玉米全膜雙壟溝殘膜回收機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

王久鑫 趙武云 劉小龍 戴 飛 辛尚龍 吳正文

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院， 蘭州 730070； 2.甘肅武威興旺農(nóng)機(jī)制造有限公司， 武威 733018)

0 引言

玉米全膜雙壟溝播技術(shù)是甘肅省推廣的一項(xiàng)新型抗旱耕作技術(shù)，該技術(shù)集覆蓋抑蒸、壟溝集雨、壟溝種植技術(shù)于一體，實(shí)現(xiàn)了保墑蓄墑、就地入滲、雨水富集疊加、保水保肥，增加了地表溫度，提高了肥水利用率[1]。因此地膜覆蓋栽培技術(shù)在中國北方干旱地區(qū)玉米、馬鈴薯等作物種植中得到廣泛應(yīng)用。但是，隨著地膜使用量逐年增加及應(yīng)用面積不斷擴(kuò)大，作物成熟收獲后，大量未及時回收的地膜遺留在田間，不僅造成田間土壤污染和環(huán)境污染[2-3]，同時還影響秋后整地作業(yè)及來年頂凌覆膜工作的進(jìn)行[4-7]。人工回收和機(jī)械回收是玉米全膜雙壟溝殘膜回收的兩種主要方式。人工回收勞動強(qiáng)度大、效率低，因此機(jī)械回收是解決殘膜污染的有效手段。近年來，國內(nèi)許多學(xué)者研制了各種殘膜回收機(jī)[8-12]，取得了顯著進(jìn)展。戴飛等[13]設(shè)計(jì)了一種由弧形起膜鏟鏟起膜土混合物、并通過偏心伸縮彈齒和可變徑卷膜輥實(shí)現(xiàn)挑膜和收膜的殘膜回收機(jī)，但是起膜和卷膜效果不理想，卸膜較復(fù)雜。由佳翰等[14]設(shè)計(jì)了一種鏟齒組合式殘膜撿拾機(jī)，該機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，但是根茬易被挑起，起膜鏟處易堵塞。顧滿等[15]設(shè)計(jì)了一種網(wǎng)鏈?zhǔn)綒埬せ厥諜C(jī)，該機(jī)膜土分離效果較好，但是根茬易被挑起，殘膜含雜率較高。由于受限于玉米全膜雙壟溝種植的特殊農(nóng)藝技術(shù)要求[16]，目前市場上已有的殘膜回收機(jī)不能很好地適應(yīng)殘膜回收作業(yè)要求，其主要原因是起膜裝置仿形能力差。市場上殘膜回收機(jī)的起膜裝置包括整體仿形和單體仿形，單體仿形的殘膜回收機(jī)比整體仿形的起膜和摟膜效果好，但也存在一定的局限性[17-19]。本課題組前期研發(fā)的具有凸輪驅(qū)動仿形功能的玉米全膜雙壟溝殘膜回收機(jī)能較好地完成殘膜回收作業(yè)，通過試驗(yàn)確定了最佳工作參數(shù)[20]，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：殘膜回收機(jī)對實(shí)際田間環(huán)境的適應(yīng)性較差，在工作工程中出現(xiàn)凸輪驅(qū)動仿形起膜鏟產(chǎn)生沖擊噪聲、起膜單體撕扯地膜和從動卷膜輥時轉(zhuǎn)時停等問題。

針對上述問題，并結(jié)合田間實(shí)際作業(yè)情況，本文在分析玉米全膜雙壟溝膜-茬分布特性和機(jī)械化殘膜回收的基礎(chǔ)上[21-22]，采用偏心伸縮彈齒挑膜滾筒與具有自動仿形功能的起膜齒相配合完成起膜和輸膜作業(yè)，而卷膜裝置采用具有相同錐度的主從動卷膜輥，同時設(shè)置具有仿形功能的切膜圓盤裝置，將整個幅寬的地膜在小壟壟溝位置進(jìn)行切分，以便利用偏心伸縮彈齒挑膜滾筒和起膜齒完成起膜、摟膜和輸膜的作業(yè)過程，從而提高殘膜撿拾率。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

圖1為玉米全膜雙壟溝殘膜回收機(jī)結(jié)構(gòu)圖，主要由機(jī)架、切膜圓盤、懸掛架、起膜裝置、偏心伸縮彈齒挑膜滾筒、導(dǎo)膜板、殘膜回收裝置及地輪等組成。其中，起膜裝置主要由起膜齒、滑塊、導(dǎo)軌及調(diào)壓彈簧等組成，卷膜裝置由錐型卷膜輥、輔助卷膜齒、聯(lián)動卸膜轉(zhuǎn)臂和集膜箱組成。作業(yè)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

1.2 工作原理

機(jī)具前進(jìn)作業(yè)時，地輪橫跨在左、右大壟壟體中間覆土帶上，首先仿形切膜圓盤將寬度為1.2 m的地膜在小壟壟溝位置切成3條，地膜被單體仿形的起膜齒鏟起并沿其弧形部位向上運(yùn)動。此時，偏心伸縮彈齒挑膜滾筒中伸縮彈齒轉(zhuǎn)動伸出將地膜挑起并運(yùn)送到滾筒上方，當(dāng)伸縮彈齒完全縮進(jìn)滾筒時，地膜借助慣性力，在導(dǎo)膜板導(dǎo)向作用下進(jìn)入集膜箱，殘膜中夾雜的部分莖葉、土塊從導(dǎo)膜板縫隙中漏下，主從動卷膜輥在摩擦圓盤摩擦力驅(qū)動下近似橫線速度旋轉(zhuǎn)，將整塊地膜在輔助卷膜齒作用下纏繞起來，地膜碎片、土壤和秸稈等進(jìn)入集膜箱，土壤通過集膜箱下蓋網(wǎng)孔漏下，進(jìn)一步完成膜土分離與殘膜回收作業(yè)。殘膜回收過程中，仿形切膜圓盤在小壟壟溝處將整個幅寬的地膜切成3條，作用是當(dāng)起膜齒鏟起地膜時，防止小壟壟溝膜面上板結(jié)的土壤將地膜撕扯碎，難于回收。仿形起膜齒在土壤反作用力、起膜齒重力和彈簧彈力共同作用下上下浮動，有效避開玉米根茬、石塊及較大土塊等阻礙物。當(dāng)卷膜輥上纏滿一定數(shù)量地膜時，人工轉(zhuǎn)動聯(lián)動卸膜轉(zhuǎn)臂，主從動錐型卷膜輥近似直線分離，纏繞在主從動錐型卷膜輥上的地膜沿著錐面順利卸下，當(dāng)集膜箱裝滿碎膜時，在田間地頭提升起機(jī)具，打開集膜箱下蓋，卸下碎膜。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)與參數(shù)確定

2.1 傳動比計(jì)算

玉米全膜雙壟溝殘膜回收機(jī)的動力傳動原理如圖2，作業(yè)時與拖拉機(jī)采用后三點(diǎn)懸掛方式聯(lián)接，通過調(diào)節(jié)仿形起膜單體上的彈簧預(yù)壓縮量，改變起膜齒的入土深度。拖拉機(jī)動力通過動力輸入軸傳遞給輸出軸，輸出軸通過鏈傳動將動力傳遞至中間軸，中間軸通過鏈傳動帶動偏心伸縮彈齒挑膜滾筒轉(zhuǎn)動，并通過鏈傳動帶動主動摩擦盤轉(zhuǎn)動，主動摩擦盤依靠摩擦力將動力傳遞給從動摩擦盤，從動摩擦盤轉(zhuǎn)動帶動主從動卷膜輥轉(zhuǎn)動，完成挑膜和卷膜作業(yè)過程。

在整個傳動系統(tǒng)中，偏心伸縮彈齒挑膜滾筒和錐型卷膜輥由拖拉機(jī)輸出軸控制其轉(zhuǎn)速和動力切斷，錐型卷膜輥依靠摩擦傳動原理實(shí)現(xiàn)恒線速度轉(zhuǎn)動，作業(yè)機(jī)前進(jìn)過程中，為了很好完成撿膜作業(yè)任務(wù)，拖拉機(jī)行走速度必須與其輸出軸的轉(zhuǎn)速相匹配。

2.2 起膜與挑膜裝置設(shè)計(jì)

課題組前期設(shè)計(jì)的凸輪驅(qū)動型單體仿形起膜齒雖能很好地實(shí)現(xiàn)仿形功能和解決壅土現(xiàn)象，但在運(yùn)動過程中凸輪機(jī)構(gòu)和起膜齒之間存在剛性沖擊、噪聲大，各個仿形起膜齒單體相互錯開運(yùn)動，將地表上鏟起的地膜撕扯碎，不利于后期輸膜和卷膜作業(yè)。為了更好實(shí)現(xiàn)“先攏膜，后收膜”的玉米全膜雙壟溝機(jī)械化殘膜回收要求[23-25]，本文設(shè)計(jì)了一種單體仿形起膜齒(結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖3a所示)。

作業(yè)機(jī)的起膜裝置主要由弧形起膜齒、調(diào)壓彈簧、入土深度調(diào)節(jié)桿、直線導(dǎo)軌、滾珠滑塊和仿形桿組成。起膜裝置的直線導(dǎo)軌安裝在作業(yè)機(jī)機(jī)架上，起膜單體與兩個滾珠滑塊采用螺栓連接，滾珠滑塊沿著直線導(dǎo)軌上下移動，入土深度調(diào)節(jié)桿穿過機(jī)架上方調(diào)節(jié)橫桿圓孔，仿形入土過程如圖3b所示。作業(yè)機(jī)前進(jìn)時，為了便于起膜單體入土，起膜單體與地面之間的夾角β取3°～10°，本文中取7°，起膜單體在土壤反作用力、彈簧力和自身重力共同作用下進(jìn)入玉米全膜雙壟溝的大小壟體中，通過入土深度調(diào)節(jié)桿來調(diào)節(jié)起膜單體入土深度(0～50 mm)。作業(yè)過程中遇到玉米根茬、石塊等雜物阻礙作用時，起膜單體在仿形桿仿形作用下，起膜單體克服調(diào)壓彈簧彈力的作用沿著直線導(dǎo)軌由A點(diǎn)運(yùn)動到B點(diǎn)，此時相鄰起膜單體之間的空間變大，阻礙物通過相鄰起膜單體之間的間隙增大，避免玉米根茬、石塊等阻礙物在起膜單體處滯留和擁堵，越過阻礙物后起膜單體在彈簧力和自身重力的作用下自行復(fù)位。

起膜單體是殘膜回收機(jī)的關(guān)鍵部件，起膜單體的數(shù)量及安裝位置是關(guān)鍵因素。根據(jù)玉米全膜雙壟溝種植的農(nóng)藝要求，所用地膜寬度為1 200 mm，綜合考慮起膜齒起膜壓茬和通過性，首先取7個起膜單體，按照方案1布置在后方機(jī)架上(如圖4a所示)，即起膜單體1和2完成玉米全膜雙壟溝右側(cè)大壟上起膜作業(yè)；同理起膜單體6和7完成玉米全膜雙溝左側(cè)大壟上起膜作業(yè)；起膜單體4完成玉米全膜雙壟溝小壟上起膜作業(yè)；起膜單體3和5完成小壟壟溝的起膜作業(yè)。田間試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)機(jī)具前進(jìn)時，起膜單體3和5恰好處在小壟壟溝里，由于玉米剛收獲完，小壟壟溝里的玉米根茬還沒有腐爛，起膜單體3和5易將玉米根茬挑起，堵塞在相鄰兩起膜單體之間，導(dǎo)致偏心伸縮彈齒挑膜滾筒的彈齒不能順利通過，將地膜撕碎，挑膜作業(yè)過程不順暢。小壟壟溝膜面上板結(jié)的土壤和根茬共同制約作用，起膜單體4不能較好完成小壟壟面上地膜的起膜，偏心伸縮彈齒挑膜滾筒不能挑起地膜，影響地膜的撿拾率，起膜單體1、2、6和7能較好地完成左右大壟壟面上地膜的起膜作業(yè)。課題組根據(jù)試驗(yàn)過程發(fā)現(xiàn)的問題對起膜單體的數(shù)量和布置方式重新改進(jìn)，選取8個起膜單體，按照方案2布置在后方機(jī)架上(如圖4b所示)，起膜單體4和5之間距離為150 mm，布置在小壟壟面上，起膜單體3和6向左右大壟均勻靠近，避免正對小壟壟溝，起膜單體1、2、7和8均勻布置在左右大壟壟面上。田間試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)方案2符合玉米全膜雙壟溝殘膜回收的設(shè)計(jì)要求。

2.2.1伸縮彈齒數(shù)目確定

偏心伸縮彈齒在作業(yè)過程中將地膜扎起，隨著滾筒旋轉(zhuǎn)，彈齒向內(nèi)縮進(jìn)，將扎起的地膜輸送到卷膜裝置，其撿拾過程分為3個階段：前期扎膜、中期挑膜和后期脫膜。首先滾筒轉(zhuǎn)速是個重要參數(shù)，滾筒轉(zhuǎn)速較低時，在前期扎膜過程中，伸縮彈齒無法將地膜扎起，在挑膜過程中不能將地膜挑起，在脫膜過程中不易脫膜。滾筒轉(zhuǎn)速較高時，伸縮彈齒將地膜拉扯撕裂，不利于扎膜和挑膜，嚴(yán)重影響殘膜撿拾機(jī)的作業(yè)性能。其次偏心伸縮彈齒圓周方向分布數(shù)目也影響偏心伸縮彈齒扎膜挑膜脫膜的連續(xù)性，該作業(yè)機(jī)撿拾地表以下50 mm范圍內(nèi)的地膜，為了保證作業(yè)機(jī)撿拾的連續(xù)性、減少漏撿現(xiàn)象、提高作業(yè)效率，通過理論推導(dǎo)發(fā)現(xiàn)偏心伸縮彈齒的圓周方向分布數(shù)目與偏心伸縮彈齒長度、彈齒入土深度、滾筒轉(zhuǎn)速等滿足數(shù)學(xué)關(guān)系式[26]

(1)

式中R——偏心伸縮彈齒長度，m

h——偏心伸縮彈齒入土深度，m

z——偏心伸縮彈齒在圓周方向個數(shù)，個

ω——偏心滾筒旋轉(zhuǎn)角速度，rad/s

vm——作業(yè)機(jī)前進(jìn)速度，km/h

φ1——偏心軸初始相位角，(°)

以試驗(yàn)樣機(jī)為例，根據(jù)滾筒的結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)動參數(shù)，取R=0.2 m，h=0.05 m，ω=6 rad/s，vm=3 km/h，φ1=45°，經(jīng)計(jì)算綜合考慮取z=4，即偏心伸縮彈齒圓周方向分布個數(shù)為4個。

2.2.2偏心伸縮彈齒運(yùn)動分析

偏心伸縮彈齒運(yùn)動是作業(yè)機(jī)前進(jìn)運(yùn)動和伸縮彈齒繞滾筒與偏心軸回轉(zhuǎn)運(yùn)動的復(fù)合運(yùn)動，滾筒的旋轉(zhuǎn)方向與機(jī)具前進(jìn)方向相反。如圖5所示，在直角坐標(biāo)系xOy中，滾筒的半徑為r，伸縮彈齒O1A2B2長度為L，曲柄OO1長度為e，即滾筒回轉(zhuǎn)中心與伸縮彈齒回轉(zhuǎn)中心的偏距，曲柄的初始位置與鉛垂方向的夾角為θ1，假設(shè)經(jīng)過時間t，伸縮彈齒從鉛垂位置轉(zhuǎn)到O1A2B2位置，此時伸縮彈齒與滾筒的交點(diǎn)為A2，這個時間段滾筒轉(zhuǎn)過的角度為ωt。偏心伸縮彈齒A點(diǎn)和B點(diǎn)的運(yùn)動方程分別為[27]

(2)

(3)

式中θ——偏心伸縮彈齒經(jīng)過時間t轉(zhuǎn)過的角位移

由圖5可知

(4)

其中

ε=e/r

設(shè)r=0.2 m，e=0.06 m，L=0.2 m，θ1=45°，ω=6 rad/s，vA=ωr，λ=vA/vm。將上述數(shù)據(jù)輸入運(yùn)動仿真軟件ADAMS中，可以求出不同λ值時相應(yīng)的滾筒伸縮孔A和伸縮彈齒B點(diǎn)運(yùn)動軌跡，對運(yùn)動軌跡進(jìn)行分析可知，當(dāng)曲柄初始位置與鉛垂方向的夾角為45°時，伸縮彈齒的末端B點(diǎn)入土過程平緩，出土過程迅速，這有利于扎膜挑膜。當(dāng)λ增大時，有利于扎膜挑膜，不存在漏撿現(xiàn)象，但是λ不能太大，即vA不能太大，因vA=ωr，當(dāng)r過大時，滾筒占據(jù)空間體積較大，挑送行程較長，容易漏撿；當(dāng)ω較大時，會導(dǎo)致伸縮彈齒將地膜撕扯碎，不宜扎膜挑膜；vm不能太小，否則將會影響作業(yè)效率。綜合考慮，當(dāng)λ為1.2～1.6，ω=6 rad/s時，vm為2.7～3.0 km/h，偏心伸縮彈齒圓周方向分布數(shù)目為4個時，作業(yè)效果較佳。

2.3 卷膜裝置設(shè)計(jì)

卷膜裝置位于殘膜回收機(jī)前端，主要由主動錐型卷膜輥、從動錐型卷膜輥、輔助卷膜齒、聯(lián)動卸膜轉(zhuǎn)臂、主從動摩擦圓盤等部件組成，如圖6所示[28]。其中主從動錐型卷膜輥(長度均為500 mm，大端直徑均為120 mm，小端直徑均為80 mm，半錐角均為2.29°)上安裝快速插接的輔助卷膜齒，實(shí)現(xiàn)主從動錐型卷膜輥順利卷膜，保證回收率。主從動錐型卷膜輥上均布4根脫膜條，目的是作業(yè)過程中，當(dāng)纏繞在卷膜輥上的地膜表面含有水時，減小地膜與卷膜輥之間的表面張力，易于脫膜。

主動錐型卷膜輥通過軸承座安裝在機(jī)架上，其軸上有空轉(zhuǎn)的主動摩擦圓盤構(gòu)件，主動摩擦圓盤構(gòu)件由鏈輪和圓型摩擦圓盤零件組成，從動摩擦圓盤以型面聯(lián)接方式與主動卷膜輥軸聯(lián)接，在壓縮彈簧力的作用下，主動摩擦圓盤依靠摩擦力將運(yùn)動和動力傳遞給從動摩擦圓盤，從而帶動主動卷膜輥和從動卷膜輥旋轉(zhuǎn)(主動卷膜輥和從動卷膜輥通過六方桿聯(lián)接傳動)，實(shí)現(xiàn)了卷膜輥恒線速度旋轉(zhuǎn)，避免卷膜時隨著卷膜半徑不斷增大導(dǎo)致卷膜輥線速度增大，而導(dǎo)致地膜被拉緊撕斷現(xiàn)象發(fā)生。摩擦圓盤恒線速度調(diào)節(jié)機(jī)理如圖7所示[29]，卷膜輥未卷膜時半徑為r，卷膜輥卷膜后半徑為R，以線速度v運(yùn)轉(zhuǎn)，則卷膜輥的轉(zhuǎn)速n為

(5)

隨著收卷地膜層數(shù)不斷增加，卷膜輥的卷徑R不斷增加，為了保證線速度不變，必然要降低轉(zhuǎn)速n，對于錐型卷膜輥構(gòu)件，轉(zhuǎn)矩為

M=Jα

(6)

其中

J=m(t)R2(t)

(7)

(8)

由式(6)～(8)得

(9)

式中J——卷膜輥轉(zhuǎn)動慣量，kg·m2

α——卷膜輥角加速度，rad/s2

m(t)——卷膜輥及地膜質(zhì)量，kg

由式(9)可知，隨著卷膜半徑的增大及地膜質(zhì)量的增加，摩擦傳動實(shí)現(xiàn)作用在卷膜輥上的扭矩為定值，使得卷膜輥的角速度不斷降低，實(shí)現(xiàn)卷膜輥恒線速度卷膜，防止地膜被拉緊撕斷。

從動卷膜輥與聯(lián)動卸膜轉(zhuǎn)臂以轉(zhuǎn)動副聯(lián)接在一起，通過轉(zhuǎn)臂支架固接在機(jī)架上，當(dāng)主動卷膜輥轉(zhuǎn)動時帶動從動卷膜輥轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)卷膜。當(dāng)卷膜輥上纏有一定數(shù)量地膜時，在田間地頭停車，拔下輔助卷膜齒，轉(zhuǎn)動聯(lián)動卸膜轉(zhuǎn)臂，從動卷膜輥與主動卷膜輥沿軸線近似直線移開一定距離，完成錐型卷膜輥卸膜，同時打開集膜箱，將碎片地膜、秸稈和少量土塊卸下，如圖8所示。

3 田間試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)條件

2019年10月，在甘肅省定西市安定區(qū)魯家溝鎮(zhèn)進(jìn)行玉米全膜雙壟溝殘膜回收機(jī)作業(yè)性能田間試驗(yàn)，如圖9所示。試驗(yàn)地面積為200 m×100 m，土壤為黃綿土，含水率為13.2%，相對濕度為45%，堅(jiān)實(shí)度為750 kPa，玉米種植模式采用全膜雙壟溝農(nóng)藝模式，雙壟底寬1 100 mm，小壟寬400 mm，行距為400 mm，株距為280 mm，地表有少量的秸稈，小壟壟溝里分布一定數(shù)量的玉米根茬，留茬高度為10～15 cm，大小壟體上覆蓋的地膜均為甘肅省政府規(guī)定采購的標(biāo)準(zhǔn)白色地膜，厚度為0.01 mm，寬度為1 200 mm，小壟壟溝和大壟覆土帶處有板結(jié)的土塊。選用動力為東方紅MF404型拖拉機(jī)，標(biāo)定功率為29.4 kW，拖拉機(jī)駕駛員熟練掌握殘膜回收機(jī)的使用技術(shù)規(guī)范。

3.2 樣機(jī)評價指標(biāo)

樣機(jī)評價指標(biāo)依據(jù)GB/T 25412—2010《殘地膜回收機(jī)》規(guī)定確定，選取土壤含水率基本相同的試驗(yàn)地作為測試區(qū)，每次測試區(qū)域長度為100 m。每次試驗(yàn)結(jié)束后將錐型卷膜輥上的殘地膜卸下，分離殘地膜與雜質(zhì)，用電子秤分別測出殘地膜和雜質(zhì)的質(zhì)量，計(jì)算出殘膜回收率、纏膜率及含雜率作為樣機(jī)的評價指標(biāo)，試驗(yàn)結(jié)果取10次測定指標(biāo)的平均值，計(jì)算方法為[30-33]

(10)

式中Y1——?dú)埬せ厥章剩?

Y2——纏膜率，%

Y3——含雜率，%

m0——試驗(yàn)區(qū)回收到卷膜輥上殘地膜中雜質(zhì)質(zhì)量，g

m1——試驗(yàn)區(qū)未回收的殘地膜質(zhì)量，g

m2——試驗(yàn)區(qū)纏繞在作業(yè)機(jī)上殘地膜質(zhì)量，g

m3——試驗(yàn)區(qū)纏繞在主從動錐型卷膜輥上的殘地膜質(zhì)量，g

3.3 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了避免殘膜回收機(jī)作業(yè)過程中撕膜、壅膜等現(xiàn)象的發(fā)生，提高殘膜回收率，降低纏膜率和含雜率，通過更換偏心伸縮彈齒挑膜滾筒和卷膜滾筒主軸上的鏈輪來改變傳動比，實(shí)現(xiàn)作業(yè)機(jī)前進(jìn)速度與偏心伸縮彈齒挑膜滾筒及卷膜滾筒轉(zhuǎn)速的匹配，將作業(yè)機(jī)前進(jìn)速度設(shè)置為2～4 km/h，偏心伸縮彈齒挑膜滾筒轉(zhuǎn)速設(shè)置為50～70 r/min，卷膜輥轉(zhuǎn)速設(shè)置為80～100 r/min，為了減少樣機(jī)在大田試驗(yàn)的次數(shù)，采用三因素三水平正交試驗(yàn)，試驗(yàn)因素與水平如表2所示。

表2 試驗(yàn)因素與水平Tab.2 Test factors and levels

3.4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

通過正交試驗(yàn)探討作業(yè)機(jī)在不同作業(yè)參數(shù)配合下殘膜回收效果，尋找到最優(yōu)工作參數(shù)，即保證殘膜回收率較高前提下，將纏膜率和含雜率降到最低，正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)和結(jié)果如表3所示(A、B、C為因素水平值)，對正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析，結(jié)果如表4所示。由正交試驗(yàn)結(jié)果及方差分析可知，偏心伸縮彈齒挑膜滾筒轉(zhuǎn)速對殘膜回收率的影響顯著，作業(yè)機(jī)前進(jìn)速度對殘膜回收率的影響中等，卷膜輥轉(zhuǎn)速對殘膜回收率的影響很小，表明偏心伸縮彈齒挑膜滾筒轉(zhuǎn)速較低時，不能將起膜齒鏟起的地膜及時挑起，造成地膜在起膜齒處壅堵，當(dāng)偏心伸縮彈齒挑膜滾筒轉(zhuǎn)速較高時，伸縮彈齒將地膜撕扯碎，導(dǎo)致殘膜回收率降低，即當(dāng)偏心伸縮彈齒轉(zhuǎn)速為60 r/min時，殘膜回收率較高。作業(yè)機(jī)前進(jìn)速度對纏膜率的影響顯著，卷膜輥轉(zhuǎn)速對纏膜率的影響中等，偏心伸縮彈齒挑膜滾筒轉(zhuǎn)速對纏膜率影響較小，表明當(dāng)作業(yè)機(jī)前進(jìn)速度較小和較大時，小壟壟溝處玉米根茬被挑起，造成纏膜率升高，即當(dāng)作業(yè)機(jī)前進(jìn)速度為2 km/h，纏膜率較低。作業(yè)機(jī)前進(jìn)速度對含雜率的影響顯著，偏心伸縮彈齒挑膜滾筒轉(zhuǎn)速對含雜率的影響中等，卷膜輥轉(zhuǎn)速對含雜率的影響較小，表明作業(yè)機(jī)前進(jìn)速度較小時，偏心伸縮彈齒挑膜滾筒和卷膜輥轉(zhuǎn)速較高時，雜質(zhì)與地膜分離較充分，含雜率較低。由于試驗(yàn)指標(biāo)含有多個，所以采用綜合平衡法分析，每組試驗(yàn)重復(fù)3次求平均值，從表3試驗(yàn)結(jié)果和表4方差分析進(jìn)行綜合評價可知，當(dāng)卷膜輥旋轉(zhuǎn)速度較高時，卷膜輥上殘膜纏繞較緊，不便于卸膜，卷膜輥轉(zhuǎn)速對纏膜率和含雜率的影響小于前進(jìn)速度和偏心伸縮彈齒挑膜滾筒轉(zhuǎn)速，作業(yè)機(jī)前進(jìn)速度較慢時影響作業(yè)效率，因此為了保證作業(yè)的效率及容易卸膜，綜合考慮選取最優(yōu)方案為A2B2C2。即樣機(jī)的前進(jìn)速度為3 km/h，偏心伸縮彈齒挑膜滾筒轉(zhuǎn)速為60 r/min，卷膜輥轉(zhuǎn)速為90 r/min。

表3 正交試驗(yàn)方案與結(jié)果Tab.3 Orthogonal test scheme and result

3.5 田間試驗(yàn)驗(yàn)證與分析

正交試驗(yàn)所得到的最優(yōu)工作參數(shù)與2.1節(jié)理論推導(dǎo)的機(jī)械傳動部件速度非常接近，即作業(yè)機(jī)前進(jìn)速度為3 km/h, 偏心伸縮彈齒挑膜滾筒轉(zhuǎn)速為60 r/min，卷膜輥轉(zhuǎn)速為90 r/min。按照3.2節(jié)中的試驗(yàn)方法進(jìn)行田間試驗(yàn)驗(yàn)證。田間試驗(yàn)結(jié)果與GB/T 25412—2010《殘地膜回收機(jī)》標(biāo)準(zhǔn)對比如表5所示。

從表5可知，當(dāng)拖拉機(jī)勻速前進(jìn)速度為3 km/h，玉米全膜雙壟溝殘膜回收機(jī)殘膜回收率為89.46%，纏膜率為1.93%，含雜率為25.53%，試驗(yàn)各項(xiàng)指標(biāo)都滿足殘膜回收機(jī)的技術(shù)要求。試驗(yàn)過程

表4 方差分析Tab.4 Variance analysis

表5 整機(jī)性能試驗(yàn)結(jié)果Tab.5 Result of machine performance %

中樣機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，隨著拖拉機(jī)勻速前進(jìn)，起膜齒能自動仿形，完成起膜作業(yè)任務(wù)，拖拉機(jī)前進(jìn)速度較慢時，起膜齒挑起玉米根茬，堵塞在起膜單體之間，從而導(dǎo)致纏膜率和含雜率升高，當(dāng)偏心伸縮彈齒挑膜滾筒轉(zhuǎn)速較低時，不能將起膜單體攏起的殘膜及時伸縮撿拾，造成殘膜在起膜區(qū)域堆積，導(dǎo)致殘膜回收率降低，偏心伸縮彈齒挑膜滾筒轉(zhuǎn)速較高時，伸縮彈齒將地膜撕扯打碎，使地膜不易被挑起，導(dǎo)致殘膜回收率下降。當(dāng)前進(jìn)速度和偏心伸縮彈齒挑膜滾筒轉(zhuǎn)速匹配合適，卷膜輥速度中等時，可以避免作業(yè)過程中根茬對殘膜回收的影響，卸膜比較快捷順暢，試驗(yàn)效果滿足設(shè)計(jì)和農(nóng)藝要求。

4 結(jié)論

(1)改進(jìn)后的起膜齒能有效避開小壟壟溝中的根茬，通過自適應(yīng)仿形避免作業(yè)過程中根茬和板結(jié)土壤在起膜單體之間堵塞，保證起膜挑膜作業(yè)過程較為順暢。改進(jìn)后卷膜裝置的卷膜和卸膜作業(yè)效果較理想。在卷膜過程中，摩擦傳動方案保證了主從動錐型卷膜輥恒線速度旋轉(zhuǎn)、卷膜松緊均勻、卸膜順暢；在卸膜過程中，轉(zhuǎn)動聯(lián)動卸膜轉(zhuǎn)臂，從動錐型卷膜輥與主動錐型卷膜輥沿軸線近似直線分開，使卸膜較為便捷，提高了作業(yè)效率。

(2)以正交試驗(yàn)為優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，以作業(yè)機(jī)前進(jìn)速度、偏心伸縮彈齒挑膜滾筒轉(zhuǎn)速和卷膜輥轉(zhuǎn)速為因素，以殘膜回收率、纏膜率和含雜率為評價指標(biāo)，對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了方差分析，結(jié)果表明，偏心伸縮彈齒挑膜滾筒轉(zhuǎn)速對殘膜回收率影響顯著，作業(yè)機(jī)前進(jìn)速度對纏膜率和含雜率影響顯著，卷膜輥轉(zhuǎn)速對纏膜率和含雜率的影響小于前進(jìn)速度和偏心伸縮彈齒挑膜滾筒轉(zhuǎn)速的影響。應(yīng)用綜合平衡法得出，當(dāng)樣機(jī)前進(jìn)速度為3 km/h、偏心伸縮彈齒挑膜滾筒轉(zhuǎn)速為60 r/min、卷膜輥轉(zhuǎn)速為90 r/min時，作業(yè)效果最優(yōu)。

(3)對樣機(jī)的最優(yōu)工作參數(shù)進(jìn)行田間試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明，作業(yè)機(jī)殘膜回收率為89.46%，纏膜率為1.93%，含雜率為25.53%，試驗(yàn)結(jié)果滿足國家標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求。