卜明杰，刘洋礼，许渊，王锋，刘禹辰，张锋伟
（730070 甘肃省 兰州市 甘肃农业大学 机电工程学院）
我国人均耕地面积占世界人均的1/3 左右，而且高原和山地等中低产田占耕地总面积的79%，我国耕地的后备资源严重不足，西北和东北一些生态较为薄弱的地方耕地问题已较为突出，尤其是在我国西北地区[1]。西北地区耕地不仅面积有限，而且大部分为包括高原和山地在内的中低产田[2]，而这些耕地普遍存在的问题就是含有大量的石子、石块、砾石等，直接影响农田土壤养分、水分和作物的生长、农田复垦，给农田的生产和管理等带来很大困难，同时增加了农业生产的成本，降低了单位产量，减少了经济效益，并拖慢了实现农业生产机械化和专业化进程[3]。从广义上来说，复垦农田是指对被破坏或退化的农业用地的再生利用及其生态系统恢复的综合性技术过程。由于采矿是破坏农业用地最严重的行业，因此，复垦农田从狭义上又可以理解为是对矿业用地的再生利用及其生态系统恢复的过程[4]。早期，主要采用人工捡拾的方法将地表的石块捡出农田，不仅劳动强度大、效率低，而且许多石块部分或全部埋藏在耕层内，只有不断耕作才露出地表。对于大面积的山区农田而言，捡拾石块劳动强度相当大，导致出现“年年捡年年有”的情况，每年都要投入大量人工对石块进行拾取。现有捡石机械机型单一，自动化程度低[5-7]，我国复垦农田对捡石机的需求已十分迫切。
目前，国内外针对不同耕地条件研制的机型主要有挖掘式、拨齿式、螺旋输送式、滚筒式、铲式、链式，但多存在捡石率低、生产成本高、易卡石和针对不同湿度土壤的漏土效果不理想等问题[8]。本研究主要针对西北地区土石多、耕地难等问题，在结合已有研究的基础上，设计研制链式捡石机，并以捡石率为试验指标进行田间试验，寻求最佳作业组合，以期达到对土壤中石块的最佳捡拾效果。
1.1 整机结构
链式农田捡石机主要由牵引架、机架、传动装置、入土起石装置、拨土碎石装置、砾石输送装置、盛石小车、卸石装置组成，如图1 所示。链式捡石机主要与拖拉机配套使用，牵引架与拖拉机之间采用典型的三点悬挂机构连接。机架主要由牵引机架、运土链箱体和盛石车架等组成，用于捡石机的牵引和保证捡石机正常捡石和盛石等；
传动装置由变速箱、链轮、扭力保护器、带轮、齿轮、链条、皮带等组成；
入土起石装置由入土起石铲、集土板等组成。拨土碎石装置由拨土碎石铲、缓冲轨道等组成；
砾石输送装置由砾石输送链、悬臂链轮组、挡石板、运土链箱体等组成；
盛石装置由盛石小车、液压推杆等组成。
为减少入土阻力且便于在入土起石时完成斜切，入土起石铲采用三角式犁铧。送石装置采用倾斜的链式传动，其倾角为30°（在一定范围内可以调整），传动比为95∶180。砾石输送链中间设置挡石链条，可保证捡拾石头时将多余的土壤和肥料及时还田。另外，盛石装置的小车底部设有栅栏式金属横条，便于将没有漏净的土壤及时还田，小车两侧设有液压推杆，用于将捡拾的砾石卸出。
1.2 工作原理
捡石机在田间作业时，由拖拉机与牵引架相连，拖动捡石机向前运动，拖拉机为捡石机提供动力的同时为变速箱提供圆周力，完成捡石机的牵引和捡石工作。牵引架限位孔控制入土装置的高度以控制捡石深度，入土起石装置可将耕地5～30 mm的土层铲起，集土板则将砾石和土壤收纳至拨土碎石铲下和砾石输送链上，便于后方装置完成捡石。捡石过程中，变速箱通过皮带传动为拨土碎石铲提供动力，拨土碎石铲在转动过程中可将整体土块以及软质砾石击碎。在砾石输送装置中，砾石输送链通过传动链传动，主动链链轮一端安装扭力保护器，当过大砾石卡在入土起石铲与拨土碎石铲之间时，扭力保护器将起到保护作用。砾石输送链的松边由链条托架托起以减少传送链条之间的拉力。在盛石装置中被捡石机分离出的砾石在砾石输送链条的带动下落入盛石小车，完成砾石的收集。盛石小车在液压推杆的作用下，在完成砾石卸车的同时可一定程度上调节整机的倾斜度。
1.3 主要技术参数
链式捡石机由东方红1404 拖拉机牵引，主要技术参数如表1 所示。
表1 农田链式捡石机主要技术参数Tab.1 Main technical parameters of farmland chain stone picker
2.1 入土起石铲结构设计与分析
2.1.1 铲结构设计
入土起石铲的结构设计因工作方式和环境与地下作物收获机械相似，故多参考地下作物收获机械挖掘铲进行设计。综合比较固定式和振动式挖掘铲优缺点[9-11]，考虑西北地形地貌对农田捡石机性能的要求，并结合不同形式挖掘铲的特点，设计出了一种固定式三角入土起石铲，如图2 所示。
该挖掘铲由铲刃、铲架和挡石板3 部分组成，8 个小型三角铲均匀排列固定在铲架上。在铲架后端等间距分布挡石板。工作时，铲刃随着运动机构带动铲体运动而运动，在外部压力作用下，可有效减少入土阻力，满足绝大多数作物最低耕深要求。铲刃间隙可根据作物对农田土壤条件要求进行调整，捡拾直径3～30 cm 的砾石。铲架尾端设置挡石板可阻挡尺寸较小石块再次入田，提高捡石效率。
2.1.2 铲主要参数的确定
（1）入土角α
入土起石铲入土角决定入土起石铲的入土性能和挖掘深度，为达到更好的挖掘效果，有效增加砾石的捡拾率，入土起石铲在工作时入土角度应保证能达到最低挖掘深度的要求，并使掘出土石混合物在铲面上匀速运动，并能顺利输送到入土起石铲后端输送链而不掉落。土石混合物受力分析如图3所示。
图3 中：vm——拖拉机前进的速度；
F——掘起土石混合物所需要的力；
Ff——入土起石铲对土石混合物的摩擦力；
FN——入土起石铲对土石混合物的作用力；
G——土石混合物的重力；
L1——入土起石铲铲刃及铲体长度；
L2——挡石板长度；
H1——土石混合物到达铲体尾部距离地面的高度；
H2——土石混合物到达挡石板尾部距离地面的高度；
α——入土起石铲入土角度；
α1——挡石板与铲面夹角；
μ——土石混合物对钢的摩擦系数。
入土角α的理论值可由沿挖掘铲运动的掘起物作用力的平衡方程确定：
式中：F——掘起土石混合物所需要的力，N；
Ff——入土起石铲对土石混合物的摩擦力，N；
FN——入土起石铲对土石混合物的作用力，N；
G——土石混合物的重力，N；
α——入土起石铲入土角，°；
μ——土石混合物对钢的摩擦系数。
方程变换后得到：
试验表明：入土角α越小，挖掘阻力减小，入土性能增强，但挖掘深度减小；
入土角α越大，入土性能降低，挖掘深度增大，但挖掘阻力增大。当α超过40°后，牵引阻力便会急剧增大，故α不宜选择过大，通常取20°～30°。
（2）工作长度L
入土起石铲的长度可以分为2 部分：前端为挖掘铲铲刃铲体部分，主要作用为将土壤中的砾石挖掘出来；
后端部分铲架和挡石板，用于承载和运输土石混合物，使土石混合物沿着铲面向后抛送。后端部分的长度可利用能量守恒定律计算，即掘出的土石混合物所有的动能E 全部用于向后推送H2高度克服重力所做的功Ag和克服与长度为L2的铲架和挡石板摩擦力所做的功At，如式（3）、式（4）。
式中：Vm——入土起石铲的抛送速度，m/s；
L2——铲体和挡石板长度，m；
H2——土石混合物到达挡石板尾部距离地面的高度，mm；
φ——铲面与土石混合物间的摩擦角，°；
g——重力加速度，m/s2。
土石混合物能量平衡方程式可以写成式（5）：
化简后
一般选取机器的最低值作为计算的极端条件，即确定Vm取值便可计算出L2，通过杆长条件继而求出工作长度L=640 mm。
2.2 砾石输送装置的设计
砾石输送装置主要由主动轮、悬臂链轮、挡石链条、链条托架、从动轮和栅条等部分组成，如图4 所示。平行排列的栅条在主动轮轴和从动轮轴间围绕一圈，悬臂链轮可调节输送链的松紧，土石混合物输送的一面设有挡石链条，输送链下侧由链条托架进行支撑。土石混合物经入土起石铲挖掘起后，经由拨土碎石铲击打分解，大部分土肥可再次入田，砾石输送装置负责将砾石输送到盛石小车。输送过程中，挡石链条的作用是阻挡砾石滑落防止再次入田。
在输送砾石的过程中，砾石多由相邻的2 个栅条支撑，输送链达到一定角度后极易发生砾石滚落而失去输送能力。由受力分析可知，砾石发生滚落的临界条件是砾石所受重力完全作用于一根栅条上，如图5 所示。
砾石输送链倾斜角度β应满足式（7）。
式中：β——栅条与砾石中心连线的水平夹角，°；
R——砾石横切半径，mm；
r ——栅条半径，mm；
L——相邻栅条之间的距离，mm。
砾石在输送链的稳定性取决于输送链的倾斜角度。由式（7）可知，砾石输送链的倾斜角度与相邻栅条之间的距离、砾石最大截面半径以及栅条半径有关，因此砾石横切面半径越大即砾石尺寸越大，在输送过程中就越不稳定；
同时，在保证砾石不滑落的情况下，增加相邻栅条之间的距离可以有效提高砾石输送的稳定性。此链式捡石机主从驱动轮中心距为3 500 mm，栅条长度为1 000 mm，提升高度为2 150 mm，栅条半径r=10 mm，相邻栅条之间的距离L=54 mm，故砾石输送链倾斜角β应当随着砾石横切半径R 变化而变化，即随需复垦农田实际工作环境而定，但为保证捡石率，输送链倾斜角度β应小于30°。
砾石输送链线速度的设定与砾石实际滑落速度和拖拉机牵引速度有关，其大小将影响砾石与土壤在输送链上分离效果。砾石沿栅条线速度方向的运动速度vs可按式（8）计算。
式中：vx——砾石在栅条上水平方向的分速度。
再根据砾石输送链线速度v 与牵引速度vm的比值λ来确定砾石输送链的线速度：
其中，砾石输送链线速度应满足v ＞vs。
试验表明，土石分离效率与输送链的线速度成负相关关系，当线速度在1.2～1.8 变化时，土石分离效率较高。为了既能保证捡石机的行进速度又能有效提高捡石率，通常应使输送链的速度略高于拖拉机牵引速度，故砾石输送链的线速度取1.6 m/s 。
3.1 试验条件与材料
2021 年3 月，在甘肃省洮河拖拉机制造有限公司-甘肃农业大学临洮旱作农机装备专家大院试验田进行了链式捡石机田间捡石作业性能试验，现场如图6 所示。试验地面积为0.6 hm2，土壤为黄沙土，疏松且地表平整，含水率较低。试验前，试验地人工埋入直径为3～30 cm 大小不一的砾石，约占土壤面积的30%，并对链式捡石机进行作业前调试，牵引机配套动力为87 kW 的东方红1404 轮式拖拉机。
3.2 试验方案与方法
试验按照NY/T 3884-2021《农田捡石机 质量评价技术规范》、DG/T 229-2019《农田捡石机》、Q/HCJ 001-2013《农田捡石机 企业标准》的要求[12-14]，以捡石率为试验指标。首先通过PB试验和最陡爬坡试验选取捡石作业深度、捡石作业速度、栅齿入土角3 个主要影响因素，并确定各因素最优区间。其中，捡石作业深度通过捡石机牵引架限位孔调节，捡石作业速度通过拖拉机挡位和油门控制，栅齿入土角可直接在机器上调整。为保证试验数据的可靠性，减少试验误差，每个处理重复3 次，取各重复试验平均值为该处理的试验值，因素水平编码如表2 所示。
表2 田间捡石试验因素水平编码Tab.2 Factor level coding for field stone picking experiment
3.3 试验结果与分析
采用Design-Expert.v8.0.6.1 软件，分析田间捡石试验数据因变量与自变量的关系，得到给定范围内预测响应值回归模型为：
方差分析结果如表3 所示。由表3 分析可知，建立二次回归模型的P 值（0.00 18）小于0.01，表明回归模型极其显著；
失拟项P＞0.05，即失拟不显著，说明模型所拟合的二次回归方程与实际相符合，能正确反映捡石率λ与因素A、B、C 之间的关系，回归模型可以较好地对优化试验中各种试验结果进行预测。其中，模型的一次项A、B、C和二次项A2对捡石率的影响极显著；
交互项AB、BC 影响显著，其余各项均不显著。根据模型各因素回归系数的大小，可得到各因素对捡石机的影响主次顺序为B →A →C。
表3 回归方程方差分析Tab.3 Variance analysis of regression equation
应用Design-Expert.v8.0.6.1 中的Optimization-Numerical 模块，以捡石率的最大值为目标进行愿望函数优化，得出最佳组合参数为：当捡石作业深度取153 mm，捡石作业速度取1.79 m/s，栅齿入土角取27.9°时，捡石率可达到最大值94.25%。
（1）通过融合学习复垦土地的农艺技术要求，设计了适合复垦农田的链式捡石机，确定了样机传动系统，并对其入土起石装置、扭力保护装置结构及砾石输送装置等关键作业部件进行设计，结合相关作业性能要求，完成了工作参数的分析计算。
（2）进行田间试验，通过应用响应曲面分析法，建立捡石率与捡石作业速度、捡石作业深度、栅齿入土角的二次多项式回归模型。以捡石率为试验目标进行参数优化，获得链式捡石机最优工作参数：链式捡石机前进速度为1.79 m/s、捡石作业深度为153 mm、栅齿入土角为27.9°。
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