王瑩瑩,康建明,郭振華,顏利民

(1.巴音郭楞職業(yè)技術(shù)學(xué)院,冶金與資源學(xué)院,新疆 庫爾勒 841000；2.山東省農(nóng)業(yè)機(jī)械科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250100)

地膜覆蓋栽培具有增溫保墑、抑制雜草生長、提高作物產(chǎn)量的功能[1-3]。農(nóng)用地膜的主要成分是聚烯烴類化合物[4]，極難降解。由于每年使用的地膜未能得到及時回收，致使土壤中的殘碎地膜沉積量增大，嚴(yán)重阻礙了作物根系對水肥的吸收和自身的生長發(fā)育。地膜覆蓋栽培技術(shù)在給農(nóng)業(yè)帶來顯著經(jīng)濟(jì)效益的同時，也給土壤帶來了嚴(yán)重的污染[5-7]。

機(jī)械化殘膜回收是解決殘膜污染問題的有效手段，殘膜按回收時間不同可分為：苗期收膜、播前收膜和秋后收膜[8]。新疆膜下滴灌技術(shù)的大面積推廣使用，已無法實(shí)現(xiàn)苗期收膜。新疆氣候原因?qū)е虏シN期短，播前收膜也僅僅起到輔助作用。棉花收獲后地膜較為完整，強(qiáng)度相對較高，是機(jī)械化收膜的最佳時期[8]。目前已經(jīng)研制出秸稈粉碎還田與殘膜回收聯(lián)合作業(yè)機(jī)、立桿式殘膜回收機(jī)等多種機(jī)型。其中王吉奎等[9-11]將錘片式棉秸稈粉碎裝置與刮板式輸送裝置相結(jié)合，設(shè)計(jì)了秸稈粉碎與殘膜回收聯(lián)合作業(yè)機(jī)，并采用氣力脫膜裝置脫膜，提高了脫膜的可靠性；胡斌等[12-13]針對秋后立稈模式回收地膜時存在的對行性差、對地仿形差及邊膜難以摟起問題，提出利用復(fù)合四桿機(jī)構(gòu)的三維動作來實(shí)現(xiàn)對行和仿形。李亞麗等[14]針對現(xiàn)有偏心伸縮桿式殘膜回收機(jī)存在回收率差、適應(yīng)性差等問題，設(shè)計(jì)了一種錐形挑卷膜裝置。以上研究取得了一定的效果，但仍然存在殘膜回收率低，可靠性差等問題。

針對以上問題，本文研究設(shè)計(jì)了4JSM-200型秸稈粉碎與殘膜回收聯(lián)合作業(yè)機(jī)，對秸稈粉碎、起膜、輸膜過程進(jìn)行分析，并對整機(jī)的工作性能進(jìn)行田間試驗(yàn)研究，以期獲得較合理的作業(yè)速度、起膜鏟入土角度和殘膜輸送鏈轉(zhuǎn)速，進(jìn)而提高4JSM-200型秸稈粉碎與殘膜回收聯(lián)合作業(yè)機(jī)的各項(xiàng)性能指標(biāo)。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)、工作原理及主要技術(shù)參數(shù)

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

4JSM-200型秸稈粉碎與殘膜回收聯(lián)合作業(yè)機(jī)主要由機(jī)架、秸稈粉碎裝置、秸稈輸送裝置、起膜機(jī)構(gòu)、殘膜撿拾裝置、集膜箱等組成，整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 工作原理

整機(jī)通過三點(diǎn)懸掛方式與拖拉機(jī)掛接，拖拉機(jī)動力輸出軸將動力傳遞至秸稈粉碎和殘膜撿拾裝置。作業(yè)時，秸稈粉碎裝置中的刀片高速旋轉(zhuǎn)，將秸稈打碎，在秸稈刮板的作用下落入秸稈輸送帆布的凹槽，沿著尾部導(dǎo)向帆布落向地表；起膜鏟將殘膜托起，并在撿拾彈齒作用下向后輸送，在脫膜機(jī)構(gòu)的作用下落入膜箱。

1.3 主要技術(shù)參數(shù)

新疆棉田多為機(jī)采棉模式，種植模式為66 cm+10 cm，地膜寬度205 cm。秋季棉花收獲后，邊膜和10 cm窄行間殘膜埋在土壤中，風(fēng)化程度較小，呈大片、長條狀殘留于土壤中，66 cm寬行間大部分殘膜裸露在地表，該機(jī)可一次性完成秸稈粉碎和殘膜回收，主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

2 整機(jī)關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)及運(yùn)動分析

2.1 秸稈粉碎還田裝置

秸稈粉碎還田裝置主要由刀軸、刀片和擋板等組成。刀片排布如圖2所示。

秸稈粉碎裝置工作時，甩刀繞刀軸高速旋轉(zhuǎn)，在離心力的作用下，甩刀近似處于徑向射線位置，與刀輥形成一個旋轉(zhuǎn)整體，其受力分析如圖3所示。

1.邊膜鏟；2.秸稈粉碎裝置；3.秸稈輸送裝置；4.殘膜撿拾裝置；5.起膜機(jī)構(gòu)；6.集膜箱；7.運(yùn)輸輪1. Edge membrane shovel；2. Stalk crusher；3. Stalk conveying device；4. Residual film picking device；5. Loosen shovel；6. Storage box；7. Road wheel圖1 4JSM-200型秸稈粉碎與殘膜回收聯(lián)合作業(yè)機(jī)Fig.1 4JSM-200 combined equipment for choppingcotton stalk and collecting plastic film

項(xiàng)目Item數(shù)值Parameter項(xiàng)目Item數(shù)值Parameter外形尺寸(長、寬、高)/mmOverall dimensions(L×W×H)4300×2800×2200作業(yè)幅寬/mmWorking width2000配套動力/kWSupporting power90膜箱體積/m3 Membranetank volume1.5作業(yè)行數(shù)Operatingwidth (rows)6適宜行距/mmSuitablewidth(row)660+100結(jié)構(gòu)質(zhì)量/kgStructural mass2600作業(yè)速度/(km·h-1)Operation speed5～7

1.刀軸；2.刀片1. Cutter shaft；2. Blade 圖2 刀片排列示意圖Fig.2 Array of cutters

圖3 甩刀受力分析圖Fig.3 Cutter blade force analysis

忽略銷軸對甩刀的摩擦力矩，由圖3可知：

L4=L2cosθ

(1)

(2)

甩刀上相對于銷軸中心的力矩平衡方程為

(3)

整理得

(4)

式中，L1為刀軸中心到甩刀中心的距離(mm)；θ為甩刀工作時的偏轉(zhuǎn)角(°)；L1為刀軸中心到銷軸中心的距離(mm)；L2為銷軸中心到甩刀端部的距離(mm)；L3為銷軸中心到甩刀中心的距離(mm)；L4為甩刀端點(diǎn)到銷軸中心距離(mm)；ω1為刀軸角速度(rad)；F為甩刀切割阻力(N)；m為甩刀質(zhì)量(kg)。

有一定剛度的莖稈無支撐切割最小速度為48 m·s-1，刀軸的轉(zhuǎn)速根據(jù)下式確定：

(5)

前期預(yù)試驗(yàn)得出，n3<1 800 r·min-1時，棉秸稈不能充分粉碎，達(dá)不到秸稈還田農(nóng)藝要求，n3>2 200 r·min-1時，秸稈粉碎達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)，但功耗增加，根據(jù)整機(jī)傳動配置，本設(shè)計(jì)確定合適的刀軸轉(zhuǎn)速為2 000 r·min-1。

2.2 起膜裝置

2.2.1 起膜鏟導(dǎo)曲線的設(shè)計(jì) 為使起膜鏟上盡可能多地積累殘膜并且使殘膜在機(jī)具前進(jìn)過程中能平穩(wěn)地向上向后滑移，在起膜鏟表面設(shè)計(jì)一段拋物線狀的導(dǎo)曲面，其輪廓曲線如圖4中曲線AB所示。導(dǎo)曲面的輪廓曲線直接影響殘膜在起膜鏟上的累積量和滑移程度，拋物線形導(dǎo)曲線的尺寸和形狀可以由以下參數(shù)來確定：

圖4 起膜鏟輪廓曲線圖Fig.4 Contour curve of lifting shovel

以起膜鏟鏟尖建立直角坐標(biāo)系OXY，導(dǎo)曲線拋物線部分的高度h1及開度L6為：

(6)

則A點(diǎn)坐標(biāo)為(L5-Scosa，h-Ssina)，B點(diǎn)坐標(biāo)為(L5，h)，起膜鏟導(dǎo)曲線方程為：

(7)

其中，

m=h1-L6tanan=h1tana+L6

式中，h1為曲線輪廓垂直距離(mm)；L6為曲線輪廓水平距離(mm)；h為起膜鏟垂直距離(mm)；L5為起膜鏟水平距離(mm)；a為起膜鏟入土角(°)；S為起膜鏟鏟尖長度(mm)。

式(7)即為導(dǎo)曲線的拋物線部分方程式，導(dǎo)曲線的形狀與a、L6、h1有關(guān)，根據(jù)整機(jī)設(shè)計(jì)空間結(jié)構(gòu)要求，L6=300 mm，h1=120 mm，入土角a直接影響導(dǎo)曲面曲線形狀，將通過試驗(yàn)對其參數(shù)值進(jìn)行確定。

2.3 殘膜撿拾裝置

殘膜撿拾裝置由撿拾彈齒、殘膜輸送鏈、托膜桿等組成。工作時隨著主動鏈輪的轉(zhuǎn)動，撿拾彈齒將起膜裝置上的殘膜叉起，輸送至卸膜裝置處。其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

殘膜被起膜鏟挑起后，堆積滯留在直線l1所在的位置。撿拾彈齒在起膜鏟縫隙中劃過的長度由下式得出[16]：

Ff=ndqgμcosψ+ndq0(μvcosψ+sinψ)

(8)

式中，F(xiàn)f為工作行程的阻力(N)；n為刮板個數(shù)(個)；q為物料單位長度平均質(zhì)量(kg·m-1)；q0為刮板組單位長度平均質(zhì)量(kg·m-1)；d為刮板間距(m)；μ為物料運(yùn)動阻力系數(shù)；μv為刮板運(yùn)動阻力系數(shù)；ψ為工作傾角(°)。

殘膜輸送鏈轉(zhuǎn)速的確定必須能夠保證粉碎后的棉秸稈及時可靠地輸送到尾板處，經(jīng)多次試驗(yàn)，在輸送鏈輪轉(zhuǎn)速n1=120 r·min-1時，殘膜未出現(xiàn)大量積聚，能順利輸送到尾板，表明該裝置工作性可靠。在實(shí)際工作過程中，輸送鏈輪轉(zhuǎn)速可適當(dāng)提高，取n1=80～120 r·min-1。

3 田間試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)地點(diǎn)為石河子市145團(tuán)3連機(jī)采棉種植模式棉田，地表平整，土壤類型為沙壤土。棉花行距采用寬窄行模式配置，行距66+10 cm，株距10 cm，棉稈高度50～70 cm，棉稈平均直徑11.51 mm，地膜幅寬205 cm，地膜厚度0.008 mm，地膜兩邊壓入土中，膜中間有部分覆土，有少量破損，機(jī)具作業(yè)速度為5～7 km·h-1，配套動力為福田904輪式拖拉機(jī)。田間試驗(yàn)照片如圖6所示。

3.2 試驗(yàn)方案

1.機(jī)架;2.撿拾彈齒;3.脫膜桿;4.輸送鏈;5.傳動輪1. Racks;2. Elastic claw;3. Stripping pole;4. Conveying chain;5. Driving wheel圖5 殘膜撿拾裝置示意圖Fig.5 Schematic diagram of residualfilm collector device

圖6 田間試驗(yàn)Fig.6 Field test

前期預(yù)試驗(yàn)及室內(nèi)試驗(yàn)表明，前進(jìn)速度、起膜鏟入土角、殘膜輸送鏈轉(zhuǎn)速3個試驗(yàn)因素對秸稈粉碎質(zhì)量及殘膜回收率有較大影響，但其交互作用影響卻不大，可以忽略，因此以這3個因素進(jìn)行3因素3水平正交試驗(yàn)，研究這3個因素對秸稈粉碎合格率和殘膜回收率的影響。試驗(yàn)中每50 m為一組，每組重復(fù)3次，分別測試秸稈粉碎合格率和殘膜回收率的平均值，試驗(yàn)因素及水平如表2所示，試驗(yàn)方案及結(jié)果如表3所示。

3.3 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用采用SPSS軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)分析。

3.3.1 各因素對樣機(jī)性能指標(biāo)的影響 試驗(yàn)結(jié)果和極差分析見表3。極差分析表明：秸稈粉碎合格率各試驗(yàn)因素水平的較優(yōu)組合為v1a3n1，因素主次作用順序?yàn)榍斑M(jìn)速度>入土角度>輸送鏈轉(zhuǎn)速；殘膜回收率各試驗(yàn)因素水平的較優(yōu)組合為v1a1n2，因素主次作用順序?yàn)槿胪两嵌?輸送鏈轉(zhuǎn)速>前進(jìn)速度。

樣機(jī)性能指標(biāo)方差分析見表4，結(jié)果表明：對于秸稈粉碎合格率在95%的置信度下，前進(jìn)速度影響非常顯著，輸送鏈轉(zhuǎn)速影響顯著，入土角影響不顯著。對于殘膜回收率、入土角和輸送鏈轉(zhuǎn)速影響非常顯著，前進(jìn)速度影響較顯著。

3.3.2 各因素的綜合優(yōu)化 本試驗(yàn)以秸稈粉碎合格率Y1、殘膜回收率Y2為評價(jià)樣機(jī)作業(yè)質(zhì)量的兩個指標(biāo)，通過上述試驗(yàn)分析可知，前進(jìn)速度、入土角度和輸送鏈轉(zhuǎn)速對2個性能指標(biāo)的影響程度各不相同，為分析各因素對整機(jī)作業(yè)質(zhì)量的綜合影響效果，本文提出應(yīng)用模糊綜合評分法對正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行綜合優(yōu)化，找出最佳參數(shù)組合。首先分別建立2個指標(biāo)隸屬度模型，如式(9)所示，得出各指標(biāo)每次試驗(yàn)的隸屬度值(見表5)，由隸屬度值構(gòu)成模糊關(guān)系矩陣Rr如式(10)。

(9)

(10)

式中，rin為指標(biāo)Yi的第n次試驗(yàn)獲得的隸屬度值；Yimax為指標(biāo)Yi的最大值；Yimin為指標(biāo)Yi的最小值；Yin為指標(biāo)Yi的第n次試驗(yàn)的隸屬度值；Rr為由r1n、r2n構(gòu)成的模糊關(guān)系矩陣[17]。

根據(jù)秸稈粉碎與殘膜回收2個性能指標(biāo)的重要性，確定本試驗(yàn)權(quán)重分配集P=[0.5，0.5]，即秸稈粉碎合格率和殘膜回收率的權(quán)重分別為0.5，0.5。由模糊矩陣Rr與權(quán)重分配集P確定模糊綜合評價(jià)值

表2 試驗(yàn)因素及水平

表3 試驗(yàn)方案與結(jié)果

表4 樣機(jī)性能指標(biāo)方差分析

注：P<0.01，表明因素極顯著，記為**；0.01≤P≤0.05，表明因素顯著，記為*。

Note:P<0.01 indicates highly significant factors and is denoted as **; 0.01≤P≤0.05 indicates that the factor is significant and is denoted as *.

集W，其中W=P×Rr，綜合評分結(jié)果見表5，將綜合評分結(jié)果進(jìn)行極差分析(見表6)，分析結(jié)果表明，綜合影響整機(jī)作業(yè)性能指標(biāo)的主次因素為：a>v>n，最優(yōu)參數(shù)組合為a2v2n3，即入土角30°，前進(jìn)速度5.5 km·h-1，殘膜回收鏈轉(zhuǎn)速120 r·min-1。綜合評分方差分析見表7，結(jié)果表明：在95%置信度下，入土角、前進(jìn)速度對整機(jī)作業(yè)性能指標(biāo)有極顯著影響，殘膜回收鏈轉(zhuǎn)速影響較小。

3.3.3 試驗(yàn)驗(yàn)證 為了驗(yàn)證最優(yōu)組合方案，確保優(yōu)選前后整機(jī)性能在試驗(yàn)指標(biāo)(秸稈粉碎合格率、殘膜回收率)上具有可比性，故進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，選取起膜鏟入土角30°，機(jī)具前進(jìn)速度5.5 km·h-1，殘膜回收鏈轉(zhuǎn)速120 r·min-1。試驗(yàn)結(jié)果表明，優(yōu)選后的秸稈粉碎合格率為91.5%，殘膜回收率為85.7%。優(yōu)選后的作業(yè)性能指標(biāo)優(yōu)于其它參數(shù)組合下的祖業(yè)指標(biāo)，能滿足國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。

表5 綜合評分結(jié)果

表6 綜合評分極差分析

4 討 論

新疆棉花90%以上采用覆膜播種，地膜在提高棉花產(chǎn)量的同時也給土地帶來了嚴(yán)重的白色污染，本研究設(shè)計(jì)的秸稈粉碎與殘膜回收聯(lián)合作業(yè)機(jī)，可一次性完成秸稈粉碎和殘膜回收，大大提高了工作效率，節(jié)約農(nóng)時。

從極差分析可知，前進(jìn)速度對秸稈粉碎合格率的影響較大，前進(jìn)速度越小，秸稈粉碎合格率越高；而前進(jìn)速度對殘膜回收率的影響最小，前進(jìn)速度越小，殘膜回收率越高。但前進(jìn)速度越小，生產(chǎn)率越低。因此在保證秸稈粉碎合格率和殘膜回收率的條件下，盡可能提高前進(jìn)速度，進(jìn)而提高生產(chǎn)率。入土角和殘膜輸送鏈轉(zhuǎn)速對殘膜回收率有較大影響，對秸稈粉碎合格率影響較小，作業(yè)時可選取優(yōu)化后的參數(shù)值，保證較高的殘膜回收率。

本試驗(yàn)選用的地塊為機(jī)采棉模式，行距66+10 cm，株距10 cm，膜寬205 cm，優(yōu)化后的參數(shù)在此條件下獲得。對于非機(jī)采棉模式地塊，行/株距、膜寬各異，優(yōu)化后的參數(shù)是否能獲得較優(yōu)的性能指標(biāo)，還有待進(jìn)一步研究。

5 結(jié) 論

1)本文設(shè)計(jì)的秸稈粉碎和殘膜回收聯(lián)合作業(yè)機(jī)，主要適用于新疆膜下滴管機(jī)采棉模式種植的棉田，可一次性完成秸稈粉碎和殘膜回收，整機(jī)運(yùn)行狀態(tài)良好，滿足秸稈粉碎還田與殘膜回收的技術(shù)要求。

2)理論分析了秸稈粉碎和殘膜回收機(jī)理，確定了秸稈粉碎刀軸轉(zhuǎn)速和起膜鏟導(dǎo)曲線方程。正交試驗(yàn)獲得了影響秸稈粉碎合格率的因素主次順序?yàn)椋呵斑M(jìn)速度>入土角度>輸送鏈轉(zhuǎn)速，影響殘膜回收率的因素主次順序?yàn)槿胪两嵌?輸送鏈轉(zhuǎn)速>前進(jìn)速度。

表7 綜合評分極差分析

3)應(yīng)用模糊綜合評分法確定影響整機(jī)作業(yè)質(zhì)量的主次因素順序?yàn)椋喝胪两?前進(jìn)速度>殘膜輸送鏈轉(zhuǎn)速，其優(yōu)選參數(shù)組合為起膜鏟入土角30°，機(jī)具前進(jìn)速度5.5 km·h-1，殘膜回收鏈轉(zhuǎn)速120 r·min-1。試驗(yàn)結(jié)果表明，優(yōu)選后的秸稈粉碎合格率為91.5%，殘膜回收率為85.7%，能滿足國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。