張佳喜，楊　程，郭俊先※，蔣永新，張海春，張　麗

（1. 新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，烏魯木齊 830052；2. 新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，烏魯木齊 830091）

0　引　言

地膜覆蓋種植技術(shù)由于具有增溫保墑、節(jié)水抗旱、提高產(chǎn)量等作用，在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)領(lǐng)域已廣泛應(yīng)用。目前國際上鋪設(shè)的地膜多為聚乙烯和聚氯乙烯等塑料地膜，這類地膜在作物收獲后殘留在農(nóng)田中極難降解，日復(fù)一日的積累下來，將造成嚴(yán)重的“白色污染”，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有很大的危害。國外地膜回收機(jī)械研究起步較早，并且國外使用的地膜較厚易于回收，美、日、法、以色列等國研制的殘膜回收機(jī)械結(jié)構(gòu)一般較為簡單，主要由起膜鏟、卷膜輥兩部分組成，殘膜回收后較為完整，可在回收處理后再投入應(yīng)用[1-2]。

中國開展地膜研究始于20世紀(jì)70年代，覆膜種植面積較大的地區(qū)為新疆、內(nèi)蒙古和甘肅，其中新疆是殘膜污染情況最嚴(yán)峻的區(qū)域，其長期覆膜農(nóng)田地膜殘留量在42～540 kg/hm2之間，平均殘留量高于200 kg/hm2，地膜回收工作急需加強(qiáng)。國內(nèi)已研制出了多種地膜回收機(jī)具，按照收膜類型可分為彈齒摟集式、伸縮桿齒挑膜式、卷膜輥式、氣吸式等[3-6]。新疆研究的殘膜回收機(jī)多針對(duì)于寬幅、大型的棉田殘膜回收，如沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院、新疆農(nóng)墾科學(xué)院機(jī)械裝備研究所及石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院聯(lián)合研制的4JSM-2000型棉桿粉碎與殘膜回收聯(lián)合作業(yè)機(jī)；中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)院研制的 4JLM-1800摟集型棉秸稈還田地膜回收聯(lián)合作業(yè)機(jī)；新疆農(nóng)墾科學(xué)院機(jī)械裝備研究所與中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院聯(lián)合研制的CMJY-1500型農(nóng)田殘膜撿拾打包聯(lián)合作業(yè)機(jī)等[7-11]。

由于青貯玉米等作物根茬較大，對(duì)回收部件有很大影響，大根茬須根與地膜穿插在一起造成地膜回收困難，該領(lǐng)域的地膜回收問題一直沒有很好的解決。

根據(jù)青貯玉米地收膜作業(yè)的技術(shù)要求，本文提出將滾切原理應(yīng)用于青貯玉米根茬的起茬工作，設(shè)計(jì)了滾刀式起茬裝置，旨在解決殘膜回收機(jī)在大根茬干擾工作環(huán)境下機(jī)具存在的膜茬混合易堵塞、收膜率低等難題[12]。并以殘膜撿拾率、根茬起茬率為主控目標(biāo)，對(duì)機(jī)具關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)研究，建立響應(yīng)面模型，分析各參數(shù)對(duì)機(jī)具工作性能的影響，找出最優(yōu)工作參數(shù)，以期為大根茬作物殘膜回收機(jī)的研制提供參考。

1　整機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1　整機(jī)結(jié)構(gòu)

整機(jī)主要由滾刀起茬裝置、滾筒拾膜裝置、傳動(dòng)系統(tǒng)、脫膜輥裝置、行走系統(tǒng)、膜箱等部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　滾刀式青貯玉米起茬及殘膜回收聯(lián)合作業(yè)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1　Structure diagram of hob-type joint operation machine for silage corn root stubble plucking and residual plastic film collecting

1.2　工作原理與技術(shù)參數(shù)

滾刀式起茬及殘膜回收機(jī)一次性可以完成切茬—挑膜—送膜—收集等工作。具體工作流程是：通過滾刀起茬裝置，將作物的根茬切斷并從土壤中拔起，拾膜滾筒逆機(jī)具前進(jìn)方向旋轉(zhuǎn)，將伸縮齒桿挑拾起的殘膜及切斷的根茬送至滾筒外壁上側(cè)。切斷的作物根茬、挑起的殘膜以及附著在上面的泥土，通過脫膜板帶起送到脫膜輥中旋轉(zhuǎn)膜土分離，殘茬和殘膜滾落到膜箱。當(dāng)膜箱內(nèi)容物達(dá)到一定量時(shí)，通過拖拉機(jī)駕駛部位的控制裝置液壓缸將膜箱翻轉(zhuǎn)120°，將殘茬和殘膜傾倒并集堆在地面上[13-15]。拾膜滾筒，滾刀裝置和脫膜輥的旋轉(zhuǎn)動(dòng)力，由約翰迪爾 904型拖拉機(jī)后輸出供給提供，輸出功率 60 kW，動(dòng)力傳動(dòng)方式為鏈傳動(dòng)，機(jī)具主要參數(shù)如表1所示。

表1　滾刀式青貯玉米起茬及殘膜回收聯(lián)合作業(yè)機(jī)主要參數(shù)Table 1　Main parameters of hob-type joint operation machine for silage corn root stubble plucking and residual plastic film collecting

2　關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)與分析計(jì)算

2.1　滾刀起茬裝置

2.1.1滾刀起茬裝置主要結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)的滾刀起茬裝置作為一種根茬切割機(jī)構(gòu)，它的主要功能主要有兩方面：1）切斷青貯玉米根茬，解決挑膜作業(yè)時(shí)青貯玉米留茬過高的干擾問題，并將纏繞在根茬上的地膜堆積在一起；2）松土功能，通過滾刀的翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，松動(dòng)、擊碎膜下的土壤，利于挑膜齒的入土收膜作業(yè)，同時(shí)可將貼在土層上的地膜旋出[16-18]。如圖 2所示，滾刀起茬裝置工作部件主要由滾切刀、齒輪傳動(dòng)箱、傳動(dòng)軸和刀軸等部件組成。切割刀安裝在滾刀刀座上，刀座沿圓周方向固接在滾刀刀軸上，每組刀座上固接有2片切割刀。作業(yè)時(shí)，動(dòng)力由傳動(dòng)軸輸入，在齒輪傳動(dòng)箱中帶動(dòng)滾刀刀軸轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖2　滾刀起茬裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2　Structure diagram of hob cutting device

滾切刀材料選用16Mn低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼，尺寸為180 mm×70 mm×10 mm，兩端處理成45°斜平面，在一端鉆有螺紋孔，通過螺母安裝固定在刀座上。刀座尺寸為345 mm×95 mm×10 mm，每個(gè)固定端15 mm處鉆有4個(gè)直徑12 mm的螺紋孔，與兩側(cè)距離分別為13.5及147.5 mm。在滾刀刀軸圓周方向上均勻焊接有 6條安裝卡槽，通過螺栓與定位卡配合可將刀座固定在滾刀刀軸上。刀軸長1 455 mm，配有4組滾切刀，根據(jù)不同的玉米種植行距，可調(diào)整刀座間距。

2.1.2滾刀起茬裝置運(yùn)動(dòng)分析

在機(jī)具的前進(jìn)過程中，切割刀以正切方式切入根茬內(nèi)部，隨后由于刀軸的逆時(shí)針回轉(zhuǎn)，刀片會(huì)向上運(yùn)動(dòng)從而起出根茬，其運(yùn)動(dòng)原理如圖3所示。

圖3　滾刀切茬運(yùn)動(dòng)示意圖Fig.3　Hobbing cutting movement diagram

滾刀工作時(shí)，一方面以一定速度向拖拉機(jī)前進(jìn)方向運(yùn)動(dòng)，另一方面繞滾刀刀軸回轉(zhuǎn)具有角速度，因此滾刀起茬工作是在上述 2種運(yùn)動(dòng)合成下完成的，運(yùn)動(dòng)軌跡為擺線，根據(jù)速度矢量合成原理，列出公式

式中Va為起茬裝置前進(jìn)速度，km/h；Vr為滾刀刀刃回轉(zhuǎn)線速度，m/s；V為滾刀刀刃絕對(duì)速度；其中，Vr=ωR，R為滾刀刀刃回轉(zhuǎn)半徑112 mm。

以滾刀刀軸圓周中心為坐標(biāo)原點(diǎn) O，滾刀所處水平位置的直線為X軸，向右為正方向，垂直位置為Y軸，向上為正方向，建立坐標(biāo)系，滾刀旋轉(zhuǎn)偏角為θ，則可將滾刀刀刃回轉(zhuǎn)起茬運(yùn)動(dòng)分解為X，Y軸2個(gè)方向上的分解運(yùn)動(dòng)，即

此時(shí)，若試驗(yàn)機(jī)具的前進(jìn)速度為 Va，則滾刀回轉(zhuǎn)一圈前進(jìn)的距離S為

經(jīng)過時(shí)間t后，滾刀轉(zhuǎn)過角度θ=2ωt，求滾刀刃口位置的瞬時(shí)坐標(biāo)，就是滾刀絕對(duì)運(yùn)動(dòng)方程式，即

根據(jù)式（4），設(shè)置滾刀回轉(zhuǎn)半徑R=112 mm，機(jī)具前進(jìn)速度為4 km/h，通過計(jì)算機(jī)可仿真出滾刀刀刃任意一點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡，如圖4所示。

圖4　滾刀刃口一點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.4　Movement trajectory of edge of hob

從圖中可以看出，半徑R對(duì)于x和y的影響程度相同，即控制滾刀切茬刀刃的運(yùn)動(dòng)軌跡由機(jī)具的前進(jìn)速度Va與滾刀刀片旋轉(zhuǎn)線速度Vr的比值決定。結(jié)合青貯玉米種植的株距d，以及式（2）和（4）確定的滾刀刀刃需滿足的關(guān)系[19-20]，可設(shè)置青貯玉米的合適切茬參數(shù)。

2.2　滾筒拾膜裝置

根據(jù)青貯玉米地地膜的物理特性及田間分布特征，采用伸縮桿齒式滾筒拾膜裝置挑膜作業(yè)。該裝置主要由拾膜滾筒外殼、挑膜齒、凸輪盤和擺臂等部件組成，滾筒直徑為700 mm，一個(gè)圓周上均勻裝6組挑膜齒，同組挑膜齒間距136 mm，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖5所示。工作時(shí)伸縮齒以扎膜方式從地頭挑起殘膜，拾膜滾筒隨機(jī)具向前滾動(dòng)，裝置內(nèi)的挑膜齒桿隨滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)，挑膜齒組通過擺臂鉸接在滾筒內(nèi)部的凸輪盤上，齒桿轉(zhuǎn)動(dòng)到滾筒的前方時(shí)逐漸伸出滾筒，并隨著滾筒旋轉(zhuǎn)逐漸伸長，伸長的齒桿穿透鋪在地表的殘膜并扎入土壤中，機(jī)具前進(jìn)從地頭挑起地膜；當(dāng)齒桿隨滾筒繼續(xù)轉(zhuǎn)到后方時(shí)，齒桿帶著殘膜沿滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)方向向上運(yùn)動(dòng)，同時(shí)逐步縮短至筒內(nèi)，從而將挑起的殘膜脫離落在滾筒外壁上，由后續(xù)的脫膜輥裝置送至膜箱完成收膜工作。

圖5　拾膜滾筒結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5　Structure diagram of pickup roller

由于凸輪結(jié)構(gòu)與滾筒中心存在偏心距離，所以挑膜齒組在隨滾筒一起轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中相對(duì)于滾筒壁產(chǎn)生了伸縮效果，以滾筒中心為原點(diǎn)O建立坐標(biāo)系，挑膜齒頂部任意一點(diǎn)M的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖6所示。

圖6　挑膜齒頂部M點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.6　Moving track of M-point at top of pick-film tooth

其相對(duì)于滾筒軸的運(yùn)動(dòng)軌跡方程為

式中L為桿底至桿頂?shù)闹本€長度；l為擺臂與凸輪的中心距。

根據(jù)齒頂?shù)倪\(yùn)動(dòng)軌跡，結(jié)合挑起地膜的技術(shù)要求，調(diào)整滾筒的轉(zhuǎn)速為60 r/min[21]，方便挑膜齒穩(wěn)定高效的工作。挑膜齒組設(shè)計(jì)為圓弧形挑膜齒，材料采用韌性較好的65Mn圓鋼壓制而成，相較于傳統(tǒng)直桿式挑膜齒[22-23]，圓弧形挑膜齒具有更好的主動(dòng)挑膜性能，且不易變形，工作性能穩(wěn)定。

2.3　脫膜輥裝置

脫膜輥裝置位于拾膜滾筒的后上方，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖 7所示，主要由護(hù)罩、脫膜板、脫膜輥封殼、脫膜輥管軸及脫膜輥側(cè)板構(gòu)成。脫膜輥封殼上設(shè)有6張脫膜板，脫膜板的運(yùn)動(dòng)軌跡圓與拾膜滾筒外壁相切。

圖7　脫模輥結(jié)構(gòu)示意圖Fig.7　Schematic drawing of film-stripping roller

作業(yè)時(shí)脫膜板運(yùn)動(dòng)軌跡圓與拾膜滾筒外壁接觸，隨著脫膜輥的逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，脫膜板帶起留在拾膜滾筒外壁上的殘膜送至膜箱，完成收膜工作。脫膜輥外殼直徑為386 mm，厚度為2 mm的Q235；脫膜板尺寸為1648 mm×70 mm×4 mm，材料選取具有良好彈性的工業(yè)橡膠，與拾膜滾筒彈性接觸時(shí)，可以減小機(jī)構(gòu)之間的磨損，具有更高的摩擦系數(shù)能夠很好的抓取滾筒上的殘膜，還可防止拾起的根茬及碎膜卷入送膜裝置與滾筒之間而影響工作[24-25]。相較于抖動(dòng)鏈?zhǔn)?、粉碎拋送式送膜裝置，脫膜輥結(jié)構(gòu)更簡單，工作可靠，與拾膜滾筒工作方式配合度較高。

3　大田試驗(yàn)

3.1　試驗(yàn)地信息

本次試驗(yàn)地點(diǎn)在新疆阿克蘇溫宿縣沙井子村2團(tuán)21連，因一年兩作農(nóng)業(yè)耕作需求，農(nóng)田收膜時(shí)間需在作物收獲后的一周以內(nèi)，試驗(yàn)時(shí)間為2016年7月7日—15日，試驗(yàn)田土質(zhì)為沙土，土質(zhì)較疏松。種植玉米品種為新玉76號(hào)，玉米種植模式為壟距20～40 cm，株距28 cm，根茬平均深度10.5 cm，須根平均橫向直徑20.3 cm。鋪設(shè)地膜新疆阿拉爾市農(nóng)家人農(nóng)資銷售有限責(zé)任公司的聚乙烯農(nóng)用地面覆蓋薄膜，薄膜厚度為 0.010 mm，地膜寬度1.25 m，邊膜壓埋深度為5 cm。

3.2　試驗(yàn)設(shè)備與儀器

試驗(yàn)儀器設(shè)備主要有滾刀式起茬及殘膜回收機(jī)、轉(zhuǎn)速儀、電子天平、皮尺、卷尺、活動(dòng)扳手等。機(jī)具田間試驗(yàn)情況如圖8所示。

圖8　殘膜回收機(jī)性能田間測試現(xiàn)場Fig.8　Residual film recovery machine performance field test

3.3　試驗(yàn)參數(shù)與方法

試驗(yàn)分別測定滾刀式起茬及殘膜回收機(jī)不同工作參數(shù)下殘膜撿拾率α、根茬起茬率β作為起茬及殘膜回收機(jī)的評(píng)價(jià)指標(biāo)。影響青貯玉米起茬及殘膜回收機(jī)評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響因素很多，如田間狀況、機(jī)具前進(jìn)速度、滾刀入土深度、滾刀刀軸轉(zhuǎn)速、刀片形狀等。在前期的研究基礎(chǔ)上確定機(jī)具前進(jìn)速度、滾刀入土深度、滾刀刀軸旋轉(zhuǎn)速度對(duì)機(jī)具工作效果影響較大?？紤]到機(jī)具工作的穩(wěn)定性、能耗及工作效率，參考農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊選取滾刀入土深度5～35 mm；滾刀刀軸轉(zhuǎn)速360～1 080 r/min；機(jī)具前進(jìn)速度4～8 km/h[26]。

本試驗(yàn)利用Design Expert設(shè)計(jì)為三因素三水平二次回歸正交試驗(yàn)，對(duì)滾刀入土深度A、機(jī)具前進(jìn)速度B、滾刀刀軸轉(zhuǎn)速C展開試驗(yàn)研究，試驗(yàn)因素和水平如表2所示。

表2　試驗(yàn)因素和水平Table 2　Factors and levels of test

目前中國還沒有針對(duì)青貯玉米起茬及殘膜回收裝備的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，因此，根據(jù)中華人民共和國農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《殘地膜回收機(jī)作業(yè)質(zhì)量》(NY/T1227-2006)和中華人民共和國機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《秸稈粉碎還田機(jī)》(JB/T6678-2001)設(shè)計(jì)殘膜撿拾率測定：機(jī)具作業(yè)前在試驗(yàn)區(qū)隨機(jī)選定 3個(gè)區(qū)域，每塊區(qū)域長度2 m，寬度1.25 m，將測區(qū)所有殘膜收集，洗凈風(fēng)干后稱出質(zhì)量，計(jì)算出其平均值;作業(yè)后重新選定 3個(gè)區(qū)域，分別從中挑出作業(yè)后遺留的殘膜，計(jì)算出其平均值作為漏撿殘膜質(zhì)量。計(jì)算殘膜撿拾率公式為

式中α為殘膜撿拾率，%；M1為作業(yè)前殘膜總質(zhì)量平均值，kg；M2為作業(yè)后漏撿殘膜總質(zhì)量平均值，kg[27-28]。

根茬起茬率的測定：機(jī)具作業(yè)前詳細(xì)記錄測區(qū)所有根茬數(shù)量，計(jì)算出其平均值；作業(yè)后在原測區(qū)內(nèi)挑出剩余的根茬，計(jì)算出其平均值，則根茬起茬率公式為

式中β為根茬起茬率，%；N1為作業(yè)前根茬數(shù)量平均值，N2為作業(yè)后根茬數(shù)量平均值。

3.4　結(jié)果與分析

3.4.1試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù) Box-Behnken試驗(yàn)原理設(shè)計(jì)的三因素三水平試驗(yàn)，包括17個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)，其中5個(gè)為零點(diǎn)估計(jì)誤差，另12個(gè)為分析因子，試驗(yàn)方案及結(jié)果如表3所示。

表3　試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案及結(jié)果Table 3　Experiment design and results

3.4.2回歸模型建立與顯著性檢驗(yàn)

根據(jù)表 3中的數(shù)據(jù)樣本，利用 Design-Expert 8.0.6 Trial軟件進(jìn)行多元回歸擬合分析，建立殘膜撿拾率α、根茬起茬率 β 對(duì)機(jī)具前進(jìn)速度、滾刀入土深度、刀軸轉(zhuǎn)速3個(gè)自變量的響應(yīng)方程式[29-32]，并對(duì)其進(jìn)行方差分析，結(jié)果如表4所示。

由表 4方差分析結(jié)果可知，方程評(píng)價(jià)指標(biāo)殘膜撿拾率α、根茬起茬率β的P值均小于0.01，表明回歸模型高度顯著，其決定系數(shù)R2值分別為0.984 5、0.965 4，表明這2個(gè)模型可以擬合96%以上的試驗(yàn)結(jié)果。因此，該模型可以優(yōu)化分析滾刀式起茬及殘膜回收機(jī)的工作參數(shù)。

3.4.3交互因素對(duì)機(jī)具性能影響分析

根據(jù) Box-behnken中心組合試驗(yàn)方法分析生成3D-surface響應(yīng)面圖，根據(jù)響應(yīng)面圖分析滾刀入土深度A，機(jī)具前進(jìn)速度B，滾刀刀軸轉(zhuǎn)速C三因素對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的綜合影響。

表4　回歸模型方差分析Table 4　Variance analysis of regression model

1）試驗(yàn)因素對(duì)殘膜撿拾率的影響規(guī)律分析

滾刀入土深度A、機(jī)具前進(jìn)速度B、滾刀刀軸轉(zhuǎn)速C對(duì)殘膜撿拾率的三維響應(yīng)曲面圖如圖9a～9c所示。從圖9a可觀察到，將滾刀刀軸轉(zhuǎn)速C固定在720 r/min（零水平）時(shí)，機(jī)具前進(jìn)速度B與滾刀入土深度A的交互影響規(guī)律表明：當(dāng)滾刀機(jī)具前進(jìn)速度 B增加時(shí)，殘膜撿拾率逐漸降低，并且變動(dòng)幅度較為平緩；而滾刀入土深度 A增加時(shí)，殘膜撿拾率先增后減，且變動(dòng)幅度相對(duì)較大。響應(yīng)面曲線沿滾刀入土深度變化比沿機(jī)具前進(jìn)速度方向變化更快，在零水平下滾刀入土深度對(duì)殘膜撿拾率的影響比機(jī)具前進(jìn)速度的影響更為顯著；從圖9b中可觀察到，當(dāng)機(jī)具前進(jìn)速度控制在6 km/h時(shí)，滾刀入土深度A與滾刀刀軸轉(zhuǎn)速C的交互作用對(duì)根茬起茬率的影響規(guī)律表明：當(dāng)滾刀入土深度與刀軸轉(zhuǎn)速分別增加時(shí)，殘膜撿拾率隨著機(jī)具前進(jìn)速度和刀軸轉(zhuǎn)速的增加均為明顯先增后減，沿滾刀入土深度方向的變化幅度更大，滾刀入土深度對(duì)殘膜撿拾率的影響比滾刀刀軸轉(zhuǎn)速的影響更為顯著；從圖9c中可觀察到，滾刀刀軸轉(zhuǎn)速、機(jī)具前進(jìn)速度的變化規(guī)律與圖8a和圖8b中一致，但機(jī)具前進(jìn)速度方向的變化幅度更大，機(jī)具前進(jìn)速度對(duì)殘膜撿拾率的影響比滾刀刀軸轉(zhuǎn)速的影響更為顯著。

從試驗(yàn)因素對(duì)殘膜撿拾率影響的響應(yīng)值變化幅度可知，試驗(yàn)因素對(duì)殘膜撿拾率的影響顯著順序?yàn)椋簼L刀入土深度A＞機(jī)具前進(jìn)速度B＞滾刀刀軸轉(zhuǎn)速C；且總體影響趨勢為當(dāng)滾刀入土深度偏低、機(jī)具前進(jìn)速度偏低、刀軸轉(zhuǎn)速適中時(shí)，殘膜撿拾率越高。其原因主要是：滾刀入土深度較淺，對(duì)土層的翻動(dòng)量少，地膜均在表層易于挑收；機(jī)具速度降低，單位面積內(nèi)挑膜齒挑膜次數(shù)增多；刀軸轉(zhuǎn)速適中，過高殘膜破損嚴(yán)重，過低殘膜未完全翻出。

2）試驗(yàn)因素對(duì)根茬起茬率的影響規(guī)律分析

滾刀入土深度A、機(jī)具前進(jìn)速度B、滾刀刀軸轉(zhuǎn)速C對(duì)根茬起茬率的三維響應(yīng)曲面圖如圖9d～9e所示。從圖9d中可觀察到，當(dāng)滾刀刀軸轉(zhuǎn)速C處于零水平時(shí)，滾刀入土深度增加時(shí)，根茬起茬率顯著增加到一定程度后趨于平緩，隨機(jī)具前進(jìn)速度先增后減。響應(yīng)面曲線沿滾刀入土深度變化比沿機(jī)具前進(jìn)速度方向變化更快，在零水平下滾刀入土深度對(duì)根茬起茬率的影響比機(jī)具前進(jìn)速度的影響更為顯著；由圖9e可知，當(dāng)機(jī)具前進(jìn)速度控制在零水平滾刀入土深度越低、刀軸轉(zhuǎn)速越快，根茬起茬率越高；從圖9f中可觀察到，當(dāng)滾刀離地高度控制在零水平時(shí)，根茬起茬率隨滾刀刀軸轉(zhuǎn)速增大先增后減，隨機(jī)具前進(jìn)速度逐漸降低。

從試驗(yàn)因素對(duì)根茬起茬率影響的響應(yīng)值變化幅度可知，試驗(yàn)因素對(duì)根茬起茬率的影響顯著順序?yàn)椋簼L刀入土深度A＞滾刀刀軸轉(zhuǎn)速C＞機(jī)具前進(jìn)速度B；且總體影響趨勢為：當(dāng)滾刀入土深度偏高、機(jī)具前進(jìn)速度適中、刀軸轉(zhuǎn)速偏高時(shí)，根茬起茬率越高。從結(jié)果分析：當(dāng)滾刀入土深度增加時(shí)，滾刀能夠更完整的將根茬切斷起出，但當(dāng)入土深度增加到一定程度時(shí)，滾刀已切至根茬最底部，此時(shí)對(duì)根茬的切斷起出影響趨于穩(wěn)定；對(duì)于機(jī)具前進(jìn)速度與滾刀刀軸轉(zhuǎn)速方面，在試驗(yàn)區(qū)間內(nèi)存在一個(gè)最優(yōu)水平，在低于這個(gè)水平時(shí)，容易產(chǎn)生根茬未完全起出情況，在高于這個(gè)水平時(shí)，容易產(chǎn)生根茬破碎度較大，不能充分收集情況[33-34]。

圖9　試驗(yàn)因素對(duì)殘膜撿拾率、根茬起茬率的影響Fig.9　Effects of test factors on residual film recovery rate and root stubble cut rate

4　參數(shù)優(yōu)化與驗(yàn)證

4.1　參數(shù)優(yōu)化

為了使?jié)L刀式起茬及殘膜回收機(jī)的作業(yè)性能達(dá)到最佳，必須要求地膜撿拾率、根茬起茬率均較高，根據(jù)交互因素對(duì)地膜撿拾率、根茬起茬率影響效果分析可知：要獲得較高的地膜撿拾率，需滾刀入土深度較低，滾刀刀軸轉(zhuǎn)速適中，機(jī)具前進(jìn)速度較低；要獲得較高的根茬起茬率，需要較低的滾刀入土深度、機(jī)具前進(jìn)速度適中、較高的刀軸轉(zhuǎn)速?？紤]到各評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)各因素的響應(yīng)程度不同，需進(jìn)行多目標(biāo)的優(yōu)化。

根據(jù)滾刀式起茬及殘膜回收機(jī)的田間工作條件、性能要求和上述相關(guān)模型分析結(jié)果，利用 design expert中optimization優(yōu)化分析，對(duì)試驗(yàn)因素約束條件為：滾刀入土深度5～35 mm，前進(jìn)速度4～8 km/h，刀軸轉(zhuǎn)速360～1 080 r/min；評(píng)價(jià)指標(biāo)殘膜撿拾率α、根茬起茬率β取目標(biāo)最大值100%。優(yōu)化結(jié)果3個(gè)試驗(yàn)因素水平分別為：滾刀入土深度18.5 mm，機(jī)具前進(jìn)速度4.57 km/h，刀軸轉(zhuǎn)速906.43 r/min時(shí)，模型曲面綜合響應(yīng)值最大，殘膜撿拾率達(dá)到85.93%、根茬起茬率達(dá)到84.28%。

4.2　試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證軟件預(yù)測的準(zhǔn)確性，于2017年 9月初在五家渠地區(qū)青貯玉米試驗(yàn)田采用上述參數(shù)進(jìn)行了3次驗(yàn)證試驗(yàn)。由于田間實(shí)際情況，將機(jī)具工作參數(shù)設(shè)置為滾刀入土深度20 mm，機(jī)具前進(jìn)速度4.5 km/h，刀軸轉(zhuǎn)速900 r/min，在此方案下開展試驗(yàn)，結(jié)果見表5。

表5　評(píng)價(jià)指標(biāo)大田試驗(yàn)及軟件優(yōu)化結(jié)果對(duì)比Table 5　Comparison of evaluation indexes between field test and software analysis

通過表 5的試驗(yàn)結(jié)果可知，殘膜撿拾率大田試驗(yàn)值與理論預(yù)測值相對(duì)誤差均小于3%，基本達(dá)到預(yù)期目的，參數(shù)優(yōu)化模型合理。即在起茬及殘膜回收作業(yè)時(shí)，采用滾刀入土深度20 mm，機(jī)具前進(jìn)速度4.5 km/h，刀軸轉(zhuǎn)速900 r/min的參數(shù)組合，此時(shí)殘膜撿拾率為84.62%，根茬起茬率為88.25%，試驗(yàn)值與預(yù)測值相對(duì)誤差均小于4%，機(jī)具試驗(yàn)地作業(yè)效果如圖10所示。

圖10　機(jī)具試驗(yàn)地作業(yè)前后效果對(duì)比Fig.10　Comparison of effects of equipment test ground before and after operation

5　討　論

1）滾刀式起茬及殘膜回收機(jī)采用的收膜方式為伸縮桿齒挑膜收集式，但在原有的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)添加了滾刀起茬裝置，能夠在挑膜作業(yè)前將田間殘留的作物大根茬切斷起出，方便的收起了纏繞在根茬上的大量地膜；并且滾刀裝置將土壤進(jìn)行了一定的翻動(dòng)，使板結(jié)的土壤疏松，便于彈齒的挑收作業(yè)；同時(shí)，機(jī)具采用了液壓翻轉(zhuǎn)膜箱，當(dāng)膜箱內(nèi)容物達(dá)到一定程度時(shí)，通過液壓油缸推動(dòng)連桿機(jī)構(gòu)將膜箱翻轉(zhuǎn) 120°自動(dòng)卸膜，解決了機(jī)具卸膜困難的問題，減少了作業(yè)時(shí)間，節(jié)省了人力。

2）滾刀式起茬及殘膜回收機(jī)能夠較好的完成大根茬作物的起茬及殘膜回收工作，但由于中國各地區(qū)農(nóng)藝不統(tǒng)一，各地種植的青貯玉米品種不同、根茬的切割力學(xué)特性不同，作物株距、行間距存在差異性，需要改進(jìn)前置的滾刀裝置，針對(duì)不同的株距、行距，可調(diào)控滾刀的相應(yīng)位置，以適應(yīng)不同農(nóng)藝種植條件的起茬及殘膜回收工作。

6　結(jié)　論

1）本文針對(duì)大根茬作物收膜困難、工作效率低的問題，設(shè)計(jì)了一種滾刀起茬裝置，研制了滾刀式青貯玉米起茬及殘膜回收聯(lián)合作業(yè)機(jī)。通過運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，在滾刀回轉(zhuǎn)半徑112 mm時(shí)可以較穩(wěn)定的將根茬切斷起出，解決大根茬對(duì)殘膜回收的影響。

2）開展響應(yīng)面試驗(yàn)研究，分析了滾刀入土深度、機(jī)具前進(jìn)速度、滾刀刀軸轉(zhuǎn)速對(duì)殘膜撿拾率、根茬起茬率的影響趨勢，建立了殘膜撿拾率、根茬起茬率對(duì) 3個(gè)因素水平的二次多項(xiàng)響應(yīng)模型：各試驗(yàn)因素對(duì)殘膜撿拾率影響顯著順序?yàn)闈L刀入土深度＞機(jī)具前進(jìn)速度＞滾刀刀軸轉(zhuǎn)速；各因素對(duì)根茬起茬率的影響顯著順序?yàn)闈L刀入土深度＞滾刀刀軸轉(zhuǎn)速＞機(jī)具前進(jìn)速度。

3）利用Box-Benhnken組合試驗(yàn)法優(yōu)化分析滾刀式起茬及殘膜回收機(jī)工作參數(shù)最優(yōu)組合為：滾刀入土深度18.5 mm、機(jī)具前進(jìn)速度4.57 km/h、滾刀刀軸轉(zhuǎn)速906.43 r/min；此時(shí)軟件分析預(yù)測殘膜撿拾率能夠達(dá)到85.93%，根茬起茬率達(dá)到84.28%。田間試驗(yàn)在滾刀入土深度20 mm、機(jī)具前進(jìn)速度4.5 km/h、刀軸轉(zhuǎn)速900 r/min因素水平下，殘膜撿拾率達(dá)到 84.62%，根茬起茬率為88.25%，與預(yù)測值相對(duì)誤差均小于4%，模型可靠，滿足青貯玉米起茬收膜作業(yè)要求。

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