第一章 绪论
1.1 研究背景及意义
20 世纪中叶，随着塑料工业的发展，尤其是农用塑料薄膜的出现，一些工业发达国家开始把塑料薄膜应用到农业生产上。其中地膜的应用，对促进棉花、蔬菜等其他农作物的生长、增加产量、提高质量等方面均取得良好的效果[1-2]。1955 年，日本首次将地膜应用到草莓生产，并进行推广；1961 年，法国开始在其国土的东南部试用薄膜栽培覆盖瓜果类作物；1965 年，意大利开始对蔬菜、咖啡、烟草及草莓等主要作物进行地面覆盖栽培；美国在 60 年代末期，开始试用黑色薄膜覆盖栽培棉花；我国在 70年代初期利用废旧薄膜进行小面积的平畦覆盖，种植蔬菜、棉花等作物[3]。由于使用地膜后，农民收入增加，经济效益显著，地膜覆盖技术在全世界范围内得到了广泛的应用[4]。
地膜具有增温、保墒、抗旱、减少病虫害、抑制杂草和促进根系发育等作用，能够大幅度提高作物产量、缩短生长期[5]。20 世纪 80 年代，我国开始正式把地膜覆盖技术推广应用到棉花、花生等经济作物[6]。新疆作为我国几个重要的棉花生产基地之一，根据国家统计局相关统计数据显示[7-11]，近几年新疆棉花种植面积呈缓慢增长趋势，且新疆棉花种植面积在全国棉花种植面积中的占比逐年增加，如图 1-1 所示。
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1.2 国内外研究现状及分析
1.2.1 国外残膜回收研究现状及分析
美国、日本和欧洲国家使用地膜覆盖技术较早，关于残膜回收的相关机械研究起步亦比较早。1993 年，美国人 Sawyer 和 Roberson 设计了一种可以同时回收地膜和滴灌带的作业机械，该机械工作时，通过装置前方的起膜铲把地膜铲起，由人工把地膜缠绕在卷膜辊上，同时把滴灌带缠绕在相应的圆辊上，并采用专门的电控装置来解决卷膜辊、滴灌带辊的转速与拖拉机前进速度相匹配的问题[25]；在 1995~1998 年间，美国人 Brooks 设计了一种通过搅拌和振动的方式，达到地膜与土壤及杂质分离的目的，并利用加热装置把分离后的地膜制作成其他形状的材料（例如：粒料）加以回收利用的机械[26-28]；1999 年，美国人 R. L. Parish 设计了一种自动化卷膜装置，可通过调节液压马达的转速来解决卷膜辊转速与拖拉机前进速度的匹配问题[29]；此外，以色列的A.V.I 公司设计的一款地膜回收机也是采用液压马达控制卷膜辊转速，来达到卷膜与机具前进速度相匹配的目的；澳大利亚人 ROCCA 设计的一款可先清除地膜表面覆盖物再对其进行回收的地膜回收机，该机作业时，通过链式输送机构将地膜从地表捡起并输送到卷膜机构进行回收，在输送的过程中可将地膜表面的泥土、秸秆等杂质去除[30]；日本、法国、英国等国家使用的残膜回收机械，也大都是采用卷膜辊来把残膜卷起，并采用相应的装置来实现卷膜辊卷膜速度与机具前进速度相匹配[31-33]。
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第二章 整地机配套残膜回收装置作业条件研究
2.1 作业环境测定
2.1.1 田间残膜分布情况测定
（1）取样与方法
本次测定试验选取新疆生产建设兵团第八师石河子市周边团场所使用地膜覆盖种植技术的农田作为测定试验场地（以 145 团 7 连为例，前茬作物为棉花），测定时间为棉花播种前期，试验场地情况如图 2-1 所示。
本次测定依据《DB 65/T 3837-2015 农田土壤残膜调查技术规范》方法开展田间残膜测定试验，田间试验取样采用对角线法，样点采集面积为 1 m×1 m 的正方形，采样深度为 0~100 mm（浅层）。在田间随机选取 10 个不同位置区域进行测量标记，测定时在划定好的测量面积内分别取出深度为 0~50 mm 和 50~100 mm 内的残膜，对其进行筛网过滤，把相同深度、相同面积的残膜进行归类标记，然后清洗、晾晒并使用高精度电子天平对残膜进行称重，A、B 分别表示 0~50 mm、0~100 mm 土壤中残膜质量。
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2.2 残膜基本物料特性测定
2.2.1 残膜悬浮速度测定
（1）试验设备与材料
本次试验使用设备为石河子大学机械电气工程学院重点实验室的 PS—20 型物料临界速度测试试验台（如图 2-6 所示）为试验设备[46-50]；试验所使用残膜为前期调研期间从棉田收集所得（大多为当年使用的残膜），残膜厚度为 0.01 mm，形状不规则。
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3.1装置设计要求 .................................... 21
3.2 总体结构与工作原理 ......................................... 21
第四章 残膜回收装置捡膜机构与脱膜机构的研究分析 .......................................... 33
4.1 残膜回收装置捡拾机构的运动学分析 ......................... 33
4.1.1 捡膜钉齿运动轨迹分析 ................................. 33
4.1.2 避免残膜漏捡且满足棉花播种要求条件分析 .............................. 35
第五章 残膜回收装置的试验研究 ............................... 46
5.1 关键部件试验台试制 ....................................... 46
5.2 试验设备与试验方法 .............................. 46
第五章 残膜回收装置的试验研究
5.1 关键部件试验台试制
在确定残膜回收装置方案的基础上，利用 SolidWorks2016 绘制了装置模型，并于2019 年 3 月开始进行装置关键作业部件试验台的试制，再此期间，不断对装置试验台进行改进优化，最终在 2019 年 4 月完成装置关键作业部件试验台的制作，历时 1 个月。残膜回收装置关键作业部件试验台如图 5-1 所示，其中 5-1a 为第一轮试制的试验台，该试验台可实现对土壤残膜的捡拾，但是捡拾起来的残膜被脱膜机构脱下后很难按照预期进入脱膜罩输送管道，残膜收集效果较差，因此对其进行第二轮的试制。图 5-1b 为第二轮改进完成的试验台，在第一轮的基础上对脱膜罩的整体结构进行优化改进，增加脱膜罩曲面部分的弧度，并在侧板部分增开进气口，改进后的装置关键作业部件试验台集膜性能得到大幅提升。
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第六章 结论与展望
6.1 结论
本文在对新疆棉田残膜回收机械研究的基础上，设计了一种与圆盘耙整地机配套使用的播前浅层残膜回收装置，对装置的关键部件进行设计分析，主要结论如下：
（1）测定了棉田播前阶段残膜回收作业环境，获得了棉田土壤基本物理参数，土壤含水率随着探针入土深度的增加而增大，含水率平均值在 9.82%~22.13%之间，土壤坚实度平均值在 208~354 kPa 之间；测定得出播前阶段棉田残膜主要集中在 0~100 mm 内的土壤中，且 0~50 mm 深度土壤中的残膜占残膜总量的 50%~60%，其中以近两年使用的残膜为主。新疆棉花播种深度在 20~35 mm 之间，因此重点对 0~50 mm 土壤内的残膜进行回收。对田间取回的残膜进行测量发现面积在 4~25 cm2 之间残膜占残膜总量的57.43%左右，所占比重较大。对残膜进行悬浮速度测试实验，发现残膜的悬浮速度与残膜质量近似呈现线性关系。在上述参数研究的基础上，确定残膜回收装置总体设计方案。
（2）根据圆盘耙联合整地机结构参数，对残膜回收装置的总体尺寸进行设计，最终确定装置捡膜机构的捡膜滚筒长度为 1750 mm，捡膜滚筒直径为 500 mm，对捡膜钉齿的数量及排布方式进行设计，确定捡膜钉齿数量及排布规律，对捡膜钉齿在土壤中受力进行分析，发现其能满足作业要求；装置脱膜机构的脱膜罩长度为 1775 mm，脱膜辊长度为 1660 mm，直径为 460 mm；通过脱膜机构结构参数对卸膜机构进行设计。
（3）对残膜回收装置的关键部件捡膜机构、脱膜机构进行理论分析，通过对捡膜机构的理论分析和仿真分析确定了捡膜机构工作参数：机具前进速度介于 1.11~1.94 m/s 之间，捡膜滚筒转速 ω＞7.72 rad/s，即转速 n＞74 r/min，运用 ADAMS 软件对捡膜机构的关键工作部件捡膜钉齿进行运动轨迹仿真分析，验证了理论分析的正确性，并进一步对装置的捡膜机构进行优化。通过对脱膜条件进行分析，确定脱膜辊转速范围。
参考文献（略）