鏟齒組合式殘膜撿拾裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)優(yōu)化

由佳翰 張本華 溫浩軍 康建明 宋玉秋 陳學(xué)庚

(1.沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院， 沈陽 110866； 2.新疆農(nóng)墾科學(xué)院機(jī)械裝備研究所， 石河子 832000；3.山東省農(nóng)業(yè)機(jī)械科學(xué)研究院， 濟(jì)南 250100)

鏟齒組合式殘膜撿拾裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)優(yōu)化

由佳翰1張本華1溫浩軍2康建明3宋玉秋1陳學(xué)庚2

(1.沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院， 沈陽 110866； 2.新疆農(nóng)墾科學(xué)院機(jī)械裝備研究所， 石河子 832000；3.山東省農(nóng)業(yè)機(jī)械科學(xué)研究院， 濟(jì)南 250100)

針對新疆平作區(qū)棉花殘膜回收機(jī)起膜、拾膜分步作業(yè)造成殘膜回收率低、含雜率高的問題，提出了起膜、拾膜協(xié)同作業(yè)的思路，設(shè)計(jì)了一種鏟齒組合式(同步起膜、拾膜)殘膜回收裝置。通過對起膜鏟起膜機(jī)理進(jìn)行分析，確定了起膜鏟導(dǎo)曲面參數(shù)方程和主要結(jié)構(gòu)參數(shù)；通過對撿拾滾筒拾膜過程運(yùn)動及受力分析，確定了拾膜齒桿能夠“扎”起殘膜的必要條件。運(yùn)用Design-Expert 8.0.6數(shù)據(jù)分析軟件中心組合試驗(yàn)方法對組合式殘膜撿拾裝置的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)，建立了起膜鏟入土角、撿拾滾筒轉(zhuǎn)速、機(jī)具前進(jìn)速度與殘膜回收率和含雜率的三元二次回歸模型。采用非線性優(yōu)化計(jì)算方法，對影響因素進(jìn)行綜合優(yōu)化計(jì)算。試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)起膜鏟入土角為30°、拾膜滾筒轉(zhuǎn)速為120 r/min、機(jī)具前進(jìn)速度為1.0 m/s時(shí)，殘膜回收率為90.3%，含雜率為4.1%，比起膜、拾膜分步作業(yè)條件下的殘膜回收率提高了5.3個(gè)百分點(diǎn)，含雜率降低了4.8個(gè)百分點(diǎn)。試驗(yàn)指標(biāo)均達(dá)到了國家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求，試驗(yàn)結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求。

殘膜回收； 鏟齒組合； 參數(shù)優(yōu)化

引言

地膜覆蓋栽培技術(shù)具有增溫保墑、改善農(nóng)作物生育條件等特點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物早熟、優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)和獲取較高經(jīng)濟(jì)效益的有效措施[1-3]。農(nóng)用地膜的主要成分是聚烯烴類化合物，極難降解，且由于破碎、深埋等原因有很大一部分不能徹底回收[4]。隨著地膜覆蓋種植面積的逐年擴(kuò)大，農(nóng)田中積累的廢舊地膜對農(nóng)作物根系生長、出苗和產(chǎn)量產(chǎn)生了嚴(yán)重影響[5-7]。

機(jī)械化殘膜回收是解決殘膜污染問題的有效手段?，F(xiàn)有的殘膜回收方式主要有滾筒式[8]、鏟篩式[9]、鏈齒式[10]、夾持輸送式[11]等，這些殘膜回收機(jī)械在一定程度上解決了土壤“白色污染”問題，但從實(shí)際使用情況來看，仍存在提升和完善的空間。滾筒式殘膜回收機(jī)在實(shí)際作業(yè)時(shí)存在纏膜、壅土等問題；鏟篩式殘膜回收機(jī)殘膜回收率高、但輸膜性能較差；鏈齒式殘膜回收機(jī)壅土、漏膜、纏膜現(xiàn)象嚴(yán)重；夾持輸送式殘膜回收機(jī)在實(shí)際作業(yè)時(shí)效率低，漏膜嚴(yán)重。針對目前殘膜回收機(jī)存在的問題，國內(nèi)學(xué)者對上述機(jī)型均有一定的研究[12-14]，但對起膜、拾膜組合式殘膜回收機(jī)具研究較少，且未對其關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)和工作參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。本文針對新疆平作區(qū)棉花殘膜回收機(jī)起膜、拾膜分步作業(yè)造成殘膜回收率低、含雜率高的問題，提出起膜、拾膜協(xié)同作業(yè)的思路，設(shè)計(jì)一種組合式(同步起膜、拾膜)殘膜回收裝置,通過對其關(guān)鍵結(jié)構(gòu)進(jìn)行理論和試驗(yàn)研究，以期為鏟齒組合式殘膜回收機(jī)設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供參考。

1 鏟齒組合式殘膜回收機(jī)總體設(shè)計(jì)

1.1 地膜覆蓋栽培種植模式與殘膜分布特點(diǎn)

地膜覆蓋栽培是先在地面上蓋一層地膜，隨后將作物種子在膜上打孔播入土壤；或是先將作物種子播入土壤，然后在地面上蓋一層地膜[15-17]，如圖1所示。為防止膜邊被風(fēng)吹起，常用碎土將膜邊壓實(shí)，秋后的殘膜主要分布在膜面和膜邊，膜面的殘膜易于回收，膜邊的殘膜被碎土壓實(shí)，難以回收。圖中，W1為膜邊寬度，mm；W2為膜面寬度，mm；S1為作物窄行距，mm；S2為作物寬行距，mm。

1.2 結(jié)構(gòu)與工作原理

鏟齒組合式殘膜回收機(jī)主要由懸掛裝置、傳動系統(tǒng)、秸稈粉碎裝置、行走輪、拾膜齒桿、撿拾滾筒、起膜鏟、離心風(fēng)機(jī)和殘膜存儲箱等部分組成，其中起膜鏟和撿拾滾筒屬于殘膜撿拾裝置，樣機(jī)具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 棉花地膜覆蓋栽培種植模式示意圖Fig.1 Schematic of plastic film mulching cultivation mode1.農(nóng)作物 2.膜面 3.膜邊

圖2 鏟齒組合式殘膜回收機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖Fig.2 Structural diagram of combined residual plastic film1.懸掛裝置 2.傳動系統(tǒng) 3.秸稈粉碎裝置 4.行走輪 5.拾膜齒桿 6.撿拾滾筒 7.起膜鏟 8.離心風(fēng)機(jī) 9.殘膜存儲箱

工作時(shí)，機(jī)具以三點(diǎn)懸掛的方式與拖拉機(jī)掛接，拖拉機(jī)動力輸出軸將動力傳遞至秸稈粉碎裝置，作物秸稈粉碎后被拋向一側(cè)，起膜鏟在自身重力和入土刃角的共同作用下滑動進(jìn)入膜下土壤并將殘膜揭起，殘膜在起膜鏟上向后滑移，當(dāng)滑移至與拾膜齒桿接觸時(shí)，殘膜被旋轉(zhuǎn)的拾膜齒桿“扎”起，附著在拾膜齒桿上的殘膜被運(yùn)送至卸膜機(jī)構(gòu)，在離心風(fēng)機(jī)的作用下被吹入殘膜存儲箱。

2 殘膜撿拾裝置結(jié)構(gòu)與參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1 起膜鏟

2.1.1起膜鏟導(dǎo)曲面的設(shè)計(jì)起膜裝置主要由起膜鏟、前立柱、限深板、后立柱等組成，整個(gè)裝置與雙向平行四桿仿形機(jī)構(gòu)剛性連接，如圖3所示。

圖3 起膜裝置結(jié)構(gòu)簡圖Fig.3 Structural diagram of loosen film shovel1.起膜鏟 2.前立柱 3.限深板 4.后立柱

為使起膜鏟上盡可能多地積累殘膜并且使殘膜在機(jī)具前進(jìn)過程中能平穩(wěn)地向后滑移，在起膜鏟表面設(shè)計(jì)一段拋物線狀的導(dǎo)曲面，其輪廓曲線如圖4中曲線AB所示。導(dǎo)曲面的輪廓曲線直接影響殘膜在起膜鏟上的累積量和滑移程度，拋物線形導(dǎo)曲線的尺寸和形狀確定方法如下：

圖4 起膜鏟輪廓曲線Fig.4 Contour curve of loosen film shovel

以起膜鏟鏟尖建立直角坐標(biāo)系OXY，導(dǎo)曲線拋物線部分的高度h1及開度L1為

(1)

則A點(diǎn)坐標(biāo)為(Scosα，Ssinα)，B點(diǎn)坐標(biāo)為(L，h)，起膜鏟導(dǎo)曲線方程為

(2)

其中

u=h1-L1tanαz=h1tanα+L1

式中h1——曲線輪廓垂直距離，mm

L1——曲線輪廓水平距離，mm

h——起膜鏟垂直距離，mm

L——起膜鏟水平距離，mm

α——起膜鏟入土角，(°)

S——起膜鏟鏟尖長度，mm

式(2)即為導(dǎo)曲線的拋物線部分方程式，導(dǎo)曲線的形狀與α、L1、h1有關(guān)，根據(jù)整機(jī)設(shè)計(jì)空間結(jié)構(gòu)要求，L1=300 mm，h1=120 mm。入土角α的最佳取值將通過試驗(yàn)進(jìn)行確定。

2.1.2起膜鏟入土角

起膜鏟入土角α的作用是將殘膜抬起一定高度，使拾膜彈齒容易撿拾殘膜，入土角的大小直接影響起膜質(zhì)量和撿拾效果，通過對起膜鏟鏟尖處(殘膜即將在鏟面運(yùn)動的臨界時(shí)刻)殘膜的受力可以間接推算出起膜鏟入土角的理論值，起膜鏟上殘膜M的受力如圖5所示。

圖5 殘膜受力示意圖Fig.5 Stress diagram of residual plastic film

殘膜M能夠沿鏟面向上運(yùn)動的條件為

Fcosα≥Gsinα+f

(3)

其中

f=μ(Gcosα+Fsinα)

(4)

則

(5)

式中G——?dú)埬ぶ亓?，N

f——鏟面對殘膜的摩擦力，N

μ——起膜鏟與殘膜間的摩擦因數(shù)

F——地面殘膜對鏟面上殘膜的推力，N

由式(5)可知，起膜鏟入土角與地面殘膜對鏟面上殘膜的推力F、殘膜重力G、起膜鏟與殘膜間的摩擦因數(shù)μ有關(guān)，入土角過大，起膜鏟托起的殘膜將會壅堵在起膜鏟上，導(dǎo)致工作阻力的增加，增大能量消耗；入土角過小，則起膜鏟不能將殘膜托起至一定的高度，從而影響整機(jī)作業(yè)效果。根據(jù)文獻(xiàn)[18]，起膜鏟入土角α取10°～30°時(shí)起膜效果最優(yōu)，本設(shè)計(jì)通過試驗(yàn)確定起膜鏟入土角α。

2.2 撿拾滾筒

撿拾滾筒的主要作用是將起膜鏟上的殘膜通過拾膜齒桿“扎”起，并將其運(yùn)送至卸膜槽，主要由偏心軸、拾膜齒桿、卸膜槽、撿拾滾筒等組成，其結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 撿拾滾筒結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Schematic diagram of film collecting device1.偏心軸 2.拾膜齒桿 3.卸膜槽 4.撿拾滾筒

當(dāng)拾膜齒桿“扎”起殘膜上升時(shí)，殘膜受力情況如圖7所示。

圖7 殘膜受力分析Fig.7 Force analysis of film collecting

假定O為滾筒轉(zhuǎn)動中心，O1為拾膜齒桿轉(zhuǎn)動中心；α1為拾膜齒桿偏心位置與豎直方向夾角，(°)；Fr為殘膜所受法向力，N；Ft為殘膜所受切向力，N；Fn為切向力和法向力的合力，N。

設(shè)拾膜齒桿剛離開作業(yè)面時(shí)其位置與垂線夾角為

(6)

式中d——拾膜齒桿最大作業(yè)深度，mm

l——拾膜齒桿回轉(zhuǎn)半徑，mm

設(shè)拾膜齒桿端點(diǎn)C處殘膜重力G為

G=mg

(7)

Gn=Gsinα2

(8)

Gt=Gcosα2

(9)

式中m——?dú)埬べ|(zhì)量，kg

Gn——重力沿拾膜齒桿方向的法向分力，N

Gt——重力沿拾膜齒桿方向的切向分力，N

設(shè)拾膜齒桿對殘膜的法向作用力為

F1=Gsinα2+Pbcosβ

(10)

其中

Pb=mrω2

(11)

式中Pb——?dú)埬に艿膽T性力，N

β——慣性力與重力法向分力間夾角，(°)

r——?dú)埬み\(yùn)動時(shí)的瞬時(shí)半徑，mm

ω——拾膜齒桿端點(diǎn)C處角速度，rad/s

則使拾膜齒桿能夠“扎”起殘膜運(yùn)動的必要條件為

f≥Gt+Pbsinβ

(12)

f=μN(yùn)

(13)

N=Gn+Pbcosβ

(14)

(15)

式(15)可簡化為

(16)

式中n——撿拾滾筒轉(zhuǎn)速，r/min

當(dāng)cosα2-μ2sinα2gt;0和μcosβ-sinβgt;0時(shí)，式(16)才有意義。

以試驗(yàn)樣機(jī)為例，取μ=0.5，α2=52.5°，r=0.4 m，β=25°時(shí)，計(jì)算得出ωgt;10.12 rad/s，即ngt;97 r/min。

3 田間試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)設(shè)備與條件

試驗(yàn)于2016年10月3—10日在石河子市149團(tuán)11連進(jìn)行。試驗(yàn)地塊面積1 hm2，前茬作物為棉花，寬行行距為660 mm，窄行行距為110 mm，地膜寬度2 050 mm，地膜厚度0.008 mm，地膜兩邊壓入土中，膜面有少量破損。試驗(yàn)設(shè)備為課題組自行研制的鏟齒組合式殘膜回收機(jī)以及轉(zhuǎn)速測試儀、米尺、電子秤等，圖8為試驗(yàn)現(xiàn)場。

圖8 田間試驗(yàn)Fig.8 Field trial

3.2 試驗(yàn)因素與性能指標(biāo)

起膜鏟入土角對殘膜回收質(zhì)量有較大影響，為保證拾膜彈齒能夠足量的“扎”起殘膜，根據(jù)前面分析及加工工藝，試驗(yàn)選取起膜鏟入土角的3個(gè)水平為10°、20°和30°。

撿拾滾筒轉(zhuǎn)速對撿拾作業(yè)的效率和性能有較大影響。轉(zhuǎn)速過大，拾膜彈齒會對殘膜過度打擊，使殘膜進(jìn)一步破碎，加劇回收難度；轉(zhuǎn)速過小，影響機(jī)具的工作效率，根據(jù)上述理論分析，撿拾滾筒轉(zhuǎn)速最小值應(yīng)大于100 r/min，結(jié)合實(shí)際作業(yè)情況及整機(jī)傳動限制，本次試驗(yàn)選取撿拾滾筒轉(zhuǎn)速的3個(gè)水平為100、110、120 r/min。

前進(jìn)速度對工作效率和機(jī)具的可靠性有較大影響，當(dāng)前進(jìn)速度小于0.5 m/s時(shí)，會導(dǎo)致作業(yè)效率過低以及出現(xiàn)壅土現(xiàn)象；前進(jìn)速度大于1.5 m/s時(shí)，會發(fā)生漏膜。根據(jù)拖拉機(jī)擋位及實(shí)際作業(yè)情況，本次試驗(yàn)選取前進(jìn)速度的3個(gè)水平為0.5、1.0、1.5 m/s。試驗(yàn)因素編碼如表1所示。

表1 試驗(yàn)因素編碼Tab.1 Experiment factors and code

收膜性能良好、無壅土纏膜現(xiàn)象是鏟齒組合式殘膜回收機(jī)能夠連續(xù)作業(yè)的必要條件，殘膜回收率和殘膜含雜率是衡量其性能的主要指標(biāo)，計(jì)算式為

(17)

式中η——?dú)埬せ厥章剩?

m0——試驗(yàn)地塊所鋪地膜的總質(zhì)量，kg

m1——?dú)埬せ厥蘸蟮馁|(zhì)量，kg

(18)

式中ξ——?dú)埬ずs率，%

m2——回收后殘膜中雜質(zhì)的質(zhì)量，kg

3.3 試驗(yàn)方法及數(shù)據(jù)處理

在殘膜回收作業(yè)中存在很多影響殘膜回收率和殘膜含雜率的非線性因素，通?？梢赃x用2次或者更高次的模型來逼近響應(yīng)[19-20]，本次試驗(yàn)以起膜鏟入土角α、撿拾滾筒轉(zhuǎn)速n和機(jī)具前進(jìn)速度v作為試驗(yàn)因素(X1、X2和X3表示編碼值)，以殘膜回收率η和殘膜含雜率ξ作為響應(yīng)值(分別以Y1和Y2表示)。試驗(yàn)方案及結(jié)果如表2所示。

采用Design-Expert 8.0.6分析軟件對試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表2 試驗(yàn)方案與結(jié)果Tab.2 Experiment scheme and results

進(jìn)行分析處理。通過t檢驗(yàn)對回歸模型各因素影響的顯著性進(jìn)行檢驗(yàn)，采用非線性優(yōu)化計(jì)算方法，結(jié)合Matlab軟件優(yōu)化工具箱，對殘膜回收性能進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，獲得符合要求的最佳參數(shù)組合。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析與參數(shù)優(yōu)化

4.1 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1.1回歸分析

應(yīng)用Design-Expert軟件對表2中數(shù)據(jù)擬合并進(jìn)行方差分析，可得回歸系數(shù)及其顯著性檢驗(yàn)如表3所示。

表3 模型顯著性檢驗(yàn)Tab.3 Significance test of model

注：*表示差異顯著(plt;0.05)，** 表示差異極顯著(plt;0.01)。

由表3可知，對于殘膜回收率，模型的顯著性檢驗(yàn)F1=54.02，Plt;0.000 1，說明二次回歸方程的檢驗(yàn)達(dá)到高度顯著；且失擬性檢驗(yàn)F1=20.83，Pgt;0.1，為不顯著；對于殘膜含雜率，模型的顯著性檢驗(yàn)F2=19.85，Plt;0.000 1，且失擬性檢驗(yàn)F2=4.57，Pgt;0.1，為不顯著，說明在試驗(yàn)范圍內(nèi)模型的擬合性非常好，此模型適用于3個(gè)因素對殘膜回收率和殘膜含雜率的分析和預(yù)測。

殘膜回收率的回歸方程式為

(19)

殘膜含雜率的回歸方程式為

Y2=6.12+0.31X1-1.74X2+1.05X3

(20)

4.1.2響應(yīng)面分析

為更直觀地分析殘膜回收率和殘膜含雜率與起膜鏟入土角α、撿拾滾筒轉(zhuǎn)速n、機(jī)具前進(jìn)速度v之間的關(guān)系，借助Design-Expert軟件的圖形設(shè)計(jì)技術(shù)，繪制直觀、形象的殘膜回收率和殘膜含雜率與影響因素的三維曲面圖，如圖9所示。

由表3和圖9可知，影響因素對殘膜回收率影響的主次順序是起膜鏟入土角、撿拾滾筒轉(zhuǎn)速、機(jī)具前進(jìn)速度，且影響因素對殘膜回收率存在交互作用。由圖9a知，隨著起膜鏟入土角和滾筒轉(zhuǎn)速的增加，殘膜回收率逐漸增大，但相應(yīng)的殘膜含雜率也呈現(xiàn)增大趨勢，故在保證殘膜回收率較大的條件下盡量降低起膜鏟入土角度和撿拾滾筒轉(zhuǎn)速。由圖9b知,隨著機(jī)具前進(jìn)速度的增大，殘膜回收率呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，在前進(jìn)速度為1.0 m/s時(shí)達(dá)到最大值，這是因?yàn)榍斑M(jìn)速度過大時(shí)，拾膜桿齒在較短的時(shí)間內(nèi)無法將起膜鏟上的殘膜“扎”起，導(dǎo)致殘膜回收率降低，起膜鏟角度大于20°時(shí)，殘膜回收率呈現(xiàn)平穩(wěn)。由圖9c知,當(dāng)撿拾滾筒轉(zhuǎn)速在0～110 r/min時(shí)，殘膜回收率的波動較小，當(dāng)轉(zhuǎn)速大于110 r/min時(shí)，殘膜回收率有較大幅度的增長，這是因?yàn)檗D(zhuǎn)速較高時(shí)，拾膜桿齒可以連續(xù)地將起膜鏟上的殘膜“扎”起，避免了殘膜在輸送過程中出現(xiàn)“斷流”。但轉(zhuǎn)速過大也會對殘膜造成過度打擊，使殘膜進(jìn)一步破碎，加劇回收難度。機(jī)具前進(jìn)速度的增大仍然使殘膜回收率呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。

圖9 各因素對殘膜回收性能的影響Fig.9 Influence of factors on residual film recycling performance

由圖9d、9e和9f可知,隨著起膜鏟入土角、撿拾滾筒轉(zhuǎn)速和機(jī)具前進(jìn)速度的增大，殘膜含雜率均呈現(xiàn)上升趨勢。影響因素對殘膜含雜率影響的主次順序是起膜鏟入土角、機(jī)具前進(jìn)速度、撿拾滾筒轉(zhuǎn)速，影響因素對殘膜回收率不存在交互作用。因此，在實(shí)際作業(yè)時(shí)為降低殘膜含雜率，應(yīng)在保證殘膜回收率的條件下，參數(shù)盡量選取較小值。

4.2 參數(shù)優(yōu)化與驗(yàn)證

殘膜回收率和殘膜含雜率是反映機(jī)具殘膜回收效果的重要指標(biāo)，在試驗(yàn)范圍內(nèi)要求殘膜回收率越大越好，殘膜含雜率越小越好。應(yīng)用Design-Expert軟件的尋優(yōu)功能對其進(jìn)行優(yōu)化，如表4所示。預(yù)測的最佳試驗(yàn)條件為：起膜鏟入土角30°，撿拾滾筒轉(zhuǎn)速120 r/min，機(jī)具前進(jìn)速度1.0 m/s，預(yù)測殘膜回收率為92.8%，含雜率為3.4%。

為驗(yàn)證優(yōu)化結(jié)果的可行性，現(xiàn)按預(yù)測的數(shù)值進(jìn)行試驗(yàn)，設(shè)定起膜鏟入土角30°，撿拾滾筒轉(zhuǎn)速120 r/min，機(jī)具前進(jìn)速度1.0 m/s。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90.3%，殘膜含雜率為4.1%，與預(yù)測值的誤差小于3%，試驗(yàn)結(jié)果與預(yù)測值很接近，驗(yàn)證了所建模型的準(zhǔn)確性。同時(shí)將試驗(yàn)結(jié)果與起膜、拾膜分步作業(yè)條件下的殘膜回收機(jī)相比較，試驗(yàn)結(jié)果表明：起膜、拾膜組合式作業(yè)比起膜、拾膜分步作業(yè)殘膜回收率提高5.3個(gè)百分點(diǎn)，含雜率降低4.8個(gè)百分點(diǎn)，完全符合殘膜回收作業(yè)的要求。

表4 優(yōu)化結(jié)果與試驗(yàn)值對比Tab.4 Comparison of optimization results withactual values

5 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了一種鏟齒組合式殘膜撿拾裝置，起膜鏟和撿拾滾筒協(xié)同作業(yè)，整體結(jié)構(gòu)有利于提高殘膜回收率，降低殘膜含雜率。

(2)起膜鏟入土角、撿拾滾筒轉(zhuǎn)速和機(jī)具前進(jìn)速度對殘膜回收率和殘膜含雜率均有顯著影響，且影響強(qiáng)弱次序?yàn)槠鹉ょP入土角、撿拾滾筒轉(zhuǎn)速、機(jī)具前進(jìn)速度。影響因素與殘膜含雜率不存在交互作用，隨著起膜鏟入土角、撿拾滾筒轉(zhuǎn)速和機(jī)具前進(jìn)速度的增大，殘膜含雜率均呈現(xiàn)上升趨勢。

(3)應(yīng)用Design-Expert軟件的尋優(yōu)功能對其進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后起膜鏟入土角為30°，撿拾滾筒轉(zhuǎn)速為120 r/min，機(jī)具前進(jìn)速度為1.0 m/s，此時(shí)殘膜回收率為90.3%，殘膜含雜率為4.1%，與預(yù)測值之間的誤差小于3%，同時(shí)比起膜、拾膜分步作業(yè)殘膜回收率提高5.3個(gè)百分點(diǎn)，含雜率降低4.8個(gè)百分點(diǎn)，完全符合殘膜回收作業(yè)的要求。

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DesignandTestOptimizationonSpadeandTineCombinedResidualPlasticFilmDevice

YOU Jiahan1ZHANG Benhua1WEN Haojun2KANG Jianming3SONG Yuqiu1CHEN Xuegeng2

(1.CollegeofEngineering,ShenyangAgriculturalUniversity,Shenyang110866,China2.MechanicalEquipmentResearchInstitute,XinjiangAcademyofAgriculturalandReclamationScience,Shihezi832000,China3.ShandongAcademyofAgriculturalMachineryScience,Ji’nan250100,China)

Plastic film mulching cultivation technique has the characteristics of increasing temperature and conserving soil moisture and improving the crop fertility conditions. It is an effective measure to realize the early maturing, high quality, high yield and high economic benefit. However, with the expansion of plastic mulching planting area, the plastic film had a serious impact on the root growth, emergence and yield of crops. The mechanized film recycling is an effective means to solve the problem of residual film pollution. There are many ways of recycling equipment, but from the actual use of view, there are some problems. Aiming at the problems of low film recycling rate and high impurity rate, the idea of putting spading film and picking film together was proposed, and a combined type (synchronous spading and picking up) residual film collector device was designed. By analyzing the mechanism of spade film formation, the parametric equation and the main structural parameters of spalling surface were established. Through the analysis of movement and force of pick-up roller, the necessary conditions for the tine to “tie” the residual film were determined. Design-Export 8.0.6 was used to test the key parameters of the combined residual film pick-up device. The ternary quadratic regression model was established, which included penetrating angle of film releasing shovels, rotational speed of picking roller, forward speed of machine, and film recycling rate and impurity rate. The nonlinear optimization method was used to optimize the influence factors. The results showed that the film recycling rate was 90.3% and the impurity rate was 4.1% when the angle of film releasing shovels was 30°, the rotational speed of picking roller was 120 r/min, and the forward speed was 1.0 m/s. The film recycling rate was increased by 5.3 percentage points and the impurity rate was decreased by 4.8 percentage points, compared with the spade and tine step by step. Test indicators reached the national and industry standards, and the test results met the design requirements.

residual plastic film collecting; combination of spade and tine; parameter optimization

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.11.012

S222.3

A

1000-1298(2017)11-0097-08

2017-02-27

2017-03-16

農(nóng)業(yè)部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)(201503105)和中國工程院咨詢項(xiàng)目(2017-XZ-18)

由佳翰(1988—)，男，博士生，主要從事農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備及關(guān)鍵技術(shù)研究，E-mail： synydxyjh@163.com

陳學(xué)庚(1947—)，男，研究員，中國工程院院士，主要從事農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備及關(guān)鍵技術(shù)研究，E-mail： chenxg130@sina.com