帆布帶式馬鈴薯挖掘-殘膜回收聯(lián)合作業(yè)機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

戴　飛　郭笑歡　趙武云　辛尚龍　劉小龍　吳正文

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院， 蘭州 730070； 2.甘肅武威興旺農(nóng)機(jī)制造有限公司， 武威 733018)

0　引言

近年來，甘肅省馬鈴薯產(chǎn)業(yè)化種植規(guī)模在不斷擴(kuò)大，主要結(jié)合馬鈴薯大壟雙行全膜面覆土種植模式展開，取得了顯著的產(chǎn)量效應(yīng)和經(jīng)濟(jì)效益[1-3]。然而，隨著覆蓋地膜投入量及其應(yīng)用面積的不斷增加，農(nóng)田殘留地膜污染呈現(xiàn)出日趨嚴(yán)重的態(tài)勢，已成為影響馬鈴薯西北優(yōu)勢產(chǎn)區(qū)農(nóng)田環(huán)境的重大因素之一[4-6]。

機(jī)械化殘膜回收是解決農(nóng)田殘膜污染的主要手段。目前，國內(nèi)針對棉花、玉米等作物田間殘膜回收研發(fā)了多種高性能作業(yè)機(jī)具[7-12]，但并沒有適宜于馬鈴薯收獲過程中實(shí)現(xiàn)殘膜聯(lián)合回收的成熟農(nóng)機(jī)裝備。針對馬鈴薯收獲后地膜的單一撿拾作業(yè)，呂釗欽等[13]設(shè)計(jì)出鏈條導(dǎo)軌式地膜回收機(jī)，實(shí)現(xiàn)馬鈴薯收獲后的殘膜撿拾回收率在92%以上，取得了良好成效。為此，課題組研制了馬鈴薯收獲與氣力輔助殘膜回收聯(lián)合作業(yè)機(jī)[5]，能夠同步實(shí)現(xiàn)薯塊挖掘鋪條與殘膜回收，但采用的被動(dòng)式殘膜升運(yùn)、導(dǎo)膜機(jī)構(gòu)易失效，分離后的殘膜在升運(yùn)導(dǎo)膜桿上出現(xiàn)擁堵或不均布喂入，引起浮動(dòng)卷膜裝置供膜不足及受力不平衡現(xiàn)象，導(dǎo)致卷膜輥轉(zhuǎn)動(dòng)收膜產(chǎn)生打滑或卡死現(xiàn)象。

為解決上述機(jī)具存在問題，本文對相關(guān)樣機(jī)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，在已有馬鈴薯挖掘部件及浮動(dòng)卷膜裝置的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)帆布帶式馬鈴薯挖掘-殘膜回收聯(lián)合作業(yè)機(jī)，實(shí)現(xiàn)將原有“被動(dòng)輸膜”改進(jìn)為“主動(dòng)送膜”方式，進(jìn)一步提高樣機(jī)田間綜合作業(yè)效率與作業(yè)質(zhì)量。

1　整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1　田間回收地膜狀況

目前，甘肅省馬鈴薯種植主要采用大壟雙行全膜面覆土種植模式，要求采用厚度為0.01 mm黑色地膜進(jìn)行鋪設(shè)，且壟體頂部覆蓋35～45 mm厚度土壤，使得馬鈴薯收獲期田間地膜整體強(qiáng)度高、韌性大。同時(shí)薯塊機(jī)收過程中殘膜基本呈長條、大片狀集條分布，能夠滿足薯、膜機(jī)械一體化回收作業(yè)要求[2]。因此，設(shè)計(jì)帆布帶式馬鈴薯挖掘-殘膜回收聯(lián)合作業(yè)機(jī)意在針對“膜-土-薯”復(fù)合體同步挖掘，緩解對覆蓋地膜的機(jī)械損傷，完成對整片地膜的回收作業(yè)。

1.2　結(jié)構(gòu)組成

帆布帶式馬鈴薯挖掘-殘膜回收聯(lián)合作業(yè)機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由帆布帶式送膜裝置、浮動(dòng)卷膜裝置、防纏繞裝置、土薯抖動(dòng)升運(yùn)裝置、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、限深輪、升降調(diào)節(jié)手柄、薯塊集條裝置、挖掘鏟及分石柵等部件組成。

圖1　帆布帶式馬鈴薯挖掘-殘膜回收聯(lián)合作業(yè)機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖Fig.1　Structure diagram of canvas belt combined operation machine for potato harvesting and plastic film collecting1.挖掘鏟　2.防纏繞裝置　3.懸掛架　4.帆布送膜帶　5.浮動(dòng)卷膜裝置　6.升降調(diào)節(jié)手柄　7.薯塊集條裝置　8.限深輪　9.傳動(dòng)機(jī)構(gòu)　10.輸膜板　11.分石柵　12.土薯抖動(dòng)升運(yùn)裝置

其中，馬鈴薯挖掘裝置由帶分石柵的條形挖掘鏟構(gòu)成，浮動(dòng)卷膜裝置由卷膜驅(qū)動(dòng)輥、卷膜從動(dòng)輥、卷膜輥、浮動(dòng)滑槽架和導(dǎo)膜板等組成[5]。長片狀輸膜板與挖掘鏟傾斜連接，與大(小)送膜鏈輪、鏈輪軸、帆布送膜帶等共同構(gòu)成帆布帶式送膜裝置。

1.3　工作過程

帆布帶式馬鈴薯挖掘-殘膜回收聯(lián)合作業(yè)機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)如圖2所示。作業(yè)動(dòng)力經(jīng)樣機(jī)傳動(dòng)軸傳輸至變速箱，并分別傳遞至兩側(cè)防纏繞裝置與土薯抖動(dòng)升運(yùn)裝置；同時(shí)，通過土薯抖動(dòng)升運(yùn)裝置后置鏈傳動(dòng)將動(dòng)力傳輸至卷膜驅(qū)動(dòng)輥，卷膜驅(qū)動(dòng)輥與卷膜從動(dòng)輥通過鏈傳動(dòng)連接等速轉(zhuǎn)動(dòng)，且在卷膜從動(dòng)輥的轉(zhuǎn)動(dòng)作用下進(jìn)一步帶動(dòng)帆布帶式送膜裝置的輸膜軸轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對分離殘膜的主動(dòng)有序、均勻輸送與喂入。

圖2　聯(lián)合回收機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)Fig.2　Schematic diagram of transmission system for combined operation machine1.傳動(dòng)軸　2.防纏繞裝置　3.變速箱　4.帆布帶式送膜裝置　5.土薯抖動(dòng)升運(yùn)裝置　6.卷膜從動(dòng)輥　7.卷膜驅(qū)動(dòng)輥

帆布帶式馬鈴薯挖掘-殘膜回收聯(lián)合作業(yè)機(jī)田間作業(yè)時(shí)，條形挖掘鏟將田間覆蓋地膜與地下薯塊同時(shí)疏松掘起，樣機(jī)兩側(cè)防纏繞裝置同步相向快速轉(zhuǎn)動(dòng)，可防止殘膜及薯秧堆積纏繞，且能夠加速“膜-土-薯”掘起復(fù)合物的快速進(jìn)入。當(dāng)掘起物料向后輸送時(shí)，鏟體后置分石柵防堵部件能夠保證物料無障礙運(yùn)送，此時(shí)在掘起復(fù)合物料自身的重力作用下，殘膜被分離至輸膜板上并進(jìn)入帆布帶式送膜裝置，而土壤、薯塊則隨著土薯抖動(dòng)升運(yùn)裝置運(yùn)轉(zhuǎn)進(jìn)一步分離。一方面土壤、薯塊通過抖動(dòng)分離輸送至升運(yùn)鏈末端，在薯塊集條裝置的作用下完成鋪放；另一方面，殘膜在送膜裝置3條均布帆布帶與對應(yīng)輸膜板的支撐、摩擦作用下完成向浮動(dòng)卷膜裝置無堆積、定向均勻喂入，實(shí)現(xiàn)馬鈴薯收獲過程中田間覆蓋地膜、薯塊的同步聯(lián)合回收。

1.4　樣機(jī)相關(guān)技術(shù)指標(biāo)

結(jié)合甘肅省馬鈴薯主導(dǎo)大壟雙行覆膜種植模式與配套農(nóng)藝要求，帆布帶式馬鈴薯挖掘-殘膜回收聯(lián)合作業(yè)機(jī)相關(guān)技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1　樣機(jī)技術(shù)參數(shù)Tab.1　Technical parameters of operation machine

2　關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)與分析

2.1　防纏繞裝置

圖3　防纏繞裝置示意圖Fig.3　Schematic diagram of anti-twining device1.挖掘鏟　2.防纏繞輥　3.輥齒　4.傳動(dòng)裝置　5.機(jī)架　6.分石柵

如圖3所示，防殘膜、莖稈纏繞裝置主要由防纏繞輥、輥齒、傳動(dòng)裝置等組成。防纏繞裝置依托機(jī)架在挖掘鏟兩側(cè)對稱安裝，作業(yè)時(shí)兩組防纏繞輥同步相向快速旋轉(zhuǎn)，加速鏟體掘起物的快速后輸，保證地膜、莖稈不會在挖掘鏟位置出現(xiàn)堆積與堵塞現(xiàn)象。

隨著聯(lián)合回收機(jī)前進(jìn)，由圖3轉(zhuǎn)動(dòng)的防纏繞輥上任意點(diǎn)C分析可知，為了使輥齒在水平旋轉(zhuǎn)過程中對“膜-土-薯”有向后撥送的運(yùn)動(dòng)，起到推送作用，即輥齒上任意點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡為余擺線，可建立輥齒任意點(diǎn)C經(jīng)過時(shí)間間隔t的坐標(biāo)方程為[14]

(1)

式中vm——聯(lián)合回收機(jī)前進(jìn)速度，m/s

R——防纏繞輥半徑，m

w——防纏繞輥角速度，rad/s

t——防纏繞輥轉(zhuǎn)過一定角度經(jīng)過的時(shí)間，s

x——防纏繞輥上點(diǎn)C的橫坐標(biāo)，m

y——防纏繞輥上點(diǎn)C的縱坐標(biāo)，m

由式(1)計(jì)算可得防纏繞輥上任意點(diǎn)C的水平、垂直分速度為

(2)

式中vCx——防纏繞輥上點(diǎn)C的水平分速度，m/s

vCy——防纏繞輥上點(diǎn)C的垂直分速度，m/s

則防纏繞輥上任意點(diǎn)C的速度為

(3)

即

(4)

其中

(5)

式中n——防纏繞輥轉(zhuǎn)速，r/min

由式(4)、(5)聯(lián)立分析可知，防殘膜、莖稈纏繞裝置的作業(yè)性能主要與防纏繞輥半徑、轉(zhuǎn)速及聯(lián)合回收機(jī)的前進(jìn)速度有關(guān)，是該裝置相關(guān)工作參數(shù)選取中需要確定的試驗(yàn)因素。

為保證防纏繞裝置有效作業(yè)，在參考相關(guān)裝置結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)防纏繞輥半徑R=0.055 m；結(jié)合田間試驗(yàn)，通過控制油門大小、調(diào)整傳動(dòng)比對聯(lián)合回收機(jī)前進(jìn)速度vm、防纏繞輥轉(zhuǎn)速n進(jìn)行變換測試；試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)聯(lián)合回收機(jī)前進(jìn)速度vm控制在0.6～1.0 m/s、防纏繞輥轉(zhuǎn)速n為228 r/min時(shí)，防殘膜、莖稈纏繞裝置的作業(yè)質(zhì)量相對穩(wěn)定[15-16]。

2.2　帆布帶式送膜裝置

帆布帶式送膜裝置基本結(jié)構(gòu)如圖4所示，主要由帆布輸送帶、輸膜軸、輸膜小鏈輪、輸膜大鏈輪、張緊輪、輸膜板和支撐軸等組成，共設(shè)置3組殘膜輸送單體。結(jié)合薯塊機(jī)收過程中殘膜基本分布狀況與田間殘膜破碎程度(寬度為180 mm及以上的條帶狀殘膜為主)，在充分兼顧均勻送膜、防漏殘膜、便排土秧的前提下，設(shè)計(jì)中置殘膜輸送單體帶寬為80 mm，兩側(cè)殘膜輸送單體帶寬為60 mm，帆布帶之間的間距為180 mm。帆布輸送帶安裝在輸膜板傾斜表面并與其有充分接觸滑動(dòng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對條帶狀地膜的夾持輸送。其中，中間輸膜板布置在作業(yè)機(jī)正中位置，兩側(cè)輸膜板與機(jī)架距離均為170 mm，輸送帶鏈條內(nèi)側(cè)均布置張緊輪，其下方設(shè)有支撐軸，為輸膜板提供支撐的同時(shí)增加其強(qiáng)度防止變形。

圖4　帆布帶式送膜裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.4　Structure diagram of canvas belt transporting film device1.輸膜小鏈輪　2.輸膜軸　3.張緊輪　4.輸膜板　5.帆布輸送帶　6.輸膜大鏈輪　7.支撐軸

當(dāng)聯(lián)合回收機(jī)田間作業(yè)時(shí)，分離殘膜在后續(xù)掘起物料的擠推作用下夾雜少許土壤由輸膜板傾斜向上升運(yùn)，帆布輸送帶在輸膜軸與輸膜小鏈輪的配合作用下快速運(yùn)轉(zhuǎn)，在帆布輸送帶與輸膜板的相互摩擦作用下將殘膜呈片狀展開并有序提升；其中，部分寬度較小、不連續(xù)的殘膜塊直接由其中單一殘膜輸送單體夾持運(yùn)移，避免從帆布帶之間漏下。當(dāng)殘膜輸送至輸膜板端部時(shí)，在浮動(dòng)卷膜裝置卷膜驅(qū)動(dòng)輥和從動(dòng)輥的共同作用下完成均勻喂入。

帆布帶式送膜裝置作業(yè)過程中，可將輸膜小鏈輪及其表面包裹輸送帶視為一體，其受力簡化模型如圖5所示。

圖5　輸膜小鏈輪及其輸送帶的受力分析圖Fig.5　Force analysis diagram of transporting film sprocket and its transporting film belt

當(dāng)送膜裝置輸膜軸驅(qū)動(dòng)輸膜小鏈輪轉(zhuǎn)動(dòng)輸膜作業(yè)時(shí)，則有

(6)

其中

(7)

式中T——輸膜軸轉(zhuǎn)矩，N·m

F——分離殘膜對輸送帶的摩擦力，N

R1——輸膜小鏈輪半徑，mm

μ——分離殘膜與帆布輸送帶間的摩擦因數(shù)

P——輸膜軸功率，kW

n1——輸膜軸轉(zhuǎn)速，r/min

N——輸膜板對輸膜小鏈輪及其表面輸送帶支撐力，N

m——輸膜小鏈輪及其表面輸送帶質(zhì)量，kg

α——輸膜板傾角，(°)

g——重力加速度，9.8 m/s2

聯(lián)立式(6)、(7)解得

(8)

由式(8)分析得出，帆布帶式送膜裝置有效作業(yè)時(shí)，裝置輸膜板傾角及其半徑、輸膜小鏈輪轉(zhuǎn)速均是影響其作業(yè)性能的重要因素，是后續(xù)單因素試驗(yàn)中主要觀察和調(diào)整的工作參數(shù)。

其中，在樣機(jī)設(shè)計(jì)過程中選取輸膜小鏈輪半徑R1=42 mm。前期單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)過程中，對式(8)分析所得的重要參數(shù)進(jìn)行取值變換并試驗(yàn)測定，發(fā)現(xiàn)當(dāng)輸膜軸轉(zhuǎn)速n1在480～520 r/min之間，輸膜板傾角α在25°～35°之間時(shí)，分離殘膜能夠保證有序輸送進(jìn)入浮動(dòng)卷膜裝置，基本無堆積滯留和慣性甩出現(xiàn)象[16]。

2.3　浮動(dòng)卷膜裝置

圖6　浮動(dòng)卷膜裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.6　Structure diagram of floating curl-up film mechanism1.卷膜驅(qū)動(dòng)輥　2.浮動(dòng)滑槽架　3.防滑輥齒　4.變徑卷膜輥　5.卷膜從動(dòng)輥　6.驅(qū)動(dòng)輥軸

浮動(dòng)卷膜裝置由卷膜驅(qū)動(dòng)輥、驅(qū)動(dòng)輥軸、變徑卷膜輥、卷膜從動(dòng)輥、浮動(dòng)滑槽架、防滑輥齒等組成，結(jié)構(gòu)如圖6所示[15]。當(dāng)浮動(dòng)卷膜裝置工作時(shí)，卷膜驅(qū)動(dòng)輥通過鏈傳動(dòng)帶動(dòng)卷膜從動(dòng)輥等速轉(zhuǎn)動(dòng)，變徑卷膜輥由卷膜驅(qū)動(dòng)輥和卷膜從動(dòng)輥通過相互接觸的外圓摩擦共同驅(qū)動(dòng)反向轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)變徑卷膜輥轉(zhuǎn)動(dòng)纏繞卷膜時(shí)，殘膜包裹的粘附土壤和薯秧莖葉可通過自重從卷膜輥縫隙排出，有利于降低回收殘膜的含雜率，卷膜驅(qū)動(dòng)輥與卷膜從動(dòng)輥上均設(shè)置有防滑輥齒，有助于增加與變徑卷膜輥之間的滾動(dòng)摩擦力。

為保證分離殘膜能夠由帆布帶式送膜裝置順利進(jìn)入浮動(dòng)卷膜裝置而不會隨著帆布帶慣性甩出，當(dāng)分離殘膜從輸膜小鏈輪帆布帶水平切線處臨界輸出時(shí)(圖7)，需要滿足

v2≥v1

(9)

其中

(10)

式中v1——輸膜小鏈輪外帶線速度，m/s

v2——卷膜從動(dòng)輥線速度，m/s

n2——卷膜從動(dòng)輥轉(zhuǎn)速，r/min

R2——卷膜從動(dòng)輥半徑，取0.075 m

由式(8)已知參數(shù)及式(10)聯(lián)立可得v2≥0.19 m/s，即n2≥290.5 r/min。

當(dāng)輸膜軸轉(zhuǎn)速n1取500 r/min，輸膜板傾角α為30°，卷膜從動(dòng)輥轉(zhuǎn)速分別為290、330、370 r/min時(shí)，殘膜回收率隨作業(yè)機(jī)前進(jìn)速度變化如圖8所示。

圖7　輸膜臨界條件分析Fig.7　Critical condition analysis of transporting film

圖8　不同卷膜從動(dòng)輥轉(zhuǎn)速下作業(yè)機(jī)前進(jìn)速度對殘膜回收率的影響Fig.8　Effects of operation machine speed on plastic film collecting ratio at different film-curling driven roller rotating speeds

由圖8可以看出，隨著作業(yè)機(jī)前進(jìn)速度不斷增加，殘膜回收率呈現(xiàn)出先增大后減小的總體變化趨勢。當(dāng)作業(yè)機(jī)前進(jìn)速度大于0.7 m/s時(shí)，卷膜從動(dòng)輥轉(zhuǎn)速在各水平時(shí)殘膜回收率均變化顯著。試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)卷膜從動(dòng)輥轉(zhuǎn)速為370 r/min時(shí)，作業(yè)機(jī)殘膜回收率比其轉(zhuǎn)速為290、330 r/min時(shí)明顯降低。出現(xiàn)這種情況主要是由于卷膜從動(dòng)輥轉(zhuǎn)速過高時(shí)帶動(dòng)變徑卷膜輥快速轉(zhuǎn)動(dòng)，使得對輸送的殘膜卷繞過快而產(chǎn)生撕扯、斷裂現(xiàn)象，嚴(yán)重制約了帆布帶式送膜裝置作業(yè)性能。由于卷膜驅(qū)動(dòng)輥與卷膜從動(dòng)輥通過鏈傳動(dòng)等速傳動(dòng)，因此，聯(lián)合回收機(jī)后續(xù)作業(yè)性能優(yōu)化試驗(yàn)時(shí)，其卷膜驅(qū)動(dòng)輥轉(zhuǎn)速宜控制在290～330 r/min之間。

3　試驗(yàn)材料與方法

3.1　試驗(yàn)材料

2016年10月，在甘肅省定西市安定區(qū)香泉鎮(zhèn)進(jìn)行帆布帶式馬鈴薯挖掘-殘膜回收聯(lián)合作業(yè)機(jī)田間作業(yè)性能試驗(yàn)，選取試驗(yàn)用地面積0.8 hm2，地勢平坦，土壤為黃綿土，其含水率為19.2%～21.7%，采用大壟雙行馬鈴薯覆膜種植模式，試驗(yàn)地覆蓋地膜為甘肅省政府規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)黑色地膜(地膜厚度為0.01 mm、寬度為1 100 mm)。

3.2　試驗(yàn)方法

按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 25412—2010《殘地膜回收機(jī)》規(guī)定的試驗(yàn)方法進(jìn)行帆布帶式馬鈴薯挖掘-殘膜回收聯(lián)合作業(yè)機(jī)田間作業(yè)性能試驗(yàn)(圖9)，試驗(yàn)開始前預(yù)先對馬鈴薯莖葉進(jìn)行殺秧處理。聯(lián)合回收機(jī)工作動(dòng)力選取東方紅-300型拖拉機(jī)，作業(yè)機(jī)前進(jìn)速度控制在0.6～1.0 m/s。由于本聯(lián)合回收機(jī)依托成熟馬鈴薯挖掘機(jī)型集成設(shè)計(jì)，馬鈴薯收獲過程中的明薯率、傷薯率皆符合相關(guān)作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。因此，選取殘膜回收率作為體現(xiàn)聯(lián)合回收機(jī)工作性能的主要測試指標(biāo)。

圖9　聯(lián)合回收機(jī)田間作業(yè)性能試驗(yàn)Fig.9　Field performance test of combined operation machine

規(guī)定試驗(yàn)小區(qū)以單一壟體寬度(800～850 mm)為基準(zhǔn)，測定區(qū)長度為20 m，試驗(yàn)小區(qū)在試驗(yàn)地中隨機(jī)選取。其中，試驗(yàn)小區(qū)覆蓋地膜總質(zhì)量依照大壟雙行覆蓋地膜的農(nóng)藝要求計(jì)算(約為178.8 g)，聯(lián)合機(jī)回收殘膜的質(zhì)量通過將其變徑卷膜輥上的殘膜卸下，待洗凈晾干后采用電子精密天平進(jìn)行稱量，試驗(yàn)結(jié)束后計(jì)算殘膜回收率[17]，計(jì)算式為

(11)

式中Y——?dú)埬せ厥章剩?

m1——聯(lián)合機(jī)回收殘膜的質(zhì)量(變徑卷膜輥上殘膜質(zhì)量)，g

m0——試驗(yàn)小區(qū)覆蓋地膜總質(zhì)量，g

3.3　試驗(yàn)設(shè)計(jì)

依據(jù)式(4)、(8)、(12)確定的相關(guān)試驗(yàn)因素及各單因素試驗(yàn)確定的參數(shù)取值區(qū)間，綜合權(quán)衡分別選取作業(yè)機(jī)前進(jìn)速度x1(0.6～1.0 m/s)、卷膜驅(qū)動(dòng)輥轉(zhuǎn)速x2(290～330 r/min)、輸膜軸轉(zhuǎn)速x3(480～520 r/min)和輸膜板傾角x4(25°～35°)作為試驗(yàn)因素，以殘膜回收率Y作為樣機(jī)作業(yè)性能評價(jià)指標(biāo)。其中，作業(yè)機(jī)前進(jìn)速度改變由拖拉機(jī)換擋和控制油門實(shí)現(xiàn)，不同卷膜驅(qū)動(dòng)輥轉(zhuǎn)速和輸膜軸轉(zhuǎn)速皆通過更換傳動(dòng)鏈輪進(jìn)行匹配，輸膜板傾角通過調(diào)節(jié)裝置支撐軸的高度位置改變。采用Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，各試驗(yàn)因素編碼如表2所示，共實(shí)施29組響應(yīng)面分析試驗(yàn)(如表3所示，表中X1、X2、X3、X4為因素編碼值)，每組試驗(yàn)重復(fù)進(jìn)行3次，取3次測試結(jié)果的平均值作為試驗(yàn)結(jié)果，通過Design-Expert 8.06軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析[18-19]。

表2　試驗(yàn)因素編碼Tab.2　Coding of factors and levels

4　試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1　回歸模型的建立及檢驗(yàn)

試驗(yàn)結(jié)果如表3所示，帆布帶式馬鈴薯挖掘-殘膜回收聯(lián)合作業(yè)機(jī)作業(yè)后殘膜回收率為79.2%～90.4%，基本符合GB/T 25412—2010《殘地膜回收機(jī)》的作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。

借助Design-Expert 8.06軟件對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，獲得編碼值表示的殘膜回收率Y的二次回歸模型為

(12)

對上述二次回歸模型進(jìn)行方差分析和回歸系數(shù)顯著性檢驗(yàn)，結(jié)果如表4所示。

由表4分析可知，建立二次回歸模型的P值小于0.000 1，表明回歸模型極其顯著；失擬項(xiàng)P>0.05，即失擬不顯著，說明模型所擬合的二次回歸方程與實(shí)際相符合，能正確反映殘膜回收率Y與X1、X2、X3、X4之間的關(guān)系，回歸模型可以較好地對性能

表3　響應(yīng)面分析結(jié)果Tab.3　Results of response surface analysis

表4　回歸方程方差分析Tab.4　Variance analysis of regression equation

注：** 表示極顯著(P<0.01)。

4.2　模型交互項(xiàng)的解析

根據(jù)二次回歸模型(式(12))作出殘膜回收率與各因素之間關(guān)系的響應(yīng)面圖，響應(yīng)曲面的形狀能夠反映出交互因素作用的強(qiáng)弱關(guān)系[20-21]。

由圖10可看出，當(dāng)作業(yè)機(jī)前進(jìn)速度固定在某一水平，卷膜驅(qū)動(dòng)輥轉(zhuǎn)速由290 r/min遞增至330 r/min時(shí)，殘膜回收率呈現(xiàn)出先增大、后減小的變化趨勢。這主要是因?yàn)楫?dāng)帆布帶式送膜裝置作業(yè)速度一定時(shí)，其向浮動(dòng)卷膜裝置的輸膜量基本穩(wěn)定，卷膜驅(qū)動(dòng)輥帶動(dòng)卷膜從動(dòng)輥轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對分離殘膜的有序、適時(shí)回收；當(dāng)卷膜驅(qū)動(dòng)輥轉(zhuǎn)速進(jìn)一步增大時(shí)，卷膜從動(dòng)輥轉(zhuǎn)速增加，使得變徑卷膜輥線速度增大，對分離殘膜的抓取、卷收能力不斷提升，以致于出現(xiàn)撕扯、斷裂現(xiàn)象，導(dǎo)致作業(yè)機(jī)殘膜回收率有所下降。由響應(yīng)曲面變化趨勢看出卷膜驅(qū)動(dòng)輥轉(zhuǎn)速對殘膜回收率影響略微大于作業(yè)機(jī)前進(jìn)速度的影響。

圖10　作業(yè)機(jī)前進(jìn)速度與卷膜驅(qū)動(dòng)輥轉(zhuǎn)速對殘膜回收率的影響Fig.10　Impact of operation machine speed and film-curling driving roller rotating speed on plastic film collecting ratio

圖11　作業(yè)機(jī)前進(jìn)速度與輸膜軸轉(zhuǎn)速對殘膜回收率的影響Fig.11　Impact of operation machine speed and transporting film axis rotating speed on plastic film collecting ratio

由圖11可以看出，當(dāng)作業(yè)機(jī)前進(jìn)速度控制在0.50～0.70 m/s、輸膜軸轉(zhuǎn)速為500～510 r/min時(shí)，樣機(jī)殘膜回收率較高。由響應(yīng)曲面形狀及其等高線密度可以看出，作業(yè)機(jī)前進(jìn)速度和輸膜軸轉(zhuǎn)速的交互作用對殘膜回收率影響并不顯著，與方差分析結(jié)果相同。

圖12　作業(yè)機(jī)前進(jìn)速度與輸膜板傾角對殘膜回收率的影響Fig.12　Impact of operation machine speed and transporting film sheet dip angle on plastic film collecting ratio

由圖12可知，當(dāng)作業(yè)機(jī)前進(jìn)速度固定在某一水平，輸膜板傾角由25°向35°不斷遞增變化時(shí)，殘膜回收率總體趨勢基本無明顯波動(dòng)，表明輸膜板傾角對殘膜回收率的影響不顯著，與方差分析結(jié)果相同。

圖13　卷膜驅(qū)動(dòng)輥轉(zhuǎn)速與輸膜軸轉(zhuǎn)速對殘膜回收率的影響Fig.13　Impact of film-curling driving roller rotating speed and transporting film axis rotating speed on plastic film collecting ratio

由圖13響應(yīng)曲面形狀可以看出，卷膜驅(qū)動(dòng)輥轉(zhuǎn)速與輸膜軸轉(zhuǎn)速對殘膜回收率的影響極其顯著。當(dāng)作業(yè)機(jī)卷膜驅(qū)動(dòng)輥轉(zhuǎn)速固定在某一水平，輸膜軸轉(zhuǎn)速由480 r/min向520 r/min不斷遞增時(shí)，殘膜回收率呈現(xiàn)先增大、后減小的總體變化趨勢。產(chǎn)生該現(xiàn)象的主要原因是當(dāng)輸膜軸轉(zhuǎn)速逐漸增大時(shí)，帆布輸送帶在輸膜軸驅(qū)動(dòng)作用下快速運(yùn)轉(zhuǎn)，在帆布輸送帶與輸膜板的相互摩擦作用下將殘膜呈片狀展開，實(shí)現(xiàn)殘膜有序回收；當(dāng)輸膜軸轉(zhuǎn)速由500 r/min進(jìn)一步增大時(shí)，由于卷膜驅(qū)動(dòng)輥、從動(dòng)輥轉(zhuǎn)速基本恒定，部分輸送殘膜不能及時(shí)卷收，導(dǎo)致浮動(dòng)卷膜裝置入口處有大量殘膜滯留，隨機(jī)產(chǎn)生對變徑卷膜輥的纏繞、卡死與堵塞現(xiàn)象，同時(shí)有少量殘膜會在帆布輸送帶的回轉(zhuǎn)帶動(dòng)下慣性甩出，這是造成作業(yè)機(jī)殘膜回收率下降的主要原因之一。

由圖14可以看出，兩因素對殘膜回收率影響權(quán)重有所差異，卷膜驅(qū)動(dòng)輥轉(zhuǎn)速對殘膜回收率影響大于輸膜板傾角，這與方差分析結(jié)果相一致。當(dāng)卷膜驅(qū)動(dòng)輥轉(zhuǎn)速恒定在某一水平，輸膜板傾角由25°遞增至35°時(shí)，殘膜回收率有所動(dòng)態(tài)變化，但變化趨勢不很明顯。

圖14　卷膜驅(qū)動(dòng)輥轉(zhuǎn)速與輸膜板傾角對殘膜回收率的影響Fig.14　Impact of film-curling driving roller rotating speed and transporting film sheet dip angle on plastic film collecting ratio

圖15　輸膜軸轉(zhuǎn)速與輸膜板傾角對殘膜回收率的影響Fig.15　Impact of transporting film axis rotating speed and transporting film sheet dip angle on plastic film collecting ratio

由圖15可知，當(dāng)輸膜板傾角固定在某一水平，輸膜軸轉(zhuǎn)速由480 r/min向520 r/min不斷變化時(shí)，殘膜回收率呈現(xiàn)出先增后減的略微變化趨勢。由等高線密度可以看出，輸膜軸轉(zhuǎn)速和輸膜板傾角的交互作用對殘膜回收率影響不顯著，與方差分析結(jié)果相同。

4.3　作業(yè)參數(shù)優(yōu)化與試驗(yàn)驗(yàn)證

為保證帆布帶式馬鈴薯挖掘-殘膜回收聯(lián)合作業(yè)機(jī)作業(yè)時(shí)殘膜回收率為100%，應(yīng)用Design-Expert 8.06軟件中Optimization-Numerical模塊對回歸方程模型進(jìn)行該目標(biāo)下優(yōu)化求解，得到聯(lián)合回收機(jī)最優(yōu)作業(yè)參數(shù)為：作業(yè)機(jī)前進(jìn)速度0.72 m/s、卷膜驅(qū)動(dòng)輥轉(zhuǎn)速303 r/min、輸膜軸轉(zhuǎn)速499 r/min和輸膜板傾角29°。

為驗(yàn)證所建模型(式(12))的可靠性，采用帆布帶式馬鈴薯挖掘-殘膜回收聯(lián)合作業(yè)機(jī)的最優(yōu)作業(yè)參數(shù)進(jìn)行6次馬鈴薯收獲、殘膜回收性能試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，驗(yàn)證試驗(yàn)的殘膜回收率平均值為92.1%，較優(yōu)化前的殘膜回收率(79.2%～90.4%)有明顯提升；同時(shí)，根據(jù)文獻(xiàn)[22]的試驗(yàn)方法測得作業(yè)機(jī)的明薯率為96.6%、傷薯率為2.2%，表明在優(yōu)化作業(yè)參數(shù)條件下其各項(xiàng)作業(yè)指標(biāo)均達(dá)到國家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求，能夠?qū)崿F(xiàn)馬鈴薯挖掘集條鋪放與殘膜回收的聯(lián)合作業(yè)過程，因此該回歸模型是可靠的。

5　結(jié)論

(1)針對馬鈴薯收獲與殘膜回收一體化作業(yè)要求，設(shè)計(jì)了帆布帶式馬鈴薯挖掘-殘膜回收聯(lián)合作業(yè)機(jī)，通過對防纏繞裝置、帆布帶式送膜裝置、浮動(dòng)卷膜裝置關(guān)鍵工作參數(shù)進(jìn)行分析計(jì)算，確定出影響聯(lián)合回收機(jī)殘膜回收率的相關(guān)試驗(yàn)因素及其取值范圍。

(2)結(jié)合Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，采用四因素三水平響應(yīng)面分析方法，進(jìn)行帆布帶式馬鈴薯挖掘-殘膜回收聯(lián)合作業(yè)機(jī)作業(yè)性能試驗(yàn)，通過響應(yīng)曲面分析得到影響殘膜回收率的因素由大到小依次為：卷膜驅(qū)動(dòng)輥轉(zhuǎn)速、作業(yè)機(jī)前進(jìn)速度、輸膜軸轉(zhuǎn)速和輸膜板傾角。

(3)建立殘膜回收率與作業(yè)機(jī)前進(jìn)速度、卷膜驅(qū)動(dòng)輥轉(zhuǎn)速、輸膜軸轉(zhuǎn)速、輸膜板傾角的二次多項(xiàng)式回歸模型。以田間覆蓋殘膜能夠全部被回收(Y=100%)為目標(biāo)，獲得帆布帶式馬鈴薯挖掘-殘膜回收聯(lián)合作業(yè)機(jī)最佳工作參數(shù)：作業(yè)機(jī)前進(jìn)速度為0.72 m/s、卷膜驅(qū)動(dòng)輥轉(zhuǎn)速為303 r/min、輸膜軸轉(zhuǎn)速為499 r/min、輸膜板傾角為29°。田間驗(yàn)證試驗(yàn)表明，帆布帶式馬鈴薯挖掘-殘膜回收聯(lián)合作業(yè)機(jī)殘膜回收率均值可達(dá)92.1%，較優(yōu)化前有明顯提升；同時(shí)在此工作參數(shù)條件下，作業(yè)機(jī)明薯率為96.6%、傷薯率為2.2%，各項(xiàng)作業(yè)指標(biāo)均達(dá)到國家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。

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