彈齒軌道式殘膜回收機(jī)參數(shù)優(yōu)化及試驗(yàn)

趙英杰，陳 永，周 鵬，馬 振，胡 斌，李衛(wèi)敏

(1.重慶三峽學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，重慶 萬州 404000； 2.石河子大學(xué) 機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子 832003；3.鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院 電子通信工程學(xué)院，鄭州 450046)

0 引言

地膜覆蓋種植技術(shù)是一種改善和優(yōu)化作物生長環(huán)境，克服不良條件影響，取得早熟、高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)和高效的先進(jìn)農(nóng)業(yè)種植技術(shù)[1-2]。普通地膜主要成分為難以降解的聚乙烯高分子化合物，埋于地下需200～400年才能自然分解，隨著覆蓋年數(shù)增加，土壤殘留量越來越多，嚴(yán)重影響農(nóng)作物產(chǎn)量[3-5]。我國地膜覆蓋種植技術(shù)的應(yīng)用已有30年多的歷史，覆蓋面積和使用量一直居世界第一位，在提高作物產(chǎn)量的同時，也出現(xiàn)了地膜殘留的問題。由于連年鋪膜且使用過的地膜未能及時有效回收，對土地造成了嚴(yán)重的“白色污染”，導(dǎo)致農(nóng)作物產(chǎn)量連年下降，因此殘膜回收成為農(nóng)業(yè)亟需解決的一大重要課題[6-8]?，F(xiàn)有地膜在土壤環(huán)境中很難降解，對使用后的地膜進(jìn)行回收成為治理殘膜污染的有效方法。目前，殘膜回收有人工撿拾和機(jī)械回收兩種方式：人工撿拾作業(yè)勞動強(qiáng)度大、效率低、成本高；機(jī)械回收可以克服人工撿拾的缺點(diǎn)，因此推行機(jī)械化收膜已成為必然趨勢[9-11]。為解決殘膜回收問題，國內(nèi)相關(guān)部門研制了各具特色的殘膜回收設(shè)備，現(xiàn)有地膜回收機(jī)械以工作部件形式劃分，主要有伸縮桿齒式撿拾滾筒、彈齒式拾膜部件、鏟式起茬收膜部件、輪齒式收膜部件、齒鏈?zhǔn)绞漳げ考?、密排彈齒式回收耙和氣力式殘膜回收等[12-14]。上述收膜機(jī)械從工作原理上看，主要以“彈齒”摟取殘膜和“釘齒”扎取殘膜的原理方法進(jìn)行殘膜回收作業(yè)，在回收大片地膜時，殘膜中秸稈、植株枝葉、雜草和泥土含量較大，殘膜易纏繞收膜工作部件，影響機(jī)具連續(xù)回收作業(yè)，且殘膜回收率低，由于地面凹凸不平，一次作業(yè)后地面仍有大量殘膜遺留在地表，難以滿足殘膜回收要求[15-16]。作物收獲后當(dāng)年使用后的殘膜附在地表，是殘膜回收的較佳時期。針對此時期的殘膜回收，本文設(shè)計(jì)了一種彈齒軌道式殘膜回收機(jī)，該機(jī)具作業(yè)時先將地表殘膜切成帶狀，然后逐次夾持回收，具有結(jié)構(gòu)簡單、回收率高、回收殘膜含雜量低、容易脫膜、作業(yè)效率高和地面仿形好等優(yōu)點(diǎn)。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)組成

彈齒軌道式殘膜回收機(jī)主要由牽引裝置、牽引輪、機(jī)架、殘膜箱、地輪、清雜裝置、收膜裝置、限深裝置、脫膜裝置、清雜傳動系統(tǒng)、收膜傳動系統(tǒng)和脫膜傳動系統(tǒng)組成，如圖1所示(圖中箭頭表示各運(yùn)動部件的轉(zhuǎn)動方向)。限深裝置由導(dǎo)軌支座、彈簧和連桿組成，脫膜裝置由脫膜輪軸和脫膜葉片組成，收膜裝置由起膜鏟、收膜輪、彈齒、彈齒卡槽、銷軸和殘膜輸送軌道組成。

1.2 工作原理及過程

彈齒軌道式殘膜回收機(jī)工作過程如下：拖拉機(jī)通過牽引裝置與本實(shí)用新型機(jī)具相聯(lián)，拖拉機(jī)動力輸出軸與本實(shí)用新型機(jī)具的清雜傳動系統(tǒng)和脫膜傳動系統(tǒng)相聯(lián)，組成作業(yè)機(jī)組。作業(yè)時，拖拉機(jī)動力輸出軸分別通過清雜傳動系統(tǒng)帶動清雜裝置工作，脫膜傳動系統(tǒng)帶動脫膜裝置工作，地輪通過收膜傳動系統(tǒng)帶動收膜裝置工作；清雜裝置先將地表膜上雜草和枝葉清掃到機(jī)具一側(cè)，隨著機(jī)具的前進(jìn)，清掃過的地表殘膜被起膜鏟鏟起，并堆積在起膜鏟表面；隨收膜輪的轉(zhuǎn)動，彈齒將堆積的殘膜依次送入殘膜輸送軌道，當(dāng)殘膜隨彈齒沿殘膜輸送軌道運(yùn)動到殘膜輸送軌道上端時，彈齒從彈齒卡槽一側(cè)擺動到另一側(cè)，脫膜裝置中的脫膜葉片將彈齒頂端的殘膜脫落到殘膜箱內(nèi)，完成殘膜回收作業(yè)。限深裝置可以通過彈簧的伸縮來調(diào)節(jié)起膜鏟的入土深度，彈齒做成擺動彈齒，目的是為了使機(jī)具脫膜容易，防止脫膜葉片脫膜時扎到彈齒上，影響機(jī)具的連續(xù)作業(yè)。

1.牽引裝置 2.脫膜傳動系統(tǒng) 3.機(jī)架 4.殘膜箱 5.脫膜輪軸 6.脫膜葉片 7.殘膜輸送軌道 8.彈齒 9.彈齒卡槽 10.銷軸 11.收膜輪 12.地輪 13.起膜鏟 14.連桿 15.導(dǎo)軌支座 16.彈簧 17.收膜傳動系統(tǒng) 18.清雜裝置 19.清雜傳動系統(tǒng) 20.牽引輪圖1 彈齒軌道式殘膜回收機(jī)結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Structure diagram of elastic tooth track type machine for recycling agricultural plastic film

1.3 主要技術(shù)指標(biāo)

彈齒軌道式殘膜回收機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 彈齒軌道式殘膜回收機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

2 試驗(yàn)設(shè)備與方法

2.1 試驗(yàn)條件

2016年10月10-25日，在石河子市農(nóng)八師150團(tuán)秋收后的棉田進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)田面積為100m×100m，地面平整度較好(有較淺的車轍)，屬栗鈣土；滴灌帶已經(jīng)被回收，土壤平均含水率17.6%(0～20 cm 內(nèi))。棉花種植模式為：行距660mm，株距100mm，膜邊壓入土中70 mm；膜寬為2 050mm，厚度為0.01mm，膜中間覆有少量泥土；滴灌帶已被人工回收，棉稈已切碎，為減少試驗(yàn)因素的影響，將切碎的棉稈以及雜草清理干凈。

2.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)儀器: 卷尺( 0～50m) 、DT-1002A 電子秤(Max=1 000g，d= 0.01g)、數(shù)字式石英電子秒表( 0.000 1～99 999s)和相機(jī)。選用雷沃M800H - D 輪式拖拉機(jī)，標(biāo)定功率60kW。

2.3 殘膜回收率測定

殘膜回收率是評價殘膜回收機(jī)具回收效果的重要指標(biāo)。以殘膜回收率為評價指標(biāo)，進(jìn)行殘膜回 收試驗(yàn)。試驗(yàn)參考《GB/ 25412-2010殘膜回收機(jī)》規(guī)定進(jìn)行設(shè)計(jì)，在樣機(jī)不同作業(yè)參數(shù)配置下選取試驗(yàn)區(qū)17個行程作業(yè)行程進(jìn)行試驗(yàn)，每個行程選取5個測試點(diǎn)進(jìn)行測試，每個測試點(diǎn)長度為10m。每個作業(yè)行程完成后，人工撿拾5個測試點(diǎn)內(nèi)的未收起的殘膜，將殘膜清洗干凈并利用DT-1002A 電子秤(Max=1 000g，d= 0．01g)進(jìn)行測量，計(jì)算5個測試點(diǎn)平均值質(zhì)量記為M1，每個測試點(diǎn)的完整殘膜質(zhì)量為M。

殘膜回收率計(jì)算公式為

(1)

式中η—地膜回收率(%)；

M—每個測試點(diǎn)的完整殘膜質(zhì)量(g)；

M1—5個測試點(diǎn)平均值質(zhì)量(g)。

2.4 殘膜回收率測定

選取樣機(jī)作業(yè)速度X1、軌道間距X2和脫膜輪轉(zhuǎn)速X3作為試驗(yàn)因素，以殘膜回收率Y作為評價指標(biāo)，根據(jù)彈齒軌道式殘膜回收機(jī)參數(shù)的要求，確定影響因素的取值范圍：樣機(jī)作業(yè)速度3～6km/h、軌道間距200～300mm、脫膜輪轉(zhuǎn)速220～280r/min。因素水平表如表2所示，應(yīng)用Box-Behnken 法設(shè)計(jì)[17-18]的試驗(yàn)方案及結(jié)果如表3所示。

表2 響應(yīng)面因素水平編碼表

表3 Box-Behnken設(shè)計(jì)方案及試驗(yàn)結(jié)果

續(xù)表3

3 結(jié)果與分析

3.1 統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果

利用Design-Expert 8.050軟件進(jìn)行相應(yīng)曲面分析，建立了以殘膜回收率為響應(yīng)指標(biāo)的二次多元回歸方程，并對響應(yīng)指標(biāo)的3個影響因素進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)與分析，得到響應(yīng)曲面模型的方差分析結(jié)果如表4所示。

殘膜回收率的回歸方程為

Y=93.74-0.1X1-1.06X2+1.24X3-
0.12X1X2-0.37X1X3+0.2X2X3-
4.95X12-2.82X22-1.67X32

(2)

式中Y—地膜回收率(%)；

X1—樣機(jī)作業(yè)速度編碼值；

X2—軌道間距編碼值；

X3—脫膜輪轉(zhuǎn)速編碼值。

表4 回歸統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果

P<0.01(極顯著，**)，P<0.05(顯著，*)。

由表4可以看出：該響應(yīng)模型是極其顯著的(P<0.01)。其中，軌道間距(X2)、脫膜輪轉(zhuǎn)速(X3)、樣機(jī)作業(yè)速度二次項(xiàng)(X12)、軌道間距二次項(xiàng)(X22)、脫膜輪轉(zhuǎn)速二次項(xiàng)(X32)的P值均小于0.05，表明上述因素對殘膜回收率的影響顯著；其余各項(xiàng)的P值均大于0.05，對殘膜回收率的影響不顯著。根據(jù)模型中各因素顯著水平P值的大小，可以得到各因素的影響順序依次為：脫膜輪轉(zhuǎn)速(X3)、軌道間距(X2)、樣機(jī)作業(yè)速度(X1)。

3.2 殘膜回收率相應(yīng)曲面分析

彈齒軌道式殘膜回收機(jī)作業(yè)速度X1、軌道間距X2和脫膜輪轉(zhuǎn)速X3對殘膜回收率Y交互作用的響應(yīng)曲面圖如圖2所示。

圖2(a)中：在脫膜輪轉(zhuǎn)速為250r/min時，殘膜回收率隨作業(yè)速度、軌道間距的增大而呈現(xiàn)先增大后減小趨勢。機(jī)具作業(yè)速度越大，殘膜不易堵塞在收膜裝置中，殘膜越容易被彈齒回收；但作業(yè)速度過大會導(dǎo)致殘膜在回收過程中出現(xiàn)撕裂現(xiàn)象，從而影響殘膜回收率。

圖2(b)中：在軌道間距為250mm時，殘膜回收率隨作業(yè)速度、脫膜輪轉(zhuǎn)速的增加呈現(xiàn)先增大后減小趨勢。脫膜輪轉(zhuǎn)速越大，殘膜易被脫膜葉片拍落到殘膜箱，脫膜效果越好；但脫膜輪轉(zhuǎn)速過大會導(dǎo)致殘膜纏繞在脫膜輪上，影響機(jī)具的連續(xù)作業(yè)，降低殘膜回收率。

圖2(c)中：在機(jī)具作業(yè)速度為4.5km/h時，殘膜回收率隨軌道間距、脫膜輪轉(zhuǎn)速的增加呈現(xiàn)先增大后減小趨勢。軌道間距越大，條狀殘膜連成一片越容易回收；但過大會導(dǎo)致殘膜夾雜泥土及秸草增多，導(dǎo)致殘膜漏收，降低殘膜回收率。

(a) 作業(yè)速度和軌道間距對殘膜回收率的影響

(b) 作業(yè)速度和脫膜輪轉(zhuǎn)速對殘膜回收率的影響

(c) 軌道間距和脫膜輪轉(zhuǎn)速對殘膜回收率的影響圖2 交互因素對殘膜回收率的影響Fig.2 Effects of interactive factors on plastic film recycling rate

借助響應(yīng)曲面優(yōu)化模型與回歸方程，應(yīng)用Design-Expert 8.050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，得到機(jī)具最優(yōu)工作參數(shù)為：機(jī)具作業(yè)速度4.5km/h、軌道間距250mm、脫膜輪轉(zhuǎn)速250r/min時，殘膜回收率達(dá)到93.74%。為驗(yàn)證模型的可靠性，在最優(yōu)參數(shù)組合情況下進(jìn)行了5次田間性能驗(yàn)證試驗(yàn)，平均殘膜回收率為91.63%。這表明響應(yīng)曲面分析的實(shí)際值與優(yōu)化值基本相符，建立的回歸模型是可靠的，具有一定的實(shí)用價值。

4 結(jié)論

1)介紹了彈齒軌道式殘膜回收機(jī)的結(jié)構(gòu)以及工作原理。該機(jī)具結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠，能滿足殘膜回收機(jī)的作業(yè)要求。

2)通過試驗(yàn)研究，確定了目標(biāo)函數(shù)殘膜回收率與各試驗(yàn)因素之間的關(guān)系，殘膜回收率隨各因素參數(shù)的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，得出各因素對殘膜回收率的影響程度依次為脫膜輪轉(zhuǎn)速、軌道間距、樣機(jī)作業(yè)速度。

3)通過優(yōu)化得出最優(yōu)工作參數(shù)為：在機(jī)具作業(yè)速度4.5km/h、軌道間距250mm、脫膜輪轉(zhuǎn)速250r/min時，殘膜回收率達(dá)到93.74%。進(jìn)行了田間驗(yàn)證試驗(yàn)，平均殘膜回收率為91.63%，表明響應(yīng)曲面分析的實(shí)際值與優(yōu)化值基本相符，建立的回歸模型是可靠的，具有一定的實(shí)用價值。

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