4CMJ-2.0秸秆还田及残膜回收一体机的设计与试验_卢登明.pdf

新疆农机化2023 年第 1 期doi:10.13620/ki.issn1007-7782.2023.01.002中图分类号:S223.75文献标识码：A0引言地膜覆盖技术自上世纪70年代在我国应用推广以来，因其具有保墒、保水、保肥、增加地温、改善植物光照条件、抑制杂草生长、改善土壤结构及提高作物产量与品质的优点，得到了农民的认可并迅速在全国推广使用。在西北干旱半干旱地区，因水资源紧缺，此技术应用更加广泛，地膜已成为农业生产中必不可少的生产资料。目前，我国地膜覆盖种植面积超过2000万hm2，地膜年使用量超过150万t，占世界年地膜使用总量的90%左右，覆膜面积以及地膜使用量均位列世界第一。地膜由聚乙烯材料制造，该材料稳定性相对较好，在厌氧环境下性质稳定，不易分解，据有关资料显示，地膜埋于地下降解期长达200400年。农田中未能及时回收的地膜会造成土壤透气透水性变差，土壤板结，残膜分布在耕层内会影响作物的出苗和正常生长。地膜长期埋于地下形成微塑料，再加上各类机具的作业，会被植物吸收，严重影响作物的产量与品质并危害人体健康。新疆是全国的棉花主产区，棉花种植基本实现100%覆盖，因早年人们对地膜危害的认识浅薄加上没有性能可靠的机具对农田残膜进行回收，耕层内残留农膜数量大，农田残膜污染严重。随着近年国家对农业土地污染治理的力度加大加上残膜回收作业补贴政策的实施，残膜回收已成为农业生产中必不可少的作业项目1-3。残膜回收根据作业时期与回收残膜部位不同可分为苗期残膜回收、地表残膜回收和耕层残膜回收，新疆是典型的干旱地区，不适合苗期回收，耕层残膜回收因其配套动力大、作业效率低和残膜回收率低等原因还没有较成熟的机型被应用推广，因此，各企业、科研机构和高校主要在地表残膜回收机型上开展研究。新疆金天成机械装备有限公司针对秸秆还田及残膜回收研制了4CMJ-2.0秸秆还田及残膜回收一体机，并取得了相关专利。1机具结构与工作原理1.1结构4CMJ-2.0秸秆还田及残膜回收一体机主要包括牵引装置、动力输出轴、自动注油系统、起膜圆片装置、秸秆还田装置、滚筒式捡拾装置、退膜齿机构、旋风式卸膜风文章编号：1007-7782（2023）01-0008-034CMJ-2.0 秸秆还田及残膜回收一体机的设计与试验卢登明1，陆亮阳1，张 颖1，郭 磊2，马少辉3（1.新疆金天成机械装备有限公司，新疆 阿克苏 842008；2.新疆农业大学机电工程学院；3.塔里木大学机械电气化工程学院）摘 要：本文简述了地膜覆盖种植技术的优缺点，介绍了4CMJ-2.0秸秆还田及残膜回收一体机整机结构及关键零部件的设计、机具工作原理、主要技术参数和试验结果，对农技人员学习和农机户的选型有一定的借鉴作用。关键词：秸秆还田；残膜回收；一体机；设计；试验Design and test of 4CMJ-2.0 straw returning and residualfilm recycling integrated machineLu Dengming1,Lu Liangyang1,Zhang Ying1,Guo Lei2,Ma Shaohui3（1.XinjiangJintianchengMachineryEquipmentCo.,Ltd.,Aksu842008,Xinjiang,China;2.CollegeofMechanicalandElectricalEngineering,XinjiangAgriculturalUniversity;3.CollegeofmechanicalandElectricalEngineering,TarimUniversity)Abstract:In this paper,the advantages and disadvantages of film covering planting technology were briefly described,the wholestructure of 4CMJ-2.0 straw returning and residual film recycling interated machine and its key parts was designed,the workingprinciple,main technical parameters and test results of this machine were introduced.This paper can provide certain reference forthe study ofagricultural techniciansand the selectionofagricultural machinery users.Key words:Strawreturning;Residualfilmrecycling;Intergratedmachine;Design;Test通讯作者：马少辉修回日期：2022-11-07 开发研究 8新疆农机化2023 年第 1 期筒、打包捆网装置和地轮运输系统等结构，如图1。图1 4CMJ-2.0秸秆还田及残膜回收一体机结构图1.牵引装置2.动力连接轴3.自动注油系统4.起膜圆片装置5.秸秆还田装置6.滚筒式捡拾机构7.退膜齿机构8.旋风式卸膜风筒9.打包捆网装置10.地轮运输系统1.2工作原理秸秆还田装置位于一体机的前端，秸秆还田装置中粉碎刀辊将秸秆粉碎成块状或纤维状，输送大绞龙将粉碎后的秸秆抛送至田间交接行内，秸秆还田装置尾部设置输送小绞龙，主要作用是将滚筒式捡拾机构捡拾起的杂土混合物排至田间交接行内。滚筒式捡拾机构中捡膜弹齿将残膜捡起，捡膜弹齿轴和拐臂连接并受凸轮滑道控制实现角度的摆动，使捡膜弹齿在机构的正下方处于捡拾状态，在机构的斜上方处于脱膜状态。旋风式卸膜风筒高速旋转，将残膜卷入风筒后抛入打包机中。滚筒式捡拾机构后部设置退膜齿装置，刮去捡拾机构上未有效清理的残膜。打包机中圆辊将散乱的残膜揉搓成质密紧实的膜包，捆网装置使用网状打包带将膜包外圆裹紧。2机具关键部件设计2.1秸秆还田装置的设计为提高弹齿滚筒的捡拾率，确保机具残膜回收率，须对收获后的棉秆进行秸秆还田处理，在处理的同时不仅不能影响弹齿滚筒作业，还要将粉碎后的棉花秸秆抛洒到两侧或后侧。根据棉秆的物理机械性能，结合新疆机采棉种植模式，选用水平刀轴式秸秆还田机作为一体机的粉碎装置，工作幅宽 2.3 m。目前，对于茎秆粗大作物的秸秆粉碎还田作业，常用的刀具主要有直刀型、锤爪型刀和 Y 型刀等。直刀型一般使用于硬度较低的秸秆；锤爪型刀质量大，转速高且功耗较大；Y 型刀体积、质量较小，相对而言功耗低，机具振动小，在形状上因其几何对称设计，刀具具有自平衡性能，故 4CMJ-2.0 秸秆还田及残膜回收一体机上选用了 Y 型粉碎甩刀，其结构如图 2。为保证棉秆粉碎还田对棉秆粉碎长度和粉碎后棉茬的技术要求，同时不影响弹齿滚筒起膜捡拾率，保证刀具连续作业对强度和功率的要求，将 Y 型粉碎甩刀长度设计为 164 mm，厚度为 6 mm，宽度为 60 m，甩刀开口角为 138，材料选用 65Mn，为增加耐磨性，提高刀具使用寿命，甩刀刃口表面喷焊 NiWC 合金粉末涂层。图2“Y”型甩刀结构示意1.间隔套2.刀座3.铆钉4.粉碎刀片合理的粉碎甩刀排布对机具作业效果影响明显4-6，粉碎甩刀数量过少会造成漏切，数量过多则会增加机具功耗且不利于粉碎秸秆抛送，粉碎甩刀的数量根据式（1）计算：N=CB0（1）式中N甩刀的数量；C甩刀的排布密度，片/m；B0机具的作业幅宽，m。粉碎甩刀通过铰接的方式与粉碎刀轴连接，甩刀的排布密度一般为 2340 片/m，本文设计粉碎刀辊的回转直径为 530 mm，根据本机具 2.3 m 的作业幅宽要求，甩刀采用交错平衡排列方式，最终确定粉碎甩刀为 80 片，分为 40 组，粉碎刀具安装排列如图 3。图3甩刀装配示意1.粉碎甩刀2.刀座3.粉碎刀辊2.2滚筒式捡拾机构的设计为了提高弹齿滚筒的残膜拾净率，避免弹齿触土过深造成工作部件损坏，要求捡拾滚筒应具有随地仿形功能。目前大多数同类联合作业机在设计时均是将秸秆粉碎装置和捡膜装置刚性连接在一起，通过秸秆粉碎装置的限深轮或者地轮进行仿形，造成留茬高度和紧随之后的收膜部件的入土深度不能单独调整7-8，从而造成粉碎后棉茬较高或弹齿触地过深，造成弹齿变形、失效或断裂。本文设计了一种用于滚筒式捡拾机构的仿形地轮机构，如图 4，以解决捡膜弹齿入土深度不一的问题。123123456789101234506044164138金天成 开发研究 9新疆农机化2023 年第 1 期图4捡拾机构地面仿形机构示意1.捡拾机构2.仿形引臂3.仿形地轮捡膜弹齿为滚筒捡拾机构的入土部件，在工作中受土壤阻力和残膜及根茬随机力的作用，每个弹齿所受合力由式（2）确定。F合=F土壤+F随机力（2）式中F合单个弹齿所受合力，N；F土壤土壤对弹齿作用力，N；F随机力残膜及根茬对弹齿作用力，N。捡膜弹齿通过螺栓紧固的方式与固定瓦盖连接，固定瓦盖通过焊接的方式与捡膜弹齿轴连接，如图 5。捡膜弹齿分布于弹齿轴上且有三种排布形式，避免了捡拾残膜时将残膜拉断。图5捡膜弹齿结构示意1.捡膜弹齿2.固定瓦盖3.螺栓紧固件4.捡膜齿轴2.3机具主要技术参数与指标机具尺寸（长宽高，mm）机具重量（kg）配套动力（kW）挂接形式工作幅宽（mm）作业深度（mm）作业速度（km/h）留茬高度（mm）秸秆粉碎长度（mm）残膜拾净率（%）残膜含杂率（%）3试验情况参照最新颁布的中华人民共和国国家标准 GB/T25412-2021 残地膜回收机，于 2015 年 10 月2022年 10 月在新疆生产建设兵团第一师六团进行田间试验，全面检验秸秆还田及残膜回收一体机的作业性能。试验田前茬作物为棉花，棉田间秸秆和杂草未被有效清理，由于收获机的碾压和滴灌带回收等原因，残膜破损程度高。试验过程中配套动力为雷沃轮式拖拉机，在平均作业速度为7 km/h的条件下试验结果如表1。试验表明，该型秸秆还田及残膜回收机具有良好的适应性，各项性能指标达到设计要求，符合国家标准。表1试验结果4应用情况自研制成功通过鉴定后，4CMJ-2.0 秸秆还田及残膜回收一体机已累计推广残膜回收作业 2 000 hm2，主要分布在新疆、内蒙古、甘肃、宁夏等我国西北棉花种植区，同时机具还远销至中亚和西亚等国家。用户使用反馈捡拾残膜效果好，尤其对当年所铺地膜回收效果好，残膜回收率大于 86，解决了残膜不易回收和边膜无法收起的难题，实现了自动卸膜，省时省力。该机已成为目前农业生产中有效解决“白色污染”的主力机型，为农业可持续发展提供了有力保障。参考文献：1李东，赵武云，辛尚龙，等.农田残膜回收技术研究现状与展望J.中国农机化学报，2020，（5）：204-209.2赵岩，陈学庚，温浩军，等.农田残膜污染治理技术研究现状与展望J.农业机械学报，2017，（6）：1-14.3蒋德莉，陈学庚，颜利民，等.农田残膜资源化利用技术与装备研究J.中国农机化学报，2020，（1）：179-190.4刘策，胡斌，罗昕，等.基于滚筒弹齿式起膜机构的残膜回收机的设计与试验J.甘肃农业大学学报，2022，57（5）：230-239.5范治璇，余桂玲.新疆农田残膜治理现状及PHA新技术的应用J.南方农机，2022，53（4）：56-58.6李挺，闻朝华，马志辉.残膜回收与秸秆粉碎还田一体化联合作业机的设计J.河北农机，2021（9）：19-20.7王茜，温浩军，陈学庚，等.残膜回收机脱膜机构的研究现状及发展趋势J.新疆农机化，2021（4）：25-27.8宋柱亭，温浩军，缑海啸，等.耐候型地膜及机械化回收试验J.新疆农垦科技，2021，44（4）：41-42.12345 5752 8002 5004 10088牵引式2 000010079801508510参数表面拾净率（%）缠绕率（%）割茬高度合格率（%）指标86190