田辛亮，趙巖,2，陳學(xué)庚,2，顏利民,2，溫浩軍,2，緱海嘯,2

(1.石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子 832000；2.農(nóng)業(yè)部西北農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 石河子 832000)

地膜覆蓋栽培技術(shù)具有良好的增溫保墑、改善農(nóng)作物生育條件、抑制雜草生長(zhǎng)等作用，在新疆乃至全國(guó)得到廣泛應(yīng)用[1-4].目前，農(nóng)用地膜多為聚乙烯等塑料地膜，此類(lèi)地膜在農(nóng)田中極難降解.隨著地膜覆蓋種植面積的逐年加大，殘膜回收不徹底，農(nóng)田耕層中殘膜含量增加，造成了嚴(yán)重的“白色污染”[5-7].國(guó)外使用的地膜較厚，鋪膜時(shí)間短，采用卷膜輥回收地膜，殘膜回收后較完整，處理后可繼續(xù)應(yīng)用[8-10].

中國(guó)目前殘膜回收熱點(diǎn)區(qū)域主要是新疆棉田，新疆棉田殘膜平均殘留量高于200 kg/hm2，地膜回收工作亟待加強(qiáng).據(jù)調(diào)研，新疆棉田殘膜回收以人工撿拾為主，機(jī)械回收為輔.人工撿拾地膜勞動(dòng)強(qiáng)度高，費(fèi)時(shí)費(fèi)力；機(jī)械回收殘膜回收率低.根據(jù)農(nóng)藝作業(yè)時(shí)間的不同，殘膜回收機(jī)可分為播前殘膜回收機(jī)、苗期殘膜回收機(jī)和秋后殘膜回收機(jī)[11-14]；播前殘膜回收機(jī)具一般與整地機(jī)械組合使用，但此時(shí)殘膜破損嚴(yán)重，回收率低；苗期殘膜回收機(jī)具是在作物出苗后將地膜揭掉，此類(lèi)機(jī)具在新疆南疆部分地區(qū)適用；秋后殘膜回收機(jī)具是在作物收獲后將大田中的地膜進(jìn)行回收.棉花是新疆地區(qū)主要種植作物，解決棉田殘膜回收問(wèn)題迫在眉睫.目前，已研制出部分殘膜回收機(jī)具，如新疆農(nóng)墾科學(xué)院機(jī)械裝備研究所研制的 CMJY-1500型農(nóng)田殘膜撿拾打包聯(lián)合作業(yè)機(jī)[15]，此種機(jī)具可實(shí)現(xiàn)殘膜回收與打包處理等作業(yè)，不能對(duì)棉稈進(jìn)行粉碎；石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院研制的SMS-1500型秸稈粉碎與殘膜回收機(jī)等[16-17]，此機(jī)型殘膜纏繞現(xiàn)象嚴(yán)重，含雜率高，影響機(jī)具作業(yè)效率.

目前新疆地區(qū)棉田農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用最為廣泛的農(nóng)藝措施是采用立桿摟膜機(jī)進(jìn)行殘膜回收，隨后采用秸稈粉碎還田機(jī)將棉稈粉碎還田.該技術(shù)措施存在一些不足：秸稈粉碎還田與立桿式摟膜機(jī)分步作業(yè)，導(dǎo)致作業(yè)能耗高，拖拉機(jī)兩次作業(yè)增加對(duì)土壤壓實(shí).另外，現(xiàn)有立桿摟膜機(jī)的摟膜彈齒為一體式設(shè)計(jì)，不具備仿形功能，殘膜回收率不到50%.針對(duì)上述問(wèn)題，提出了一種棉稈粉碎與摟膜聯(lián)合作業(yè)的技術(shù)方案，研制了棉稈粉碎與摟膜聯(lián)合作業(yè)的農(nóng)業(yè)機(jī)具.該機(jī)具把棉稈粉碎裝置與摟膜裝置聯(lián)合，一次作業(yè)可以完成棉稈粉碎與摟膜兩道工序，摟膜裝置增加浮動(dòng)摟膜機(jī)構(gòu)，加大對(duì)棉田中窄行殘膜回收力度，進(jìn)一步提高殘膜回收率.

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

本文機(jī)具主要由傳動(dòng)裝置、棉稈粉碎裝置、地膜回收裝置、地膜自卸機(jī)構(gòu)以及機(jī)架等部分組成.棉稈粉碎裝置主要包括刀輥、刀片、前后擋板、地輪、單側(cè)輸出攪龍等部分組成；摟膜裝置包括浮動(dòng)摟膜機(jī)構(gòu)、彈簧、固定架等部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示.

1：懸掛裝置；2：前擋板；3：彈簧；4：浮動(dòng)摟膜機(jī)構(gòu)；5：彈齒； 6：棉稈粉碎裝置；7：螺旋攪龍；8：地輪；9：液壓系統(tǒng)；10：地膜自卸機(jī)構(gòu).1：suspension device；2：front baffle；3：spring；4：floating wrapping mechanism；5：spring-tooth；6：cotton stalk crushing device；7：screw stirred dragon；8：land wheel；9：hydraulic system；10：plastic film dump mechanism.圖1 整機(jī)結(jié)構(gòu)Figure 1 Whole structure

1.2 工作原理

棉稈粉碎與摟膜聯(lián)合作業(yè)機(jī)一次性可以完成棉稈粉碎-摟膜-卸膜等作業(yè).具體的工作流程是：機(jī)具前進(jìn)過(guò)程中，拖拉機(jī)通過(guò)傳動(dòng)軸將動(dòng)力輸送給棉稈粉碎裝置，高速旋轉(zhuǎn)的動(dòng)刀將棉稈粉碎，棉稈粉碎之后由于慣性被拋送至螺旋輸送攪龍，攪龍將棉稈輸送至地面.機(jī)具前進(jìn)的同時(shí)，也帶動(dòng)彈齒進(jìn)行摟膜作業(yè)，具有浮動(dòng)功能的摟膜機(jī)構(gòu)對(duì)窄行中的殘膜進(jìn)行回收，其他的彈齒對(duì)寬行中的殘膜進(jìn)行回收.機(jī)具行進(jìn)50～70 m，通過(guò)地膜自卸機(jī)構(gòu)將殘膜卸下，機(jī)具繼續(xù)進(jìn)行作業(yè).

1.3 機(jī)具主要參數(shù)

本試驗(yàn)機(jī)具主要參數(shù)見(jiàn)表1.

表1 機(jī)具參數(shù)Table 1 Machine parameters

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 棉稈粉碎裝置

棉稈粉碎裝置是進(jìn)行棉稈粉碎的關(guān)鍵部件，主要由前后擋板、刀軸、動(dòng)刀及螺旋輸送機(jī)構(gòu)等部分組成.

動(dòng)刀是對(duì)棉稈進(jìn)行粉碎的關(guān)鍵部件，動(dòng)刀分為直刀型、L型或Y型、錘爪型3種.直刀型構(gòu)造簡(jiǎn)單，加工方便，作業(yè)過(guò)程中功率消耗小，但棉稈粉碎效果不理想；L型或Y型加工復(fù)雜，但棉稈粉碎效果好；錘爪型體積大，作業(yè)過(guò)程中功率消耗大.為保證良好的棉稈粉碎效果，經(jīng)田間試驗(yàn)分析，本文選擇Y型刀片.動(dòng)刀的排列方式對(duì)棉稈的粉碎效果影響顯著，機(jī)具作業(yè)時(shí)不應(yīng)發(fā)生明顯晃動(dòng)，否則會(huì)影響機(jī)具的使用壽命，且粉碎后的棉稈長(zhǎng)度也需要滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，一般棉稈粉碎后長(zhǎng)度≤150 mm視為合格.為保證良好的棉稈粉碎效果，棉稈粉碎過(guò)程中機(jī)具不會(huì)發(fā)生明顯振動(dòng)，本文棉稈粉碎裝置的動(dòng)刀采用交錯(cuò)平衡排列.

動(dòng)刀的排列密度也是影響棉稈粉碎效果的重要指標(biāo)，刀片排列密度大，棉稈粉碎效果好，但功率消耗大；刀片排列密度小，棉稈粉碎長(zhǎng)度達(dá)不到要求.刀片的排列密度公式為：

C=N/L

(1)

式中，N為甩刀數(shù)量，片；L作業(yè)幅寬，mm；C為刀片的排列密度，片/mm.

由《農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》可知，Y型刀片的排列密度一般為 0.02～0.04片/mm，相鄰兩刀片的徑向夾角一般要大于60°.該設(shè)計(jì)綜合選取甩刀密度為 0.025 片/mm，作業(yè)幅寬2 100 mm，得甩刀數(shù)目為52片.圖2為動(dòng)刀展開(kāi)示意圖.

圖2 動(dòng)刀展開(kāi)圖Figure 2 Moving knife expansion diagram

2.2 摟膜裝置

摟膜裝置主要由浮動(dòng)摟膜機(jī)構(gòu)、方鋼、彈簧、彈齒等部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖3所示.

1：機(jī)架；2：彈齒；3：彈簧；4：方鋼；5：浮動(dòng)摟膜機(jī)構(gòu)；6：地膜自卸機(jī)構(gòu).1：frame；2：spring-tooth；3：spring；4：square steel；5：floating wrapping mechanism；6：plastic film dump mechanism.圖3 摟膜裝置結(jié)構(gòu)Figure 3 Structure diagram of the spring-tooth device

彈齒是進(jìn)行殘膜回收的關(guān)鍵部件.殘膜回收裝置的主要作用是對(duì)棉田中的殘膜進(jìn)行摟取，共包含5部分12組，每組彈齒包含2根摟膜齒，分為對(duì)寬行和窄行中的地膜進(jìn)行回收.作業(yè)時(shí)，5部分分別進(jìn)行工作，互不干擾，以提高殘膜回收率.

新疆地區(qū)棉花生長(zhǎng)周期在5個(gè)月以上，在此期間棉田要進(jìn)行打藥、噴灑落葉劑、機(jī)采等作業(yè)，以上作業(yè)都是在拖拉機(jī)的帶動(dòng)下完成.由于拖拉機(jī)及采棉機(jī)對(duì)棉花寬行的碾壓，造成新疆棉田寬行與窄行之間存在5～10 cm的高度差.機(jī)具工作時(shí)，浮動(dòng)摟膜機(jī)構(gòu)上的預(yù)緊彈簧可自動(dòng)伸縮，對(duì)窄行中的殘膜進(jìn)行回收，提高殘膜回收率.

浮動(dòng)摟膜機(jī)構(gòu)是對(duì)窄行中地膜進(jìn)行回收的關(guān)鍵部件.本文在摟膜裝置中增加兩組浮動(dòng)摟膜機(jī)構(gòu)，每組機(jī)構(gòu)由2組預(yù)緊彈簧、2組彈齒等部件組成，固定在方鋼上.作業(yè)時(shí)，由于地面的反作用力，預(yù)緊彈簧通過(guò)伸縮自動(dòng)調(diào)節(jié)彈齒入土深度，對(duì)窄行中的地膜進(jìn)行有效回收.

2.3 地膜自卸機(jī)構(gòu)

地膜自卸機(jī)構(gòu)主要由卸膜擋板及機(jī)架組成，如圖4所示.當(dāng)機(jī)具作業(yè)一段距離后，彈齒及物料存儲(chǔ)空間中存有大量地膜，卸膜之后機(jī)具方可繼續(xù)作業(yè).拖拉機(jī)后輸出液壓系統(tǒng)將動(dòng)力經(jīng)由液壓油管傳遞至液壓缸，通過(guò)液壓缸的伸長(zhǎng)實(shí)現(xiàn)摟膜彈齒向上運(yùn)動(dòng)，由于卸膜擋板間的空隙只允許彈齒經(jīng)過(guò)，從而將彈齒上的殘膜脫下.田間試驗(yàn)結(jié)果表明，地膜自卸機(jī)構(gòu)自動(dòng)卸膜率達(dá)到90%以上.

1：機(jī)架；2：卸膜擋板.1：frame；2：unloading baffle.圖4 地膜自卸機(jī)構(gòu)Figure 4 Film unloading device

如圖5所示為殘膜受力示意圖，卸膜擋板與彈齒之間的距離為L(zhǎng)且非常小，彈齒緊貼刮板向上運(yùn)動(dòng)進(jìn)行卸膜可保證卸膜效果.在機(jī)具的卸膜過(guò)程中，殘膜要受到重力、卸膜擋板的壓力、彈齒的摩擦力、殘膜自身對(duì)彈齒的壓力及彈齒的支持力.此外還要受到殘膜自身吸附力和靜電作用力，由于吸附力和靜電作用力十分微小，故忽略不計(jì)[18-20].圖5為彈齒上任意D點(diǎn)處殘膜的受力示意圖，可得殘膜滿足以下方程：

f=F1+G

(2)

F2=FN

(3)

f=μFN

(4)

式中，f為彈齒的摩擦力，N；F1為卸膜擋板的壓力，N；G為殘膜受到的重力，N；F2為殘膜自身對(duì)彈齒的壓力，N；FN為彈齒的支持力，N；μ為彈齒與殘膜間的摩擦因數(shù).

根據(jù)分析可知，實(shí)現(xiàn)殘膜順利從彈齒上卸下需要滿足以下公式，即殘膜在豎直方向上的合力方向是豎直向下的.

F1+G-f>0

(5)

圖5 殘膜受力示意圖Figure 5 Force diagram of plastic film

3 田間試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)設(shè)備與條件

本次試驗(yàn)地點(diǎn)選在石河子145團(tuán)三分場(chǎng)十二連3號(hào)田，試驗(yàn)時(shí)間定于2017年10月，試驗(yàn)面積6 hm2，前茬作物為棉花，棉花種植模式為寬行行距 660 mm、窄行行距 110 mm、株距 95 mm.地膜寬度為 2 050 mm，膜面有少部分覆土，膜面有少部分破損.試驗(yàn)時(shí)對(duì)滴灌裝置及滴灌帶進(jìn)行了處理，地膜有少量破損，地膜選用厚度為0.01 mm的高強(qiáng)度地膜，鋪膜時(shí)間為180 d，所用動(dòng)力由約翰迪爾1204型拖拉機(jī)提供.試驗(yàn)設(shè)備和儀器包括卷尺、測(cè)速儀、電子秤、棉稈粉碎與摟膜聯(lián)合作業(yè)機(jī)等.圖6為試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng).

圖6 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)Figure 6 Test site

3.2 試驗(yàn)因素與方法

試驗(yàn)分別測(cè)定棉稈粉碎與摟膜聯(lián)合作業(yè)機(jī)不同參數(shù)下殘膜回收率η、棉稈粉碎長(zhǎng)度合格率α作為機(jī)具的評(píng)價(jià)指標(biāo).影響棉稈粉碎與摟膜聯(lián)合作業(yè)機(jī)評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響因素很多，如大田狀況、刀片離地間隙、刀軸轉(zhuǎn)速、彈齒組數(shù)、機(jī)具前進(jìn)速度等.在前期試驗(yàn)基礎(chǔ)上確定刀軸轉(zhuǎn)速、彈齒組數(shù)、機(jī)具前進(jìn)速度對(duì)機(jī)具的綜合性能影響較大.刀軸轉(zhuǎn)速低，棉稈粉碎效果不理想，轉(zhuǎn)速過(guò)高，功率消耗太大；彈齒組數(shù)稀疏，漏膜現(xiàn)象嚴(yán)重，彈齒組數(shù)密集，壅土現(xiàn)象嚴(yán)重；機(jī)具作業(yè)速度過(guò)快，棉稈粉碎效果差且漏膜，機(jī)具作業(yè)速度慢，效率低.考慮到機(jī)具工作效率及能耗，參照《農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》[21]選取棉稈粉碎裝置動(dòng)刀刀軸轉(zhuǎn)速1 400～2 200 r/min；彈齒組數(shù)10～14組；機(jī)具前進(jìn)速度4～6 km/h.

本文利用Design-Expert軟件進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)刀軸轉(zhuǎn)速X1、彈齒組數(shù)X2、機(jī)具前進(jìn)速度X3運(yùn)用 Box-Benhnken中心組合試驗(yàn)方法，試驗(yàn)因素和水平如表2所示.

表2 試驗(yàn)因素水平

試驗(yàn)時(shí)，作業(yè)距離的選定是試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確無(wú)誤的有力保證.距離過(guò)長(zhǎng)，摟膜彈齒底部會(huì)發(fā)生殘膜、泥土及棉稈堆積，距離過(guò)短導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果不具有說(shuō)服力，影響參數(shù)優(yōu)化，故試驗(yàn)確定機(jī)具連續(xù)作業(yè)距離為100 m.按照相關(guān)設(shè)計(jì)要求和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)棉稈粉碎與摟膜聯(lián)合作業(yè)機(jī)的性能進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)的內(nèi)容主要包括：殘膜回收率η和棉稈粉碎長(zhǎng)度合格率α.

殘膜回收率計(jì)算公式為：

(6)

式中，η為殘膜回收率，%；M1為作業(yè)前，對(duì)每個(gè)測(cè)點(diǎn)地膜進(jìn)行稱重，取總質(zhì)量平均值，kg；M2為作業(yè)后，對(duì)每個(gè)測(cè)點(diǎn)未被彈齒摟取的殘膜進(jìn)行稱重，取總質(zhì)量平均值，kg.

棉稈粉碎合格率計(jì)算公式為：

(7)

式中，α為棉稈粉碎合格率，%；W1為測(cè)點(diǎn)棉稈總質(zhì)量平均值，kg；W2為測(cè)點(diǎn)棉稈不合格的質(zhì)量平均值，kg.

3.3 結(jié)果與分析

3.3.1 試驗(yàn)結(jié)果 殘膜回收作業(yè)中存在很多影響殘膜回收率和棉稈粉碎合格率的非線性因素[22-23].本文試驗(yàn)依據(jù)Box-Benhnken試驗(yàn)原理進(jìn)行設(shè)計(jì)，試驗(yàn)因素為三因素三水平，試驗(yàn)時(shí)共選擇17個(gè)測(cè)點(diǎn)，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示.

3.3.2 回歸模型建立與顯著性檢驗(yàn) 根據(jù)表3中試驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用Design-Expert軟件進(jìn)行多元回歸擬合分析，建立殘膜回收率η、棉稈粉碎合格率α對(duì)刀軸轉(zhuǎn)速、彈齒組數(shù)、機(jī)具前進(jìn)速度3個(gè)自變量的響應(yīng)方程式[24-25]，結(jié)果如表4所示.

由表4可知，對(duì)于殘膜回收率，模型的顯著性檢驗(yàn)F1=18.90，P1<0.01，說(shuō)明二次回歸方程的檢驗(yàn)達(dá)到高度顯著；對(duì)于棉稈粉碎合格率，F(xiàn)2=29.12，P2<0.01，說(shuō)明在試驗(yàn)范圍內(nèi)模型的擬合性非常好，此模型可以優(yōu)化分析棉稈粉碎與摟膜聯(lián)合作業(yè)機(jī)的工作參數(shù).

殘膜回收率的回歸方程式為：

η=86.90+0.45X1+3.04X2-2.34X3-

(8)

棉稈粉碎合格率的回歸方程式為：

α=75.74+10.61X1+1.23X2-3.99X3+

0.45X1X2+1.97X1X3+1.95X2X3+

(9)

3.3.3 交互因素對(duì)機(jī)具性能影響分析 為了更加直觀地分析殘膜回收率和棉稈粉碎合格率與刀軸轉(zhuǎn)速、彈齒組數(shù)、機(jī)具前進(jìn)速度之間的關(guān)系借助Design-Expert軟件的圖形處理技術(shù)，繪制直觀的殘膜回收率和棉稈粉碎合格率與影響因素之間的三維曲面圖，如圖7所示.

1) 交互因素對(duì)殘膜回收率的影響規(guī)律分析

刀軸轉(zhuǎn)速X1、彈齒組數(shù)X2、機(jī)具前進(jìn)速度X3對(duì)響應(yīng)值η影響的響應(yīng)面曲線圖見(jiàn)圖7-A～C.圖7-A為機(jī)具前進(jìn)速度X3位于中心水平(5 km/h)時(shí)，刀軸轉(zhuǎn)速X1與彈齒組數(shù)X2對(duì)殘膜回收率η交互作用的響應(yīng)面圖，從圖7-A可以看出，增大刀軸轉(zhuǎn)速及彈齒組數(shù)控制在合理的中間值有助于提高殘膜回收率；圖7-B為彈齒組數(shù)X2位于中心水平(12組)時(shí)，刀軸轉(zhuǎn)速X1與機(jī)具前進(jìn)速度X3對(duì)棉稈粉碎合格率η交互作用的響應(yīng)面圖，從圖7-B可以看出，隨著機(jī)具前進(jìn)速度的增加，殘膜回收率逐漸降低；殘膜回收率隨著刀軸轉(zhuǎn)速的增大而增大；圖7-C為刀軸轉(zhuǎn)速X1位于中心水平(1 800 r/min)時(shí)，彈齒組數(shù)X2與機(jī)具前進(jìn)速度X3對(duì)殘膜回收率η交互作用的響應(yīng)面圖，從圖7-C可以看出，殘膜回收率隨著機(jī)具前進(jìn)速度的增加而降低；隨著彈齒組數(shù)的增加，殘膜回收率呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì).

表3 試驗(yàn)方案與結(jié)果

表4 回歸模型方差分析

從試驗(yàn)因素對(duì)殘膜回收率的響應(yīng)值變化幅度可知，試驗(yàn)因素對(duì)殘膜回收率的影響顯著順序?yàn)椋簭楜X組數(shù)X2>機(jī)具前進(jìn)速度X3>刀軸轉(zhuǎn)速X1；且總體影響趨勢(shì)為當(dāng)彈齒組數(shù)適中、機(jī)具前進(jìn)速度偏低、刀軸轉(zhuǎn)速偏高時(shí)，殘膜回收率越高.其主要原因是：彈齒組數(shù)適中，壅土現(xiàn)象降低，地膜易于挑收；機(jī)具速度降低，單位面積內(nèi)彈齒摟起的殘膜多；刀軸轉(zhuǎn)速偏高時(shí)，棉稈粉碎效果好，膜桿分離，易于殘膜的回收.

2) 交互因素對(duì)棉稈粉碎合格率的影響規(guī)律分析

刀軸轉(zhuǎn)速X1、彈齒組數(shù)X2、機(jī)具前進(jìn)速度X3交互因素對(duì)于響應(yīng)值α影響的響應(yīng)面曲線圖見(jiàn)圖7D～F.圖D為機(jī)具前進(jìn)速度X3位于中心水平(5 km/h)時(shí)，刀軸轉(zhuǎn)速X1與彈齒組數(shù)X2對(duì)棉稈粉碎合格率α交互作用的響應(yīng)面圖，從圖7-D可以看出，增大刀軸轉(zhuǎn)速和彈齒組數(shù)控制在合理范圍內(nèi)有助于提高棉稈粉碎合格率；圖7-E為彈齒組數(shù)X2位于中心水平(12組)時(shí)，刀軸轉(zhuǎn)速X1與機(jī)具前進(jìn)速度X3對(duì)棉稈粉碎合格率α交互作用的響應(yīng)面圖，從圖7-E可以看出，機(jī)具前進(jìn)速度偏低和增大刀軸轉(zhuǎn)速有助于提高棉稈粉碎合格率；圖7-F為刀軸轉(zhuǎn)速X1位于中心水平(1 800 r/min)時(shí)，彈齒組數(shù)X2與機(jī)具前進(jìn)速度X3對(duì)棉稈粉碎合格率α交互作用的響應(yīng)面圖，從圖7-F可以看出機(jī)具前進(jìn)速度與彈齒組數(shù)控制在合理的范圍內(nèi)可以有效提高棉稈粉碎合格率.

從試驗(yàn)因素對(duì)棉稈粉碎合格率的規(guī)律可知，試驗(yàn)因素對(duì)棉稈粉碎合格率的影響顯著順序?yàn)椋旱遁S轉(zhuǎn)速X1>機(jī)具前進(jìn)速度X3>彈齒組數(shù)X2，且總體影響趨勢(shì)為：當(dāng)?shù)遁S轉(zhuǎn)速偏高、機(jī)具前進(jìn)速度偏低、彈齒組數(shù)適中時(shí)，棉稈粉碎合格率越高.從結(jié)果分析：增大刀軸轉(zhuǎn)速，甩刀線速度增大，單位時(shí)間內(nèi)棉稈被打擊的次數(shù)增多，棉稈粉碎合格率增大；對(duì)于機(jī)具前進(jìn)速度和彈齒組數(shù)方面，在試驗(yàn)區(qū)間內(nèi)選取一個(gè)合理的中間值可以提高棉稈粉碎合格率.

4 參數(shù)優(yōu)化與驗(yàn)證

4.1 參數(shù)優(yōu)化

為了使棉稈粉碎與摟膜聯(lián)合作業(yè)機(jī)的各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到最優(yōu)值，殘膜回收率與棉稈粉碎合格率均要較高，根據(jù)交互因素對(duì)殘膜回收率、棉稈粉碎合格率影響效果分析可知：要獲得較高的殘膜回收率，需彈齒組數(shù)與刀軸轉(zhuǎn)速適中，機(jī)具前進(jìn)速度較低；要獲得較高的棉稈粉碎合格率，需要較高的轉(zhuǎn)速，機(jī)具前進(jìn)速度與彈齒組數(shù)適中.

根據(jù)棉稈粉碎與摟膜聯(lián)合作業(yè)機(jī)的實(shí)際大田作業(yè)條件及響應(yīng)曲面分析，利用Design-Expert軟件進(jìn)行優(yōu)化分析，對(duì)試驗(yàn)因素約束條件為：刀軸轉(zhuǎn)速1 400～2 200 r/min，彈齒組數(shù)10～14組，機(jī)具前進(jìn)速度4～6 km/h；評(píng)價(jià)指標(biāo)殘膜回收率、棉稈粉碎合格率最大值優(yōu)化值為100%.優(yōu)化結(jié)果3個(gè)試驗(yàn)水平分別為：刀軸轉(zhuǎn)速2 200 r/min，彈齒組數(shù)12組，機(jī)具前進(jìn)速度4 km/h，綜合響應(yīng)值最大，殘膜回收率達(dá)到89.5%、棉稈粉碎合格率達(dá)到90.1%.

4.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證優(yōu)化結(jié)果的準(zhǔn)確性，現(xiàn)按預(yù)測(cè)的數(shù)值進(jìn)行試驗(yàn)，設(shè)定刀軸轉(zhuǎn)速2 200 r/min，彈齒組數(shù)12組，機(jī)具前進(jìn)速度4 km/h.試驗(yàn)進(jìn)行3次取平均值，最后得出試驗(yàn)殘膜回收率為91.1%，棉稈粉碎合格率為91.5%，與預(yù)測(cè)值的誤差小于3%，試驗(yàn)結(jié)果如表5所示.試驗(yàn)結(jié)果與預(yù)測(cè)值很接近，驗(yàn)證了所建模型的準(zhǔn)確性.

表5 優(yōu)化結(jié)果與試驗(yàn)值對(duì)比

4.3 對(duì)比試驗(yàn)

為了驗(yàn)證棉稈粉碎與摟膜聯(lián)合作業(yè)機(jī)的卸膜性能，對(duì)本文機(jī)具增加兩組對(duì)比試驗(yàn).A組增加地膜自卸機(jī)構(gòu)，B組未增加地膜自卸機(jī)構(gòu).試驗(yàn)過(guò)程中，除有無(wú)地膜自卸機(jī)構(gòu)外，其余條件均相同，分別進(jìn)行5次對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果取平均值.試驗(yàn)結(jié)果表明，A組卸膜率為96.7%，B組卸膜率為84.3%，增加地膜自卸機(jī)構(gòu)更有利于提高卸膜率.

5 結(jié)論

1) 本文針對(duì)新疆棉田殘膜回收率低等問(wèn)題，提出了一種棉稈粉碎與摟膜聯(lián)合作業(yè)的方式，研制了棉稈粉碎與摟膜聯(lián)合作業(yè)機(jī).能夠一次作業(yè)完成棉稈粉碎與殘膜回收兩道工序，增加浮動(dòng)摟膜機(jī)構(gòu)，加大對(duì)窄行中殘膜的回收率.

2) 開(kāi)展響應(yīng)面試驗(yàn)研究，分析了刀軸轉(zhuǎn)速、彈齒組數(shù)、機(jī)具前進(jìn)速度對(duì)殘膜回收率、棉稈粉碎合格率的影響趨勢(shì)，各試驗(yàn)因素對(duì)殘膜回收率影響顯著順序?yàn)閺楜X組數(shù)X2>機(jī)具前進(jìn)速度X3>刀軸轉(zhuǎn)速X1；各因素對(duì)棉稈粉碎合格率的影響顯著順序?yàn)榈遁S轉(zhuǎn)速X1>機(jī)具前進(jìn)速度X3>彈齒組數(shù)X2.

3)利用Box-Benhnken試驗(yàn)原理對(duì)棉稈粉碎與摟膜聯(lián)合作業(yè)機(jī)進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，最優(yōu)組合為：刀軸轉(zhuǎn)速2 200 r/min，彈齒組數(shù)12組，機(jī)具前進(jìn)速度4 km/h；此時(shí)軟件分析預(yù)測(cè)殘膜回收率達(dá)到89.5%、棉稈粉碎合格率達(dá)到90.1%.田間試驗(yàn)表明刀軸轉(zhuǎn)速2 200 r/min，彈齒組數(shù)12組，機(jī)具前進(jìn)速度4 km/h，殘膜回收率為91.1%，棉稈粉碎合格率為91.5%.對(duì)比試驗(yàn)表明，增加地膜自卸機(jī)構(gòu)，卸膜率為96.7%；未增加地膜自卸機(jī)構(gòu)，卸膜率為84.3%，增加地膜自卸機(jī)構(gòu)更有利于提高卸膜率，各項(xiàng)指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求.