殘膜回收機(jī)單組仿形摟膜機(jī)構(gòu)的設(shè)計與試驗

王科杰，胡 斌，羅 昕，陳學(xué)庚,，鄭 炫，顏利民，緱海嘯

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殘膜回收機(jī)單組仿形摟膜機(jī)構(gòu)的設(shè)計與試驗

王科杰1，胡 斌1※，羅 昕1，陳學(xué)庚1,2，鄭 炫2，顏利民2，緱海嘯2

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

摟膜作業(yè)是新疆目前殘膜回收的主要工作方式，在殘膜回收機(jī)回收工作過程中，因棉地環(huán)境復(fù)雜，現(xiàn)有殘膜回收機(jī)整體仿形摟膜效果差，使得摟膜彈齒無法對起伏程度不同的棉地同時進(jìn)行單組仿形摟膜，造成殘膜回收率低等問題，針對此問題，該文提出了一種單組仿形摟膜機(jī)構(gòu)。通過對該機(jī)構(gòu)進(jìn)行理論設(shè)計，利用搭建的土槽臺架試驗裝置，以彈齒數(shù)量、試驗車速度、彈齒直徑為影響因素，摟膜率為評價指標(biāo)，進(jìn)行了二次旋轉(zhuǎn)正交組合試驗。通過Design-Expert 8.0.6數(shù)據(jù)分析軟件，建立各影響因素與指標(biāo)的數(shù)學(xué)回歸模型，分析了顯著因素與評價指標(biāo)之間的關(guān)系，優(yōu)化試驗參數(shù)，確定最優(yōu)參數(shù)組合：彈齒數(shù)量5個，彈齒直徑12 mm，試驗車速度1.85 m/s。根據(jù)該試驗參數(shù)組合，進(jìn)行臺架試驗驗證，結(jié)果表明：優(yōu)化參數(shù)組合下的摟膜率>88.5%，優(yōu)化預(yù)測模型可靠。通過在新疆昌吉五家渠共青團(tuán)農(nóng)場對站立棉秸稈的田間進(jìn)行摟膜試驗，表明該摟膜機(jī)構(gòu)能夠滿足殘膜回收的技術(shù)要求，為單組仿形摟膜機(jī)具的設(shè)計提供了參考依據(jù)。

農(nóng)業(yè)機(jī)械；塑料薄膜；優(yōu)化；單組仿形；摟膜機(jī)構(gòu)；土槽試驗；殘膜回收

0 引 言

地膜覆蓋技術(shù)促進(jìn)了農(nóng)作物增產(chǎn)，且以其增溫保墑功效使得農(nóng)作物的適作區(qū)向北推移，有效利用土地資源，提高了水份的利用率，對中國旱地農(nóng)業(yè)發(fā)展具有重大的、積極的作用[1-3]。然而該技術(shù)的推廣也帶來了白色污染問題，地膜殘留在土壤里未得到有效回收，嚴(yán)重污染農(nóng)田生態(tài)土壤環(huán)境，因此，殘膜回收迫在眉睫[4-5]。

殘膜回收分為人工回收和機(jī)械回收2種模式。人工收膜勞動強(qiáng)度大、效率低、組織困難。機(jī)械收膜分為聯(lián)合作業(yè)和分段作業(yè)，其中聯(lián)合作業(yè)機(jī)具由秸稈粉碎機(jī)和地膜回收機(jī)組成，能一次完成秸稈粉碎與地膜回收工作,然其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可靠性較低，還未大面積推廣應(yīng)用[6-11]；分段作業(yè)以摟膜作業(yè)為主要方式，機(jī)具結(jié)構(gòu)簡單，可靠性較高，能耗小[12-14]。但目前分段作業(yè)的收膜效果不佳，主要是因為拾膜部件未能有效對復(fù)雜的棉地進(jìn)行高效仿形，導(dǎo)致殘膜回收率低。

當(dāng)前仿形機(jī)構(gòu)廣泛運(yùn)用于免耕播種機(jī)，而對單組仿形摟膜機(jī)構(gòu)研究較少[15-20]。摟膜機(jī)具的摟膜工作部件主要由多個單組摟膜裝置和機(jī)架等組成，現(xiàn)有摟膜機(jī)的每個單組摟膜裝置均固定安裝于機(jī)架上，各個摟膜裝置相互聯(lián)動產(chǎn)生摟膜干涉現(xiàn)象，且每個單組對應(yīng)的棉地起伏程度不同，摟膜時部分單組摟膜裝置對應(yīng)地形平穩(wěn)，與此同時的其他部分摟膜裝置對應(yīng)地形凹凸不平，摟膜工作部件與殘地膜相對脫離而未能進(jìn)行摟膜，因此該機(jī)具雖能對平穩(wěn)棉地?fù)ぷ鳂I(yè)，但對于不同地形進(jìn)行同時摟膜的能力較差，導(dǎo)致?lián)ばЧ患?。針對現(xiàn)有殘膜回收機(jī)存在的無單行仿形能力而產(chǎn)生摟膜效果差的問題，本文提出了一種可實(shí)現(xiàn)對不同棉地地形同時進(jìn)行單組仿形摟膜（即每個單組摟膜裝置能與各自所對應(yīng)的復(fù)雜地形進(jìn)行單行仿形摟膜），避免了各個單組摟膜裝置之間相互聯(lián)動干涉問題，從而大大提高了殘膜回收效果，有效解決了局部仿形摟膜能力差及相互摟膜干涉問題，通過對單組仿形的摟膜機(jī)構(gòu)進(jìn)行理論設(shè)計與分析，并利用土槽臺架試驗研究該摟膜機(jī)構(gòu)行走速度、彈齒安裝數(shù)量、彈齒直徑的參數(shù)變化與收膜性能關(guān)系，確定了最佳結(jié)構(gòu)和作業(yè)參數(shù)，為單組仿形摟膜機(jī)具的研制和設(shè)計提供理論依據(jù)。

1 摟膜裝置的結(jié)構(gòu)與工作原理

單組仿形摟膜機(jī)構(gòu)由拉桿固定板、仿形拉桿、手柄、調(diào)位螺桿、摟膜架、摟膜彈齒、彈齒卡板、內(nèi)管、仿形地輪、限位桿組成。

其中，調(diào)位螺桿與內(nèi)管絲杠聯(lián)接，手柄固定套在調(diào)位螺桿上，安裝于內(nèi)管上的仿形地輪可通過手柄旋轉(zhuǎn)使調(diào)位螺桿與內(nèi)管發(fā)生相對螺旋運(yùn)動從而實(shí)現(xiàn)仿形地輪隨同內(nèi)管一起上下調(diào)位，單組仿形摟膜機(jī)構(gòu)如圖1所示。

工作時，通過調(diào)節(jié)手柄使得仿形地輪與土壤保持接觸；在仿形拉桿牽引下的仿形地輪緊貼著土壤表面進(jìn)行上下仿形運(yùn)動，與此同時，在仿形地輪仿形運(yùn)動狀態(tài)下的摟膜彈齒也隨之入土進(jìn)行仿形摟膜作業(yè)，殘膜沿著摟膜彈齒圓弧段向上運(yùn)動，殘膜最終被儲存于彈齒圓弧區(qū)域下方，完成摟膜工作。本仿形摟膜機(jī)構(gòu)，不僅實(shí)現(xiàn)上下仿形，還縮短摟膜機(jī)構(gòu)的長度，結(jié)構(gòu)緊湊。當(dāng)殘膜回收工作結(jié)束時，通過調(diào)節(jié)限位桿以避免摟膜機(jī)構(gòu)下垂量過大，減輕仿形拉桿對摟膜機(jī)構(gòu)承載作用，有效避免仿形拉桿的鉸接點(diǎn)應(yīng)力集中。

1. 拉桿固定板 2. 仿形拉桿 3. 手柄 4. 調(diào)位螺桿 5.摟膜架 6.摟膜彈齒 7.彈齒卡板 8.內(nèi)管 9.仿形地輪 10.限位桿

2 仿形摟膜機(jī)構(gòu)受力分析與相關(guān)尺寸參數(shù)設(shè)計

仿形摟膜裝置受力平衡，才能使摟膜作業(yè)穩(wěn)定，從而提高摟膜效果。通過對仿形摟膜機(jī)構(gòu)中的摟膜彈齒進(jìn)行力學(xué)分析，并基于摟膜彈齒的力學(xué)分析，對仿形摟膜機(jī)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)分析以便于摟膜機(jī)構(gòu)參數(shù)設(shè)計。

2.1 摟膜彈齒受力分析

摟膜彈齒力學(xué)性能是影響殘膜回收工作的關(guān)鍵。摟膜彈齒底端入土使其連續(xù)性摟取殘膜。將彈齒所受各力分解到坐標(biāo)軸上，受力情況如圖2a所示。彈齒總合力2可分解為水平方向的橫向作用力2x和垂直方向的彈齒入土力2y，則

2x=(F1+F2)×cos(F-±F)×sin（1）

2y=(F-±F)×cos-(F1+2)×sin（2）

其中：

F12×（3）

F23×F（4）

聯(lián)立式（3）和式（4）代入式（1）和式（2）計算得出

2x=F×(3×cos+sin)±F×sin+×(2×cos-sin) （5）

2y=F×(cos-3×sin)±F×cos-×(2×sin+cos) （6）

式中F1為土壤對摟膜彈齒施加的摩擦力，N；F2為殘膜對摟膜彈齒施加的摩擦力，N；為土壤對摟膜彈齒的支反力，N；F為摟膜彈齒的自身回彈力，N；F的正負(fù)方向與彈齒的工作狀態(tài)相關(guān)；F為殘膜對摟膜彈齒施加的拉力，N；2為殘膜與土壤之間的摩擦系數(shù)；3為殘膜與摟膜彈齒間的摩擦系數(shù)；為摟膜彈齒入土傾角，（°）。

當(dāng)摟膜彈齒處于初始摟膜狀態(tài)時，彈齒回彈力方向與圖2a所示方向相反，式（5）和式（6）中F前的符號取“-”號，彈齒受到與運(yùn)動方向相反的阻力較大，彈齒自身回彈力迫使彈齒沿機(jī)具運(yùn)動方向回彈，然而彈齒回彈力過大則會造成入土效果差，摟膜效果不佳；當(dāng)摟膜彈齒上存儲殘膜量較大時，彈齒回彈力方向如圖2a所示，式（5）和式（6）中F前的符號取“+”號，彈齒所承受重力增大，土壤對彈齒的支反力增大，迫使彈齒回彈力沿機(jī)具運(yùn)動相反方向回彈，隨著殘膜對摟膜彈齒施加的拉力F及摟膜彈齒的自身回彈力增大，彈齒的橫向作用力2x也隨之不斷增大，但彈齒的橫向作用力過大會使摟膜彈齒工作段應(yīng)力過大；在摟膜過程中，彈齒入土力2y的增大有利于彈齒順利入土，進(jìn)行正常摟膜作業(yè)，然而入土力過大則使彈齒受到土壤阻力過大，就會造成機(jī)具能耗增大等問題。

注: Ff1為土壤對摟膜彈齒施加的摩擦力，N；Ff2為殘膜對摟膜彈齒施加的摩擦力，N；N為土壤對摟膜彈齒的支反力，N；Fn為摟膜彈齒的自身回彈力，N；Fm為殘膜對摟膜彈齒施加的拉力，N；FO2x為彈齒橫向作用力，N；FO2y為彈齒入土力，N；FO2為彈齒總合力，N；O2為彈齒末端受力點(diǎn)；θ為摟膜彈齒入土傾角，（°）；O為坐標(biāo)系原點(diǎn)；X為水平坐標(biāo)；Y為鉛垂坐標(biāo)；FR23, FR43為牽引拉力，N；FR23x, FR23y分別為FR23在水平方向和鉛垂方向上的分力；FR43x, FR43y分別為FR43在水平方向和鉛垂方向上的分力；Qx, Qy分別為土壤對仿形地輪工作阻力、垂直支反力，N；Q為土壤對仿形地輪的支反力，N；G為仿形摟膜機(jī)構(gòu)的重力，N；Φ為仿形拉桿的牽引角，（°）；A，D為拉桿固定板與仿形拉桿的鉸接點(diǎn)；B，C為摟膜架與仿形拉桿的鉸接點(diǎn)；1為AD桿；2為AB桿；3為BC桿；4為CD桿。

2.2 仿形摟膜機(jī)構(gòu)力學(xué)分析

取摟膜機(jī)構(gòu)作為一整體構(gòu)件，此時仿形拉桿與摟膜機(jī)構(gòu)組成封閉四桿機(jī)構(gòu)。為便于計算，采用復(fù)數(shù)矢量法建立摟膜機(jī)構(gòu)力學(xué)模型。以為坐標(biāo)原點(diǎn)，各桿矢量方位角均由軸開始，以逆時針方向為正[21]，如圖2b所示。機(jī)具摟膜作業(yè)時，仿形摟膜機(jī)構(gòu)平穩(wěn)工作的受力平衡條件為

（7）

將式（1）中各個向量力分解到兩坐標(biāo)軸上，得

Q+2x–23x–43x+×(23y+43y+Q––2y)=0 （8）

實(shí)部與虛部分別等于零。

Q+2x–23x–43x=0 （9）

23y+43y+Q––2y0 （10）

23x=23×cos（11）

23y=23×sin（12）

43x=43×cos（13）

43y=43×sin（14）

聯(lián)立公式（5）～（10），經(jīng)簡化計算得

聯(lián)立式（5）、（6）和（15），經(jīng)簡化計算仿形地輪所受支反力，得

（16）

式(16)中，

1=tan(sin–2×cos)+2×sin+cos

2=tan(sin–3×cos)+3×sin–cos

3=cos+tansin

式中1為仿形地輪阻力系數(shù)；1為土壤作用于彈齒的法向力系數(shù)；2為殘膜作用于彈齒的法向力系數(shù)；3為彈齒回彈系數(shù)。

仿形地輪對棉地仿形性能的好壞直接影響摟膜機(jī)構(gòu)仿形摟膜效果，為利于摟膜裝置平穩(wěn)牽引工作，取牽引角大小為0°。由式（16）可看出，仿形地輪的支反力與摟膜裝置重力、土壤對彈齒施加的支反力呈正相關(guān)，支反力與摟膜彈齒自身的回彈力F之間的關(guān)系與摟膜工作狀態(tài)有關(guān)，仿形地輪的支反力與殘膜對彈齒施加的拉力F也存在相關(guān)性。

因此，隨著摟膜裝置重力、土壤對彈齒施加的支反力增大，仿形地輪的支反力也會隨之增大，仿形效果越好，但仿形地輪的支反力過大會使地膜與土壤被鎮(zhèn)壓的過于緊密，不利于摟膜作業(yè)；然而，仿形地輪的支反力過小會造成對地仿形效果差。在摟膜作業(yè)初始過程中，彈齒回彈力F受力方向與圖2a所示方向相反，其回彈力過大則入土能力減小不利于摟膜；回彈力過小，土壤施加于彈齒上的作用力過大時，導(dǎo)致彈齒變形嚴(yán)重，摟膜效果影響較大。在摟膜作業(yè)一段時間后，彈齒回彈力F受力方向如圖2a所示，隨著彈齒的回彈力（彈齒回彈力與彈齒自身特性有關(guān)，包括彈齒粗細(xì)、彈齒結(jié)構(gòu)尺寸、彈齒所用材料等）的增大，仿形地輪的支反力會隨之減小，由于彈齒的回彈力過大足以將整個摟膜機(jī)構(gòu)支撐起，仿形地輪逐漸脫離地面，仿形地輪未能較好發(fā)揮仿形作用，且彈齒入土過深使其所受土壤阻力增大；然而彈齒的自身回彈力過小，彈齒的彈性相對較差，則在作業(yè)時的彈齒變形后產(chǎn)生回彈不及時甚至斷裂等問題。

2.3 仿形摟膜機(jī)構(gòu)尺寸參數(shù)設(shè)計

仿形四桿機(jī)構(gòu)各構(gòu)件的牽引角、長度等尺寸參數(shù)直接影響摟膜機(jī)構(gòu)的仿形功能，因此，為能夠達(dá)到較好的仿形性能，選擇合理的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)。

根據(jù)棉地的地形，設(shè)置上下仿形量各為80～100 mm。如圖3所示。

下仿形量1=[sin(1–)+sin] （17）

上仿形量2=[sin(2+)–sin] （18）

式中，下仿形量1為100 mm，工作初始角取0°，1為下仿形角，（°）；2為上仿形角，（°）；取上下角各為20°。經(jīng)計算，仿形拉桿的長度292.38 mm，取整292 mm；上仿形量2=99.87 mm，取整2100 mm，滿足仿形量要求。

注：B1C1為仿形四桿BC下仿形時運(yùn)動到的極限位置；B2C2為仿形四桿BC上仿形時運(yùn)動到的極限位置；Φ1為下仿形角，（°）；Φ2為上仿形角，（°）；H1為下仿形量，mm；H2為上仿形量，mm；H為仿形機(jī)構(gòu)上下總仿形量，mm。

3 臺架試驗與結(jié)果分析

為驗證理論分析的正確性及確定機(jī)具行走速度、彈齒個數(shù)、彈齒直徑大小三因素對摟膜率影響大小，對單組仿形摟膜機(jī)構(gòu)進(jìn)行試驗。因田間試驗研究周期較長，利用臺架試驗?zāi)M田間工作環(huán)境[22-23]，有利于深入觀察各因素對摟膜率的影響程度。本文通過臺架土槽試驗研究機(jī)具行走速度、彈齒數(shù)量、彈齒直徑大小等因素變化對機(jī)構(gòu)摟膜率的影響，尋找到最優(yōu)結(jié)構(gòu)與工作參數(shù)。

試驗在單組仿形摟膜機(jī)構(gòu)土槽試驗臺上進(jìn)行，結(jié)構(gòu)如圖4所示。試驗臺由主梁、仿形摟膜機(jī)構(gòu)、試驗車、土槽、導(dǎo)軌、固定角架、控制電箱等組成；其中試驗車由小帶輪、電動機(jī)與大帶輪總成等部分組成；電動機(jī)與大帶輪總成由三相異步電動機(jī)、大帶輪和變速器組成；單組仿形摟膜裝置與主梁固定聯(lián)接；土槽固定安裝在試驗車上，土槽內(nèi)鋪設(shè)土壤；在土壤表層鋪入地膜，并通過兩側(cè)的棉稈將地膜固定，完成棉地環(huán)境的模擬。試驗過程中，三相異步電動機(jī)驅(qū)動土槽試驗車向右運(yùn)動。根據(jù)相對運(yùn)動原理，將試驗車的運(yùn)動狀態(tài)視為相對靜止，則摟膜裝置相對于土槽試驗車向前運(yùn)動；隨著試驗車的運(yùn)動，摟膜彈齒相對試驗車運(yùn)動進(jìn)入土壤中完成仿形摟膜作業(yè)。

1. 控制電箱 2. 固定角架 3. 主梁 4. 仿形摟膜機(jī)構(gòu) 5. 小帶輪 6. 土槽 7. 電動機(jī)與大帶輪總成 8. 試驗車 9. 導(dǎo)軌

3.1 臺架試驗車速與變頻器頻率參數(shù)確定

臺架試驗車速與變頻器頻率參數(shù)轉(zhuǎn)換為臺架試驗提供了可能，通過調(diào)節(jié)變頻器的頻率來實(shí)現(xiàn)電動機(jī)轉(zhuǎn)速的變化，電動機(jī)則通過變速器對大帶輪進(jìn)行變速，大帶輪再驅(qū)動小帶輪實(shí)現(xiàn)調(diào)速，最終完成土槽試驗車的速度控制。由于試驗車最終是通過變頻器來進(jìn)行調(diào)速，因此必需將變頻器的頻率與試驗車速度之間的關(guān)系進(jìn)行轉(zhuǎn)換，采用逆推原理換算出試驗車行走速度所對應(yīng)變頻器的頻率。

根據(jù)試驗車前進(jìn)速度1得出小帶輪的轉(zhuǎn)速1

式（19）中，d1為小帶輪的基準(zhǔn)直徑，mm。

大帶輪通過V帶驅(qū)動小帶輪轉(zhuǎn)動，大帶輪與小帶輪線速度相同，通過大、小帶輪之間的傳動比求得大帶輪的轉(zhuǎn)速2

式（20）中，1為大、小帶輪之間的傳動比[24]；d2為大帶輪的基準(zhǔn)直徑，mm。

電動機(jī)通過減速器減速，使大帶輪轉(zhuǎn)速降低到合適的轉(zhuǎn)速，則電動機(jī)的轉(zhuǎn)速3

式（21）中，2為減速器的減速比，值為1/11。

則變頻器的頻率

式（22）中，為電動機(jī)極對數(shù)。

根據(jù)目前新疆殘膜回收過程中所配套的拖拉機(jī)行走速度范圍0.83～2.11 m/s，對該速度范圍劃分為5種速度且分別對應(yīng)于拖拉機(jī)慢Ⅰ檔低速、慢Ⅰ檔高速、慢Ⅱ檔低速、慢Ⅱ檔高速和慢Ⅲ檔低速工作條件，并根據(jù)式（22）將機(jī)具速度換算為變頻器所需頻率，如表1所示，臺架試驗車速與變頻器之間的參數(shù)轉(zhuǎn)換便于臺架試驗車速的實(shí)際操控。

表1 機(jī)具速度與頻率換算

3.2 臺架試驗條件

本試驗地點(diǎn)選在石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院校工廠收獲實(shí)驗室。舊地膜樣本取自于新疆塔城地區(qū)沙灣縣金溝河鎮(zhèn)南頭道河子村（東經(jīng)85o40′49″，北緯44o20′0″，海拔436.2 m），其厚度為0.01 mm，田間使用時間約為180 d；按照目前新疆棉花主要種植模式進(jìn)行鋪設(shè)，壟寬66 mm，土壤厚度60 mm；試驗土壤為灰漠土，為更好地模擬田間環(huán)境，首先將鋪于土槽內(nèi)之后的土壤進(jìn)行潤濕，土壤濕度達(dá)到70%～80%，其次通過對鋪于土槽上的地膜進(jìn)行壓實(shí)，使地膜與土壤緊密粘結(jié)，并對土壤隨機(jī)壓制若干個起伏度不同的凹坑，然后待土壤干燥，土壤濕度10%～20%，地膜與土壤粘結(jié)程度較高；試驗過程中選用精度為0.01 g的DT-1002A電子秤；NVF2G-22/PS4變頻器進(jìn)行調(diào)頻控制Y100L2-4型三相異步電動機(jī)輸出的轉(zhuǎn)速，并通過XWD4-11-3型擺線針輪減速機(jī)的減速來驅(qū)動試驗車。單組仿形摟膜機(jī)構(gòu)試驗臺如圖5所示。

a. 試驗臺主視圖 b. 試驗臺側(cè)視圖

3.3 臺架試驗方法

3.3.1 影響因素的確定

根據(jù)仿形摟膜機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)及工作參數(shù)，本試驗選取影響摟膜率3個關(guān)鍵因素：彈齒數(shù)量1、彈齒直徑2、試驗車速度3。

1）彈齒數(shù)量：彈齒安裝的數(shù)量直接影響摟膜效果的好壞，彈齒安裝數(shù)量不足，彈齒與彈齒之間的間隙大使得殘膜漏摟，為滿足棉株種植模式及機(jī)具結(jié)構(gòu)工藝要求，彈齒安裝數(shù)量范圍在1～5個，為使試驗效果更為理想，摟膜彈齒的排列呈相互對稱形式。

2）彈齒直徑：彈齒直徑是指彈齒的橫截面直徑，橫截面直徑不同的彈齒具有不同的物理結(jié)構(gòu)特性，彈齒截面直徑不僅影響仿形摟膜效果而且摟膜作業(yè)穩(wěn)定性也會受到很大影響。根據(jù)新疆現(xiàn)有的彈齒規(guī)格，彈齒直徑在6～14 mm。

3）試驗車速度：試驗車速度的快慢影響摟膜機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性和可靠性，為使拖拉機(jī)牽引摟膜機(jī)構(gòu)在棉地里更加可靠穩(wěn)定進(jìn)行摟膜作業(yè)，取殘膜回收機(jī)行走速度范圍在0.83～2.11 m/s，則試驗車速度范圍在0.83～2.11 m/s。

3.3.2 殘膜質(zhì)量測定方法

將試驗后的殘膜由2個塑料袋進(jìn)行分裝，將第組第次試驗后未被摟拾的殘膜裝入標(biāo)記為Aj的袋中，同時將彈齒所摟拾的殘膜裝入標(biāo)記為B的袋中；將每次試驗后A袋中的殘膜清洗干凈待其晾干后所稱殘膜質(zhì)量計為W，將B袋中的殘膜清洗干凈待其晾干后所稱的質(zhì)量計為M，則每次試驗前殘膜樣本質(zhì)量為未被摟拾殘膜質(zhì)量W與被摟拾殘膜質(zhì)量M之和。

3.3.3 試驗指標(biāo)

仿形摟膜機(jī)構(gòu)作業(yè)效果的主要評判指標(biāo)是摟膜率，摟膜率的公式為

式中η第組第次試驗的摟膜率，W為彈齒摟取的殘膜質(zhì)量，g；M為未被彈齒摟取的殘膜質(zhì)量，g；為試驗組數(shù)，取值范圍1～23；為每組試驗中試驗次數(shù)，取值范圍1～3。

3.3.4 試驗設(shè)計

試驗采用三因素五水平二次旋轉(zhuǎn)正交組合試驗方法[25-27]，因素與水平編碼如表2，試驗方案及結(jié)果如表3所示，共進(jìn)行23組試驗，每組試驗3次，取3次試驗結(jié)果的平均值。通過Design-Expert 8.0.6軟件完成試驗方案的設(shè)計與結(jié)果分析。

表2 試驗因素水平

注：為摟膜率。

Note:is the film-collection rate.

3.4 臺架試驗結(jié)果與分析

3.4.1 試驗回歸分析

利用Design-Expert 8.0.6軟件對表3中試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，得到以摟膜率為響應(yīng)函數(shù)，以各因素為自變量的編碼回歸方程如式（24）。

=87.18+10.891+2.022+2.193–7.1512–2.322–3.1332+1.0512+1.3513+1.4023（24）

式（24）中：1、2、3為彈齒數(shù)量、彈齒直徑和試驗車速度的編碼值。

對試驗結(jié)果進(jìn)行方差分析，如表4所示，結(jié)果表明：摟膜率回歸方程模型<0.000 1，表明該回歸方程模型極其顯著。根據(jù)摟膜率的檢驗：回歸=68.29>(0.05(9,13)=2.71)，失擬=2.99<(0.05(5,8)=3.69)，因此，摟膜率回歸模型與實(shí)際情況擬合地非常好，具有實(shí)際研究意義。

表4 回歸模型的方差分析

3.4.2 試驗因素對摟膜率的影響分析

如圖6a可知，當(dāng)彈齒直徑固定在10 mm（零水平）時，交互作用對摟膜率的影響規(guī)律：當(dāng)彈齒數(shù)量和試驗車速度分別增加時，摟膜率隨著彈齒數(shù)量和試驗車速度增加而增加，但逐漸趨于平緩；響應(yīng)曲面沿彈齒數(shù)量方向變化比沿試驗車速度方向變化更快，在零水平下彈齒數(shù)量對摟膜率的影響比試驗車速度的影響更為顯著。

如圖6b所示，當(dāng)彈齒數(shù)量固定在3個（零水平）時，交互作用對摟膜率的影響規(guī)律：當(dāng)彈齒直徑和試驗車速度分別增加時，摟膜率隨著彈齒直徑和試驗車速度增加而緩慢增加，增加趨勢逐漸平緩；在零水平下試驗車速度對摟膜率的影響比彈齒直徑的影響更為顯著。

原因分析：彈齒數(shù)量增加時，彈齒摟膜密度就會越大，摟膜率增加；但當(dāng)彈齒數(shù)量增加到一定程度時，彈齒摟膜密度對摟膜率影響趨于穩(wěn)定。彈齒直徑增加，彈齒自身回彈性能增加，對土壤仿形效果好，彈齒更加容易將地膜拾起，摟膜率增加。試驗車速度增加時，彈齒對地膜的勾拉速度隨著增大，地膜的拉伸強(qiáng)度增加，斷裂伸長率減少，地膜被拉斷的速度加快，使摟膜率增加；地膜伸長率為定值，試驗車速度增加對摟膜效果影響逐漸平穩(wěn)。

圖6 試驗因素對摟膜率的影響

3.4.3 參數(shù)優(yōu)化與驗證

1）參數(shù)優(yōu)化

為獲得較好的摟膜效果，以高殘膜回收率的摟膜要求為優(yōu)化目標(biāo)，對單組仿形摟膜機(jī)構(gòu)的工作參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化分析[28-29]。應(yīng)用Design-Expert 8.0.6數(shù)據(jù)分析軟件對摟膜率的回歸模型優(yōu)化分析，約束條件為：1）目標(biāo)函數(shù)：[max]；2）影響因素約束：1彈齒數(shù)量3～5個；2彈齒直徑8～12 mm；3試驗車速度1.09～1.85 m/s。參數(shù)優(yōu)化組合為摟膜彈齒數(shù)量5個，彈齒直徑12 mm，試驗車速度1.85 m/s,在該參數(shù)組合條件下的摟膜率達(dá)到89.3%。

2）臺架試驗驗證

本實(shí)驗在單組仿形摟膜試驗臺進(jìn)行。試驗參數(shù)組合：彈齒數(shù)量為5個，彈齒直徑為12 mm，試驗車速度為1.85 m/s,共進(jìn)行5組試驗，每組試驗2次，試驗結(jié)果取平均值。

表5 臺架試驗測定結(jié)果

試驗結(jié)果如表5所示，摟膜率≥87.1%，通過理論優(yōu)化摟膜率與試驗結(jié)果進(jìn)行對比可知，兩者非常接近，表明優(yōu)化預(yù)測模型可靠，所得最優(yōu)參數(shù)組合符合摟膜要求。

4 樣機(jī)田間試驗

田間試驗參照國家標(biāo)準(zhǔn)殘地膜回收機(jī)GB/T 25412- 2010，測區(qū)長度100 m，寬度為摟膜機(jī)3個往返行程的工作寬度，測點(diǎn)采用五點(diǎn)法，從測區(qū)4個地角沿對角線，在四分之一至八分之一對角線長度范圍內(nèi)隨機(jī)確定4個測點(diǎn)的位置，以及該對角線的交點(diǎn)，作為作業(yè)前的5個測點(diǎn)；在作業(yè)前的5個測點(diǎn)附近但不重疊的區(qū)域再選5個點(diǎn)，作為作業(yè)后的5個測點(diǎn)[30]，測點(diǎn)長度為2 m，寬度為2 m。對作業(yè)前后測點(diǎn)的殘膜取樣，并進(jìn)行清洗晾干，稱其質(zhì)量并計算摟膜率。

試驗樣機(jī)為1MSF-3型殘膜回收機(jī)[31]，整機(jī)尺寸為 6 990 mm×1 790 mm×1 015 mm，作業(yè)速度為6.7 km/h，10個單組仿形摟膜裝置和9個護(hù)禾裝置相互交錯均布在機(jī)具上，一次作業(yè)寬度為7 000 mm；為實(shí)現(xiàn)作業(yè)行程的延長，在摟膜架上設(shè)置前、后排摟膜彈齒，當(dāng)前排摟膜彈齒存儲一定的殘膜時，后排摟膜彈齒開始摟膜，該摟膜彈齒前后排設(shè)置提高了摟膜作業(yè)持續(xù)時間和殘膜存儲量，且該機(jī)具通過液壓驅(qū)動自動卸膜實(shí)現(xiàn)了快速卸膜，大大縮短了卸膜作業(yè)與摟膜作業(yè)之間的時間間隔，提高了機(jī)具的作業(yè)效率，有效實(shí)現(xiàn)了摟膜作業(yè)的連續(xù)性；通過起膜邊機(jī)構(gòu)起邊膜及斷膜機(jī)構(gòu)切斷地膜，有利于摟膜彈齒將邊膜從棉稈件勾拉出；在殘膜回收過程中，棉稈罩于護(hù)禾裝置內(nèi)，從而有效避免了殘膜與棉桿、殘茬之間的纏繞；殘膜回收機(jī)通過約翰迪爾N850拖拉機(jī)牽引驅(qū)動完成殘膜回收作業(yè)，為實(shí)現(xiàn)殘膜再次利用，最終通過液壓打包機(jī)將卸于打包帶上的殘膜進(jìn)行自動撿拾并通過液壓打包機(jī)的液壓裝置對殘膜進(jìn)行自動打包，當(dāng)液壓打包機(jī)裝滿殘膜之后運(yùn)出棉地。

試驗時間：2015年10月17日。試驗在新疆昌吉五家渠共青團(tuán)農(nóng)場棉地進(jìn)行，棉地經(jīng)過采棉機(jī)的鎮(zhèn)壓后造成地形不平整，殘膜與土壤粘結(jié)。

試驗結(jié)果如表6所示。殘膜回收率高達(dá)86.5%，與臺架試驗結(jié)果基本吻合，滿足殘膜回收作業(yè)要求。田間殘膜回收試驗如圖7所示。

表6 田間試驗測定結(jié)果

圖7 樣機(jī)田間試驗

5 結(jié) 論

本文通過單組仿形摟膜機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計及理論力學(xué)分析可知，摟膜機(jī)構(gòu)的摟膜效果好壞與摟膜彈齒的自身回彈能力相關(guān)，且摟膜彈齒的受力狀態(tài)與摟膜機(jī)構(gòu)的作業(yè)狀態(tài)具有很重要的關(guān)聯(lián)性。

1）由臺架試驗可知，摟膜率隨著彈齒數(shù)量、試驗車速度和彈齒直徑的增加而增加，但逐漸趨于平緩。

2）通過Design-Expert 8.0.6軟件對臺架試驗結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化，得到單組仿形摟膜機(jī)構(gòu)的最佳參數(shù)組合為彈齒數(shù)量5個，彈齒直徑12 mm，試驗車速度1.85 m/s，并進(jìn)行臺架試驗驗證，優(yōu)化預(yù)測模型可靠，所得最優(yōu)參數(shù)組合符合摟膜要求。

3）通過田間殘膜回收試驗表明，單組仿形摟膜機(jī)具摟膜率高達(dá)86.5%，能夠滿足殘膜回收作業(yè)要求，殘膜回收效果與臺架試驗結(jié)果基本吻合。

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Design and experiment of monomer profiling raking-film mechanism of residue plastic film collector

Wang Kejie1, Hu Bin1※, Luo Xin1, Chen Xuegeng1,2, Zheng Xuan2, Yan Limin2, Gou Haixiao2

(1.832000,2.832000,)

The collecting machinery of mulching plastic film offers an important technological means to curb the farmland residue pollution. The main method of residual film recycling in Xinjiang is the raking-film working. Due to the complex cotton field environment and the poor raking film effect of whole profiling of the used plastic film collector, the raking film tooth can not simultaneously carry out the monomer film collecting with copying with different cotton field terrain, which causes a low collecting rate during the process of residual film recycling. For the problem, this paper proposed a collecting-film mechanism of the profiling of the monomer. The theoretical design and mechanical analysis of the mechanism of collecting film were carried out. With the method of complex vector, the profiling-mechanism dynamics model was established, which involved the relationship between the reacting force of soil to land wheel of profiling and the spring-tooth resilience force. Based on the establishment and analysis of dynamics model, the collecting-film influencing factor could be initially determined. And the relevance of the spring-tooth stress states and the raking-film mechanism’s operating condition was further explored. In order to confirm the operation parameters of the device of collecting film, the experiment of the response surface with 5 levels and 3 factors was accomplished on the soil bin trolley test-bed with the spring tooth of the raking film. Three test parameters, i.e. spring tooth number, test-car speed and spring tooth diameter, were chosen as the influence factors of the test-bed experiment. And collecting rate of residual film recycling was selected as the evaluation index of the test-bed experiment. Quadratic orthogonal rotation combination trial design was applied to build the quadratic polynomial regressive model, which interpreted the relationship between the experimental influence factors and evaluation index. Using the data analysis software of Design-Expert 8.0.6, the matching mathematical regression pattern was developed, the relation of salient factors with the evaluation index was analyzed, and the parameters of test were improved. The optimum combination of parameters could be reached when the number of spring teeth was 5, the diameter of spring tooth was 12 mm, and the speed of test car was 1.85 m/s. By using the soil bin trolley testing, the optimized results were verified on the basis of optimization parameters combination. The experimental consequences manifested that the collecting-film rate of the mechanism of monomer profiling raking-film was more than 88.5%, the optimization prediction model based on the quadratic multinomial fitting model was reliable, and the film recycling requirement could be met by the structure and working parameters combination. According to the standing cotton stalks standard field experiment in Changji, Xinjiang, the experimental cotton field was selected, which was pressed by the wheel of picking cotton locomotive and produced different fluctuation of pits and soil slope, and the results from the cotton field and the laboratory were basically consistent. The research provides an original theoretical reference for the design of raking film mechanism of single profiling, as well as the parameter optimization of remnant plastic film collector.

agricultural machinery; plastic films; optimization; monomer profiling; collecting-film mechanism; test-bed experiment; residue plastic film

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.08.002

S223.5

A

1002-6819(2017)-08-0012-09

2016-07-14

2017-01-24

新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)重大科技專項（2014AA002）；農(nóng)業(yè)部行業(yè)專項（201503105）

王科杰，男，江西上饒人，研究方向為機(jī)械設(shè)計及理論。石河子 石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院，832000。Email：1421243560@qq.com

胡 斌，男，湖北英山人，教授，主要從事農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計與性能試驗研究。石河子 石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院，832000。Email：lxm8823@163.com

王科杰，胡 斌，羅 昕，陳學(xué)庚，鄭 炫，顏利民，緱海嘯.殘膜回收機(jī)單組仿形摟膜機(jī)構(gòu)的設(shè)計與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2017，33(8)：12－20. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.08.002 http://www.tcsae.org

Wang Kejie, Hu Bin, Luo Xin, Chen Xuegeng, Zheng Xuan, Yan Limin, Gou Haixiao. Design and experiment of monomer profiling raking-film mechanism of residue plastic film collector[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(8): 12－20. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.08.002 http://www.tcsae.org