旱地全膜雙壟溝殘膜回收機的試驗研究

王松林，敬志臣，韓正晟，王波，戴飛，高愛民

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，甘肅 蘭州　730070；2.隴東學(xué)院機械工程學(xué)院，甘肅 慶陽　745000)

旱地全膜雙壟溝殘膜回收機的試驗研究

王松林1，敬志臣2，韓正晟1，王波1，戴飛1，高愛民1

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，甘肅 蘭州730070；2.隴東學(xué)院機械工程學(xué)院，甘肅 慶陽745000)

摘要：針對西北旱地全膜雙壟溝殘膜回收機回收率低的問題，采用正交試驗法對殘膜回收機的起膜齒齒數(shù)、摟膜耙齒齒徑、起膜齒入土深度進行研究，并對試驗結(jié)果進行方差分析，優(yōu)化了關(guān)鍵部件參數(shù)，確定了殘膜回收機最佳工作性能參數(shù).即起膜齒齒數(shù)為4個，前、中、后摟膜耙齒齒徑組合為10-8-6 mm，起膜齒入土深度為50 mm.重復(fù)試驗結(jié)果表明：回收機殘膜回收率為93.4%>75%，很好地滿足了殘膜回收的農(nóng)藝要求.

關(guān)鍵詞：殘膜回收機；全膜雙壟溝；正交試驗

第一作者：王松林(1989-)，男，碩士研究生，主要從事農(nóng)業(yè)工程技術(shù)與裝備研究.E-mail:wangsonglin10@126.com

Experimental research on retrieving machine for film

residue with whole plastic film mulching on

double ridges in arid land

WANG Song-lin1，JING Zhi-chen2，HAN Zheng-sheng1，WANG Bo1，DAI Fei1，GAO Ai-min1

(1.College of Engineering，Gansu Agricultural University，Lanzhou 730070，China；2.College of

Mechanical Engineering，Longdong University，Qingyang 745000，China)

Abstract：Aimed at the problem of lower rate recycling of plastic film collector for whole mulching on double ridges in northwestern arid land,orthogonal test method was used for the study on number of cutting film teeth,diameter of collecting film teeth and buried depth of the cutting film teeth.The experimental results were analyzed by variance analysis,and the key component parameters were optimized.The best working performance parameters of the collector were discovered as follows:the number of cutting film teeth was 4,the combination diameter of front,middle and back collecting film teeth was 10-8-6 mm,and the buried depth of the cutting film teeth was 50 mm.The results of replicated tests showed the rate of recycling of film was 93.4%>75%,which well met the agronomic requirements.

Key words：retrieving machine for film residue;whole plastic film mulching on double ridges;orthogonal experiment

西北旱作農(nóng)業(yè)區(qū)的土壤退化、旱情加重、低經(jīng)濟效益等問題制約其農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展[1].全膜雙壟溝播技術(shù)突破了傳統(tǒng)的壟上種植模式，鋪膜后通過膜上開穴將種子播種于壟溝內(nèi)，降雨富積于壟溝內(nèi)作物根系，地表水分的蒸發(fā)量被地膜顯著抑制[2].全膜雙壟溝播技術(shù)給旱作農(nóng)業(yè)帶來了福音，其顯著的經(jīng)濟效益使得該技術(shù)在西北地區(qū)進行大規(guī)模的推廣[3].然而由于地膜所采用的聚乙烯等烴類化合物在自然條件下極難降解，在土壤中可存在數(shù)百年[4-5].殘膜滯留于土壤中所帶來的“白色污染”導(dǎo)致農(nóng)田環(huán)境惡化、土壤質(zhì)量下降、農(nóng)作物減產(chǎn)等問題[6-7].機械化殘膜回收是解決殘膜污染問題的有效手段[8]，目前國內(nèi)的殘膜回收機如氣吸式、彈齒式、滾筒式、偏心伸縮桿齒式等普遍存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價高、仿形能力差、回收率低等問題[9-13]，且缺乏對關(guān)鍵部件參數(shù)優(yōu)化的試驗研究，成為了制約殘膜機械化回收的主要因素.鑒于此，本研究根據(jù)殘膜回收的農(nóng)藝技術(shù)要求，針對殘膜回收機所存在的問題，通過正交試驗優(yōu)化殘膜回收機的起膜齒齒數(shù)，前、中、后摟膜耙齒齒徑，起膜齒入土深度等關(guān)鍵部件參數(shù)，提高了殘膜回收率.

1整機結(jié)構(gòu)及主要技術(shù)參數(shù)

1.1整機結(jié)構(gòu)

旱地全膜雙壟溝殘膜回收機主要由機架、三點懸掛裝置、彈齒摟膜機構(gòu)、起膜齒、氣動卸膜機構(gòu)、地輪等組成.其結(jié)構(gòu)如圖1所示.

1.2工作原理

該機作業(yè)時，整機三點懸掛于四輪拖拉機尾部，拖拉機驅(qū)動殘膜回收機前進并帶動起膜齒入土起膜、破根茬.前摟膜耙齒將殘膜收集在其耙齒之間，由于前、中、后摟膜耙齒相互錯開、齒間間距依次變小、齒數(shù)依次變多，中、后摟膜耙齒可將前耙齒漏掉的殘膜進行第二、三次收集.當(dāng)殘膜收集到一定程度時，通過氣泵驅(qū)動平行四桿機構(gòu)帶動卸膜齒轉(zhuǎn)動進行自動卸膜.

1.3技術(shù)指標

旱地全膜雙壟溝殘膜回收機的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示.

2正交試驗

2.1試驗條件

旱地全膜雙壟溝殘膜回收機于2014年在甘肅省慶陽市西峰區(qū)后官寨鄉(xiāng)路堡村進行了數(shù)次田間試驗.試驗地海拔高度為1 421 m，年均降水量480 mm，年均氣溫8.8 ℃，全年無霜期175 d，屬于黃土高原干旱地區(qū).試驗地地勢較緩，土壤以中壤土為主，含水率18.9%～20.3%，堅實度1 560.3 kPa，前茬作物為玉米，試驗對象為兩年用地膜，厚度為0.006 mm，抗拉強度為17.84 N.機具與東方紅-200型四輪拖拉機(14.7 kW)三點懸掛連接，作業(yè)速度為1.0 m/s.旱地全膜雙壟溝殘膜回收機的田間試驗如圖2所示，殘膜回收前后的對比效果如圖3所示.

1：平行四桿機構(gòu);2：三點懸掛裝置;3：氣泵;4：起膜齒;5：地輪;6：前摟膜耙齒;7：機架;8：中摟膜耙齒;9：卸膜齒;10：后摟膜耙齒.

圖1　殘膜回收機結(jié)構(gòu)圖

2.2試驗指標

按照殘膜回收的農(nóng)藝要求，并更好地對殘膜回收機進行定量分析，確定該試驗指標為回收率，計算方法如下：

圖2　殘膜回收機田間試驗

圖3　殘膜回收前后對比效果

2.3試驗方法

以兩個工作幅寬(1.6 m×2)為寬，試驗地地長(120 m)為長劃定一個單位的矩形試驗區(qū)域.殘膜回收后洗凈、晾干，測定其質(zhì)量，地膜總質(zhì)量以覆膜時消耗的薄膜量在田間經(jīng)過兩年曝曬、風(fēng)干后的質(zhì)量為準.

2.4試驗因素與水平

主要考察易于控制且對殘膜回收機的試驗指標影響最主要的因素：起膜齒齒數(shù)，前、中、后摟膜耙齒齒徑組合和起膜齒入土深度.為滿足試驗要求，分別選擇三組不同的起膜齒齒數(shù)(通過減少或增加齒數(shù)來調(diào)節(jié))，摟膜耙齒齒徑組合和起膜齒入土深度(通過螺栓調(diào)節(jié)).由以往經(jīng)驗得知，各因子之間的交互效應(yīng)會對試驗指標產(chǎn)生重要影響，所以上述因子之間的交互作用也是必須得考慮的[14].試驗因素與水平見表2.

根據(jù)因素與水平選用L27(313)的正交表來安排試驗[14-15]，試驗數(shù)據(jù)及結(jié)果見表3.

表2　試驗因素與水平

表3　試驗數(shù)據(jù)與結(jié)果

2.5試驗結(jié)果與分析

2.5.1數(shù)據(jù)分析由試驗結(jié)果的極差分析可知[15-16]，R=kmax-kmin，故試驗指標回收率各因子的優(yōu)水平和因素主次順序依次為：C2、B2、A1、[(A×B)1]3、[(A×B)2]1、[(A×C)1]1、[(A×C)2]1、[(B×C)1]2、[(B×C)2]3，則其較優(yōu)水平組合為C2B2A1.

為得到最優(yōu)水平組合，對試驗數(shù)據(jù)進行方差分析[15]，結(jié)果如表4所示.從方差分析結(jié)果可以得出：對回收率來說，因子A、B和C對試驗指標的影響是高度顯著的，其他因素對試驗指標的影響是不顯著的.由于試驗結(jié)果指標是回收率，數(shù)據(jù)越大意味著殘膜回收機的作業(yè)質(zhì)量越高，故最大的回收率參數(shù)為A1B2C2與極差分析結(jié)果相一致.

2.5.2各因子對試驗指標的影響分析

2.5.2.1起膜齒齒數(shù)起膜齒齒數(shù)過少，起膜齒入土破茬起膜不充分；齒數(shù)過多會導(dǎo)致殘膜堵塞在起膜齒之間，通過性能差，不利于摟膜耙齒對殘膜的收集，從而降低了殘膜回收率，故因素A(起膜齒齒數(shù))在第一水平(4個)時，殘膜回收率最高.

2.5.2.2前、中、后摟膜耙齒齒徑組合機具作業(yè)時，土壤對前、中、后摟膜耙齒的作用力依次減小，則前、中、后摟膜耙齒的剛性(齒徑)應(yīng)依次變小.摟膜耙齒齒徑過細，剛性較小，不利于入土作業(yè)，齒徑過粗，剛性較大，殘膜回收機仿形性能差，拾凈率低，故因素B(前、中、后摟膜耙齒齒徑組合)在第二水平(10-8-6 mm)時，殘膜回收率最高.

2.5.2.3起膜齒入土深度起膜齒入土深度過小，深層地膜得不到有效回收，由于摟膜耙齒無法達到過大的入土深度，起膜齒入土深度過大不會使拾凈率增大，相反會增加殘膜回收機的功耗且不利于摟膜耙齒通過，會在一定程度上降低殘膜回收率，故因素C(起膜齒入土深度)在第二水平(50 mm)時，殘膜回收率最高.

2.5.3試驗驗證為了驗證該工作參數(shù)的科學(xué)性與合理性，選取了上述試驗中回收率效果較好的試驗條件做重復(fù)試驗.以表3中的試驗數(shù)據(jù)為依據(jù)，選取試驗號為1、5、8、15、20、24的試驗條件進行多次重復(fù)試驗.試驗結(jié)果如表5所示.由表5中可知，最好的工作參數(shù)條件是：起膜齒齒數(shù)為4個，前、中、后摟膜耙齒齒徑組合為10-8-6 mm，起膜齒入土深度為50 mm，與正交試驗分析和因素對指標的影響分析相吻合.以此參數(shù)進行殘膜回收作業(yè)，殘膜回收率最高，在93%以上.

表4　試驗數(shù)據(jù)方差分析

表5　試驗驗證結(jié)果

3結(jié)論

1)針對西北旱地土壤板結(jié)嚴重，膜纏根茬而導(dǎo)致的全膜雙壟溝殘膜回收機回收率低的問題，對殘膜回收機進行了試驗分析與參數(shù)優(yōu)化.

2)通過正交試驗得到影響回收率因素的主次順序，確定了殘膜回收機最優(yōu)參數(shù)組合：起膜齒齒數(shù)為4個，前、中、后摟膜耙齒齒徑組合為10-8-6 mm，起膜齒入土深度為50 mm.

3)重復(fù)試驗結(jié)果表明：該機的殘膜回收率為93.4%>75%，很好地滿足了殘膜回收的農(nóng)藝要求.

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(責(zé)任編輯趙曉倩)

收稿日期：2014-05-28；修回日期：2014-07-08

基金項目：甘肅省科技支撐計劃資助項目(1204NKCA091).

通信作者：高愛民，男，博士，講師，主要從事農(nóng)業(yè)工程技術(shù)與裝備研究.E-mail:gaoaimin@gsau.edu.cn

中圖分類號：S 223.5

文獻標志碼：A

文章編號：1003-4315(2015)02-0160-05