉断长度 Break length/mm	208	194	190	163	179	159
最大拉断力 Maximum tensile strength/N	0.27	0.23	0.19	0.40	0.45	0.39
延展率 Extension rate/%	108	94	90	63	79	59

图7 表土层弯齿扎膜滚筒运动轨迹

Fig. 7 Motion trajectory of curved tooth Film-binding drum in surface soil

图8 线性位移

Fig. 8 Linear displacement

图 9 线性速度

Fig. 9 Linear velocity

图 10 线性加速度图

Fig. 10 Linear acceleration map

图 11 表土层弯齿扎膜滚筒应力云图

Fig. 11 Stress cloud map of the curved tooth membrane roller in the topsoil layer

图 12 表土层弯齿扎膜滚筒变形云图

Fig. 12 Cloud map of deformation of the curved tooth membrane tying drum in the topsoil layer

图 13 深土层垂直扎膜齿应力云图

Fig. 13 Stress cloud map of vertical membrane teeth in deep soil layers

图 14 深土层垂直扎膜齿变形云图

Fig.14 Cloud map of deformation of vertical membrane teeth in deep soil layers

表5 正交试验结果

Table 5 Orthogonal test results

序号 Number	A：入土深度 Deepth into soil/mm	B：行走速度 Walking speed/（km·h^-1）	C：输出转速 Output speed/（r·min^-1）	Y：捡拾率 Pickup rate/%
1	20	3	150	80.2
2	20	5	300	81.8
3	20	7	450	79.9
4	30	5	450	85.9
5	30	7	150	79.0
6	30	3	300	81.2
7	40	7	300	82.3
8	40	3	450	85.0
9	40	5	150	80.9

表6 试验结果极差分析

Table 6 Range analysis of test results

参数 Parameter	A：入土深度 Deepth into soil	B：行走速度 Walking speed	C：输出转速 Output speed
K₁	242.91	237.33	241.07
K₂	248.22	249.62	246.33
K₃	247.02	240.31	249.86
k₁	80.97	79.11	80.35
k₂	82.73	83.21	82.11
k₃	82.34	80.10	83.28
极差R	5.31	12.29	8.79
因素顺序 Factor ranking	B>C>A
较优方案 Optimal solution	A₂，B₂，C₃

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