段威林，謝建華，張學(xué)軍，張鳳賢，唐 煒

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，烏魯木齊 830052)

0 引言

地膜覆蓋栽培技術(shù)引入我國(guó)以來(lái)，廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。該項(xiàng)技術(shù)能夠有效保持土壤濕度、提高土壤溫度、減輕作物病害和抑制雜草生長(zhǎng)[1]，從而提高作物產(chǎn)量。但由于地膜在使用后不能夠及時(shí)回收處理，加之殘膜本身采用聚乙烯等材料，自然條件下很難降解，在土壤中可存在幾百年之久[2]。地膜殘留田間不僅破壞土壤結(jié)構(gòu)，還會(huì)影響水的滲透，阻礙根系生長(zhǎng)，嚴(yán)重影響了農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展[3]。目前，國(guó)內(nèi)主要通過人工撿拾和機(jī)械回收兩種方式回收殘膜[4]，由于人工撿拾存在成本高、拾凈率低、效率低等缺點(diǎn)逐漸被機(jī)械回收的方式代替。為了解決殘膜回收問題，我國(guó)農(nóng)機(jī)科研人員研制了多種殘膜回收機(jī)具，包括夾持式、桿齒式、伸縮桿齒式及釘齒式等幾十種[5-7]，但普遍存在拾膜卸膜機(jī)構(gòu)復(fù)雜、可靠性差等問題。為此，本文設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單的桿齒式殘膜回收機(jī)，并通過臺(tái)架試驗(yàn)對(duì)影響機(jī)具拾膜率和卸膜率的因素進(jìn)行了分析和優(yōu)化。

1 桿齒式殘膜回收機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作原理

桿齒式殘膜回收機(jī)主要由桿齒式拾膜機(jī)構(gòu)、卸膜機(jī)構(gòu)、卸膜驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、起膜裝置、行走輪、集膜箱及懸掛架等組成，如圖1所示。機(jī)具作業(yè)時(shí)，通過懸掛架與拖拉機(jī)相連，牽引機(jī)具沿著膜行前進(jìn)；地輪轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)通過其上的鏈傳動(dòng)系統(tǒng)帶動(dòng)桿齒式拾膜機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)，固定在拾膜桿齒軸上桿齒入土并在起膜齒的輔助下挑起地膜，向上輸送至卸膜位置；卸膜機(jī)構(gòu)在卸膜驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的帶動(dòng)下實(shí)現(xiàn)往復(fù)擺動(dòng)，擺動(dòng)的卸膜桿齒將拾膜桿齒上的殘膜刮入集膜箱，實(shí)現(xiàn)殘膜回收。

桿齒式殘膜回收機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)如下：

整機(jī)尺寸/mm：1 750×1 560×1 200

配套動(dòng)力/kW：50

作業(yè)幅寬/mm：1 500

掛接形式：三點(diǎn)懸掛式

作業(yè)速度/km·h-1：4～5

1.機(jī)架 2.行走輪 3.集膜箱 4.起膜裝置 5.桿齒式卸膜機(jī)構(gòu) 6.桿齒式拾膜機(jī)構(gòu) 7.卸膜驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu) 8.轉(zhuǎn)軸 9.懸掛架

2 主要部件設(shè)計(jì)

2.1 桿齒式拾膜機(jī)構(gòu)

桿齒式拾膜機(jī)構(gòu)主要由拾膜主軸、支撐架、拾膜桿齒、拾膜軸、曲柄、滾子及凸輪盤組成，如圖2所示。桿齒軸的一端通過帶座軸承與支撐架連接，支撐架焊接在拾膜主軸上，桿齒軸的另一端與曲柄固定連接，曲柄和滾子相連，滾子嵌于滑道內(nèi)，凸輪盤通過螺栓固定在機(jī)架上。拾膜機(jī)構(gòu)將當(dāng)年新鋪地表膜挑起并升運(yùn)至卸膜階段，為保證拾膜桿齒連續(xù)作業(yè)及不漏拾地表殘膜，支撐板上安裝4組拾膜軸。

拾膜桿齒在桿齒軸上的排布應(yīng)保證拾膜桿齒可靠撿膜、不漏拾、不纏繞殘膜和不與殘茬干涉。為了使地膜與其下附著的板結(jié)土壤分離，需要安裝起膜齒輔助挑膜。

拾膜桿齒排布示意圖如圖3所示。新疆一膜四行種植模式下的覆膜寬度為1.25m，其中窄行間距為100mm，寬行間距為660mm[8]。為避免機(jī)具工作時(shí)拾膜桿齒與棉花根茬發(fā)生觸碰，同時(shí)考慮到桿齒軸受力均勻，將拾膜桿齒中心距設(shè)置為167mm，并均勻地排列在拾膜軸上。

2.2 桿齒式卸膜機(jī)構(gòu)

桿齒式卸膜機(jī)構(gòu)主要由卸膜軸和卸膜桿齒組成，如圖4所示。根據(jù)拾膜桿齒在拾膜軸上的排布位置，卸膜軸上共布置7組卸膜桿齒，每組卸膜桿齒包含4個(gè)卸膜桿齒，且每組卸膜桿齒間的距離e為64mm。根據(jù)拾膜桿齒的結(jié)構(gòu)，設(shè)定組內(nèi)一側(cè)兩卸膜桿齒間的距離f為8mm，設(shè)定組內(nèi)中間兩卸膜桿齒的距離g為51mm。機(jī)具工作時(shí)，拾膜機(jī)構(gòu)上的雙排鏈輪通過傳動(dòng)鏈帶動(dòng)轉(zhuǎn)軸，轉(zhuǎn)軸與拾膜機(jī)構(gòu)的速度比為4:1。固定在轉(zhuǎn)軸上的卸膜驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)將動(dòng)力傳遞給卸膜機(jī)構(gòu)，使卸膜桿齒至少刮捋拾膜桿齒1次。

1.卸膜軸 2.卸膜桿齒

2.3 卸膜驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

由于四桿機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工制造容易等特點(diǎn)，因此卸膜驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)采用四桿機(jī)構(gòu)。卸膜驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要由套筒、卸膜桿、銷軸、導(dǎo)桿和曲柄組成，如圖5所示。

1.套筒 2.卸膜桿 3.銷軸 4.導(dǎo)桿 5.曲柄

卸膜驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)卸膜桿齒往復(fù)擺動(dòng)的關(guān)鍵部件，可直接控制卸膜桿齒的擺角范圍。卸膜桿齒擺角范圍的大小對(duì)卸膜桿齒能否將拾膜桿齒上的殘膜刮入集膜箱有直接影響。擺角范圍過小，使得刮下的殘膜無(wú)法進(jìn)入到集膜箱，易造成已經(jīng)撿拾起的殘膜落入田間，降低機(jī)具的拾膜率；擺角范圍過大，會(huì)使四桿機(jī)構(gòu)整體尺寸增加，機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)不穩(wěn)定，動(dòng)平衡性能差，最終影響機(jī)具壽命。卸膜桿齒的最大、最小擺角出現(xiàn)在曲柄和導(dǎo)桿共線時(shí)的極限位置[9]，如圖6所示。

卸膜桿齒的擺角大小可以表示為

θ=θ2-θ1=∠BAD-∠B1AD

已知卸膜桿a的長(zhǎng)度為190mm，導(dǎo)桿b的長(zhǎng)度為680mm，曲柄c的長(zhǎng)度為135mm，卸膜軸與轉(zhuǎn)軸間的水平距離d為717mm，通過計(jì)算可以得出∠BAD=114°，∠B1AD=21.6°，因此卸膜桿齒的擺角θ取92.4°。

ABCD為卸膜桿齒擺角最小時(shí)的極限位置，AB1DC1為卸膜桿齒擺角最大時(shí)的極限位置。

圖6 卸膜驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)極限位置示意圖

Fig.6 Schematic diagram of the drive mechanism of unloading film in limiting position

2.4 起膜裝置

起膜裝置的作用是將地膜與其下附著的板結(jié)土壤分離，輔助桿齒式拾膜裝置拾膜。起膜裝置主要由安裝板、起膜軸和起膜齒組成，如圖7所示。其中，起膜齒焊接在起膜齒軸上，并通過安裝板固定在機(jī)架上。起膜齒在起膜時(shí)需要入土達(dá)到一定深度，其工作阻力是機(jī)組牽引阻力的重要部分[10]。為了避開棉花根茬，減小機(jī)組牽引阻力，將相鄰兩起膜齒的距離設(shè)置為110mm。起膜齒的入土角也影響起膜齒工作時(shí)阻力的大小，入土角越小，起膜齒工作時(shí)的阻力越小，但起膜齒入土深度不夠；入土角越大，入土深度越深，起膜齒工作阻力越大。經(jīng)部件試驗(yàn)可知，起膜齒的入土角度β取22°。

1.安裝板 2.起膜齒軸 3.起膜齒

3 臺(tái)架試驗(yàn)

為驗(yàn)證拾膜、卸膜機(jī)構(gòu)性能，找到桿齒式殘膜回收機(jī)的最優(yōu)工作參數(shù)組合，利用小型移動(dòng)式土槽臺(tái)車對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行試驗(yàn)。

3.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)在移動(dòng)式土槽試驗(yàn)系統(tǒng)上進(jìn)行，如圖8所示。該試驗(yàn)系統(tǒng)由土槽車、固定架、集膜箱、桿齒式拾膜機(jī)構(gòu)、卸膜驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、桿齒式卸膜機(jī)構(gòu)、電動(dòng)機(jī)及控制電箱等組成[11]。土槽車由路陽(yáng)紅404型拖拉機(jī)牽引，連接在控制電箱上的變頻器可以調(diào)節(jié)拾膜機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)速。

1.土槽車 2.固定架 3.集膜箱 4.桿齒式卸膜機(jī)構(gòu) 5.桿齒式拾膜機(jī)構(gòu) 6.卸膜驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu) 7.電動(dòng)機(jī) 8.控制電箱

3.2 試驗(yàn)因素的確定

根據(jù)桿齒式殘膜回收機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作原理，本試驗(yàn)選取機(jī)具行進(jìn)速度A、拾膜桿齒線速度與機(jī)具行進(jìn)速度比B、拾膜桿齒入土深度C為影響拾膜率和卸膜率的3個(gè)關(guān)鍵因素。其中，將本試驗(yàn)機(jī)具行進(jìn)速度的范圍設(shè)定為0.6～1.2m/s，拾膜桿齒線速度與機(jī)具行進(jìn)速度比設(shè)定在0.8～1.2之間，拾膜桿齒入土深度設(shè)定在30～90mm之間。

3.3 試驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)的確定

影響桿齒式殘膜回收機(jī)性能和工作效果的因素是拾膜率和卸膜率，計(jì)算公式分別為

式中P1—拾膜率；

P2—卸膜率；

ma—未被撿拾起的殘膜質(zhì)量；

mb—被桿齒挑起但未被刮入集膜箱中的殘膜質(zhì)量；

mc—被刮入集膜箱中的殘膜的質(zhì)量。

3.4 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)采用Box-Benhnken 試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，以機(jī)具行進(jìn)速度A、拾膜桿齒線速度與機(jī)具行進(jìn)速度比B、拾膜桿齒入土深度C為自變量，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)因素水平

表2 試驗(yàn)方案及結(jié)果

4 試驗(yàn)結(jié)果分析及優(yōu)化

4.1 拾膜率分析

利用Design-Expert軟件對(duì)表2中的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，分析結(jié)果如表3所示。同時(shí)，得到以拾膜率為響應(yīng)函數(shù)、以各因素為自變量的回歸方程為

Y=85.3+4.79A+3.77B-4.08AB-

3.33BC-6.05B2-2.78C2

其中，A、B、C分別為機(jī)具行進(jìn)速度、拾膜桿齒線速度與機(jī)具行進(jìn)速度比、拾膜桿齒入土深度。

回歸模型的方差分析如表3所示。拾膜率回歸模型的P值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于0.01，該模型極其顯著，說明試驗(yàn)成立，失擬項(xiàng)P值大于0.05，表明模型與數(shù)據(jù)擬合程度高。由表3可以看出：A、B、AB、B2對(duì)模型影響極顯著， BC、C2對(duì)模型影響顯著，而C、AC、A2對(duì)模型無(wú)顯著影響。各單因素對(duì)模型顯著性影響大小順序?yàn)椋簷C(jī)具行進(jìn)速度>拾膜桿齒線速度與機(jī)具行進(jìn)速度比>拾膜桿齒入土深度。

表3 回歸模型的方差分析

P<0.01為極顯著(**)，P<0.05為顯著(*)。

交互因素對(duì)拾膜率影響的響應(yīng)面曲線如圖9所示。

圖9 交互因素對(duì)拾膜率的影響

圖9(a)為桿齒入土深度在60mm時(shí)機(jī)具行進(jìn)速度與速比對(duì)拾膜率影響的響應(yīng)面曲線圖，可以看出：速比和機(jī)具行進(jìn)速度同時(shí)變大時(shí)，拾膜率先增大后減小，存在最優(yōu)值。在零水平下，機(jī)具行進(jìn)速度對(duì)拾膜率的影響比速比對(duì)拾膜率的影響更為顯著。由圖9(b)可以看出：機(jī)具行進(jìn)速度為0.9m/s、拾膜桿齒入土深度與速比同時(shí)增加時(shí)，拾膜率先增大后減小，存在最優(yōu)值，速比對(duì)拾膜率的影響比桿齒入土深度對(duì)拾膜率的影響更顯著。

4.2 卸膜率分析

在該組試驗(yàn)中，卸膜率主要和拾膜桿齒線速度與機(jī)具行進(jìn)速度比有關(guān)。根據(jù)臺(tái)架試驗(yàn)可知：速比較高時(shí)，卸膜機(jī)構(gòu)往復(fù)擺動(dòng)的速度快，卸膜時(shí)容易回帶殘膜；速比較低時(shí)，拾膜主軸的轉(zhuǎn)速相對(duì)較慢，拾膜桿齒還未將殘膜升運(yùn)至卸膜位置時(shí)，在殘膜自重的作用下會(huì)使得殘膜掉落至集膜箱外。根據(jù)試驗(yàn)可知：當(dāng)速比為1.0時(shí)，卸膜效果較好。

4.3 參數(shù)優(yōu)化

應(yīng)用Design-Expert數(shù)據(jù)分析軟件對(duì)拾膜率進(jìn)行優(yōu)化分析，設(shè)定目標(biāo)函數(shù)拾膜率為Y[max]。因素約束分別為：機(jī)具行進(jìn)速度0.6～1.2m/s，拾膜桿齒線速度與機(jī)具行進(jìn)速度比0.8～1.2，桿齒入土深度30～90mm。優(yōu)化結(jié)果為：當(dāng)機(jī)具行進(jìn)速度1.2m/s、速比1.0、桿齒入土深度55mm時(shí)，拾膜率為88.6%。

5 結(jié)論

1)根據(jù)新疆一膜四行的機(jī)采棉覆膜種植模式，設(shè)計(jì)了桿齒式殘膜回收機(jī)，并對(duì)桿齒式殘膜回收機(jī)的主要工作部件進(jìn)行分析，確定了各機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)參數(shù)。

2)設(shè)計(jì)了Box-Benhnken三因素三水平響應(yīng)面試驗(yàn)，并通過Design-Expert數(shù)據(jù)分析軟件對(duì)拾膜率方差進(jìn)行分析。結(jié)果表明：機(jī)具行進(jìn)速度、速比對(duì)拾膜率影響極其顯著，桿齒入土深度對(duì)拾膜率影響不顯著。

3)通過Design-Expert軟件計(jì)，算出了機(jī)具行進(jìn)速度、速比、桿齒入土深度三因素的最優(yōu)組合，即當(dāng)機(jī)具行進(jìn)速度為1.2m/s、速比為1.0、桿齒入土深度為55mm時(shí)，拾膜率、卸膜率最優(yōu)。