鏈齒式殘膜回收機撿拾機構(gòu)參數(shù)優(yōu)化及試驗

白圣賀，張學軍，靳 偉，方 旭，羅 凱，韋忠正

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學 機電工程學院，烏魯木齊 830052；2.濟南技師學院，濟南 250001)

0 引言

20世紀50年代開始，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)已經(jīng)運用了地膜覆蓋技術(shù)，因為它不僅具有改善環(huán)境，保持水分，提高土壤溫度的功能，還可以提高糧食的產(chǎn)量，因此在全世界得到了廣泛的推廣應(yīng)用。由于地膜的優(yōu)異特性，農(nóng)民大量使用地膜，最終導致了土地的一系列問題，殘膜的處理也變得十分重要。20世紀70年代初，我國已經(jīng)開始把地膜覆蓋技術(shù)運用在農(nóng)作物上，并且應(yīng)用的品種越來越多，薄膜的使用率也不斷增加[1-5]。

目前，在使用地膜覆蓋技術(shù)時，只考慮了給農(nóng)業(yè)帶來巨大發(fā)展的方面，忽略了使用過的地膜沒有被及時完整地回收，長時間存在土壤里，逐年積累，導致大面積的耕地遭到嚴重地破壞，甚至在許多地區(qū)形成了“白色污染”[6-10]等問題。由于技術(shù)缺乏加上基本國情限制，可降解地膜很難在短時間內(nèi)代替塑料地膜而得到廣泛的推廣和使用，加上殘膜回收機的成本高，對殘膜回收機的研發(fā)技術(shù)缺乏，與收膜有關(guān)的問題還沒有得到進一步的解決。為此，設(shè)計了一種鏈齒式殘膜回收機，工作性能良好，成本較低，滿足農(nóng)民的需求，促進了農(nóng)業(yè)的發(fā)展。

1 整機結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 工作原理與結(jié)構(gòu)設(shè)計

鏈齒式殘膜回收機結(jié)構(gòu)主要由牽引架、入土起膜鏟、撿拾裝置、卸膜板、集膜箱、傳動系統(tǒng)及機架等組成，如圖1所示。

整個機具通過牽引架與拖拉機連接，動力后輸出軸通過花鍵與減速箱輸入軸相連接，在拖拉機的牽引作用下向前行進。行進過程中，入土裝置可深入耕層150mm以下對殘膜進行回收，且入土裝置可以調(diào)節(jié)入土深度，入土起膜鏟通過緊定螺釘安裝在入土器板上。工作時，入土起膜器把地表以下殘膜回收到地表上，由撿拾裝置中的鏈軸作為動力輸出軸，鏈軸帶動撿拾裝置上的彈齒把殘膜進行挑起，然后把撿拾的殘膜輸送到卸膜裝置，進行卸膜，回收到集膜箱中。在拖拉機不斷行進的過程中，機構(gòu)不斷重復這個過程，實現(xiàn)地表殘膜連續(xù)回收。

1.2 主要技術(shù)指標

表1所示為鏈齒式殘膜回收機主要的工作性能技術(shù)參數(shù)。

2 試驗設(shè)備與方法

2.1 試驗地點

試驗地點選在耕后播前的棉花地，如圖2所示。在新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團農(nóng)一師六團，該地土壤類型為沙性土，地面比較平整且棉花秸稈已回收。試驗對象為耕后播前的耕層內(nèi)的殘膜，覆膜寬度680mm，厚度0.008mm。

1.限深輪 2.牽引架 3.傳動系統(tǒng) 4.支撐裝置 5.機架 6.彈齒 7.鏈桿 8.傳動軸 9.卸膜板 10.集膜箱 11.后輪 12.抖動裝置 13.上托輥 14.下托輥 15.從動輥 16.撥秧輥 17.入土起膜鏟

表1 鏈齒式殘膜回收機的主要工作性能技術(shù)參數(shù)

圖2 試驗地點

2.2 試驗設(shè)備

主要儀器設(shè)備有約翰迪爾-754型(56kW)收膜機、OHAUS CP3102電子秤(精度0.01g)、鐵鍬、相機、卷尺(0～100cm)、若干紙筆和塑料袋。

2.3 試驗指標

殘膜撿拾率J1直接決定鏈齒式殘膜撿拾機撿拾裝置的整體工作性能的主要因素，其計算公式為

(1)

式中M1—試驗100m長度時膜箱中殘膜的質(zhì)量，單位為(g)；

M2—試驗100m長度時散落到地表的殘膜質(zhì)量(g)；

M3—試驗100m長度時纏繞在撿拾裝置上的殘膜質(zhì)量(g)；

M4—試驗100m長度時纏繞在土膜分離裝置上的殘膜質(zhì)量(g)。

2.4 試驗因素

根據(jù)殘膜回收機的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計與工作原理、撿拾裝置的設(shè)計與分析、田間的試驗結(jié)果，可以初步確定試驗因素為撿拾轉(zhuǎn)速A、入土深度B、撿拾齒軸向間距C、撿拾齒軸向間距D，把殘膜撿拾率Y作為響應(yīng)值，確定試驗因素的取值范圍：撿拾轉(zhuǎn)速70～100r/min，入土深度130～160mm，撿拾齒周向間距75～105mm，撿拾齒軸向間距15～45mm。采用Box-Behnken方法設(shè)計試驗方案，進行四因素四水平響應(yīng)面分析試驗，一共有29個試驗點。具體的響應(yīng)面試驗設(shè)計方案和試驗結(jié)果如表2和表3所示。

表2 響應(yīng)面因素水平編碼表

表3 Box-Behnken設(shè)計方案及試驗結(jié)果

3 結(jié)果與分析

3.1 回歸方差分析

運用Design-Expert 8.060軟件進行響應(yīng)面分析，建立了以殘膜撿拾率Y為響應(yīng)值的多元二次回歸方程。同時，對響應(yīng)指標的4個因素進行了顯著性分析與檢驗，得到了響應(yīng)面模型的方差分析結(jié)果，如表4所示[11]。

殘膜撿拾率的回歸方程為

Y=+89.60+6.17A+0.42B+1.17C+1.25D-

2.00AB+0.50AC+1.00AD+0.00BC-

0.25BD-1.50CD-7.92A2-3.80B2-

3.93C2-4.80D2

(2)

式中Y—殘膜撿拾率(%)；

A—撿拾轉(zhuǎn)速(r/min)；

B—入土深度(mm)；

C—撿拾齒周向間距(mm)；

D—撿拾齒軸向間距(mm)。

表4 回歸方差分析結(jié)果

由表4可知，該響應(yīng)模型是極其顯著的(P<0.000 1)、失擬性(P>0.000 1)。其中，A撿拾轉(zhuǎn)速、C撿拾齒周向間距、D撿拾齒周向間距、AB撿拾轉(zhuǎn)速與入土深度的交互、A2撿拾轉(zhuǎn)速二次項、B2入土深度二次項、C2撿拾齒周向間距二次項、D2撿拾齒軸向間距二次項的P<0.05，因此上述因素對殘膜撿拾率影響顯著。根據(jù)模型中各因素顯著水平P值的大小，可以得到影響撿拾率大小的順序為A>D>C>B。

3.2 響應(yīng)面優(yōu)化分析

鏈齒式殘膜回收機中，撿拾裝置撿拾轉(zhuǎn)速A、入土深度B、撿拾齒周向間距C、撿拾齒軸向間距D之間的交互作用對撿拾率Y的響應(yīng)曲面圖如圖3所示[12]。

借助響應(yīng)面優(yōu)化模型和回歸方程，運用Design-Expert軟件中的Optimization-Numerical模塊對回歸方程模型進行該目標下的優(yōu)化分解，得到機具的最優(yōu)工作參數(shù)為：當撿拾轉(zhuǎn)速91.41r/min、入土深度143.48mm、撿拾齒周向間距91.49mm、撿拾齒軸向間距32.31mm時，殘膜的撿拾率達到91.02%，與進行驗證試驗的實際值相接近，基本相互符合。這表明，響應(yīng)面分析的實際值與進行的優(yōu)化值誤差很小，建立的回歸方程模型是可靠的，具有一定的實用價值。

圖3 響應(yīng)曲面優(yōu)化圖

4 結(jié)論

1)介紹了該鏈齒式殘膜回收機的整機結(jié)構(gòu)與工作原理，進行了撿拾裝置的優(yōu)化試驗設(shè)計。結(jié)果表明：該機具工作性能良好，撿拾效率較高，滿足殘膜作業(yè)要求。

2)通過回歸方差分析，得到了響應(yīng)值與各個因素之間的方程關(guān)系及各個因素對撿拾率的影響程度大小依次為：撿拾轉(zhuǎn)速>撿拾齒軸向間距>撿拾齒周向間距>入土深度。

3)運用Design-expert軟件，采用Box-Benhnken設(shè)計試驗方案，對撿拾轉(zhuǎn)速、入土深度、撿拾齒周向間距及撿拾齒軸向間距進行回歸方差分析，并建立響應(yīng)曲面優(yōu)化模型，得到最優(yōu)化參數(shù)：當撿拾轉(zhuǎn)速91.41r/min、入土深度143.48mm、撿拾齒周向間距91.49mm、撿拾齒軸向間距32.31mm時，殘膜的撿拾率達到91.02%。其相對誤差較小，模型比較可靠。