曲軸式棉田地表殘膜回收機(jī)撿膜特性分析及工作參數(shù)優(yōu)化

靳 偉，張學(xué)軍,2※，鄢金山,2，袁盼盼，白圣賀，方 旭

（1. 新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，烏魯木齊 830052；2. 新疆農(nóng)業(yè)工程裝備創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，烏魯木齊 830052）

0 引 言

地膜覆蓋技術(shù)具有增產(chǎn)增效、抑制雜草、保溫增濕等作用，因此被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)[1-5]。由于地膜回收不干凈，導(dǎo)致土壤中殘膜碎片逐年累計(jì)增加，破壞生態(tài)環(huán)境，阻礙了農(nóng)業(yè)持續(xù)發(fā)展[6]。目前殘膜回收有人工撿拾和機(jī)械化回收 2種方法，人工撿拾殘膜勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低、撿拾不干凈；機(jī)械化回收殘膜成本高、裝備容易損壞、對(duì)土壤壓實(shí)強(qiáng)度大、裝備功能單一。土壤內(nèi)殘膜含量超過(guò)一定數(shù)量時(shí)，將會(huì)破壞土壤結(jié)構(gòu)、降低微生物活力、降低土壤貯存水分的能力。根據(jù)相關(guān)研究試驗(yàn)測(cè)定：連續(xù)使用約4 a地膜的土地，若不及時(shí)撿拾殘膜，玉米和棉花的產(chǎn)量將下降 10%左右，其他農(nóng)作物的產(chǎn)量和質(zhì)量也會(huì)明顯降低[7-13]。

歐美國(guó)家一方面推廣高強(qiáng)度、耐老化地膜，另一方面積極開(kāi)發(fā)研制新型地膜，使地膜在土壤中自動(dòng)分解為無(wú)害物質(zhì)[14]。殘膜回收問(wèn)題是世界性的難題，國(guó)外主要采用高強(qiáng)度加厚膜，在苗期階段揭膜回收，地膜完整利于回收作業(yè)，回收的地膜統(tǒng)一集中處理；國(guó)外積極研發(fā)可降解地膜、紙質(zhì)地膜，但可降解地膜價(jià)格高，目前還處于試驗(yàn)階段，不能夠大面積推廣應(yīng)用[15]。中國(guó)使用的地膜較薄、力學(xué)性能較差，殘膜回收裝備按照作業(yè)季節(jié)可分為苗期殘膜撿拾裝備、收獲后殘膜撿拾裝備、播前殘膜撿拾裝備。苗期殘膜比較完整、回收比較容易、殘膜回收裝備相對(duì)簡(jiǎn)單，但大部分地區(qū)苗期不適宜回收地膜；收獲后殘膜撿拾裝備一般與耕整地機(jī)械或者秸稈粉碎機(jī)械聯(lián)合使用，一次性下地作業(yè)，減小對(duì)土壤的壓實(shí)、降低殘膜回收成本，但聯(lián)合作業(yè)機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工作不可靠、撿拾效率低；播前殘膜已破碎成小塊且力學(xué)性能較差，不容易回收殘膜，殘膜撿拾裝備結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、撿拾效率較低、成本高[16-17]。

新疆研制的殘膜回收機(jī)主要針對(duì)棉田殘膜回收，如石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院與新疆農(nóng)墾科學(xué)院聯(lián)合研制的4JSM-2000型棉桿粉碎與殘膜回收聯(lián)合作業(yè)機(jī)；中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院與新疆農(nóng)墾科學(xué)院聯(lián)合研制的CMJY-1500型農(nóng)田殘膜回收打包作業(yè)機(jī)；新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)機(jī)化研究所研制的4JLM-1800型棉稈還田及殘膜回收聯(lián)合作業(yè)機(jī)；新疆農(nóng)墾科學(xué)院研制的4SJ-1.6型殘膜回收與秸稈粉碎聯(lián)合作業(yè)機(jī)[18-19]。上述機(jī)型撿拾殘膜效果好，但其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜、制造成本較高、可靠性低。

目前亟需研制適合中國(guó)國(guó)情的殘膜回收機(jī)，促進(jìn)農(nóng)業(yè)綠色、環(huán)保、可持續(xù)、高速發(fā)展[20-22]。11SM-1.7型曲軸式殘膜回收機(jī)屬于典型殘膜回收機(jī)械，主要用于無(wú)滴灌帶、秸稈收獲后的棉田表層殘膜回收，但由于操作不恰當(dāng)、工作參數(shù)不合理，導(dǎo)致?lián)焓褒X受力不均勻、阻力較大，易發(fā)生卡死問(wèn)題，導(dǎo)致卸膜板彎曲、斷裂，殘膜漏撿區(qū)域較大。因此，合理選取殘膜回收機(jī)前進(jìn)速度、撿拾齒轉(zhuǎn)動(dòng)角速度、撿拾齒回轉(zhuǎn)半徑、入土深度、偏心距等參數(shù)，對(duì)于提高11SM-1.7型曲軸式殘膜回收機(jī)作業(yè)性能至關(guān)重要。

1 殘膜回收機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

11SM-1.7型曲軸式殘膜回收機(jī)（簡(jiǎn)稱(chēng)曲軸式殘膜回收機(jī)）主要由機(jī)架、懸掛裝置、傳動(dòng)裝置、起膜裝置、殘膜撿拾裝置、刮膜裝置、集膜裝置等組成，具體結(jié)構(gòu)如圖 1所示。結(jié)合新疆棉花矮密化特色種植模式以及棉花行距的要求，弧形齒的配置與新疆棉花種植行距相一致，棉花株距為100 mm、行距為660 mm、6行棉花由2根滴灌帶供水，即弧形齒間距采用100、660 mm模式，棉花種植模式是曲軸式殘膜回收機(jī)撿拾裝置的設(shè)計(jì)依據(jù)[23-25]。該殘膜回收機(jī)采用偏心弧形齒連續(xù)撿拾土壤表層殘膜，利用刮膜板實(shí)現(xiàn)自動(dòng)卸膜；作業(yè)幅寬1 800 mm、配套動(dòng)力50 kW、質(zhì)量約800 kg，殘膜回收箱容積0.38 m3、作業(yè)速度約1.3 m/s、弧形齒入土深度35 mm左右。

圖1 11SM-1.7型曲軸式殘膜回收機(jī)整體結(jié)構(gòu)Fig.1 Overall structure of 11SM-1.7 crankshaft type residual film recycling machine

1.2 工作原理

曲軸式殘膜回收機(jī)是2015年阿克蘇天典農(nóng)機(jī)制造有限責(zé)任公司與新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)聯(lián)合研制的新型農(nóng)機(jī)具，主要用于無(wú)滴灌帶和棉桿的棉田表層殘膜回收。如圖 1所示，殘膜回收機(jī)以懸掛方式與拖拉機(jī)相連，拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸通過(guò)傳動(dòng)軸與機(jī)具的傳動(dòng)系統(tǒng)相連，分別帶動(dòng)輥刀和撿拾機(jī)構(gòu)工作，刮膜板由液壓馬達(dá)提供動(dòng)力。作業(yè)時(shí)，曲軸式殘膜回收機(jī)撿拾機(jī)構(gòu)沿著棉花行向前進(jìn)，輥刀由傳動(dòng)軸和減速箱帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，利用輥刀和起膜鏟將地表殘膜鏟起。撿拾機(jī)構(gòu)通過(guò)鏈傳動(dòng)提供動(dòng)力，起膜鏟安裝在撿拾機(jī)構(gòu)下方鏟膜，偏心弧形齒撿拾棉田地表殘膜。當(dāng)弧形齒運(yùn)動(dòng)至撿拾裝置下方時(shí)，弧形齒伸出卸膜板齒孔距離最大、入土深度最深，撿拾地表殘膜；當(dāng)弧形齒運(yùn)動(dòng)至撿拾裝置上方時(shí)，弧形齒縮回卸膜板齒孔，刮膜板將弧形撿拾齒上的殘膜刮至集膜箱，重復(fù)撿膜、刮膜與集膜過(guò)程。殘膜回收箱裝滿殘膜后，收起膜箱內(nèi)的網(wǎng)袋，可簡(jiǎn)單、快捷地卸下收集的殘膜。

2 偏心弧形齒撿膜特性仿真分析

2.1 偏心弧形齒撿拾機(jī)構(gòu)

針對(duì)“11SM-1.7型曲軸式殘膜回收機(jī)”核心撿膜部件殘膜回收率較低、弧形齒運(yùn)動(dòng)阻力較大及漏撿殘膜等問(wèn)題，通過(guò)對(duì)偏心弧形齒撿膜特性進(jìn)行仿真分析，獲取該偏心弧形齒端點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡，分析其撿膜特性，合理選取殘膜回收機(jī)前進(jìn)速度、撿拾齒轉(zhuǎn)動(dòng)速度、撿拾齒半徑、入土深度、偏心距參數(shù)，為優(yōu)化殘膜回收機(jī)工作參數(shù)提供理論基礎(chǔ)，對(duì)于提高曲軸式殘膜回收機(jī)撿膜性能至關(guān)重要。

如圖2所示，偏心弧形齒撿拾機(jī)構(gòu)由曲軸、卸膜板、套筒、弧形撿膜齒、端蓋、軸頭等構(gòu)成，總長(zhǎng)為1 800 mm、由3段構(gòu)成，撿拾齒圓周均布4排、曲軸偏心距50 mm、撿拾裝置直徑為520 mm。該機(jī)構(gòu)采用弧形齒撿拾殘膜，弧形齒與曲軸通過(guò)套筒鉸接，弧形齒與套筒焊接且穿過(guò)卸膜板齒孔，套筒在曲軸上做周向轉(zhuǎn)動(dòng)但不能軸向滑動(dòng)；曲軸由曲柄和主軸構(gòu)成，通過(guò)螺栓連接，安裝、拆卸較方便，曲軸與機(jī)架固連；撿膜作業(yè)時(shí)曲軸相對(duì)機(jī)架處于靜止?fàn)顟B(tài)，卸膜板、端蓋及弧形齒通過(guò)套筒帶動(dòng)繞曲軸主軸周向轉(zhuǎn)動(dòng)。套筒在曲柄的作用下，推動(dòng)弧形齒做往復(fù)式伸出及縮回卸膜板齒孔運(yùn)動(dòng)，同時(shí)隨機(jī)具平移運(yùn)動(dòng)，即弧形齒運(yùn)動(dòng)為繞曲軸自轉(zhuǎn)和隨機(jī)具平移運(yùn)動(dòng)的合成，根據(jù)平面機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析可簡(jiǎn)化為曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，如圖 3所示。

圖2 偏心弧形齒撿拾機(jī)構(gòu)Fig.2 Collecting mechanism of eccentric arc tooth

2.2 建立偏心弧形齒仿真運(yùn)動(dòng)模型

建立偏心弧形齒運(yùn)動(dòng)模型，為弧形齒運(yùn)動(dòng)特性編程和仿真分析提供理論基礎(chǔ)。弧形撿拾齒端點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡為擺線，其軌跡曲線形狀由撿拾齒端點(diǎn)線速度與殘膜回收機(jī)前進(jìn)速度之比，即速比系數(shù)的大小決定。

圖3 偏心弧形齒撿拾機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)模型Fig.3 Motion model of eccentric arc tooth collecting structure

如圖3所示，選取A、B、C點(diǎn)為弧形撿拾齒初始位置，回轉(zhuǎn)半徑為b，運(yùn)動(dòng)時(shí)間t、撿拾齒轉(zhuǎn)動(dòng)角度ωt，撿拾齒A、B、C點(diǎn)由原初始位置轉(zhuǎn)動(dòng)至A1、B1、C1點(diǎn)，殘膜回收機(jī)前進(jìn)距離vt。在坐標(biāo)參考系中，根據(jù)弧形撿拾齒端點(diǎn)運(yùn)動(dòng)位移、速度、加速度之間的關(guān)系，推導(dǎo)出撿拾齒端點(diǎn)C1絕對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡、速度、加速度方程如式（1）、式（2）、式（3），即得偏心弧形齒運(yùn)動(dòng)模型。通過(guò)對(duì)撿拾齒端點(diǎn)絕對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡方程求一階導(dǎo)函數(shù)、二階導(dǎo)函數(shù)得弧形撿拾齒端點(diǎn)速度和加速度方程，分析弧形撿拾齒撿膜特性，為弧形齒運(yùn)動(dòng)特性編程和仿真分析提供運(yùn)動(dòng)方程。

令θ、θ1、θ2、θ3、f1(t)、f2(t)分別為

式中為弧形齒端點(diǎn)水平絕對(duì)運(yùn)動(dòng)位移，mm；為弧形齒端點(diǎn)垂直絕對(duì)運(yùn)動(dòng)位移，mm；為弧形齒端點(diǎn)水平分速度，m/s；為弧形齒端點(diǎn)垂直分速度，m/s；為弧形齒端點(diǎn)水平加速度，m/s2；為弧形齒端點(diǎn)垂直加速度，m/s2；a為曲柄長(zhǎng)度，mm；b為弧形齒回轉(zhuǎn)半徑，mm；a為O1O2與垂線之間的夾角，rad；q為CC1與水平面之間的夾角，rad；maxb為O2C1與垂線之間的最大夾角，rad；w為弧形齒轉(zhuǎn)動(dòng)角速度，rad/s；v為殘膜回收機(jī)前進(jìn)速度，m/s；t為時(shí)間，s；'()tq、''()tq分別為q函數(shù)對(duì)時(shí)間t的一階導(dǎo)函數(shù)和二階導(dǎo)函數(shù)。

2.3 弧形齒運(yùn)動(dòng)特性仿真分析

弧形齒運(yùn)動(dòng)特性仿真可直觀顯示撿拾齒端點(diǎn)運(yùn)動(dòng)變化狀況和漏撿區(qū)域，為利用MATLAB編程求出漏撿面積提供基礎(chǔ)。結(jié)合11SM-1.7型曲軸式殘膜回收機(jī)結(jié)構(gòu)和參數(shù)、參考新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所對(duì)弧形齒殘膜撿拾機(jī)理研究的結(jié)論，確定撿拾齒運(yùn)動(dòng)特性仿真參數(shù)組合和正交因素水平表。以曲軸軸頭中心為坐標(biāo)原點(diǎn)、偏心距a為50 mm、O1O2與垂線夾角α為30°、O2C1與垂線之間最大夾角βmax為65°、弧形齒轉(zhuǎn)動(dòng)速度r為50～70 r/min、殘膜回收機(jī)運(yùn)移時(shí)間t為2 s、機(jī)具前進(jìn)速度v為1～1.6 m/s，撿拾齒圓周均布4排，弧形齒半徑b取190～300 mm。

弧形齒運(yùn)動(dòng)特性仿真必須在確定的參數(shù)組合條件下才能進(jìn)行，在不同參數(shù)組合仿真條件下，撿拾齒端點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡曲線會(huì)發(fā)生變化，漏撿區(qū)域面積也會(huì)發(fā)生變化，但軌跡曲線周期性的變化趨勢(shì)相同。為了更加清晰、直觀地顯示撿拾齒端點(diǎn)運(yùn)動(dòng)變化狀況和漏撿區(qū)域，根據(jù)新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所對(duì)弧形齒殘膜撿拾機(jī)理研究的結(jié)論，選取仿真參數(shù)組合即a為50 mm、βmax為65°、α為30°、r為60 r/min、t為2 s、v為1 m/s、b分別取190、245和300 mm。將上述參數(shù)組合分別帶入撿拾齒端點(diǎn)C1絕對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡方程式（1），利用 MATLAB軟件編程仿真，獲取相鄰2個(gè)弧形齒端點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡，如圖4所示。

圖4 撿拾齒端點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.4 Trajectory of pickup tooth endpoint

由圖4可知，當(dāng)殘膜回收機(jī)前進(jìn)速度、撿拾齒轉(zhuǎn)速、偏心距為定值時(shí)，相鄰撿拾齒端點(diǎn)軌跡交點(diǎn)距撿拾齒軌跡最低點(diǎn)的距離（即圖4中2條水平線y1y2、y3y4、y5y6之間的距離）隨撿拾齒半徑增大而增大。當(dāng)弧形撿拾齒半徑分別取190、245和300 mm時(shí)，相鄰撿拾齒軌跡交點(diǎn)距撿拾齒軌跡最低點(diǎn)距離分別為32、41和53 mm；漏撿區(qū)域面積S1、S2、S3分別為 1 432、1 598、1 837 mm2。

曲軸偏心距a為50 mm、殘膜回收機(jī)前進(jìn)速度v為1 m/s、撿拾齒轉(zhuǎn)速r為60 r/min、半徑b取190 mm時(shí)，如圖4a所示，撿拾齒端點(diǎn)水平和垂直位移變化較平穩(wěn)，即撿拾齒速度、加速度變化較?。划?dāng)撿拾齒半徑b取245 mm時(shí)，如圖4b所示，撿拾齒端點(diǎn)垂直位移變化較大；當(dāng)撿拾齒半徑b取300 mm時(shí)，如圖4c所示，撿拾齒端點(diǎn)垂直位移變化較劇烈，撿拾齒與卸膜板之間的摩擦阻力較大。因此，合理選取機(jī)具前進(jìn)速度、撿拾齒轉(zhuǎn)速、撿拾齒半徑、入土深度、偏心距參數(shù)，對(duì)于提高曲軸式殘膜回收機(jī)作業(yè)性能至關(guān)重要。

3 殘膜撿拾試驗(yàn)與工作參數(shù)優(yōu)化

3.1 試驗(yàn)條件與因素

2017年5月選在新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第一師六團(tuán)七連，秸稈已被收獲的棉田地進(jìn)行試驗(yàn)，地表有少量根茬、秸稈，滴灌管道已被回收，試驗(yàn)地較為平坦，選用 11SM-1.7型曲軸式殘膜回收機(jī)進(jìn)行殘膜回收試驗(yàn)。經(jīng)過(guò)測(cè)定試驗(yàn)地土壤含水率均值為9.81%、地表殘膜含量均值為11.32 g/m2、土壤堅(jiān)實(shí)度均值為0.7 MPa、土壤碎土率為74.8%、覆蓋地膜采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)地膜厚度為0.008 mm、棉桿粉碎后直徑和長(zhǎng)度分別約為20和50 mm，選用東方紅500型拖拉機(jī)、額定功率50 kW。根據(jù)弧形齒撿拾殘膜特性分析結(jié)果及參考新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所對(duì)弧形齒殘膜撿拾機(jī)理研究的結(jié)論，設(shè)計(jì)試驗(yàn)因素水平，如表1所示。

表1 試驗(yàn)因素水平Table 1 Factor level table of experiment

3.2 殘膜撿拾率與卸膜率試驗(yàn)方法

根據(jù) NYT1227-2006殘膜回收機(jī)作業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)試驗(yàn)，在棉桿和滴灌帶收獲后試驗(yàn)地內(nèi)隨機(jī)選取 5個(gè)面積為1 m2區(qū)域，將每個(gè)區(qū)域地表殘膜收集裝袋、洗凈、晾曬干并稱(chēng)質(zhì)量，分別記為Ma1、Ma2、Ma3、Ma4、Ma5；殘膜回收機(jī)前進(jìn)距離為100 m、共設(shè)置5個(gè)測(cè)量行程，在5個(gè)作業(yè)后100 m行程內(nèi)隨機(jī)各選取1個(gè)面積為1 m2區(qū)域，將每個(gè)區(qū)域地表剩余殘膜撿拾干凈裝袋、洗凈、晾曬干并稱(chēng)質(zhì)量，分別記為Mb1、Mb2、Mb3、Mb4、Mb5。每個(gè)行程撿拾殘膜后，將殘膜回收箱中的殘膜裝袋、洗凈、曬干并稱(chēng)質(zhì)量，分別記為Na1、Na2、Na3、Na4、Na5，再將撿拾齒上未卸下的殘膜收集裝袋、洗凈、晾曬干并稱(chēng)質(zhì)量，分別記為Nb1、Nb2、Nb3、Nb4、Nb5。殘膜撿拾率與卸膜率計(jì)算公式如式（4）、（5）所示[26-28]。

式中η為殘膜撿拾率，%；γ為卸膜率，%；Mai為撿膜作業(yè)前隨機(jī)1 m2區(qū)域殘膜含量，g；Mbi為撿膜作業(yè)后隨機(jī)1 m2區(qū)域殘膜含量，g；Nai為殘膜回收機(jī)撿膜作業(yè)100 m后，膜箱中殘膜質(zhì)量，g；Nbi為殘膜回收機(jī)撿膜作業(yè)100 m后，撿拾齒未卸下殘膜的質(zhì)量，g；為撿膜作業(yè)前隨機(jī)1 m2區(qū)域殘膜含量的均值，g；為撿膜作業(yè)后隨機(jī)1 m2區(qū)域殘膜含量均值，g；為殘膜回收機(jī)撿膜作業(yè)100 m后，膜箱中殘膜質(zhì)量均值，g；為殘膜回收機(jī)撿膜作業(yè)100 m，撿拾齒未卸下殘膜的質(zhì)量均值，g。

3.3 殘膜漏撿率試驗(yàn)方法

11SM-1.7型曲軸式殘膜回收機(jī)前進(jìn)速度分別取1.0、1.3和1.6 m/s、撿拾齒轉(zhuǎn)速分別取50、60和70 r/min、撿拾齒半徑分別取190、245和300 mm時(shí)，利用MATLAB編程求出漏撿高度，再利用積分法獲取撿膜作業(yè)1 m2內(nèi)殘膜漏撿率。

根據(jù) 11SM-1.7型曲軸式殘膜回收機(jī)結(jié)構(gòu)及田間試驗(yàn)，殘膜回收機(jī)前進(jìn)距離為100 m、共設(shè)置5個(gè)測(cè)量行程，在5個(gè)作業(yè)后100 m行程內(nèi)隨機(jī)各選取1個(gè)測(cè)量區(qū)域。如圖5所示，用刻度尺分別測(cè)量5個(gè)區(qū)域高度，分別記為h1、h2、h3、h4、h5；在曲線分別取 5個(gè)測(cè)量點(diǎn)，利用曲線擬合最小二乘法，求出曲線的擬合直線即曲線段13FFl、23F Fl擬合為直線段、利用擬合直線代替曲線構(gòu)建；5個(gè)區(qū)域的長(zhǎng)度分別記為l1、l2、l3、l4、l5；在5個(gè)測(cè)量區(qū)域1 m2內(nèi)撿拾齒入土撿膜的次數(shù)分別記為n1、n2、n3、n4、n5。參考內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院關(guān)于牧草撿拾器漏撿率研究過(guò)程中提出的牧草空間漏撿率和質(zhì)量漏撿率，本文在借鑒牧草漏撿率的研究基礎(chǔ)上，將殘膜理論漏撿率問(wèn)題轉(zhuǎn)化為漏撿區(qū)域長(zhǎng)度和高度即面積問(wèn)題，以便于試驗(yàn)驗(yàn)證，殘膜回收機(jī)漏撿率計(jì)算公式如式（10）所示。

式中ζ為殘膜回收機(jī)漏撿率，%；in為1 m2內(nèi)撿拾齒入土撿膜的次數(shù)，次；為 1 m2內(nèi)撿拾齒入土撿膜次數(shù)的均值，次；iSD為漏撿區(qū)域擬合為三角形的面積，mm2；為漏撿區(qū)域擬合三角形面積的均值，漏撿區(qū)域高度的均值，為擬合曲線長(zhǎng)度的均值，mm；為漏撿區(qū)域高度，mm；il為擬合曲線長(zhǎng)度，mm。

圖5 測(cè)量殘膜實(shí)際漏撿率Fig.5 Measure actual residual leakage rate of pickup film

3.4 殘膜撿拾率與卸膜率試驗(yàn)結(jié)果與分析

曲軸式殘膜回收機(jī)田間撿膜試驗(yàn)如圖6、撿拾率與卸膜率正交試驗(yàn)結(jié)果如表 2所示，撿拾機(jī)構(gòu)選取不同因素水平組合條件下的殘膜撿拾率為79.8%～93.2%；根據(jù)極差Rη數(shù)值大小可知影響殘膜撿拾率主次因素順序?yàn)椋簱焓褒X轉(zhuǎn)速r＞殘膜回收機(jī)前進(jìn)速度v＞撿拾齒半徑b；前進(jìn)速度v中最大Kη2值為87.1%、撿拾齒轉(zhuǎn)速r中最大Kη2值為91.5%、撿拾齒半徑b中最大Kη2值為85.4%，所以殘膜撿拾率各因素水平最優(yōu)組合為v2r2b2，該因素水平組合在正交試驗(yàn)表中對(duì)應(yīng)為第 5組試驗(yàn)，該組試驗(yàn)殘膜撿拾率最大為93.2%、卸膜率最大為94.6%。

表2 殘膜撿拾正交試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Orthogonal experiment results of pickup film

圖6 11SM-1.7型殘膜回收機(jī)田間試驗(yàn)Fig.6 Field test of film recycling machine of 11SM-1.7 type

通過(guò)殘膜撿拾率方差分析（如表3所示），撿拾齒轉(zhuǎn)速和殘膜回收機(jī)前進(jìn)速度對(duì)殘膜撿拾率影響高度顯著（P<0.01），撿拾齒半徑對(duì)殘膜撿拾率影響顯著（P<0.05）。通過(guò)以上仿真模擬和正交試驗(yàn)優(yōu)化分析，結(jié)合田間試驗(yàn)效果，選取最佳因素水平組合為v2r2b2，即殘膜回收機(jī)前進(jìn)速度1.3 m/s、撿拾齒轉(zhuǎn)速60 r/min、撿拾齒半徑245 mm時(shí)，殘膜撿拾率最大為93.2%、卸膜率最大為94.6%。

表3 殘膜撿拾率方差分析Table 3 Variance analysis on rate of residual recovery

3.5 殘膜漏撿率試驗(yàn)結(jié)果與分析

殘膜漏撿率MATLAB編程仿真結(jié)果與正交試驗(yàn)結(jié)果如表4所示，漏撿率正交試驗(yàn)結(jié)果為1.13%～4.80%；當(dāng)因素水平組合為v2r2b2時(shí)，殘膜漏撿率試驗(yàn)值為 1.61%。漏撿率的大小與殘膜回收機(jī)前進(jìn)速度、撿拾齒轉(zhuǎn)速和半徑有關(guān)，由表4結(jié)果可以得出，殘膜回收機(jī)前進(jìn)速度越小、撿拾齒轉(zhuǎn)速越大、撿拾齒半徑越大，殘膜漏撿率越小。

表4 殘膜漏撿率正交試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Orthogonal experiment results of leakage film ratio

4 討 論

1）曲軸式殘膜回收機(jī)性能優(yōu)劣主要依據(jù)殘膜撿拾率來(lái)衡量，其殘膜撿拾率的影響因素主要有機(jī)具前進(jìn)速度、撿拾齒入土深度、撿拾齒轉(zhuǎn)速、撿拾齒半徑。根據(jù)理論分析和田間試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，機(jī)具前進(jìn)速度和撿拾齒半徑為定值時(shí)，撿拾齒轉(zhuǎn)速越高、撿拾齒入土深度越深，漏撿區(qū)域面積越小。但撿拾齒轉(zhuǎn)速較高時(shí)，會(huì)加劇機(jī)具振動(dòng)、降低零部件的使用壽命；撿拾齒入土深度較深時(shí)，起膜輥刀、撿拾齒阻力較大，能耗較大。

2）目前已經(jīng)研制成型的殘膜撿拾機(jī)適應(yīng)性和可靠性不高，作業(yè)土壤不同（沙土、黏土）其性能有很大差異；另外殘膜撿拾機(jī)性能與田間作物種類(lèi)、駕駛?cè)藛T操作技術(shù)水平等因素有很大關(guān)系。但本試驗(yàn)選在新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第一師六團(tuán)七連，秸稈已被收獲的棉田地中進(jìn)行，屬于沙性土壤，沒(méi)有在粘性土壤、除棉田以外作物田間試驗(yàn)，具有一定局限性。今后將在不同土壤含水率、不同土壤堅(jiān)實(shí)度、不同碎土率、不同秸稈直徑和粉碎長(zhǎng)度的條件下進(jìn)行深入試驗(yàn)研究。

5 結(jié) 論

1）針對(duì) 11SM-1.7型曲軸式殘膜回收機(jī)核心撿膜部件作業(yè)參數(shù)不合理、殘膜回收率較低、漏撿率較大等問(wèn)題，本文建立弧形齒撿拾裝置的運(yùn)動(dòng)模型，運(yùn)用MATLAB編程分析了往復(fù)式偏心弧形齒尖運(yùn)動(dòng)特性和漏撿率，并且進(jìn)行田間試驗(yàn)，驗(yàn)證了理論模型的正確性。

2）殘膜撿拾率正交試驗(yàn)結(jié)果表明：撿拾齒轉(zhuǎn)速和殘膜回收機(jī)前進(jìn)速度對(duì)殘膜撿拾率影響高度顯著；影響殘膜撿拾率主次因素順序?yàn)閾焓褒X轉(zhuǎn)速＞殘膜回收機(jī)前進(jìn)速度＞撿拾齒半徑。通過(guò)仿真分析和正交試驗(yàn)優(yōu)化驗(yàn)證，獲取最佳參數(shù)組合為：殘膜回收機(jī)前進(jìn)速度1.3 m/s、撿拾齒轉(zhuǎn)速60 r/min、撿拾齒半徑245 mm，此時(shí)殘膜撿拾率最大為93.2%、卸膜率最大為94.6%、殘膜漏撿率試驗(yàn)結(jié)果為1.61%。

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