4JSM-2000A型棉稈粉碎及摟膜聯(lián)合作業(yè)機(jī)的研制

田辛亮，趙 巖，陳學(xué)庚,3，顏利民,3，溫浩軍，緱海嘯，紀(jì) 超

（1. 石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院，石河子 832000；2. 新疆農(nóng)墾科學(xué)院機(jī)械裝備研究所，石河子 832000；3. 農(nóng)業(yè)部西北農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，石河子 832000）

0 引 言

地膜覆蓋種植技術(shù)因具有良好的增溫保墑、防病抗蟲、抑制雜草生長等作用，得到廣泛的應(yīng)用[1-4]。隨著農(nóng)田殘膜含量增加，污染逐步加劇，殘膜回收問題受到高度重視[5-9]。覆膜種植技術(shù)在國外已有300多年的應(yīng)用歷史，歐美、日本等發(fā)達(dá)國家均采用高強(qiáng)度地膜，利用卷膜機(jī)具完成收膜作業(yè)，回收率高[10-12]。

中國使用的地膜較薄，力學(xué)性能低，卷膜回收機(jī)械不適用。中國殘膜回收機(jī)械研制始于20世紀(jì)80年代，目前研究主要集中于新疆、甘肅和內(nèi)蒙古等地膜使用面積大、殘膜污染嚴(yán)重地區(qū)，其中新疆地區(qū)棉田殘膜回收機(jī)械屬于研究熱點(diǎn)之一。根據(jù)農(nóng)藝作業(yè)時(shí)間的不同，殘膜回收機(jī)可分為播前殘膜回收機(jī)、苗期殘膜回收機(jī)和秋后殘膜回收機(jī)[13]；按照關(guān)鍵收膜部件的不同，可分為彈齒式、滾筒式、滾筒纏繞式、齒鏈?zhǔn)降萚14-18]。目前新疆地區(qū)廣泛應(yīng)用的棉田殘膜回收機(jī)具為立桿式彈齒摟膜機(jī)。該機(jī)型結(jié)構(gòu)簡單，故障率低，作業(yè)行進(jìn)速度快，但存在許多問題。如殘膜拾凈率低于 50%、不能回收窄行中的殘膜、卸膜頻繁，行進(jìn)距離30 m左右就需要卸膜1次，嚴(yán)重影響作業(yè)效率。另外，卸膜作業(yè)通過機(jī)具提升臂的上下抖動(dòng)進(jìn)行，頻繁操作對(duì)于拖拉機(jī)提升臂的液壓系統(tǒng)損壞很大。

為解決上述問題，本文設(shè)計(jì)了4JSM-2000A型棉稈粉碎及摟膜聯(lián)合作業(yè)機(jī)，重點(diǎn)研究以下幾個(gè)方面：將帶有側(cè)輸出功能的棉稈粉碎還田機(jī)與彈齒摟膜部件組合，1次作業(yè)可以完成 2道工序，提升作業(yè)效率；摟膜部件增加有浮動(dòng)功能的小窄行摟膜彈齒，進(jìn)一步提升殘膜回收率；機(jī)具采用大尺寸摟膜彈齒，增加物料存儲(chǔ)空間，使機(jī)具作業(yè)距離延長至50～70 m，減少卸膜次數(shù)，提升作業(yè)效率；通過拖拉機(jī)后輸出液壓控制液壓缸伸縮，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)卸膜，彌補(bǔ)現(xiàn)有立桿式摟膜機(jī)的不足。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 棉花種植模式及殘膜分布特點(diǎn)

棉花覆膜種植是先在地面鋪上一層地膜，隨后機(jī)具在膜上打孔將種子播入土壤[19-21]，新疆棉田寬行行距為660 mm，窄行行距為100 mm[22]，如圖1所示。由于采棉機(jī)車輪的碾壓，棉田寬行中的地膜平面較窄行間的地膜平面低5～10 cm。新疆秋后棉花地中的殘膜主要分布在膜面和膜邊。

圖1 棉花覆膜種植模式示意圖Fig.1 Sketch map of cotton film mulching pattern

1.2 整機(jī)結(jié)構(gòu)

4JSM-2000A型棉稈粉碎及摟膜聯(lián)合作業(yè)機(jī)主要由3點(diǎn)懸掛裝置、動(dòng)力傳輸系統(tǒng)、棉稈粉碎裝置、棉稈輸送機(jī)構(gòu)、摟膜機(jī)構(gòu)、卸膜機(jī)構(gòu)以及機(jī)架等部分組成，如圖2所示；其中棉稈粉碎裝置主要包括刀軸、刀片、限深輪等組成；棉稈輸送機(jī)構(gòu)包括攪龍、攪龍軸固定板等組成；摟膜機(jī)構(gòu)包括彈齒、彈簧、固定架等部分組成；卸膜機(jī)構(gòu)包括卸膜擋板、液壓系統(tǒng)等部分組成。

圖2 4JSM-2000A型棉稈粉碎及摟膜聯(lián)合作業(yè)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure diagram of 4JSM-2000A type combined operation machine for cotton stalk chopping and residual plastic film collecting

1.3 工作原理

作業(yè)時(shí)，機(jī)具通過 3點(diǎn)懸掛裝置與拖拉機(jī)懸掛裝置連接，拖拉機(jī)的后輸出軸與機(jī)具的傳動(dòng)系統(tǒng)連接，帶動(dòng)粉碎刀軸高速旋轉(zhuǎn)將棉稈切碎，切碎后的棉稈在離心力的作用下被拋送至攪龍內(nèi)，旋轉(zhuǎn)的攪龍將棉稈拋送至地表；拖拉機(jī)前進(jìn)的同時(shí)，也帶動(dòng)彈齒入土摟膜。由于棉田的小窄行略高于地面，具有浮動(dòng)功能的小窄行摟膜彈齒通過預(yù)緊彈簧調(diào)節(jié)彈齒入土深度，實(shí)現(xiàn)對(duì)窄行中的地膜進(jìn)行回收，其他彈齒對(duì)于窄行外的殘膜進(jìn)行回收。機(jī)具工作50～70 m后，通過拖拉機(jī)后輸出液壓控制機(jī)具卸膜機(jī)構(gòu)的液壓缸伸縮，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)卸膜。

1.4 主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

4JSM-2000A型棉稈粉碎及摟膜聯(lián)合作業(yè)機(jī)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

表1 4JSM-2000A型棉稈粉碎及摟膜聯(lián)合作業(yè)機(jī)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1 Main structure parameters of 4JSM-2000A type combined operation machine for cotton stalk chopping and residual plastic film collecting

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 棉稈粉碎還田裝置

2.1.1 棉稈粉碎裝置

棉稈粉碎裝置主要由刀軸、限深輪、動(dòng)刀片、定刀片、前后擋板和攪龍組成。動(dòng)刀形狀主要有直刀型、Y型或L型，直刀型結(jié)構(gòu)簡單，加工方便，功率消耗低；Y型或者 L型粉碎效果比直刀型效果比較好，但是加工工藝較復(fù)雜。經(jīng)試驗(yàn)對(duì)比，為保證棉稈粉碎及拋送效果，選用Y型刀片。

動(dòng)刀在刀軸上的排列對(duì)于棉稈的粉碎效果有直接影響，其排列方式應(yīng)滿足以下要求[23]：1）滿足工作性能要求。粉碎后的棉稈長度應(yīng)滿足技術(shù)要求，粉碎的同時(shí)攪龍對(duì)棉稈的輸出不應(yīng)發(fā)生堵塞現(xiàn)象；2）滿足動(dòng)平衡要求。機(jī)具在工作時(shí)不應(yīng)發(fā)生明顯晃動(dòng)，工作時(shí)要受力均勻，動(dòng)刀在刀軸上應(yīng)均勻排列，每組的徑向排列要等角度，夾角一般要大于60°。動(dòng)刀常用的排列方式主要有3種：螺旋線排列、對(duì)稱排列和交錯(cuò)平衡排列。交錯(cuò)平衡排列的動(dòng)刀結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便，在運(yùn)動(dòng)中相對(duì)的兩組動(dòng)刀離心力的合力在同一平面內(nèi)，使得整機(jī)具有良好的平衡性，故本機(jī)動(dòng)刀的排列采用交錯(cuò)平衡排列方式，如圖 3a所示。

為了研究動(dòng)刀片端點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，以刀軸軸心為原點(diǎn)，機(jī)具前進(jìn)方向?yàn)閤軸正方向建立直角坐標(biāo)系，如圖3b所示。取動(dòng)刀片端部運(yùn)動(dòng)軌跡上任意一點(diǎn)坐標(biāo)為P（x,y），由圖3可知P點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡為：

由式（1）求導(dǎo)得：

由速度合成原理可得動(dòng)刀末端絕對(duì)速度為：

式（1）～（3）中，ω0為刀軸旋轉(zhuǎn)的角速度，rad/s；R為動(dòng)刀片回轉(zhuǎn)半徑，mm；v0為機(jī)具行進(jìn)速度，m/s；V為動(dòng)刀工作時(shí)的絕對(duì)速度，m/s；vx為動(dòng)刀末端P點(diǎn)在x軸方向上的分速度，m/s；vy為動(dòng)刀末端P點(diǎn)在y軸方向上的分速度，m/s，t為時(shí)間，s；xp為動(dòng)刀末端P點(diǎn)在x軸方向的運(yùn)動(dòng)軌跡；yp為動(dòng)刀末端P點(diǎn)在y軸方向的運(yùn)動(dòng)軌跡。工作時(shí)，當(dāng)動(dòng)刀片運(yùn)動(dòng)至最高點(diǎn)時(shí)，拖拉機(jī)的行進(jìn)速度與刀片末端絕對(duì)速度在水平方向上的分量相反，有利于粉碎后的棉稈被拋送至攪龍內(nèi)。動(dòng)刀片的速度與刀軸的轉(zhuǎn)速n密切相關(guān)，轉(zhuǎn)速n的計(jì)算為：

根據(jù)農(nóng)戶對(duì)棉田棉稈粉碎效率的要求，本機(jī)具設(shè)計(jì)的刀軸轉(zhuǎn)速為2 000 r/min，動(dòng)刀片旋轉(zhuǎn)半徑R為262 mm。拖拉機(jī)的行進(jìn)速度v0為5～7 km/h，通過計(jì)算可得動(dòng)刀片末端的速度 V為 52.91～53.46 m/s，滿足對(duì)具有一定剛度的棉稈進(jìn)行無支撐切割的最小速度 Vmin=48 m/s的要求[24-26]。

圖3 棉稈粉碎裝置動(dòng)刀排列及運(yùn)動(dòng)分析Fig.3 Rotary blades array and motion analysis of cotton stalk crushing device

2.1.2 棉稈輸送攪龍

棉稈輸送攪龍可以將粉碎之后的棉稈輸送到機(jī)具前進(jìn)方向的左側(cè)間隔行內(nèi)，對(duì)于膜稈分離起著至關(guān)重要的作用。本文選用的是螺旋單側(cè)輸出攪龍[27]，根據(jù)田間試驗(yàn)實(shí)測(cè)，機(jī)具作業(yè)速度為5 km/h時(shí)，田間試驗(yàn)單位面積內(nèi)粉碎棉稈的平均質(zhì)量為430.25 g/m2，由此計(jì)算螺旋輸送攪龍的理論輸出量Q為1.32～1.85 kg/s，以下是各參數(shù)的計(jì)算公式。

螺旋葉片直徑為：

螺距為：

螺旋軸的軸徑為：

螺旋軸的轉(zhuǎn)速為：

式（5）～（8）中K為粉碎后的棉稈特性系數(shù)；Q為螺旋輸送攪龍的理論輸出量，kg/s；ψ為填充系數(shù)，c為傾斜系數(shù)；ρ為輸送過程中棉稈的堆積密度，t/m3；A為粉碎棉稈的綜合特性系數(shù)。

秋后的棉稈水分較大，棉稈粉碎之后容易黏結(jié)成塊狀，根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》，選擇填充系數(shù)ψ取0.20，螺旋輸送攪龍水平放置，故傾斜系數(shù)c取1，粉碎棉稈的特性系數(shù)K取0.071。經(jīng)過田間實(shí)際測(cè)算，粉碎棉稈的堆積密度ρ約為0.125 t/m3，粉碎棉稈的綜合特性系數(shù)A取70。

由此計(jì)算出螺旋葉片直徑最小為397 mm，圓整為標(biāo)準(zhǔn)直徑取D=400 mm；螺距的取值范圍為200～880 mm，取螺距 s=450 mm；螺旋軸軸徑 d取值范圍為 80～140 mm，從螺旋攪龍的穩(wěn)定可靠性出發(fā)，取螺旋軸的軸徑為125 mm；螺旋軸轉(zhuǎn)速應(yīng)小于110 r/min，為避免棉稈堵塞攪龍，取n=90 r/min。

2.2 殘膜回收裝置

2.2.1 摟膜裝置結(jié)構(gòu)

摟膜裝置結(jié)構(gòu)主要由浮動(dòng)摟膜機(jī)構(gòu)、機(jī)架、固定板、彈齒、彈齒固定軸、卸膜裝置等部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖4a所示。

彈齒是摟膜裝置的重要組成部分。摟膜裝置由12組彈齒組成，呈一字排開，固定在方鋼和彈齒固定軸上。機(jī)具作業(yè)時(shí)，通過液壓裝置控制摟膜裝置的入土深度實(shí)現(xiàn)摟膜。由于采棉機(jī)車輪的碾壓，棉田寬行中的地膜平面較窄行間的地膜平面要低5～10 cm，如果摟膜機(jī)構(gòu)的彈齒尖的高度在一個(gè)水平面上，棉田寬行中的地膜容易回收，窄行中的地膜回收率很低。為了更加有效地對(duì)窄行中的地膜進(jìn)行回收，彌補(bǔ)立桿式摟膜機(jī)的不足，在摟膜裝置上設(shè)計(jì)了2組浮動(dòng)摟膜裝置，其結(jié)構(gòu)如圖4b所示。每組裝置由2組彈齒、2組彈簧及方鋼組成，彈齒由方鋼和固定軸共同固定，作業(yè)時(shí)依據(jù)彈簧伸縮自動(dòng)調(diào)節(jié)彈齒入土深度，實(shí)現(xiàn)窄行中地膜有效回收。機(jī)具作業(yè)時(shí)，由于窄行中的地膜和寬行中的地膜不在同一水平面上，并且窄行中的地膜略高于寬行中的地膜，而液壓裝置只能將所有彈齒控制在同一水平面，故作業(yè)時(shí)浮動(dòng)裝置的彈齒對(duì)窄行中的地膜進(jìn)行回收，其他彈齒對(duì)寬行中的地膜進(jìn)行回收，窄行中的彈齒與寬行中的彈齒不在同一水平面。機(jī)具作業(yè)時(shí)，液壓裝置控制彈齒在同一入土深度，浮動(dòng)裝置通過土壤對(duì)彈齒的反作用力使得彈簧壓縮，使得浮動(dòng)裝置上的彈齒高度略高于其他彈齒，但所有彈齒的入土深度幾乎是一致的，作業(yè)過程中互不干擾。

圖4 殘膜回收裝置Fig.4 Residual film recovery mechanism

彈簧的力學(xué)特性對(duì)浮動(dòng)摟膜機(jī)構(gòu)的作業(yè)效果有著重要影響，彈簧彈性大，作業(yè)時(shí)變形小，浮動(dòng)效果不明顯；彈簧彈性小，作業(yè)時(shí)變形大，收膜效果不好。由生產(chǎn)試驗(yàn)可知，彈簧在摟膜作業(yè)時(shí)要承受沖擊負(fù)荷，實(shí)際測(cè)量最大工作負(fù)荷100 kg，變形量40 mm，本文初定彈簧中徑為30 mm。根據(jù)所受負(fù)荷和田間試驗(yàn)，并結(jié)合《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》，彈簧受沖擊負(fù)荷，故確定為第Ⅱ類彈簧，選用的彈簧材料為 60Si2Mn，許用切應(yīng)力[τ]=64 kg/mm2，彈簧支撐圈數(shù)n2=1.5，彈簧直徑為6 mm，外徑為36 mm，有效圈數(shù)14圈，總?cè)?shù)18圈。

2.2.2 彈 齒

彈齒是回收殘膜的關(guān)鍵部件，彈齒的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)于收膜效果影響很大，彈齒的尺寸、材料都應(yīng)滿足設(shè)計(jì)要求。本文采用圓弧形彈齒結(jié)構(gòu)，彈齒由直徑為16 mm的65 Mn鋼制成，彈齒圓弧形半徑為335 mm，其結(jié)構(gòu)如圖5a所示。每組彈齒包含2組摟膜耙，沿彈齒的中心線呈對(duì)稱分布。根據(jù)農(nóng)戶對(duì)機(jī)具作業(yè)效率的要求，弧形彈齒的末端直線延長210 mm，以增大彈齒存儲(chǔ)物料的空間，延長機(jī)具的作業(yè)距離，減少卸膜次數(shù)，提高機(jī)具的工作效率；彈齒的末端進(jìn)行倒角，方便對(duì)彈齒的入土深度進(jìn)行調(diào)節(jié)，減小拖拉機(jī)功耗。

彈齒是殘膜回收的關(guān)鍵部件，彈齒的入土角度和入土深度對(duì)殘膜回收率起著至關(guān)重要的作用。因此，研究分析彈齒的受力對(duì)于降低拖拉機(jī)的功耗以及提高殘膜回收效率至關(guān)重要。機(jī)具行進(jìn)過程中彈齒的受力分析如圖5c所示。在機(jī)具行進(jìn)過程中，彈齒受到的力主要包括：土壤及纏繞在彈齒上殘膜的重力、彈齒行進(jìn)過程中受到的工作阻力、行進(jìn)過程中土壤及纏繞在彈齒上的殘膜對(duì)彈齒的反作用力和摩擦力。

圖5 彈齒設(shè)計(jì)Fig.5 Spring-tooth design

綜合分析圖5，根據(jù)力學(xué)平衡方程，彈齒在行進(jìn)過程中受到的力可以表示為：

式中G為彈齒受到的土壤及纏繞在彈齒上殘膜的重力，N；F為彈齒行進(jìn)過程中的工作阻力，N；Fn為彈齒受到的殘膜及土壤對(duì)其的反作用力，N；P為彈齒行進(jìn)過程中對(duì)殘膜及土壤的摩擦力，N；θ為彈齒入土角度，（°）。其中，P=μFn，對(duì)式（9）進(jìn)行化簡得：

式中 μ彈齒與殘膜間的摩擦因數(shù)，彈齒在工作過程中會(huì)產(chǎn)生一定的變形，所以彈齒的入土角度在機(jī)具的工作過程中很難保持一個(gè)固定值。彈齒的入土角度 θ與彈齒的入土深度、本身結(jié)構(gòu)參數(shù)等多種情況相關(guān)，入土角度過大或者過小都不利于殘膜回收[28-30]。結(jié)合田間試驗(yàn)情況分析，彈齒的入土角度θ=10°～30°時(shí)收膜效果較好。

由于工作過程中摟膜彈齒需要拖動(dòng)物料前進(jìn)，機(jī)具行進(jìn)過程中彈齒也會(huì)受到土壤及殘膜的阻力，因此彈齒的材料選用65Mn鋼。通過田間測(cè)試可得，對(duì)摟膜彈齒的施加載荷為1 kN，分析可知彈齒受到的最大應(yīng)力為220 MPa，小于材料的許用應(yīng)力(570 MPa)，滿足設(shè)計(jì)要求。

2.2.3 卸膜機(jī)構(gòu)

卸膜機(jī)構(gòu)主要由卸膜擋板及機(jī)架組成，如圖6所示。當(dāng)機(jī)具作業(yè)一段距離后，彈齒及物料存儲(chǔ)空間中存有大量地膜，卸膜之后機(jī)具方可繼續(xù)作業(yè)。拖拉機(jī)后輸出液壓系統(tǒng)將動(dòng)力經(jīng)由液壓油管傳遞至液壓缸，通過液壓缸的伸長實(shí)現(xiàn)摟膜彈齒向上運(yùn)動(dòng)，由于卸膜擋板間的空隙只允許彈齒經(jīng)過，從而將彈齒上的殘膜脫下。田間試驗(yàn)結(jié)果表明，卸膜機(jī)構(gòu)自動(dòng)卸膜率達(dá)到 90%以上，不需要液壓缸帶動(dòng)提升臂抖動(dòng)，減小對(duì)機(jī)具的損壞，提高了機(jī)具的作業(yè)效率。卸膜之后，機(jī)具繼續(xù)作業(yè)。

圖6 卸膜機(jī)構(gòu)Fig.6 Film unloading mechanism

2.3 傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

棉稈粉碎及摟膜聯(lián)合作業(yè)機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)由液壓和機(jī)械兩種傳動(dòng)系統(tǒng)組成。傳動(dòng)動(dòng)力由約翰迪爾1204拖拉機(jī)提供，機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)由拖拉機(jī)帶動(dòng)變速箱完成，動(dòng)力由拖拉機(jī)后輸出軸輸出后，經(jīng)變速箱提速后由皮帶輪傳遞給棉稈粉碎裝置，再由棉稈粉碎裝置傳遞給螺旋攪龍，將粉碎之后的棉稈輸送到地膜的一側(cè)；液壓傳動(dòng)系統(tǒng)由液壓缸、液壓油管及輔助元件組成，動(dòng)力由拖拉機(jī)后輸出液壓系統(tǒng)將動(dòng)力經(jīng)由液壓油管傳遞至液壓缸，通過控制液壓缸的收縮來實(shí)現(xiàn)卸膜功能，如圖7所示。

圖7 棉稈粉碎及摟膜聯(lián)合作業(yè)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.7 Drive system structure diagram of cotton stalk chopping and residual plastic film collecting combined machine

3 田間試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)區(qū)概況及設(shè)備

2017年9月在石河子145團(tuán)三分場十二連3號(hào)田進(jìn)行了整機(jī)試驗(yàn)，試驗(yàn)面積5 hm2，東西方向長800 m。試驗(yàn)地土壤類型為灰漠土，土壤堅(jiān)實(shí)度為360 kPa，土壤表層含水率為15.2%。前茬作物為棉花，栽培模式行距寬窄行為：寬行行距660 mm、窄行行距110 mm、株距95 mm。地膜寬度為2 050 mm，地膜厚度0.008 mm，膜面有部分覆土。試驗(yàn)前滴灌管帶和滴灌設(shè)備已全部清理，滴灌帶抽出時(shí)地膜被從行間撕開。配套拖拉機(jī)選用約翰迪爾 1 204，動(dòng)力88.3 kW，牽引速度5～6 km/h。試驗(yàn)設(shè)備和儀器包括4JSM-2000A型棉稈粉碎及摟膜聯(lián)合作業(yè)機(jī)、卷尺(0～100 m)、電子秤(上?；ǔ彪娖饔邢薰?、測(cè)速儀(杭州來淶科技有限公司)、秒表(永康市安郎工貿(mào)有限公司)等。圖8為試驗(yàn)現(xiàn)場。

圖8 殘膜回收機(jī)田間試驗(yàn)Fig.8 Residual film recovery machine test

3.2 試驗(yàn)因素與指標(biāo)

本試驗(yàn)利用Design-Expert軟件設(shè)計(jì)為三因素三水平二次回歸正交試驗(yàn)，選取彈齒入土深度X1、彈齒組數(shù)X2和作業(yè)速度X3三個(gè)關(guān)鍵影響因素作為研究重點(diǎn)，每個(gè)因素設(shè)置3個(gè)水平。表2為因素試驗(yàn)水平。

彈齒入土深度對(duì)殘膜回收質(zhì)量影響很大，彈齒入土深度過淺會(huì)導(dǎo)致收膜率較低；彈齒入土深度過深會(huì)導(dǎo)致壅土嚴(yán)重，彈齒變形會(huì)加劇，同時(shí)也會(huì)增大功耗。根據(jù)田間試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，將彈齒的入土深度分別設(shè)置為 10、20、30 mm。

彈齒組數(shù)對(duì)殘膜回收率也會(huì)產(chǎn)生較大影響，彈齒的組數(shù)過少，會(huì)導(dǎo)致彈齒在固定軸上的排列密度過于稀疏，摟膜過程中漏膜現(xiàn)象比較嚴(yán)重；彈齒組數(shù)過多，會(huì)導(dǎo)致彈齒在固定軸上的排列密度過于密集，摟膜過程中會(huì)出現(xiàn)壅土以及雜質(zhì)過多的現(xiàn)象，彈齒變形、損壞現(xiàn)象增加。通過試驗(yàn)分析，彈齒的組數(shù)分別設(shè)置為10、12、14組。

機(jī)具前進(jìn)作業(yè)速度對(duì)機(jī)具的工作效率及穩(wěn)定性有較大影響，機(jī)具前進(jìn)速度過快會(huì)導(dǎo)致棉稈粉碎裝置的攪龍堵塞、漏膜、彈齒損壞等現(xiàn)象；前進(jìn)速度過慢會(huì)出現(xiàn)作業(yè)效率低下和壅土現(xiàn)象。通過試驗(yàn)分析和選配拖拉機(jī)工作性能，機(jī)具前進(jìn)速度分別設(shè)置為1.0、1.5、2.0 m/s。

試驗(yàn)時(shí)，作業(yè)距離對(duì)工作效率有影響，距離過長導(dǎo)致彈齒下殘膜堆積、距離過短導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果不夠精確，故本試驗(yàn)確定連續(xù)作業(yè)距離為 100 m。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 25412-2010《殘地膜回收機(jī)》對(duì)棉稈粉碎及摟膜聯(lián)合作業(yè)機(jī)的殘膜回收率進(jìn)行測(cè)定：機(jī)具作業(yè)后將測(cè)量區(qū)域內(nèi)所有殘膜收集裝袋，并用清水洗干凈，除去莖葉、灰塵等雜質(zhì)，曬干后稱出質(zhì)量，重復(fù)3次計(jì)算出平均值；計(jì)算出試驗(yàn)區(qū)所鋪地膜的總質(zhì)量。

表2 試驗(yàn)因素水平Table 2 Levels of test factors

收膜性能良好、無壅土現(xiàn)象是棉稈粉碎及摟膜聯(lián)合作業(yè)機(jī)能夠連續(xù)作業(yè)的必要條件，殘膜回收率是衡量機(jī)具性能優(yōu)劣的重要指標(biāo)，計(jì)算公式為：

式中η為殘膜回收率，%；M1為殘膜回收后的質(zhì)量，g；M0為試驗(yàn)區(qū)域所鋪地膜的總質(zhì)量，g。

3.3 結(jié)果與分析

3.3.1 試驗(yàn)結(jié)果

機(jī)具在殘膜回收過程中存在很多影響殘膜回收率的因素，這些因素與其呈現(xiàn)非線性關(guān)系，通常選用 2次或者更高次的模型來逼近響應(yīng)[31-32]。本次田間試驗(yàn)以彈齒入土深度X1、彈齒組數(shù)X2、機(jī)具行進(jìn)速度X3作為試驗(yàn)因素，殘膜回收率η作為響應(yīng)值。根據(jù)Box-behnken試驗(yàn)原理設(shè)計(jì)的三因素三水平試驗(yàn)，包括17個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Test results

應(yīng)用Design-Expert軟件對(duì)表3中試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合并進(jìn)行方差分析，可得回歸方程及其顯著性檢驗(yàn)如表4所示。殘膜回收機(jī)回收率的回歸方程式為：

由表4可知，模型顯著性檢驗(yàn)F=75.38，P＜0.0001，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)F=1.39，P＞0.1，為不顯著，說明在試驗(yàn)范圍內(nèi)模型的擬合性很好。

表4 模型顯著性檢驗(yàn)Table 4 Significance test of model

3.3.2 響應(yīng)曲面分析

根據(jù)Box-behnken中心組合試驗(yàn)方法分析生成3D響應(yīng)曲面圖，根據(jù)響應(yīng)曲面圖分析彈齒入土深度、彈齒組數(shù)、機(jī)具前進(jìn)速度 3個(gè)因素對(duì)殘膜回收率的綜合影響。如圖9所示。

由圖9和表4可知，各因素對(duì)殘膜回收率的影響順序依次是：彈齒入土深度、彈齒組數(shù)、機(jī)具前進(jìn)速度，各影響因素對(duì)于殘膜回收率存在交互作用。由圖9a知，隨著彈齒組數(shù)及彈齒入土深度的增加，殘膜回收率呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，這是因?yàn)殡S著彈齒組數(shù)增加，漏膜率降低；彈齒組數(shù)繼續(xù)增加，會(huì)導(dǎo)致壅土現(xiàn)象加劇，故彈齒組數(shù)應(yīng)控制在合理范圍。由圖9b知，隨著彈齒入土深度及機(jī)具前進(jìn)速度的增加，殘膜回收率呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，這是因?yàn)閺楜X入土深度增加，彈齒的摟膜率增大；彈齒入土繼續(xù)增加，壅土現(xiàn)象加劇，故入土深度應(yīng)控制在合理范圍。由圖9c知，隨著機(jī)具前進(jìn)速度及彈齒組數(shù)的增加，殘膜回收率呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，這是因?yàn)闄C(jī)具前進(jìn)速度增加，壅土現(xiàn)象降低；機(jī)具前進(jìn)速度繼續(xù)增加，漏膜率增大，故機(jī)具前進(jìn)速度應(yīng)控制在合理范圍。田間試驗(yàn)表明，3個(gè)因素需要選取一個(gè)合理的中間值，才能保證最大的殘膜回收率。

圖9 各因素對(duì)殘膜回收率的影響Fig. 9 Influence of various factors on residual film recovery rate

3.4 參數(shù)優(yōu)化

根據(jù)棉稈粉碎及摟膜聯(lián)合作業(yè)機(jī)田間工作情況、性能要求和上述模型分析結(jié)果，利用Design-Expert軟件的尋優(yōu)功能進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，對(duì)試驗(yàn)因素約束條件為：彈齒入土深度10～30 mm，彈齒組數(shù)10～14組，機(jī)具前進(jìn)速度1.0～2.0 m/s；評(píng)價(jià)指標(biāo)殘膜回收率η取目標(biāo)最大值100%。優(yōu)化結(jié)果3個(gè)因素試驗(yàn)水平分別為：彈齒入土深度20 mm、彈齒組數(shù)12組、機(jī)具前進(jìn)速度1.5 m/s時(shí)，模型曲面綜合響應(yīng)達(dá)到最大值，最佳殘膜回收率為92%。

3.5 棉稈粉碎試驗(yàn)

按照 GB/T25412-2010《殘地膜回收機(jī)》和GB/T24675.6-2009《保護(hù)性耕作機(jī)械：秸稈粉碎還田機(jī)》的要求，參照文獻(xiàn)[24]的方法，在最優(yōu)組合的參數(shù)條件下對(duì)樣機(jī)進(jìn)行作業(yè)性能試驗(yàn)，并測(cè)試殘膜回收率、棉稈粉碎合格率和膜稈分離率等作業(yè)參數(shù)。

3.5.1 試驗(yàn)指標(biāo)

棉稈粉碎合格率為粉碎合格棉稈質(zhì)量占測(cè)試地段上粉碎棉稈總質(zhì)量的百分比。采用 5點(diǎn)法測(cè)試，每個(gè)點(diǎn)取1 m2范圍，測(cè)定范圍內(nèi)地表所有粉碎棉稈，棉稈長度≤150 mm為合格。棉稈粉碎合格率為：

式中η1為棉稈粉碎合格率，%；W1為粉碎合格棉稈質(zhì)量，g；W2為粉碎棉稈總質(zhì)量，g。

膜稈分離率分別是評(píng)估機(jī)具工作性能優(yōu)劣和棉稈粉碎還田的主要指標(biāo)之一，膜稈分離率為：

式中η2為膜稈分離率，%；M1為殘膜回收后的質(zhì)量，g；W3為機(jī)具回收殘膜和棉稈的總質(zhì)量，g。

3.5.2 試驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證優(yōu)化結(jié)果的可行性，按優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行田間試驗(yàn)，設(shè)定彈齒入土深度20 mm，彈齒組數(shù)12組，機(jī)具前進(jìn)速度1.5 m/s，隨機(jī)選取5個(gè)作業(yè)長度為100 m試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。由表5可知，試驗(yàn)區(qū)平均殘膜回收率為91%，試驗(yàn)后地表殘膜回收較干凈，但有少量碎膜未被回收，這是因?yàn)樵囼?yàn)區(qū)棉花為機(jī)械收獲，一部分殘膜、棉稈和土壤一起被壓實(shí)，給殘膜回收帶來一定影響；平均膜稈分離率為 87%，由于田間試驗(yàn)為初秋，棉稈含水率較大，在螺旋攪龍內(nèi)有一定堵塞現(xiàn)象，造成棉稈拋出距離不夠，導(dǎo)致少量粉碎的棉稈被撿拾回收，影響了膜稈分離率；平均棉稈粉碎合格率為90%，各項(xiàng)參數(shù)滿足農(nóng)藝要求。

3.6 對(duì)比試驗(yàn)

為了驗(yàn)證 4JSM-2000A型棉稈粉碎及摟膜聯(lián)合作業(yè)機(jī)的作業(yè)性能，將本文機(jī)具與立桿式摟膜機(jī)分A、B組進(jìn)行 5次對(duì)比測(cè)試[33]，試驗(yàn)確定機(jī)具連續(xù)作業(yè)距離為 100 m，試驗(yàn)參數(shù)為殘膜回收率與卸膜次數(shù)。A組為 4JSM-2000A型棉稈粉碎及摟膜聯(lián)合作業(yè)機(jī)，將試驗(yàn)區(qū)內(nèi)回收的殘膜進(jìn)行整理，除去莖葉等雜質(zhì)，洗凈曬干后稱出質(zhì)量，計(jì)算出試驗(yàn)區(qū)所鋪地膜總質(zhì)量，利用公式（11）計(jì)算出殘膜回收率，并記錄連續(xù)作業(yè)距離內(nèi)卸膜次數(shù)；B組為立桿式摟膜機(jī)，其試驗(yàn)方法與A組相同，試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

表5 田間試驗(yàn)結(jié)果Table 5 Field test result

表6 對(duì)比試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 6 Contrast test data

由表6可知，與立桿式摟膜機(jī)相比，4JSM-2000A型棉稈粉碎及摟膜聯(lián)合作業(yè)機(jī)的殘膜回收率有明顯的提升。田間連續(xù)作業(yè)100 m，本文機(jī)具通過液壓缸收縮控制實(shí)現(xiàn)自動(dòng)卸膜，卸膜 2次，一次作業(yè)完成棉稈粉碎及摟膜2道工序；立桿式摟膜機(jī)卸膜3次，并且需要人工輔助卸膜，一次作業(yè)只能完成摟膜 1道工序。經(jīng)過田間試驗(yàn)測(cè)試，本文機(jī)具的殘膜回收率與卸膜次數(shù)遠(yuǎn)高于立桿式摟膜機(jī)，提高了棉稈粉碎及摟膜聯(lián)合作業(yè)的總體效率。

4 結(jié) 論

1）為解決立桿式摟膜機(jī)殘膜回收率不高，卸膜頻繁問題，研制了 4JSM-2000A型棉稈粉碎及摟膜聯(lián)合作業(yè)機(jī)。能夠一次完成棉稈粉碎與摟膜 2道工序，增加浮動(dòng)摟膜機(jī)構(gòu)，加大對(duì)窄行中殘膜的回收率。

2）通過理論分析與試驗(yàn)確定了棉稈粉碎還田裝置、螺旋輸送機(jī)構(gòu)、浮動(dòng)摟膜機(jī)構(gòu)、摟膜彈齒、卸膜機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)及參數(shù)；通過增加摟膜彈齒尺寸，加大物料存儲(chǔ)空間，延長作業(yè)距離，減少了單位面積卸膜次數(shù)；通過液壓缸收縮控制實(shí)現(xiàn)自動(dòng)卸膜，提高機(jī)具的作業(yè)效率。

3）試驗(yàn)結(jié)果表明，彈齒入土深度、彈齒組數(shù)、機(jī)具前進(jìn)速度 3個(gè)因素對(duì)殘膜回收率均有顯著影響。應(yīng)用Design-Expert軟件對(duì)所建立模型進(jìn)行優(yōu)化求解，優(yōu)化后彈齒入土深度為20 mm，彈齒組數(shù)為12組，機(jī)具前進(jìn)速度為1.5 m/s，殘膜回收率為91%，膜稈分離率為87%，棉稈粉碎合格率為 90%。對(duì)比試驗(yàn)表明，連續(xù)作業(yè)距離100 m，立桿式摟膜機(jī)殘膜回收率為84%，卸膜3次；本文機(jī)具殘膜回收率為91%，卸膜2次，提高了棉稈粉碎及摟膜聯(lián)合作業(yè)的總體效率，滿足殘膜回收作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

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