第一章 绪论
1.1 研究背景及意义
地膜覆盖种植技术是一种先进、高效的设施农业技术，早在 1978 年，地膜覆盖种植技术就被引进中国，由此，一场“白色革命”的浪潮在全国范围内兴起。地膜覆盖种植被许多地区使用，特别受到北方低温、干旱和半干旱地区的青睐，现已成为农业增产、农民增收不可缺少技术手段之一[1-2]。已广泛应用于棉花、小麦、玉米、大豆、花生、黄瓜、甘蓝、菜豆等农作物，使用地膜覆盖种植技术能使农户增产增收 30%以上。地膜覆盖种植技术有以下有益作用：
（1） 地膜覆盖种植技术能够有效增加 100 毫米深土壤层的温度。
（2） 地膜覆盖种植技术能够有效减少地膜覆盖面内土壤水分的蒸发流失。
（3） 地膜覆盖种植技术能够促进微生物活动和养分的分解。
（4） 地膜覆盖种植技术能够改善土壤性状。
（5） 地膜覆盖种植技术能够增加近地面二氧化碳浓度，促进作物生长。
（6） 地膜覆盖种植技术能够增强田间光照强度，增加反射光的光照强度。
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1.2 国内外残膜回收技术研究现状分析
1.2.1 国外研究现状
国外地膜覆盖种植技术的使用历史可以追述到上世纪 50 年代，对比国内，国外地膜使用情况主要有以下几点不同：1.土地所有制不同，以美国为例，其土地为私有制，土地的所有者是种植者本人，其解决地膜污染农田问题的积极性更强。2.使用地膜的厚度不同，以色列为例，其使用的地膜厚度大于 0.015mm，残膜的抗拉强度大，所需的回收方式简单。3.地膜在田间的铺设时间短，以日本为例，地膜多在苗期就进行回收，铺设时间 1.5 到 3 个月，此时地膜的受物理、化学因素的影响较小，残膜强度好，回收难度较小。国外残膜回收机的工作过程多为：起膜铲将膜边土疏松，由液压机构驱动卷膜装置将残膜卷起回收[13-18]。其残膜回收机结构简单，作业效果好，残膜回收率高，但是其适用性与我国残膜使用现状不符。如图 1-3 所示国外典型残膜回收机
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第二章 夹指链式残膜回收装置的总体改进方案
2.1 地膜铺设情况及摩擦试验
棉花采收一般在秋季，残膜平铺在地表，总体是连片成条的，连续性较好。同时其力学拉特性较好，长100mm 宽20mm 的残膜在长度方向上的拉断力的平均值为 2.69N[12]。此时回收残膜相对容易，是回收残膜的最佳时机。秋季时的残膜在一年的种植周期内，残膜会受到多种外力的影响，对残膜回收造成一定难度。结合机具工作对象的现实条件，本文在原夹指链式残膜回收装置的基础上做结构改进，解决其存在的问题，改善其工作效果。本章在新疆生产建设兵团农八师 143 团进行实地调研，主要研究田间地膜的铺设模式、物理特性、破损程度等，并收集残膜进行了残膜摩擦特性试验，为后文栅条式清杂装置的设计研究和夹指链改进方案提供理论基础，最后确立了夹指链式残膜回收装置的总体结构改进方案。
2.1.1 田间地膜铺设情况
在整个棉花种植期内棉花播种、棉苗期机械破壳、人工田间作业、滴灌带回收作业、采棉机车轮碾压、老化等会不同程度的破坏地膜的完整性与连续性。新疆棉花种植模式目前普遍采用的有两种机采棉种植模式一膜六行模式。现目前新疆地区棉花播种普遍采用膜下精量点播，以一膜六行种植模式为例，播种时会在每个苗行的地膜上打孔，孔与孔前后间距为 80mm，六行出苗孔可分为三组，每组行与行的左右间距约为 100mm，组与组之间的距离为 660mm，这导致在棉花苗行的地膜在播种时就已破损严重。每年春季的降雨经常造成苗行的封土板结，造成棉苗无法正常出苗，需要通过带钉子的圆柱辊子施加机械力破除苗行板结，在钉子扎破板结的过程中会将苗行内约 200mm 宽的地膜扎出许多小孔，这加剧了棉花苗行处残膜的破损情况。在进行找苗、打顶、拔草、滴灌带回收等人工田间作业时，人一般沿苗行前进，会践踏地膜，造成不同程度的地膜破裂。棉花采收完成以后，将进行滴灌带回收作业，因为滴灌带铺设在地膜下方，在回收滴灌带后会将滴灌带处的地膜沿苗行完全撕开。现目前新疆棉花采摘作业已基本全面实现机械化采收，以六行配置的约翰迪尔 CP690 型号采棉机为例，其整机重量约为 29900kg，前轮为双排轮，双排轮总宽度为 920mm，车轮外侧距离为 2800mm。作业时采棉机车轮会碾压地膜，使地膜破裂，陷入土壤 60mm 左右，并被压紧压实。除此之外，地膜长期处在田间复杂的物理与化学环境下，导致地膜不同程度的老化。
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2.2 夹指链式残膜回收装置结构改进设计要求
夹指链式残膜回收装置是一种应用于秋季作物收后回收残膜的新型机具，其灵感来源于人手指捡拾残膜，采用夹指链模拟捡拾过程，工作可靠，可以实现连续高速作业。但现有的夹指链式残膜回收装置还存在一些问题，夹指链式残膜回收装置结构改进设计要求需要满足以下几点：
(1) 提高机组作业稳定性；现有夹指链式残膜回收装置工作稳定性较差，改进设计机具结构，解决残膜缠绕夹指链式残膜回收装置的旋转部件的问题，同时增加设计脱膜装置。残膜易缠绕下链轮、脱膜装置等旋转部件，在一定时间后，使得旋转部件的回转直径变大，直接导致机具夹指链脱落或断裂。夹指链在农田工作过程中，夹指链直接与残膜及地面接触，夹指链在夹持残膜过程中，由于应力集中与夹指根部，残膜与土壤作用，容易一起嵌入夹指根部的链孔内，这样的残膜较难脱落，残绕旋转部件后，导致机具故障，改进夹指链的结构，能改变夹指尾部链孔所受的应力状态，可以避免残膜被带起。通过以上操作保证机具稳定运行。
(2) 提高残膜回收率；使残膜回收率达到 90%以上；现有夹指链式残膜回收装置在回收苗行处的残膜时，其漏收率较高，由于夹指链的排布密度较低，秋季残膜回收后，苗行处的残膜破损较为严重，所能承受的拉力小，回收难度大，导致残膜回收率较低，需要通过改进夹指链的排布，提高夹指链排布密度，从而提高夹指链回收残膜的容错率，将苗行处的残膜回收，提高残膜回收率。
(3) 降低所回收残膜的含杂率；现有夹指链式残膜回收装置缺少清杂装置对所回收的残膜进行清杂，使得所回收的残膜含杂率较高，增加设计清杂装置，能够有效降低所回收残膜的含杂率，不仅有利于机具连续工作，还有利于残膜后期回收再利用。
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第三章 夹指链式残膜回收装置关键部件改进设计 .......................................... 17
3.1 收膜机构结构改进设计与尺寸参数的确定 ................................. 17
3.1.1 收膜机构结构改进及工作原理 ................................. 17
3.1.2 夹指链排布密度改进设计 .............................. 19
第四章 夹指链式残膜回收装置工作过程分析 ................................. 27
4.1 收膜过程作业分析 ............................... 27
4.1.1 机组作业速度与夹指链线速度比值的确定与分析 ...................................... 27
4.1.2 残膜夹持分析 ............................... 27
第五章 夹指链式残膜回收装置田间试验与优化分析 ........................... 33
5.1 试验条件 ............................... 33
5.2 试验设计与方法 ................................ 33
第五章 夹指链式残膜回收装置田间试验与优化分析
5.1 试验条件
试验于 2018 年 10 月在新疆生产建设第八师兵团 143 团 10 连进行，在采用覆膜滴灌种植技术的棉花地开展试验，试验棉花地所采用的棉花种植模式是宽行密植（66cm +10cm），土地平整，土壤含水率为 16%，滴灌带已回收，在滴灌带铺设处地膜完全撕裂，所铺设的地膜幅宽为 2.05m，地膜厚度 0.01mm，两侧边膜覆土厚度约为 30mm，棉花植株根部覆土，膜空行有部分覆土，棉花苗行处地膜均布有出苗孔，地膜表面有较多棉花落叶等杂质。在覆膜空行有采棉机车轮碾压出的明显连续轮印，其深度约为 5cm，土壤含水率为 17.8%，膜下滴灌带以人工回收，滴灌带铺设处地膜完全撕裂，秸秆粉碎装置将棉花秸秆粉碎后，通过其秸秆输送装置将秸秆碎断段输送至已完成残膜回收的田间，其牵引动力由约翰迪尔 904 拖拉机提供，试验现场如图 5-1 所示。试验主要仪器有花潮黄金微型天平秤精密电子称（200 g/0.001 g）、力箭 LJD15 米尺（0-50m）等。试验地块土地整体平整，地表无硬质石块，选择晴朗天气进行试验，试验时风力需小于 3 级。
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6.1 结论
地膜覆盖种植技术在带来经济收益的同时，给农田环境带来了极大地污染。夹指链式残膜回收装置是一种新型的残膜回收装置，以机械模拟人工捡拾残膜，能够连续高速回收残膜。现有夹指链式残膜回收装置存在残膜易缠绕包裹收膜部件、工作不稳定、含杂率高等问题，本文针对现有问题进行残膜摩擦角试验研究、结构改进设计、工作原理理论分析和田间试验，解决夹指链式残膜回收装置存在的问题，改善其工作性能，从而为残膜污染问题贡献解决方案。
残膜摩擦角试验研究：在新疆兵团石河子农八师，秋季棉花收获后的田间进行调研。秋季是回收残膜的最佳时机，但对残膜回收仍然有一定难度，结合机具工作对象的现实条件。本文对田间残膜对铺设模式、物理特性、破损程度等进行实地调研，并收集残膜进行了残膜摩擦特性试验。试验结果显示：在田间正常铺设约 190 天的农用地膜的摩擦角的最小值为 30°，摩擦角的最大值为 36.5°，取摩擦角平均值为 33°，试验的标准差为2.10，摩擦角的变异系数为 0.06。本次试验将残摩摩擦角平均值 33°作为夹指链式残膜回收装置结构改进设计的参考依据。
结构改进设计：本文结合存在的工作问题，从以下三个方面：收膜机构的结构改进设计，脱膜装置的结构改进，清杂装置的结构设计。要保证机械自动化连续回收残膜，使用旋转部件是不可避免的，秋收后的残膜其连续性较好，极易与旋转部件发生缠绕，造成机具故障，残膜回收机一定要能够有效避免残膜缠绕；在试验中发现，防止残膜缠绕的方法有四种：第一，增大旋转装置的回转半径；第二，减小所回收残膜的长度；第三，设置护罩；第四，设置脱膜清理装置。增加夹指链的排布密度，可以有效的回收苗行处、凹陷处较难回收的残膜，收膜容错性好，有利于提高残膜回收率。相比三角型收膜机构，直线型收膜机构的结构简单，安装简便，节省空间。张紧装置能够灵活调节夹指链的张紧度，并使得夹指链安装更方便。改进的夹指链焊接结构，使工作性能更好，在收膜过程中夹指尾部链孔不会嵌入残膜，残膜夹持回收稳定。夹指链能够有效夹持并输送残膜，残膜在输送过程中无脱落现象。脱膜叶片对夹指链被动梳刷脱膜能够有效将夹指链上的残膜清理干净。
参考文献（略）