田辛亮，赵 岩，陈学庚,3，颜利民,3，温浩军，缑海啸，纪 超

（1. 石河子大学机械电气工程学院，石河子 832000；2. 新疆农垦科学院机械装备研究所，石河子 832000；3. 农业部西北农业装备重点实验室，石河子 832000）

0 引 言

地膜覆盖种植技术因具有良好的增温保墒、防病抗虫、抑制杂草生长等作用，得到广泛的应用[1-4]。随着农田残膜含量增加，污染逐步加剧，残膜回收问题受到高度重视[5-9]。覆膜种植技术在国外已有300多年的应用历史，欧美、日本等发达国家均采用高强度地膜，利用卷膜机具完成收膜作业，回收率高[10-12]。

中国使用的地膜较薄，力学性能低，卷膜回收机械不适用。中国残膜回收机械研制始于20世纪80年代，目前研究主要集中于新疆、甘肃和内蒙古等地膜使用面积大、残膜污染严重地区，其中新疆地区棉田残膜回收机械属于研究热点之一。根据农艺作业时间的不同，残膜回收机可分为播前残膜回收机、苗期残膜回收机和秋后残膜回收机[13]；按照关键收膜部件的不同，可分为弹齿式、滚筒式、滚筒缠绕式、齿链式等[14-18]。目前新疆地区广泛应用的棉田残膜回收机具为立杆式弹齿搂膜机。该机型结构简单，故障率低，作业行进速度快，但存在许多问题。如残膜拾净率低于 50%、不能回收窄行中的残膜、卸膜频繁，行进距离30 m左右就需要卸膜1次，严重影响作业效率。另外，卸膜作业通过机具提升臂的上下抖动进行，频繁操作对于拖拉机提升臂的液压系统损坏很大。

为解决上述问题，本文设计了4JSM-2000A型棉秆粉碎及搂膜联合作业机，重点研究以下几个方面：将带有侧输出功能的棉秆粉碎还田机与弹齿搂膜部件组合，1次作业可以完成 2道工序，提升作业效率；搂膜部件增加有浮动功能的小窄行搂膜弹齿，进一步提升残膜回收率；机具采用大尺寸搂膜弹齿，增加物料存储空间，使机具作业距离延长至50～70 m，减少卸膜次数，提升作业效率；通过拖拉机后输出液压控制液压缸伸缩，实现自动卸膜，弥补现有立杆式搂膜机的不足。

1 整机结构及工作原理

1.1 棉花种植模式及残膜分布特点

棉花覆膜种植是先在地面铺上一层地膜，随后机具在膜上打孔将种子播入土壤[19-21]，新疆棉田宽行行距为660 mm，窄行行距为100 mm[22]，如图1所示。由于采棉机车轮的碾压，棉田宽行中的地膜平面较窄行间的地膜平面低5～10 cm。新疆秋后棉花地中的残膜主要分布在膜面和膜边。

图1 棉花覆膜种植模式示意图Fig.1 Sketch map of cotton film mulching pattern

1.2 整机结构

4JSM-2000A型棉秆粉碎及搂膜联合作业机主要由3点悬挂装置、动力传输系统、棉秆粉碎装置、棉秆输送机构、搂膜机构、卸膜机构以及机架等部分组成，如图2所示；其中棉秆粉碎装置主要包括刀轴、刀片、限深轮等组成；棉秆输送机构包括搅龙、搅龙轴固定板等组成；搂膜机构包括弹齿、弹簧、固定架等部分组成；卸膜机构包括卸膜挡板、液压系统等部分组成。

图2 4JSM-2000A型棉秆粉碎及搂膜联合作业机结构示意图Fig.2 Structure diagram of 4JSM-2000A type combined operation machine for cotton stalk chopping and residual plastic film collecting

1.3 工作原理

作业时，机具通过 3点悬挂装置与拖拉机悬挂装置连接，拖拉机的后输出轴与机具的传动系统连接，带动粉碎刀轴高速旋转将棉秆切碎，切碎后的棉秆在离心力的作用下被抛送至搅龙内，旋转的搅龙将棉秆抛送至地表；拖拉机前进的同时，也带动弹齿入土搂膜。由于棉田的小窄行略高于地面，具有浮动功能的小窄行搂膜弹齿通过预紧弹簧调节弹齿入土深度，实现对窄行中的地膜进行回收，其他弹齿对于窄行外的残膜进行回收。机具工作50～70 m后，通过拖拉机后输出液压控制机具卸膜机构的液压缸伸缩，实现自动卸膜。

1.4 主要结构参数

4JSM-2000A型棉秆粉碎及搂膜联合作业机主要结构参数如表1所示。

表1 4JSM-2000A型棉秆粉碎及搂膜联合作业机主要结构参数Table 1 Main structure parameters of 4JSM-2000A type combined operation machine for cotton stalk chopping and residual plastic film collecting

2 关键部件设计

2.1 棉秆粉碎还田装置

2.1.1 棉秆粉碎装置

棉秆粉碎装置主要由刀轴、限深轮、动刀片、定刀片、前后挡板和搅龙组成。动刀形状主要有直刀型、Y型或L型，直刀型结构简单，加工方便，功率消耗低；Y型或者 L型粉碎效果比直刀型效果比较好，但是加工工艺较复杂。经试验对比，为保证棉秆粉碎及抛送效果，选用Y型刀片。

动刀在刀轴上的排列对于棉秆的粉碎效果有直接影响，其排列方式应满足以下要求[23]：1）满足工作性能要求。粉碎后的棉秆长度应满足技术要求，粉碎的同时搅龙对棉秆的输出不应发生堵塞现象；2）满足动平衡要求。机具在工作时不应发生明显晃动，工作时要受力均匀，动刀在刀轴上应均匀排列，每组的径向排列要等角度，夹角一般要大于60°。动刀常用的排列方式主要有3种：螺旋线排列、对称排列和交错平衡排列。交错平衡排列的动刀结构简单，安装方便，在运动中相对的两组动刀离心力的合力在同一平面内，使得整机具有良好的平衡性，故本机动刀的排列采用交错平衡排列方式，如图 3a所示。

为了研究动刀片端点运动，以刀轴轴心为原点，机具前进方向为x轴正方向建立直角坐标系，如图3b所示。取动刀片端部运动轨迹上任意一点坐标为P（x,y），由图3可知P点的运动轨迹为：

由式（1）求导得：

由速度合成原理可得动刀末端绝对速度为：

式（1）～（3）中，ω0为刀轴旋转的角速度，rad/s；R为动刀片回转半径，mm；v0为机具行进速度，m/s；V为动刀工作时的绝对速度，m/s；vx为动刀末端P点在x轴方向上的分速度，m/s；vy为动刀末端P点在y轴方向上的分速度，m/s，t为时间，s；xp为动刀末端P点在x轴方向的运动轨迹；yp为动刀末端P点在y轴方向的运动轨迹。工作时，当动刀片运动至最高点时，拖拉机的行进速度与刀片末端绝对速度在水平方向上的分量相反，有利于粉碎后的棉秆被抛送至搅龙内。动刀片的速度与刀轴的转速n密切相关，转速n的计算为：

根据农户对棉田棉秆粉碎效率的要求，本机具设计的刀轴转速为2 000 r/min，动刀片旋转半径R为262 mm。拖拉机的行进速度v0为5～7 km/h，通过计算可得动刀片末端的速度 V为 52.91～53.46 m/s，满足对具有一定刚度的棉秆进行无支撑切割的最小速度 Vmin=48 m/s的要求[24-26]。

图3 棉秆粉碎装置动刀排列及运动分析Fig.3 Rotary blades array and motion analysis of cotton stalk crushing device

2.1.2 棉秆输送搅龙

棉秆输送搅龙可以将粉碎之后的棉秆输送到机具前进方向的左侧间隔行内，对于膜秆分离起着至关重要的作用。本文选用的是螺旋单侧输出搅龙[27]，根据田间试验实测，机具作业速度为5 km/h时，田间试验单位面积内粉碎棉秆的平均质量为430.25 g/m2，由此计算螺旋输送搅龙的理论输出量Q为1.32～1.85 kg/s，以下是各参数的计算公式。

螺旋叶片直径为：

螺距为：

螺旋轴的轴径为：

螺旋轴的转速为：

式（5）～（8）中K为粉碎后的棉秆特性系数；Q为螺旋输送搅龙的理论输出量，kg/s；ψ为填充系数，c为倾斜系数；ρ为输送过程中棉秆的堆积密度，t/m3；A为粉碎棉秆的综合特性系数。

秋后的棉秆水分较大，棉秆粉碎之后容易黏结成块状，根据《机械设计手册》，选择填充系数ψ取0.20，螺旋输送搅龙水平放置，故倾斜系数c取1，粉碎棉秆的特性系数K取0.071。经过田间实际测算，粉碎棉秆的堆积密度ρ约为0.125 t/m3，粉碎棉秆的综合特性系数A取70。

由此计算出螺旋叶片直径最小为397 mm，圆整为标准直径取D=400 mm；螺距的取值范围为200～880 mm，取螺距 s=450 mm；螺旋轴轴径 d取值范围为 80～140 mm，从螺旋搅龙的稳定可靠性出发，取螺旋轴的轴径为125 mm；螺旋轴转速应小于110 r/min，为避免棉秆堵塞搅龙，取n=90 r/min。

2.2 残膜回收装置

2.2.1 搂膜装置结构

搂膜装置结构主要由浮动搂膜机构、机架、固定板、弹齿、弹齿固定轴、卸膜装置等部分组成，其结构如图4a所示。

弹齿是搂膜装置的重要组成部分。搂膜装置由12组弹齿组成，呈一字排开，固定在方钢和弹齿固定轴上。机具作业时，通过液压装置控制搂膜装置的入土深度实现搂膜。由于采棉机车轮的碾压，棉田宽行中的地膜平面较窄行间的地膜平面要低5～10 cm，如果搂膜机构的弹齿尖的高度在一个水平面上，棉田宽行中的地膜容易回收，窄行中的地膜回收率很低。为了更加有效地对窄行中的地膜进行回收，弥补立杆式搂膜机的不足，在搂膜装置上设计了2组浮动搂膜装置，其结构如图4b所示。每组装置由2组弹齿、2组弹簧及方钢组成，弹齿由方钢和固定轴共同固定，作业时依据弹簧伸缩自动调节弹齿入土深度，实现窄行中地膜有效回收。机具作业时，由于窄行中的地膜和宽行中的地膜不在同一水平面上，并且窄行中的地膜略高于宽行中的地膜，而液压装置只能将所有弹齿控制在同一水平面，故作业时浮动装置的弹齿对窄行中的地膜进行回收，其他弹齿对宽行中的地膜进行回收，窄行中的弹齿与宽行中的弹齿不在同一水平面。机具作业时，液压装置控制弹齿在同一入土深度，浮动装置通过土壤对弹齿的反作用力使得弹簧压缩，使得浮动装置上的弹齿高度略高于其他弹齿，但所有弹齿的入土深度几乎是一致的，作业过程中互不干扰。

图4 残膜回收装置Fig.4 Residual film recovery mechanism

弹簧的力学特性对浮动搂膜机构的作业效果有着重要影响，弹簧弹性大，作业时变形小，浮动效果不明显；弹簧弹性小，作业时变形大，收膜效果不好。由生产试验可知，弹簧在搂膜作业时要承受冲击负荷，实际测量最大工作负荷100 kg，变形量40 mm，本文初定弹簧中径为30 mm。根据所受负荷和田间试验，并结合《机械设计手册》，弹簧受冲击负荷，故确定为第Ⅱ类弹簧，选用的弹簧材料为 60Si2Mn，许用切应力[τ]=64 kg/mm2，弹簧支撑圈数n2=1.5，弹簧直径为6 mm，外径为36 mm，有效圈数14圈，总圈数18圈。

2.2.2 弹 齿

弹齿是回收残膜的关键部件，弹齿的结构设计对于收膜效果影响很大，弹齿的尺寸、材料都应满足设计要求。本文采用圆弧形弹齿结构，弹齿由直径为16 mm的65 Mn钢制成，弹齿圆弧形半径为335 mm，其结构如图5a所示。每组弹齿包含2组搂膜耙，沿弹齿的中心线呈对称分布。根据农户对机具作业效率的要求，弧形弹齿的末端直线延长210 mm，以增大弹齿存储物料的空间，延长机具的作业距离，减少卸膜次数，提高机具的工作效率；弹齿的末端进行倒角，方便对弹齿的入土深度进行调节，减小拖拉机功耗。

弹齿是残膜回收的关键部件，弹齿的入土角度和入土深度对残膜回收率起着至关重要的作用。因此，研究分析弹齿的受力对于降低拖拉机的功耗以及提高残膜回收效率至关重要。机具行进过程中弹齿的受力分析如图5c所示。在机具行进过程中，弹齿受到的力主要包括：土壤及缠绕在弹齿上残膜的重力、弹齿行进过程中受到的工作阻力、行进过程中土壤及缠绕在弹齿上的残膜对弹齿的反作用力和摩擦力。

图5 弹齿设计Fig.5 Spring-tooth design

综合分析图5，根据力学平衡方程，弹齿在行进过程中受到的力可以表示为：

式中G为弹齿受到的土壤及缠绕在弹齿上残膜的重力，N；F为弹齿行进过程中的工作阻力，N；Fn为弹齿受到的残膜及土壤对其的反作用力，N；P为弹齿行进过程中对残膜及土壤的摩擦力，N；θ为弹齿入土角度，（°）。其中，P=μFn，对式（9）进行化简得：

式中 μ弹齿与残膜间的摩擦因数，弹齿在工作过程中会产生一定的变形，所以弹齿的入土角度在机具的工作过程中很难保持一个固定值。弹齿的入土角度 θ与弹齿的入土深度、本身结构参数等多种情况相关，入土角度过大或者过小都不利于残膜回收[28-30]。结合田间试验情况分析，弹齿的入土角度θ=10°～30°时收膜效果较好。

由于工作过程中搂膜弹齿需要拖动物料前进，机具行进过程中弹齿也会受到土壤及残膜的阻力，因此弹齿的材料选用65Mn钢。通过田间测试可得，对搂膜弹齿的施加载荷为1 kN，分析可知弹齿受到的最大应力为220 MPa，小于材料的许用应力(570 MPa)，满足设计要求。

2.2.3 卸膜机构

卸膜机构主要由卸膜挡板及机架组成，如图6所示。当机具作业一段距离后，弹齿及物料存储空间中存有大量地膜，卸膜之后机具方可继续作业。拖拉机后输出液压系统将动力经由液压油管传递至液压缸，通过液压缸的伸长实现搂膜弹齿向上运动，由于卸膜挡板间的空隙只允许弹齿经过，从而将弹齿上的残膜脱下。田间试验结果表明，卸膜机构自动卸膜率达到 90%以上，不需要液压缸带动提升臂抖动，减小对机具的损坏，提高了机具的作业效率。卸膜之后，机具继续作业。

图6 卸膜机构Fig.6 Film unloading mechanism

2.3 传动系统设计

棉秆粉碎及搂膜联合作业机的传动系统由液压和机械两种传动系统组成。传动动力由约翰迪尔1204拖拉机提供，机械传动系统由拖拉机带动变速箱完成，动力由拖拉机后输出轴输出后，经变速箱提速后由皮带轮传递给棉秆粉碎装置，再由棉秆粉碎装置传递给螺旋搅龙，将粉碎之后的棉秆输送到地膜的一侧；液压传动系统由液压缸、液压油管及辅助元件组成，动力由拖拉机后输出液压系统将动力经由液压油管传递至液压缸，通过控制液压缸的收缩来实现卸膜功能，如图7所示。

图7 棉秆粉碎及搂膜联合作业机传动系统结构图Fig.7 Drive system structure diagram of cotton stalk chopping and residual plastic film collecting combined machine

3 田间试验

3.1 试验区概况及设备

2017年9月在石河子145团三分场十二连3号田进行了整机试验，试验面积5 hm2，东西方向长800 m。试验地土壤类型为灰漠土，土壤坚实度为360 kPa，土壤表层含水率为15.2%。前茬作物为棉花，栽培模式行距宽窄行为：宽行行距660 mm、窄行行距110 mm、株距95 mm。地膜宽度为2 050 mm，地膜厚度0.008 mm，膜面有部分覆土。试验前滴灌管带和滴灌设备已全部清理，滴灌带抽出时地膜被从行间撕开。配套拖拉机选用约翰迪尔 1 204，动力88.3 kW，牵引速度5～6 km/h。试验设备和仪器包括4JSM-2000A型棉秆粉碎及搂膜联合作业机、卷尺(0～100 m)、电子秤(上海花潮电器有限公司)、测速仪(杭州来涞科技有限公司)、秒表(永康市安郎工贸有限公司)等。图8为试验现场。

图8 残膜回收机田间试验Fig.8 Residual film recovery machine test

3.2 试验因素与指标

本试验利用Design-Expert软件设计为三因素三水平二次回归正交试验，选取弹齿入土深度X1、弹齿组数X2和作业速度X3三个关键影响因素作为研究重点，每个因素设置3个水平。表2为因素试验水平。

弹齿入土深度对残膜回收质量影响很大，弹齿入土深度过浅会导致收膜率较低；弹齿入土深度过深会导致壅土严重，弹齿变形会加剧，同时也会增大功耗。根据田间试验测试结果，将弹齿的入土深度分别设置为 10、20、30 mm。

弹齿组数对残膜回收率也会产生较大影响，弹齿的组数过少，会导致弹齿在固定轴上的排列密度过于稀疏，搂膜过程中漏膜现象比较严重；弹齿组数过多，会导致弹齿在固定轴上的排列密度过于密集，搂膜过程中会出现壅土以及杂质过多的现象，弹齿变形、损坏现象增加。通过试验分析，弹齿的组数分别设置为10、12、14组。

机具前进作业速度对机具的工作效率及稳定性有较大影响，机具前进速度过快会导致棉秆粉碎装置的搅龙堵塞、漏膜、弹齿损坏等现象；前进速度过慢会出现作业效率低下和壅土现象。通过试验分析和选配拖拉机工作性能，机具前进速度分别设置为1.0、1.5、2.0 m/s。

试验时，作业距离对工作效率有影响，距离过长导致弹齿下残膜堆积、距离过短导致试验结果不够精确，故本试验确定连续作业距离为 100 m。根据国家标准GB/T 25412-2010《残地膜回收机》对棉秆粉碎及搂膜联合作业机的残膜回收率进行测定：机具作业后将测量区域内所有残膜收集装袋，并用清水洗干净，除去茎叶、灰尘等杂质，晒干后称出质量，重复3次计算出平均值；计算出试验区所铺地膜的总质量。

表2 试验因素水平Table 2 Levels of test factors

收膜性能良好、无壅土现象是棉秆粉碎及搂膜联合作业机能够连续作业的必要条件，残膜回收率是衡量机具性能优劣的重要指标，计算公式为：

式中η为残膜回收率，%；M1为残膜回收后的质量，g；M0为试验区域所铺地膜的总质量，g。

3.3 结果与分析

3.3.1 试验结果

机具在残膜回收过程中存在很多影响残膜回收率的因素，这些因素与其呈现非线性关系，通常选用 2次或者更高次的模型来逼近响应[31-32]。本次田间试验以弹齿入土深度X1、弹齿组数X2、机具行进速度X3作为试验因素，残膜回收率η作为响应值。根据Box-behnken试验原理设计的三因素三水平试验，包括17个试验点，试验结果如表3所示。

表3 试验结果Table 3 Test results

应用Design-Expert软件对表3中试验数据拟合并进行方差分析，可得回归方程及其显著性检验如表4所示。残膜回收机回收率的回归方程式为：

由表4可知，模型显著性检验F=75.38，P＜0.0001，说明二次回归方程的检验达到高度显著；且失拟性检验F=1.39，P＞0.1，为不显著，说明在试验范围内模型的拟合性很好。

表4 模型显著性检验Table 4 Significance test of model

3.3.2 响应曲面分析

根据Box-behnken中心组合试验方法分析生成3D响应曲面图，根据响应曲面图分析弹齿入土深度、弹齿组数、机具前进速度 3个因素对残膜回收率的综合影响。如图9所示。

由图9和表4可知，各因素对残膜回收率的影响顺序依次是：弹齿入土深度、弹齿组数、机具前进速度，各影响因素对于残膜回收率存在交互作用。由图9a知，随着弹齿组数及弹齿入土深度的增加，残膜回收率呈现先增大后减小的趋势，这是因为随着弹齿组数增加，漏膜率降低；弹齿组数继续增加，会导致壅土现象加剧，故弹齿组数应控制在合理范围。由图9b知，随着弹齿入土深度及机具前进速度的增加，残膜回收率呈现先增大后减小的趋势，这是因为弹齿入土深度增加，弹齿的搂膜率增大；弹齿入土继续增加，壅土现象加剧，故入土深度应控制在合理范围。由图9c知，随着机具前进速度及弹齿组数的增加，残膜回收率呈现先增大后减小的趋势，这是因为机具前进速度增加，壅土现象降低；机具前进速度继续增加，漏膜率增大，故机具前进速度应控制在合理范围。田间试验表明，3个因素需要选取一个合理的中间值，才能保证最大的残膜回收率。

图9 各因素对残膜回收率的影响Fig. 9 Influence of various factors on residual film recovery rate

3.4 参数优化

根据棉秆粉碎及搂膜联合作业机田间工作情况、性能要求和上述模型分析结果，利用Design-Expert软件的寻优功能进行参数优化，对试验因素约束条件为：弹齿入土深度10～30 mm，弹齿组数10～14组，机具前进速度1.0～2.0 m/s；评价指标残膜回收率η取目标最大值100%。优化结果3个因素试验水平分别为：弹齿入土深度20 mm、弹齿组数12组、机具前进速度1.5 m/s时，模型曲面综合响应达到最大值，最佳残膜回收率为92%。

3.5 棉秆粉碎试验

按照 GB/T25412-2010《残地膜回收机》和GB/T24675.6-2009《保护性耕作机械：秸秆粉碎还田机》的要求，参照文献[24]的方法，在最优组合的参数条件下对样机进行作业性能试验，并测试残膜回收率、棉秆粉碎合格率和膜秆分离率等作业参数。

3.5.1 试验指标

棉秆粉碎合格率为粉碎合格棉秆质量占测试地段上粉碎棉秆总质量的百分比。采用 5点法测试，每个点取1 m2范围，测定范围内地表所有粉碎棉秆，棉秆长度≤150 mm为合格。棉秆粉碎合格率为：

式中η1为棉秆粉碎合格率，%；W1为粉碎合格棉秆质量，g；W2为粉碎棉秆总质量，g。

膜秆分离率分别是评估机具工作性能优劣和棉秆粉碎还田的主要指标之一，膜秆分离率为：

式中η2为膜秆分离率，%；M1为残膜回收后的质量，g；W3为机具回收残膜和棉秆的总质量，g。

3.5.2 试验结果

为了验证优化结果的可行性，按优化结果进行田间试验，设定弹齿入土深度20 mm，弹齿组数12组，机具前进速度1.5 m/s，随机选取5个作业长度为100 m试验区进行试验。试验结果如表5所示。由表5可知，试验区平均残膜回收率为91%，试验后地表残膜回收较干净，但有少量碎膜未被回收，这是因为试验区棉花为机械收获，一部分残膜、棉秆和土壤一起被压实，给残膜回收带来一定影响；平均膜秆分离率为 87%，由于田间试验为初秋，棉秆含水率较大，在螺旋搅龙内有一定堵塞现象，造成棉秆抛出距离不够，导致少量粉碎的棉秆被捡拾回收，影响了膜秆分离率；平均棉秆粉碎合格率为90%，各项参数满足农艺要求。

3.6 对比试验

为了验证 4JSM-2000A型棉秆粉碎及搂膜联合作业机的作业性能，将本文机具与立杆式搂膜机分A、B组进行 5次对比测试[33]，试验确定机具连续作业距离为 100 m，试验参数为残膜回收率与卸膜次数。A组为 4JSM-2000A型棉秆粉碎及搂膜联合作业机，将试验区内回收的残膜进行整理，除去茎叶等杂质，洗净晒干后称出质量，计算出试验区所铺地膜总质量，利用公式（11）计算出残膜回收率，并记录连续作业距离内卸膜次数；B组为立杆式搂膜机，其试验方法与A组相同，试验结果如表6所示。

表5 田间试验结果Table 5 Field test result

表6 对比试验数据Table 6 Contrast test data

由表6可知，与立杆式搂膜机相比，4JSM-2000A型棉秆粉碎及搂膜联合作业机的残膜回收率有明显的提升。田间连续作业100 m，本文机具通过液压缸收缩控制实现自动卸膜，卸膜 2次，一次作业完成棉秆粉碎及搂膜2道工序；立杆式搂膜机卸膜3次，并且需要人工辅助卸膜，一次作业只能完成搂膜 1道工序。经过田间试验测试，本文机具的残膜回收率与卸膜次数远高于立杆式搂膜机，提高了棉秆粉碎及搂膜联合作业的总体效率。

4 结 论

1）为解决立杆式搂膜机残膜回收率不高，卸膜频繁问题，研制了 4JSM-2000A型棉秆粉碎及搂膜联合作业机。能够一次完成棉秆粉碎与搂膜 2道工序，增加浮动搂膜机构，加大对窄行中残膜的回收率。

2）通过理论分析与试验确定了棉秆粉碎还田装置、螺旋输送机构、浮动搂膜机构、搂膜弹齿、卸膜机构、传动系统的关键部件结构及参数；通过增加搂膜弹齿尺寸，加大物料存储空间，延长作业距离，减少了单位面积卸膜次数；通过液压缸收缩控制实现自动卸膜，提高机具的作业效率。

3）试验结果表明，弹齿入土深度、弹齿组数、机具前进速度 3个因素对残膜回收率均有显著影响。应用Design-Expert软件对所建立模型进行优化求解，优化后弹齿入土深度为20 mm，弹齿组数为12组，机具前进速度为1.5 m/s，残膜回收率为91%，膜秆分离率为87%，棉秆粉碎合格率为 90%。对比试验表明，连续作业距离100 m，立杆式搂膜机残膜回收率为84%，卸膜3次；本文机具残膜回收率为91%，卸膜2次，提高了棉秆粉碎及搂膜联合作业的总体效率，满足残膜回收作业标准。

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