陳興華，陳學(xué)庚，李景彬，李成松，楊禹錕

釘齒滾筒式播前殘膜回收裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

陳興華1，陳學(xué)庚1，李景彬1※，李成松2，楊禹錕1

（1. 石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院，石河子 832003；2. 西南大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，重慶 400715）

針對(duì)播前土壤中殘膜破壞土壤結(jié)構(gòu)、嚴(yán)重影響作物發(fā)芽率及成活率、降低作物產(chǎn)量等問(wèn)題，該文設(shè)計(jì)了一種與聯(lián)合整地機(jī)配套使用的釘齒式播前殘膜回收裝置，可一次性完成撿膜、脫膜、集膜和卸膜作業(yè)。重點(diǎn)設(shè)計(jì)了裝置的撿膜機(jī)構(gòu)、脫膜機(jī)構(gòu)，并對(duì)釘齒運(yùn)動(dòng)軌跡，脫膜條件進(jìn)行理論分析與計(jì)算。為尋求裝置結(jié)構(gòu)與工作參數(shù)的最優(yōu)組合，運(yùn)用二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)，以機(jī)具前進(jìn)速度、撿膜滾筒轉(zhuǎn)速、脫膜軸轉(zhuǎn)速為影響因素，以撿膜率、脫膜率為評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行響應(yīng)曲面分析。利用Design-Expert軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，建立各因素和撿膜率、脫膜率之間的回歸模型，分析各因素對(duì)撿膜率、脫膜率影響的顯著性。結(jié)果表明：各因素對(duì)撿拾率的影響由大到小依次為：前進(jìn)速度、撿膜滾筒轉(zhuǎn)速、脫膜軸轉(zhuǎn)速；對(duì)脫膜率的影響由大到小依次為：脫膜軸轉(zhuǎn)速、撿膜滾筒轉(zhuǎn)速、前進(jìn)速度。運(yùn)用MATLAB軟件對(duì)試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，確定了裝置最優(yōu)工作參數(shù)組合為：機(jī)具前進(jìn)速度1.62 m/s，撿膜滾筒轉(zhuǎn)速90 r/min，脫膜軸轉(zhuǎn)速1 055 r/min。對(duì)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果顯示撿膜率為70.56%，脫膜率為82.96%，試驗(yàn)結(jié)果和預(yù)測(cè)值相差較小，優(yōu)化工作參數(shù)較可靠。

農(nóng)業(yè)機(jī)械；設(shè)計(jì)；試驗(yàn)；播前殘膜；回收；參數(shù)優(yōu)化

0 引 言

地膜覆蓋種植是新疆棉花的主要種植方式[1-2]，隨著新疆棉花種植面積的增加，地膜覆蓋面積也不斷擴(kuò)大。地膜覆蓋在提升土地產(chǎn)能的同時(shí)，對(duì)土壤和環(huán)境也造成了一定的污染[3]。地膜的主要成分是聚乙烯（PE）和聚氯乙烯（PVC）等烴類聚合物[4]，能夠在土壤中長(zhǎng)期存在且不易分解，殘留地膜對(duì)土壤的物理結(jié)構(gòu)及作物的發(fā)芽、生長(zhǎng)均產(chǎn)生極大影響，被稱為農(nóng)田的“白色污染”，為加快農(nóng)田殘膜回收進(jìn)程，農(nóng)業(yè)部先后啟動(dòng)《殘膜污染農(nóng)田綜合治理技術(shù)方案》、《農(nóng)膜回收行動(dòng)方案》等行業(yè)專項(xiàng)，殘膜回收迫在眉睫[5]。

播前整地階段殘膜在土壤各層均有分布，其中地表及淺層（0～100 mm）殘膜含量大于50%[6-7]，田間殘膜含量及分布調(diào)研統(tǒng)計(jì)顯示，0～50 mm土壤內(nèi)殘膜占0～100 mm內(nèi)殘膜總量的50%以上，殘膜的存在嚴(yán)重影響了棉花種子的著床，降低發(fā)芽率。播前階段殘膜形狀較小且與土塊、秸稈等雜質(zhì)混雜在一起，如何對(duì)田間殘膜進(jìn)行回收是播前殘膜機(jī)械化回收必須解決的問(wèn)題[8]。針對(duì)播前階段殘膜回收問(wèn)題，國(guó)內(nèi)部分科研單位進(jìn)行了有關(guān)研究。現(xiàn)有播前殘膜回收機(jī)主要有摟耙式、氣吸式、鏟篩式等機(jī)型[9-11]，其中，摟耙式殘膜回收機(jī)應(yīng)用較為廣泛，該機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能可靠，但存在功能單一，卸膜困難等問(wèn)題?，F(xiàn)有播前殘膜回收機(jī)械大都與整地機(jī)械分開(kāi)作業(yè)，導(dǎo)致播前機(jī)械作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)、功耗大，成本高。

為解決上述問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種可與聯(lián)合整地機(jī)配套使用的釘齒滾筒式播前殘膜回收裝置，可減少播前農(nóng)業(yè)機(jī)械作業(yè)時(shí)間、提高作業(yè)效率。該裝置可依次完成撿膜、脫膜、集膜、自動(dòng)卸膜等功能。

1 裝置結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 裝置結(jié)構(gòu)

裝置結(jié)構(gòu)如圖1a所示，主要由機(jī)架、撿膜機(jī)構(gòu)、脫膜機(jī)構(gòu)、集膜箱、卸膜機(jī)構(gòu)、仿形機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等部分組成。其中撿膜機(jī)構(gòu)由撿膜釘齒、撿膜滾筒、撿膜軸等組成；脫膜機(jī)構(gòu)由脫膜軸、脫膜葉片、脫膜罩等組成；卸膜機(jī)構(gòu)由傳送帶、液壓馬達(dá)、支架等組成；仿形機(jī)構(gòu)由上機(jī)架、下機(jī)架、彈簧、調(diào)節(jié)桿、鉸接板等組成；傳動(dòng)機(jī)構(gòu)由變速箱、鏈輪、傳動(dòng)軸等組成。殘膜回收裝置作業(yè)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 釘齒滾筒式殘膜回收裝置主要作業(yè)參數(shù)

1.2 工作原理

田間作業(yè)時(shí)，該裝置連接在圓盤耙組后側(cè)，破碎鎮(zhèn)壓機(jī)構(gòu)前側(cè)，拖拉機(jī)后動(dòng)力輸出軸通過(guò)傳動(dòng)軸與裝置的傳動(dòng)系統(tǒng)相連，帶動(dòng)撿膜滾筒、脫膜輥同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)，撿膜釘齒隨撿膜滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)并伸入土壤完成殘膜撿拾作業(yè)，當(dāng)撿膜釘齒和脫膜葉片接觸時(shí)，脫膜葉片將撿膜釘齒上的殘膜脫下并將其送入脫膜罩輸送管道，殘膜在風(fēng)力作用下沿輸送管道落入集膜箱。當(dāng)集膜箱中殘膜達(dá)到額定量時(shí)，啟動(dòng)液壓馬達(dá)帶動(dòng)卸膜帶轉(zhuǎn)動(dòng)，將殘膜從集膜箱一側(cè)卸下。

圖1 殘膜回收裝置結(jié)構(gòu)及安裝示意圖

2 關(guān)鍵機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)分析

2.1 撿膜機(jī)構(gòu)

撿膜機(jī)構(gòu)主要由撿膜釘齒、撿膜滾筒、撿膜軸等組成，其主要作用是將殘膜從地表及淺層撿拾起來(lái)并運(yùn)送到脫膜區(qū)域，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中，釘齒按照錯(cuò)齒排布的方式均布在滾筒上，共8排，每排有21或22個(gè)釘齒，相鄰2釘齒間距為80 mm，相鄰2排釘齒夾角為45°，滾筒直徑為500 mm。

2.1.1 撿膜釘齒運(yùn)動(dòng)分析

當(dāng)撿膜機(jī)構(gòu)進(jìn)行工作時(shí)，撿膜釘齒隨滾筒一起轉(zhuǎn)動(dòng)，撿拾釘齒入土過(guò)程運(yùn)動(dòng)軌跡如圖3所示。撿膜釘齒從點(diǎn)開(kāi)始進(jìn)入土壤，在1點(diǎn)達(dá)到最深，從2點(diǎn)出土，撿膜釘齒繞撿膜軸以角速度做勻速轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)隨著機(jī)具以恒定速度向前運(yùn)動(dòng)。

1.撿膜軸 2.撿膜滾筒 3.撿膜釘齒

注：O、O1為釘齒不同時(shí)刻回轉(zhuǎn)中心；A為釘齒尖入土點(diǎn)；A1為釘齒入土最深點(diǎn)，A2為釘齒尖出土點(diǎn)；h為釘齒入土深度，m；R為釘齒回轉(zhuǎn)半徑，m；t為釘齒從A到A1的運(yùn)動(dòng)時(shí)間，s；v為機(jī)具前進(jìn)速度，m·s-1；α為撿膜釘齒入土初始相位角，(°)。

圖3中，=11=22=，1點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，撿膜釘齒從點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到點(diǎn)2時(shí)間為2，撿膜軸水平方向位移為2=2，撿膜釘齒從點(diǎn)到1的運(yùn)動(dòng)軌跡[12-13]如式（1）所示：

對(duì)上述方程組求關(guān)于時(shí)間的一階導(dǎo)、二階導(dǎo)分別得到撿膜釘齒端點(diǎn)的速度和加速度方程：

速度方程：

加速度方程：

由公式（2）可得端點(diǎn)線速度0，如式（4）所示：

由公式（3）可得端點(diǎn)加速度，如式（5）所示：

同理可得，撿膜釘齒從1到2點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡方程，如式（6）所示：

撿膜釘齒端點(diǎn)線速度1，如式（7）所示：

撿膜釘齒端點(diǎn)加速度2方程，如式（8）所示：

綜上可知，撿膜釘齒端點(diǎn)在土壤中運(yùn)動(dòng)線速度v為

撿膜釘齒加速度為

式（1）~（10）中，為撿膜釘齒從到1的運(yùn)動(dòng)時(shí)間，s；0為撿膜釘齒從到1點(diǎn)的線速度，m/s；1為撿膜釘齒從1到2點(diǎn)的線速度，m/s；為撿膜釘齒端點(diǎn)線速度，m/s；1為撿膜釘齒從到1點(diǎn)的加速度，m/s2；2為撿膜釘齒從1到2點(diǎn)的加速度，m/s2；為撿膜釘齒加速度，m/s2；v、v為撿膜釘齒在、方向的速度，m/s；a、a為撿膜釘齒在、方向的加速度，m/s2；為撿膜釘齒的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度，rad/s。

通過(guò)對(duì)釘齒運(yùn)動(dòng)軌跡分析得出釘齒運(yùn)動(dòng)軌跡方程，確定了釘齒運(yùn)動(dòng)線速度v，釘齒加速度等參數(shù)，為確定撿膜滾筒轉(zhuǎn)速提供依據(jù)。

2.1.2 避免殘膜漏撿且滿足棉花播種要求的條件

為保證地表及淺層殘膜漏撿，要求同一排相鄰2個(gè)釘齒的后一個(gè)釘齒（釘齒2）在前一個(gè)釘齒（釘齒1）離開(kāi)土壤之前進(jìn)入土壤，同時(shí)兩釘齒在土壤中交替作用的最淺深度必須滿足棉花播種深度要求。

由撿膜釘齒運(yùn)動(dòng)軌跡方程（1）及圖4可得：

對(duì)公式（11）進(jìn)行簡(jiǎn)化可得

當(dāng)′與2重合時(shí)，即為前一個(gè)撿膜釘齒離開(kāi)土壤時(shí)后一個(gè)撿膜釘齒恰好進(jìn)入土壤，其臨界條件為

因此，滿足棉花播種要求且避免漏撿的條件為

撿膜釘齒從入土到出土所需時(shí)間為1，此時(shí)撿膜釘齒轉(zhuǎn)過(guò)角度為2，所以1=2/；設(shè)為同一圓周上撿膜釘齒的個(gè)數(shù)，則相鄰釘齒之間的夾角為=2π/，即下一個(gè)釘齒轉(zhuǎn)過(guò)角后釘齒尖處于處，所需時(shí)間3=2π/，3=2-1。將1、2、2=帶入公式（15）得

式（11）~（16）中，0為撿膜釘齒從點(diǎn)到交點(diǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)間，s；1為撿膜釘齒從到2的運(yùn)動(dòng)時(shí)間，s；2為相鄰2個(gè)撿膜釘齒相繼入土?xí)r間間隔，s；3為后釘齒入土到前釘齒出土所需時(shí)間，s；

以試驗(yàn)臺(tái)為例：根據(jù)圓盤耙整地機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸，選取撿膜釘齒回轉(zhuǎn)半徑=320 mm，裝置回收0～50 mm土壤中殘膜，選取撿膜釘齒長(zhǎng)度為80 mm，由釘齒運(yùn)動(dòng)軌跡分析可知釘齒入土初始相位角=44.8°，同一圓周上釘齒數(shù)=4，計(jì)算得出<0.9。圓盤耙聯(lián)合整地機(jī)作業(yè)速度根據(jù)土壤情況設(shè)定在4～7 km/h（即1.11～1.94 m/s）之間[17-18]，計(jì)算得出>7.72 rad/s，即撿膜滾筒轉(zhuǎn)速>74 r/min。轉(zhuǎn)速過(guò)大，撿膜釘齒會(huì)把殘膜進(jìn)一步打碎，回收難度加大；轉(zhuǎn)速過(guò)小，撿拾效率低，不能滿足棉花播種作業(yè)要求。結(jié)合理論分析和實(shí)際作業(yè)情況，撿膜滾筒轉(zhuǎn)速確定為90 r/min。

注：C為坐標(biāo)原點(diǎn)；B、B1、B2為釘齒不同時(shí)刻回轉(zhuǎn)中心；A'為釘齒2的入土點(diǎn)；vt1為釘齒1在時(shí)間t1內(nèi)的位移，m；vt2為釘齒2在時(shí)間t2內(nèi)的位移，m；ω0為撿膜滾筒轉(zhuǎn)速，rad/s；L為釘齒1、2在土壤中交點(diǎn)距離釘齒入土最低點(diǎn)的距離，m；1、2分別表示釘齒1和釘齒2在土壤中軌跡

2.2 脫膜機(jī)構(gòu)

脫膜機(jī)構(gòu)主要由脫膜輥、脫膜罩組成，其中脫膜輥由脫膜軸、脫膜葉片等組成。脫膜機(jī)構(gòu)其主要作用是將撿膜釘齒上的殘膜脫下并將其送入集膜箱，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。其中，脫膜葉片選取長(zhǎng)度為210 mm、寬度為25 mm的柔性材料，同一圓周上均勻分布6個(gè)葉片，脫膜葉片通過(guò)螺栓固定在脫膜軸上。

1.脫膜軸 2.脫膜罩 3.脫膜葉片

2.2.1 殘膜脫離撿膜釘齒條件分析

脫膜機(jī)構(gòu)中脫膜軸帶動(dòng)脫膜葉片旋轉(zhuǎn)，脫膜軸旋轉(zhuǎn)方向和撿膜滾筒旋轉(zhuǎn)方向相反，當(dāng)殘膜隨釘齒運(yùn)動(dòng)到與脫膜葉片接觸位置時(shí)，殘膜受到脫膜葉片作用而脫離釘齒并被輸送到脫膜罩輸送管道，達(dá)到脫膜的效果。殘膜與釘齒分離瞬間受力分析如圖6所示。

注：ω1、ω2分別為釘齒和脫膜葉片旋轉(zhuǎn)速度，rad/s；θ為脫膜葉片對(duì)殘膜作用力與水平方向夾角，(°)；Ff為釘齒對(duì)殘膜作用力，N；F為脫膜葉片對(duì)殘膜作用力，N；Fω1為殘膜所受離心力，N；FN為撿膜釘齒對(duì)殘膜支持力，N；G為殘膜重力，N。

殘膜從撿膜釘齒上被脫下的條件為：殘膜受到脫膜葉片作用力與殘膜在撿膜滾筒上所受離心力的合力大于釘齒對(duì)殘膜作用力的合力[19]，即

對(duì)上式進(jìn)行化簡(jiǎn)求解，可得殘膜脫離釘齒條件為

式中1為單個(gè)釘齒上殘膜質(zhì)量，kg；為重力加速度取9.8 m/s2；根據(jù)試驗(yàn)可知，當(dāng)殘膜發(fā)生分離時(shí)F約為21g，為使殘膜分離效果更好，F值應(yīng)小于21g。

2.2.2 殘膜脫離脫膜輥條件分析

為使從撿膜釘齒上脫下的殘膜順利脫離脫膜葉片，需要滿足殘膜在脫膜葉片端部受到離心力的作用能夠克服脫膜葉片的吸附力纏繞作用[20]，即殘膜脫離卸膜葉片的條件為

式中1為脫膜輥回轉(zhuǎn)半徑，m；1為脫膜葉片轉(zhuǎn)速，r/min；1為脫膜葉片靜摩擦系數(shù)，取0.62[21-22]；為卸膜葉片與水平面夾角，(°)。

通過(guò)預(yù)試驗(yàn)可知脫膜軸轉(zhuǎn)速1≥800 r/min，帶入上式可得1>0.196 m，取1=0.240 m。根據(jù)試驗(yàn)情況，測(cè)得單個(gè)脫膜葉片上殘膜質(zhì)量約為6.77×10-4kg，計(jì)算得殘膜需要的懸浮速度需大于0.72 m/s[23-24]，考慮到殘膜與少量秸稈、作物根茬、石塊等雜質(zhì)混合在一起，因此田間作業(yè)時(shí)殼體內(nèi)氣流速度需遠(yuǎn)大于0.72 m/s，并且能夠滿足殘膜脫離脫膜葉片的最小轉(zhuǎn)速1值不小于800 r/min，當(dāng)脫膜輥轉(zhuǎn)速為800 r/min時(shí)，經(jīng)數(shù)字式風(fēng)速儀（型號(hào)AM-4201）測(cè)量得，出口處風(fēng)速為5.8 m/s，當(dāng)脫膜軸轉(zhuǎn)速為800 r/min時(shí)所產(chǎn)生的氣流速度滿足理論設(shè)計(jì)要求。

3 性能試驗(yàn)

為驗(yàn)證該殘膜回收裝置作業(yè)性能，對(duì)裝置的撿膜機(jī)構(gòu)和脫膜機(jī)構(gòu)進(jìn)行試驗(yàn)研究。本文通過(guò)搭建殘膜回收裝置試驗(yàn)臺(tái)對(duì)殘膜撿拾機(jī)構(gòu)、脫膜機(jī)構(gòu)進(jìn)行測(cè)試，分析機(jī)具前進(jìn)速度、撿膜滾筒轉(zhuǎn)速、脫膜軸轉(zhuǎn)速對(duì)撿膜率和脫膜率的影響，找出裝置最優(yōu)結(jié)構(gòu)及工作參數(shù)組合。

3.1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)在新疆石河子市石河子大學(xué)土槽實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展試驗(yàn)土槽寬3 m，長(zhǎng)60 mm，如圖7所示。本次試驗(yàn)采用約翰迪爾454拖拉機(jī)牽引，通過(guò)變頻器控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，電動(dòng)機(jī)通過(guò)鏈輪、鏈條驅(qū)動(dòng)撿膜機(jī)構(gòu)、脫膜機(jī)構(gòu)作業(yè)，試驗(yàn)前對(duì)土槽試驗(yàn)臺(tái)中土壤進(jìn)行預(yù)處理，土壤中含有少量石塊，秸稈和作物根茬含量約為4 g/m2，土壤含水率為11.52%，殘膜含量為18.93 g/m2，隨機(jī)分布在0～50 mm土層中，試驗(yàn)所使用地膜厚度為田間調(diào)研取回的厚度為0.008 mm的殘膜，形狀不規(guī)則，多為碎片，面積集中在4~135 cm2之間。

1.試驗(yàn)土槽 2.拖拉機(jī) 3.控制箱 4.變頻器 5.殘膜回收裝置 6.電機(jī)

3.2 試驗(yàn)方法

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 25412－2010《殘地膜回收機(jī)》中關(guān)于殘地膜回收機(jī)試驗(yàn)方法規(guī)定，對(duì)殘膜回收作業(yè)裝置試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行性能試驗(yàn)。試驗(yàn)儀器主要有：TDR300土壤含水率測(cè)量?jī)x、SC900數(shù)字式土壤緊實(shí)度儀、秒表、皮尺、鐵鍬、JM-85003型電子天平等。

將殘膜回收率、脫膜率作為裝置作業(yè)性能的主要試驗(yàn)指標(biāo)。試驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)裝置收集的殘膜進(jìn)行挑選、清洗、晾干，用JM-8500型電子天平稱其質(zhì)量，依此計(jì)算裝置試驗(yàn)臺(tái)的撿膜率、脫膜率，計(jì)算公式如下：

式中為殘膜回收率，%；為脫膜率，%；為未被撿起殘膜質(zhì)量，g；為集膜箱中殘膜質(zhì)量，g；為被撿起但未進(jìn)入集膜箱的殘膜質(zhì)量，g；

3.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)預(yù)試驗(yàn)選取機(jī)具前進(jìn)速度1（1.11～1.94 m/s）、撿膜滾筒轉(zhuǎn)速2（75～100 r/min）、脫膜軸轉(zhuǎn)速3（800～1 200 r/min）為影響因素，以殘膜撿拾率1、脫膜率2為評(píng)價(jià)指標(biāo)。采用二次回歸正交旋轉(zhuǎn)中心組合優(yōu)化試驗(yàn)方法[25-27]，應(yīng)用Design-Expert10.0.4.0進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理分析，因素水平編碼表如表2所示。各性能指標(biāo)根據(jù)國(guó)家農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NYT1227-2006殘膜回收機(jī)作業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法測(cè)定，每組試驗(yàn)重復(fù)3次，結(jié)果取平均值[28-30]。

表2 因素水平編碼

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)方案與試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

4.2 數(shù)據(jù)處理

4.2.1 回歸方程及顯著性分析

經(jīng)過(guò)Design-Expert10.0.4.0分析，殘膜撿拾率、脫膜率的方差分析如表4所示。結(jié)果表明，各因素對(duì)殘膜撿拾率的影響由大到小依次為：前進(jìn)速度、撿膜滾筒轉(zhuǎn)速、脫膜軸轉(zhuǎn)速；對(duì)脫膜率的影響由大到小依次為：脫膜軸轉(zhuǎn)速、撿膜滾筒轉(zhuǎn)速、前進(jìn)速度。

4.2.2 回歸方程確定

對(duì)于殘膜撿拾率1和脫膜率2，將回歸方程中各項(xiàng)回歸系數(shù)在置信度為0.05下采用檢驗(yàn)，回歸方程為

表3 試驗(yàn)方案及結(jié)果

4.3 各因素對(duì)撿膜率、脫膜率的影響分析

4.3.1 各因素對(duì)撿膜率影響分析

由圖8a可知，在脫膜軸轉(zhuǎn)速確定的情況下，隨著撿膜滾筒轉(zhuǎn)速、機(jī)具前進(jìn)速度的增加，殘膜撿拾率先增加后減小。當(dāng)前進(jìn)速度在1.52 m/s、撿膜滾筒轉(zhuǎn)速在93.75 r/min時(shí)，殘膜撿拾效果最好。這是由于當(dāng)前進(jìn)速度、撿膜滾筒轉(zhuǎn)速繼續(xù)增加時(shí)，撿膜齒尖線速度無(wú)法滿足和前進(jìn)速度之間的關(guān)系，殘膜不能及時(shí)被撿起而影響撿膜的連續(xù)性，導(dǎo)致殘膜撿拾率逐漸降低。

由圖8b可知，在前進(jìn)速度確定的情況下，撿膜滾筒轉(zhuǎn)速保持在較低轉(zhuǎn)速75 r/min、脫膜軸轉(zhuǎn)速?gòu)?00 r/min逐漸增加到1 200 r/min時(shí)，撿膜率呈先增加后減小的輕微變化趨勢(shì)?？傮w來(lái)看，當(dāng)撿膜滾筒轉(zhuǎn)速和脫膜軸轉(zhuǎn)速同時(shí)增加時(shí)，撿膜率呈先增加后減小的趨勢(shì)，這是由于當(dāng)撿膜滾筒轉(zhuǎn)速不斷增加時(shí)，撿膜釘齒與殘膜之間的作用力不斷加大，在撿拾過(guò)程中把殘膜拉斷成更小的碎片，增加了撿拾難度。

由圖8c可知，在撿膜滾筒轉(zhuǎn)速確定的情況下，隨著脫膜軸轉(zhuǎn)速增加撿膜率呈現(xiàn)逐漸增加的上升趨勢(shì)，當(dāng)脫膜軸轉(zhuǎn)速低于800 r/min、前進(jìn)速度從1.11 m/s逐漸增加到1.94 m/s時(shí)，撿膜率呈先增加后減小的趨勢(shì)。總體來(lái)看，當(dāng)前進(jìn)速度和脫膜軸轉(zhuǎn)速同時(shí)增加時(shí)，撿膜率先增加后減小，這是由于隨著前進(jìn)速度增加，前進(jìn)速度大于撿膜釘齒線速度，打破了釘齒撿膜的連續(xù)性，導(dǎo)致殘膜撿拾率逐漸降低。

表4 回歸模型方差分析

注：<0.05（顯著*）；<0.01（極其顯著**）。

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

圖8 各因素對(duì)殘膜撿拾率影響的響應(yīng)曲面圖

4.3.2 各因素對(duì)脫膜率影響分析

由圖9a可知，在機(jī)具前進(jìn)速度確定的情況下，隨著脫膜軸轉(zhuǎn)速、撿膜滾筒轉(zhuǎn)速的增加，脫膜率呈先增加后減小的趨勢(shì)。當(dāng)脫膜軸轉(zhuǎn)速在1 040 r/min、撿膜滾筒轉(zhuǎn)速在87.5 r/min時(shí)，脫膜效果最好。這是由于當(dāng)脫膜軸轉(zhuǎn)速和撿膜滾筒轉(zhuǎn)速同時(shí)增加時(shí)，撿膜齒與脫膜葉片之間的作用力不斷增大，當(dāng)作用力達(dá)到一定值時(shí)，處于脫膜區(qū)域的殘膜被瞬間拉斷，從而導(dǎo)致脫膜率下降。

由圖9b可知，在脫膜軸轉(zhuǎn)速確定的情況下，隨著前進(jìn)速度的增加脫膜率呈先增加后減小輕微降低的趨勢(shì)，當(dāng)前進(jìn)速度低于1.11 m/s、撿膜滾筒轉(zhuǎn)速?gòu)?5 r/min增加到100 r/min時(shí)，脫膜率呈先增加后減小的趨勢(shì)?？傮w來(lái)看，當(dāng)撿膜滾筒轉(zhuǎn)速和前進(jìn)速度同時(shí)增加時(shí)，脫膜率先增加后減小，這是由于隨著撿膜滾筒轉(zhuǎn)速的增加，撿膜釘齒上的殘膜在與脫膜片接觸時(shí)還未被脫下便隨著釘齒離開(kāi)脫膜區(qū)，導(dǎo)致脫膜率降低。

由圖9c可知，當(dāng)撿膜滾筒轉(zhuǎn)速確定的情況下，隨著前進(jìn)速度的增加，脫膜率呈現(xiàn)緩慢減小的變化趨勢(shì)，當(dāng)前進(jìn)速度低于1.11 m/s時(shí)，隨著脫膜軸轉(zhuǎn)速的增加，脫膜率呈先增加后減小的趨勢(shì)?？傮w來(lái)看，隨著前進(jìn)速度和脫膜軸轉(zhuǎn)速的增加，脫膜率先增加后減小，這是由于隨著脫膜軸轉(zhuǎn)速的增加，脫膜葉片與撿膜釘齒之間的作用力逐漸增大，撿膜釘齒上的殘膜被扯斷而導(dǎo)致脫膜率降低。

圖9 各因素對(duì)脫膜率影響的響應(yīng)曲面圖

4.3.3 參數(shù)優(yōu)化與試驗(yàn)驗(yàn)證

對(duì)試驗(yàn)因素水平進(jìn)行優(yōu)化，以提高撿膜率和脫膜率為優(yōu)化目標(biāo)，對(duì)回歸方程式（22）和式（23）進(jìn)行分析，得到非線性規(guī)劃數(shù)學(xué)模型如下：

根據(jù)數(shù)學(xué)模型和撿拾率、脫膜率的回歸方程，利用MATLAB軟件對(duì)回歸方程進(jìn)行優(yōu)化求解[31-32]，得到最優(yōu)工作參數(shù)：前進(jìn)速度1.62 m/s，撿膜滾筒轉(zhuǎn)速90 r/min，脫膜軸轉(zhuǎn)速1 055 r/min，對(duì)應(yīng)撿膜率為72.13%，脫膜率為83.77%。

為驗(yàn)證優(yōu)化后參數(shù)模型的準(zhǔn)確性，使用優(yōu)化后的參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，設(shè)置前進(jìn)速度為1.62 m/s，撿膜滾筒轉(zhuǎn)速為90 r/min，脫膜軸轉(zhuǎn)速為1 055 r/min，試驗(yàn)進(jìn)行5組，對(duì)所得數(shù)值求平均值，試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表5 驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果

由試驗(yàn)結(jié)果可知，在前進(jìn)速度1.62 m/s、撿膜滾筒轉(zhuǎn)速90 r/min、脫膜軸轉(zhuǎn)速1 055 r/min 時(shí)，撿膜率為70.56%，比預(yù)測(cè)值低1.57個(gè)百分點(diǎn)；脫膜率為82.96%，比預(yù)測(cè)值低0.81個(gè)百分點(diǎn)。試驗(yàn)結(jié)果與參數(shù)優(yōu)化結(jié)果較接近，優(yōu)化結(jié)果可以作為殘膜回收裝置設(shè)計(jì)的最佳參數(shù)。

5 結(jié) 論

1）設(shè)計(jì)了一種可依次完成撿膜、脫膜、集膜、卸膜等一系列作業(yè)且能夠與播前整地機(jī)配套使用的殘膜回收裝置，確定了撿膜機(jī)構(gòu)、脫膜機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)參數(shù)及裝置最優(yōu)工作參數(shù)組合。

2）以機(jī)具前進(jìn)速度、撿膜滾筒轉(zhuǎn)速、脫膜軸轉(zhuǎn)速為試驗(yàn)因素，以撿膜率、脫膜率為指標(biāo)進(jìn)行試驗(yàn)，使用Design-Expert軟件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行響應(yīng)曲面分析，結(jié)果顯示，各因素對(duì)殘膜撿拾率影響的順序由大到小依次為：機(jī)具前進(jìn)速度、撿膜滾筒轉(zhuǎn)速、脫膜軸轉(zhuǎn)速；對(duì)脫膜率影響的順序由大到小依次為：脫膜軸轉(zhuǎn)速、撿膜滾筒轉(zhuǎn)速、機(jī)具前進(jìn)速度。

3）利用MATLAB軟件對(duì)殘膜撿拾率、脫膜率對(duì)應(yīng)的回歸方程進(jìn)行優(yōu)化，確定最佳工作參數(shù)為：機(jī)具前進(jìn)速度1.62 m/s，撿膜滾筒轉(zhuǎn)速90 r/min，脫膜軸轉(zhuǎn)速1 055 r/min。對(duì)優(yōu)化參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果顯示，殘膜撿拾率為70.56%，脫膜率為82.96%。

本文的試驗(yàn)是在土槽實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展，主要針對(duì)殘膜回收裝置關(guān)鍵部件的性能驗(yàn)證，模擬的田間作業(yè)條件與實(shí)際作業(yè)條件存在一定差異，試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際田間作業(yè)結(jié)果會(huì)存在偏差，但優(yōu)化結(jié)果與預(yù)測(cè)結(jié)果較吻合，可為后續(xù)整機(jī)設(shè)計(jì)提供一定的參考，該裝置與整地機(jī)配套聯(lián)合作業(yè)的實(shí)際效果還有待檢驗(yàn)。

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Design and test of nail-teeth roller-type residual film recovery device before sowing

Chen Xinghua1, Chen Xuegeng1, Li Jingbin1※, Li Chengsong2, Yang Yukun1

(1.,,832003,; 2.,,400715,)

Residual plastic films degrade soil structure and have a detrimental impact on seed germination and the subsequent seedling development and establishment, thereby leading to reductions in crop yield. Removing the films from soil prior to sowing is hence critical to safeguarding crop growth. This paper presents a roller-type device incorporated into ploughing machine to simultaneously strip, collect the films from the soil and then unload them in a row prior to sowing. The device was nail-teeth designed to pick up and strip the residual films. The optimal combination of the structure and working parameters of the device was theoretically analyze using a quadratic regression orthogonal rotation test by taking forward speed of the machine, rotating speed of film pick up roller and rotating speed of film stripping shaft as determinants, and the efficiency of both film pick up rate and film stripping rate to represent the performance of the device. The significance of each determinant in affecting the rate of film pick up and stripping was analyzed using the Design-Expert software. The results show that in terms of impact on film pick up rate, the three determinants were ranked in the order of machine forward speed > rotating speed of film pick up roller > rotating speed of film stripping shaft, while in terms of impact on film stripping rate, the determinants were ranked in the order of rotating speed of film stripping shaft > rotating speed of film pick up roller > machine forward speed. Optimization calculated using MATLAB showed that the optimal working parameters were: device forward speed 1.62 m/s, rotating speed of film pick up roller 90 r/min, and rotating speed of film stripping shaft 1 055 r/min. We verified these optimal results against field experiments and found that the film pick up and film stripping rate was 70.56% and 82.96%, respectively. The differences between the experimental results and the calculated results was small, indicating that the optimized working parameters were reliable and robust.

agricultural machinery; design; experiments; residual film before sowing; recovery; parameter optimization

陳興華，陳學(xué)庚，李景彬，李成松，楊禹錕. 釘齒滾筒式播前殘膜回收裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2020，36(2)：30－39.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.02.005 http://www.tcsae.org

Chen Xinghua, Chen Xuegeng, Li Jingbin, Li Chengsong, Yang Yukun. Design and test of nail-teeth roller-type residual film recovery device before sowing[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(2): 30－39. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.02.005 http://www.tcsae.org

2019-08-28

2020-01-05

兵團(tuán)重大科技項(xiàng)目（2018AA001）

陳興華，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)及理論。Email：cxh_shz@163.com

李景彬，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備創(chuàng)新與性能設(shè)計(jì)。Email：ljb8095@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.02.005

S147.2

A

1002-6819(2020)-02-0030-10