殘膜回收機逆向膜土分離裝置的設(shè)計與參數(shù)優(yōu)化

張學(xué)軍，劉家強，史增錄，靳 偉，鄢金山，于蒙杰

?

殘膜回收機逆向膜土分離裝置的設(shè)計與參數(shù)優(yōu)化

張學(xué)軍1,2，劉家強1，史增錄1,2，靳 偉1,2，鄢金山1,2，于蒙杰1,2

（1. 新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，烏魯木齊 830052； 2. 新疆農(nóng)業(yè)工程裝備創(chuàng)新設(shè)計實驗室重點實驗室，烏魯木齊 830052）

針對土壤耕層多年沉積的殘膜力學(xué)性能差、膜土分離困難、殘膜碎片回收率低的問題，設(shè)計了一種鏈齒式殘膜回收機。該機具主要工作部件有撿拾裝置和膜土分離裝置。機具的作業(yè)深度為0～150 mm，撿拾裝置完成起膜并對膜土進行輸送，隨后通過逆向膜土分離裝置進行分離，最終把殘膜運送至集膜箱。以撿拾裝置角速度、膜土分離裝置角速度、膜土分離裝置角度為試驗因素，以殘膜回收率和含土率為響應(yīng)值對鏈齒式殘膜回收機進行三因素三水平的二次回歸正交試驗。通過試驗得到了各因素的響應(yīng)面模型，分析了各因素對作業(yè)效果的影響并對各因素進行了優(yōu)化。結(jié)果表明，試驗因素對殘膜回收率的影響顯著順序為：膜土分離裝置角度>撿拾裝置角速度>膜土分離裝置角速度；試驗因素影響含土率的順序為：膜土分離裝置角度>膜土分離裝置角速度>撿拾裝置角速度；對優(yōu)化結(jié)果進行試驗驗證得，撿拾裝置角速度42 rad/s、膜土分離裝置角速度57 rad/s、膜土分離裝置角度37°時，此時殘膜回收率為81.12%，含土率為34.83%；且各個評價指標(biāo)的試驗值與模型優(yōu)化值的相對誤差均小于5%。該機具利用逆向膜土分離裝置可以解決膜土分離困難、殘膜碎片回收率低的問題，可為后續(xù)殘膜回收機膜土分離裝置機構(gòu)的研究和優(yōu)化提供參考。

機械化；設(shè)計；優(yōu)化；耕層殘膜；響應(yīng)曲面；正交試驗；逆向膜土分離裝置；殘膜回收機

0 引 言

地膜覆蓋技術(shù)的推廣和應(yīng)用，增加了作物產(chǎn)量，提高了農(nóng)民的收入。但隨著地膜的大量使用，土壤中殘膜的殘留量也在逐年積累，這嚴(yán)重增加了殘膜回收難度。如果滯留在耕層中的殘膜不能夠得到及時的處理，長期積累下去會導(dǎo)致土壤肥力下降，造成農(nóng)作物減產(chǎn)等一系列問題。因此回收土壤中殘膜，尤其是回收耕層中的殘膜，是目前以及后續(xù)都亟需解決的問題[1-8]。開展對耕層殘膜的回收工作已經(jīng)刻不容緩。

中國從20世紀(jì)80年代就已經(jīng)針對殘膜回收機進行了研究，研究至今，各類殘膜回收機具已被開發(fā)出來并得到了一定的應(yīng)用。典型[9-16]的機具種類有耙齒式、齒鏈?zhǔn)?、鏟鏈?zhǔn)胶顽P篩組合式殘膜回收機。目前，中國國內(nèi)對表層機具的研究有耙齒式、齒鏈?zhǔn)?、鏟鏈?zhǔn)降?，對耕層機具的研究有旋耕釘齒式、鏈齒式等。通過機具在田間的實際工作情況，機具有待改善的問題還有很多。逆向膜土分離裝置作為鏈齒式殘膜回收機的重要工作部件，影響膜土分離的因素復(fù)雜多變且相互制約，有效提高輸膜機構(gòu)的輸膜性能和膜土分離機構(gòu)的膜土分離能力是鏈齒式殘膜回收機在后續(xù)研發(fā)制作中應(yīng)考慮的問題。

為了解決耕層殘膜回收問題，根據(jù)目前研究的殘膜回收機[17-26]的特點，并且綜合地膜回收農(nóng)藝的要求，本文設(shè)計并試制了一種鏈齒式殘膜回收機，預(yù)期可完成膜土輸送、膜土逆向分離、集膜過程。本文主要研究鏈齒式殘膜回收機逆向膜土分離裝置的各參數(shù)對膜土分離效果影響的好壞程度，通過分析各參數(shù)對鏈齒式殘膜回收機逆向膜土分離裝置性能的影響，得到最優(yōu)工作參數(shù)，為后續(xù)研究和優(yōu)化膜土分離裝置提供參考。

1 鏈齒式殘膜回收機結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機結(jié)構(gòu)

鏈齒式殘膜回收機由牽引架，機架，入土鏟，限深輪，傳動裝置，撿拾裝置，膜土分離裝置和集膜箱等部分組成。結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 工作原理

鏈齒式殘膜回收機一次可完成入土、起膜、膜土輸送及膜土逆向分離和集膜等功能。機具主要是由撿拾裝置和膜土分離裝置兩大部分組成，機具作業(yè)時，鏈齒式殘膜回收機通過機具前端的三點懸掛牽引裝置連接在拖拉機的后端，動力輸出由拖拉機提供。機具開始工作時，撿拾裝置前端鏟入土150 mm，將150 mm耕層內(nèi)的土、膜、根茬等混合物一并撿起，隨著拖拉機牽引整機向前行駛，土、膜、根茬混合物運送至彈齒鏈桿上，隨著鏈桿的轉(zhuǎn)動，將混合物向后運送。同時，鏈桿上安裝有抖動機構(gòu)，使鏈桿轉(zhuǎn)動的同時鏈桿上表面做周期抖動，實現(xiàn)細(xì)小土塊在抖動作用下，通過鏈桿落到地面，大土塊隨鏈桿向后移動；彈齒交替安裝在鏈桿上，齒尖呈菱形排布，且彈齒隨鏈桿的轉(zhuǎn)動而轉(zhuǎn)動，使得升運到鏈桿上的殘膜、根茬在彈齒作用下，留在鏈桿上，當(dāng)彈齒隨著鏈桿轉(zhuǎn)動到最尾部時，鏈桿向下運動，帶動土塊、殘膜和根茬向下拋送，落到膜土分離裝置上。膜土分離裝置由液壓馬達單獨帶動，通過膜土分離裝置對膜土進行逆向分離。膜土混合物經(jīng)過撿拾裝置和膜土分離裝置處理后最終把收集到的殘膜運送至集膜箱中。

1.膜土分離裝置 2.液壓裝置 3.撿拾裝置 4.機架 5.傳動裝置 6.懸掛裝置 7.壓土輥 8.入土鏟 9.行走輪 10.集膜箱

1.3 主要技術(shù)參數(shù)

機構(gòu)的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 鏈齒式殘膜回收機主要參數(shù)

2 主要工作部件的設(shè)計

2.1 撿拾裝置

2.1.1 撿拾裝置的工作原理

撿拾裝置主要由升運鏈、鏈桿以及安裝在其上的彈齒組成。當(dāng)機構(gòu)進行工作時，入土鏟把膜土混合物從田間鏟出運送到升運鏈上，升運鏈上安裝有鏈桿、彈齒以及抖動裝置，在抖動裝置的抖動下，能夠使膜土混合物中的殘膜和大部分細(xì)土以及小土塊進行分離，使殘膜和大土塊向后運動。安裝的鏈桿之間具有間隙，安裝間隙的大小對膜土的分離也具有一定的影響。鏈桿上安裝有彈齒，彈齒的作用是把殘膜從膜土混合物中分離出來，而且彈齒的安裝密度對殘膜的回收也起重要作用。經(jīng)過抖動鏈、鏈桿、彈齒等對膜土混合物的分離處理，最終把處理的物料運送到膜土分離裝置上。

2.1.2 升運鏈上彈齒安裝排列方式設(shè)計

升運鏈上安裝有鏈桿，并且撿拾裝置是由左右兩排鏈條組成，鏈桿之間的間距影響膜土混合物的分離效果，鏈桿上彈齒的安裝排列方式也影響膜土分離裝置的分離效果。經(jīng)過設(shè)計以及實際試驗操作確定鏈桿的間距為75 mm時效果較好，彈齒的安裝方式對試驗的結(jié)果也有不同的影響。最終確定彈齒安裝間距為50 mm時結(jié)果最優(yōu)。撿拾裝置的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.彈齒 2.鏈條 3.輸送鏈主動軸抖動鏈軸 4.抖動鏈軸 5.支撐鏈軸 6.托輥

2.2 膜土分離裝置設(shè)計

膜土分離裝置安裝在撿拾裝置后方，膜土分離裝置主要是由摩擦帶、機架、摩擦滾筒軸、可調(diào)節(jié)掛鉤等組成。膜土分離裝置的動力由拖拉機帶動液壓馬達來提供。膜土分離裝置的主要作用是把撿拾裝置收集上來的膜、土和根茬等進行分離。膜土分離裝置上安裝有摩擦帶，摩擦帶的摩擦效果良好，膜土分離裝置的轉(zhuǎn)向與撿拾裝置的轉(zhuǎn)向正好相反，通過膜土分離裝置逆向分離的過程把膜、土和根茬等進行分離。膜土混合物中的土塊等雜物一部分被撿拾裝置直接拋送回田間，剩余部分在膜土分離裝置作用下重新回到田間，殘膜在摩擦帶反向運動下回收到集膜箱中，實現(xiàn)膜土分離的效果。膜土分離裝置的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

1.滾筒軸機架 2.膜土分離摩擦帶 3.掛銷 4.液壓動力輸入 5.可調(diào)節(jié)掛鉤 6.機架

當(dāng)膜土混合物從撿拾裝置斜拋到膜土分離裝置上時，部分土塊與殘膜在裝置上運動并進行分離[27]。土塊與殘膜的速度分析圖和受力分析圖如圖4所示。

注：圖4a中，v0為土塊殘膜等物料的初速度，m·s-1；v為土塊重新運動到拋射點高度時的速度，m·s-1；vx為速度v在水平方向分速度，m·s-1；vy為速度v在豎直方向分速度，m·s-1；v0x為v0在水平方向分速度，m·s-1；v0y為v0在豎直方向分速度，m·s-1；vm為殘膜重新運動到拋射點高度時的速度，m·s-1；vmx為速度vm在水平方向分速度，m·s-1；vmy為速度vm在豎直方向分速度，m·s-1；θ為土塊拋出點與水平方向夾角（撿拾裝置的角度），(°)；h1為土塊拋送最大豎直高度，m；h2為土塊拋出點到摩擦帶的垂直距離，m；h3為殘膜拋送最大豎直高度，m；h4為殘膜拋出點到摩擦帶的垂直距離，m；x1為土塊拋出至重新回到拋出點的水平距離，m；x2為土塊由拋出點運動至摩擦帶上的水平距離，m；x3為殘膜拋出至重新回到拋出點的水平距離，m；x4為殘膜由拋出點運動至摩擦帶上的水平距離，m。圖4b中，ω1為撿拾裝置的角速度，rad·s-1；ω2為膜土分離裝置的角速度，rad·s-1；α為膜土分離裝置與水平方向的夾角，(°)；r1為撿拾裝置的鏈輪半徑，m；r2為膜土分離裝置的軸半徑，m；n為撿拾裝置和膜土分離裝置的中心距離，m；v1為土塊運動到膜土分離裝置上的速度，m·s-1；v1x為v1在沿摩擦帶方向上的分速度，m·s-1；v1y為v1在垂直摩擦帶方向上的分速度，m·s-1；vm1為殘膜運動到膜土分離裝置上的速度，m·s-1；vm1x為vm1在沿摩擦帶方向上的分速度，m·s-1；vm1y為vm1在垂直摩擦帶方向上的分速度，m·s-1；m為土塊質(zhì)量，kg；g為重力加速度，m·s-2；FN為土塊所受支持力，N；f為土塊在摩擦帶上受到的摩擦力，N；m1為殘膜質(zhì)量，kg；m·s-2；FN1為殘膜所受支持力，N；f2為殘膜在摩擦帶上受到的摩擦力，N；L為膜土分離裝置摩擦帶的設(shè)計中心距，m。

由于土塊和殘膜的質(zhì)量相差懸殊，根據(jù)殘膜易吸附易漂浮的特性，運動分析時殘膜需要考慮風(fēng)的阻力影響，對于土塊質(zhì)量相對較大，忽略風(fēng)的阻力對土塊的影響。如圖4a所示，列出土塊的運動分析方程。

式中為土塊進行斜拋運動的時間，s。

對式（1）進行一次和二次積分得式（2）、（3）

通過式（2）、（3）的分析計算得到式（4）、（5）、（6）的結(jié)果。

式中1為土塊達到最大豎直高度所用時間，s；2為土塊由拋出點再運動至拋出點所用時間，s；3為土塊重新經(jīng)過拋出點運動至摩擦帶所用時間，由式（4）可得，取其正值，s；1為土塊拋出至重新回到拋出點的水平距離；m；2為土塊由拋出點運動至摩擦帶上的水平距離，m；2?為2在膜土分離裝置方向上的距離，m。

土塊經(jīng)過斜拋運動分析后，土塊拋送到膜土分離裝置上，此時土塊還具有一定的初速度，即此時土塊具有瞬時速度，則土塊會在摩擦帶上繼續(xù)作減速運動，直至土塊的速度減小為0。此時，土塊的受力分析如圖4b所示。

式中為膜土分離裝置與水平方向的夾角，(°)。

受合力方向與運動方向相反，土塊作減速運動

式中1為土塊在膜土分離裝置上作減速運動的加速度，m/s2；2?為土塊速度在摩擦帶上減速為0時運動的距離，m。

通過后續(xù)分析可以得到土塊在膜土分離裝置上的運動情況。

殘膜的受力分析，此時空氣阻力由1=?0求得

式中1為殘膜受到的空氣阻力，N；1為殘膜拋出點與水平方向夾角，且=1，(°)。

由式（10）得

式中為空氣阻力系數(shù)。

通過前期樣機的設(shè)計表明，設(shè)置機具的初速度0為2 m/s，為30°，將相關(guān)數(shù)據(jù)帶入式(4)、(5)、(6)得，2為0.76 m，2'為1.52 m。當(dāng)土塊以2 m/s的速度斜拋到逆向膜土分離裝置上時，此時土塊到裝置底端的距離為0.15 m。通過式（7）、（8）、（9）得，土塊速度減小到0時在摩擦帶上運動距離2為1.31 m。即2>>0.15 m，由此可得土塊拋送到膜土分離裝置后以一定速度運動到試驗地中，此時，土塊運動方向與分離裝置轉(zhuǎn)動方向相反。

經(jīng)過樣機的初步試驗測得殘膜較土塊拋送距離短且根據(jù)殘膜質(zhì)量輕等特性，殘膜在膜土分離裝置上運動時，被膜土分離裝置逆向回收到集膜箱中，而土塊被膜土分離裝置輸送到試驗地中，達到膜與土的分離效果。所以要找到最佳的膜土分離效果還需要后續(xù)試驗測得各個影響因素之間的關(guān)系，確定工作結(jié)果的最優(yōu)組合。

3 田間試驗

3.1 試驗地情況

本次試驗的地點選擇在新疆生產(chǎn)建設(shè)農(nóng)一師六團七連，樣機選擇在春播前、耕整地后的試驗田進行試驗，試驗地較為平坦，試驗地土壤類型為壤土。選取試驗地塊（長×寬）100 m×80 m，試驗地中耕層內(nèi)殘留的地膜厚度為0.008 mm，且多為往年殘留在土地耕層中的殘膜。通過試驗測得，試驗地的碎土率為76.8%、土壤的含水率為9.51%、土壤堅實度為0.7 MPa，選用約翰迪爾754拖拉機進行試驗，額定功率為55.1 kW，試驗時間為2017年4月10日－5月28日。

3.2 試驗儀器與設(shè)備

試驗主要的儀器設(shè)備有約翰迪爾754拖拉機、鏈齒式殘膜回收機、石英電子秒表、土壤堅實度儀、土壤水分速測儀、兵工鏟、天平、鋼卷尺、樣品袋、扳手等。機具田間作業(yè)如圖5所示。

圖5 試驗現(xiàn)場

3.3 試驗因素與指標(biāo)

根據(jù)中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)《殘地膜回收機》（GB/T 25412-2010）設(shè)計試驗分別將撿拾裝置的角速度，膜土分離裝置的角速度，膜土分離裝置的角度3個因素作為試驗指標(biāo)，試驗指標(biāo)的計算方法如下

殘膜回收率

含土率

式中1為裝置在測區(qū)內(nèi)回收到膜箱中的殘膜質(zhì)量，g；0為試驗前測區(qū)內(nèi)試驗地中殘膜的質(zhì)量，g；2為測區(qū)內(nèi)回收到膜箱中土塊的質(zhì)量，g。試驗因素的計算方法如下：

撿拾裝置角速度

膜土分離裝置角速度

式中1為撿拾裝置的角速度，rad/s；1為撿拾裝置鏈輪的半徑，m；2為膜土分離裝置角速度，rad/s；為膜土分離裝置轉(zhuǎn)速，r/s。

3.4 試驗設(shè)計與方法

在殘膜撿拾和膜土分離的過程中，存在著許多影響殘膜回收率和含土率的因素，如機具的行進速度、田間作業(yè)狀況、撿拾裝置的角速度、膜土分離裝置的角速度、膜土分離裝置的角度等，通過前期研究及設(shè)計確定撿拾裝置的角速度、膜土分離裝置的角速度、膜土分離裝置的角度對機具的工作效果影響顯著。在機具的試驗中，通過改變可調(diào)節(jié)掛鉤的長度來改變膜土分離裝置角度；液壓馬達為膜土分離裝置提供動力，通過溢流閥控制液壓馬達的進油量，從而改變膜土分離裝置的角速度；通過改變傳動系統(tǒng)上安裝的傳動帶輪的直徑大小來改變輸入的速度，進而改變撿拾裝置的角速度。

根據(jù)Design-Expert軟件中的Box-Behnken三因素三水平的模型進行設(shè)計，通過前期初步試驗，確定撿拾裝置的角速度在低于38.5 rad/s時，易造成撿拾裝置上大量土壤擁堵，使含土率過高，不利于后續(xù)的膜土分離作業(yè)的開展，高于53.9 rad/s時，殘膜漏撿嚴(yán)重，殘膜回收率較低，撿拾裝置作業(yè)效果不明顯；膜土分離裝置角速度低于35 rad/s時，不利于殘膜的回收，高于57 rad/s時，分離中含土率較高，不利于膜土分離；膜土分離裝置角度低于30°時，易造成回收殘膜中含土率較高，不利于膜土的分離，高于40°時，易造成殘膜回收不徹底，不利于殘膜的回收。參考農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機械化研究所在鏟篩式殘膜回收機關(guān)于殘膜回收的試驗水平參數(shù)，確定本文的試驗參數(shù)為三水平，如表2所示。

試驗中通常選用二次型或者更高次的模型來進行試驗[28-30]逼近響應(yīng)，本試驗根據(jù)Box-Benhnken中心設(shè)計理論，以殘膜回收率、含土率為響應(yīng)值，對撿拾裝置角速度、膜土分離裝置角速度、膜土分離裝置角度進行響應(yīng)面試驗研究。試驗因素及水平見表2。

表2 試驗因素和水平

3.5 結(jié)果與分析

3.5.1 試驗結(jié)果

根據(jù)Box-Benhnken試驗原理設(shè)計了三因素三水平的試驗，試驗方案包括了17個試驗點，5個零點估計誤差，還包括12個分析因子。試驗的設(shè)計方案以及試驗響應(yīng)值結(jié)果見表3。

表3 試驗設(shè)計方案及響應(yīng)值結(jié)果

3.5.2 回歸模型的建立與顯著性分析

根據(jù)表3中的數(shù)據(jù)樣本，采用Design-Expert8.0.6軟件對數(shù)據(jù)進行多元回歸擬合分析[31-33]，建立殘膜回收率、含土率對撿拾裝置角速度、膜土分離裝置角速度、膜土分離裝置角度的3個自變量二次多項式響應(yīng)面回歸模型，如式（17）－式（18）所示，并對回歸模型進行方差分析，結(jié)果如表4所示。

由表4分析可知，響應(yīng)面回歸模型中殘膜回收率和含土率Z的值均小于0.000 1，可得模型極其顯著。失擬項>0.05（分別為0.301 7、0.557 5），說明回歸模型的擬合度較高。模型決定系數(shù)2分別為0.977 8、0.973 9，表明97%以上的評價指標(biāo)可以由上述2個模型解釋。所以膜土分離機構(gòu)的工作參數(shù)可以用該模型進行優(yōu)化。

各個參數(shù)對回歸方程的影響作用可以通過值大小反應(yīng)，<0.01表明參數(shù)對模型影響極顯著，<0.05表明參數(shù)對模型影響顯著。剔除模型中不顯著回歸項，對模型、進行優(yōu)化，如式（19）～式（20）所示，分析優(yōu)化后的模型，根據(jù)模型、的值（分別為＜0.001、＜0.01)與模型、的失擬項值（分別為0.349 4、0.221 3）可知優(yōu)化模型可靠。

表4 回歸模型方差分析

注：<0.01（極顯著，**）;<0.05（顯著，*）

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

試驗因素影響殘膜回收率的顯著順序為：膜土分離裝置角度>撿拾裝置角速度膜土分離裝置角速度。試驗因素影響含土率的顯著順序為：膜土分離裝置角度>膜土分離裝置角速度>撿拾裝置角速度。

3.5.3 交互因素對機具工作性能影響的分析

通過Design-Expert8.0.6軟件生成3D Surface響應(yīng)面圖，根據(jù)響應(yīng)面圖分析撿拾裝置角速度、膜土分離裝置角速度、膜土分離裝置速度的交互因素對響應(yīng)值、的影響。

圖6a為撿拾裝置角速度位于中心水平（46.2 rad/s）時，膜土分離裝置角速度與膜土分離裝置角度對殘膜回收率交互作用的響應(yīng)面圖。由圖6a可知，當(dāng)膜土分離裝置角度逐漸增加時，殘膜回收率先增后減，并且變化幅度較為明顯，而膜土分離裝置角速度增大時變化幅度較為平緩。響應(yīng)面曲線沿膜土分離裝置角度方向的變化更快，在中心水平下，膜土分離裝置角度對殘膜回收率的影響比膜土分離裝置角速度的影響顯著。

圖6b為膜土分離裝置角度位于中心水平（35°）時，撿拾裝置角速度與膜土分離裝置角速度對含土率影響的交互作用的響應(yīng)面圖。由圖6b可知，當(dāng)撿拾裝置角速度逐漸增加時，含土率先增后減，并且變化幅度較為平緩，而當(dāng)膜土分離裝置角速度逐漸增加時，含土率逐漸降低且變化幅度較為明顯。響應(yīng)面曲線沿膜土分離裝置角速度方向的變化較撿拾裝置角速度方向的變化明顯，在中心水平下，膜土分離裝置角速度對含土率的影響比撿拾裝置角速度的影響顯著。

a.(46.2,2,3)

b.(1,2,35)

圖6 試驗因素對殘膜回收率和含土率的影響

Fig.6 Effect of test factors on residual film recovery rate and soil content

4 參數(shù)優(yōu)化與試驗驗證

4.1 參數(shù)優(yōu)化

為使殘膜回收機的膜土分離效果與作業(yè)性能達到最佳，因此需要使殘膜回收率較高，含土率較低，通過交互因素對膜土分離率和含土率的影響效應(yīng)分析可知：當(dāng)要獲得較高的膜土分離率，就要滿足撿拾裝置角速度偏高、膜土分離裝置角速度偏高、膜土分離裝置角度適中；要滿足較低的含土率，就要滿足膜土分離裝置角度偏高、撿拾裝置角度偏低、膜土分離裝置角速度適中?？紤]到各因素指標(biāo)對響應(yīng)值的影響的程度有些不同，所以需要進行多目標(biāo)的優(yōu)化。

通過軟件中的多目標(biāo)優(yōu)化模塊進行試驗設(shè)計，針對響應(yīng)值殘膜回收率和含土率進行分析，本試驗的目標(biāo)函數(shù)殘膜回收率和含土率對試驗結(jié)果的影響都尤為重要，所以取兩目標(biāo)函數(shù)的權(quán)重一致，各占50%。軟件中進行目標(biāo)優(yōu)化計算時，給定約束條件，設(shè)置權(quán)重，最終得到兩目標(biāo)函數(shù)相應(yīng)的最優(yōu)值。

根據(jù)殘膜回收機工作條件，膜土分離的條件以及上述模型的相關(guān)分析，對其結(jié)果利用Design-expert中的optimization優(yōu)化分析得，對各試驗因素的約束條件為：撿拾裝置角速度38.5～53.9 rad/s，膜土分離裝置角速度35～57 rad/s，膜土分離裝置角度30°～40°。評價指標(biāo)殘膜回收率取目標(biāo)函數(shù)的最大值100%，含土率取目標(biāo)函數(shù)的最小值0，分析得3個因素水平的優(yōu)化結(jié)果分別為：撿拾裝置角速度為41.89 rad/s，膜土分離裝置角速度為57 rad/s，膜土分離裝置角度為37.25°時，模型的曲面的響應(yīng)值最大，殘膜回收率達到79.98%，含土率為33.51%。

4.2 試驗驗證

為了驗證模型預(yù)測的準(zhǔn)確性，2017年7月10日，采用上述參數(shù)在新疆生產(chǎn)建設(shè)農(nóng)一師六團七連秸稈收獲后的棉花地中進行3次驗證試驗?？紤]到機具在試驗地中實際工作情況，對數(shù)據(jù)進行取整，把撿拾裝置角速度設(shè)置為42 rad/s、膜土分離裝置角速度為57 rad/s、膜土分離裝置角度為37°。在此方案下進行驗證試驗，所得結(jié)果見表5。

表5 模型優(yōu)化與田間試驗對比

通過表5結(jié)果分析可得，各響應(yīng)值的試驗結(jié)果與優(yōu)化值比較接近，試驗值與模型優(yōu)化結(jié)果的相對誤差均小于5%，由此可得，參數(shù)優(yōu)化的模型可靠。當(dāng)殘膜回收機工作時，采用撿拾裝置角速度42 rad/s、膜土分離裝置角速度57 rad/s、膜土分離裝置角度37°時，此時殘膜回收率為81.12%，含土率為34.83%。

5 結(jié) 論

1）本文針對耕層殘膜回收困難、膜土分離難等問題，設(shè)計了一種逆向膜土分離裝置，并試制了鏈齒式殘膜回收機。通過運動學(xué)分析與田間試驗結(jié)果，可以看出位于耕層150 mm深度的殘膜能夠有效回收，利用逆向膜土分離裝置有效的解決了膜土分離的問題。

2）機具的各因素對殘膜回收率的影響顯著順序為膜土分離裝置角度>撿拾裝置角速度>膜土分離裝置角速度；各因素對含土率影響顯著順序為膜土分離裝置角度>膜土分離裝置角速度>撿拾裝置角速度。

3）采用design-expert軟件中的Box-Benhnken中心組合試驗方法對撿拾裝置角速度、膜土分離裝置角速度、膜土分離裝置角度對殘膜回收率和含土率的影響程度進行了分析，然后建立優(yōu)化模型，膜土分離機構(gòu)經(jīng)模型所得最優(yōu)工作參數(shù)組合為撿拾裝置角速度為41.89 rad/s，膜土分離裝置角速度為57 rad/s，膜土分離裝置角度為37.25°時，殘膜回收率達到79.98%，含土率為33.51%。經(jīng)過田間試驗得，撿拾裝置角速度42 rad/s、膜土分離裝置角速度57 rad/s、膜土分離裝置角度37°時，此時模型的曲面響應(yīng)值最大，殘膜回收率為81.12%，含土率為34.83%。通過試驗驗證，確定模型得到的數(shù)值和優(yōu)化結(jié)果數(shù)值的準(zhǔn)確性，田間試驗數(shù)值與理論優(yōu)化數(shù)值相對誤差均小于5%，表明模型可靠性比較高。

[1] 施麗莉，胡志超，顧峰瑋，等. 耙齒式殘膜回收機自動脫膜機構(gòu)設(shè)計[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2017，33(18)：11－18.

Shi Lili, Hu Zhichao, Gu Fengwei, et al. Design of automatic defilm mechanism of the rack-like residual film recovery machine[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(18): 11－18. (in Chinese with English abstract)

[2] 徐弘博，胡志超，吳峰，等. 網(wǎng)鏈?zhǔn)交ㄉ貧埬せ厥諜C設(shè)計與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2017，3(17)：1－9.

Xu Hongbo, Hu Zhichao, Wu Feng, et al. Design and test of network chain groundnut residual film recovery machine[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 3(17): 1－9. (in Chinese with English abstract)

[3] 劉旋峰，石鑫，郭兆峰，等. 滾筒式殘膜回收機的性能試驗研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2017，33(16)：26－31.

Liu Xuanfeng, Shi Xin, Guo Zhaofeng, et al. Experimental study on performance of roller type residual film recovery machine[J]. Transactions of the Chinese Society ofAgricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(16): 26－31. (in Chinese with English abstract)

[4] 謝建華，陳學(xué)庚，孫超偉. 桿齒式殘膜回收機卸膜過程分析及高速攝像試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2017，33(10)：17－24.

Xie Jianhua, Chen Xuegeng, Sun Chaowei. Analysis and high-speed camera test of the disassembly process of the rod-tooth residual film collector[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(10): 17－24. (in Chinese with English abstract)

[5] 游兆延，胡志超，吳惠昌，等. 1MCDS-100A型鏟篩式殘膜回收機的設(shè)計與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2017，33(9)：10－18.

You Zhaoyan, Hu Zhichao, Wu Huichang, et al. Design and test of 1MCDS-100A shovel-screen residual film recovery machine[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(9): 10－18. (in Chinese with English abstract)

[6] 王科杰，胡斌，羅昕，等. 殘膜回收機單組仿形摟膜機構(gòu)的設(shè)計與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2017，33(8)：12－20.

Wang Kejie, Hu Bin, Luo Xin, et al. Design and test of a single-group copying membrane mechanism for residual film recovery machine[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(8): 12－20. (in Chinese with English abstract)

[7] 趙巖，陳學(xué)庚，溫浩軍，等. 農(nóng)田殘膜污染治理技術(shù)研究現(xiàn)狀與展望[J]. 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2017，48(6)：1－14.

Zhao Yan, Chen Xuegeng, Wen Haojun, et al. Current status and prospect of research on treatment technology of farmland residual film pollution[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Machinery (Transactions of the CSAM), 2007, 48(6): 1－14. (in Chinese with English abstract)

[8] 嚴(yán)偉，胡志超，游兆延，等. 3種殘膜回收機的作業(yè)性能對比試驗研究[J]. 農(nóng)機化研究，2017，39(3)：197－202.

Yan Wei, Hu Zhichao, You Zhaoyan, et al. Experimental study on performance comparison of three kinds of residual film recovery machines[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2017, 39(3): 197－202. (in Chinese with English abstract)

[9] 施麗莉，胡志超，顧峰瑋，等. 耙齒式壟作花生殘膜回收機設(shè)計及參數(shù)優(yōu)化[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2017，33(2)：8－15.

Shi Lili, Hu Zhichao, Gu Fengwei, et al. Design and parameter optimization of the rake and tooth ridge reclaimer for peanut residue[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(2): 8－15. (in Chinese with English abstract)

[10] Li Tianwen, Duan Wenxian, Wang Jikui, et al. Design and test of clamping conveying residual film recovery device [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(24): 18－25.

李天文，段文獻，王吉奎，等. 夾持輸送式殘膜回收裝置的設(shè)計與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2016，32(24)：18－25. (in English with Chinese abstract)

[11] 戴飛，趙武云，張鋒偉，等. 玉米全膜雙壟溝殘膜回收機作業(yè)性能優(yōu)化與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2016，32(18)：50－60.

Dai Fei, Zhao Wuyun, Zhang Fengwei, et al. Optimization and test of operational performance of maize whole film double-ridge furrow residual film recovery machine[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(18): 50－60. (in Chinese with English abstract)

[12] 張佳喜，楊程，郭俊先，等. 滾刀式青貯玉米起茬及殘膜回收聯(lián)合作業(yè)機的設(shè)計與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2018，34(6)：25－34.

Zhang Jiaxi, Yang Cheng, Guo Junxian, et al. Design and test of hob silage corn stubble and residual film recovery joint operating machine[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(6): 25－34. (in Chinese with English abstract)

[13] 李斌，王吉奎，胡凱，等. 殘膜回收機順向脫膜機理分析與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2012，28(21)：23－28.

Li Bin, Wang Jikui, Hu Kai, et al. Analysis and test of forward defilm mechanism of residual film recovery machine[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2012, 28(21): 23－28. (in Chinese with English abstract)

[14] 王吉奎，付威，王衛(wèi)兵，等. SMS-1500型秸稈粉碎與殘膜回收機的設(shè)計[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2011，27(7)：168－172.

Wang Jikui, Fu Wei, Wang Weibing, et al. Design of SMS-1500 straw crushing and residual film recycling machine[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2011, 27(7): 168－172. (in Chinese with English abstract)

[15] 史建新，陳發(fā)，郭俊先，等. 拋送式棉稈粉碎還田機的設(shè)計與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2006，22(3)：68－72.

Shi Jianxin, Chen Fa, Guo Junxian, et al. Design and test of a cast cotton stalk crushing returning machine[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2006, 22(3): 68－72. (in Chinese with English abstract)

[16] 王曉明. 抖動鏈?zhǔn)綒埬せ厥諜C傳動系統(tǒng)與膜土分離機構(gòu)的研究[D]. 北京：中國農(nóng)業(yè)大學(xué)，2005.

Wang Xiaoming. Study on Transmission System and Membrane Soil Separation Mechanism of Dither Chain Residual Membrane Recycling Machine[D]. Beijing: China Agricultural University, 2005. (in Chinese with English abstract)

[17] 坎雜，郭文松，張若宇，等. 網(wǎng)狀滾筒式機采籽棉殘膜分離機的設(shè)計[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2011，27(6)；95－99，401.

Kan Za, Guo Wensong, Zhang Ruoyu, et al. Design of a mesh drum machine for picking cotton residue film separator[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2011, 27(6): 95－99, 401. (in Chinese with English abstract)

[18] 馬少輝，張學(xué)軍. 風(fēng)-篩式土壤殘膜分離裝置內(nèi)氣流場試驗與分析[J]. 農(nóng)機化研究，2014，36(7)：199－203.

Ma Shaohui, Zhang Xuejun. Test and analysis of the air flow field in the wind-screen soil residue separation unit[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2014, 36(7): 199－203. (in Chinese with English abstract)

[19] 張若宇，坎雜，郭文松，等. 機采籽棉殘膜分離機籽棉帶出機理仿真[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2012，28(1)：17－21.

Zhang Ruoyu, Kan Za, Guo Wensong, et al. Simulation of mechanism of seed cotton belt removal by machine picking seed-cotton residue separator[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2012, 28(1): 17－21. (in Chinese with English abstract)

[20] 郭文松，張若宇，坎雜，等. 網(wǎng)狀滾筒式籽棉殘膜分離機分離效果研究[J]. 安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2011，39(36)：22845－22847.

Guo Wensong, Zhang Ruoyu, Kan Za, et al. Study on separation effect of reticulated roller type seed cotton residue separator[J]. Anhui Agricultural Science, 2011, 39(36): 22845－22847. (in Chinese with English abstract)

[21] 謝建華，侯書林，付宇，等. 殘膜回收機彈齒式拾膜機構(gòu)運動分析與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2013，44(增刊1)：94－99.

Xie Jianhua, Hou Shulin, Fu Yu, et al. Motion analysis and test of spring-tooth film picking mechanism of residual film recovery machine[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Machinery (Transactions of the CSAM), 2013, 44(Supp. 1): 94－99. (in Chinese with English abstract)

[22] 郭文松，坎雜，張若宇，等. 網(wǎng)狀滾筒式籽棉殘膜分離機物料特性分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2011，27(增刊2)：1－5.

Guo Wensong, Kan Za, Zhang Ruoyu, et al. Analysis of material characteristics of reticulated roller type seed cotton residue separator[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2011, 27(Supp. 2): 1－5. (in Chinese with English abstract)

[23] 張學(xué)軍. 殘膜分離與輸送裝置的研究[D]. 長春：吉林大學(xué)，2007.

Zhang Xuejun. Study on Residual Membrane Separation and Transport Device[D]. Changchun: Jilin University, 2007. (in Chinese with English abstract)

[24] 張學(xué)軍，吳成武，王旭東，等. 殘膜分離篩機構(gòu)的運動仿真與分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2007，23(7)：113－116.

Zhang Xuejun, Wu Chengwu, Wang Xudong, et al. Motion simulation and analysis of the residual film separation screen mechanism[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2007, 23(7): 113－116. (in Chinese with English abstract)

[25] 段文獻，王吉奎，李陽，等. 夾指鏈?zhǔn)綒埬せ厥昭b置的設(shè)計及試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2016，32(19)：35－42.

Duan Wenxian, Wang Jikui, Li Yang, et al. Design and test of clamp finger chain residual film recovery device[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(19): 35－42. (in Chinese with English abstract)

[26] 呂釗欽，張磊，張廣玲，等. 鏈條導(dǎo)軌式地膜回收機的設(shè)計與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2015，31(18)：48－54.

Lü Zhaoqin, Zhang Lei, Zhang Gguangling, et al. Design and test of chain guide-rail film recovery machine[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(18): 48－54. (in Chinese with English abstract)

[27] 史可信，于梅芳，丁萬平. 大學(xué)物理學(xué)[M]. 北京：科學(xué)出版社，2009.

[28] 胡凱，王吉奎，李斌，等. 棉稈粉碎還田與殘膜回收聯(lián)合作業(yè)機研制與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2013，29(19)：24－32.

Hu Kai, Wang Jikui, Li Bin, et al. Development and test of combined operation machine of cotton stalk crushing returning to field and residual film recovery[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2013, 29(19): 24－32. (in Chinese with English abstract)

[29] 王旭峰，胡燦，魯兵，等. 拋膜鏈齒輸送式殘膜回收機設(shè)計與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2018，49(3)：122－129.

Wang Xufeng, Hu Can, Lu Bing, et al. Design and test of conveying residual film recovery machine with casting chain teeth[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Machinery (Transactions of the CSAM), 2018, 49(3): 122－129. (in Chinese with English abstract)

[30] 董合干，劉彤，李勇冠，等. 新疆棉田地膜殘留對棉花產(chǎn)量及土壤理化性質(zhì)的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2013，29(8)：91－99.

Dong Hegan, Liu Tong, Li Yongguan, et al. Effects of mulch residues on cotton yield and soil physical and chemical properties in xinjiang cotton fields[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2013, 29(8): 91－99. (in Chinese with English abstract)

[31] 戴飛，郭笑歡，趙武云，等. 帆布帶式馬鈴薯挖掘-殘膜回收聯(lián)合作業(yè)機設(shè)計與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2018，49(3)：104－113.

Dai Fei, Guo Xiaohuan, Zhao Wuyun, et al. Design and test of canvas belt potato dredge-residual film recovery combined operation machine[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Machinery (Transactions of the CSAM), 2018, 49(3): 104－113. (in Chinese with English abstract)

[32] 明光. 夾持輸送式殘膜撿拾機膜雜分離與氣力脫膜裝置的研究[D]. 石河子：石河子大學(xué)，2016.

Ming Guang. Study on Membrane Heteroseparation and Pneumatic Defilm Device for the Clamping Conveyor Residual Film Picker[D]. Shihezi: Shihezi University, 2016. (in Chinese with English abstract)

[33] 嚴(yán)偉，胡志超，吳努，等. 鏟篩式殘膜回收機輸膜機構(gòu)參數(shù)優(yōu)化與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2017，33(1)：17－24.

Yan Wei, Hu Zhichao, Wu Nu, et al. Optimization and test of parameters of membrane transport mechanism of shovel-screen residual film recovery machine[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(1): 17－24. (in Chinese with English abstract)

Design and parameter optimization of reverse membrane and soil separation device for residual film recovery machine

Zhang Xuejun1,2, Liu Jiaqiang1, Shi Zenglu1,2, Jin Wei1,2, Yan Jinshan1,2, Yu Mengjie1,2

(1. College of Mechanical and Electrical Engineering, Xinjiang Agricultural University, Urumqi 830052, China; 2. Key Laboratory of Innovation Design Laboratory, Xinjiang Agricultural Engineering Equipment, Urumqi 830052, China)

The widely use of plastic film mulching technology in agriculture increase crop yields and farmers' income. However, with the extensive use of plastic film, the residual film in the soil is also accumulating yearly, and the accumulated residual film is hard to be removed from soil. If the residual film in soil plough layer can-not be timely treated, it will lead to soil fertility decline, resulting in crop yield reduction and soil contamination. Therefore, it is an urgent issue to remove the residual film from soil, especially in the tillage layer. In order to solve the problem of remnant film recovery, according to the characteristics of the remnant film recovery machine, and according to the requirements of the agronomy of plastic film recovery, a chain-tooth residual film recovery machine is designed and manufactured. It is expected that the transport of membrane-soil, reverse separation of membrane-soil and membrane-collecting process can be completed. In this paper, we studied the influence of the parameters of the reverse membrane-soil separator of the chain-tooth residual membrane recovery machine on the separating effect of the membrane-soil. By analyzing the influence of the parameters on the performance of the reverse membrane-soil separator of the chain-tooth residual membrane recovery machine, the optimal working parameters were obtained, which could provide reference for the follow-up study and optimization of the membrane-soil separator. Aiming at the problems of poor mechanical properties of residual film deposited in the soil plough layer for many years, difficult separation of membrane and soil, and low recovery rate of residual film debris, a chain-tooth residual film recovery machine was designed. The main working parts of the machine are picking up device and membrane soil separating device. The working depth of the machine is 0-150 mm. The pickup device completes the membrane pickup and conveys the soil with the plastic membrane. Then the residual membrane is separated by the reverse membrane soil separating device, and finally the residual membrane is transported to the membrane collector. Taking angular velocity of pickup device, angular velocity of membrane-soil separator and angle of membrane-soil separator as experimental factors, quadratic regression orthogonal test of three factors and three levels was carried out in this study on chain-tooth residual membrane recovery machine with response values of residual membrane recovery rate and soil content. The response surface model of each factor was obtained by experiment, and the influence of each factor on the operation effect was analyzed and optimized. The results showed that the order of the factors affecting the recovery of residual membrane was: angle of membrane-soil separator > angular velocity of pickup device > angular velocity of membrane-soil separator. The order of the factors affecting the soil content was: angle of membrane-soil separator > angular velocity of membrane-soil separator > angular velocity of pickup device; and the optimized results were tested. The results showed that the recovery rate of residual membrane was 81.12% and the soil content was 34.83% when the angular velocity of the pickup device was 42 rad/s, the angular velocity of the membrane-soil separator was 57 rad/s and the angle of the membrane-soil separator was 37°, and the relative error between the experimental value of each evaluation index and the optimized value of the model was less than 5%. The reverse membrane-soil separator can solve the problems of difficult membrane-soil separation and low recovery rate of residual membrane fragments. It can provide a reference for further research and optimization of membrane-soil separator mechanism of residual membrane recovery machine.

mechanization; optimization; design; tillage residual film; response surface; orthogonal test; reverse membrane and soil separation device; residual film recovery machine

張學(xué)軍，劉家強，史増錄，靳 偉，鄢金山，于蒙杰. 殘膜回收機逆向膜土分離裝置的設(shè)計與參數(shù)優(yōu)化[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2019，35(4)：46－55. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.04.006 http://www.tcsae.org

Zhang Xuejun, Liu Jiaqiang, Shi Zenglu, Jin Wei, Yan Jinshan, Yu Mengjie. Design and parameter optimization of reverse membrane and soil separation device for residual film recovery machine[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(4): 46－55. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.04.006 http://www.tcsae.org

2018-10-09

2018-12-20

“十三五”國家重點研發(fā)計劃（2017YFD0701102-2）；國家自然科學(xué)基金（51665057）；新疆自治區(qū)重點研發(fā)任務(wù)專項（2016B01003-1）；新疆自治區(qū)高?？蒲杏媱潉?chuàng)新團隊（XJEDU2017T005）

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

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.04.006

S223.5

A

1002-6819(2019)-04-0046-10