鏈篩式耕層殘膜回收機(jī)設(shè)計(jì)與工作參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)

羅 凱，袁盼盼，靳 偉，鄢金山，白圣賀，張朝書，張學(xué)軍

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鏈篩式耕層殘膜回收機(jī)設(shè)計(jì)與工作參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)

羅 凱1,2，袁盼盼1,2，靳 偉1,2，鄢金山1,2，白圣賀1,2，張朝書3，張學(xué)軍1,2※

（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；3. 阿拉爾市天典農(nóng)機(jī)制造有限責(zé)任公司，阿拉爾 843300）

針對(duì)新疆地區(qū)農(nóng)田大面積使用地膜，耕層殘膜碎片化嚴(yán)重、殘膜分離困難，耕層殘膜回收問(wèn)題亟待解決的現(xiàn)狀，該文設(shè)計(jì)研發(fā)了鏈篩式耕層殘膜回收機(jī)。鏈篩式殘膜回收機(jī)由挖掘鏟、清障機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、偏心輪、連桿機(jī)構(gòu)、鏈齒機(jī)構(gòu)、脫膜輥、振動(dòng)機(jī)構(gòu)、機(jī)架和膜箱組成。根據(jù)設(shè)計(jì)計(jì)算和試驗(yàn)確定機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)，其中偏心輪偏心距為40 mm，用ADAMS對(duì)該機(jī)振動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真并分析其運(yùn)動(dòng)特性，確定運(yùn)動(dòng)特征值(2×L/g)范圍為2.66≤≤4.02。借助Box-BenhnKen的中心組合設(shè)計(jì)方法分析回收機(jī)工作參數(shù)對(duì)回收率的影響效應(yīng)并作試驗(yàn)設(shè)計(jì)，選取前進(jìn)速度、入土深度和輸送鏈驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速為影響因子進(jìn)行三因素三水平一次回歸正交試驗(yàn)，17組試驗(yàn)的平均回收率為83.34%。在DESIGN EXPERT中使用響應(yīng)曲面法分析各因素對(duì)回收率影響效應(yīng)并對(duì)回歸模型的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,優(yōu)化后最優(yōu)參數(shù)值組合為前進(jìn)速度1.317 m/s、入土深度117.066 mm、輸送鏈驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速65.106r/min，當(dāng)振動(dòng)機(jī)構(gòu)振幅79.1 mm、偏心輪轉(zhuǎn)速255 r/min時(shí)，最優(yōu)參數(shù)組合的田間試驗(yàn)結(jié)果為85.07%，振動(dòng)機(jī)構(gòu)參數(shù)設(shè)定滿足要求，工作性能滿足耕層殘膜回收的要求。該機(jī)適用于新疆地區(qū)以及北方多數(shù)干旱、半干旱和半濕潤(rùn)農(nóng)業(yè)區(qū)的耕層殘膜回收，將鏈齒機(jī)構(gòu)同振動(dòng)機(jī)構(gòu)分級(jí)結(jié)合實(shí)現(xiàn)耕層殘膜回收，鏈篩型回收方式為耕層殘膜回收機(jī)的研發(fā)提供了新思路。

農(nóng)業(yè)機(jī)械；設(shè)計(jì)；試驗(yàn)；鏈篩式耕層殘膜回收

0 引 言

中國(guó)新疆作為干旱少雨的旱地農(nóng)業(yè)地區(qū)，使用地膜是改善農(nóng)田作物環(huán)境的重要措施。新疆地區(qū)面臨地膜殘存日趨嚴(yán)重，甚至農(nóng)業(yè)可持續(xù)性難以為繼的狀況，平均每畝殘存地膜為70.2 kg/hm2，殘存在農(nóng)田及臨近區(qū)域的塑料薄膜幾乎占應(yīng)用量的10%～20%[1-2]。地膜使用量截至2015年為1833萬(wàn)hm2，依據(jù)國(guó)標(biāo)農(nóng)田殘存地膜回收標(biāo)準(zhǔn)，回收程度不及六成[3-4]。

伴隨地膜長(zhǎng)期鋪設(shè)、零星碎片化及回收效率不佳，耕作層殘存的地膜回收難度加大。國(guó)內(nèi)農(nóng)業(yè)作業(yè)依然以普通地膜為主，200～400年后普通地膜才可在農(nóng)田自然降解[5-6]。隨著耕田地膜投入量增長(zhǎng)，其在實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)產(chǎn)值增長(zhǎng)的同時(shí)，也給耕作環(huán)境和農(nóng)業(yè)的發(fā)展造成羈絆，如地膜材料性能不佳，生產(chǎn)質(zhì)量難以保證，降低種子發(fā)芽率等。

當(dāng)前，該類農(nóng)業(yè)機(jī)械的研發(fā)以苗期殘膜回收、秋后殘膜回收和播前殘膜回收為殘膜回收機(jī)的重點(diǎn)研發(fā)方向，因膜下滴灌技術(shù)所使用的滴灌帶是在作物回收后收回，故秋后和播前回收機(jī)械應(yīng)用較廣播種前收膜和收獲后收膜相比,播前收膜最為便利[7-14]。

但此季節(jié)地膜缺乏柔韌性，拉伸效果顯示，屈服強(qiáng)度只有新膜的四成，難以回收[15-24]。多數(shù)的殘膜回收機(jī)多數(shù)為機(jī)部件直接到農(nóng)田中撿拾，接觸面積較小而造成殘膜碎片化，撿拾效果不佳[25-28]。

以往耕層殘膜回收機(jī)多數(shù)為機(jī)部件直接從耕層中拾取，部件頻繁的深入耕層使機(jī)構(gòu)需要更高的強(qiáng)度，但經(jīng)過(guò)熱處理加工后的碳鋼和合金材料一是使用壽命無(wú)法滿足要求，二是成本過(guò)高，難以推廣使用。耕層殘膜回收難點(diǎn)在于撿拾、土膜分離及纏膜，本文通過(guò)將鏈齒機(jī)構(gòu)和振動(dòng)機(jī)構(gòu)相結(jié)合的方法分級(jí)回收和分離殘膜而研發(fā)出鏈篩式殘膜回收機(jī)，并利用脫膜輥減少殘膜纏繞機(jī)[29-32]，不再用機(jī)構(gòu)直接從農(nóng)田中拾取而將土膜混合物鏟起后篩選分離。

鏈齒機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)抖動(dòng)分離并撿拾較大的耕層殘膜，振動(dòng)機(jī)構(gòu)將經(jīng)過(guò)撿拾分離的土膜混合物進(jìn)行二次分離篩選并送至膜箱。該樣機(jī)適用于北方干旱、半干旱和半濕潤(rùn)地區(qū)中因長(zhǎng)期使用地膜而造成耕層地膜殘存的農(nóng)業(yè)區(qū)。

1 鏈篩式殘膜回收機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)組成

鏈篩式殘膜回收機(jī)由傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、連桿機(jī)構(gòu)、偏心輪、機(jī)架、振動(dòng)機(jī)構(gòu)、膜箱、脫膜輥、鏈齒機(jī)構(gòu)、挖掘鏟和清障機(jī)構(gòu)組成，如圖1所示。

1. 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)2. 連桿機(jī)構(gòu) 3. 偏心輪4. 機(jī)架5. 振動(dòng)機(jī)構(gòu) 6. 膜箱7. 脫膜輥8.鏈齒機(jī)構(gòu)9. 挖掘鏟10.清障機(jī)構(gòu)

1.2 工作原理

殘膜回收機(jī)與拖拉機(jī)通過(guò)懸掛方式連接，在拖拉機(jī)牽引下實(shí)現(xiàn)田間作業(yè)，拖拉機(jī)通過(guò)動(dòng)力輸出軸將動(dòng)力傳送至與之相銜接的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)1，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)1通過(guò)變速箱改變速度并通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)1中的帶傳動(dòng)將動(dòng)力分別傳送到鏈齒機(jī)構(gòu)8和振動(dòng)機(jī)構(gòu)5，以此帶動(dòng)鏈齒機(jī)構(gòu)8和振動(dòng)機(jī)構(gòu)5工作。挖掘鏟9鏟起的土膜混合物先經(jīng)過(guò)鏈齒機(jī)構(gòu)8的抖動(dòng)、撿拾并輸送到振動(dòng)機(jī)構(gòu)5，混合物在振動(dòng)機(jī)構(gòu)5的篩板上既有沿著篩板的前后進(jìn)給又有因篩板角度變化產(chǎn)生的振動(dòng)而躍起，在振動(dòng)機(jī)構(gòu)的振動(dòng)和擺動(dòng)中實(shí)現(xiàn)膜土分離，然后輸送至膜箱6。

為防止殘膜纏繞，在鏈齒機(jī)構(gòu)8末端安裝與輸送鏈驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)向相反的脫膜輥7（轉(zhuǎn)速為210 r/min），其輥葉由工業(yè)橡膠板做成，韌性較強(qiáng)，將纏繞在彈齒的殘膜刮下，刮下的地膜落入振動(dòng)機(jī)構(gòu)并被拋送至膜箱，從而防止地膜過(guò)多纏繞鏈齒機(jī)構(gòu)，殘膜回收機(jī)作業(yè)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 鏈篩式殘膜回收機(jī)主要作業(yè)參數(shù)

2 關(guān)鍵部件參數(shù)設(shè)計(jì)及工作分析

2.1 振動(dòng)機(jī)構(gòu)及其參數(shù)設(shè)計(jì)

振動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖2a所示，偏心輪L以角速度勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，振動(dòng)篩L在偏心輪L、拔叉L、擺桿L（L=L）和連桿（振動(dòng)篩）L的帶動(dòng)下做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)振動(dòng)篩的振動(dòng)與擺動(dòng)，完成膜土分離而后輸送至膜箱，L和L間的夾角（銳角）為30°()。

（1）

a. 振動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖

a. Motion diagram of vibration mechanism

b. 振動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

b. Structure schematic diagram of vibration mechanism

1. 偏心輪傳動(dòng)軸2. 變速箱 3. 變速箱傳動(dòng)軸4. 帶傳動(dòng)5. 機(jī)架 6. 拔叉 7. 偏心輪8. 擺桿 9. 篩面10.連桿

1. Eccentric wheel drive shaft 2. Gearbox 3. Gearbox drive shaft 4.Belt drive 5.Frame 6.Fork 7.Eccentric wheel 8.Pendulum rod 9.Sieve surface 10.Link rod

注：為橫向坐標(biāo)軸同摩擦力方向平行的坐標(biāo)系，為橫向坐標(biāo)軸同合力方向平行的坐標(biāo)系；為偏心輪角速度, rad·s-1；L和L間的夾角（銳角）為30°()；為振動(dòng)機(jī)構(gòu)安裝傾角，（°）。

Note:is coordinate systemin in which the transverse axis is parallel to the direction of the frictional force,is coordinate system in which the transverse axis is parallel to the direction of the resultant force;is angular velocity of eccentric wheel, rad×s-1;The angle between Land L(sharp angle) is30°();isinstallation tilt angle for vibration mechanism, (°).

圖2 振動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖和結(jié)構(gòu)示意圖

Fig.2 Motion diagram and structure schematic diagram of vibration mechanism

膜土混合物在篩面被分離的條件為與篩面相對(duì)滑動(dòng)，所以篩面安裝傾角應(yīng)取膜土混合物處在臨界靜摩擦和初始滑動(dòng)摩擦才符合工作要求。根據(jù)斜面上物體受力平衡條件，傾角需要滿足的條件為tan≥(值為0.577取值0.58)，因此殘膜回收機(jī)振動(dòng)機(jī)構(gòu)安裝傾角為=30°即（tan=0.58）。

振動(dòng)機(jī)構(gòu)組成如圖2b所示，主要由振動(dòng)篩、偏心輪、拔叉、擺桿和連桿等組成。振動(dòng)機(jī)構(gòu)將膜土混合物中鏈齒機(jī)構(gòu)難以撿拾的殘膜分離并拋至膜箱，因?yàn)楦麑又袣埬ざ鄶?shù)以破碎不完整為主，所以膜土分離是本機(jī)的核心，連桿組件材料為45#優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，經(jīng)淬火處理。前期試驗(yàn)表明，L=25～50 m、L=130.5 mm、L=108 mmL(L=L=336mm)和L=650 mm，可以實(shí)現(xiàn)土膜混合物同篩面摩擦、躍起松土和殘膜拋出。L<25 mm時(shí)，振動(dòng)機(jī)構(gòu)的振動(dòng)及擺動(dòng)幅度無(wú)法有效完成膜土分離；L>50 mm時(shí)，振動(dòng)機(jī)構(gòu)擺動(dòng)幅度較大，機(jī)構(gòu)慣性較大，機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度受影響，并會(huì)帶來(lái)機(jī)作業(yè)不穩(wěn)、共振。依據(jù)經(jīng)驗(yàn)及試驗(yàn)確定偏心距為40 mm。連桿組件可分為曲柄連桿與雙搖桿機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)振動(dòng)篩前后擺動(dòng)與上下振動(dòng)，連桿機(jī)構(gòu)可以使篩面快速擺動(dòng)，減小慣性影響。

2.2 振動(dòng)機(jī)構(gòu)工作分析

振動(dòng)機(jī)構(gòu)的工作狀態(tài)如圖3所示，因?yàn)檎駝?dòng)機(jī)構(gòu)左右對(duì)稱分布，兩側(cè)是相同的連桿機(jī)構(gòu)，篩面棒條等間距排布所以簡(jiǎn)化工作狀態(tài)。轉(zhuǎn)角為0～π時(shí)，混合物向前滑動(dòng)和跳動(dòng)。轉(zhuǎn)角為π～2π時(shí)，混合物向后滑動(dòng)并同篩面分離。設(shè)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特征值為(2×L/)。根據(jù)受力情況，建立平衡方程。

由圖3a、3c可知，土膜混合物在篩面上沿進(jìn)、回程方向滑動(dòng)受力平衡方程：

由圖3b、3d可知，土膜混合物在篩面上沿進(jìn)、回程方向躍起的受力平衡方程：

化簡(jiǎn)式（2）土和膜混合物前后摩擦滑動(dòng)的條件：

化簡(jiǎn)式（3）可得土膜混合物在篩面拋離和躍起條件：

注：為篩面對(duì)土膜混合物的支持力,N；為土膜混合物所受的重力,N；Ff為土膜混合物在篩面上所受的摩擦力，N；Fg為土膜混合物運(yùn)動(dòng)中的慣性力，N；β為進(jìn)程時(shí)間中點(diǎn)篩面同地面夾角, (°)；βˊ進(jìn)程終點(diǎn)篩面與地面夾角, (°)；γ為振動(dòng)篩進(jìn)程時(shí)間中點(diǎn)質(zhì)心合力同水平面夾角, (°)；γˊ為振動(dòng)篩擺動(dòng)到最高點(diǎn)時(shí)質(zhì)心合力同水平面夾角, (°)；XOY為同大地平行垂直的參考坐標(biāo)系。

土膜混合物與篩面分離時(shí)所受篩面支持力為零即=0，結(jié)合公式和慣性力表達(dá)式可得到同篩面分離要求：

式中（4）~（6）中=arctan（a/a），（°）；為碳鋼和土間摩擦系數(shù)，經(jīng)查閱并試驗(yàn)其值約為0.58（篩面上的摩擦角30°）。

在動(dòng)力學(xué)仿真軟件ADAMS中進(jìn)行振動(dòng)機(jī)構(gòu)仿真，測(cè)得振幅為79.1 mm，=31.51°，￠=35.56°，=72.95°，￠=66.07°。

聯(lián)立式（1）～（3），并帶入所得參數(shù)，可知特征值應(yīng)滿足≥2.66，既偏心輪轉(zhuǎn)速大于246.38 r/min，頻率大于4.1 Hz才可滿足拋離和摩擦條件。頻率過(guò)大膜土難分離，前期樣機(jī)試驗(yàn)測(cè)得頻率>5 Hz較難實(shí)現(xiàn)膜土分離故區(qū)間為25.79 rad/s≤≤31.40 rad/s，即特征值區(qū)間為 2.66≤≤4.02。防共振且滿足拋送和分離條件，根據(jù)理論分析和試驗(yàn)，選定轉(zhuǎn)速為255 r/min（26.69 rad/s），即機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特征值=2.9。

2.3 振動(dòng)篩及其參數(shù)設(shè)計(jì)

振動(dòng)篩結(jié)構(gòu)組成如圖4所示，由擺桿連接軸1，篩面2，篩架3，連桿連接軸4組成。落入振動(dòng)篩的土膜混合物伴隨振動(dòng)篩的振動(dòng)和擺動(dòng)在篩面上反復(fù)摩擦和躍起，實(shí)現(xiàn)膜土分離，而后殘膜被拋送至膜箱。

在選定的偏心輪轉(zhuǎn)速區(qū)間（25.79 rad/s≤≤ 31.40 rad/s），將不同篩面進(jìn)行試驗(yàn)，沖孔、編織、條縫型篩面膜土分離效果不佳，纏膜較多，鋸齒和棒條相對(duì)符合要求。

為25.79 rad/s時(shí)，有一定程度混合物堆積，無(wú)法充分?jǐn)傞_分離，為31.40 rad/s時(shí)，振動(dòng)篩同混合物膜土分離效果較好但沖擊變大。機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)中振動(dòng)篩非平動(dòng)而是擺動(dòng)和振動(dòng)，鋸齒篩面形齒形方向單一，不利于摩擦分離且齒形尖銳接觸面積小，不便于拋離，所以振動(dòng)機(jī)構(gòu)中篩面類型選為棒條形。依據(jù)前期準(zhǔn)備試驗(yàn)對(duì)耕層殘膜尺寸測(cè)定，面積<0.9×10-3m2的殘膜含量?jī)H占11.8%，因此在保證混合物在篩面上不堆積且降低殘膜遺漏量的要求下，棒條間距應(yīng)為0.03 m左右，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)及試驗(yàn)，確定棒條間距為0.025 m，棒條長(zhǎng)度為600 mm，直徑為6 mm。

1. 擺桿連接軸 2. 篩面 3. 篩架 4. 連桿連接軸

3 樣機(jī)田間試驗(yàn)

為了驗(yàn)證鏈篩式殘膜回收機(jī)的回收效果，鏈篩式回收方式是否滿足設(shè)計(jì)要求，鏈齒機(jī)構(gòu)及振動(dòng)機(jī)構(gòu)合作分級(jí)撿拾及膜土分離效果是否符合設(shè)計(jì)要求，于2017年4月在新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)農(nóng)一師六團(tuán)進(jìn)行試驗(yàn)。

3.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)農(nóng)田為經(jīng)過(guò)翻轉(zhuǎn)犁作業(yè)的春播前棉花地，區(qū)塊面積為6.67 hm2，棉花秸稈及滴灌帶已回收。試驗(yàn)地土壤類型為輕壤土，少許碎石塊；秋收后返田秸稈含量約為5 100 kg/hm2；土壤含水率為13.0%；環(huán)境溫度為 10.4℃；環(huán)境濕度為34.2%～35.6%；碎土率為74.8%；土壤的相對(duì)濕度為65%，不干旱；土壤堅(jiān)實(shí)度為0.7 MPa。試驗(yàn)耕地比較平整，配備動(dòng)力為22.06 kW泰鴻-300型拖拉機(jī)，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖5所示。

圖5 鏈篩式殘膜回收機(jī)田間試驗(yàn)

3.2 試驗(yàn)儀器與設(shè)備

試驗(yàn)所采用的儀器和設(shè)備包括鏈篩式殘膜回收機(jī)、泰鴻-300型拖拉機(jī)（型號(hào)：TH-300；廠家：濰坊泰鴻拖拉機(jī)有限公司）、ONOSOKKI轉(zhuǎn)速儀（型號(hào)：HT-3200；廠家：Ono sokki小野測(cè)器株式會(huì)社；低量程為0.5～ 2 000.0 r/min，對(duì)應(yīng)精度為0.5～1 249.9±0.1 r/min、1 250.0～2 000.0±0.2 r/min，高量程為5～10 000 r/min，對(duì)應(yīng)精度為5～10 000±1 r/min）、卷尺、皮尺、挖土鏟、電子稱（型號(hào)：奧豪斯CP153；廠家：奧豪斯國(guó)際貿(mào)易（上海）有限公司；量程：151 g；精度：0.001 g）、報(bào)紙、塑料袋、塑料筐、計(jì)算器（型號(hào)：fx-350TL；廠家:卡西歐電子（中山）有限公司）等。

3.3 試驗(yàn)方法

1）測(cè)定在前進(jìn)速度、入土深度和輸送鏈驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速交互組合下的回收率，試驗(yàn)分成17個(gè)測(cè)試點(diǎn)，每個(gè)測(cè)驗(yàn)點(diǎn)長(zhǎng)25 m，寬4 m。

2）試驗(yàn)前，在各測(cè)試點(diǎn)內(nèi)任意選定5個(gè)樣本采集點(diǎn)，尺寸為1 m2（1 m×1 m），由試驗(yàn)人員收集地表以下120 mm內(nèi)的殘膜并稱質(zhì)量，記錄每組數(shù)值，取平均值1（g）。

3）試驗(yàn)后，在各測(cè)試點(diǎn)內(nèi)任意選定5個(gè)樣本采集點(diǎn)，尺寸為1 m2（1 m×1 m），收集耕層深度為120 mm內(nèi)殘膜并稱質(zhì)量，記錄每組數(shù)值，取平均值2（g）。將前后所測(cè)數(shù)值相比，得出殘膜回收率（%）為：

3.4 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

依據(jù)Box-Benhnken中心組合設(shè)計(jì)理論，將回收率1作為響應(yīng)值，選定入土深度1、前進(jìn)速度2、輸送鏈驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速3為影響因子開展響應(yīng)面試驗(yàn)研究。對(duì)影響響應(yīng)值回收率1的3個(gè)影響因素采用三因素三水平一次回歸正交試驗(yàn)方案完成參數(shù)組合優(yōu)化。試驗(yàn)中，若前進(jìn)速度＜0.5 m/s，單位時(shí)間內(nèi)土膜混合物鏟起量少，回收效率較低；入土深度＜40 mm，考慮到田間試驗(yàn)實(shí)際狀況，無(wú)法代表耕層回收率的測(cè)定；驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速＜40 r/min，鏈齒機(jī)構(gòu)輸膜及撿拾效果較差；前進(jìn)速度＞1.5 m/s，單位時(shí)間內(nèi)土膜混合物質(zhì)量過(guò)大以致難撿拾及膜土分離困難；入土深度＞120 mm，機(jī)具行進(jìn)阻力大，機(jī)壅土嚴(yán)重。因此前進(jìn)速度選取0.5～1.5 m/s；挖掘鏟入土深度選取40～120 mm；輸送鏈驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速選取50～90 r/min。試驗(yàn)因素和水平見(jiàn)表2。

表2 試驗(yàn)因素和水平

3.5 結(jié)果與分析

3.5.1 試驗(yàn)結(jié)果

依據(jù)Box-Benhnken試驗(yàn)原理設(shè)計(jì)三因素三水平一次回歸正交試驗(yàn)，試驗(yàn)方案包含17個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)，其中包含12個(gè)分析因子，5個(gè)零點(diǎn)估計(jì)誤差，試驗(yàn)方案與響應(yīng)值見(jiàn)表3。

表3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案及響應(yīng)值

計(jì)算17組測(cè)試點(diǎn)試驗(yàn)前后所測(cè)的耕層殘膜含量數(shù)值，并將試驗(yàn)前后所測(cè)數(shù)值相比得出各組試驗(yàn)的回收率，進(jìn)而得出各組殘膜回收率平均值為=83.34%。

3.5.2 回歸模型建立與顯著性檢驗(yàn)

根據(jù)表3的數(shù)據(jù)樣本，通過(guò)Design-Expert 10.0.3.1軟件展開多元回歸擬合分析求得參數(shù)最優(yōu)解，建立回收率對(duì)前進(jìn)速度，入土深度和輸送鏈驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速此3個(gè)自變量的一次響應(yīng)面回歸模型，參數(shù)優(yōu)化前的回歸方程（8）所示，并對(duì)回歸方程進(jìn)行方差分析，結(jié)果如表4所示。

由表4分析可知，響應(yīng)面模型中的回收率1模型< 0.0001，表明回歸模型高度顯著。失擬項(xiàng)（=0.0652）> 0.05，表明回歸方程擬合程度高；其決定系數(shù)2為0.9829，表明此數(shù)據(jù)模型可解釋98%以上的評(píng)價(jià)指標(biāo)。因此，該機(jī)的工作參數(shù)可由此模型來(lái)優(yōu)化。

各參數(shù)對(duì)回歸方程的影響作用可以通過(guò)值大小反應(yīng)，<0.01表明參數(shù)對(duì)模型影響極顯著，<0.05表明參數(shù)對(duì)模型影響顯著?；厥章誓Ｐ?中有4個(gè)回歸項(xiàng)影響極顯著（<0.01），為1、2、3、23。2個(gè)回歸項(xiàng)對(duì)模型影響顯著（<0.05），分別為12、12；模型中有3個(gè)回歸項(xiàng)影響不顯著（>0.05），分別為13、23和22。除去回歸模型中不顯著的回歸項(xiàng)，并在Design-Expert對(duì)模型優(yōu)化。分析優(yōu)化后的模型，優(yōu)化后的回歸模型方程如（9）所示。根據(jù)模型1的值（<0.000 1）與模型1的失擬項(xiàng)值（=0.1279），可知優(yōu)化后模型可靠。

表4 回歸方程方差分析

注：<0.01（極顯著，**）；<0.05（顯著，*）。

Note:<0.01 (highly significant, **);<0.05 (significant, *).

根據(jù)回歸方程分析結(jié)果，利用Design-Expert軟件繪制3D-surface響應(yīng)面圖，前進(jìn)速度、入土深度、輸送鏈驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速對(duì)回收率1的影響如圖6所示。

3個(gè)因子影響效應(yīng)為入土深度>前進(jìn)速度>輸送鏈驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速，即入土越深殘膜總量高，前進(jìn)速度快可以防止部分膜和土的連帶作用而殘留在土里無(wú)法拾取且無(wú)法被樣機(jī)篩選分離。輸送鏈驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速不能過(guò)高和過(guò)低。過(guò)高時(shí)，混合物在鏈齒機(jī)構(gòu)上停留時(shí)間短，無(wú)法充分發(fā)揮出鏈齒機(jī)構(gòu)撿拾和篩選分離的作用。過(guò)低時(shí)，混合物因在鏈齒機(jī)構(gòu)中未經(jīng)撿拾分離而落入振動(dòng)機(jī)構(gòu)，鏈齒機(jī)構(gòu)無(wú)法充分發(fā)揮作用，混合物只能依靠振動(dòng)機(jī)構(gòu)，效果不佳。

3.5.3 參數(shù)優(yōu)化與試驗(yàn)驗(yàn)證

為了達(dá)到鏈篩式殘膜回收機(jī)工作性能最佳，需要對(duì)樣機(jī)試驗(yàn)中的影響因子進(jìn)行優(yōu)化。為了得到各因子最優(yōu)工作參數(shù)，利用Design-Expert數(shù)據(jù)分析軟件對(duì)所建立3元1次正交回歸試驗(yàn)進(jìn)行參數(shù)最優(yōu)化求解。

根據(jù)對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果分析進(jìn)而對(duì)影響因子進(jìn)行優(yōu)化得出因素最優(yōu)組合為：前進(jìn)速度1.317m/s、入土深度117.066 mm、輸送鏈驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速65.106r/min，此時(shí)理論推算所得殘膜回收率預(yù)測(cè)值為87.54%。

為驗(yàn)證優(yōu)化結(jié)果的準(zhǔn)確性，采用上述參數(shù)在新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)農(nóng)一師六團(tuán)測(cè)試區(qū)內(nèi)進(jìn)行3次重復(fù)試驗(yàn)，3次結(jié)果的均值為試驗(yàn)驗(yàn)證值，考慮田間試驗(yàn)的可行性，將前進(jìn)速度設(shè)置1.3 m/s、入土深度117 mm，輸送鏈驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速65 r/min，在此優(yōu)化方案下進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果如表5。

圖6 前進(jìn)速度、入土深度和輸送鏈驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速交互因素對(duì)回收率影響

表5 優(yōu)化值與試驗(yàn)驗(yàn)證值

通過(guò)分析可知，試驗(yàn)驗(yàn)證值與理論優(yōu)化值相對(duì)誤差均小于5%，因此參數(shù)優(yōu)化模型可靠，機(jī)在田間作業(yè)時(shí)，采用優(yōu)化參數(shù)組合，即前進(jìn)速度設(shè)置為1.3m/s、入土深度為117 mm，鏈齒輸膜機(jī)構(gòu)輸送鏈驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)65 r/min時(shí)測(cè)得平均殘膜回收率為85.07%。

4 討 論

該樣機(jī)使用2級(jí)機(jī)構(gòu)篩選分離土膜混合物，鏈齒機(jī)構(gòu)將挖鏟出的混合物進(jìn)行首次拾取，并在鏈傳動(dòng)的抖動(dòng)下進(jìn)行一定程度土膜分離經(jīng)過(guò)鏈齒機(jī)構(gòu)工作后，較大且與土連帶較輕的殘膜被分離拾取，并被脫膜輥刮下落入振動(dòng)機(jī)構(gòu)。經(jīng)過(guò)鏈齒機(jī)構(gòu)篩選分離后的混合物落入振動(dòng)機(jī)構(gòu)，在振動(dòng)機(jī)構(gòu)的振動(dòng)和擺動(dòng)過(guò)程中受力摩擦和躍起，實(shí)現(xiàn)混合物中較緊密的殘膜與土分離，而后被送至膜箱，2個(gè)機(jī)構(gòu)依次作業(yè)可更加充分進(jìn)行膜土分離，實(shí)現(xiàn)殘膜回收。

回收試驗(yàn)效果滿足耕層殘膜回收要求，但作為工作原理驗(yàn)證樣機(jī)，樣機(jī)尺寸較小，入土深度不能加深無(wú)法滿足實(shí)際大田作業(yè)的要求，在后續(xù)的研究中需考慮增大機(jī)總體結(jié)構(gòu)尺寸、作業(yè)幅寬（多壟），在挖掘鏟前部安裝旋耕刀破土松土等。同時(shí)機(jī)器各部件也需完善，實(shí)現(xiàn)機(jī)器的優(yōu)化改進(jìn)。

5 結(jié) 論

1）本文針對(duì)耕層殘膜回收困難的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種鏈篩式殘膜回收機(jī)，確定了振動(dòng)機(jī)構(gòu)偏心輪的偏心距為40 mm時(shí)，振動(dòng)機(jī)構(gòu)的工作效果符合要求，通過(guò)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析偏心輪角速度區(qū)間為25.79 rad/s≤≤31.40 rad/s，依據(jù)計(jì)算及試驗(yàn)確定轉(zhuǎn)速為255 r/min。

2）依據(jù)Box-Benhnken中心組合方法，設(shè)計(jì)開展三因素三水平一次回歸正交試驗(yàn)，建立回收率對(duì)3個(gè)影響因子一次多項(xiàng)回歸模型：各試驗(yàn)因子對(duì)殘膜回收率的影響效應(yīng)依次為入土深度越深>前進(jìn)速度>輸送鏈驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速。優(yōu)化分析各影響因子間的最優(yōu)組合參數(shù)為:作業(yè)速度1.3 m/s，入土深度117 m，輸送鏈驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速65 r/min最優(yōu)組合參數(shù)驗(yàn)證試驗(yàn)的殘膜回收率為85.07%。

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Design of chain-sieve type residual film recovery machine in plough layer and optimization of its working parameters

Luo Kai1,2, Yuan Panpan1,2, Jin Wei1,2, Yan Jinshan1,2, Bai Shenghe1,2, Zhang Chaoshu3, Zhang Xuejun1,2※

(1.830052,;2.830052,; 3.843300)

Plastic film is large used in Xinjiang area, and it is hard to separate and collect the residual film of plough layer because of seriously fragmented. To solve the problem of residual film recovery in plough layer, chain-sieve type plastic residual film recovery machine was designed and developed. The machine was consisted of excavating shovel, barrier clearing mechanism, transmission mechanism, eccentric wheel, link mechanism, chain-tooth mechanism, film separating roller, vibration mechanism, frame and film box. Power of each part was provided by the transmission mechanism. The soil film mixture was excavated into the chain tooth mechanism by excavating shovel, then the chain-tooth mechanism was used for the first separation and sieving of the soil film mixture, then the sieved soil film mixture was transported to the vibration mechanism. The tail part of the chain-tooth mechanism was equipped with a film seperating roller, which scraped the film wound on the mechanism. After that, residual film was sent to film box by vibration mechanism. Vibration mechanism consists of vibration sieve and link mechanism, vibration and swing of vibration sieve was controlled by link mechanism, the soil film mixture was separated by the vibration sieve and then was conveyed to the film box. The size and parameters of the machine was determined by analysis and calculation. The key working parts of the machine were simulated and analyzed in ADAMS, and relevant motion parameters were obtained. The separation of the soil film mixture by the vibration mechanism requires that the speed range of the eccentric wheel was 25.79 rad/s≤≤31.40 rad/s. According to theoretical calculation and test, the speed of eccentric wheel was determined to be 255 r/min. The central composite design method of Box-BenhnKen was used to analyze the effect of working parameters on the residual film recovery rate. Three factors, three levels and one regression orthogonal test design were adapted, and moving speed, depth into soil and speed of driving wheel of conveyor chain were selected as the influence factors. In April 2017, field test was carried out in the six regiment of the first agricultural division of Xinjiang production and Construction Corps. Test area was divided into 17 test plots (each plots is 25 m×4 m), residual film recovery rate of plough layer at each test plot was calculated. The test results showed that average residual film recovery rate () of plough layer was 83.34%. Response surface methodology was used to analyzed the effects of various factors on the recovery rate, the regression model optimization results were that moving speed was 1.317 m/s, depth into soil was 117.066 mm and speed of driving wheel of conveyor chain was 65.106 r/min. When the amplitude of the vibration mechanism was 79.1 mm and speed of driving wheel of conveyor chain was 255 r/min, the residual film recovery rate of field test was 85.07%, parameters optimization results meets requirements, the machine meets the performance requirements of plough layer residual film recovery. The method of combining chain-tooth mechanism with vibration mechanism provided a new idea for residual film recovery of plough layer.

agricultural machinery; design; experiments; chain-sieve type residual film recovery of plough layer

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.19.003

S223.5

A

1002-6819(2018)-19-0019-09

2018-04-03

2018-07-12

“十三五”國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2017YFD0701102-2）；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51665057）；新疆維吾爾自治區(qū)重點(diǎn)研發(fā)任務(wù)專項(xiàng)(2016B01003-1)；新疆維吾爾自治區(qū)高?？蒲袆?chuàng)新團(tuán)隊(duì)“特色農(nóng)作物提質(zhì)工程與裝備技術(shù)研究團(tuán)隊(duì)”（XJEDU2017T005）；新疆維吾爾自治區(qū)自然科學(xué)基金（2017D01B13）

羅 凱，男（漢），山東淄博人，研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)機(jī)械裝備性能試驗(yàn)研究。Email：1207637994@qq.com

張學(xué)軍，男（漢），博士，教授，主要從事農(nóng)業(yè)機(jī)械化裝備研究。Email：tuec@163.com

羅 凱，袁盼盼，靳 偉，鄢金山，白圣賀，張朝書，張學(xué)軍. 鏈篩式耕層殘膜回收機(jī)設(shè)計(jì)與工作參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2018，34(19)：19－27. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.19.003 http://www.tcsae.org

Luo Kai, Yuan Panpan, Jin Wei, Yan Jinshan, Bai Shenghe, Zhang Chaoshu, Zhang Xuejun. Design of chain-sieve type residual film recovery machine in plough layer and optimization of its working parameters [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(19): 19－27. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.19.003 http://www.tcsae.org