滾針式殘膜回收機(jī)試驗(yàn)及分析

馬少輝

（塔里木大學(xué)機(jī)械電氣化工程學(xué)院，新疆阿拉爾843300）

地膜覆蓋栽培技術(shù)因其具有保墑、增溫、改善土壤、抑制雜草生長和增產(chǎn)等作用［1］被廣泛推廣使用。該技術(shù)在為農(nóng)業(yè)發(fā)展做出重大貢獻(xiàn)和帶來巨大經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，因農(nóng)民缺乏回收意識和缺少相應(yīng)配套機(jī)械，給農(nóng)田造成了嚴(yán)重的“白色污染”［2-4］，殘留在農(nóng)田土壤中的地膜，其危害直接表現(xiàn)在破壞土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，孔隙度通透性下降，影響土壤微生物正?；顒?dòng)，造成土壤次生鹽堿化；阻止幼苗根系對水分養(yǎng)分的吸收，造成爛種、爛芽；在機(jī)械化棉花采收時(shí)，殘膜易混入籽棉中，降低棉花等級；混入皮棉中的殘膜，在印染過程中造成著色不勻；此外，殘膜遇風(fēng)隨處散落在樹枝、溝渠、房前屋后嚴(yán)重破壞農(nóng)村生態(tài)環(huán)境；纏繞機(jī)械工作部件，影響農(nóng)機(jī)具正常作業(yè)和作業(yè)質(zhì)量；混入秸稈飼料中，導(dǎo)致家畜胃腸功能失調(diào)甚至死亡。

現(xiàn)階段，棉田當(dāng)年的殘膜回收還是以人工撿拾為主，勞動(dòng)強(qiáng)度大，作業(yè)效率低，急需機(jī)械代替人工完成殘膜回收，保護(hù)棉田生態(tài)環(huán)境。各地科研工作者根據(jù)殘膜回收作業(yè)時(shí)間的不同，研制了苗期殘膜回收機(jī)、秋后殘膜回收機(jī)和播前殘膜回收機(jī)［5-7］，其中秋后殘膜回收作業(yè)機(jī)應(yīng)用最為廣泛。本文針對現(xiàn)階段秋后棉田地表殘膜回收機(jī)作業(yè)效率低，機(jī)具消耗功率大，回收的殘膜與棉桿纏繞的問題設(shè)計(jì)了一種滾針式殘膜回收機(jī)，該機(jī)具不對棉桿粉碎，在棉桿直立狀態(tài)下，對當(dāng)年地表殘膜進(jìn)行分區(qū)并回收，并在室內(nèi)土槽開展了相關(guān)試驗(yàn)。

1 滾針式殘膜回收機(jī)總體結(jié)構(gòu)

滾針式殘膜回收機(jī)主要由機(jī)架、懸掛架、起膜鏟、切膜圓盤和滾針筒等部分組成，機(jī)具結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 滾針式殘膜回收機(jī)的整體機(jī)構(gòu)示意圖

工作時(shí)，由拖拉機(jī)懸掛牽引機(jī)具前進(jìn)，切膜圓盤將整幅膜切割成邊膜區(qū)和寬膜區(qū)，起膜鏟將埋于土壤內(nèi)的邊膜鏟起，滾針筒滾動(dòng)時(shí)將不同區(qū)域的殘膜扎于滾針上，達(dá)到回收地表殘膜的目的。

2 滾針式殘膜回收機(jī)試驗(yàn)與分析

2.1 單因素試驗(yàn)

2.1.1 試驗(yàn)?zāi)康?/p>

滾針筒是機(jī)具的核心部件，其滾針的長度是地表殘膜回收率關(guān)鍵，滾針長度過長，滾針彎曲變形，過短不易將殘膜挑起，影響殘膜回收率。課題組針對滾針長度進(jìn)行單因素預(yù)備性試驗(yàn)，確定滾針長度范圍；利用方差檢測方法對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與分析，從而來驗(yàn)證滾針長度對殘地膜回收率顯著性的影響。

2.1.2 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)在塔里木大學(xué)機(jī)械電氣化工程學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械化室內(nèi)土槽實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行，土槽長度80 m，寬度8 m，土槽牽引實(shí)驗(yàn)臺車速度0-20 km/h 可調(diào)，為滿足機(jī)具作業(yè)效率，牽引速度為4 km/h，人工事先按農(nóng)田棉花種植要求將地膜覆蓋于土槽內(nèi)，在地膜上栽植收獲后棉株，模擬農(nóng)業(yè)棉田環(huán)境。

2.1.3 試驗(yàn)方法

通過前期研究和預(yù)備試驗(yàn)可知，當(dāng)滾針長度小于20 mm 時(shí)，殘膜不易纏繞到收膜滾筒上，殘膜回收率僅為23. 08%；同時(shí)，當(dāng)滾針長度大于90 mm時(shí)，滾針遇田間硬物時(shí)易彎曲變形，造成機(jī)具不能正常工作。因此，機(jī)具滾針長度從20 mm 開始，每增加10 mm 作為一個(gè)水平，每個(gè)長度重復(fù)3 次試驗(yàn)。

2.1.4 試驗(yàn)主要材料與設(shè)備

試驗(yàn)地膜選用普通農(nóng)用地膜，厚度為0.01 mm，按機(jī)采棉660 mm+100 mm 模式人工鋪膜；棉桿取自當(dāng)年種植收獲后的棉田，去除根部后按棉花種植的行距、株距進(jìn)行栽植；所使用設(shè)備有FA1004 電子精密天平，100 m皮尺和秒表。

2.1.5 試驗(yàn)結(jié)果

表1 滾針長度對殘膜回收率的影響

圖2 不同長度滾針下的回收率曲線

2.1.6 試驗(yàn)分析

根據(jù)國家農(nóng)業(yè)行業(yè)殘地膜回收機(jī)作業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（NY/T 1227-2006），殘膜回收率不能低于75%，由試驗(yàn)數(shù)據(jù)表1 和圖2 可知，當(dāng)滾針長度20 mm 和30 mm時(shí)，回收率小于75%。因此剔除20 mm 和30 mm 兩個(gè)水平，滾針長度從而確定從40 mm 開始，每增加10 mm作為一個(gè)水平，每個(gè)長度重復(fù)3次試驗(yàn)。

根據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對其進(jìn)行方差分析，如表2和表3。

通過單因素方差分析可知，滾針長度對機(jī)具殘膜回收率影響顯著。

2.2 雙因素試驗(yàn)

2.2.1 試驗(yàn)?zāi)康?/p>

為提高機(jī)具作業(yè)效率和殘膜回收率，課題組通過試驗(yàn)與理論數(shù)據(jù)分析，目的在于找到牽引速度和滾針長度兩個(gè)參數(shù)的最優(yōu)組合,從而確定機(jī)具最佳作業(yè)速度和結(jié)構(gòu)參數(shù)。

2.2.2 因素水平的確定

機(jī)具的作業(yè)效率和作業(yè)質(zhì)量是衡量機(jī)具性能好壞的重要標(biāo)志。

（1）牽引速度范圍的確定：在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，機(jī)具的作業(yè)速度往往是影響作業(yè)效率的關(guān)鍵因素，在確保作業(yè)質(zhì)量的前提下，適當(dāng)增加作業(yè)速度，有助于提高作業(yè)效率。為此課題組考慮到速度對作業(yè)效率和質(zhì)量的影響，牽引速度確定為2.5 km/h—5.5 km/h之間，每增加0.5 km/h 作業(yè)1 個(gè)水平，每種牽引速度重復(fù)試驗(yàn)3次。

（2）滾針長度范圍的確定：根據(jù)單因素試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知，當(dāng)滾針長度20 mm 和30 mm 時(shí)，回收率小于75%，不符合農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)際要求，當(dāng)滾針長度大于90 mm 時(shí)，殘膜回收率變化不大，但滾針遇地面硬物時(shí)易彎曲變形，為此，課題組考慮到殘膜回收率和滾針極限長度下機(jī)具的可靠性，滾針確定為40 mm—100 mm 之間，每增加10 mm 作為1 個(gè)水平，每個(gè)長度重復(fù)3次試驗(yàn)。

根據(jù)因素水平范圍的確定，機(jī)具的雙因素水平編碼表如表4所示。

表2 方差分析計(jì)算

表3 方差分析表

表4 因素水平編碼表

2.2.3試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法

試驗(yàn)采用L49（72）［8］的雙因素正交試驗(yàn)，每組試驗(yàn)重復(fù)3次，取其平均值。

2.2.4 試驗(yàn)指標(biāo)

滾針長度和牽引速度為試驗(yàn)的兩個(gè)因素，殘膜的回收率為考查指標(biāo)，從而確定機(jī)具最佳作業(yè)速度和最佳滾針長度。

殘膜回收率的計(jì)算公式：

其中，W：殘膜的回收率，%；

K1：機(jī)具殘膜回收的殘膜質(zhì)量，g；

K2：人工撿拾的殘膜的質(zhì)量，g。

2.2.5 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)及處理如表5所示。

表5 試驗(yàn)的數(shù)據(jù)及處理

（續(xù)表）

（續(xù)表）

3 結(jié)論

（1）通過室內(nèi)土槽試驗(yàn)可知，分區(qū)式滾針式殘膜回收機(jī)工作原理可行，但試驗(yàn)與實(shí)際棉田環(huán)境與條件還存在差異，須進(jìn)一步在實(shí)際棉田中驗(yàn)證。

（2）通過數(shù)據(jù)處理與分析，分區(qū)式滾針殘膜回收機(jī)作業(yè)時(shí)，機(jī)具的牽引速度B 為主要因素，滾針長度A為其次因素。

（3）通過數(shù)據(jù)處理與分析，機(jī)具牽引速度和滾針長度的最佳組合為A5B5，即牽引速度4.5 km/h，滾針長度80 mm，此時(shí)殘膜回收率最高，達(dá)94.47%。