棉稈粉碎及地膜隨動集條機設(shè)計與試驗

謝建華，洪 佳，曹肆林，張 毅，趙昱宇，張雁鴻，郭俊先

（1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，烏魯木齊 830052；2.新疆智能農(nóng)業(yè)裝備重點實驗室，烏魯木齊 830052）

0 引 言

覆膜栽培技術(shù)給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來巨大經(jīng)濟效益的同時，滯留在農(nóng)田的殘膜也帶來了各種問題。農(nóng)作物收獲之后，地膜不及時處理會造成田間污染，影響來年耕地作業(yè)及播種，造成土壤滲透性差，水分肥料不流通，影響農(nóng)作物生長，導(dǎo)致作物減產(chǎn)等。新疆棉花絕大多數(shù)采用覆膜種植，由于氣候干旱少雨，地膜易與土壤粘結(jié)，加之邊膜埋于板結(jié)土壤下，撿拾難度大，導(dǎo)致殘膜回收率較低。

為解決棉田殘膜污染問題，減少多次作業(yè)機具對土壤的壓實，研究人員做了大量研究，并取得了良好的應(yīng)用效果。田辛亮等設(shè)計的4JSM-2000A型秸稈粉碎及摟膜聯(lián)合作業(yè)機，利用Y型甩刀進行秸稈粉碎，同時采用摟膜彈齒回收殘膜，該機結(jié)構(gòu)簡單，提高了殘膜回收的撿拾率，但回收殘膜過程中，粉碎的棉稈、莖葉一起被收集，雜質(zhì)與殘膜相互纏繞，殘膜含雜率高且不易分離。于云海等設(shè)計的秸稈粉碎與殘膜集條聯(lián)合作業(yè)機采用橫軸L型錘片式裝置粉碎秸稈并拋送至橫向交錯排列的地膜集條裝置后部，實現(xiàn)秸稈粉碎和地膜集條，可以有效減少回收地膜中棉稈、碎土塊等雜質(zhì)的含量，但集條彈齒直接作用于地面，不能有效回收板結(jié)土壤下的邊膜。胡凱等研制的秸稈粉碎還田與殘膜回收聯(lián)合作業(yè)機利用甩刀粉碎棉稈并拋送至秸稈輸送裝置上，再運送至機具后部，機具后部安裝起膜齒起出地膜，并用鏈齒耙撿拾地膜，回收的地表膜含雜率低，但該機具結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，且無法有效回收邊膜。為解決邊膜回收難、回收殘膜含雜率高等問題，本文結(jié)合新疆一膜六行機采棉種植模式，根據(jù)市場需求，提出先秸稈粉碎、地膜集條，再撿拾地膜、除雜打包的分段式作業(yè)方式，設(shè)計了一種棉稈粉碎及地膜隨動集條機，以提高殘膜回收率，降低回收殘膜含雜率。

1 整機結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機結(jié)構(gòu)

棉稈粉碎及地膜隨動集條機結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由牽引架、限深輪、帶傳動系統(tǒng)、秸稈粉碎裝置、地膜隨動集條裝置、行走輪、秸稈輸送裝置、鏈傳動系統(tǒng)和螺旋輸送器等組成。

圖1 棉稈粉碎及地膜隨動集條機結(jié)構(gòu)示意圖 Fig.1 Structure diagram of cotton stalk chopping and plastic film master-slave strip collector

1.2 工作原理

機具工作時，由拖拉機牽引作業(yè)，動力經(jīng)拖拉機后輸出軸傳遞給秸稈粉碎裝置，秸稈粉碎裝置打碎棉秸稈，粉碎的棉秸稈被拋送至秸稈輸送裝置上，帶有均勻分布固定板的秸稈輸送裝置將其運輸至機具后部，經(jīng)螺旋輸送器向機具兩側(cè)輸送，通過下落口落至棉田種植交接行內(nèi)，以減少膜面秸稈含量。秸稈粉碎同時，由液壓油缸控制的集條指盤與地面接觸，產(chǎn)生的摩擦力使之進行回轉(zhuǎn)運動，兩側(cè)伸入板結(jié)土壤的指盤將邊膜扒出，與地表膜一起向中間集攏，實現(xiàn)地膜的集條，方便后續(xù)撿拾打包作業(yè)。

棉稈粉碎及地膜隨動集條機的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 棉稈粉碎及地膜隨動集條機主要參數(shù) Table 1 Main parameters of cotton stalk chopping and plastic film master-slave strip collector

2 關(guān)鍵部件設(shè)計

2.1 秸稈粉碎裝置

現(xiàn)有的秸稈粉碎刀具主要有直刀型、錘爪型和Y型等。直刀型粉碎甩刀一般適用于韌性大、質(zhì)地較軟的麥秸稈粉碎，且最好采用有支撐的粉碎；錘爪型粉碎甩刀表面積和質(zhì)量相對較大，高速旋轉(zhuǎn)工作過程中會產(chǎn)生較大的慣性力，粉碎棉稈效果好，但產(chǎn)生的功耗較大；Y型粉碎甩刀體積與質(zhì)量相對較小，功耗低，粉碎效果好，在形狀上幾何對稱，在工作時能很好地滿足機具動平衡要求，故本文選取Y型粉碎甩刀粉碎秸稈，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。Y型粉碎甩刀長度過小會使留茬高度增高，不方便后續(xù)的集條作業(yè)及撿拾打包機下地作業(yè)，甩刀長度過長會增加機具的功耗，且有可能離地較近直接接觸地面，對刀片造成損害，根據(jù)本機具作業(yè)要求，確定Y型粉碎甩刀設(shè)計長度為160 mm。為保證Y型粉碎甩刀的強度，甩刀的厚度一般為5～10 mm，厚度過小，刀片受到?jīng)_擊容易斷裂；厚度過大，切碎秸稈阻力增大，機具功耗增加，本文設(shè)計甩刀厚度為6 mm。Y型粉碎甩刀寬度過小，秸稈粉碎率低，漏切現(xiàn)象增加，寬度過大，各刀片阻力增大，且刀片末端離中心線太遠，刀片容易彎折，Y型粉碎甩刀寬度在65～75 mm之間，本文確定甩刀寬度定為70 mm。Y型粉碎甩刀開口角度過大使切割阻力增大且粉碎效果差，開口角度過小會造成甩刀受力增大，造成漏切，一般在90°～150°，本文取Y型粉碎甩刀開口角為120°。甩刀材料選用65 Mn鋼，為增加耐磨性，甩刀刃口表面噴焊NiWC合金粉末涂層。

圖2 Y型甩刀 Fig.2 Y-type flailing blade

合理的粉碎甩刀排布對機具作業(yè)效果影響明顯，粉碎甩刀數(shù)量過少會造成漏切，數(shù)量過多則會增加機具功耗，而且不利于粉碎秸稈拋送，粉碎甩刀的數(shù)量一般由式（1）確定。

式中為甩刀的數(shù)量；為甩刀的排布密度，片/m；為機具的作業(yè)幅寬，m。

粉碎甩刀通過鉸接的方式與粉碎刀軸連接，甩刀的排布密度一般為23～40片/m，本文設(shè)計粉碎刀輥的回轉(zhuǎn)直徑為200 mm，根據(jù)本機具2.3 m的作業(yè)幅寬要求，甩刀采用交錯平衡排列方式，最終確定粉碎甩刀為90片，分為45組，粉碎刀具安裝排列如圖3所示。

圖3 秸稈粉碎刀具排列示意圖 Fig.3 Schematic diagram of stalk flailing blade arrangement

如圖4所示，在粉碎刀輥軸心建立坐標系，甩刀端點運動軌跡上任一點坐標為（，），建立動刀的運動軌跡方程為

圖4 粉碎甩刀運動分析 Fig.4 Motion analysis of flailing blade

對式（2）進行求導(dǎo)得到甩刀的速度方程為

則Y型粉碎甩刀絕對速度v與時間的運動方程為

式中v為甩刀在軸方向的分速度，m/s；v為甩刀在軸方向的分速度，m/s；v為甩刀的合速度，m/s。

棉稈木質(zhì)素含量高，質(zhì)地較堅硬，根據(jù)農(nóng)業(yè)機械設(shè)計手冊，動刀刀端線速度大于48 m/s時，秸稈粉碎效果較好。當=2π+π/2（∈）時，即粉碎刀具速度方向與機具前進速度方向相反時，v有最小值(+)-，取機具前進速度最小為1 m/s，將數(shù)據(jù)代入式（4）得粉碎甩刀轉(zhuǎn)速最小值為1 800 r/min。

2.2 地膜隨動集條裝置

如圖5所示，地膜隨動集條裝置主要由安裝架、指盤、固定套筒和旋轉(zhuǎn)臂組成，指盤裝置通過旋轉(zhuǎn)臂和固定套筒與機架連接。機具工作時，地膜隨動集條裝置通過與地面的摩擦力帶動指盤產(chǎn)生自轉(zhuǎn)，與機具前進速度形成的合速度使地膜向膜幅中間運動，達到殘膜集條效果。根據(jù)新疆一膜六行種植模式（660 mm+100 mm），6個指盤在集條裝置安裝架兩側(cè)對稱布置，將邊膜與左右兩行的地表膜向內(nèi)集條；中間2個指盤裝置將中間行秸稈根部的地膜向外集條。指盤安裝平面與機具前進速度方向夾角過大，機具前進阻力增大，功耗增加，過小，指盤數(shù)量多，結(jié)合經(jīng)濟性及安裝要求，確定指盤安裝平面與機具前進速度方向夾角為30°。

圖5 地膜隨動集條裝置 Fig.5 Plastic film master-slave strip collection device

指盤裝置運動軌跡如圖6所示，3個指盤Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ上、和彈齒的絕對運動軌跡分別為、和曲線，3個指盤上所有彈齒的軌跡形成3個曲面。指盤Ⅰ上的所有彈齒從開始摟集地膜，地膜跟隨指盤Ⅰ以一定速度向機具中部移動，到結(jié)束摟集工作。同理指盤Ⅱ上的彈齒開始摟集工作，到結(jié)束。為了不在摟集殘膜的過程中產(chǎn)生漏集，指盤Ⅰ上的彈齒離開土壤退出工作后，指盤Ⅱ上的彈齒需要立刻摟集地膜，則需要求和重合，和重合。指盤Ⅰ上的彈齒將地膜橫向扒取距離后，指盤Ⅱ、Ⅲ繼續(xù)橫向摟集地膜。

根據(jù)圖6有：

式中為單側(cè)連續(xù)摟集的指盤個數(shù)；為兩指盤安裝間距，mm。

圖6 指盤裝置集膜軌跡示意圖 Fig.6 Diagram of the film collection trajectory of the finger plate device

如圖7所示，指盤工作過程中，彈齒末端位置點入土?xí)r，與之相鄰的彈齒末端處于點位置。設(shè)指盤在圓周上均勻分布的彈齒個數(shù)為，則相鄰彈齒末端之間的夾角為=2π/。為保證指盤裝置不漏集殘膜，前一個工作彈齒離開土壤瞬間，相鄰彈齒開始接觸土壤，即工作彈齒從點到達點的時間與彈齒入土工作時間相同。由幾何關(guān)系得彈齒從點到達點的水平位移x與垂直位移y為

圖7 指盤裝置運動分析 Fig.7 Motion analysis of finger plate device

由圖7可得：

按照指盤裝置最外端運動軌跡分析，彈齒末端點經(jīng)過時間后彈齒的水平位移x和豎直位移y為

將式（7）和式（8）帶入式（6）求得：

根據(jù)田間環(huán)境及機具作業(yè)要求，設(shè)定機具前進速度為3.6～7.2 km/h，彈齒末端入土深度為60 mm，指盤旋轉(zhuǎn)半徑為450 mm，通過分析彈齒運動軌跡，得指盤旋轉(zhuǎn)角速度為3.8～7.7 rad/s，代入式（9）～（10）得相鄰兩彈齒末端周向夾角為20°，則指盤周向彈齒數(shù)為18個。

2.3 秸稈輸送裝置

秸稈輸送裝置將粉碎的棉稈輸送至機具后方，粉碎的秸稈隨甩刀一起做圓周運動，到達一定位置后被拋到輸送裝置上，秸稈被拋至輸送裝置的運動過程分析如圖8所示。

圖8 秸稈運動分析圖 Fig.8 Motion analysis of stalk

假設(shè)秸稈在拋出的過程中只受重力作用（忽略空氣阻力作用），則運動過程中秸稈加速度為

對式（11）進行一次積分和二次積分得秸稈運動的速度方程式（12）和位移方程（13）：

式中為秸稈進行拋送運動的時間，s。

通過式（13）得出秸稈的運動軌跡方程為

根據(jù)文獻[22]，秸稈在跟隨粉碎刀具做旋轉(zhuǎn)運動時，罩殼斜上方區(qū)域氣流流速大，秸稈流動性較強，故設(shè)計在此處讓粉碎秸稈拋出，初步設(shè)定秸稈拋出角度為45°～65°。由于秸稈初速度大，粉碎的秸稈經(jīng)過斜拋運動至機具頂部，與機具頂部產(chǎn)生碰撞后下落至輸送裝置并向機具后部運輸。拋送通道的設(shè)計既不能干涉粉碎刀具的回轉(zhuǎn)運動，又要使粉碎秸稈順利拋出粉碎室。由于秸稈拋出軌跡方程為拋物線，拋物線各位置切線斜率為

從式（15）可計算出，秸稈在初始拋出位置點的斜率最大，由此確定拋送通道的傾斜角度為65°，機具設(shè)計高度為1 830 mm，機具工作時粉碎刀軸回轉(zhuǎn)中心離地高度為330 mm，故粉碎刀軸回轉(zhuǎn)中心離機具頂部距離為1 500 mm。為避免粉碎刀具作業(yè)時與拋送通道形成干涉，設(shè)計拋送通道左側(cè)最低點離粉碎刀軸回轉(zhuǎn)中心距離為200 mm。

秸稈輸送裝置如圖9所示，主要由傳送帶、固定板、螺栓、彎邊輸送鏈、鏈輪等組成。秸稈輸送過程中不發(fā)生擁堵、掉落，主要由輸送裝置的工作傾角及工作速度等關(guān)鍵因素決定。秸稈向上運送速度一定時，輸送裝置的傾角過大，輸送過程中棉稈易向下滑落，過小則會延長工作時間，增加成本。為保證棉稈不向下滑落，取傳送帶的摩擦系數(shù)為0.6，由式（16）可知，輸送裝置工作傾角需小于31°，參考文獻[24-25]，秸稈的休止角為17°～31°，最終確定秸稈輸送帶的輸送傾角為30°。為了防止堆積的棉稈沿傳送帶向下滾落，傳送帶上設(shè)有間隔固定板。固定板排列間距過大，傳送帶不能完全伸展開，會造成秸稈輸送能力降低，過小則固定板數(shù)量增加，造成材料浪費及降低機具工作效率，結(jié)合前期試驗，確定固定板的排列間距200 mm，固定板個數(shù)為16個。

圖9 秸稈輸送裝置示意圖 Fig.9 Structure diagram of stalk conveying device

式中為輸送帶水平長度，mm；為輸送帶垂直高度，mm。

為避免棉稈下落過程中落至拋送通道內(nèi)，要求拋送通道右側(cè)隔板最高點水平距離不能超過下落棉稈最小水平位移，由圖8可知，拋送的棉稈最小水平位移是初始拋送角度為65°時棉稈在水平方向的位移，代入式（13）得最小水平位移為660 mm，則通道右側(cè)隔板最高點水平距離為260 mm，得右側(cè)隔板總長為558 mm，考慮空氣阻力影響，取右側(cè)拋送通道隔板總長為560 mm。由圖8可知，秸稈在拋出角度為45°時，秸稈拋灑距離最遠，將數(shù)據(jù)代入式（13）得秸稈最大水平運動距離為1 600 mm，考慮空氣阻力影響，設(shè)計輸送帶水平長度為1 600 mm，垂直高度為920 mm。

2.4 螺旋輸送器

螺旋輸送器如圖10所示。螺旋輸送器的輸送量應(yīng)大于機具的最大喂入量，即

圖10 螺旋輸送器示意圖 Fig.10 Schematic diagram of worm conveyer

式中為輸送量，t/h；為螺旋葉片直徑，m；為填充因數(shù)，取0.3；為螺旋葉片螺距，m；為螺旋輸送器轉(zhuǎn)速，r/min；為物料堆積密度，取350 kg/m；為傾斜輸送修正系數(shù)，取1；為秸稈最大喂入量，t/h。

取10組寬2.05 m、長5 m膜幅上的秸稈稱質(zhì)量并求平均值，得到每米長度地膜上的秸稈質(zhì)量為0.9 kg，則螺旋輸送器的最大秸稈喂入量為

式中為機具作業(yè)速度最大值，km/h。

螺旋輸送器轉(zhuǎn)速為

結(jié)合整機結(jié)構(gòu)確定雙向螺旋輸送器的螺旋葉片直徑=0.3 m，螺旋葉片螺距0.16 m。機具作業(yè)速度按最大8 km/h計，代入式（19）可得螺旋輸送器的轉(zhuǎn)速≥100 r/min。

2.5 傳動系統(tǒng)

棉稈粉碎及地膜隨動集條機的傳動系統(tǒng)如圖11所示。機具作業(yè)時，拖拉機牽引棉稈粉碎及地膜隨動集條機前進，動力由拖拉機后輸出軸傳遞至變速箱，經(jīng)過變速箱減速后傳遞給皮帶傳動系統(tǒng)，皮帶傳動系統(tǒng)將動力傳輸至秸稈粉碎刀輥，刀輥旋轉(zhuǎn)過程中帶動甩刀運動完成秸稈粉碎過程，同時皮帶傳動系統(tǒng)將動力傳遞給鏈傳動系統(tǒng)，鏈傳動系統(tǒng)帶動彎邊輸送鏈從而帶動螺旋輸送器旋轉(zhuǎn)，彎邊輸送鏈旋轉(zhuǎn)過程中帶動秸稈輸送裝置進行運動，同時秸稈輸送裝置通過鏈傳動將動力傳遞給螺旋輸送器，螺旋輸送器將秸稈輸送裝置輸送的秸稈排出機外。液壓油管、液壓油缸等組成液壓傳動系統(tǒng)，拖拉機后輸出液壓裝置通過液壓油管將動力傳遞給液壓油缸，由液壓油缸的伸縮控制指盤的入土深度。

圖11 傳動系統(tǒng)示意圖 Fig.11 Schematic diagram of transmission system

拖拉機后輸出軸額定轉(zhuǎn)速為720 r/min，變速箱傳動比為1∶1，變速箱輸出軸與秸稈粉碎裝置帶傳動比為1∶3，變速箱輸出軸與秸稈輸送裝置前軸傳動比為4∶1，秸稈輸送裝置后軸與螺旋輸送器鏈傳動比為3∶2，則秸稈粉碎裝置額定轉(zhuǎn)速為2 160 r/min，秸稈輸送裝置額定轉(zhuǎn)速為180 r/min，螺旋輸送器額定轉(zhuǎn)速為120 r/min。

3 田間試驗

3.1 試驗條件

為驗證棉稈粉碎及地膜隨動集條機的作業(yè)性能、確定機具最優(yōu)工作參數(shù)，于2021年10月在石河子市石河子大學(xué)教學(xué)試驗場（長620 m×寬280 m）進行田間試驗。選用約翰迪爾1204拖拉機牽引棉稈粉碎及地膜隨動集條機進行作業(yè)，試驗設(shè)備有精度0.001 g的電子天平、托普云土壤濕度儀、托普云土壤緊實度儀等。試驗地鋪膜厚度為0.010 mm，寬窄行（660 mm+100 mm）種植模式，測得試驗地平均土壤緊實度為4 582 kPa，平均土壤含水率為15.4%。田間試驗如圖12所示。

圖12 田間試驗 Fig.12 Field experiment

3.2 試驗因素

根據(jù)前期預(yù)試驗，結(jié)合棉稈粉碎及地膜隨動集條機工作原理，選取影響作業(yè)效果的3個主要工作參數(shù)機具前進速度、秸稈粉碎刀軸中心離地高度和集條指盤入土深度作為試驗因素。

試驗過程中使用1204拖拉機牽引機具作業(yè)，駕駛?cè)藛T通過調(diào)節(jié)拖拉機檔位控制機具前進速度，根據(jù)前期預(yù)試驗及田間環(huán)境，試驗選取機具前進速度分別為3.6、5.4、7.2 km/h。

秸稈粉碎刀軸中心離地高度對留茬高度有直接影響，而留茬高度影響地膜隨動集條裝置指盤集條效果。甩刀工作過程中不宜離地過近，以免旋轉(zhuǎn)過程中造成氣流吹膜，且離地太近會對刀具造成損害，取秸稈粉碎刀軸中心離地高度下限值為300 mm（秸稈留茬高度為40 mm），試驗選取秸稈粉碎刀軸中心離地高度分別為300、330和360 mm。

棉稈粉碎及地膜隨動集條機的集條指盤入土深度通過控制機具后端液壓油缸的升降來實現(xiàn)，集條指盤入土越深，指盤發(fā)生變形越大，機具前進阻力也越大，集條指盤入土太淺，則集條指盤不能很好的側(cè)向扒取地膜，結(jié)合前期預(yù)試驗，選取集條指盤入土深度分別為30、60和90 mm。

試驗因素水平見表2。

表2 試驗因素和水平 Table 2 Test factors and levels

3.3 試驗指標

試驗參考GB/T 25412－2010《殘地膜回收機》與GB/T 24675.6－2009《保護性耕作機械 秸稈粉碎還田機》，對棉稈粉碎及地膜隨動集條機進行田間性能檢測試驗。結(jié)合樣機工作原理確定地膜集條率、秸稈粉碎長度合格率和殘膜含雜率作為試驗指標。機具在相同膜幅或鄰近膜幅進行作業(yè)，每組試驗重復(fù)3次，結(jié)果取平均值，每個測試區(qū)域（長30 m×寬2.05 m）的地膜集條率、秸稈粉碎長度合格率和殘膜含雜率計算如下：

式中為當年鋪設(shè)地膜質(zhì)量，g；為集條之后地膜總質(zhì)量，g；為長度不合格秸稈質(zhì)量，g；為測試區(qū)域內(nèi)粉碎棉稈的總質(zhì)量，g；為集條之后膜雜總質(zhì)量，g；為集條區(qū)域的雜質(zhì)（碎莖葉及落地棉）的質(zhì)量，g。

3.4 試驗方案及結(jié)果

采用三因素三水平二次回歸響應(yīng)面試驗，在測試區(qū)域內(nèi)分為17組試驗，每次試驗機具工作距離大于30 m，每組試驗結(jié)束后收取測試區(qū)域內(nèi)所有集條的殘膜、雜質(zhì)和粉碎長度大于200 mm的棉稈并裝袋。收集的地膜經(jīng)清洗、晾曬后秤量，收集的棉稈和雜質(zhì)直接稱量并記錄。根據(jù)式（20）計算地膜集條率、秸稈粉碎長度合格率和殘膜含雜率，結(jié)果見表3。

表3 試驗方案及結(jié)果 Table 3 Test plan and result

4 結(jié)果及分析

4.1 回歸模型與檢驗

利用Design-Expert軟件對試驗結(jié)果進行方差分析，結(jié)果如表4所示。

表4 回歸模型方差分析 Table 4 Regression model analysis of variance

地膜集條率、秸稈粉碎長度合格率和殘膜含雜率的回歸模型值均小于0.000 1，說明模型極其顯著。通過對試驗結(jié)果進行回歸分析，得到機具前進速度、集條指盤入土深度和秸稈粉碎刀軸中心離地高度對地膜集條率、秸稈粉碎長度合格率影響和殘膜含雜率的回歸方程分別為

4.2 交互因素對試驗指標的影響

運用Design-Expert軟件導(dǎo)出各交互因素對地膜集條率、秸稈粉碎長度合格率和殘膜含雜率響應(yīng)面圖，如圖13所示。

由圖13a可看出，當秸稈粉碎刀軸中心離地高度處于中間水平（330 mm）時，集條指盤入土深度固定在低水平（30 mm）時，機具前進速度增加時，地膜集條率增加，但當機具前進速度繼續(xù)增加時，集條率逐漸降低，這是由于當機具前進速度增加到一定程度后，指盤上彈齒的數(shù)量是一定的，單位時間內(nèi)指盤不能摟集全部殘膜，從而影響集條率。機具前進速度固定在高水平（7.2 km/h）時，地膜集條率隨集條指盤入土深度的增加先增加后減小，這主要是由于當集條指盤入土深度增加到一定程度后，指盤與地面接觸面積增加，受到的阻力變大，彈齒的變形增大，從而影響地膜集條率。

圖13 各因素對地膜集條率、秸稈粉碎長度合格率 和殘膜含雜率的交互影響 Fig.13 Interaction effects of factors on film stripe collection rate, stalk chopping length pass rate and residual film impurity rate

由圖13b可看出，當集條指盤入土深度在中間水平（60 mm）時，機具前進速度固定在低水平（3.6 km/h）時，秸稈粉碎長度合格率隨秸稈粉碎刀軸中心離地高度的增大而增加，這主要是由于當秸稈粉碎刀軸中心離地高度增大后，單位時間內(nèi)棉稈喂入量減少，粉碎刀具打碎的棉稈減少，粉碎刀具多次作用于棉稈，且棉稈根部較硬，離地面越遠的棉稈越容易粉碎。秸稈粉碎刀軸中心離地高度固定在高水平（360 mm）時，秸稈粉碎長度合格率隨機具前進速度的增大而減小，這是由于機具前進速度增加，單位時間內(nèi)棉稈喂入量增加，粉碎刀具數(shù)量與轉(zhuǎn)速是不變的，部分棉稈來不及粉碎就被拋出，秸稈粉碎長度合格率降低。

由圖13c可看出，當秸稈粉碎刀軸中心離地高度處于中間水平（330 mm）時，集條指盤入土深度固定在低水平（30 mm）時，機具前進速度增加時，殘膜含雜率降低，但當機具前進速度繼續(xù)增加時，殘膜含雜率逐漸升高，這是由于當機具前進速度增加到一定程度后，雜質(zhì)來不及排出，從而影響集條殘膜含雜率。機具前進速度固定在低水平（3.6 km/h）時，殘膜含雜率隨集條指盤入土深度的先減小后增大，這主要是由于集條指盤入土深度增加到一定程度后，彈齒的變形增大，有利于雜質(zhì)的排出，繼續(xù)增大入土深度導(dǎo)致壅土后不利于雜質(zhì)的排出。

4.3 參數(shù)優(yōu)化與驗證試驗

為了尋求棉稈粉碎及地膜隨動集條機最佳工作參數(shù)組合，提高集條作業(yè)性能，利用Design-Expert軟件對機具前進速度，秸稈粉碎刀軸中心離地高度，指盤入土深度進行尋優(yōu)，優(yōu)化模型為

優(yōu)化結(jié)果為：機具前進速度5.0 km/h，秸稈粉碎刀軸中心離地高度343.8 mm，指盤入土深度60.6 mm，此時地膜集條率為93.5%，秸稈粉碎長度合格率為98.1%，殘膜含雜率為19.3%。

為驗證優(yōu)化后的機具作業(yè)效果，在石河子市石河子大學(xué)教學(xué)試驗場進行田間驗證試驗，考慮試驗的可行性，將優(yōu)化數(shù)據(jù)進行圓整，即機具前進速度5 km/h，秸稈粉碎刀軸中心離地高度340 mm，指盤入土深度60 mm，試驗重復(fù)3次，依據(jù)式（20）計算地膜集條率、秸稈粉碎長度合格率和殘膜含雜率并取平均值，結(jié)果見表5。

表5 田間試驗結(jié)果 Table 5 Results of field test

由表5可得，當棉稈粉碎及地膜隨動集條機以機具前進速度5 km/h，秸稈粉碎刀軸中心離地高度340 mm，指盤入土深度60 mm作業(yè)時，地膜集條率為94.5%，秸稈粉碎長度合格率為96.5%，殘膜含雜率為20.2%，作業(yè)性能滿足要求。

5 結(jié) 論

1）針對現(xiàn)有殘膜回收機具回收邊膜難、撿拾的殘膜含雜率高及可靠性差等問題，設(shè)計了棉稈粉碎及地膜隨動集條機，介紹了其工作原理及關(guān)鍵組成機構(gòu)，通過對秸稈粉碎裝置、地膜隨動集條裝置、秸稈輸送裝置和傳動機構(gòu)等主要工作部件進行了分析，確定了其組成部分的主要設(shè)計參數(shù)。

2）制作了棉稈粉碎及地膜隨動集條機，以機具前進速度，秸稈粉碎刀軸中心離地高度，指盤入土深度為影響因素，以地膜集條率、秸稈粉碎長度合格率和殘膜含雜率為試驗指標進行田間試驗。試驗結(jié)果表明，機具前進速度對地膜集條率影響極顯著，指盤入土深度影響顯著，秸稈粉碎刀軸中心離地高度無顯著影響；機具前進速度和秸稈粉碎刀軸中心離地高度對秸稈粉碎長度合格率影響極顯著，指盤入土深度無顯著影響；機具前進速度和指盤入土深度對殘膜含雜率影響極顯著，秸稈粉碎刀軸中心離地高度影響顯著。

3）以地膜集條率、秸稈粉碎長度合格率和殘膜含雜率為指標，運用Design-Expert軟件優(yōu)化求解，確定了最佳工作參數(shù)為：機具前進速度為5 km/h，秸稈粉碎刀軸中心離地高度為340 mm，指盤入土深度為60 mm，以該工作參數(shù)進行田間試驗，得到地膜集條率為94.5%，秸稈粉碎長度合格率為96.5%，殘膜含雜率為20.2%。