張麗，王學(xué)農(nóng)，劉旋峰，張佳喜，蔣永新，張海春

(新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所/農(nóng)業(yè)部林果棉與設(shè)施農(nóng)業(yè)裝備技術(shù)科學(xué)觀測實(shí)驗(yàn)站，烏魯木齊 830047)

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圓盤式切膜起茬部件的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

張麗，王學(xué)農(nóng)，劉旋峰，張佳喜，蔣永新，張海春

(新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所/農(nóng)業(yè)部林果棉與設(shè)施農(nóng)業(yè)裝備技術(shù)科學(xué)觀測實(shí)驗(yàn)站，烏魯木齊 830047)

【目的】研究解決玉米生長過程中呈傘型的氣生根與次生根將地膜緊密包裹問題，最大限度地起出地膜和根茬，達(dá)到資源的高效利用?！痉椒ā坎捎萌蛩厝紹ox-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，運(yùn)用圓盤式切膜起茬機(jī)理,于2015年8月在新疆塔城市喀拉哈巴克鄉(xiāng)先鋒村進(jìn)行玉米起茬試驗(yàn)，研究入土深度、前進(jìn)速度和立柱間距三個(gè)主導(dǎo)因素對玉米根茬起茬率的影響。【結(jié)果】建立了切膜起茬部件入土深度、前進(jìn)速度、立柱間距和起茬率之間的數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)行17組起茬率組合試驗(yàn)，得出17組相應(yīng)的起茬率。最大起茬率為93.9%，工作參數(shù)是：入土深度為150 mm、前進(jìn)速度為3 km/h、立柱間距為100 mm；最小起茬率為63.5%，工作參數(shù)是：入土深度為100 mm、前進(jìn)速度為2 km/h、立柱間距為63.5 mm?！窘Y(jié)論】研究了圓盤式切膜起茬的原理，分析了影響起茬性能的關(guān)鍵因素，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證得到優(yōu)化參數(shù)組合入土深度為151 mm、前進(jìn)速度為4 km/h、立柱間距為100 mm，最優(yōu)起茬率為93.1%，為圓盤式切膜起茬機(jī)的研發(fā)提供一定的理論基礎(chǔ)。

圓盤式切膜；起茬部件；設(shè)計(jì)；起茬率

0 引 言

【研究意義】據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，2015年國內(nèi)玉米種植面積為3 694×104hm2[1]，新疆是全國地膜種植規(guī)模最大、數(shù)量最多、地膜鋪種最廣的地區(qū)，殘膜污染問題也顯得尤為突出[2]。同時(shí)，玉米根茬纖維素含量豐富、產(chǎn)量高，作為原材料可用于創(chuàng)造生物材料和開發(fā)生物質(zhì)能源，其產(chǎn)生的廢渣等用作肥料還田，節(jié)約成本的同時(shí)可以提高肥力，實(shí)現(xiàn)資源的高效利用[3]?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】權(quán)龍哲[4]采用TRIZ創(chuàng)新理論研究了玉米根茬收獲系統(tǒng)的基本組成、功能模式以及關(guān)鍵技術(shù)，采用試驗(yàn)設(shè)計(jì)優(yōu)化參數(shù)確定理想的參數(shù)組合模式，以提升系統(tǒng)整體性能；葉紹波[5]研究了玉米根茬收獲機(jī)集挖掘、撿拾、脫土、輸送、收集和堆放的收獲工藝，同時(shí)用軟件搭建整機(jī)虛擬樣機(jī)進(jìn)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真，結(jié)果表明起茬機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)良好；李進(jìn)[6]研制的玉米清膜起茬機(jī)作業(yè)深度為60～100 mm，對于新疆玉米扎根較深，100 mm以下的作業(yè)性能有待驗(yàn)證。目前地膜回收機(jī)械又可分為三類：一是苗期地表地膜回收。薛文瑾[7]研制QSM-2型苗期殘膜回收機(jī)，采用松土鏟將壟兩側(cè)的壓膜土疏松，通過不同機(jī)構(gòu)將地膜卷起，靠卷膜輪的滾動(dòng)將膜繞在卷膜輪上；二是播前地膜回收：簡易式摟膜機(jī)將地膜進(jìn)行摟集后堆放，結(jié)構(gòu)簡單但是膜桿雜草等糾纏在一起不易分離。三是耕前地膜回收：陳發(fā)和王學(xué)農(nóng)[8-9]研制了4JSM-1800型棉秸稈粉碎殘膜回收聯(lián)合作業(yè)機(jī)，該機(jī)將棉秸稈粉碎后拋送至后方，通過伸縮挑膜齒將地膜挑起，由脫膜輥將地膜送入膜箱；王吉奎等[10]設(shè)計(jì)了一種新型秸稈粉碎與殘膜回收聯(lián)合作業(yè)機(jī)具SMS-1500型秸稈粉碎與殘膜回收機(jī)。以上幾種殘膜回收均針對棉花地殘膜回收，對于玉米這一大根茬作物則無法使用，目前文霞[11]的IMC-70型玉米殘膜回收起茬機(jī)，一次作業(yè)可完成起膜、起茬、輸送、分離和集堆等工序，缺點(diǎn)是近乎將玉米地鏟起全部篩了一遍，無法分離再二次利用。美國的Roberson和Sawyer發(fā)明了一種結(jié)構(gòu)簡單實(shí)用的地膜回收機(jī)，采用旋轉(zhuǎn)的卷膜輥將地膜從地表卷起，這種地膜回收機(jī)重點(diǎn)是匹配好機(jī)具前進(jìn)速度和卷膜輥旋轉(zhuǎn)速度[12]；以色列A.V.I農(nóng)機(jī)公司研制了地膜回收機(jī)和R.L.Parish相似，都是采用了液壓馬達(dá)來驅(qū)動(dòng)卷膜輥回收地膜[13-14]；俄羅斯和英國的地膜回收機(jī)大多懸掛在拖拉機(jī)后方，采用纏繞式工作原理，起膜鏟將地膜鏟浮于地表，地膜纏繞在卷膜輥上，成捆堆放以備使用[15-17]。國外采用地膜覆蓋技術(shù)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，前提是必須保證地膜的強(qiáng)度，也就是在地膜回收的時(shí)候保證地膜有一定的強(qiáng)度以利于回收，回收方式大多采用較為簡單的纏繞式，機(jī)具成本低，回收的地膜也便于循環(huán)使用?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】王方艷[18]對甜菜收獲機(jī)械的關(guān)鍵裝置進(jìn)行了理論分析及試驗(yàn)研究，確定了玉米起茬方案。然而以上都是將根茬起出，與地膜分離的技術(shù)研究較少。在圓盤作用下，研究入土深度、前進(jìn)速度和立柱間距的主導(dǎo)因素對起出玉米根茬的影響?！緮M解決的關(guān)鍵問題】研究切膜起茬部件，解決大根茬對玉米地膜回收困難的問題，對葵花，煙葉等大根茬農(nóng)作物也可以回收。

1 材料與方法

1.1 材 料

選取塔城市喀拉哈巴克鄉(xiāng)先鋒村的玉米地進(jìn)行試驗(yàn)，根據(jù)《農(nóng)業(yè)機(jī)械試驗(yàn)條件測定方法的一般規(guī)定》(GB/T5262-2008)和《土壤水分測定法》(NY/T52-1987)，對收獲期的玉米進(jìn)行田間種植狀況調(diào)查，用TJSD-750型土壤緊實(shí)度測定儀測試土壤狀況。土壤硬度為1.81 Mpa，土壤含水率為10.1%。玉米平均行距為400 mm，株距為200 mm，玉米留茬高度在120 mm左右，玉米根茬主要分布在200 mm近地面的土層內(nèi)。試驗(yàn)動(dòng)力采用東方紅554型拖拉機(jī)一臺(tái)(帶有后懸掛點(diǎn)強(qiáng)壓，為圓盤入土增加了便利條件)，額定功率40.44 kW，選取低Ⅰ檔至低Ⅲ檔，額定前進(jìn)作業(yè)速度為2.45～4.04 km/h。

多次測試取平均值，得出留茬高度h1為100 mm，氣生根入土深度h2為60 mm，次生根入土深度h3為150 mm，根系寬度D為230 mm。起茬部件的入土深度如果大于平均玉米根茬次生根h3的深度，也就是說起茬部件的入土深度大于平均根深150 mm就可起出整個(gè)玉米根茬。為保證起出玉米根茬的完整性，同時(shí)最大范圍的降低功耗，確定起茬部件的入土深度在100～200 mm。圖1

注：1.主莖；2.氣生根；3.地膜；4.土壤；5.次生根；h1.留茬高度，mm；h2.氣生根入土深度，mm；h3.次生根入土深度，mm；D.根系寬度，mm

Note：1.Main stem; 2.Aerial root; 3.Plastic film; 4.Soil; 5. Secondary root; h1. stubble height，mm； h2. height of aerial root，mm； h3. height of secondary root，mm； D. width of stem，mm

圖1 玉米根茬在土壤中分布示意
Fig.1 Schematic diagram of maize root distribution in field

1.2 方 法

1.2.1 整機(jī)設(shè)計(jì)

玉米根茬較大且與地表地膜纏繞在一起，造成地膜回收難度較大，為使地膜得到最大限度地回收，則要求起出較多的根茬。玉米起茬及地膜回收機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖，包括：懸掛架、齒輪箱、行走輪油缸、行走拐臂、鏈條輸送刮板、傳動(dòng)鏈輪、鏈條輸送、脫膜輪機(jī)架、膜箱、偏心調(diào)節(jié)軸滾筒、挑膜齒、行走輪、邊膜鏟、切膜起茬部件、撥輪馬達(dá)及膜箱油缸組成。懸掛架在機(jī)架的正前端，圓盤通過立柱由固結(jié)器固定在機(jī)架前下部圓盤橫梁上，圓盤后上端安裝有撥輪，撥輪后下側(cè)安裝有輸送帶，輸送帶由鏈條、輸送刮板和鏈條輸送軸組成，在機(jī)架中間安裝有行走拐臂，行走拐臂上端連接行走輪油缸，下端連接行走輪，邊膜鏟安裝于機(jī)架兩側(cè)偏心調(diào)節(jié)軸滾筒前端，偏心調(diào)節(jié)軸滾筒位于行走拐臂內(nèi)側(cè)機(jī)架中下端，偏心調(diào)節(jié)軸滾筒后上端有脫膜板，殘膜和根茬的膜箱位于機(jī)架后端。

拖拉機(jī)通過懸掛架與玉米起茬與地膜回收機(jī)相連，動(dòng)力由拖拉機(jī)的后輸出軸通過傳動(dòng)軸傳遞給玉米起茬與地膜回收機(jī)的傳動(dòng)齒輪箱，拖拉機(jī)可通過上述傳動(dòng)系統(tǒng)帶動(dòng)玉米起茬與地膜回收機(jī)工作，拖拉機(jī)與玉米起茬與地膜回收機(jī)組成作業(yè)機(jī)組。作業(yè)時(shí)，機(jī)組在地面行進(jìn)，行走油缸回縮，整個(gè)機(jī)架下降，圓盤將地膜切割并且入土將根茬起出，由撥輪將根茬撥入輸送帶，由輸送帶將根茬送入膜箱的后半箱。同時(shí)邊膜鏟入土鏟起邊膜，由偏心調(diào)節(jié)軸滾筒將殘膜挑起，轉(zhuǎn)到上方時(shí)，脫膜板將殘膜脫下，并送入膜箱的前半箱。圖2，圖3

注：1.懸掛架；2.齒輪箱；3.行走輪油缸；4.行走拐臂；5.鏈條輸送刮板；6.鏈條輸送；7.傳動(dòng)鏈輪；8.脫膜輪；9.機(jī)架；10.膜箱；11.偏心調(diào)節(jié)軸滾筒；12.挑膜齒；13.行走輪；14.邊膜鏟；15.撥輪馬達(dá)；16.撥輪；17.切膜起茬部件

Note: 1.Suspension frame; 2. Gear case; 3. Walking wheel cylinder; 4. Turning and walking arm; 5. The chain transmission scraper; 6.Chain conveyor; 7.Drive sprocket; 8.Wheel taking off the membrane; 9.Frame; 10.Film tank; 11.Eccentric adjusting shaft roller; 12.Spring-finger; 13.Walking wheel; 14.Side film shovel; 15.Motor of dial wheel; 16.Dial wheel; 17.Cutting film and stubbing Components

圖2 玉米起茬與地膜回收機(jī)結(jié)構(gòu)示意

Fig.2 Structure diagram of corn stubble and plastic film recycling machine

1.2.2 切膜起茬部件設(shè)計(jì)

玉米地膜回收與農(nóng)業(yè)中普遍使用的起茬設(shè)備不同，盡量不破壞地表以上的地膜，最大限度保證其完整以便回收，因此采用圓盤式結(jié)構(gòu)，圓盤尺寸較大，有利于將根茬起出，圓盤邊緣鋒利，有利于將根茬周圍的地膜切開，保障地表地膜不被撕扯損壞。圓盤式切膜起茬部件通常由兩個(gè)圓盤組成，其中一個(gè)或兩個(gè)是動(dòng)力驅(qū)動(dòng)稱為主動(dòng)式，否則為被動(dòng)式。在入土深度、前進(jìn)速度以及土壤濕度和堅(jiān)實(shí)度相同的情況下，主動(dòng)式圓盤碎土能力比被動(dòng)式強(qiáng)[19]。主動(dòng)式圓盤起茬不僅能消除被動(dòng)式在工作中產(chǎn)生滑移的現(xiàn)象，在很大程度上減少起茬中黏土和堵塞，缺點(diǎn)是需要加裝傳動(dòng)裝置，在現(xiàn)有的機(jī)器上兩個(gè)圓盤都為驅(qū)動(dòng)的主動(dòng)式圓盤使用較少，該部件則采用被動(dòng)式。圖3

注：1.圓盤；2.橫梁；3.固結(jié)器；4.立柱

Note: 1.Disc cutter； 2.Beam； 3.Consolidation apparatus； 4.Vertical frame

圖3 切膜起茬部件結(jié)構(gòu)
Fig.3 Structure diagram of cutting film and stubbing Component

由切膜起茬部件的結(jié)構(gòu)可知，在入土深度h和角度一定的條件下，切膜起茬部件的圓盤直徑D越大，切膜起茬部件的通過性越好。從公式1中看出圓盤的直徑D大小是和入土深度h成正比。

(1)

式中：D：圓盤直徑，mm；h：入土深度，mm；β：圓盤在水平軸線的張角，(°)；K：經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，K一般取4～6[20]。

根據(jù)前期測試，玉米根茬深度平均為150 mm左右，當(dāng)圓盤入土深度≥100 mm，選取經(jīng)驗(yàn)系數(shù)K=6。β是圓盤在水平平面的張角，α是圓盤在垂直平面上的傾斜角，β及α是圓盤進(jìn)行切膜起茬的重要工作參數(shù)，決定著起茬部件對土壤的作用。在切膜起茬部件中，圓盤尺寸角度一定的條件下，隨著入土深度的增加，土壤質(zhì)點(diǎn)接觸的圓盤四周越來越陡，土垡上升困難，阻力增加。單純通過減少圓盤曲率半徑或增加圓盤直徑D的方式可以減少土壤的上升阻力，提高碎土和翻土的效果，但會(huì)影響β且造成圓盤直徑D過大。調(diào)節(jié)β可以提高切膜起茬部件的入土性能。同時(shí)，α對圓盤的切土、碎土、翻土和入土深度具有重要的影響。增大α可以增強(qiáng)圓盤的碎土和推土能力。為提髙入土深度的范圍，釆用合適的傾角和偏角尤為重要，提高切膜起茬部件的適應(yīng)性和作業(yè)要求。圖4

圓盤在水平面的張角β及偏角α的最佳值為2β≈30°～35°，2α≈25°～30°[21]，這里引述的角度值只有在單行機(jī)上可以隨意采用。但是在雙行和多行機(jī)上，每一副起茬圓盤的總尺寸都必須小于行距，因此，角2α和2β的值就必須要低于公認(rèn)的最佳值，同時(shí)針對玉米地膜回收中，考慮起茬的同時(shí)，要切膜，盡量靠近根茬進(jìn)行起茬切膜，這就要求入土線張口處的開度盡可能的小，因此設(shè)計(jì)中采用2α=20°，2β=12°。圖4，圖5

通常起茬圓盤直徑D為460～700 mm。由于起茬裝置的特殊結(jié)構(gòu)，工作時(shí)被起茬圓盤切下的含有塊根的土垡一般會(huì)貼附著圓盤表面運(yùn)動(dòng)。因此，為了進(jìn)一步得到較優(yōu)的圓盤尺寸，可釆用起茬圓盤的參數(shù)幾何關(guān)系公式(1)，得到起茬圓盤的直徑D，D值取550 mm。

注：1.2α為圓盤的垂直平面張角，°。 2.2β為圓盤水平平面張角，°

Note:1.2α is opening angle of double disc in vertical axis，° 2. 2β is opening angle of double disc in horizontal axis，°

圖4 圓盤設(shè)計(jì)

Fig.4 Design diagram of double disc cutter

圖5 雙圓盤結(jié)構(gòu)
Fig.5 Structure chart of double disc

圖6 圓盤起茬工作狀態(tài)示意
Fig.6 Structure diagram of disc cutter working state

另外，圓盤的轉(zhuǎn)速影響著玉米根茬拋送的距離和下落的速度，切膜起茬部件工作的狀態(tài)為，當(dāng)轉(zhuǎn)速過高時(shí)，會(huì)產(chǎn)生根茬拋送過遠(yuǎn)現(xiàn)象而不易回收玉米根茬；轉(zhuǎn)速過低時(shí)，拋送玉米根茬不及時(shí)，會(huì)出現(xiàn)兩圓盤內(nèi)土壤和根茬堵塞，影響工作效果。圓盤的轉(zhuǎn)速由式(2)確定。圖6

(2)

式中，v為拖拉機(jī)前進(jìn)的線速度，km/h；D為圓盤的直徑，mm。

在工作中，為了挖出較多的根系，可以通過安裝固定圓盤的立柱進(jìn)行調(diào)節(jié)間距，以達(dá)到良好的起茬效果。前期測量數(shù)據(jù)得出根系寬度D為230 mm，立柱間距也直接影響了切膜起茬部件挖取根茬的完整性。

2 結(jié)果與分析

2.1 起茬率

沿起茬部件前進(jìn)方向選取長度100 m，寬度為一個(gè)作業(yè)幅寬的面積作為檢測的取樣單元，分別測得試驗(yàn)指標(biāo)相應(yīng)的數(shù)據(jù)，并考查起茬部件的運(yùn)轉(zhuǎn)情況和工作性能，選取起茬率為評判指標(biāo)。起茬率為選定的玉米地面積內(nèi)起出的根茬與該面積內(nèi)的總根茬的株數(shù)之比。

(3)

式中：Cqc：選定區(qū)域內(nèi)起出的根茬株數(shù)；

Cqc：選定區(qū)域內(nèi)總根茬的株數(shù)；

C：選定區(qū)域內(nèi)起茬率。

2.2 試驗(yàn)測試

為了驗(yàn)證圓盤切膜起茬的工作原理，對切膜起茬部件進(jìn)行田間試驗(yàn)，試驗(yàn)對入土深度、前進(jìn)速度及立柱間距三因素進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)，并對數(shù)據(jù)分析，為圓盤切膜起茬部件明確最佳的工作參數(shù)。以固定角度2α=20°，2β=12°情況下，通過前期單因素試驗(yàn)研究、玉米種植農(nóng)藝和根茬的收獲條件，確定了部件前進(jìn)速度的取值范圍在2.45～4.04 km/h，為使作業(yè)時(shí)試驗(yàn)調(diào)整方便將速度的取值范圍調(diào)整為2～4 km/h，起茬部件可以做到圓盤深度和圓盤立柱間距的調(diào)整，立柱間距為80～120 mm，以保證足夠的入土深度。選擇Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理進(jìn)行三因素三水平的組合試驗(yàn)，列出試驗(yàn)因素與水平[22]。表1

列出Box-Behnken的17組試驗(yàn)的工作參數(shù)及試驗(yàn)結(jié)果起茬率的值。表2

表1 試驗(yàn)因素
Table 1 Test factors and levels

水平level入土深度X1Depth(h)mm前進(jìn)速度X2ForwardVelocity(V)km/h立柱間距X3Intervalbetweenverticalframes(L)mm12002802150310031004120

表2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果
Table 2 Test design and results

試驗(yàn)序號(hào)TestNO因素水平factorsandlevels入土深度(h)mmDepthX1前進(jìn)速度(V)km/hForwardVelocityX2立柱間距(L)mmIntervalbetweenverticalframesX3起茬率StubbingrateY(%)1100210076.22100312070.43100210063.54150310093.05150412082.06150310093.97150310093.18150310090.19200312084.01015048086.41120038081.412200210085.21315028070.214150212078.115150310087.316200410080.51710038068.7

通過試驗(yàn)得到起茬率這一試驗(yàn)結(jié)果后，應(yīng)用響應(yīng)面分析法，進(jìn)行試驗(yàn)分析。首先，轉(zhuǎn)換編碼值，將編碼轉(zhuǎn)換為真實(shí)值；其次建立數(shù)據(jù)擬合，確定擬合模型；最后方差分析，判定定模型是否合理，即顯著性判定；當(dāng)建立的模型合理時(shí)，查看結(jié)果。利用Design-Expert 8.0.6軟件通過等高線圖和三維響應(yīng)面圖分析起膜起茬機(jī)構(gòu)的最佳作業(yè)因素。

表3 回歸方程方差
Table 3 The regression equation anova table

方差來源Source平方和SumofSquares自由度df均方MeanSquareF值FValue顯著水平Pp-valueProb>FModel1303.089144.7920.870.0003X1341.911341.9149.290.0002X298.70198.7014.230.0070X37.6117.611.100.3299X1X275.69175.6910.910.0131X1X30.2010.200.0290.8692X2X337.82137.825.450.0522X12347.911347.9150.150.0002X22153.611153.6122.140.0022X32165.261165.2623.820.0018殘差Residual48.5676.94失擬LackofFit18.3936.130.810.5497誤差PureError30.1747.54總和CorTotal1351.6416

2.2.1 起茬率Y回歸模型的建立與顯著性檢驗(yàn)

通過試驗(yàn)及試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行多元回歸擬合，得到切膜起茬部件的入土深度、前進(jìn)速度及立柱間距對部件起茬率Y影響的回歸模型如式(4)，回歸方程的顯著性檢驗(yàn)。表3

Y=91.48+6.54X1+3.51X2+0.97X3

(4)

式中：Y為切膜起茬部件的起茬率的編碼值，%；X1為入土深度的編碼值；X2為前進(jìn)速度的編碼值；X3為立柱間距的編碼值。

研究表明，這個(gè)模型的擬合度是極其顯著的(P<0.01)，其中入土深度(X1)、前進(jìn)速度(X2)以及入土深度的二次項(xiàng)(X12)、前進(jìn)速度的二次項(xiàng)(X22)的P值均<0.01，表明上述因素對起茬率的影響極其顯著；而入土深度和前進(jìn)速度交互項(xiàng)(X1X2)的P值0.05

0.01，對起茬率的影響顯著；入土深度和立柱間距的交互項(xiàng)(X1X3)和前進(jìn)速度與立柱間距的交互項(xiàng)(X2X3)的P值均>0.05，對起茬率的影響略小不顯著。根據(jù)模型各因素回歸系數(shù)的大小，可得到各因素的影響主次順序?yàn)椋篨1、X2、X3，即入土深度、前進(jìn)速度、立柱間距。表3

根據(jù)式(4)作出入土深度和前進(jìn)速度X1和X2以及入土深度和立柱間距X1和X3之間關(guān)系的響應(yīng)面圖。圖7，圖8

研究表明，當(dāng)切膜起茬部件的入土深度固定在某一水平，前進(jìn)速度由2 km/h向4 km/h逐漸增加時(shí)，部件起茬率呈現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢。此現(xiàn)象出現(xiàn)的主要原因是在起茬過程中，當(dāng)前進(jìn)速度較小時(shí)，不能將根茬及時(shí)起出，使得起茬區(qū)域產(chǎn)生土壤堆積數(shù)量增加，起茬率降低；當(dāng)部件的入土深度為150～155 mm、前進(jìn)速度2～4 km/h時(shí)，部件起茬率效果最佳。由等高線密度可以得出，入土深度對起茬率的影響大于部件前進(jìn)速度的影響，二者的交互作用對部件起茬率影響顯著。入土深度對起茬率的影響較大，由等高線密度可以看出，入土深度與立軸間距的交互作用對部件的起茬率的影響并不顯著。 圖6，圖7

圖7 入土深度和前進(jìn)速度對起茬率交互影響的三維曲面圖和等高線
Fig.7 Surface and contour plots of cutting depth and speed on distribution of stubbing rate

圖8 入土深度和立柱間距對起茬率交互影響的三維曲面圖和等高線
Fig.8 Surface and contour plots of depth and interval between vertical frames on distribution of stubbing rate

2.3 工作參數(shù)優(yōu)化與試驗(yàn)驗(yàn)證

借助響應(yīng)面優(yōu)化模型(4)，以起茬率為標(biāo)準(zhǔn)，確保部件在工作時(shí)根茬無遺漏(Y=0%)，應(yīng)用Design-Expert 8.060軟件中Optimization-Numerical模塊對回歸方程的模型進(jìn)行此標(biāo)準(zhǔn)下的優(yōu)化求解，得到部件起茬最優(yōu)工作參數(shù)為：入土深度為151 mm、前進(jìn)速度為4 km/h、立柱間距為100 mm。

為了驗(yàn)證模型(4)的可靠性，應(yīng)用切膜起茬部件按照以上所述的最優(yōu)工作參數(shù)組合進(jìn)行4次田間性能試驗(yàn)，試驗(yàn)材料與方法與2.1和2.2一樣。部件4次試驗(yàn)的起茬率均值為93.1%，優(yōu)化結(jié)果較為理想。較優(yōu)化前各作業(yè)性能指標(biāo)有所改善，表明在優(yōu)化工作參數(shù)條件下能夠提高起茬率，因此建立的回歸模型是可靠的。

3 討 論

新疆地膜種植規(guī)模大、數(shù)量多、地膜鋪種廣所面臨的殘膜污染問題[23]，參考國內(nèi)外現(xiàn)狀，提出適應(yīng)新疆玉米地膜回收中根茬起出的部件，并根據(jù)試驗(yàn)得出切膜起茬部件的最優(yōu)工作參數(shù)。近年來，針對棉花、玉米等作物田間殘膜的回收研制了許多類型的機(jī)具進(jìn)行作業(yè)，成效顯著[24-25]。然而，農(nóng)田地膜使用量隨著應(yīng)用面積的增加而不斷增大，玉米收獲之后大面積的地膜殘留在農(nóng)田中，嚴(yán)重污染了農(nóng)田的土壤和環(huán)境，還制約了后期玉米根茬粉碎還田與耕整地作業(yè)，最終影響了來年秋覆膜、春覆膜的工作[26]。目前，對于新疆玉米100 mm以下扎根起茬的應(yīng)用較少，由于玉米起茬又不同于棉花等其它作物，難度較大，最佳起茬因素是研究的切入點(diǎn)。研究結(jié)果表明，在圓盤水平面的張角β及偏角α固定的情況下，通過數(shù)學(xué)模型擬合優(yōu)化得出影響起茬因素按重要性依次為入土深度、前進(jìn)速度、立柱間距。

4 結(jié) 論

通過對圓盤式切膜起茬部件的主導(dǎo)因素對起茬率的影響展開田間試驗(yàn)，對圓盤式切膜起茬部件進(jìn)行理論計(jì)算與試驗(yàn)論證，并應(yīng)用Design-Expert 8.060軟件優(yōu)化得出影響切膜起茬率的各因素的影響主次順序?yàn)槿胪辽疃?、前進(jìn)速度、立柱間距，通過三維響應(yīng)面看出當(dāng)部件的入土深度為150～155 mm、前進(jìn)速度2～4 km/h時(shí)，部件起茬率效果呈現(xiàn)最佳狀態(tài)，最終得出最佳工作參數(shù)組合為：入土深度為151 mm、前進(jìn)速度為4 km/h、立柱間距為100 mm，起茬率為93.1%。

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Fund project:Supported by National Natural Science Fund program of China"The Mechanism of Disk Plastic Film Cutting and Stubble Collecting"(51565060)；Science and Technology Plan program of Xinjiang Uygur Autonomous Region "Research on Mechanized Plastic Film Recycling Equipment for Silage Maize Fields"；Natural Science Fund program of Xinjiang Uygur Autonomous Region "Research on the Mechanism of Maize Stubble and Plastic Film Separation".

Design and Test on Corn Stubbing and Mulch Retriever with Disc Cutter

ZHANG Li, WANG Xue-nong, LIU Xuan-feng, ZHANG Jia-xi,JIANG Yong-xin, ZHANG Hai-chun

(AgriculturalMechanizationResearchInstitute,XingjiangAcademyofAgriculturalSciences/ScientificObservingandExperimentalStationforForestFruit,CottonandFacilityAgriculturalEquipment,MinistryofAgriculture,Urumqi830047,China)

【Objective】 To collect plastic film and stubble as much as possible，and address the difficult recycling of the plastic film due to the maize stubble roots in aerial and secondary umbels wrapped with plastic in the growing process,so as to realize the utmost efficient utilization of resources.【Method】Field tests of stubbing corn roots were carried out in Pioneer village, Karahabake town,Tache city, Xinjiang Province in August 2015.The leading factors of disc cutter collecting maize roots were studied at different depth into soil, forward velocity and intervals between vertical frames to testify the affection of stubbing rate.【Results】Based on three factors three levels Box-Behnken experimental design method, the mathematical model of the depth into soil,forward velocity,interval between vertical frames and the stubbing rate of maize roots was established successfully, and 17 groups of combined stubbing tests were carried out and the stubbing rate were gained.The maximum stubbing rate was 93.9% and the depth into soil was 150 mm, forward velocity was 3 km/h and the interval between vertical frames was 100 mm.While the minimum stubbing rate was 63.5% and the depth into soil was 100 mm, forward velocity was 2 km/h and the interval between vertical frames was 100 mm. 【Conclusion】The mechanism and the key factors of disc cutter collecting stubble was studied and the optimum factor combination was gained from the filed test and the depth into soil was 151 mm, forward velocity was 4 km/h and the interval between vertical frames was 100 mm and the stubbing rate was 93.1%. What was said above, the theoretical basis support was provided for the following design development of corn stubbing and mulch retriever with disc cutter,which has great application value.

Cutting film with disc-type;Stubble retriever component;Design;The stubbing rate

10.6048/j.issn.1001-4330.2016.10.013

2016-04-05

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“圓盤式切膜起茬機(jī)理及機(jī)構(gòu)的研究”(51565060)；新疆維吾爾自治區(qū)高技術(shù)研究發(fā)展項(xiàng)目“青貯玉米地機(jī)械化殘膜回收裝備研究”(201511104)；新疆維吾爾自治區(qū)自然科學(xué)基金項(xiàng)目“玉米根茬與地膜分離的機(jī)理研究”(2014211B029)

張麗(1982-)，女，新疆烏魯木齊人，助理研究員，碩士，研究方向?yàn)榈啬せ厥张c循環(huán)利用，(E-mail)53631301@qq.com

王學(xué)農(nóng)(1964-)，男，陜西漢中人，研究員，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)機(jī)械，(E-mail)xjwxn@xaas.ac.cn

S223.5

A

1001-4330(2016)10-1867-10