地膜覆盖栽培技术具有明显的增产效果,自从在我国推广后,地膜覆盖面积增长迅猛。目前我国地膜生产量和使用量均居世界第一,地膜已成为我国第四大农业生产资料。地膜植棉机械化、膜下滴灌和精量播种技术大幅提升了新疆棉花生产,目前新疆棉花种植面积和地膜使用量均居我国首位。然而,在地膜给人们带来巨大经济效益的同时,由于农田残膜回收工作不彻底,土壤中的残膜连年积累,严重危害了农业可持续发展。推行当年地膜全回收,逐步回收陈年地膜是解决农田残膜问题的可行思路,但厚度过小的地膜在秋季回收作业时易碎,导致小块的残膜与土壤混合难以回收。目前我国现有的残膜回收机存在回收率偏低,使用可靠性差的难题,因此针对以上问题,在施行耐候膜新国标的基础上,将农机、农艺、农膜相结合,采取整膜回收、翻转清杂、自动卷膜的设计思路。因此本文以新疆棉花田间地膜为研究对象,开展棉田地膜回收关键技术及随动式残膜回收机的研究,通过理论分析和试验研究等方法和手段,探究关键部件作业性能,对推动残膜回收技术的应用提供了有效的技术和装备支撑,对提高机械化残膜回收水平具有重要的实际意义。本文的研究内容主要包括以下几个方面:(1)试验关键因素及随动式残膜回收模式研究。研究了残膜所处的田间地貌,获得了与残膜回收有关的棉花的种植密度、棉田土壤物理特性、地膜表面杂质的分布情况、棉田地表平整度和耐候残膜的力学特性等基础数据,为关键部件的设计提供了理论支持;同时对随动式残膜回收模式进行了探讨,确定了随动式残膜回收机主体结构形式、工作原理和传动方案。(2)起膜机理分析与试验研究。根据经验和实际起膜需求,设计了一种起膜装置及三种不同形状的起膜齿,确定了起膜装置中起膜齿的排列及配合尺寸。探究了起膜机理,建立了起膜装置的力学模型;分析了稳定作业状态下起膜机构的受力情况,确定了仿形连杆尺寸;经起膜齿入土深度稳定性测试结果可知,开沟稳定性超过了80%,仿形机构结构设计合理,达到行业标准要求。为选择出最优起膜齿,以起膜齿类型为试验因素进行了单因素试验,以起膜率、作业阻力和土壤扰动和根茬起出率为考核指标。试验结果表明:在机具前进速度为4.5 km/h、起膜深度为40 mm的作业条件下,起膜齿类型显著影响起膜率、作业阻力和土壤扰动;起膜齿A具有最高的起膜率,其次是起膜齿B和C;起膜齿B的作业阻力最大,其次是起膜齿A和C;起膜齿B的土壤扰动最大,起膜齿A和C相近;三种起膜齿对根茬起出率指标的影响不显著。对试验结果进行分析,同时综合考虑随动式残膜回收机的作业条件和技术要求,得到了三种起膜齿中起膜齿A为最佳选择。(3)捡拾与脱膜装置设计。通过对捡拾和脱膜作业原理的研究,设计了一种集成捡拾、脱膜和清杂的装置,具体包括对捡拾钉齿、捡拾链条、捡拾滚筒、脱膜辊等主要工作部件的结构设计,并对关键部件进行理论分析,确定了捡拾钉齿、捡拾链条的排列等相关尺寸参数。建立捡拾钉齿运动模型,分析了捡拾钉齿的运动过程可知,其捡拾轨迹为摆线,同时通过分析残膜被顺利捡拾的条件,获得了捡拾速比的参数范围为1~1.3,为残膜回收机的田间试验提供依据。通过分析脱膜运动过程,得到了顺利脱膜的作业条件,结合耐候残膜的力学特性,理论上验证了脱膜结构设计的合理性。(4)卷膜装置设计与试验研究。设计了一种可实现自动卸膜和复位的带式卷膜装置,主要包括卷膜装置机架、卷膜辊、卷膜芯轴、气弹簧、自动卸膜液压系统等主要部件的结构设计。对试验材料即残膜和卷膜带之间的摩擦系数进行了测定;建立了卷膜带力学模型,并考虑结构和空间布局,得到了卷膜装置的驱动形式为双辊驱动;对卷膜辊装置受力分析,确定了气弹簧的参数和型号;对卷膜过程中的残膜受力分析,结合残膜的力学特性可知,为确保卷膜过程中残膜不出现被拉断等现象,需要限制膜卷的最大直径为0.5 m。为获得最佳的结构和运动参数,进行了多因素田间试验研究,考察各因素对卷膜质量的影响,试验结果表明:卷膜装置最优参数组合为机组前进速度为5.38 km/h,卷膜速比为1.19,卷膜倾角为80°,此时膜卷平均密度为122.7 kg/m3,膜卷满足残膜资源化利用要求。(5)整机田间试验。综合利用前期随动式残膜回收关键技术研究成果,研制了适用于新疆棉田的随动式残膜回收机并完成了样机的试制。以捡拾速比、机具前进速度和起膜深度作为试验因素,以残膜捡拾率和缠膜率作为优化目标,对残膜回收机进行了试验研究并建立了相关模型,对回归模型进行多目标优化并进行试验验证,试验结果表明:在捡拾速比、机具前进速度和起膜深度分别为1.08、5.6 km/h和45 mm时,残膜捡拾率为91.7%,缠膜率为1.6%,满足残膜回收作业要求。