农业废弃物循环利用的绩效评价及产业发展机制研究

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2015 年 3 月

农 机 化 研 究

第3 期

曲轴滚筒式苗期残膜捡拾机构的设计
靳
1a 2 3 1b 2 伟 ， 张学军 ， 张朝书 ， 舒冬梅 ， 鄢金山 ， 张 1a 1a 洪 ， 李超新 ， 孙

杰

1a

（ 1 ．

新疆农业大学 a． 机械交通学院； b． 食品科学学院， 乌鲁木齐 实验室重点实验室，乌鲁木齐 摘

830052 ； 2 ． 新 疆 农 业 工 程 装 备 创 新 设 计 843013 ）

830052 ； 3 ． 阿 克 苏 精 准 农 机 制 造 有 限 责 任 公 司 ， 新 疆 阿 克 苏

要： 地 膜 覆 盖 技 术 的 广 泛 推 广 和 应 用 ， 极大地推进了我国农业经济的发展， 提高了农产品的产量和品质；但

残留在土壤中的地膜在自然条件下极难降解， 对农业的可持续发展造成巨大危害。为了回收田间残膜， 通过对 国内 外 残 膜 回 收 机 的 研 究 和 借 鉴 ， 设计一种曲轴滚筒式残膜捡拾机。该残膜 回 收 机 工 作 时， 松土铲松土， 起膜铲 辅助 捡 拾 机 构 捡 膜 ， 卸膜辊卸膜并收集到回收箱， 避免造成二次污染。田间试验 表 明， 在 动 力 由 铁 牛 55 提 供 、 前
2 进 速 度 为 3 ． 6 km / h 时 ， 捡 拾 率 约 为 88 % ， 卸 膜 率 达 95 % ， 生 产 效 率 为 0 ． 6 hm / h 。

关键词： 残膜回收； 捡拾装置； 卸膜； 苗期 中图分类号： S224 DOI:10.13427/j.cnki.njyi.2015.03.024 文献标识码： A 文章编号： 1003 － 188X（ 2015 ） 03 － 0099 － 04

0

引言
地膜覆盖种植技术是一种改善恶劣环境 、 创造良

1． 1

总体结构设计 整机结构如图 1 所示 。

好生长条件且被广泛应用的农业生产技术 ， 具有提高 地表温度 、 保持土壤水分 、 抑制杂草 、 提高作物产量和 品质及增加农民收入等作用 ； 但残留在土壤中的残膜 破坏土壤结构 ， 造成严重的白色污染 ， 对农业可持续 发展造成巨大危害
［1 － 3 ］

。 目前 ， 国内研制的残膜回收

机不能满足农业生产要求 ， 普遍存在技术不成熟 、 功 能较单一 、 捡拾不干净 、 卸不干净 、 没有显著的经济效 益等问题 ， 连续性作业成为研制残膜回收机具的关 键 。 依靠人工捡拾残膜 ， 效率低且劳 动 强 度 大 ， 而机 械回收残 膜 效 率 高 且 捡 拾 效 果 较 好 ， 是人工的几十 倍， 降低了劳动强度 、 节约了大量的劳动力 。 结合我国实际农艺生产 ， 玉米及棉花等中耕作业 时， 地膜比较完整 ， 膜上的土壤较少 ， 使用时间较短 ， 老化 不 严 重 、 破 坏 小， 作 物 的 高 度 为 50cm 左 右 。 因 此， 此时有利于收集地膜 ， 同时进行玉米和棉花等作 物的中耕作业 。 但是在作业时必须注意两个问题 ： 收 膜后要及时灌水 ， 要求具有充足的水源 ； 地膜回收机 具必须对准行距 ， 不伤苗
［4 － 6 ］

1． 收膜装置

2． 松土铲

3． 机架

4． 卸膜辊

5． 卸膜辊传动链轮 8． 变速箱

6． 卸膜辊传动链 图1 Fig． 1

7． 收膜装置传动链 10． 悬挂架

9． 主动传动链轮

曲轴滚筒式苗期残膜回收机结构图

Structure of crank drum seedling residual film recycling machine

该机具由收膜装置 、 松土铲 、 卸膜装置 、 仿形机构 及机架组成 ， 对田间大块残膜捡拾效果好 ， 回收的地 膜保持较完整且将地膜和土杂分离 。 该机具工作时 ， 松土铲先将膜边上的覆土疏松 ， 挑膜齿将地膜卷起 ， 土杂与地膜分离 ； 起膜铲扶膜 ， 辅助捡拾机构捡膜 ； 卸 膜辊上安装毛刷 ， 依据顺向卸膜原理将捡拾齿上的膜 刷进集膜箱中 。 捡膜辊和卸膜辊的动力由拖 拉 机 后 驱动轴经变速箱及链条传动 ， 集膜箱装满地膜后将地 膜卸在地头 ， 回收利用地膜 ，， 防止污染环境 。

。

1

整体结构与工作原理

收稿日期： 2014 － 03 － 28 基金项目： 国家农业科技成果转化资金项目（ 2013G4109001 ） （ E － mail ） 作者简介： 靳 伟（ 1987 － ） ， 男， 江苏徐州人， 硕士研究生， jwnice007@ 163． com。 通讯作者： 张学军（ 1966 － ） ， 男， 乌鲁木齐人， 教授， 博士， 硕士生导师， （ E － mail） zhxjau@ sina． com。

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2015 年 3 月 1． 2 捡拾地膜条件

农 机 化 研 究

第3 期

机具工作时 ， 地 膜 会 发 生 塑 性 变 形， 为了使土杂 与地膜更好地分离及避免二次覆土 ， 需保持地膜处于 张紧状态 ， 利于地膜的回收利用及保证捡拾装置工作 的可靠性 。此时 ， 捡拾辊筒的转速与机具的前进速度 需满足条件 v 机具 ＜ π d 捡膜辊 n 辊筒的直径 （ m ） ； n 为捡拾辊的转速 （ r / min ） 。 （1） v 机具 为机具前进速度 （ m / s ） ； d 捡膜辊 为捡膜 其中 ，
（ a） 三维图

2
2． 1

捡拾机构的设计与分析
捡拾机构的设计 收膜部件为曲轴滚筒式结构 ， 如图 2 所示 。 其适

应玉米 、 棉花等作物在苗期中耕作业时 ， 进行回收地 膜 ；动力由拖拉机后动力输出轴经过链条 、 链轮传动 ， 主要由捡拾滚筒 、 滚筒端盖 （ 左右两端各 1 个 ） 、 曲轴 、 轴承 、 捡拾齿杆 、 滑套 、 卸膜板及链轮等组成 。 捡拾齿 的位置处于滚筒正下方时 ， 捡拾齿伸出滚筒的长度最 大， 为捡膜过程 ；当捡拾齿转动在滚筒的正上方时 ， 卸 膜板向上推出 ， 卸下捡拾齿上的地膜 。 卸膜辊辅助卸 膜， 刷掉捡拾齿及捡拾滚筒上的地膜 。
Fig． 3 （ b） 1． 捡拾齿 图3 二维图 2． 滑套 3． 曲轴

捡拾齿布置图

Pick － up teeth arrangement

工作时 ， 曲轴与机架固定 ， 传动链轮与端盖固联 ， 带动滚筒 共 同 旋 转 ； 捡 拾 齿 与 曲 轴 上 的 套 筒 焊 接 固 联， 套筒在曲轴上周向可转动 ， 但周向不能滑移 ； 卸膜 板随滚筒转动 ， 捡拾齿绕着曲轴转动 ， 在最上部卸膜 ， 在最下端捡膜 ， 完成入土 、 挑膜和上 拉 膜 过 程 。 通 过 田间试验 ， 捡膜齿的数量不宜过多也不宜太少 。 若周 向布置捡膜齿的数量太少 ， 地膜可能会滑落 ， 不易被 捡拾齿挑起 ； 若周向布置捡膜齿过多 ， 挑膜时容易将 地膜撕碎 ， 滑落 、 飘落到土壤里 ， 造成二次污染 ， 且地 膜不易被卸下 ， 地膜不连续 ， 对地膜回收利用较困难 。 挑膜齿的入土深度为 60 ～ 90mm ， 其材料为 45 钢 ， 经 热处 理 ， 其 硬 度 和 耐 磨 性 都 比 较 好， 满 足 工 作 需 求。 为了使曲轴加工制造简单 ， 拆卸 、 安装方便 ， 将曲轴分 为 3 部分 ：轴头 、 曲柄及轴 。 用套筒将曲轴的 3 部分连

1． 卸膜板 2． 辊筒端盖 3． 传动链轮 4． 机架 5． 曲轴 6． 捡拾齿杆 7． 滑套 图2 Fig． 2 捡拾装置结构图

接， 螺栓固定 ， 便于安装和拆卸 ， 使用方便 ， 减小加工 制造难度 。 2． 3 捡膜齿顶端运动轨迹 以滚筒中心为坐标原点 ， 捡拾齿顶端相对运动轨 迹方程为 = Lsinθ {yx = Lcosθ + e （2）

Structure of collecting device

2． 2

捡拾齿的配置形式 捡拾滚筒直径为 760mm ， 捡拾齿顶端距轴中心距

为 280mm ， 捡拾地膜的幅宽为 1 300mm 。 新疆是全国 全部使用地 最大的棉花产区 ， 种植面积 160 万 hm 多 ， 膜覆盖种植技术 ， 残膜污染较严重 ， 对棉田残膜回收 利用是亟需解决的突出问题 。 根据新疆棉花 的 种 植 模式 ， 轴向排列捡拾齿如图 3 所示 。 周向平均分布 4 组， 捡拾齿共有 16 个 ， 保证捡拾齿对准行距 ， 不伤苗 ， 不触碰根茬 。
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2

x 和 y 表示捡拾齿顶端运动轨迹坐标 （ m ） ； 其中 ， L 为捡拾齿径向长度 （ m ） ； θ 为滚筒转动角度 （ rad ） ； e 为曲轴的偏心距 （ m ） 。 其速度方程为 x' = θ'Lcosθ {y' = － θ'Lsinθ （3）

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农 机 化 研 究

第3 期

捡拾齿的顶端速度对机具捡拾残膜的效率和性能 影响很大 。 捡拾齿顶端速度过高 ， 捡拾齿对残膜的打 击力度增大 ， 使残膜进一步被破碎和抛散 ， 减少机具 的使用寿命 ， 增大功率消耗 ； 速度过低 ， 将造成漏捡残 膜， 降低机具的工作效率 。 滚筒转速决定了捡拾齿顶 端速度的大小 ， 因此需要选择合适的滚筒转速 。

膜辊转速升高 ， 毛刷施加在地膜上的作用力增大 ， 残 膜的加速度也增大 ， 有利于卸膜 ； 但当速度升高到一 定数值时 ， 由于速度很大将地膜撕断 、 甩出残膜回收 箱， 降低了残膜回收率 。 同理 ， 在一定范围内 ， 卸膜效 率随着辊子半径的增大先增大后减小 。 这是 因 为 卸 膜辊子半径增大 ， 卸膜板与地膜接触的面积增大 ， 所 以卸膜效率升高 ； 但增大到与捡拾滚筒表面接触时 ， 滚筒阻碍卸膜辊子的转动 ， 影响卸膜作业 ， 卸膜效率 降低 。 残膜回收机卸膜过程是回收残膜作业中关键的步 骤， 如果钉齿扎起的地膜没有被完全回收到残膜回收 箱中 ， 就会降低机具残膜回收率 ， 甩出的地膜飘在空 中 也 会 造 成 二 次 污 染， 所以要提高机具的卸膜效 率
［10 ］

3
3． 1

卸膜部件的设计
卸膜原理 卸膜辊作用在地膜上的力 ， 使地膜加速至辊子外

端毛刷转动的线速度 。 回收箱入口的残膜 ， 在卸膜板 及脱膜辊的作用下 ， 克服 、 摆脱钉齿的缠绕作用力 ， 从 钉齿上被刷至残膜回收箱中 ， 此时地膜的速度等于外 端毛刷转动的线速度 。 根据能量守恒定律可 求 出 作 用在地膜上的平均作用力 F =
［7 － 9 ］ 2 2

。

为 （4）

m （ V － V2 1） 2n

4

结论
1 ） 介绍了曲轴滚筒式苗期残膜回收机的工作原

m 为残膜质量 （ kg ） ； n 为脱膜距离 （ m ） ； V1 其中 ， 为钉齿端部的线速度 （ m / s ） ； V2 为脱膜棍子速度 （ m / s） 。 F 值决定残膜加速度大小 ， 其值越 在一定范围内 ， 大越利于脱膜 ， 适当增加脱膜辊子与钉齿之间的速度 差可以增大 F 值 。 3． 2 卸膜辊的设计 卸膜辊的作用是将地膜从捡拾装置上卸下并输送 到回收箱中 。 工作时 ， 要与捡拾滚筒保持一定的距离 和速度 ， 保 证 顺 利 地 将 膜 卸 下。 卸 膜 滚 筒 主 要 由 滚 筒、 毛 刷、 链 轮 及 轴 承 座 等 组 成。 滚 筒 的 直 径 为 100mm ， 毛刷的长度为 80mm ， 滚 筒 外 圈 及 端 盖 焊 接， 材料为普通钢板 ， 厚度为 5mm 。 动力由拖拉机后输出 轴经链传动传递动力 ， 采用顺向脱膜原理 ， 顺利地将 地膜刮下 。 卸膜辊毛刷数量的布置 、 形 状、 尺寸大小 及外形结构如图 4 所示 。

理， 对关键工作部件即捡拾装置及卸膜装置进行了设 计与分析 。 该机具结构简单 ， 加工制 造 较 容 易 ， 成本 低。 2 ） 为了保证机具有更好地捡膜效果 ， 起膜铲的安 装位置需放在松土铲之后 ， 待松土铲将膜边上的土疏 松后 ， 起 膜 铲 再 将 地 膜 挑 起， 辅 助 捡 拾 齿 捡 拾 地 膜。 该机具伤苗率低 ， 残膜回收率及卸膜率较高 ， 生产率 较高 。 3 ） 利用顺向脱膜原理即卸膜轮 、 捡膜轮转动方向 相同 ， 选择 捡 膜 轮 及 卸 膜 轮 合 适 的 相 对 位 置 配 置 关 系， 更顺利地捡膜和卸膜 ； 捡膜轮和卸膜轮的相对转 速对捡拾效果影响很大 。 4 ） 该机具对小块残膜回收率低 ， 适宜于作物苗期 整块地膜的回收 ， 可实现自动卸膜 、 地膜与秸秆分离 ， 达到分别回收利用的目的 。 参考文献 ：
．农 ［ 1］ 马少辉， 张学军 ． 边膜残膜回收机的设计与试验［J］ 2012 ， 28 （ 1 ） ：73 － 75． 业工程学报， ［ 2］ 李斌， 胡凯， 等 ． 残膜回收机顺向脱膜机理分析 王吉奎， J］ ． 农业工程学报， 2012 ， 28 （ 21 ） ：23 － 28． 与试验［ ［ 3］ 史建新， 赵海军， 等 ． 残膜回收机捡膜杆齿的载荷 陈发， J］ ． 农机化研究， 2005 （ 5 ） ：155 － 160． 分析［ ［ 4］ 张学军， 马少辉， 等 ． 残膜回收机搂膜连杆机构 吴成武， J］ ． 农业机械学报， 2007 ， 38 （ 9 ） ：55 － 58． 模糊优化设计［

图4 Fig． 4

卸膜辊结构图

［ 5］ 陈发， 赵海军， 等 ． 固定凸轮残膜捡拾机构的设 史建新， J］ ． 农业机械学报， 2005 ， 36 （ 12 ） ：43 － 46． 计［ ［ 6］ 郭振 华 ． 棉 杆 集 堆 及 残 膜 回 收 联 合 作 业 机 设 计 及 试 验 ［ D］ ． 乌鲁木齐：新疆农业大学， 2009 ：34 － 54．

Structure of unloading film roller

在一定范围内 ， 卸膜效率随着卸膜辊转速的增大 而增大 ， 但达到一定数值时增加较缓慢 。 这是因为卸

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农 机 化 研 究

第3 期

． 北京：高等 ［ 7］ 孙恒， 葛文杰 ． 机械原理（ 7 版） ［M］ 陈作模， 2006 ：151 － 173． 教育出版社， ［ 8］ 靳伟， 张学军， 朱自成， 等 ． 残膜回收机具自动清理装置 J］ ． 机械， 2013 ， 40 （ 7 ） ：7 － 10． 的研究［

［ 9］ 刘 坤， 李 妍 ． MATLAB 自 动 控 制 原 理 习 题 精 解 刘 翠 响， ［ M］ ． 北京：国防工业出版社， 2004 ：44 － 81． ［ 10］ 娄秀华， 张东兴 ． 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 ） ：88 － 90．

Design of the Crank Drum Seedling Ｒesidual Film Ｒecycling Machine
Jin Wei1a ，Zhang Xuejun2 ，Zhang Chaoshu3 ，Shu Dongmei1b ，Yan Jinshan2 ，Zhang Hong1a ， Li Chaoxin1a ，Sun Jie1a
（ 1． a． College of Mechanical Engineering and Traffic ； b． College of Food Science ，Xinjiang Agricultural University ，
· ·· ·

Ur umqi 830052 ，China ； 2． Key Laboratory of Xinjiang Agricultural Engineering Equipment Innovation Design Laborato· ·

· ry ，Ur · u mqi 830052 ，China ； 3． AKsu Precision Agricultural Machinery Manufacturing Limited Liablity Company ， AKsu

843013 ， China ） Abstract ： Plastic mulching technology application and extension ，greatly promote the development of agricultural economy in our country ，improve the yield and quality of agricultural products． But the residues in the soil mulch extremely difficult to degradation under natural conditions ，do great harm to the sustainable development of agriculture． For recycling the residual film field ，based on the research of the residual film recycling machine at home and abroad and reference ，design a kind of crankshaft drum remnant film collecting machine． The residual film recycling machine is working ， break shovel dirt ，a film shovel supplementary collector and pick up membrane ，membrane roll film unload and collect to the recycling bin ，avoid to cause secondary pollution． Field experiment ，the power provided by the iron cow 55 ，speed is 3． 6Km / h ，collecting rate of about 88% ，the discharge rate was 95% ，and the membrane machine production efficiency is 0． 6hm2 / h． Key words ： residual film recycling ； film collecting device ； unloading film ； seeding stage （ 上接第 98 页 ） Abstract ID ：1003 － 188X （ 2015 ） 03 － 0095 － EA

Design of Hydro － mechanical Continuously Variable Transmission Test Bench of Tractor
Wang Peng ，Zhou Zhili ，Xu Liyou
（ College of Vehicle and Transportation Engineering ，Henan University of Science ＆ Technology ，Luoyang 471003 ，China ） Abstract ： According to the request of tractor hydro － mechanical continuously variable transmission test ，the test bench structure is designed ，and the drive and loading devices are choosen． The measurement and control system of this test bench is designed． As the object of test ，the hydro － mechanical continuously variable transmission for Dongfanghong 1302Ｒ tractor is tested for the stepless speed regulation characteristic test and automatic speed regulation characteristic test． The results show that this test bench stands a high degree of automation and stable running ，and it can meet the designed requirements． Key words ： tractor ； hydro － mechanical continuously variable transmission ； test bench ； control system

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