謝建華，張鳳賢，陳學(xué)庚，韓英杰，唐 煒

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弧形齒滾扎式殘膜回收機(jī)的設(shè)計(jì)及參數(shù)優(yōu)化

謝建華1，張鳳賢1，陳學(xué)庚2※，韓英杰1，唐 煒1

（1. 新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，烏魯木齊 830052； 2. 石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院，石河子 832000）

針對(duì)現(xiàn)有殘膜回收機(jī)具存在殘膜撿拾機(jī)構(gòu)復(fù)雜、可靠性差、邊膜回收率及卸膜率低等問題，從工作部件受力、撿拾機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)軌跡的角度對(duì)起膜鏟、殘膜撿拾機(jī)構(gòu)、卸膜機(jī)構(gòu)等關(guān)鍵部件進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)了一種弧形齒滾扎式殘膜回收機(jī)。為探明拾膜釘齒扎膜過程中釘齒、地膜和土壤的形變、受力情況，從而指導(dǎo)機(jī)具的設(shè)計(jì)，運(yùn)用ANSYS軟件對(duì)弧形齒滾扎式撿拾機(jī)構(gòu)撿拾地膜過程進(jìn)行非線性有限元?jiǎng)恿W(xué)仿真分析，仿真結(jié)果顯示：在撿拾地膜過程中，釘齒末端變形最大，根部應(yīng)力最大；地膜最大變形發(fā)生在與釘齒末端接觸位置；土壤受到釘齒擾動(dòng)變形量小。運(yùn)用Box-Benhnken的中心組合方法，以機(jī)具行進(jìn)速度、邊膜鏟鏟翼與鏟柄夾角、釘齒入土深度為試驗(yàn)因素，起邊膜率、殘膜撿拾率、卸膜率為試驗(yàn)指標(biāo)，進(jìn)行三因素三水平二次回歸試驗(yàn)，建立了響應(yīng)面回歸模型，分析了各因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的顯著性并對(duì)因素進(jìn)行了綜合優(yōu)化。確定最優(yōu)試驗(yàn)參數(shù)為：機(jī)具行進(jìn)速度為4.0 km/h、邊膜鏟鏟翼與鏟柄夾角為90°和釘齒入土深度為55 mm。在該條件下進(jìn)行田間試驗(yàn)，得到起邊膜率為93.5%、殘膜撿拾率為87.4%、卸膜率為87.1%，與優(yōu)化理論值相對(duì)誤差均小于4個(gè)百分點(diǎn)，研究結(jié)果為殘膜回收機(jī)具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工作參數(shù)選擇提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)參考。

機(jī)械化；設(shè)計(jì)；優(yōu)化；拾膜機(jī)構(gòu)；卸膜機(jī)構(gòu)；仿真分析；響應(yīng)面試驗(yàn)

0 引 言

地膜覆蓋技術(shù)的應(yīng)用給中國的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來了可觀的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)也帶來了一系列的污染問題[1-4]。由于殘膜回收不徹底導(dǎo)致土壤滲透性差，常年的積累使土壤結(jié)構(gòu)遭到破壞，嚴(yán)重影響中國農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展[5-7]。為解決地膜污染問題，中國農(nóng)機(jī)研究人員研制了多種殘膜回收機(jī)具，包括釘齒式、伸縮桿齒式、夾持式、彈齒式等幾十種[8-10]，但普遍存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、可靠性差以及殘膜回收率低等系列問題[11-13]。2015年前，中國多數(shù)地區(qū)農(nóng)業(yè)種植使用厚度不超過0.008 mm的聚乙烯地膜，由于地膜覆膜種植年限長，且回收率低等系列問題，大量的殘膜滯留在土壤耕作層內(nèi)，總量已達(dá)440.85 kg/hm2，其中，掩埋于地表以下的邊膜占所鋪設(shè)地膜比例達(dá)到7%～16%[14]。邊膜與土壤發(fā)生板結(jié)黏連，回收時(shí)易與地表膜撕裂，導(dǎo)致邊膜回收困難[15]。為解決邊膜撿拾及脫卸問題，國內(nèi)研究者分別對(duì)其回收機(jī)構(gòu)進(jìn)行了研究?？到鞯萚16]針對(duì)邊膜存在的問題，設(shè)計(jì)了一種起膜鏟，并進(jìn)行了起膜鏟起膜機(jī)理的試驗(yàn)分析，但存在邊膜漏撿，膜、土分離差等問題。馬少輝等[17]研制了一種結(jié)合后續(xù)其他機(jī)構(gòu)回收殘膜的邊膜回收機(jī)，當(dāng)機(jī)具作業(yè)農(nóng)田土壤含水率過大時(shí)，土壤與邊膜黏連，膜、土難以分離，導(dǎo)致卷膜輥易漏撿，邊膜回收率低等問題。李辰等[18]設(shè)計(jì)了一種鏈齒式耕層殘膜回收機(jī)，對(duì)機(jī)具撿拾機(jī)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，主要存在殘膜撿拾彈齒刮帶地膜，卸膜困難，同時(shí)回收后的膜、土分離差等問題。王旭峰等[19]設(shè)計(jì)了一種包含起膜拋送、鏈齒輸送、自動(dòng)脫膜的拋膜鏈齒輸送式殘膜回收機(jī)，主要針對(duì)目前起膜裝置出現(xiàn)的殘膜纏繞工作部件、卸膜難等問題進(jìn)行分析，該機(jī)具存在殘膜含雜率高，回收率低等問題。

將掩埋于板結(jié)土壤下的邊膜起出，翻至地表，利用撿拾機(jī)構(gòu)回收邊膜是提高殘膜撿拾率的有效途徑。目前殘膜回收機(jī)具的研究主要集中在地表膜撿拾方面，對(duì)邊膜撿拾和卸膜部分的研究存在不足[20]。如何破碎板結(jié)土壤實(shí)現(xiàn)膜、土分離，起出邊膜并將撿拾的地膜完全卸入膜箱是繼續(xù)提高殘膜回收率的主要途徑。針對(duì)以上問題，本團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種弧形齒滾扎式殘膜回收機(jī)[21]，通過分析起邊膜裝置、殘膜撿拾機(jī)構(gòu)、卸膜機(jī)構(gòu)的功能及結(jié)構(gòu)要求，確定各部分結(jié)構(gòu)參數(shù)；借助響應(yīng)面試驗(yàn)分析機(jī)具工作參數(shù)對(duì)起邊膜率、殘膜撿拾率、卸膜率的影響；建立回歸方程，求取最優(yōu)因素組合，為提高弧形齒滾扎式殘膜回收機(jī)的殘膜最終回收率奠定理論和試驗(yàn)基礎(chǔ)[22]。

1 機(jī)具整體結(jié)構(gòu)及工作原理

如圖1所示，弧形齒滾扎式殘膜回收機(jī)主要由機(jī)架、邊膜鏟、傳動(dòng)系統(tǒng)、弧形齒滾扎式撿拾機(jī)構(gòu)、卸膜機(jī)構(gòu)、集膜箱等組成。弧形齒滾扎式殘膜回收機(jī)工作時(shí)由拖拉機(jī)牽引機(jī)具，在前進(jìn)過程中，邊膜鏟與板結(jié)土壤接觸擠壓破碎板結(jié)土壤，同時(shí)將邊膜起出，后部的弧形齒滾扎式殘膜撿拾機(jī)構(gòu)將中間地表膜與邊膜一起扎起。未被扎起的殘膜被摟膜彈齒摟起，再次被旋轉(zhuǎn)的釘齒扎起。隨著滾筒的滾動(dòng)，釘齒帶著殘膜經(jīng)過卸膜導(dǎo)板，殘膜與卸膜導(dǎo)板摩擦接觸刮掉地膜。刮板式脫膜輥轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而將堆積在卸膜導(dǎo)板上的地膜刮入集膜箱，完成殘膜回收。

1.機(jī)架 2.集膜箱擋風(fēng)罩 3.刮板式脫膜輥 4.摟膜彈齒 5.拾膜機(jī)構(gòu) 6.限深輪 7.卸膜導(dǎo)板 8.鏈輪 9.集膜箱 10.邊膜鏟

1.Frame 2.Windshield of collecting film box 3.Scraper type stripping roller 4.Vibrator tooth for film picking 5.Pick-up residual film mechanism 6.Depth wheel 7.Unloading film guide plate 8.Sprocket 9.Collecting film box 10.Edge film shovel

圖1 弧形齒滾扎式殘膜回收機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

Fig.1 Structure diagram of arc tooth and rolling bundle type plastic film residue collector

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 邊膜鏟的設(shè)計(jì)

由于邊膜掩埋于板結(jié)土壤下，回收時(shí)易與地表膜撕裂，導(dǎo)致邊膜回收困難[23]。對(duì)比圓盤、開溝器、雙翼鏟的碎土、起膜效果發(fā)現(xiàn)雙翼鏟碎土作業(yè)效果最佳，但是其對(duì)邊膜抬升和起出效果不理想。因此，根據(jù)雙翼鏟的結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)出了邊膜鏟，邊膜鏟的結(jié)構(gòu)及受力如圖2所示。為了破碎邊膜位置的板結(jié)土壤，減少邊膜的破損并完整的起出邊膜，同時(shí)考慮減少膜下土壤擾動(dòng)，減小土壤阻力，避免將土壤翻耕到地膜上，翻起的地膜由鏟翼前端將邊膜抬升一定角度以便撿拾機(jī)構(gòu)回收邊膜。所以，邊膜鏟鏟翼與鏟柄夾角及鏟翼與水平面夾角的選擇尤為重要。

邊膜鏟水平方向（前進(jìn)方向）平衡方程為

式中為土壤摩擦系數(shù)，取值為0.21

1.鏟柄 2 鏟翼 3.鏟尖

1.Shovel handle 2.Shovel wing 3.Shovel tip

注：為邊膜鏟受到的拉力，N；01為邊膜鏟鏟翼和鏟尖上表面受到土壤的正壓力，N；為邊膜鏟鏟翼切土阻力（=，N；為邊膜鏟鏟翼的刃寬，mm；為單位刃寬上的刃切阻力，N；0、1為土壤與邊膜鏟鏟翼的摩擦力，N；為鏟翼與鏟柄夾角，(°)；為鏟翼與水平面夾角，(°)；為鏟尖與水平面夾角，(°)；為鏟翼后傾角，(°)。

Note:is the pull force on edge film shovel, N;0and1are the positive pressures of the soil on the wing and upper surface of the tip of the edge film shovel, N;is the blade cutting resistance of the edge film shovel wine (，N;is the wing width of edge film shovel, mm;is the cutting resistance on unit blade width, N;01are the frictions between soil and edge film shovel wing, N;is the angle between the shovel wing and the shovel handle, (°);is the angle between shovel wing and the ground, (°);is the angle between shovel tip and horizontal plane, (°);is the caster angle of the shovel wine, (°).

圖2 邊膜鏟結(jié)構(gòu)及受力分析

Fig.2 Structure and force analysis of edge film shovel

2.2 弧形齒滾扎式拾膜機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

拾膜機(jī)構(gòu)是機(jī)具關(guān)鍵部件之一[24-25]，該機(jī)構(gòu)的可靠性和作業(yè)效果決定了機(jī)具工作的性能。為了解決地頭地膜被板結(jié)土壤覆蓋導(dǎo)致釘齒無法自動(dòng)上膜和拾膜釘齒作業(yè)過程中漏撿問題，在拾膜滾筒外后側(cè)增加一排彈齒，構(gòu)成弧形齒滾扎式拾膜機(jī)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖3a所示，主要由主軸、滾筒、釘齒、摟膜彈齒等組成。拾膜滾筒運(yùn)動(dòng)一周工作面積為1×2，相鄰兩釘齒橫向距離為，縱向距離為，釘齒排布如圖3b所示[26]。根據(jù)新疆白蘿卜種植模式和避免機(jī)具總體質(zhì)量過大，同時(shí)考慮避免機(jī)具漏撿殘膜等因素，機(jī)具作業(yè)幅寬為800 mm，滾筒半徑為350 mm，釘齒采用交錯(cuò)法排列于滾筒上。由于撿拾殘膜采用扎膜方式，同時(shí)考慮減小釘齒入土阻力，對(duì)比圓頭直桿齒、尖頭直桿齒和帶弧度尖頭齒，選用帶有彎度的尖頭釘齒，具體結(jié)構(gòu)如圖4所示。并且，為了方便更換釘齒，將釘齒根部做成螺紋，安裝于焊接在滾筒上的螺母內(nèi)。

圖4中釘齒總長3取值為137mm，釘齒桿長度4取值為90mm，螺紋長度5為25mm，釘齒直徑取值為16mm，釘齒彎曲角度o取值為10°。

拖拉機(jī)帶動(dòng)機(jī)具工作時(shí)，撿拾滾筒與土壤相互作用產(chǎn)生自身的圓周運(yùn)動(dòng)。釘齒撿拾地膜過程可以分為扎膜和挑膜過程，釘齒隨滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)深入土壤撿拾地膜，釘齒入土過程中主要承受土壤的阻力，拾膜機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)速度影響機(jī)具的拾膜效果。當(dāng)釘齒入土速度過快時(shí)，沖擊力較大，釘齒容易發(fā)生變形，同時(shí)由于殘地膜力學(xué)性能下降，釘齒運(yùn)動(dòng)過快會(huì)將地膜貫穿撕成條狀，導(dǎo)致殘膜無法撿拾；當(dāng)拾膜釘齒入土速度較慢時(shí)，地膜無法被釘齒挑起，導(dǎo)致殘膜漏撿嚴(yán)重。為確定滾筒上釘齒較為合理的布置參數(shù)，同時(shí)探明釘齒的運(yùn)動(dòng)規(guī)律避免釘齒對(duì)地膜的二次損傷，提高殘膜撿拾率，對(duì)釘齒拾膜過程進(jìn)行分析[27-28]?；⌒锡X滾扎式殘膜撿拾機(jī)構(gòu)在拾膜過程中釘齒滾筒與地面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)可以看作齒條與齒輪的嚙合運(yùn)動(dòng)[29]。為減少殘膜漏撿，任意一釘齒離開土壤時(shí)，其相鄰的下一個(gè)釘齒應(yīng)進(jìn)入土壤開始扎膜，拾膜釘齒運(yùn)動(dòng)軌跡如圖5a所示。

1.彈齒固定梁 2.摟膜彈齒 3.主軸 4.滾筒 5.釘齒

1.Spring teeth fixing beam 2.Cuddle film spring teeth 3.Spindle 4. Rollers 5. Nail teeth

注：1為滾筒軸向距離，mm；2滾筒周向展開距離，mm；為周向相鄰釘齒距離，mm；為軸向相鄰釘齒距離，mm

Note:1is the axial distance of rollers, mm;2is the circumferential spreading distance of rollers, mm;is the distance of circumferential adjacent nail teeth, mm;is the distance of axial adjacent nail teeth, mm.

圖3 拾膜機(jī)構(gòu)及釘齒排布結(jié)構(gòu)示意圖

Fig.3 Structure diagram of picking-up film mechanism and nail teeth arrangement

圖4 釘齒結(jié)構(gòu)

釘齒處于點(diǎn)時(shí)，與軸夾角為1，此時(shí)為拾膜起始位置，機(jī)具工作/2時(shí)，釘齒繞軸心轉(zhuǎn)動(dòng)/2到達(dá)1點(diǎn)，滾筒作業(yè)距離為/2。釘齒入土扎膜軌跡方程為

注：為時(shí)間，s；為滾筒旋轉(zhuǎn)角速度，rad·s-1；為機(jī)具行進(jìn)速度，m·s-1；1為初始相位角，(°)；為釘齒入土深度，mm；1為周向相鄰釘齒夾角，(°)；為釘齒末端至滾筒中心距離，mm。

Note:is the time, s;is the rotation angular velocity of the rollers, rad·s-1;is the machine advancing velocity, m·s-1;1is the preliminary phase angle, (°);is the penetration depth of nail teeth, mm;1is the angle of circumferential adjacent nail teeth, (°);is the distance from end of nail teeth to center of rollers, mm.

圖5 拾膜機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析

Fig.5 Motion analysis of picking-up film mechanism

對(duì)時(shí)間進(jìn)行一階、二階求導(dǎo)得到釘齒末端的速度及加速度為

則釘齒末端運(yùn)動(dòng)的速度及加速度

釘齒入土完成扎膜，滾筒繼續(xù)作業(yè)，釘齒末端由1點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到2點(diǎn)完成挑膜，其運(yùn)動(dòng)軌跡為

對(duì)時(shí)間進(jìn)行一階、二階求導(dǎo)得到釘齒末端的速度及加速度為

則釘齒末端運(yùn)動(dòng)的速度及加速度

由圖5可知

為了保證撿拾機(jī)構(gòu)不漏撿，則釘齒末端所處點(diǎn)水平位移與豎直位移應(yīng)為

將式（9）和式（10）帶入式（8），求得

由式（11）得

整理得

由以上分析可知，只有當(dāng)釘齒末端至滾筒中心距離、釘齒入土深度、同一圓周上釘齒總數(shù)、滾筒旋轉(zhuǎn)角速度滿足以上關(guān)系時(shí)，殘膜拾膜機(jī)構(gòu)作業(yè)軌跡如圖5a所示，實(shí)現(xiàn)連續(xù)撿膜。

根據(jù)秋后殘膜回收機(jī)具作業(yè)要求，機(jī)具行進(jìn)速度為2.4～4.8 km/h，釘齒末端距離滾筒回收機(jī)中心旋轉(zhuǎn)半徑為480 mm，釘齒入土深度為50 mm，通過對(duì)釘齒運(yùn)動(dòng)軌跡分析，滿足式（12）、式（13）的要求，滾筒旋轉(zhuǎn)角速度為1.39～2.78 rad/s，得到釘齒滾筒周向齒數(shù)為8個(gè)?？紤]防止漏撿且便于卸膜，取軸向間距為200 mm，所以拾膜滾筒釘齒數(shù)量為64個(gè)。

2.3 卸膜機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

為了脫卸拾膜釘齒撿拾的地膜，針對(duì)弧形齒滾扎式拾膜機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，參考文獻(xiàn)“鏈條導(dǎo)軌式地膜回收機(jī)”的卸膜裝置[30]，其運(yùn)用環(huán)形導(dǎo)軌脫卸殘膜，殘膜在重力和卸膜葉輪的作用下被送進(jìn)集膜箱，設(shè)計(jì)了一種刮膜導(dǎo)板式卸膜機(jī)構(gòu)。卸膜機(jī)構(gòu)主要由卸膜導(dǎo)板和刮板式脫膜輥組成，其結(jié)構(gòu)及位置關(guān)系如圖6所示，卸膜導(dǎo)板由弧形鋼板和尼龍膠板鉚合組成。

1.刮板式脫膜輥 2.卸膜導(dǎo)板 3.換向齒輪 4.傳動(dòng)鏈條 5.拾膜機(jī)構(gòu) 6.鏈輪

1.Scraper stripping roller 2. Unloading film guide plate 3.Commutation gears 4.Driving chain 5.Picking-up film mechanism 6.Sprocket

注：為地膜自身重力，N；F為卸膜導(dǎo)板的支撐力，N；為刮板式脫膜輥的作用力，N；F為地膜與卸膜導(dǎo)板之間的摩擦力，N；為地膜所受力與卸膜導(dǎo)板之間的夾角，(°)。

Note:is the gravity of plastic film, N;Fis the supporting force of unloading film guide plate, N;is the force of scraper stripping roller, N;Fis the friction between plastic film and unloading film guide plate, N;is the angle between the force acting on the plastic film and the unloading film guide plate, (°).

圖6 卸膜過程中殘膜受力分析

Fig.6 Force analysis of plastic film residue during unloading film process

機(jī)具工作時(shí)，隨弧形齒滾扎式拾膜機(jī)構(gòu)的滾動(dòng)，通過鏈傳動(dòng)經(jīng)換向齒輪帶動(dòng)刮板式脫膜輥轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)拾膜釘齒撿拾殘膜運(yùn)動(dòng)到與卸膜導(dǎo)板接觸位置，卸膜導(dǎo)板鉚合的尼龍膠板從釘齒根部到釘齒末端將地膜捋下，卸在卸膜導(dǎo)板上，再由刮板式脫膜輥將地膜刮進(jìn)集膜箱。為了盡可能的將殘膜刮進(jìn)集膜箱[31-32]，相鄰兩釘齒離開卸膜導(dǎo)板至少被卸膜刮板刮捋2次，選取滾筒與刮板式脫膜輥速比為1:4。

殘膜的受力簡圖如圖6所示，在卸膜過程中，由于地膜與卸膜導(dǎo)板、刮板式脫膜輥的靜電吸附等力太小，可忽略不計(jì)[33]。卸膜過程中，刮板式脫膜輥與卸膜導(dǎo)板相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，地膜受力平衡條件為

式中m為卸膜導(dǎo)板堆積的殘膜質(zhì)量，g；1為地膜的瞬時(shí)加速度，m/s2；為刮板式脫膜輥瞬時(shí)旋轉(zhuǎn)半徑，mm；1為刮板式脫膜輥的角速度，rad/s；1為卸膜導(dǎo)板與地膜之間的摩擦系數(shù)。

則地膜被刮板式脫膜輥從刮膜導(dǎo)板上刮下卸進(jìn)集膜箱須滿足受力為

在卸膜過程中，盡量避免刮板式脫膜輥將地膜拉扯斷裂及撕裂，所以刮板式脫膜輥對(duì)地膜的作用力應(yīng)當(dāng)小于地膜的抗拉強(qiáng)度，即

由式（15）和（16）可知

刮板式脫膜輥的瞬時(shí)角速度取值范圍

式中為卸膜導(dǎo)板上堆積殘膜的截面面積，mm2；[]為地膜的許用拉應(yīng)力，Pa。

3 弧形齒滾扎式殘膜撿拾機(jī)構(gòu)的仿真分析

撿拾機(jī)構(gòu)是弧形齒滾扎式殘膜回收機(jī)的關(guān)鍵部件，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和可靠性直接影響機(jī)具性能；同時(shí)在機(jī)具實(shí)際作業(yè)過程中無法直接觀測到拾膜釘齒扎膜以及釘齒、地膜和土壤的形變情況。依據(jù)殘膜力學(xué)性能，對(duì)拾膜機(jī)構(gòu)進(jìn)行非線性有限元?jiǎng)恿W(xué)仿真分析，通過建立拾膜機(jī)構(gòu)、地膜-土壤的有限元復(fù)合模型，觀測地膜和土壤受到拾膜釘齒作用后，拾膜釘齒、地膜、土壤具體變形及應(yīng)力情況，增加機(jī)具的可靠性和確定拾膜機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)（包括釘齒形狀及尺寸），從而指導(dǎo)整機(jī)的加工制造。

機(jī)具在實(shí)際作業(yè)過程中，由于土壤阻力和作物殘茬作用，容易造成釘齒損壞變形，導(dǎo)致機(jī)具可靠性降低。依據(jù)地膜力學(xué)特性，通過構(gòu)建殘膜撿拾機(jī)構(gòu)、土壤、地膜的復(fù)合模型，運(yùn)用ANSYS Workbench對(duì)殘膜撿拾機(jī)構(gòu)撿拾地膜過程進(jìn)行非線性動(dòng)力學(xué)分析，對(duì)釘齒撿拾地膜進(jìn)行仿真，獲得釘齒、地膜、土壤的變形及受力情況，有限元復(fù)合模型如圖7所示?？紤]到殘膜撿拾機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，且整體建模耗費(fèi)計(jì)算資源過大，所以在仿真軟件中將殘膜撿拾機(jī)構(gòu)的撿拾地膜過程簡化成單個(gè)釘齒繞滾筒中心端點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，單個(gè)釘齒所作用土壤-地膜復(fù)合模型大小為500 mm×300 mm×100 mm，地膜厚度取0.010 mm。

1.殘膜撿拾機(jī)構(gòu) 2.地膜 3.土壤

1.Plastic film residue picking mechanism 2.Plastic film 3. Soil

圖7 殘膜撿拾機(jī)構(gòu)有限元復(fù)合模型

Fig.7 Finite element compound model of plastic film residue picking mechanism

3.1 參數(shù)設(shè)置

釘齒材料為熱處理過的45鋼，硬度值為HRC55密度為7 850 kg/m3，彈性模量為2.10×1011Pa，泊松比為0.31。地膜的密度為0.92×103kg/m3，彈性模量為0.6×106Pa，泊松比為0.34。土壤的密度為2 600 kg/m3，黏聚力為2 200 Pa，內(nèi)摩擦角22°，體積模量1 756 Pa，剪切模量為5 858 Pa，含水率為22%[34]。由于地膜厚度較小，所以采用Shell181殼體單元，其余部件使用Solid164實(shí)體單元。

根據(jù)平作種植模式及拾膜機(jī)構(gòu)的分析，機(jī)具行進(jìn)速度為4.0 km/h，計(jì)算拾膜滾筒旋轉(zhuǎn)角速度為3.8 rad/s，釘齒從入土扎膜到出土挑膜作用時(shí)間為0.3 s，設(shè)定釘齒入土深度為55 mm，釘齒與地膜采用Separation接觸方式，而地膜和土壤采用Rough接觸方式，土壤四周施加固定約束。

3.2 仿真結(jié)果分析

通過ANSYS Workbench對(duì)撿拾機(jī)構(gòu)撿拾地膜過程進(jìn)行分析，釘齒的變形和應(yīng)力情況如圖8所示。

圖8 釘齒的變形、應(yīng)力分析

在釘齒入土扎膜、挑膜過程中，釘齒末端變形最大，釘齒根部應(yīng)力最大，最大變形量為6.30 mm，最大應(yīng)力為1.08×105Pa。由于地膜受到釘齒作用產(chǎn)生變形吸附包裹釘齒，隨釘齒一起向前運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致地膜在釘齒末端與地膜接觸位置發(fā)生較大變形。同時(shí)地膜和板結(jié)覆土粘結(jié)，在入土拾膜過程中，部分土壤會(huì)隨地膜一起向前運(yùn)動(dòng)一段距離，導(dǎo)致其變形擾動(dòng)較大。

4 田間試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)條件

為得到弧形齒滾扎式殘膜回收機(jī)最優(yōu)作業(yè)參數(shù)組合，進(jìn)行田間試驗(yàn)。2018年7月試驗(yàn)在石河子市145團(tuán)科神農(nóng)業(yè)裝備科技開發(fā)有限公司試驗(yàn)地進(jìn)行。試驗(yàn)田根據(jù)新疆白蘿卜平作種植模式鋪設(shè)厚度為0.010 mm的地膜，幅寬800 mm，邊膜寬度為80 mm，覆膜時(shí)間為2018年4月－2018年7月，自然板結(jié)。土壤緊實(shí)度為41 kg/cm2，含水率為16.7%～22.1%。樣機(jī)田間試驗(yàn)如圖9所示，機(jī)具由約翰迪爾404牽引機(jī)具作業(yè)。

圖9 田間試驗(yàn)

4.2 試驗(yàn)因素確定

通過前期機(jī)具的單因素試驗(yàn)，依據(jù)弧形齒滾扎式殘膜回收機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理，選取影響機(jī)具回收率的3個(gè)主要因素為：機(jī)具行進(jìn)速度1、邊膜鏟鏟翼與鏟柄夾角2和釘齒入土深度3。根據(jù)新疆秋后殘膜回收機(jī)工作要求，試驗(yàn)將機(jī)具行進(jìn)速度設(shè)定為2.4～4.8 km/h，邊膜鏟翼與鏟柄夾角設(shè)定范圍為90°～135°，釘齒入土深度設(shè)定范圍為30～90 mm之間。

4.3 試驗(yàn)指標(biāo)確定

在殘膜回收過程中邊膜的起出有利于殘膜的撿拾，而撿拾膜率和卸膜率直接反映機(jī)具工作性能和工作效果。故試驗(yàn)指標(biāo)為起邊膜率1、殘膜撿拾率2、卸膜率3，分別表示為

式中1為當(dāng)年所鋪設(shè)邊膜質(zhì)量，g；2為起膜裝置工作后翻起邊膜質(zhì)量，g；m為當(dāng)年每組試驗(yàn)鋪設(shè)地膜的質(zhì)量，g；m為被釘齒撿拾回收但未被卸入集膜箱殘膜質(zhì)量，g；m為被卸入集膜箱殘膜的質(zhì)量，g。

4.4 試驗(yàn)方案

在試驗(yàn)地里隨機(jī)選取長17個(gè)機(jī)具行進(jìn)有效長度為20 m的測試區(qū)，每個(gè)測試區(qū)內(nèi)隨機(jī)選取長200 mm，寬80 mm的邊膜監(jiān)測點(diǎn)，然后機(jī)具進(jìn)行回收作業(yè)。每次試驗(yàn)結(jié)束后將各組檢測點(diǎn)翻起的邊膜、殘膜撿拾機(jī)構(gòu)撿拾的殘膜和被卸入集膜箱的殘膜進(jìn)行人工收集標(biāo)記，回收的殘膜洗凈曬干后由FA2014N電子天平稱其質(zhì)量分別為c、m、m，利用式（18）、（19）、（20）計(jì)算起邊膜率、殘膜撿拾率、卸膜率。

殘膜回收過程中存在很多非線性因素影響機(jī)具的試驗(yàn)指標(biāo)，一般需要選用二次或高次的模型逼近響應(yīng)，本次試驗(yàn)選取響應(yīng)面來建立模型[35]。試驗(yàn)利用Box-Benhnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，選取自變量為機(jī)具行進(jìn)速度、邊膜鏟翼與鏟柄夾角、釘齒入土深度。各因素水平如表1所示，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表1 試驗(yàn)因素與水平

表2 試驗(yàn)方案與結(jié)果

5 試驗(yàn)結(jié)果分析及優(yōu)化

5.1 回歸模型的建立與檢驗(yàn)

使用Design-Expert軟件對(duì)表2進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理，結(jié)果如表3所示。根據(jù)表3中起邊膜率、殘膜撿拾率和卸膜率的值和失擬值，說明起邊膜率、殘膜撿拾率和卸膜率的回歸模型與實(shí)際情況擬合精度很高，田間試驗(yàn)具有很好的實(shí)際研究意義。

表3 試驗(yàn)分析結(jié)果

注：<0.01為極顯著（**），<0.05為顯著（*）。

Note:<0.01: highly significant (**),<0.05: significant (*).

觀察表3二次項(xiàng)212223和121323顯著性，說明所選的3個(gè)因素與起邊膜率、殘膜撿拾率、卸膜率之間存在二次非線性關(guān)系和交互作用。建立起邊膜率1、殘膜撿拾率2、卸膜率3對(duì)機(jī)具行進(jìn)速度1、邊膜鏟鏟翼與鏟柄夾角2、釘齒入土深度33個(gè)自變量的響應(yīng)面二次多項(xiàng)式回歸模型。

通過上述分析，將不顯著因素剔除得到各因素的回歸方程

式中1為機(jī)具行進(jìn)速度，km/h；2為邊膜鏟鏟翼與鏟柄夾角，(°)；3為釘齒入土深度，mm。

5.2 影響因素對(duì)性能效應(yīng)影響分析

各單因素對(duì)模型的影響程度可以由貢獻(xiàn)率值的大小來體現(xiàn)[22]，值越大，單因素對(duì)模型的影響越大，其計(jì)算式為（24）和（25），各因素對(duì)邊膜起膜率貢獻(xiàn)率為：邊膜鏟鏟翼與鏟柄之間的夾角＞釘齒入土深度＞機(jī)具行進(jìn)速度；各因素對(duì)殘膜撿拾率貢獻(xiàn)率大小為：機(jī)具行進(jìn)速度＞邊膜鏟鏟翼與鏟柄之間的夾角＞釘齒入土深度；各因素對(duì)卸膜率貢獻(xiàn)率為：機(jī)具行進(jìn)速度＞釘齒入土深度＞邊膜鏟鏟翼與鏟柄之間的夾角；分析結(jié)果如表4所示。

表4 各影響因素貢獻(xiàn)率分析

5.3 各交互因素對(duì)性能影響規(guī)律分析

機(jī)具回收殘膜時(shí)，主要通過檢測機(jī)具的殘膜撿拾率和卸膜率判定機(jī)具總體殘膜撿拾率，所以本文使用Design-Expert軟件繪制響應(yīng)面圖，對(duì)影響殘膜撿拾率和卸膜率的機(jī)具行進(jìn)速度、邊膜鏟鏟翼與鏟柄之間的夾角和釘齒入土深度進(jìn)行分析，如圖10所示。

圖10 交互因素對(duì)殘膜撿拾率、卸膜率的影響

1）因素交互作用對(duì)殘膜撿拾率的影響

各因素交互作用對(duì)殘膜撿拾率影響的響應(yīng)面曲線如圖10a～10c所示。圖10a為釘齒入土深度位于中心水平（60 mm）時(shí)，機(jī)具行進(jìn)速度與邊膜鏟鏟翼與鏟柄夾角交互作用對(duì)殘膜撿拾率2的響應(yīng)面圖，由圖10a可知機(jī)具行進(jìn)速度和邊膜鏟鏟柄與鏟翼夾角交互影響，殘膜撿拾率先增大后減小。殘膜撿拾率隨著機(jī)具行進(jìn)速度增大先增大后減小，隨著邊膜鏟鏟翼與鏟柄夾角減小而增大，機(jī)具行進(jìn)速度對(duì)殘膜撿拾率的影響更顯著；圖10b為邊膜鏟翼與鏟柄夾角為中心水平（110°）時(shí)，機(jī)具行進(jìn)速度與釘齒入土深度交互作用對(duì)殘膜撿拾率2的響應(yīng)面圖，由圖10b可知機(jī)具行進(jìn)速度與釘齒入土深度交互作用，殘膜撿拾率先增大后減小。殘膜撿拾率隨機(jī)具行進(jìn)速度的增加先增大后減小，隨釘齒入土深度的增加先增大后減小，機(jī)具行進(jìn)速度對(duì)殘膜撿拾率的影響更顯著；圖10c為機(jī)具行進(jìn)速度為中心水平（3.6 km/h）時(shí)，邊膜鏟鏟翼與鏟柄夾角和釘齒入土深度交互作用對(duì)殘膜撿拾率2的響應(yīng)面圖，由圖10c可知釘齒入土深度和邊膜鏟鏟柄與鏟翼夾角交互影響，殘膜撿拾率先增大后減小。殘膜撿拾率隨釘齒入土深度的增大先增大后減小，隨邊膜鏟鏟柄與鏟翼夾角的減小而增大。邊膜鏟鏟翼與鏟柄夾角對(duì)殘膜撿拾率的影響更顯著。

從各因素對(duì)響應(yīng)值2響應(yīng)圖10a～10c可知，因素影響響應(yīng)面變化規(guī)律與模型（22）及回歸方程方差分析結(jié)果一致，影響總體的大致趨勢為機(jī)具行進(jìn)速度越大、邊膜鏟鏟翼與鏟柄夾角越小、釘齒入土深度越大則殘膜撿拾率越高。分析其主要原因?yàn)椋簷C(jī)具行進(jìn)速度越快，同一圓周上相鄰釘齒運(yùn)動(dòng)重疊度越高，可以避免漏撿殘膜；邊膜鏟與鏟柄夾角越小，邊膜鏟在起邊膜過程中將邊膜翻至地表時(shí)翻帶的土壤越少，越有利于釘齒撿拾；釘齒入土深度越深，釘齒鉤撿殘膜的時(shí)間越長，但入土深度也不易過深，因?yàn)檫^深土壤對(duì)釘齒阻力太大，容易損傷釘齒，給卸膜帶來困難。

2）因素交互作用對(duì)卸膜率的影響

各因素交互作用對(duì)卸膜率影響的響應(yīng)面曲線如圖10d－10f所示。圖10d為釘齒入土深度位于中心水平（60 mm）時(shí)，機(jī)具行進(jìn)速度與邊膜鏟鏟翼與鏟柄夾角交互作用對(duì)卸膜率3的響應(yīng)面圖，由圖10d可知機(jī)具行進(jìn)速度與邊膜鏟鏟柄夾角交互作用卸膜率先增大后趨于穩(wěn)定。卸膜率隨機(jī)具行進(jìn)速度增大先增大后減小，隨邊膜鏟鏟翼與鏟柄夾角減小而增加，機(jī)具行進(jìn)速度對(duì)卸膜率影響更顯著；圖10e為邊膜鏟翼與鏟柄夾角為中心水平（110°）時(shí)，機(jī)具行進(jìn)速度與釘齒入土深度交互作用對(duì)卸膜率3的響應(yīng)面圖，由圖10e可知機(jī)具行進(jìn)速度與釘齒入土深度交互作用卸膜率增大。卸膜率隨機(jī)具行進(jìn)速度的增大先增大后減小，隨釘齒入土深度的增大先增大后穩(wěn)定，機(jī)具行進(jìn)速度對(duì)卸膜率的影響更顯著；圖10f為機(jī)具行進(jìn)速度為中心水平（3.6 km/h）時(shí)，邊膜鏟鏟翼與鏟柄夾角和釘齒入土深度交互作用對(duì)卸膜率3的響應(yīng)面圖，由圖10f可知邊膜鏟鏟翼與鏟柄夾角和釘齒入土深度交互作用殘膜撿拾率先增大后減小，卸膜率隨著釘齒入土深度的增大而減小，隨邊膜鏟鏟柄與鏟翼夾角的減小而增大。釘齒入土深度對(duì)卸膜率的影響更顯著。

從各因素對(duì)響應(yīng)值3響應(yīng)圖10d－10f可知，因素影響響應(yīng)面變化規(guī)律與模型（23）及回歸方程方差分析結(jié)果一致，影響總體的大致趨勢為機(jī)具行進(jìn)速度越高、釘齒入土深度越小、邊膜鏟鏟翼與鏟柄夾角越小則卸膜率越高。分析其主要原因?yàn)椋簷C(jī)具行進(jìn)速度越高滾筒運(yùn)動(dòng)越快通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)刮板式脫膜輥運(yùn)動(dòng)越快，單位時(shí)間內(nèi)卸膜導(dǎo)板和刮板式脫膜輥剮蹭殘膜次數(shù)越多越有利于卸膜。釘齒入土深度越淺，被撿拾的殘膜位于釘齒越上端，越有利于卸膜導(dǎo)板的剮蹭越有利于卸膜。邊膜鏟鏟翼與鏟柄夾角越小，翻帶土壤越少，防止過度土壤堆積在已撿拾地膜，避免撿拾的地膜過重，導(dǎo)致無法被卸載。

5.4 參數(shù)優(yōu)化及試驗(yàn)驗(yàn)證

起出邊膜、撿拾地膜和卸膜都是機(jī)具作業(yè)的重要環(huán)節(jié)，起邊膜率、殘膜撿拾率和卸膜率都是反映機(jī)具回收殘膜的重要指標(biāo)，所以要求其值越高越好?？紤]邊膜起出、地膜撿拾和地膜脫卸是本機(jī)具工作過程的前后連續(xù)的3個(gè)階段，3個(gè)試驗(yàn)指標(biāo)對(duì)機(jī)具整體殘膜回收率影響均等[36]，故起邊膜率、殘膜撿拾率、卸膜率各占1/3權(quán)重。應(yīng)用Design-Expert軟件的尋優(yōu)功能，對(duì)起邊膜率、殘膜撿拾率、卸膜率影響因素進(jìn)行尋優(yōu)，得到最優(yōu)參數(shù)為：機(jī)具行進(jìn)速度4.0 km/h、邊膜鏟鏟翼與鏟柄夾角90°、釘齒入土深度55 mm時(shí),起邊膜率為97%、殘膜撿拾率為90%、卸膜率為91%。

為驗(yàn)證優(yōu)化后影響因素的效果，采用機(jī)具行進(jìn)速度為4.0 km/h、邊膜鏟鏟翼與鏟柄夾角為90°和釘齒入土深度為55 mm的優(yōu)化參數(shù)值，在石河子市145團(tuán)科神農(nóng)業(yè)裝備科技開發(fā)有限公司試驗(yàn)地進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)重復(fù)3次，依據(jù)式（18）、（19）和（20）進(jìn)行計(jì)算，得到起邊膜率93.5%、殘膜撿拾率為87.4%和卸膜率87.1%。與起邊膜率97%、殘膜撿拾率90%、卸膜率91%的理論值相比，相對(duì)誤差均小于4個(gè)百分點(diǎn)，所以參數(shù)優(yōu)化模型可靠。

6 結(jié) 論

1）針對(duì)現(xiàn)有殘膜回收機(jī)具存在可靠性差、邊膜回收率低、卸膜困難等問題，設(shè)計(jì)一種弧形齒滾扎式殘膜回收機(jī)具。主要包括邊膜鏟、摟膜弧齒滾扎撿拾機(jī)構(gòu)、卸膜機(jī)構(gòu)、集膜箱等組成，通過對(duì)邊膜鏟受力、拾膜機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)軌跡及卸膜機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)分析，確定各組成部分結(jié)構(gòu)參數(shù)。

2）采用Box-Benhnken中心組合試驗(yàn)方法對(duì)機(jī)具行進(jìn)速度、邊膜鏟鏟翼與鏟柄夾角、釘齒入土深度對(duì)起邊膜率、殘膜撿拾率、卸膜率的影響進(jìn)行分析，建立了以起邊膜率、殘膜撿拾率、卸膜率為響應(yīng)指標(biāo)的回歸方程。通過對(duì)響應(yīng)曲面和因素交互作用對(duì)模型的影響得出了起邊膜率、殘膜撿拾率、卸膜率與機(jī)具行進(jìn)速度、邊膜鏟鏟翼與鏟柄夾角、釘齒入土深度之間的變化規(guī)律。各因素對(duì)起邊膜率的影響大小為：邊膜鏟鏟翼與鏟柄夾角＞釘齒入土深度＞機(jī)具行進(jìn)速度；各因素對(duì)殘膜撿拾率的影響大小為：機(jī)具行進(jìn)速度＞邊膜鏟鏟翼與鏟柄夾角＞釘齒入土深度；各因素對(duì)卸膜率的影響大小為：機(jī)具行進(jìn)速度＞釘齒入土深度＞邊膜鏟鏟翼與鏟柄夾角。

3）對(duì)起邊膜率、殘膜撿拾率、卸膜率的回歸方程進(jìn)行優(yōu)化求解，最佳參數(shù)為：機(jī)具行進(jìn)速度為4.0 km/h、邊膜鏟鏟翼與鏟柄夾角為90°和釘齒入土深度為55 mm。在該條件下進(jìn)行田間試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果為起邊膜率93.5%，殘膜撿拾率為87.4%，卸膜率87.1%。各理論優(yōu)化值與試驗(yàn)值均較吻合，相對(duì)誤差均小于4個(gè)百分點(diǎn)，所以參數(shù)優(yōu)化模型可靠。

[1] 謝建華，侯書林，付宇，等. 殘膜回收機(jī)彈齒式拾膜機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2013，44(增刊1)：94－99.

Xie Jianhua, Hou Shulin, Fu Yu, et al. Motion analysis and experiment on spring-tooth mulching plastic film collector[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2013, 44(Supp.1): 94－99. (in Chinese with English abstract)

[2] 畢繼業(yè)，王秀芬，朱道林. 地膜覆蓋對(duì)農(nóng)作物產(chǎn)量的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2008，24(11)：172－175.

Bi Jiye, Wang Xiufen, Zhu Daolin. Effect of plastic-film mulch on crop yield[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2008, 24(11): 172－175. (in Chinese with English abstract)

[3] 侯書林，胡三媛，孔建銘，等. 國內(nèi)殘膜回收機(jī)研究的現(xiàn)狀[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2002，18(3)：186－190.

Hou Shulin, Hu Sanyuan, Kong Jianming, et al. Present situation of research on plastic film residue collector in China[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2002, 18(3): 186－190. (in Chinese with English abstract)

[4] 王頻. 殘膜污染治理的對(duì)策和措施[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，1998，14(3)：190－193.

Wang Pin. Measures to reduce the pollution of residual of mulching plastic film in farmland[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 1998, 14(3): 190－193. (in Chinese with English abstract)

[5] 劉艷霞. 中國農(nóng)村地膜殘留污染現(xiàn)狀及治理對(duì)策思考[D].咸陽：西北農(nóng)林科技大學(xué)，2014.

Liu Yanxia. Reflections on the pollution status and control countermeasures of plastic film residuals in Chinese rura areas[D]. Xianyang: Northwest A&F University, 2014. (in Chinese with English abstract)

[6] 肖軍，趙景波. 農(nóng)田塑料地膜污染及防治[J]. 四川環(huán)境，2005，24(1)：102－105.

Xiao Jun, Zhao Jingbo. Farmland plastic film pollution and its countermeasures[J]. Sichuan Environment, 2005, 24(1): 102－105. (in Chinese with English abstract)

[7] 張東興. 農(nóng)用殘膜的回收問題[J]. 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1998，3(6)：103－106.

Zhang Dongxing. Study on collection of used plastic film in fields[J]. Journal of China Agricultural University, 1998, 3(6): 103－106. (in Chinese with English abstract)

[8] 李斌，王吉奎，胡凱，等. 殘膜回收機(jī)順向脫膜機(jī)理分析與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2012，28(21)：23－28.

Li Bin, Wang Jikui, Hu Kai, et al. Analysis and test of forward film removing mechanism for polythene film collector[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE), 2012, 28(21): 23－28.(in Chinese with English abstract)

[9] 陳發(fā)，史建新，王學(xué)農(nóng)，等. 弧型齒殘膜撿拾滾筒撿膜的機(jī)理[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2006，37(6)：36－41.

Chen Fa, Shi Jianxin, Wang Xuenong, et al. Study on collecting principle of arc-type tooth roller for collectig plastic residue[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2006, 37(6): 36－41. (in Chinese with English abstract)

[10] 張新超，畢新勝，王志歡，等. 釘齒滾筒式殘膜回收機(jī)關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)與研究[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，2017，39(10)：72－76.

Zhang Xinchao, Bi Xinsheng, Wang Zhihuan, et al. The design of key-parts of spiked tooth plastic film residue recovery[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2017, 39(10): 72－76. (in Chinese with English abstract)

[11] 謝建華，侯書林，劉英超. 殘膜清理回收機(jī)具的研究現(xiàn)狀及存在的問題[J]. 中國農(nóng)機(jī)化，2012(5)：41－44.

Xie Jianhua, Hou Shulin, Liu Yingchao. Research status and trends of plastic film residue collectors[J]. Chinese Agricultural Mechanization, 2012(5): 41－44. (in Chinese with English abstract)

[12] 張佳喜，王學(xué)農(nóng)，張麗，等. 農(nóng)田地膜拉伸性能變化對(duì)纏繞式回收的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2015，31(20)：41－47.

Zhang Jiaxi, Wang Xuenong, Zhang Li, et al. Effects of mechanical tensile properties of plastic film on plastic recycling method[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(20): 41－47. (in Chinese with English abstract)

[13] 孫興凍，陳玉龍，羅昕，等. 針對(duì)秋后立稈模式的殘膜回收機(jī)的設(shè)計(jì)[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，2015，37(9)：73－76.

Sun Xingdong, ChenYulong, Luo Xin, et al. Design and resarch of plastic film residue collector used on vertical stem after autumn[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2015, 37(9): 73－76. (in Chinese with English abstract)

[14] 張佳喜，張麗，劉旋峰，等. 不同邊膜鏟起膜性能分析及其起膜率對(duì)比試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2017，33(4)：10－15.

Zhang Jiaxi, Zhang Li, Liu Xuanfeng, et al. Mechanical analysis and conterast experiment on collecting residual plastic film with different side-film shovels[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(4): 10－15. (in Chinese with English abstract)

[15] 王吉奎，付威，王衛(wèi)兵，等. SMS-1500型秸稈粉碎與殘膜回收機(jī)的設(shè)計(jì)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2011，27(7)：168－172.

Wang Jikui, Fu Wei, Wang Weibing, et al. Design of SMS-1500 type straw chopping and plastic film residue collecting machine[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2011, 27(7): 168－172. (in Chinese with English abstract)

[16] 康建明，王士國，顏利民，等. 殘膜回收機(jī)起膜鏟設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2016，47(增刊1)：143－148.

Kang Jianming, Wang Shiguo, Yan Limin, et al. Design and experimet of loose shovel installed on plastic film collecting machine[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2016, 47(Supp.1): 143－148. (in Chinese with English abstract)

[17] 馬少輝，張學(xué)軍. 邊膜殘膜回收機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程，2012，2(1)：73－75.

Ma Shaohui, Zhang Xuejun. Design and experiment of side of used plastic film collector machine[J]. Agricultural Engineering, 2012, 2(1): 73－75. (in Chinese with English abstract)

[18] 李辰，白圣賀，靳偉. 鏈齒式耕層殘膜回收機(jī)撿拾機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，2019，41(4)：107－111.

Li Chen, Bai Shenghe, Jin Wei. Design and experiment on picking mechanism of chain tooth type plough residue film reclaiming machine[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2019, 41(4): 107－111. (in Chinese with English abstract)

[19] 王旭峰，胡燦，魯兵，等. 拋膜鏈齒輸送式殘膜回收機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2018，49(3)：122－129.

Wang Xunfeng, Hu Can, Lu Bing, et al. Design and experiment of sprocket conveying residual film recycling machine of casting film[J]. Transactions of the Chinese Society For Agricultural Machinery, 2018, 49(3): 122－129. (in Chinese with English abstract)

[20] 楊麗，劉佳，張東興. 棉花苗期地膜回收機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2010，41(增刊1)：73－77.

Yang Li, Liu Jia, Zhang Dongxing. Design and experiment of plastic film collector for cotton fields during seedling period[J]. Transactions of the Chinese Society For Agricultural Machinery, 2010, 41(Supp.1): 73－77. (in Chinese with English abstract)

[21] 張學(xué)軍. 殘膜分離與輸送裝置的研究[D]. 長春：吉林大學(xué)，2007.

Zhang Xuejun. Study on Separation and Transport Device for Device for Remnant Plastic Film[D]. Changchun: Jilin University, 2007. (in Chinese with English abstract)

[22] 段文獻(xiàn)，王吉奎，李陽，等. 夾指鏈?zhǔn)綒埬せ厥昭b置的設(shè)計(jì)及試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2016，32(19)：35－42.

Duan Wenxian, Wang Jikui, Li Yang, et al. Design and test of clamping finger-chain type device for recycling agricultural plastic film[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(19): 35－42. (in Chinese with English abstract)

[23] 謝建華，張鳳賢，段威林. 圓盤碎土過程分析及試驗(yàn)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2018(7)：218－221.

Xie Jianhua, Zhang Fengxian, Duan Weilin.Analysis and experiment of the disc crushing soil process[J].Machinery Design & Manufacture, 2018(7): 218－221. (in Chinese with English abstract)

[24] 劉英超，謝建華，侯書林，等. 一種直稈作物苗期殘膜回收機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，2013，35(5)：81－84,91.

Liu Yingchao, Xie Jianhua, Hou Shulin, et al. Plastic film recycling mechanism design of the straight rod crops in the seeding stage[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2013, 35(5): 81－84, 91. (in Chinese with English abstract)

[25] 楊松梅，顏利民，莫毅松，等. 隨動(dòng)式殘膜撿拾裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2018，49(12)：109－115,164.

Yang Songmei, Yan Limin, Mo Yisong, et al. Design and experiment on collecting device for profile modeling residual plastic film collector[J]. Transactions of the Chinese Society For Agricultural Machinery, 2018, 49(12): 109－115,164. (in Chinese with English abstract)

[26] 楊業(yè)龍. 圓盤扎輥式殘膜回收機(jī)碎土及撿拾機(jī)理研究[D].烏魯木齊：新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)，2016.

Yang Yelong. Research on Breaking Soil and Collecting Mechanism of the Disc Roller Type Residual Film Recycling Machine[D]. Urumqi: Xinjiang Agricultural University, 2016. (in Chinese with English abstract)

[27] 張新超. 釘齒滾筒殘膜回收機(jī)的設(shè)計(jì)與研究[D]. 石河子：石河子大學(xué)，2017.

Zhag Xinchao. The Design and Research of Spiked Tooth Plastic Film Residue Recovery[D]. Shihezi: Shihezi University, 2017. (in Chinese with English abstract)

[28] 謝建華，陳學(xué)庚，孫超偉. 桿齒式殘膜回收機(jī)卸膜過程分析及高速攝像試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2017，33(10)：17－24.

Xie Jianhua, Chen Xuegeng, Sun Chaowei. Unloading film process analysis and high-speed photography experiment of pole-tooth residual plastic film collector[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(10): 17－24. (in Chinese with English abstract)

[29] 王海新. 釘齒式殘膜撿拾機(jī)的優(yōu)化及試驗(yàn)研究[D]. 烏魯木齊：新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)，2016.

Wang Haixin. Optimization and Experimental Study of Nail Tooth Plastic Film Residue Collector[D]. Urumqi: Xinjiang Agricultural University, 2016. (in Chinese with English abstract)

[30] 呂釗欽，張磊，張廣玲，等. 鏈條導(dǎo)軌式地膜回收機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2015，31(18)：48－54.

Lü Zhaoqin, Zhang Lei, Zhang Guangling, et al. Design and test of chain guide rail-type plastic film collector[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(18): 48－54. (in Chinese with English abstract)

[31] 劉旋峰，石鑫，郭兆峰，等. 滾筒式殘膜回收機(jī)的性能試驗(yàn)研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2017，33(16)：26－31.

Liu Xuanfeng, Shi Xin, Guo Zhaofeng, et al. Performance test on roller type residual film recycling machine[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(16): 26－31. (in Chinese with English abstract)

[32] Witter S H. World-wide use of plastic in horticultural produc-tion[J]. Hort Technol, 1993, 3(1): 6－19.

[33] 嚴(yán)偉，胡志超，吳努，等. 鏟篩式殘膜回收機(jī)輸膜機(jī)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2017，33(1)：17－24.

Yan Wei, Hu Zhichao, Wu Nu, et al. Parameter optimization and experiment of film transmission mechanism of spade screen recovery machine[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(1): 17－24. (in Chinese with English abstract)

[34] 楊菊. 基于擴(kuò)展有限元法和離散元法的土壤：耕具接觸研究[D]. 昆明：昆明理工大學(xué)，2014.

Yang Ju. Analysis of Soil-Tool Interaction Using Extended Finite element Method and Discrete Element Method[D]. Kunming: Kunming University of Science and Technology. 2014. (in Chinese with English abstract)

[35] 明道緒. 高級(jí)生物統(tǒng)計(jì)[M]. 北京：中國農(nóng)業(yè)出版社，2006.

[36] 孫岳，簡建明，田玉泰，等. 殘膜回收機(jī)旋轉(zhuǎn)式起膜裝置起膜機(jī)理分析與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2018，49(增刊1)：304－310.

Sun Yue, Jian Jianming, Tian Yutai, et al. Analysis and experiment of filming mechanism of rotary film-lifting device of residual film recycling machine[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2018, 49(Supp.1): 304－310. (in Chinese with English abstract)

Design and parameter optimization of arc tooth and rolling bundle type plastic film residue collector

Xie Jianhua1, Zhang Fengxian1, Chen Xuegeng2※, Han Yingjie1, Tang Wei1

(1.,,830052,; 2.,,832000,)

The application of plastic film mulching technology has brought considerable economic benefits to China's agricultural production, but also caused a series of pollution problems. Due to the incomplete recovery and cumulative accumulation of plastic film residuals over years, the soil permeability to water and the soil structure are poor, seriously affecting the sustainable development of China’s agricultural economy. The main cause of such soil pollution is that the polyethylene film used in agricultural production in most areas of China is thin, the film covering time is long, and the recovery rate is low, and as such a large number of residual films remains in the soil tillage layer. Among them, the proportion of the buried edge film under the surface is 7% - 16%. The edge film is bound to the soil, which is easy to tear with the surface film when recycling, which leads to the difficulty of the recovery of the edge film. Researchers of agricultural machinery in China have developed a variety of plastic film residue collectors, including nail-tooth, telescopic rod-tooth, clip the hold type, spring-tooth and so on. However, there are many problems, such as complex structure, poor reliability and low recovery rate. At the same time, the research of the plastic film residue collector mainly focuses on the surface film pickup, while the research on the side film pickup and unloading is insufficient. Aiming at the problems of the existing plastic film residue collector, an arc tooth and rolling bundle type plastic film residue collector was designed in this study. According to the force of its work piece and the analysis of the motion track of the pickup mechanism, the key components such as the pickup shovel, the picking-up film mechanism and the unloading film mechanism were researched. In order to simulate the deformation and stress of nail teeth, plastic film and soil in the process of film-picking nail teeth fixing was used to guide the design of collector. Nonlinear finite element dynamics simulation analysis of film picking process of arc tooth and rolling bundle picking-up mechanism was done by use of ANSYS software. The simulation results showed that in the process of picking up plastic film, the end of nail teeth had the largest deformation. The maximum deformation of plastic film occurred at the contact position with the end of nail teeth. The deformation of soil disturbed by nail teeth was small. Using Box-Benhnken's central combination method, three-factor and three-level quadratic regression tests were carried out for the influence of the machine advancing velocity, the angle between the shovel wing and the shovel handle, and the depth of the nail teeth into the soil. Response surface regression model was established based on the carryover edge film rate, picking up film rate and unloading film rate, and the influence trend of each factor on the test index was analyzed. In order to improve the recovery rate of residual film residue, the influencing factors were optimized comprehensively. The experimental results showed that the significant factors affecting the rate of rimming film were as follows: the angle between the shovel wing and the shovel handle > the depth of the nail teeth into the soil > the machine advancing velocity. The significant factors affecting picking up film rate were as follows: the machine advancing velocity > the angle between the shovel wing and the shovel handle > the depth of the nail teeth into the soil. The significant factors affecting unloading film rate were as follows: the machine advancing velocity > the depth of the nail teeth into the soil > the angle between the shovel wing and the shovel handle. Finally, the optimum parameters were determined as follows: the machine advancing velocity was 4 km/h, the angle between the shovel wing and the shovel handle was 90°, and the depth of the nail teeth into the soil was 55 mm. Field experiments were conducted under these conditions and the following data were obtained, the carryover edge film rate was 93.5%, the picking up film rate was 87.4% and the unloading film rate was 87.1%, and the error between the experimental results and the optimized theoretical values was less than 4 percentage point. This research results provide theoretical basis and technical reference for structural design and working parameters selection of plastic film residue collector.

mechanization; design; optimization; picking up film mechanism; unloading film mechanism; simulation analysis; response surface experiments

2018-12-19

2019-05-15

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51665057）；公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專項(xiàng)（201503105)；新疆自治區(qū)區(qū)域協(xié)同創(chuàng)新專項(xiàng)（2019E0202）；中國農(nóng)業(yè)大學(xué)-新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)聯(lián)合基金項(xiàng)目（2017TC009）

謝建華，副教授，博士，主要從事農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備設(shè)計(jì)與研究。Email：xjh199032@163.com

陳學(xué)庚，中國工程院院士，主要從事棉花生產(chǎn)機(jī)械化和殘膜污染治理研究。Email：chenxg130@sina.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.11.004

S223.5

A

1002-6819(2019)-11-0026-12

謝建華，張鳳賢，陳學(xué)庚，韓英杰，唐 煒. 弧形齒滾扎式殘膜回收機(jī)的設(shè)計(jì)及參數(shù)優(yōu)化[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2019，35(11)：26－37. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.11.004 http://www.tcsae.org

Xie Jianhua, Zhang Fengxian, Chen Xuegeng, Han Yingjie, Tang Wei. Design and parameter optimization of arc tooth and rolling bundle type plastic film residue collector[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(11): 26－37. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.11.004 http://www.tcsae.org