隨動式殘膜回收機(jī)起膜撿拾機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

王昭宇 陳學(xué)庚,2 顏利民,2 蔣德莉 王明恩

(1.石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院， 石河子 832003； 2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部西北農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 石河子 832003)

0 引言

新疆是我國棉花種植面積最大的省份，棉花種植絕大部分采用地膜覆蓋[1-3]。地膜覆蓋種植技術(shù)可有效抑制雜草生長、改善作物品質(zhì)[4-6]。但自然條件下的地膜極難降解，大量地膜滯留在田間，影響作物生長，給我國農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展帶來巨大隱患[1,7-9]。

為解決地膜污染問題，我國學(xué)者研制出多種殘膜回收機(jī)[10-13]，包括釘齒式、齒鏈?zhǔn)?、耙齒式等多種機(jī)型，作業(yè)流程包括起膜環(huán)節(jié)、拾膜環(huán)節(jié)、輸送環(huán)節(jié)、脫膜環(huán)節(jié)、卷膜環(huán)節(jié)和卸膜環(huán)節(jié)等[10,14-15]。起膜與拾膜是殘膜機(jī)械回收過程的重要環(huán)節(jié)[16]。針對起膜環(huán)節(jié)要求，起膜過程中能疏松板結(jié)土壤，同時(shí)避免雜質(zhì)壅堵，完成膜土分離；針對拾膜環(huán)節(jié)要求，撿拾過程中能順利拾起地膜，并保證分離后地膜的完整性及排雜率[17-19]。作為殘膜回收機(jī)的關(guān)鍵部件，起膜拾膜機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)及工作參數(shù)對整機(jī)殘膜回收作業(yè)效果影響較大，此方面的主要研究成果包括：靳偉等[20]研制的彈齒式殘膜回收機(jī)主要完成30～50 mm深的地膜撿拾作業(yè)，利用慣性將地膜回收到集膜箱；謝建華等[21]研制的行星架式伸縮桿齒拾膜機(jī)構(gòu)主要撿拾土壤表層內(nèi)長度大于50 mm的殘地膜；張慧明等[22]研制的隨地仿形起膜裝置主要完成秋后距地表30 mm深的起膜作業(yè)。

基于以上研究，本文根據(jù)隨動式殘膜回收機(jī)起膜、撿拾環(huán)節(jié)的工作要求，設(shè)計(jì)一種起膜撿拾機(jī)構(gòu)，在保證起膜、撿拾效果的同時(shí)提高機(jī)構(gòu)的工作效率與穩(wěn)定性，并減少工作區(qū)域的雜質(zhì)壅堵。起膜撿拾機(jī)構(gòu)主要分為起膜裝置和撿拾裝置兩部分：起膜裝置在起膜過程中松動土壤，排出機(jī)構(gòu)工作區(qū)域堆積的雜質(zhì)，避免因雜質(zhì)壅堵而影響后續(xù)作業(yè)；撿拾裝置需順利撿拾膜土分離后的地膜，并保證撿拾與輸送過程中地膜的完整性及排雜率。本文通過分析起膜撿拾機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和工作參數(shù)，并進(jìn)行田間試驗(yàn)研究，從而獲取最優(yōu)參數(shù)值，取得較優(yōu)作業(yè)性能。

1 結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

目前地膜回收方式多以機(jī)械回收為主[15]，所述隨動式殘膜回收作業(yè)機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括起膜裝置、撿拾裝置、脫膜與卷膜裝置[23-27]，其中起膜裝置、撿拾裝置位于殘膜回收機(jī)的末端，機(jī)架前端連接卷膜裝置與脫膜裝置。

作業(yè)時(shí)，起膜裝置松動地表土壤，將地表地膜挑起，實(shí)現(xiàn)膜土分離。同時(shí)地膜掛接在撿拾裝置上，撿拾裝置與土壤接觸并將拾起的地膜向上輸送，地膜經(jīng)脫膜裝置分離并落至卷膜裝置，卷膜裝置卷收地膜，完成地膜的打卷回收作業(yè)，撿拾輸送過程中，地膜逆向翻轉(zhuǎn)，膜面上雜質(zhì)落入撿拾裝置中，排至機(jī)具外側(cè)。

1.2 起膜撿拾機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)與工作原理

起膜撿拾機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)與工作原理如圖2所示。如圖2a所示，起膜裝置主要包括起膜輪、液壓馬達(dá)、支撐板、加壓彈簧和液壓油管等，起膜輪通過支撐板與機(jī)架相連，支撐板上連接加壓彈簧。工作時(shí)，液壓馬達(dá)提供起膜裝置動力，通過支撐板及加壓彈簧隨地仿形。撿拾裝置主要由撿拾鏈條和撿拾滾筒組成，撿拾滾筒兩側(cè)與機(jī)架固連，撿拾滾筒圓周上均布滑槽，撿拾鏈條嵌入撿拾滾筒滑槽內(nèi)并與起膜輪等間距交錯(cuò)排列。如圖2b所示，拖拉機(jī)帶動殘膜回收機(jī)行進(jìn)，液壓馬達(dá)通過鏈傳動將動力傳遞給起膜輪，起膜輪順時(shí)針挑起地膜；撿拾鏈條入土(撿拾鏈條入土處線速度等于機(jī)具行進(jìn)速度)，并帶動撿拾滾筒逆時(shí)針滾動，由于撿拾鏈條和起膜輪在交匯處轉(zhuǎn)動方向相反，使得地膜能順利掛接到撿拾鏈條上并輸送至其他裝置。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與參數(shù)確定

2.1 關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)組成

起膜輪是起膜裝置的關(guān)鍵部件，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。起膜輪主要由起膜輪輪刺、起膜輪輪盤及起膜輪傳動軸組成。起膜輪傳動軸兩端連接支撐板，軸向等間距焊接多個(gè)起膜輪輪盤，起膜輪輪刺沿起膜輪圓盤徑向均布焊接。撿拾裝置主要通過撿拾滾筒及撿拾鏈條進(jìn)行地膜的撿拾作業(yè)。如圖4所示，撿拾滾筒主要由螺旋輸送器、圓環(huán)、撥雜板等組成。螺旋輸送器位于圓環(huán)內(nèi)并與圓環(huán)偏心安裝，螺旋輸送器兩端裝有軸承并與機(jī)架連接，圓環(huán)沿螺旋輸送器軸等間距軸向均布。相鄰圓環(huán)間沿圓環(huán)徑向方向等間距分布多個(gè)撥雜板，相鄰撥雜板之間留有間隙；撿拾鏈條主要由撿拾釘齒和撿拾鏈板組成，兩撿拾釘齒間安裝3個(gè)撿拾鏈板，相鄰撿拾鏈板之間、撿拾釘齒與撿拾鏈板之間通過銷釘鉚接。

起膜過程中，起膜裝置工作區(qū)域內(nèi)堆積大量雜質(zhì)，由于撿拾滾筒相鄰撥雜板之間留有間隙，膜面上堆積的雜質(zhì)經(jīng)間隙進(jìn)入撿拾滾筒內(nèi)，經(jīng)螺旋輸送器排至機(jī)具的兩側(cè)，剩余部分雜質(zhì)則沿著起膜輪輪盤之間的間隔排至機(jī)具后側(cè)，解決了雜質(zhì)壅堵的問題；撿拾過程中，起膜輪輪刺挑起地膜向起膜裝置與撿拾裝置的交匯區(qū)域運(yùn)動，撿拾釘齒撿拾挑起的地膜并向其他裝置輸送。地表地膜經(jīng)起膜輪挑起到由撿拾釘齒拾膜輸送的過程中，地膜近180°翻轉(zhuǎn)，膜面上剩余的雜質(zhì)排至機(jī)具外側(cè)，提高殘膜回收率并降低回收殘膜的含雜率。

2.2 起膜過程分析及參數(shù)確定

起膜撿拾機(jī)構(gòu)進(jìn)行起膜、撿拾作業(yè)時(shí)，易發(fā)生地膜從起膜輪上脫落與分離后的地膜被起膜輪拉斷，撿拾裝置撿拾地膜效果差。為確定影響因素并便于分析，對該過程中作用對象的運(yùn)動簡化處理。起膜過程中，僅分析地膜受到起膜輪施加的拉力、摩擦力及膜面雜質(zhì)對地膜的拉力影響；撿拾過程中，僅分析撿拾輸送過程中起膜輪和撿拾釘齒工作參數(shù)對地膜撿拾輸送情況的影響。

2.2.1起膜過程分析

為保證地膜能夠被挑起不脫落且不發(fā)生斷裂，對起膜輪起膜過程中作用對象的運(yùn)動狀態(tài)進(jìn)行分析。起膜輪輪刺帶動地膜轉(zhuǎn)動時(shí)，地膜受到離心力作用需克服向心綜合作用力，受力分析如圖5a所示。圖中Fn為地膜受到起膜輪輪刺的支持力，F(xiàn)a為地膜受到的離心力，G為挑起的地膜受到的拉力，大小等于膜面上雜質(zhì)的重量，f為地膜受到輪刺的摩擦阻力，地膜恰好從起膜輪上脫落的臨界條件為挑起的地膜所受離心力等于其他外力的合力，即

(1)

式中R1——傳動軸圓心到輪刺與地膜交點(diǎn)的距離，mm

θ——相鄰輪刺與豎直方向的夾角，(°)

v——起膜輪輪刺與地表地膜接觸位置的線速度，m/s

m——膜面雜質(zhì)總質(zhì)量，g

ω1——起膜輪轉(zhuǎn)動角速度，rad/s

根據(jù)文獻(xiàn)[28]方法測得地膜的摩擦因數(shù)μ=0.4，確定地膜受到輪刺的摩擦阻力f為

f=μmgcosθ

(2)

式中g(shù)——重力加速度

此外，地膜未脫離起膜輪輪刺時(shí)，掛接在起膜輪輪刺上的地膜角速度處處相等(等同于起膜輪角速度)，即

ω1=2πn1

(3)

式中n1——起膜輪轉(zhuǎn)速，r/min

聯(lián)立式(1)～(3)可得，保證地膜挑起后不脫離的臨界條件為

(4)

由上述公式可得，導(dǎo)致挑起的地膜脫落的主要因素包括n1及R1。由式(4)可知，R1和n1的增大均會影響起膜輪挑膜效果。輪刺入土深度不變的情況下，R1增大，輪刺拾起地膜處的線速度增大，離心力增大，起膜效果降低；n1增大，地膜所受離心力增大，影響裝置的起膜效果，并且n1對起膜輪起膜效果的影響大于R1對起膜效果的影響。

為確定引起地膜斷裂的因素，對單個(gè)起膜輪挑膜過程進(jìn)行分析，結(jié)果如圖5b所示。起膜輪進(jìn)行膜土分離作業(yè)時(shí)，地膜受到的拉力受起膜輪輪刺轉(zhuǎn)動角度的影響。起膜輪輪刺挑起地膜轉(zhuǎn)動到水平位置時(shí)地膜所受到的拉力最大為Gmax。為使地膜不發(fā)生斷裂，應(yīng)保證挑膜過程中地膜所受最大拉力Gmax小于地膜自身縱向拉斷力F1，即

Gmax

(5)

此外，起膜裝置起膜過程是由多個(gè)起膜輪共同完成。如圖6所示，為確保裝置順利挑起整個(gè)幅寬地膜而不斷裂，同一截面處總縱向抗拉力大于該位置處膜面上雜質(zhì)的總重量。將裝置挑起整個(gè)幅寬的地膜作為整體進(jìn)行受力分析，如圖7所示。

試驗(yàn)測得整個(gè)幅寬地膜縱向拉斷力F=2.4 N，膜面上雜質(zhì)含量W=110 g/m，結(jié)合新疆棉花鋪膜種植模式，根據(jù)單一起膜輪挑膜過程中挑起的地膜不斷裂需滿足的條件，則有

(6)

其中

式中Q——起膜輪入土到挑膜過程中轉(zhuǎn)過角γ的位移，mm

Lz——起膜輪工作幅寬，mm

D——相鄰起膜輪間距，mm

γ——起膜輪輪刺間距角，(°)

L——輪刺入土深度，mm

h——起膜輪輪刺高度，mm

即確保起膜裝置挑起地膜不斷裂，應(yīng)保證整個(gè)幅寬地膜的縱向抗拉力大于膜上雜質(zhì)的總重力G′。根據(jù)式(6)可知，導(dǎo)致挑起地膜發(fā)生拉斷的主要影響因素包括起膜輪間距D、起膜輪輪刺間距角γ、起膜輪工作幅寬Lz等參數(shù)。

2.2.2起膜輪輪刺高度確定

結(jié)合2.2.1節(jié)可得，起膜輪輪刺的高度(大小等于L與R1之和，其中起膜輪入土深度L為確定值)影響裝置的起膜效果。作業(yè)時(shí)，起膜輪輪刺與豎直方向夾角及入土深度都在發(fā)生變化，起膜輪輪刺與土壤產(chǎn)生工作阻力，由文獻(xiàn)[29]可知，保證最小工作阻力時(shí)起膜輪輪刺高度為

(7)

式中φ——土壤內(nèi)摩擦角，(°)

由式(7)可知，起膜輪輪刺間距角γ影響起膜輪輪刺的最小高度h，同時(shí)γ決定起膜輪轉(zhuǎn)速及其他因素確定時(shí)起膜輪輪刺工作數(shù)量。單個(gè)起膜輪輪刺進(jìn)行起膜作業(yè)過程為從起膜輪輪刺進(jìn)入地表開始，到該起膜輪離開土壤挑膜向其他裝置輸送時(shí)結(jié)束。起膜裝置工作時(shí)，起膜輪既自身轉(zhuǎn)動又跟隨整機(jī)運(yùn)動，為提高起膜輪起膜工作的連續(xù)性和可靠性，確保起膜輪進(jìn)行膜土分離作業(yè)時(shí)挑起的地膜不發(fā)生脫落，應(yīng)使得一起膜輪輪刺結(jié)束起膜作業(yè)的同時(shí)至少另一起膜輪輪刺進(jìn)行起膜作業(yè)。即起膜輪輪刺間距角γ最大值不超過起膜輪一輪刺處于離開土壤挑膜的臨界狀態(tài)時(shí)，相鄰另一輪刺應(yīng)處于入土挑膜的臨界狀態(tài)時(shí)兩起膜輪輪刺組成的夾角，從而實(shí)現(xiàn)起膜輪挑膜的連續(xù)性，相應(yīng)狀態(tài)下起膜輪輪刺高度h和輪刺入土深度L關(guān)系如圖7所示。

通過對圖7起膜輪作業(yè)的臨界狀態(tài)進(jìn)行分析，根據(jù)起膜輪各參數(shù)的關(guān)系確定起膜輪膜土分離作業(yè)的起膜輪最小輪刺間距角γmin為

(8)

考慮到起膜輪工作特性及同其他裝置的裝配關(guān)系，確定起膜輪連接圓盤直徑不宜過大，本文取起膜輪連接圓盤半徑R=90 mm，通過試驗(yàn)確定輪刺入土深度L=20 mm，并聯(lián)立式(7)、(8)，計(jì)算得輪刺最小高度h的最小值為130 mm，根據(jù)整機(jī)的結(jié)構(gòu)尺寸及起膜輪與其他部件裝配關(guān)系，取h=150 mm。

2.2.3起膜輪排列間距確定

起膜輪間距D影響整個(gè)幅寬地膜的受力。試驗(yàn)時(shí)，當(dāng)D過大時(shí)，挑起的地膜斷裂嚴(yán)重。相同截面的地膜受到的起膜輪輪刺支撐包括一支撐點(diǎn)支撐、兩支撐點(diǎn)支撐及多支撐點(diǎn)支撐，該截面的輪刺數(shù)越多，地膜支撐點(diǎn)越多，通過分析發(fā)現(xiàn)，地膜截面支撐點(diǎn)越多受膜面上雜質(zhì)重力的影響越小，為避免地膜破損嚴(yán)重，起膜輪輪刺個(gè)數(shù)不宜過多。此外膜面上積累的雜質(zhì)重心同地膜與起膜輪接觸的區(qū)域存在一定距離，受雜質(zhì)重力影響產(chǎn)生剪切力，剪切力的大小與同一截面支撐點(diǎn)數(shù)量有關(guān)。同時(shí)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，造成雜質(zhì)壅堵的主要原因是棉花打稈機(jī)打稈后膜面殘留的棉稈及土壤等雜質(zhì)在起膜裝置的工作區(qū)域不斷累積，影響了裝置的起膜效果。由于起膜裝置由多個(gè)起膜輪組成，相鄰起膜輪之間留有間距，起膜輪間距越小，起膜裝置起膜效果越好，但當(dāng)起膜輪數(shù)量增加到一定程度時(shí)，對起膜裝置的起膜效果影響不大，對清雜的效果影響極大。當(dāng)膜面殘留棉稈的長度小于相鄰起膜輪的間距時(shí)，起膜裝置的起膜、排雜效果明顯；當(dāng)殘留棉稈的長度大于相鄰起膜輪的間距時(shí)，相鄰起膜輪之間聚集少許雜質(zhì)，影響起膜輪的起膜、排雜效果；當(dāng)相鄰起膜輪的間隔過大時(shí)，相鄰起膜輪之間無雜質(zhì)壅堵但起膜輪的起膜效果變差。因此需確定最優(yōu)起膜輪間距，以提高起膜裝置的起膜、清雜效果。目前新疆棉花種植模式主要為660 mm+100 mm，地膜幅寬為2 050 mm，工作幅寬Lz=1 916 mm，通過結(jié)合新疆棉花種植模式并考慮起膜輪和棉壟的匹配，分析膜面雜質(zhì)的物料特性，確定合理的起膜輪間距D，如圖8所示。

2019年進(jìn)行了田間試驗(yàn)，獲取了殘膜回收前膜面棉稈物料特性，并對取得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。剔除不合理的數(shù)據(jù)，對剩余數(shù)據(jù)進(jìn)行試驗(yàn)分析。本文假設(shè)膜面棉稈的長度呈正態(tài)分布，并對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了單樣本柯爾莫戈洛夫-斯米諾夫檢驗(yàn)，結(jié)果如表1所示。表1中漸進(jìn)顯著性P=0.2，膜面稈長符合正態(tài)分布。將測得的棉稈長度等數(shù)據(jù)代入到SPSS軟件中，獲取數(shù)據(jù)的正態(tài)曲線直方圖，結(jié)果如圖9所示。

由于膜面上雜質(zhì)主要為棉稈，長度為L′，根據(jù)起膜輪的結(jié)構(gòu)特性及棉稈的尺寸參數(shù)，應(yīng)保證起膜裝置正常工作時(shí)膜面上雜質(zhì)均能通過起膜輪，其中起膜輪排除雜質(zhì)的區(qū)域是由起膜輪間距D和起膜輪輪刺高度h組成的矩形區(qū)域。已知起膜輪輪刺高度h=150 mm，棉稈L′最長為180 mm，起膜裝置工作時(shí)，膜面上的棉稈隨機(jī)經(jīng)過兩起膜輪間距。允許最長棉稈通過的的最小起膜輪間距為最長棉稈從起膜輪間距D和起膜輪輪刺高度h組成的矩形區(qū)域的對角線通過時(shí)的距離，允許最長棉稈通過的最大起膜輪間距為棉稈從起膜輪間距D通過時(shí)的間距，即滿足排出棉稈等雜質(zhì)的起膜輪間距D取值為

表1 單樣本柯爾莫戈洛夫-斯米諾夫檢驗(yàn)Tab.1 One-sample Kolmogorov-Sminov test

(9)

同時(shí)由圖9可以看出，試驗(yàn)獲取的膜面上棉稈長度主要集中在100～150 mm之間，棉稈長度多以125 mm為主，棉稈長度超過150 mm的較少。通過分析棉稈長度的分布并考慮新疆棉花種植模式和同撿拾裝置的配合，最終確定起膜輪間距范圍為100 mm≤D≤150 mm。同時(shí)由式(9)可知，該范圍內(nèi)長度介于150～180 mm的棉稈也能通過起膜輪間隙。

2.2.4起膜輪輪刺間距角確定

結(jié)合上文可知，起膜輪的輪刺間距角γ既影響起膜過程中經(jīng)起膜輪挑起的地膜脫落又影響地膜發(fā)生斷裂。如圖7所示，當(dāng)起膜輪入土挑膜時(shí)，由于起膜輪輪刺與土壤接觸形成工作阻力，當(dāng)起膜輪輪刺順時(shí)針轉(zhuǎn)動從貼入地表到入土深入到鉛垂位置時(shí)，該過程中起膜輪輪刺入土對土壤進(jìn)行擠壓，該動作有助于抵抗起膜輪的下沉，同時(shí)土壤的反作用力有助于起膜輪的轉(zhuǎn)動，當(dāng)起膜輪輪刺從鉛垂位置到離開地表時(shí)，起膜輪輪刺受到土壤的阻力，增加了裝置的能量消耗。因此為減小挑膜過程中起膜裝置的消耗，應(yīng)保證起膜輪輪刺間距角γ最小，且當(dāng)起膜輪輪刺進(jìn)入土壤在達(dá)到鉛垂位置時(shí)，其后方與其相鄰的釘齒應(yīng)開始進(jìn)入土壤，起膜輪輪刺間距角γ最大時(shí)應(yīng)保證起膜輪輪刺離開地表時(shí)，其后方與其相鄰的釘齒應(yīng)開始進(jìn)入土壤。通過對起膜輪挑膜作業(yè)的臨界狀態(tài)進(jìn)行分析，根據(jù)起膜輪各參數(shù)的關(guān)系確定滿足起膜輪膜土分離作業(yè)的起膜輪輪刺間距角γ為

(10)

根據(jù)起膜輪輪刺高度h及起膜輪挑膜入土深度L，確定起膜輪輪刺間距角γ的范圍為32°～64°。結(jié)合2.2.1節(jié)，相鄰另一輪刺最大輪刺間距角應(yīng)滿足

(11)

聯(lián)立式(7)、(8)、(11)，計(jì)算得γmax=89°，即相鄰輪刺間距角最大不超過89°。結(jié)合上文對起膜作業(yè)過程中整個(gè)幅寬地膜的受力分析，根據(jù)式(6)在其他因素?cái)?shù)值確定的情況下，為保證地膜自身縱向拉斷力大于挑膜過程中地膜所受最大拉力，起膜輪間距角γ取值范圍為46°～83°，結(jié)合式(10)，起膜輪間距角γ的取值范圍為46°～64°，本文取γ=60°，并根據(jù)確定的起膜輪間距角可以確定單個(gè)起膜輪輪盤上焊接的起膜輪輪刺個(gè)數(shù)為

(12)

根據(jù)上文確定的起膜輪間距角γ，確定與之對應(yīng)的輪刺個(gè)數(shù)K=6。

2.3 撿拾過程分析及參數(shù)確定

為分析起膜裝置進(jìn)行膜土分離作業(yè)后，分離后的地膜掛接在撿拾釘齒時(shí)起膜輪和撿拾釘齒的運(yùn)動規(guī)律，對地膜由膜土分離到拾膜輸送過程進(jìn)行運(yùn)動學(xué)分析，確定起膜輪和撿拾鏈條合理的工作參數(shù)。該過程中，撿拾釘齒同起膜輪跟隨整機(jī)運(yùn)動，撿拾釘齒拾膜軌跡同起膜輪起膜軌跡產(chǎn)生軌跡交匯區(qū)域。地膜被起膜輪挑起后，跟隨起膜輪轉(zhuǎn)動，在交匯處掛接到撿拾釘齒上，為確保地膜能順利掛接到撿拾釘齒上，應(yīng)保證撿拾釘齒及起膜輪輪刺均處于交匯處。因此起膜輪轉(zhuǎn)速和撿拾釘齒的轉(zhuǎn)速直接決定地膜撿拾的效果。以撿拾滾筒圓心位置為原點(diǎn)，以與機(jī)具行進(jìn)方向相反的方向作為x軸，以豎直方向?yàn)閥軸，建立xOy直角坐標(biāo)系。地膜由膜土分離到輸送過程的運(yùn)動軌跡分析如圖10所示。圖中M、N兩點(diǎn)為撿拾釘齒拾膜處同起膜輪進(jìn)行膜土分離時(shí)運(yùn)動軌跡的交點(diǎn)，圖10中陰影部分為起膜輪挑膜掛接到撿拾釘齒的過渡區(qū)域。

試驗(yàn)確定在xOy直角坐標(biāo)系中，兩撿拾釘齒之間的角度γ′=30°，撿拾滾筒y軸方向到點(diǎn)M的角度為60°，到點(diǎn)N的角度為80°，撿拾釘齒由點(diǎn)M到點(diǎn)N的弧長S=105 mm。工作時(shí)，起膜裝置挑起地表的地膜經(jīng)過點(diǎn)M、N組成工作區(qū)域?qū)⒌啬旖釉趽焓把b置上輸送至其他裝置。通過對圖10中撿拾的地膜經(jīng)過起膜裝置與撿拾裝置的運(yùn)動軌跡分析可得，為保證機(jī)具行進(jìn)殘膜回收作業(yè)時(shí)，起膜輪挑起的地膜均能被撿拾釘齒掛接，則應(yīng)使起膜輪經(jīng)過點(diǎn)M、N組成工作區(qū)域所用的時(shí)間內(nèi)，撿拾釘齒均能在該工作區(qū)域內(nèi)，即保證挑起的地膜順利掛接到撿拾釘齒的條件為

(13)

Lx≤R2sin(ω2t)≤La

(14)

Lb≤R2cos(ω2t)≤Ly

(15)

其中

式中Lx——點(diǎn)M水平位移，mm

Ly——點(diǎn)M豎直位移，mm

La——點(diǎn)N水平位移，mm

Lb——點(diǎn)N豎直位移，mm

R2——撿拾釘齒拾膜轉(zhuǎn)動半徑，mm

ω2——撿拾滾筒角速度，rad/s

v′——撿拾釘齒拾膜處線速度，m/s

t——起膜輪經(jīng)過點(diǎn)M、N組成工作區(qū)域所用的時(shí)間，s

為確定合適的起膜輪轉(zhuǎn)速，本文根據(jù)選取拖拉機(jī)不同行進(jìn)速度(等于撿拾釘齒速度，取0.9～1.5 m/s)和式(13)～(15)，通過獲取不同速度下?lián)焓搬旪X通過過渡區(qū)域的時(shí)間t，確定起膜輪轉(zhuǎn)速n1的取值范圍。并根據(jù)田間試驗(yàn)情況，最終選取起膜輪對應(yīng)的轉(zhuǎn)速為16～36 r/min。

3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.1 試驗(yàn)條件和方法

為檢驗(yàn)隨動式殘膜回收機(jī)起膜撿拾機(jī)構(gòu)的田間性能，2019年10月底，在新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)石河子市145團(tuán)7連進(jìn)行起膜撿拾機(jī)構(gòu)試驗(yàn)。殘膜回收機(jī)作業(yè)時(shí)由迪爾904輪式拖拉機(jī)牽引工作，試驗(yàn)田棉花種植模式采用660 mm+100 mm，所鋪地膜采用厚度為0.01 mm的耐候性地膜，覆膜幅寬為2 050 mm，地膜滯留田間時(shí)間約為180 d，打稈機(jī)作業(yè)后膜面上有少量棉鈴殼、棉葉和土壤覆蓋。本文按照GB/T 25412—2010規(guī)定對隨動式殘膜回收機(jī)起膜撿拾裝置進(jìn)行田間試驗(yàn)，隨機(jī)選取試驗(yàn)田鋪膜種植區(qū)域作為試驗(yàn)區(qū)域，選取1個(gè)膜幅進(jìn)行試驗(yàn)，每個(gè)測試區(qū)域長20 m，相鄰測試區(qū)域間隔10 m。

3.2 試驗(yàn)因素與評價(jià)指標(biāo)

根據(jù)機(jī)具田間的實(shí)際工作情況，通過對隨動式殘膜回收機(jī)起膜撿拾機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)及工作機(jī)理分析，確定影響該機(jī)構(gòu)工作性能的主要因素為起膜輪間距、起膜輪轉(zhuǎn)速及拖拉機(jī)牽引機(jī)具的行進(jìn)速度；起膜輸送過程中，該機(jī)構(gòu)的田間工作性能指標(biāo)為地膜的起膜率η1和起膜輪的排雜率η2。

3.3 試驗(yàn)方案

各因素對試驗(yàn)效果有影響且呈非線性，采用響應(yīng)曲面法構(gòu)建模型。本文針對隨動式殘膜回收機(jī)具，根據(jù)機(jī)具在田間的作業(yè)情況，采用三因素三水平正交方法進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)，試驗(yàn)因素編碼如表2所示。

表2 試驗(yàn)因素編碼Tab.2 Coding of test factor

依據(jù)機(jī)具起膜撿拾機(jī)構(gòu)的田間作業(yè)要求與效果，將起膜率η1、排雜率η2作為響應(yīng)值，對起起膜輪轉(zhuǎn)速A、拖拉機(jī)牽引機(jī)具行進(jìn)速度B及起膜輪間距C進(jìn)行試驗(yàn)研究。試驗(yàn)田隨機(jī)選取20 m長的試驗(yàn)區(qū)。試驗(yàn)期間由人工將試驗(yàn)區(qū)內(nèi)未回收的地膜進(jìn)行回收編號，并對回收的地膜進(jìn)行清洗、晾干與稱量。作業(yè)后單個(gè)測試區(qū)殘留地膜的質(zhì)量為m1，機(jī)具作業(yè)前單個(gè)測試區(qū)地膜的質(zhì)量為m2，作業(yè)后起膜裝置起膜處膜上剩余雜質(zhì)的質(zhì)量為m3，機(jī)具作業(yè)前單個(gè)測試區(qū)膜面上雜質(zhì)的質(zhì)量為m4。

4 試驗(yàn)結(jié)果與參數(shù)優(yōu)化

針對隨動式殘膜回收機(jī)的作業(yè)要求，根據(jù)起膜撿拾機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)與工作參數(shù)，將起膜率η1、排雜率η2作為響應(yīng)值，對起膜輪轉(zhuǎn)速A、機(jī)具行進(jìn)速度B及起膜輪間距C進(jìn)行試驗(yàn)研究，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果Tab.3 Experimental design and results

4.1 模型建立與顯著性檢驗(yàn)

應(yīng)用Design-Expert 8.0.5軟件對表中數(shù)據(jù)進(jìn)行多元線性回歸擬合及方差分析，結(jié)果如表4所示，并建立起膜率η1和排雜率η2對起膜輪轉(zhuǎn)速、機(jī)具行進(jìn)速度、起膜輪間距的二次多項(xiàng)式響應(yīng)回歸模型。對起膜率η1的數(shù)據(jù)分析可知，在P<0.05水平上A、B、C、AB、AC、A2、C2的系數(shù)顯著，其余不顯著。該模型P<0.000 1，說明以起膜率η1作為響應(yīng)函數(shù)的回歸模型具有高度的顯著性，失擬項(xiàng)P=0.401 3，失擬不顯著，回歸模型方程具有高度的擬合性，回歸方程為

η1=91.43+0.99A+0.5B+0.37C-0.71AB- 0.97AC-2.92A2-1.06C2

(16)

對排雜率η2的數(shù)據(jù)分析可知，在P<0.05水平上A、B、C、AB、A2、B2的系數(shù)顯著，其余不顯著。該模型P<0.000 1，說明以排雜率η2作為響應(yīng)函數(shù)的回歸模型顯著性，失擬項(xiàng)P=0.392 3，失擬不顯著，回歸模型方程具有高度的擬合性，回歸方程為

表4 試驗(yàn)結(jié)果分析Tab.4 Analysis of experiment results

η2=7.03+0.64A+0.35B+0.34C+1.03AB+ 4.08A2+0.77B2

(17)

4.2 試驗(yàn)因素對機(jī)構(gòu)起膜率的影響

利用Box-Behnken Design進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析并生成3D響應(yīng)曲面圖，通過分析各項(xiàng)系數(shù)大小確定各因素對機(jī)具起膜率η1的影響，得出各因素對機(jī)具起膜率η1的影響重要性依次為起膜輪轉(zhuǎn)速A、機(jī)具行進(jìn)速度B、起膜輪間距C，其中起膜輪轉(zhuǎn)速對機(jī)具起膜率η1的影響最明顯。為更直觀判斷各因素對機(jī)具起膜率η1的影響趨勢，通過固定一個(gè)試驗(yàn)因素處于零水平，研究其余2個(gè)因素間的交互效應(yīng)，由表4和式(16)可以看出，BC和B2的P值大于0.05，對機(jī)具起膜率不具有顯著性影響，A、B、C、AB的P值小于0.05，對起膜率有顯著性影響。圖11為各顯著性影響參數(shù)對機(jī)具起膜率的響應(yīng)曲面。

由圖11a可以看出，當(dāng)起膜輪轉(zhuǎn)速穩(wěn)定不變時(shí)，隨著起膜輪間距的增加，機(jī)具的起膜率η1呈先增大后減小的趨勢，當(dāng)起膜輪間距為130～150 mm時(shí)，機(jī)具起膜率η1達(dá)到最大值；當(dāng)起膜輪間距固定不變時(shí)，隨著起膜輪轉(zhuǎn)速的增加，機(jī)具的起膜率η1先增大后減小，當(dāng)起膜輪轉(zhuǎn)速為25～30 r/min時(shí)，機(jī)具起膜率η1達(dá)到最大值，其原因是當(dāng)機(jī)具行進(jìn)速度位于0水平時(shí)，自身速度不發(fā)生變化，而撿拾鏈條的速度等于機(jī)具的行進(jìn)速度，因此起膜輪挑膜過程中，起膜輪轉(zhuǎn)速增大，與撿拾鏈條的速度差逐漸減小，起膜效果明顯，但是進(jìn)一步加大，起膜輪轉(zhuǎn)速過快，產(chǎn)生纏膜現(xiàn)象。由圖11b可以看出，隨著起膜輪轉(zhuǎn)速的增加，機(jī)具起膜率先增加后減小；當(dāng)起膜輪轉(zhuǎn)速穩(wěn)定不變時(shí)，隨著機(jī)具行進(jìn)速度的不斷加快，機(jī)具起膜率逐漸增大，但機(jī)具起膜率增加的幅度逐漸降低，趨勢不明顯。

4.3 試驗(yàn)因素對機(jī)構(gòu)排雜率的影響

由表4可知，起膜輪轉(zhuǎn)速A、機(jī)具行進(jìn)速度B、起膜輪間距C對機(jī)構(gòu)排雜率的影響顯著性由大到小依次為A、B、C。根據(jù)表中各項(xiàng)P值，僅起膜輪轉(zhuǎn)速A和機(jī)具行進(jìn)速度B的交互作用對機(jī)構(gòu)的排雜率有顯著影響，試驗(yàn)中起膜輪轉(zhuǎn)速A、機(jī)具行進(jìn)速度B對排雜率影響響應(yīng)曲面如圖12所示。當(dāng)起膜輪間距固定在零水平時(shí)，起膜輪轉(zhuǎn)速固定不變，起膜撿拾機(jī)構(gòu)的排雜率隨著機(jī)具行進(jìn)速度的逐漸增大呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，當(dāng)機(jī)具行進(jìn)速度穩(wěn)定不變時(shí)，隨著起膜輪轉(zhuǎn)速的增大，排雜率先減小后增大，但響應(yīng)曲面沿起膜輪轉(zhuǎn)速A的變化比沿機(jī)具行進(jìn)速度B的變化快，說明起膜輪轉(zhuǎn)速A對機(jī)構(gòu)排雜率的影響更顯著。

4.4 參數(shù)優(yōu)化與田間試驗(yàn)

起膜撿拾工序是殘膜回收作業(yè)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，起膜率是反映起膜效果最重要的指標(biāo)，在試驗(yàn)范圍內(nèi)要求其值越大越好，排雜率則反映機(jī)構(gòu)的工作性能優(yōu)劣，應(yīng)用Design-Expert 8.0.5的尋優(yōu)功能對起膜撿拾機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，得到最優(yōu)參數(shù)組合為：起膜輪轉(zhuǎn)速26.2 r/min、機(jī)具行進(jìn)速度1.23 m/s、起膜輪間距139.95 mm，此時(shí)起膜率為91.49%，排雜率為92.92%。

為驗(yàn)證參數(shù)優(yōu)化結(jié)果的可靠性，本文采用起膜撿拾機(jī)構(gòu)參數(shù)最優(yōu)組合在田間進(jìn)行3次重復(fù)試驗(yàn)，如圖13所示，棉田為經(jīng)棉花打稈機(jī)打稈作業(yè)后的作業(yè)田，試驗(yàn)結(jié)果取平均值。試驗(yàn)測得機(jī)構(gòu)起膜率均值為90.45%，排雜率均值為91.30%，比理論預(yù)測值分別降低1.04、1.62個(gè)百分點(diǎn)。試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果表明，回歸模型具有較好的可靠性。

5 結(jié)論

(1)針對隨動式殘膜回收機(jī)在起膜撿拾過程中雜質(zhì)壅堵的問題，設(shè)計(jì)了一種起膜撿拾機(jī)構(gòu)，通過對起膜撿拾機(jī)構(gòu)的起膜、拾膜過程進(jìn)行分析，確定了影響起膜撿拾機(jī)構(gòu)作業(yè)質(zhì)量的影響因素及評價(jià)指標(biāo)。

(2)建立以起膜率、排雜率為響應(yīng)指標(biāo)的三元二次回歸模型，通過對模型進(jìn)行響應(yīng)曲面分析，得出試驗(yàn)范圍內(nèi)機(jī)具行進(jìn)速度、起膜輪轉(zhuǎn)速、起膜輪間距對機(jī)構(gòu)起膜效果的影響。各因素對起膜率和排雜率的影響順序由大到小均為:起膜輪轉(zhuǎn)速、機(jī)具行進(jìn)速度、起膜輪間距。

(3)根據(jù)正交試驗(yàn)組合設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案進(jìn)行樣機(jī)的田間試驗(yàn)，并對結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，得到其最優(yōu)作業(yè)參數(shù)組合為：起膜輪轉(zhuǎn)速為26.2 r/min、機(jī)具行進(jìn)速度為1.23 m/s、起膜輪間距為139.95 mm，此時(shí)起膜率理論值為91.49%，排雜率理論值為92.92%。

(4)根據(jù)獲取的優(yōu)化數(shù)據(jù)進(jìn)行機(jī)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)，并進(jìn)行田間試驗(yàn)驗(yàn)證。起膜撿拾機(jī)構(gòu)在參數(shù)最優(yōu)組合下測得機(jī)構(gòu)起膜率均值為90.45%，排雜率均值為91.30%，比理論預(yù)測值分別降低1.04、1.62個(gè)百分點(diǎn)。試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果良好，滿足回收作業(yè)要求。