張慧明，陳學(xué)庚※，顏利民，楊松梅

（1.石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院，石河子832003；2.農(nóng)業(yè)部西北農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，石河子832003；3.吉林大學(xué)生物與農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，長(zhǎng)春130022）

0 引 言

新疆棉花種植采用旱地鋪膜鋪管的膜上播種方式，每年有大量的殘膜滯留田間，造成了棉田的嚴(yán)重污染，對(duì)新疆農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展造成了嚴(yán)重威脅[1-3]。因此，清理棉田殘膜污染已經(jīng)是一項(xiàng)十分緊迫且具有重要意義的工作[4-6]。新疆棉田的殘膜回收仍以人工撿拾為主，人工撿膜勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低、工作條件惡劣和有效拾凈率低，因此研發(fā)工作可靠、殘膜撿拾率高的殘膜回收機(jī)具已成為該領(lǐng)域科研院所主要研究熱點(diǎn)之一[7-10]。

國(guó)外針對(duì)殘膜回收機(jī)的研究較早，機(jī)型多以收卷式殘膜回收機(jī)為主，采用卷膜輥等部件完成作業(yè)，效率較高，主要用于苗期地膜及厚度大、強(qiáng)度高的地膜回收[11-13]。國(guó)內(nèi)棉田使用的地膜厚度較薄，抗拉強(qiáng)度低，覆蓋后受自然風(fēng)化和人為因素影響，老化破損嚴(yán)重[14-16]。因此，國(guó)內(nèi)殘膜回收機(jī)按農(nóng)藝要求和殘膜回收時(shí)間，主要分為播前收膜機(jī)械、苗期揭膜機(jī)械和秋后收膜等回收機(jī)械[17-18]。播前收膜機(jī)械受彈齒入土深度影響（入土深度為25 mm），僅能回收地表殘膜，且由于地膜自然留置時(shí)間較長(zhǎng)老化嚴(yán)重且易碎，撿拾有一定的困難，該類回收機(jī)具回收率較低，只能作為一種臨時(shí)補(bǔ)救措施[19]；苗期揭膜機(jī)械是在澆水前揭去全部地膜，地膜破損小且易于回收，一般采用人機(jī)配合方式，此時(shí)揭膜還有利于中耕、除草、施肥和灌水等，苗期揭膜導(dǎo)致土壤中水分蒸發(fā)量大，增加棉花后期需水量，不適于新疆鋪膜鋪管旱地播種作業(yè)方式[20]。目前，秋后地膜破損雖較嚴(yán)重，但基本上能保持連續(xù)性，且具有一定的彈性，比播前收膜效果好[21-22]。因此，國(guó)內(nèi)針對(duì)秋后殘膜回收膜機(jī)具的研究較多，主要采用先粉碎秸稈再回收殘膜的作業(yè)方式，導(dǎo)致機(jī)具作業(yè)次數(shù)多、成本高、浪費(fèi)工時(shí)，且機(jī)具的膜雜分離率低，致使回收殘膜的含雜量高，無法回收利用。

本研究針對(duì)秋后收膜設(shè)計(jì)了一種隨動(dòng)式秸稈還田與殘膜回收聯(lián)合作業(yè)機(jī)，可一次性完成作物秸稈的粉碎還田、膜稈分離、殘膜回收等多項(xiàng)作業(yè)，減少機(jī)具進(jìn)地次數(shù)及工作費(fèi)用，節(jié)約農(nóng)時(shí)，大幅提高機(jī)具工作效率，有效降低回收殘膜的含雜量。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)組成及工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)組成及性能參數(shù)

聯(lián)合作業(yè)機(jī)主要由牽引裝置、傳動(dòng)系統(tǒng)、秸稈粉碎裝置、秸稈輸送裝置、隨動(dòng)式殘膜回收裝置等組成；其中隨動(dòng)式殘膜回收裝置主要由起膜齒、膜上清雜滾筒、撿膜輸送鏈、脫膜輥和機(jī)架等組成，整機(jī)總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示，主要技術(shù)參數(shù)如表1所示[23]。

圖1 隨動(dòng)式秸稈還田及殘膜回收聯(lián)合作業(yè)機(jī)Fig.1 Master-slave straw returning and residual film recycling combine machine

表1 聯(lián)合作業(yè)機(jī)技術(shù)參數(shù)Table1 Technical parameters of combine machine

1.2 工作原理

該聯(lián)合作業(yè)機(jī)采用拖拉機(jī)牽引式作業(yè)，配套動(dòng)力≥66 kW 的拖拉機(jī)，通過后動(dòng)力輸出軸（PTO）輸出動(dòng)力并傳遞秸稈粉碎還田機(jī)，一次性完成秸稈粉碎、橫向輸送秸稈、膜面除雜、殘膜撿拾、膜雜分離和脫膜等作業(yè)工序。工作時(shí)，聯(lián)合作業(yè)機(jī)上的秸稈粉碎裝置將通過護(hù)秸簾后的秸稈在高速旋轉(zhuǎn)甩刀作用下被打碎，并在甩刀作用的慣性下向后拋撒落入機(jī)殼內(nèi)，在機(jī)殼內(nèi)秸稈經(jīng)多次粉碎后呈碎段和纖維狀，最后被拋送至輸送攪龍，再經(jīng)輸送攪龍橫向輸送到粉碎裝置的兩側(cè)，均勻的拋撒到田間，完成秸稈粉碎還田作業(yè)；聯(lián)合作業(yè)機(jī)隨拖拉機(jī)前進(jìn)的同時(shí)，清雜滾筒在膜面逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，殘膜撿拾部件處于隨動(dòng)工作狀態(tài)，此時(shí)，在清理膜面雜余的同時(shí)，起膜釘齒扎入殘膜，隨著清雜滾筒的轉(zhuǎn)動(dòng)，殘膜隨撿膜輸送鏈與土壤分離，并在聯(lián)合作業(yè)機(jī)抖動(dòng)分離裝置的作用下，完成膜雜分離作業(yè)；當(dāng)殘膜被輸送到脫膜裝置時(shí)，在脫膜輥的作用下完成脫膜作業(yè)，完成棉田殘膜撿拾作業(yè)，實(shí)現(xiàn)秸稈還田與殘膜回收聯(lián)合作業(yè)機(jī)的全部作業(yè)工序。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)與參數(shù)確定

2.1 秸稈粉碎輸送裝置設(shè)計(jì)

秸稈粉碎輸送裝置是秸稈還田與殘膜回收聯(lián)合作業(yè)機(jī)的關(guān)鍵部件，其作業(yè)質(zhì)量直接影響殘膜回收和膜雜分離的作業(yè)效果。

2.1.1 結(jié)構(gòu)組成

秸稈粉碎輸送裝置主要由地輪、攪龍撐板、輸送攪龍、擋板、“Y”型甩刀、粉碎刀軸、護(hù)秸簾、懸掛支架、機(jī)架、帶輪、側(cè)板、行走輪油缸及龍門架等部分組成，結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 秸稈粉碎輸送裝置示意圖Fig.2 Schematic diegram of straw crushing and conveying device

2.1.2 粉碎裝置設(shè)計(jì)

秸稈粉碎裝置是將田間機(jī)采過后的秸稈粉碎還田，既要保證粉碎秸稈質(zhì)量，也要考慮機(jī)器工作的可靠性和壽命。秸稈粉碎裝置主要由粉碎刀片、刀座和刀軸組成，其中刀片通過銷軸與刀座鉸接，刀座通過焊接與刀軸固接。

1)粉碎刀軸設(shè)計(jì)與刀座排列

秸稈粉碎還田作業(yè)機(jī)在工作時(shí)的切碎方式為無支撐切割，對(duì)刀片刀端的線速度要求較高。根據(jù)研究結(jié)果表明，刀片刀端的線速度大于30 m/s 時(shí)才能達(dá)到良好的粉碎效果，且要求刀軸的回轉(zhuǎn)半徑在240～350 mm 之間[24-25]。本文根據(jù)粉碎刀軸的工作性能與技術(shù)要求，刀軸選用Q345 無縫厚壁鋼管加工而成，其外徑尺寸D 為299 mm，壁厚尺寸d為12 mm，刀軸總長(zhǎng)L為2200 mm。為保證秸稈粉碎還田作業(yè)機(jī)的作業(yè)質(zhì)量，在作業(yè)幅寬、刀軸轉(zhuǎn)速、前進(jìn)速度相同的情況下，粉碎刀具的數(shù)量對(duì)其作業(yè)質(zhì)量效果影響顯著，數(shù)量過少，會(huì)出現(xiàn)漏切現(xiàn)象，數(shù)量過多則造成成本過高，消耗功率較大的弊端。粉碎刀軸與刀具通過鉸接的形式連接，刀座焊接在刀軸上，其數(shù)量一般由粉碎密度來確定，對(duì)于Y型刀片，刀具的排列密度為0.023～0.04 片/mm[26]。根據(jù)作業(yè)幅寬要求，采用多頭螺旋線排列方式，最終確定其刀座總數(shù)為42 個(gè)，其安裝排列方式如圖3所示。

圖3 刀片在刀軸上安裝排列Fig.3 Blade arrangement on cutter shaft

2)粉碎刀具選型與參數(shù)設(shè)計(jì)

常用的棉粉碎刀具類型主要分為直刀型、L型、Y 型和錘爪型及其它結(jié)構(gòu)類型[27-28]。本文根據(jù)粉碎刀具各自特點(diǎn)及作業(yè)時(shí)整機(jī)的動(dòng)平衡要求，Y 型粉碎刀片在形狀上具有幾何對(duì)稱的特性，在作業(yè)時(shí)能夠很好地克服刀組不平衡而造成的整機(jī)機(jī)體振動(dòng)，根據(jù)隨動(dòng)式秸稈還田及殘膜回收聯(lián)合作業(yè)機(jī)的作業(yè)要求，選用Y 型粉碎刀片作為該裝置的粉碎刀具，且設(shè)計(jì)尺寸為130 mm×60 mm×50 mm（L×W×H），刃口角為30°，折彎角為150°，材料為65Mn 鋼，甩刀工作轉(zhuǎn)速為800～1200r/min，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

圖4 刀片結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Blade mechanism schematic

2.1.3 輸送攪龍?jiān)O(shè)計(jì)

輸送攪龍是秸稈粉碎輸送裝置的重要組成部件之一，主要作用是將落入機(jī)殼內(nèi)的秸稈橫向輸送到粉碎裝置的兩側(cè)，并且均勻拋撒至田間。輸送攪龍的結(jié)構(gòu)尺寸和工作參數(shù)影響粉碎裝置的效率，攪龍工作時(shí)其輸送量不小于落入機(jī)殼內(nèi)的秸稈量，根據(jù)粉碎后秸稈長(zhǎng)度及密度等參數(shù)，確定輸送攪龍的螺距為170 mm，螺旋升角為15°，螺旋葉片直徑為200 mm。

2.2 殘膜撿拾裝置設(shè)計(jì)

殘膜撿拾裝置主要由旋轉(zhuǎn)滾筒、除雜攪龍I、除雜攪龍II、起膜釘齒、傳動(dòng)釘齒、卷膜裝置、脫膜輥、機(jī)架、落雜導(dǎo)板、支架、彈簧、平行四桿機(jī)構(gòu)、限深輥和起膜齒等組成，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖5 所示。工作時(shí)旋轉(zhuǎn)滾筒隨拖拉機(jī)前進(jìn)而轉(zhuǎn)動(dòng)，在傳動(dòng)釘齒的作用下殘膜撿拾裝置處于工作狀態(tài)，并在整機(jī)重力、平行四桿機(jī)構(gòu)及彈簧彈力的作用下?lián)焓皺C(jī)沿地面行走，完成田間作業(yè)仿形；同時(shí)，起膜齒與起膜釘齒相繼入土，起膜齒將膜下土壤破碎使得地表殘膜與其分離，并且起膜釘齒進(jìn)入土壤將地表殘膜挑起隨鏈板總成一起運(yùn)動(dòng)，在脫膜輥及卷膜裝置的作用下完成脫膜和卷膜，最終完成地表殘膜的撿拾作業(yè)。在此過程中，地表殘膜被翻轉(zhuǎn)180°，使得膜上秸稈等雜質(zhì)在重力的作用下掉落，在落雜導(dǎo)板的作用下進(jìn)入除雜攪龍II，最終被輸送到機(jī)器兩側(cè)。

圖5 殘膜撿拾裝置示意圖Fig.5 Diagram of residual film picking device

2.2.1 鏈板總成設(shè)計(jì)

鏈板總成是該殘膜撿拾機(jī)的重要部件之一，主要由起膜釘齒、傳動(dòng)釘齒及鏈板組成，其中，起膜釘齒與傳動(dòng)釘齒均采用鉚接方式進(jìn)行固接，兩鏈板之間通過銷釘連接，結(jié)構(gòu)尺寸示意圖如圖6 所示。本研究設(shè)計(jì)的鏈板為3 mm 厚的不銹鋼板，其中鏈板單節(jié)尺寸為L(zhǎng)×W=40×30 mm，起膜釘齒長(zhǎng)度為50 mm，傳動(dòng)釘齒長(zhǎng)度為10 mm，釘齒直徑均為10 mm；鏈節(jié)距（相鄰起膜釘齒間距）為160 mm，傳動(dòng)釘齒的節(jié)距為80 mm，相鄰兩條鏈板上的釘齒呈交錯(cuò)排布。

圖6 鏈板總成單元結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 Structural diagram of chain plate assembly unit

2.2.2 起膜部件設(shè)計(jì)

起膜部件主要由起膜齒、圓管、平行四桿機(jī)構(gòu)、機(jī)架、彈簧和限深輥組成，結(jié)構(gòu)示意圖如圖7a 所示。起膜齒是由厚度為6 mm、長(zhǎng)度為310 mm的鋼板加工而成，均勻焊接在圓管上，兩起膜齒間的距離為135 mm，總長(zhǎng)度為1 890 mm。起膜齒的設(shè)計(jì)既要保證入土阻力小，又要保證有良好深松深度及土壤蓬松度，以保證整機(jī)的起膜性能及減小作業(yè)時(shí)壅土狀況，并使膜上土壤及秸稈殘枝等雜余能夠順利進(jìn)入滾筒。起膜齒通過平行四桿機(jī)構(gòu)安裝在機(jī)架上，四桿機(jī)構(gòu)一端通過限位彈簧強(qiáng)制限位起模齒；同時(shí)，起模齒在工作過程中具有良好地面仿形與保護(hù)作用。

起膜部件在田間工作過程中，對(duì)其進(jìn)行受力分析，并以o 點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)建立坐標(biāo)系oxy，如圖7b 所示。作業(yè)時(shí)，工作部件全部入土瞬間，作用在起膜部件的摩擦力達(dá)到最大值，此時(shí)根據(jù)受力平衡方程可得

圖7 起膜部件結(jié)構(gòu)示意圖Fig.7 Diagram of film-lifting component structure

式中Kt為土壤比阻，kPa，新疆的北疆地區(qū)大部分為輕壤、中壤土質(zhì)，土壤比阻為40～60 kPa；南疆地區(qū)大部分為沙壤、輕中壤土質(zhì)，土壤比阻為30～50 kPa[29]；a為起膜齒入土深度，mm；b為實(shí)際工作幅寬，mm。μ為滾動(dòng)摩擦系數(shù)，一般取0.25～0.3；μ0為滑動(dòng)摩擦系數(shù)，一般取0.09～0.10。

聯(lián)立式（1）～（4）得，起膜齒的入土角為

由式（5）可知，起膜齒的入土角θ與牽引力F、撿拾部件對(duì)機(jī)架的壓力N、起膜齒入土深度a、工作幅寬b、土壤比阻Kt及殘膜雜質(zhì)對(duì)起膜齒的壓力G0有關(guān)。入土角θ 的大小影響殘膜回收機(jī)的作業(yè)效率，通過試驗(yàn)確定殘膜機(jī)的入土角θ 為10°～35°時(shí)殘膜回收機(jī)的作業(yè)效率最好，此時(shí)起膜齒的入土深度為54～178 mm。

3 性能試驗(yàn)與分析

3.1 試驗(yàn)材料

為了提高隨動(dòng)式秸稈還田及殘膜回收聯(lián)合作業(yè)機(jī)的作業(yè)效果，針對(duì)作業(yè)機(jī)械工作參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化試驗(yàn)。于2018 年11 月10 日在新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第一師十團(tuán)八連進(jìn)行田間試驗(yàn)，選取試驗(yàn)對(duì)象為鋪膜時(shí)間約為180 d，厚度為0.01 mm 的耐候地膜。新疆屬于典型的溫帶大陸性氣候，作物一年一熟，試驗(yàn)地土壤類型為沙壤土，測(cè)得試驗(yàn)田50 mm 土壤堅(jiān)實(shí)度的均值為2.821 kPa，平均含水率為22.1%，試驗(yàn)田為當(dāng)年鋪膜種植的棉田，測(cè)得機(jī)采后地表秸稈高度為800～900 mm，秸稈平均含水率為30%；棉田整體情況良好，土地平整，試驗(yàn)面積約為3×104m2；機(jī)具配套動(dòng)力為約翰迪爾904 輪式拖拉機(jī)，拖拉機(jī)后置輸出軸轉(zhuǎn)速為540 r/min，前進(jìn)速度為4.5～5.5 km/h。

3.2 試驗(yàn)儀器

皮尺（量程20 m，精度為0.01 m）、電子秤（量程30 kg，精度為0.001 kg）、分析天平（型號(hào)：ES-J200，量程200 g，精度為0.1 g）、土壤水分速測(cè)儀（型號(hào)：MS-10，精度為0.1%）、土壤硬度計(jì)（型號(hào)：SC900，精度為0.001 kPa）。

3.3 試驗(yàn)方法

為檢驗(yàn)隨動(dòng)式秸稈還田及殘膜回收聯(lián)合作業(yè)機(jī)作業(yè)性能，參考NY/T 500-2015《秸稈粉碎還田機(jī)作業(yè)質(zhì)量》與GB/T 25412-2010《殘地膜回收機(jī)》標(biāo)準(zhǔn)要求，測(cè)定機(jī)器的作業(yè)情況，選擇粉碎長(zhǎng)度合格率、殘膜撿拾率、膜雜分離率為響應(yīng)評(píng)價(jià)指標(biāo)；根據(jù)上述標(biāo)準(zhǔn)，秸稈粉碎還田機(jī)的作業(yè)質(zhì)量指標(biāo)要求粉碎長(zhǎng)度合格率≥85%[30]，殘地膜回收機(jī)的作業(yè)性能指標(biāo)要求耐候地膜地表殘膜撿拾率≥80%（地表及土層深度0～100 mm），膜雜分離率≥85%[31]；因此，本試驗(yàn)選取粉碎長(zhǎng)度合格率≥85%（秸稈粉碎長(zhǎng)度≤200 mm）、殘膜撿拾率≥80%、膜雜分離率≥85%，為該隨動(dòng)式秸稈還田及殘膜回收聯(lián)合作業(yè)機(jī)作業(yè)性能檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。

田間試驗(yàn)測(cè)試區(qū)長(zhǎng)度不少于100 m，寬度應(yīng)滿足機(jī)具3 個(gè)往返行程；測(cè)點(diǎn)為五點(diǎn)法，從測(cè)區(qū)4 個(gè)地角沿對(duì)角線，在四分之一至八分之一對(duì)角線長(zhǎng)度范圍內(nèi)隨機(jī)確定4個(gè)位置，再加上對(duì)角線交點(diǎn)，即為作業(yè)前的5個(gè)測(cè)點(diǎn)；然后在作業(yè)前的5 個(gè)測(cè)點(diǎn)附近但不重疊的區(qū)域再選取5 個(gè)測(cè)點(diǎn)，作為作業(yè)后的5個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)長(zhǎng)度為5 m，寬度為一個(gè)膜幅，即測(cè)點(diǎn)為2 m×5 m。

3.3.1 秸稈粉碎還田機(jī)作業(yè)質(zhì)量測(cè)定

每個(gè)測(cè)點(diǎn)撿拾所有秸桿稱質(zhì)量，從中挑出粉碎長(zhǎng)度不合格（＞200 mm）的秸桿（秸桿的切碎長(zhǎng)度不包括其兩端的韌皮纖維）稱其質(zhì)量，粉碎長(zhǎng)度合格率按式（6）計(jì)算。

式中Y1為粉碎長(zhǎng)度合格率，%；mz為每個(gè)測(cè)點(diǎn)秸桿質(zhì)量，g；mb為每個(gè)測(cè)點(diǎn)中粉碎長(zhǎng)度不符合規(guī)定要求的秸桿質(zhì)量，g。

3.3.2 殘膜撿拾率的測(cè)定

通過稱質(zhì)量作業(yè)前后測(cè)點(diǎn)的膜雜質(zhì)量和表層殘膜質(zhì)量，按式（7）計(jì)算表層殘膜回收率Y2。

式中Y2為殘膜撿拾率，%；m 為作業(yè)后測(cè)點(diǎn)表層殘膜質(zhì)量，g；m0為作業(yè)前測(cè)點(diǎn)表層殘膜質(zhì)量，g。

3.3.3 膜雜分離率的測(cè)定

通過稱質(zhì)量作業(yè)前后測(cè)點(diǎn)的膜雜質(zhì)量和表層殘膜質(zhì)量，按式（8）計(jì)算膜雜分離率Y3。

式中Y3為膜雜分離率，%；m1為作業(yè)后回收的膜雜質(zhì)量，g；m2為作業(yè)前測(cè)點(diǎn)的膜雜質(zhì)量，g。

3.4 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)采用三因素五水平的二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合優(yōu)化試驗(yàn)方法，試驗(yàn)因素和水平編碼如表2所示，試驗(yàn)方案及結(jié)果如表3所示。共進(jìn)行20組試驗(yàn)，每組試驗(yàn)重復(fù)進(jìn)行5次，取5次測(cè)試結(jié)果的平均值作為試驗(yàn)結(jié)果。試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)及結(jié)果分析應(yīng)用Design-Expert V8.0.6.1軟件完成。

表2 殘膜回收試驗(yàn)因素和水平編碼表Table2 Factors and levels of residual film recovery

3.5 結(jié)果與分析

3.5.1 試驗(yàn)結(jié)果回歸分析

試驗(yàn)結(jié)果如表3所示，通過Design-Expert V8.0.6.1軟件進(jìn)行方差分析，得到分別以秸稈粉碎長(zhǎng)度合格率、殘膜撿拾率和膜雜分離率為響應(yīng)函數(shù)，以各影響因素為自變量的編碼回歸數(shù)學(xué)模型，如式（9）～式（11）所示。

表3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案及結(jié)果Table3 Experiment design and results

式中X1為甩刀轉(zhuǎn)速，r/min；X2為機(jī)器前進(jìn)速度，km/h；X3為起膜齒入土深度，mm；

對(duì)殘膜回收試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析，如表4 所示，結(jié)果表明：秸稈粉碎長(zhǎng)度合格率Y1、殘膜撿拾率Y2和膜雜分離率Y3的回歸方程模型P＜0.0001，表明3 個(gè)回歸方程模型極其顯著；Y1、Y2和Y3模型的F 檢驗(yàn)均極顯著，失擬項(xiàng)不顯著，表明回歸方程與實(shí)際情況具有良好的擬合關(guān)系，具有實(shí)際意義。

3.5.2 試驗(yàn)因素交互作用對(duì)秸稈粉碎長(zhǎng)度合格率的影響分析

當(dāng)起膜齒入土深度固定在0 水平（X3=80 mm）時(shí)，甩刀轉(zhuǎn)速與機(jī)器前進(jìn)速度之間的交互作用對(duì)秸稈粉碎長(zhǎng)度合格率的影響規(guī)律見圖8：當(dāng)甩刀轉(zhuǎn)速和機(jī)器前進(jìn)速度分別增大時(shí)，秸稈粉碎長(zhǎng)度合格率隨甩刀轉(zhuǎn)速的增大而增大，隨機(jī)器前進(jìn)速度的增大而減?。豁憫?yīng)曲面沿甩刀轉(zhuǎn)速X1方向變化較快，而沿機(jī)器前進(jìn)速度X2方向變化較慢；在試驗(yàn)水平下甩刀轉(zhuǎn)速對(duì)秸稈粉碎長(zhǎng)度合格率的影響比機(jī)器前進(jìn)速度影響顯著。

3.5.3 試驗(yàn)因素交互作用對(duì)膜雜分離率的影響分析

當(dāng)起膜齒入土深度固定在0 水平（X3=80 mm）時(shí)，甩刀轉(zhuǎn)速與機(jī)器前進(jìn)速度之間的交互作用對(duì)膜雜分離率的影響規(guī)律見圖9a：當(dāng)甩刀轉(zhuǎn)速和機(jī)器前進(jìn)速度分別增大時(shí)，膜雜分離率隨甩刀轉(zhuǎn)速的增大而增大，隨機(jī)器前進(jìn)速度的增大而減??；響應(yīng)曲面沿機(jī)器前進(jìn)速度X2方向變化較慢，而沿甩刀轉(zhuǎn)速X1方向變化較快；在試驗(yàn)水平下甩刀轉(zhuǎn)速對(duì)膜雜分離率的影響比機(jī)器前進(jìn)速度影響顯著。

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

圖8 試驗(yàn)因素對(duì)秸稈粉碎長(zhǎng)度合格率Y1(X1,X2,80)的影響Fig.8 Influence of experimental factors on straw crushing length pass rateY1(X1,X2,80)

當(dāng)甩刀轉(zhuǎn)速固定在0 水平（X1=1000 r/min）時(shí)，起膜齒入土深度與機(jī)器前進(jìn)速度之間的交互作用對(duì)膜雜分離率的影響規(guī)律見圖9b：當(dāng)起膜齒入土深度和機(jī)器前進(jìn)速度分別增大時(shí)，膜雜分離率隨起膜齒入土深度的增大而略有增加趨勢(shì)，隨機(jī)器前進(jìn)速度的增大而減??；響應(yīng)曲面沿起膜齒入土深度X3方向變化較快，而沿機(jī)器前進(jìn)速度X2方向變化趨勢(shì)不明顯；在試驗(yàn)水平下機(jī)器前進(jìn)速度對(duì)膜雜分離率的影響比起膜齒入土深度影響顯著。由于起膜齒入土深度增加，起膜效果越好，膜雜分離效果越好。

圖9 試驗(yàn)因素對(duì)膜雜分離率的影響Fig.9 Influence of experimental factors on membrane miscellaneous separation rate

3.6 參數(shù)優(yōu)化

為了獲得較好的殘膜撿拾和膜雜分離效果，本文根據(jù)秸稈粉碎長(zhǎng)度合格率、殘膜撿拾率、膜雜分離率的技術(shù)要求為優(yōu)化目標(biāo)，進(jìn)行隨動(dòng)式秸稈還田及殘膜回收聯(lián)合作業(yè)機(jī)的工作參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化分析[32-33]。應(yīng)用Design-Expert V8.0.6.1 數(shù)據(jù)分析軟件對(duì)建立的3 個(gè)指標(biāo)的全因子二次回歸模型優(yōu)化分析，約束條件為：1）目標(biāo)函數(shù)：Y1→Y1max≥85%；Y2→Y2max≥90%；Y3→Y3max≥90%；2）影響因 素 約 束：X1∈[ ]-1,1（甩 刀 轉(zhuǎn) 速800～1200 r/min）；（機(jī)器前進(jìn)速度（起膜齒入土深度60～100 mm）。優(yōu)化后得出影響因素最佳組合區(qū)域，如圖10所示，起膜齒入土深度在1水平（100 mm）時(shí)，響應(yīng)目標(biāo)函數(shù)有覆蓋區(qū)域，通過Design-Expert V8.0.6.1 軟件選取滿意度最佳的組合為最佳參數(shù)組合：甩刀轉(zhuǎn)速1200 r/min，機(jī)器前進(jìn)速度4.5 km/h，起膜齒入土深度100 mm，模型預(yù)測(cè)的秸稈粉碎長(zhǎng)度合格率為91.82%，殘膜撿拾率為92.50%，膜雜分離率為95.20%。

圖10 響應(yīng)目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化的覆蓋圖Fig.10 Overlay plot of graphical optimization

3.7 田間試驗(yàn)

本試驗(yàn)在新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第一師十團(tuán)八連進(jìn)行田間試驗(yàn)，如圖11所示。

田間試驗(yàn)選取參數(shù)組合為：甩刀轉(zhuǎn)速1200 r/min，機(jī)器前進(jìn)速度4.5 km/h，起膜齒入土深度100 mm。試驗(yàn)共進(jìn)行5 次，試驗(yàn)結(jié)果取平均值，如表5 所示。在上述參數(shù)下，該聯(lián)合作業(yè)機(jī)的秸稈粉碎長(zhǎng)度合格率＞88.62%、殘膜撿拾率＞88.67%、膜雜分離率＞91.89%，其相對(duì)誤差均小于3%，試驗(yàn)結(jié)果表明聯(lián)合作業(yè)機(jī)的作業(yè)效果滿足設(shè)計(jì)要求。

表5 田間試驗(yàn)測(cè)定結(jié)果Table 5 Measurement results of field experiment

圖11 田間試驗(yàn)Fig.11 Field experiment

4 結(jié)論

1）本文針對(duì)新疆棉田秋后殘膜回收難的問題，設(shè)計(jì)了一種秸稈還田與殘膜回收聯(lián)合作業(yè)機(jī)，并對(duì)整機(jī)關(guān)鍵部件進(jìn)行了設(shè)計(jì)，確定了其結(jié)構(gòu)尺寸等工作參數(shù)，該聯(lián)合作業(yè)機(jī)一次作業(yè)可實(shí)現(xiàn)秸稈粉碎還田、膜雜分離及殘膜回收等工序，大幅提高了機(jī)具工作效率；

2）通過響應(yīng)曲面試驗(yàn)研究，分析了甩刀轉(zhuǎn)速、機(jī)器前進(jìn)速度和起膜齒入土深度對(duì)秸稈粉碎長(zhǎng)度合格率、殘膜撿拾率和膜雜分離率的影響趨勢(shì)，建立了試驗(yàn)指標(biāo)對(duì)3個(gè)因素水平的二次多項(xiàng)響應(yīng)模型：各試驗(yàn)因素下甩刀轉(zhuǎn)速對(duì)秸稈粉碎長(zhǎng)度合格率的影響比機(jī)器前進(jìn)速度影響顯著；在試驗(yàn)水平下對(duì)膜雜分離率影響最顯著的是甩刀轉(zhuǎn)速，其次為機(jī)器前進(jìn)速度和起膜齒入土深度；

3）通過Design-Expert V8.0.6.1 軟件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化，得到最佳參數(shù)組合為：甩刀轉(zhuǎn)速1200 r/min，機(jī)器前進(jìn)速度4.5 km/h，起膜齒入土深度100 mm；

4）根據(jù)最優(yōu)參數(shù)組合進(jìn)行田間試驗(yàn)，得到秸稈粉碎長(zhǎng)度合格率、殘膜撿拾率和膜雜分離率的均值分別為89.37%、90.31%和93.16%，表明秸稈還田與殘膜回收聯(lián)合作業(yè)機(jī)滿足作業(yè)要求。