彈齒鏈耙式殘膜回收機(jī)鏈耙裝置的設(shè)計與試驗

王?；?王 敏,盧勇濤,營雨琨,王吉亮,薛 理,秦朝民,何玉澤

(1.新疆農(nóng)墾科學(xué)院 機(jī)械裝備研究所,新疆 石河子 832000; 2.石河子大學(xué) 機(jī)械電氣工程學(xué)院,新疆 石河子 832000)

新疆是我國棉花主產(chǎn)省份之一,棉田覆膜率100%[1-2]。2020年,新疆農(nóng)田地膜總覆蓋面積為355.34×104hm2,地膜總使用量為23.85×104t,分別占我國農(nóng)田地膜總覆蓋面積的20.44%和農(nóng)田地膜總使用量的17.58%,居全國首位[3-4]。棉田土壤耕層中殘留的地膜會影響土壤物理性狀,使得土壤結(jié)塊,降低土壤透氣性,阻礙水肥運移,抑制作物根系生長,改變土壤氣孔連續(xù)性,減少土壤深層的水分含量,削弱農(nóng)田抗旱能力[5-6],地膜使用與農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境保護(hù)和農(nóng)業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展之間的矛盾日益突出。可降解地膜雖可在一定程度上緩解殘膜污染問題,但由于降解時間不確定、成本高昂等,尚無法全面推廣。當(dāng)下,殘膜回收機(jī)械的應(yīng)用依舊是解決殘膜污染問題的主要途徑[7-8]。

日本、美國,以及歐洲的一些國家為了防止殘膜污染,強(qiáng)制使用加厚耐候膜,使用標(biāo)準(zhǔn)分別為:日本,最薄厚度0.017 mm;美國,最薄厚度0.020 mm;歐洲,最薄厚度0.024 mm。高強(qiáng)度耐候地膜具有較強(qiáng)的延展性和拉伸強(qiáng)度,便于回收,一般以卷收為主[9-10]。我國使用的地膜厚度大多為0.01 mm,與國外使用的地膜差異較大,經(jīng)過一季覆膜和機(jī)具碾壓,達(dá)不到卷收的強(qiáng)度要求,因此,需結(jié)合自身情況治理殘膜污染[11]。

目前,新疆地區(qū)使用的殘膜回收機(jī)按收膜關(guān)鍵部件可分為齒鏈?zhǔn)?、滾筒式、彈齒式、耙齒式[12-13]。謝建華等[14]設(shè)計了一種齒鏈復(fù)合式殘膜回收機(jī),齒鏈?zhǔn)綋焓皺C(jī)構(gòu)和桿齒式拾膜機(jī)構(gòu)先后進(jìn)行二次拾膜,撿拾起來的殘膜經(jīng)刮板式卸膜機(jī)構(gòu)卸進(jìn)集膜箱,最后卸在地頭,拾膜率為87.2%,纏膜率為1.6%。趙巖等[15]設(shè)計了CMJY-1500型農(nóng)田殘膜撿拾打包聯(lián)合作業(yè)機(jī),齒釘輥將混有雜質(zhì)的殘膜物料拋起,撿拾機(jī)構(gòu)鉤住殘膜,向上輸送到打包箱內(nèi),再由液壓油缸壓縮和卸載,一次性可實現(xiàn)撿拾、壓縮和打包聯(lián)合作業(yè),地表殘膜撿拾率為92.8%。牛琪等[16]設(shè)計了一種集條殘膜打包機(jī)撿拾清理裝置,作業(yè)時耙齒與土壤和殘膜接觸,前、中、后3排摟膜耙齒間距不等且交錯排列,分別收集大小不同的殘膜碎片,機(jī)具作業(yè)至地頭進(jìn)行卸膜,利用清雜輥對殘膜進(jìn)行兩次膜雜分離,表層殘膜拾凈率為90.96%,含雜率為77.35%。施麗莉等[17]設(shè)計了一種耙齒式壟作花生殘膜回收機(jī),撿拾機(jī)構(gòu)與清雜輥快速旋轉(zhuǎn),完成殘膜的撿拾拋送和清雜處理,脫膜輥將撿拾彈齒上的殘膜脫下并拋送至打包箱中,壓縮后卸下,殘膜回收率為93%。

總結(jié)目前市面上已有的和還處于研究階段的殘膜回收裝置,發(fā)現(xiàn)主要存在以下問題:1)殘膜回收率不高,撿拾率易受到其他因素的影響;2)缺少清雜裝置,回收的殘膜含雜率較高,導(dǎo)致后續(xù)回收再利用成本增加;3)機(jī)具作業(yè)容錯率較低,收膜部件接觸到田間磚石等硬塊容易出現(xiàn)變形、殘膜纏繞旋轉(zhuǎn)部件等故障。為了解決上述問題,本文針對彈齒鏈耙式殘膜回收機(jī)的鏈耙裝置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計,旨在改善其收膜不徹底、卸膜不干凈等問題,提升機(jī)具作業(yè)水平。

1 棉花種植環(huán)境與殘膜的物料特性

1.1 棉花種植環(huán)境

棉花是喜光作物,適宜在陽光充沛的環(huán)境下生長。選擇抗枯耐黃、高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的品種,于棉花種植前翻耕施入底肥,用聯(lián)合播種機(jī)完成滴灌帶鋪設(shè)、覆膜、播種等工作。采用機(jī)采棉的種植模式,雙膜覆蓋播種,于幼苗出土之后進(jìn)行放苗和補(bǔ)苗,后期進(jìn)行水分管理和合理追肥,直至棉花成熟,適時收獲[18-19]。新疆棉花采用66 cm+10 cm的機(jī)采種植模式,通過播種、植保、收獲等作業(yè)機(jī)具的碾壓,使寬行膜面比窄行膜面低50～100 mm,膜面和膜邊是殘膜分布的主要區(qū)域[20]。棉田覆膜情況如圖1所示。

1,棉花植株;2,膜面;3,膜邊;a1,膜邊寬度,mm;a2,膜面寬度,mm;S1,寬行行距,mm;S2,窄行行距,mm。1, Cotton plant; 2, Membrane surface; 3, Membrane edge; a1, Width of the membrane edge, mm; a2, Width of membrane surface, mm; S1 ,Wide line spacing, mm; S2, Narrow line spacing, mm. 圖1 棉田覆膜示意圖Fig.1 Special drawing of film mulching in cotton field

1.2 殘膜物料特性

殘膜的力學(xué)性能是影響其回收的關(guān)鍵因素,但由于缺乏對殘膜力學(xué)性能的研究,目前大多數(shù)研究只能依靠經(jīng)驗數(shù)據(jù),忽略了不同地區(qū)光照強(qiáng)度和氣候條件對地膜的影響,易導(dǎo)致?lián)焓皺C(jī)構(gòu)對殘膜的作用力過大或過小,從而產(chǎn)生二次撕裂和漏撿的現(xiàn)象,致使撿拾效果不理想。為此,分別選取新疆地區(qū)覆膜60、120 d的聚乙烯吹塑農(nóng)用地面覆蓋薄膜開展力學(xué)測試,測試內(nèi)容主要包括縱向拉伸載荷和拉伸斷裂標(biāo)稱應(yīng)變。測試樣品均為使用過的薄膜,土褐色,表面有大量泥污,并且有破損,厚度為0.01 mm。測試結(jié)果(表1)表明,隨著覆膜時間延長,農(nóng)膜的縱向拉伸載荷和拉伸斷裂標(biāo)稱應(yīng)變均減小。

表1 力學(xué)性能測試結(jié)果

2 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

彈齒鏈耙式殘膜回收機(jī)的整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖2所示。將鏈耙架前高后低傾斜安裝在機(jī)架上。鏈耙架內(nèi)設(shè)有鏈耙裝置,包括鏈輪、鏈條、彈齒、彈齒軸,其中,鏈條連接上、下鏈輪,彈齒軸沿鏈條周側(cè)等距分布,彈齒安裝在彈齒軸上。鏈條帶動彈齒軸運動,使彈齒運動至最低點與地面接觸,完成收膜作業(yè)。彈齒撿起殘膜往上輸送,在與底板接觸之前,鏈耙裝置產(chǎn)生的抖動對殘膜進(jìn)行第一次除雜,彈齒與底板接觸之后,彈齒帶動殘膜向上運動進(jìn)行第二次清雜,雜質(zhì)沿著底板滑落。機(jī)架上設(shè)有換向擋板和橡膠脫膜板,彈齒軸運動至換向擋板處,換向擋板將彈齒軸的運動方向改變?yōu)榕c脫膜板垂直,以便于脫膜板刮下彈齒上的殘膜,脫下的殘膜掉入脫膜板下方的無芯打包裝置進(jìn)行壓縮打包。鏈耙架后部設(shè)有鎮(zhèn)壓輪,可以根據(jù)作業(yè)要求調(diào)節(jié)高度。

1,牽引架;2,主機(jī)架;3,打包前門;4,打包開關(guān)油缸;5,主打包系統(tǒng);6,鏈耙架;7,彈齒;8,收膜鏈耙限深調(diào)節(jié)裝置。1, Traction frame; 2, Main frame; 3, Packing front door; 4, Packing switch cylinder; 5, Main packing system; 6, Chain rake frame; 7, Spring teeth; 8, Wrap-up chain rake depth limit adjustment device.圖2 整機(jī)結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of whole machine

拖拉機(jī)牽引機(jī)具作業(yè)時,收膜彈齒在機(jī)具的重力作用下扎入土壤。機(jī)具前進(jìn)過程帶動鏈輪轉(zhuǎn)動,鏈條帶動彈齒運動,當(dāng)彈齒退出土壤時,在殘膜與彈齒之間拉力、殘膜自身張力和摩擦力的作用下,殘膜隨著彈齒向上運動,在運動過程中,土塊、秸稈等雜質(zhì)在自身重力和彈齒旋轉(zhuǎn)離心力的作用下實現(xiàn)膜雜分離。當(dāng)彈齒軸運動至換向擋板處時,彈齒運動方向改變?yōu)槊撃ぐ宸ň€方向,通過脫膜板上的彈齒縫時,將殘膜刮下,掉入無芯打包系統(tǒng)的后打捆皮帶上,進(jìn)行壓縮打捆。當(dāng)膜捆達(dá)到一定直徑或作業(yè)到地頭時,通過操控油缸升起收膜鏈耙和打包蓋門,膜捆在重力作用下自動卸下,收膜鏈耙越過膜捆后進(jìn)行下一輪作業(yè)。作業(yè)過程中,根據(jù)地勢和作物留茬情況調(diào)整作業(yè)高度,改變彈齒入土深度,以達(dá)到相應(yīng)的作業(yè)要求。將主要技術(shù)參數(shù)總結(jié)于表2。

表2 主要技術(shù)參數(shù)

3 關(guān)鍵零部件設(shè)計

彈齒鏈耙是撿拾機(jī)構(gòu)的重要組成部分,在作業(yè)時既要平穩(wěn)上升,又要保證撿拾效率。彈齒外伸長度決定了收膜的效果,外伸長度過長會增大機(jī)具功率損耗,但機(jī)具外形尺寸過大、外伸長度過短又不利于撿拾低洼處的殘膜,且撿拾的殘膜容易脫落。撿拾彈齒外伸長度(L)的測算方法為

L=Rtan(δ/2)tanφ。

(1)

式(1)中:R為鏈輪半徑;δ為相鄰撿拾彈齒的圓心角;φ為撿拾彈齒入土角。

根據(jù)上述分析,本文采用直齒型彈齒(由直徑6 mm的65Mn彈簧鋼制成),收膜彈齒外伸長度為18 cm,彈齒螺旋部分內(nèi)徑為4 cm,彈齒通過中心線處的固定孔等距安裝在彈齒軸上,彈齒軸通過帶座軸承安裝在半徑15 cm的鏈輪上(圖3)。

1,彈齒;2,彈齒軸;3,帶座軸承。1, Spring tooth; 2, Elastic tooth shaft; 3, Mounted bearings.圖3 彈齒裝配圖Fig.3 Drawing of spring teeth assembly

在彈齒、彈齒軸的自重作用下,彈齒軸會產(chǎn)生一定的撓度。將彈齒軸兩端固定于機(jī)架,所受合力為均布載荷,受力模型可近似看作簡支梁。彈齒軸材料為碳素結(jié)構(gòu)鋼,其彈性模量(E)為200 GPa,最大撓度發(fā)生在簡支梁中間,最大轉(zhuǎn)角發(fā)生在簡支梁兩端。經(jīng)測算,其均布載荷為80 N·m-1,彈齒軸截面的二次矩為1.25×10-7m4,彈齒軸最大撓度為9.76×10-4m,彈齒軸最大轉(zhuǎn)角為0.08°。

(2)

(3)

式(2)、(3)中:ω為彈齒軸的最大撓度,mm;q為均布載荷,N·m-1;l為彈齒軸長度,m;E為碳素結(jié)構(gòu)鋼彈性模量,GPa;I為彈齒軸截面的二次矩,m4;θ為彈齒軸的最大轉(zhuǎn)角,(°);D為彈齒軸外徑,mm;d為彈齒軸內(nèi)徑,mm;M為彈齒軸質(zhì)量,kg;m為彈齒質(zhì)量,kg;g為重力加速度,m·s-2。

田間作業(yè)環(huán)境復(fù)雜,坑洼起伏的地面和磚石等硬物雜質(zhì)會造成殘膜漏撿。作業(yè)連續(xù)性是保證機(jī)械化回收的關(guān)鍵,連續(xù)性越好,越有利于殘膜回收。撿拾彈齒的排布方式影響機(jī)具的回轉(zhuǎn)動平衡和收膜作業(yè)的效果,其排布一般應(yīng)滿足以下要求:1)滿足作業(yè)要求。為了使彈齒軸均勻撿拾地表殘膜,達(dá)到良好的殘膜拾凈率與膜雜分離效果,將彈齒不對行錯峰安裝,前一排彈齒安裝在后一排彈齒中間。2)達(dá)到動平衡要求。彈齒軸應(yīng)等間距均勻排布在鏈條上,使鏈耙作業(yè)旋轉(zhuǎn)時彈齒軸受力均勻。

根據(jù)新疆棉田地膜的寬度,將長度為2 200 mm的彈齒軸等距錯行安裝10組撿拾彈齒,后一排彈齒可以對前一排彈齒空行處殘膜無法撿拾的情況進(jìn)行補(bǔ)充,提高彈齒作業(yè)的容錯性能。彈齒和彈齒軸構(gòu)成一個多剛體轉(zhuǎn)子,理論上其轉(zhuǎn)動慣量不是一個常數(shù),錯行等距排布(圖4)下前后兩組彈齒軸構(gòu)成一個整體,在運動中各單元體的合力始終在同一平面,在高速旋轉(zhuǎn)時可迅速恢復(fù)到平衡狀態(tài),具有良好的平衡性,且交錯平衡排布的方式更有利于撿拾殘膜,結(jié)構(gòu)簡單,安裝方便。通過拖拉機(jī)下懸掛臂和限深輥位置可調(diào)節(jié)彈齒入土深度。

圖4 彈齒排布圖(左)與彈齒作業(yè)劃痕(右)Fig.4 Diagram of spring teeth layout (left) and spring tooth work scratches (right)

以鏈輪中心為坐標(biāo)原點,建立坐標(biāo)系。彈齒在收膜作業(yè)時,由鏈耙?guī)幼鲌A周運動并在拖拉機(jī)牽引下作直線運動,運動軌跡如圖5所示。

圖5 彈齒運動軌跡(A點到B點)Fig.5 Trajectory of spring teeth (from point A to point B)

彈齒端部切線方向速度垂直于彈齒斜向下,將其分解為x方向和y方向,并增加x方向的機(jī)具行駛速度V0,則彈齒尖直線運動和圓周運動組合的擺線運動速度方程為

(4)

式(4)中:vx、vy分別為彈齒尖水平(x)和豎直(y)方向上的分速度;ω為鏈耙角速度;V0為機(jī)具行駛速度。

機(jī)具作業(yè)過程中,收膜彈齒對殘膜的作用力如圖6所示。

圖6 殘膜受力分析圖Fig.6 Force analysis of residual film

在上升過程中,殘膜受力平衡的條件如下:

(5)

式(5)中:G為殘膜的重力,N;Ff為殘膜與彈齒之間的摩擦力,N;FN為彈齒對殘膜的支持力,N;FV為殘膜所受離心力,N;β為彈齒與豎直方向的夾角,(°)。

為保證殘膜不脫落,殘膜所受離心力應(yīng)不小于彈齒切線方向的合力,即:

(6)

式(6)中μ為彈齒與殘膜間的摩擦系數(shù)。

由式(1)可知,彈齒尖的擺線運動軌跡與機(jī)具前進(jìn)速度、鏈耙角速度和彈齒回轉(zhuǎn)半徑有關(guān)。令彈齒尖旋轉(zhuǎn)線速度與機(jī)具前進(jìn)速度之比為λ,用Python軟件繪制彈齒尖運動軌跡(圖7):當(dāng)λ<1時,彈齒做具有滑移的圓周運動,單位時間內(nèi),彈齒尖圓周運動的弧長小于機(jī)具前進(jìn)的距離,即小于應(yīng)收殘膜的長度,容易造成漏撿的現(xiàn)象,即使殘膜被撿起,但由于兩排彈齒之間的距離小于殘膜長度,彈齒無法將殘膜拉緊,會包裹多余的秸稈等雜質(zhì);當(dāng)λ=1時,彈齒做圓周運動,沒有相對滑移,單位時間內(nèi),彈齒尖圓周運動的弧長等于機(jī)具前進(jìn)的距離,被撿起的殘膜處于自然伸直狀態(tài),殘膜和彈齒之間沒有相對作用力;當(dāng)λ>1時,單位時間內(nèi),彈齒尖圓周運動的弧長大于機(jī)具前進(jìn)的距離,即大于被收起殘膜的長度,殘膜繃緊,處于拉伸狀態(tài),不易包裹雜質(zhì),便于清雜作業(yè),同時由于殘膜的回彈,增加了彈齒和殘膜之間的摩擦力,使殘膜不易脫落,利于撿拾。

a,λ<1;b,λ=1;c,λ>1。圖7 彈齒尖運動軌跡Fig.7 Trajectory of spring teeth tip

基于上述分析,彈齒鏈耙式撿拾機(jī)構(gòu)正常作業(yè)的速比(λ)應(yīng)大于1。根據(jù)測定的殘膜物料特性可知,覆膜時間120 d的殘膜最大斷裂標(biāo)稱應(yīng)變?yōu)?28%,可確定速比的取值范圍為>1～<3.3,機(jī)具行駛速度為>2～<3.5 m·s-1。相應(yīng)地,可算得鏈耙角速度不低于8.3 rad·s-1。

為了保證較好的作業(yè)效果,令機(jī)具行駛速度為2.5 m·s-1、鏈耙角速度為14.5rad·s-1,算得彈齒尖的絕對運動軌跡為余擺線(圖8)。

1,彈齒尖運動軌跡;2,殘膜面;h,彈齒入土深度,mm;L0,起膜有效距離,mm。1, Motion trajectory of spring teeth tip; 2, Residual film surface; h, Depth of spring teeth into soil, mm; L0, Effective distance of filming, mm.圖8 彈齒尖的絕對運動軌跡Fig.8 Absolute motion trajectory of spring teeth

設(shè)彈齒尖深入地表殘膜面以下的深度為h,彈齒起膜的有效距離為L0,則h越深,L0越大,且鏈耙轉(zhuǎn)速越低,彈齒在地表殘膜面以下停留的時間越久,有效起膜的距離越長,收膜效果越顯著[21-23]。

鏈耙裝置的轉(zhuǎn)速可以通過改變鏈輪直徑大小來控制,當(dāng)鏈條轉(zhuǎn)速一定時,即鏈輪線速度一定時,鏈輪直徑越小,角速度越快。

(7)

式(7)中:P為鏈輪齒距,mm;Z為鏈輪齒數(shù);n1為主動輪齒數(shù);n2為從動輪齒數(shù);R1為主動輪半徑,mm;R2為從動輪半徑,mm;V為鏈輪線速度,m·s-1。

計算可知:當(dāng)主動輪齒數(shù)為24齒、半徑為119.2 mm時,主動齒輪對應(yīng)的角速度為11.2 rad·s-1;當(dāng)主動輪齒數(shù)為19齒、半徑為94.37 mm時,主動齒輪對應(yīng)的角速度為14.1 rad·s-1;當(dāng)主動輪齒數(shù)為16齒、半徑為79.47 mm時,主動齒輪對應(yīng)的角速度為16.8 rad·s-1。

為驗證不同的速比(λ)對收膜效果的影響,在同一鏈耙轉(zhuǎn)速下,使用John Deere 1354拖拉機(jī),分別在B2、B3、C1擋(對應(yīng)的行駛速度分別為6.49、7.78、11.2 km·h-1)進(jìn)行試驗。在彈齒入土深度不變的情況下,速比越大,彈齒劃痕交接越顯著,有效收膜距離越長,收膜效果越好(圖9)。

a、b、c圖對應(yīng)的行駛速度分別為6.49、7.78、11.2 km·h-1。Velocity in a, b, c is 6.49, 7.78, 11.2 km·h-1, respectively.圖9 不同行駛速度下的彈齒劃痕Fig.9 Scratch of spring teeth under different velocity

設(shè)相鄰彈齒的運動軌跡分別為L1和L2(圖10),彈齒入土深度為h,L1的入土點和出土點分別為A1、A2,L2的入土點和出土點分別為B1、B2,S0為前后兩排彈齒的水平距離,則保證殘膜撿拾率的條件為相鄰兩排彈齒運動軌跡在膜下有效收膜距離有較多的重合區(qū)域,撿拾殘膜應(yīng)滿足

圖10 相鄰兩排彈齒的運動軌跡Fig.10 Trajectory of two adjacent rows of spring teeth

Sa=Sb>S0。

(8)

式(8)中:Sa為運動軌跡L1在膜下的有效收膜距離,m;Sb為運動軌跡L2在膜下的有效收膜距離,m。

為準(zhǔn)確得到彈齒在土壤中的受力變化情況,利用EDEM 2019.1軟件對彈齒的作業(yè)過程進(jìn)行仿真。變量參數(shù)設(shè)定如下:土壤的泊松比為0.388,密度為1.162 g·cm-3,剪切模量為0.97×106Pa;彈齒的泊松比為0.350,密度為7 830 g·cm-3,剪切模量為7.27×106Pa;土壤與彈齒的恢復(fù)系數(shù)為0.32,動摩擦因數(shù)為0.06,靜摩擦因數(shù)為0.54。

對試驗區(qū)域的土壤進(jìn)行分級,50%以上的土壤屬于粗砂粒(粒徑0.25～1.00 mm),顆粒外形主要包括塊狀、核狀和柱狀3種。利用EDEM軟件生成土壤顆粒(圖11),設(shè)置土槽長、寬、高分別為1 500、400、300 mm,為節(jié)省運算時長,將土壤顆粒半徑設(shè)置為2 mm。

a,塊狀;b,核狀;c,柱狀。a, Block; b, Nucleated; c, Columnar.圖11 土壤顆粒模型Fig.11 Soil particle model

以彈齒水平放置為起始位置,設(shè)置水平前進(jìn)速度為3.5m·s-1,角速度為16 rad·s-1,入土深度為80 mm,步長為0.05 s,將SolidWorks 2018軟件創(chuàng)建的彈齒模型以“.x-t”格式導(dǎo)入EDEM 2019.1軟件中,模擬其受到的作用力與轉(zhuǎn)過的角度的變化曲線(圖12)。結(jié)果表明,當(dāng)彈齒轉(zhuǎn)過123°時,受力最大,為137.2 N。在此狀態(tài)下,彈齒不會因塑性變形而失效,可正常完成收膜作業(yè)。

圖12 彈齒受力變化Fig.12 Changes of force of spring teeth

4 優(yōu)化試驗

4.1 Box-Behnken試驗設(shè)計

以鏈耙角速度(X1)、機(jī)具行駛速度(X2)和彈齒入土深度(X3)為試驗因素,殘膜撿拾率(J,%)和含雜率(Z,%)為響應(yīng)值,運用Box-Behnken中心組合試驗原理[24-25],開展三因素三水平正交試驗,并應(yīng)用Design-Expert 10軟件分析上述因素對撿拾率和含雜率的影響規(guī)律。根據(jù)殘膜回收機(jī)作業(yè)條件,以及被收殘膜的物料特性確定上述各因素不同水平對應(yīng)的參數(shù)值:鏈耙角速度,編碼水平-1、0、1分別對應(yīng)于11、14、17 rad·s-1;機(jī)具行駛速度,編碼水平-1、0、1分別對應(yīng)于6、9、12 km·h-1;彈齒入土深度,編碼水平-1、0、1分別對應(yīng)于50、65、80 mm。

表3 試驗設(shè)計與結(jié)果

殘膜撿拾率和含雜率的計算公式如下:

(9)

(10)

式(9)、(10)中:m0為已脫下的殘膜質(zhì)量,g;m1為殘留在彈齒上的殘膜質(zhì)量,g;m2為試驗區(qū)內(nèi)地膜鋪設(shè)凈質(zhì)量,g;m3為試驗區(qū)內(nèi)夾雜在膜捆里雜質(zhì)的質(zhì)量,g。

4.2 試驗結(jié)果與分析

4.2.1 試驗結(jié)果

試驗過程未出現(xiàn)殘膜阻塞轉(zhuǎn)軸,及彈齒和彈齒軸發(fā)生大變形和折斷的現(xiàn)象,可以完成拾膜、脫膜的任務(wù),作業(yè)性能可靠,機(jī)具動作執(zhí)行流暢,穩(wěn)定性良好,殘膜撿拾干凈,可長時間保持成捆形狀。將試驗結(jié)果整理于表3。

4.2.2 方差分析

用Design-Expert 10軟件對試驗數(shù)據(jù)(以各因素的編碼水平為相應(yīng)自變量的值)開展多元回歸擬合,剔除掉對因變量影響不顯著(P>0.05)的項,并對構(gòu)建的模型進(jìn)行方差分析,結(jié)果顯示:無論是對殘膜撿拾率還是對含雜率擬合的回歸模型的P值均小于0.01,模型極顯著,且失擬項不顯著[26-27],說明所擬合的回歸方程能準(zhǔn)確反映出殘膜撿拾率或含雜率與各因素的關(guān)系,利用回歸模型可以較好地對試驗結(jié)果進(jìn)行預(yù)測。

擬合的回歸方程如下:

(11)

Z=61.25+6.06X1-3.52X2-2.04X3+6.21X1X3。

(12)

4.2.3 響應(yīng)面分析

為了直觀分析鏈耙角速度、機(jī)具行駛速度和彈齒入土深度對殘膜撿拾率和含雜率的影響,構(gòu)建響應(yīng)曲面(圖13)。殘膜撿拾率隨著鏈耙角速度的加快而增大,原因是鏈耙角速度增加時,撿拾彈齒的有效收膜距離增加,撿拾更加徹底;隨著機(jī)具行駛速度的加快而減少,原因是機(jī)具行駛速度增加時,鏈耙的速比減小,彈齒有效收膜距離減少,導(dǎo)致殘膜無法被徹底撿起;隨著彈齒入土深度的增加而增大,原因是入土深度增加時,撿拾更加徹底,不易遺漏。含雜率隨著鏈耙角速度的加快而增大,原因是鏈耙角速度增加時,收起來的秸稈、土塊等雜質(zhì)增多,輸膜過程膜雜分離不徹底;隨著機(jī)具行駛速度的加快而減小,原因是機(jī)具行駛速度增加時,彈齒對土塊與秸稈的撞擊和撕扯,以及有效撿拾長度變小,撿起的雜質(zhì)減少;隨著彈齒入土深度的增加而減少,原因是入土深度增加時,彈齒對殘膜、土塊、秸稈等雜質(zhì)的壓力增大,對秸稈和土塊有碾碎作用,而對殘膜的摩擦力增加,使得殘膜不易脫落,因而含雜率降低。

4.2.4 優(yōu)化分析

根據(jù)殘膜回收機(jī)的田間作業(yè)效率、回收效果和方差分析結(jié)果,以殘膜撿拾率最大值為目標(biāo),對作業(yè)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,得到的理論最優(yōu)值如下:鏈耙角速度14.73 rad·s-1,機(jī)具行駛速度9.7 km·h-1,彈齒入土深度74.75 mm。在此條件下,預(yù)測的殘膜撿拾率為93.2%,含雜率為61.3%。

5 田間試驗

選擇新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第八師沙灣市商戶地鄉(xiāng)湖西村開展田間驗證試驗,試驗時間為2021-11-09—2021-11-15。試驗地較為平坦,土壤質(zhì)地為壤土。采用傳統(tǒng)的機(jī)采棉種植模式,地膜厚度為0.01 mm,土地耕層中留有大量的往年殘膜,于試驗前將膜下滴灌帶清理完畢。地塊長100 m,寬80 m,日均溫度14.9 ℃,試驗地碎土率為67.3%,土壤含水率為8.57%,土壤堅實度為0.53 MPa。

以John Deere 1354拖拉機(jī)和彈齒式殘膜回收機(jī)為試驗機(jī)械,以優(yōu)化得到的作業(yè)參數(shù)取整開展試驗,現(xiàn)場照片如圖14所示。經(jīng)現(xiàn)場實測,平均殘膜撿拾率為92.8%,平均含雜率為63.6%。試驗期間,未出現(xiàn)殘膜阻塞轉(zhuǎn)軸的現(xiàn)象,未發(fā)生彈齒和彈齒軸大變形或折斷的情況,可以完成拾膜、脫膜任務(wù),作業(yè)性能可靠,能夠滿足殘膜回收機(jī)的作業(yè)要求。

圖14 試驗現(xiàn)場照片F(xiàn)ig.14 Photo of test site

6 結(jié)論

針對殘膜回收機(jī)鏈耙裝置的作業(yè)特點,建立彈齒與土壤的動態(tài)相互作用模型,分析彈齒收膜過程中作用力的變化情況,驗證最大受力工況下彈齒不會因塑性變形而失效,能夠保證彈齒順利作業(yè)?；贐ox-Behnken試驗設(shè)計原理,以殘膜撿拾率和含雜率為響應(yīng)值,分析鏈耙角速度、機(jī)具行駛速度、彈齒入土深度對響應(yīng)值的影響,并對上述因素的參數(shù)值進(jìn)行優(yōu)化,優(yōu)化結(jié)果為:鏈耙角速度14.73 rad·s-1,機(jī)具行駛速度9.7 km·h-1,彈齒入土深度74.75 mm。在此條件下,殘膜撿拾率和含雜率的理論預(yù)測值分別為93.2%、61.3%。按照優(yōu)化的作業(yè)參數(shù)取整開展田間試驗,試驗區(qū)的平均殘膜撿拾率92.8%,平均含雜率為63.6%,作業(yè)性能可靠,可滿足殘膜回收機(jī)的作業(yè)要求。