彈齒式殘膜回收機(jī)參數(shù)優(yōu)化及試驗(yàn)

靳 偉,白圣賀,張學(xué)軍,2,周鑫城,馬少騰

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,烏魯木齊 830052; 2. 新疆農(nóng)業(yè)工程裝備創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,烏魯木齊 830052)

0 引言

地膜覆蓋種植技術(shù)改善和優(yōu)化了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)種植條件,克服了一些不良條件和不良環(huán)境對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)種植的影響,被認(rèn)為是一種能使農(nóng)作物早熟、高產(chǎn)、高效、優(yōu)質(zhì)的先進(jìn)農(nóng)業(yè)技術(shù)[1-5]。該技術(shù)措施對(duì)于農(nóng)作物栽培全生育期具有早播、增溫、保溫、抑制雜草生長(zhǎng)、早熟、提高產(chǎn)品質(zhì)量和增產(chǎn)增收等顯著特點(diǎn),全國鋪膜種植面積超過800萬hm2,新疆超過180萬hm2,我國地膜覆蓋種植面積位居世界第一[6-10]。

近年來,隨著覆膜保溫旱作節(jié)水農(nóng)業(yè)技術(shù)大面積推廣,地膜用量不斷增大,由此帶來的地膜污染問題也日益嚴(yán)重。因殘留在農(nóng)田的廢舊地膜不能腐爛分解,越積越多,造成農(nóng)田固體廢物污染,阻礙農(nóng)作物產(chǎn)量和品質(zhì)的提高。其破壞土壤耕層結(jié)構(gòu),嚴(yán)重影響土壤通透性及水分上下循環(huán),妨礙種子發(fā)芽、生長(zhǎng),助長(zhǎng)細(xì)菌等有害生物活動(dòng),導(dǎo)致農(nóng)作物減產(chǎn)[11-14]。為此,開發(fā)了農(nóng)用地膜回收機(jī)械效率高、可持續(xù)發(fā)展、減少農(nóng)業(yè)面源污染等優(yōu)勢(shì),對(duì)維持農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的順利進(jìn)行具有十分重要的意義。本文針對(duì)殘膜撿拾難題,設(shè)計(jì)了一種彈齒式殘膜回收機(jī)裝置,為殘膜回收機(jī)的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 結(jié)構(gòu)組成及工作原理

彈齒式殘膜回收機(jī)主要由碎土裝置、挑膜裝置、卸膜裝置、集膜裝置、傳動(dòng)系統(tǒng)、地輪及機(jī)架等部件組成,如圖1所示。殘膜回收機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 殘膜回收機(jī)主要參數(shù)

1.碎土裝置 2.機(jī)架 3.挑膜裝置 4.卸膜裝置 5.集膜裝置 6.地輪 7.傳動(dòng)系統(tǒng)

整個(gè)機(jī)器由拖拉機(jī)牽引,前方安裝松土輪隨機(jī)架的前行進(jìn)行碎土和松土;前方正上方安裝傳動(dòng)裝置帶動(dòng)挑膜裝置的轉(zhuǎn)動(dòng),動(dòng)力通過鏈輪帶動(dòng)膜軸的轉(zhuǎn)動(dòng)使彈簧齒入土30～50mm撿拾殘膜,再通過刮板把膜推入套有尼龍網(wǎng)套的箱子里推到集膜箱。其中,彈簧齒在工作中的作用:一是入土并帶起殘膜的作用;二是給膜一定的慣性使之能夠落入集膜箱。該裝置安裝在機(jī)架上方,由車輪軸的轉(zhuǎn)動(dòng)通過鏈輪帶動(dòng)脫膜軸,再帶動(dòng)刮膜板刮膜。

2 殘膜撿拾試驗(yàn)與工作參數(shù)優(yōu)化

2.1 試驗(yàn)條件與因素

試驗(yàn)地點(diǎn)選在新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第一師六團(tuán)七連已被收獲的棉田地。試驗(yàn)地較為平坦,經(jīng)測(cè)定試驗(yàn)地土壤含水率均值為9.52%、地表殘膜含量均值為10.59 g/m2、土壤堅(jiān)實(shí)度均值為0.75 MPa,覆蓋地膜采用國家標(biāo)準(zhǔn)地膜厚度為0.008 mm。選用約翰迪爾554型拖拉機(jī),額定功率為74.8kW。根據(jù)理論分析及前期預(yù)試驗(yàn),選取機(jī)器前進(jìn)速度v、卸膜軸與挑膜軸的速度比u和挑膜彈齒入土深度h為試驗(yàn)因素,因素水平如表2所示。

表2 試驗(yàn)因素和水平

2.2 殘膜撿拾率與卸膜率試驗(yàn)方法

根據(jù)NYT1227-2006殘膜回收機(jī)作業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)試驗(yàn)[15-16],在試驗(yàn)地內(nèi)隨機(jī)選取5個(gè)區(qū)域(1m×1m),將每個(gè)區(qū)域地表殘膜收集裝袋洗凈并稱質(zhì)量,取其平均值記為Ga;設(shè)置殘膜回收機(jī)前進(jìn)距離為100m,設(shè)置5個(gè)測(cè)量行程,作業(yè)后隨機(jī)各選取1個(gè)區(qū)域(1m×1m),將每個(gè)區(qū)域地表剩余殘膜撿拾干凈裝袋洗凈并稱質(zhì)量,取其平均值記為Gb。每個(gè)行程撿拾殘膜后,將殘膜回收箱中的殘膜裝袋洗凈并稱質(zhì)量,取其平均值記為Gc。殘膜撿拾率與卸膜率計(jì)算公式為

(1)

式中φ—?dú)埬焓奥?%);

γ—卸膜率(%)。

Ga—試驗(yàn)前試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)殘膜的平均質(zhì)量(g);

Gb—試驗(yàn)后試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)剩余殘膜的平均質(zhì)量(g);

Gc—試驗(yàn)后膜箱內(nèi)殘膜的平均質(zhì)量(g)。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.3.1 試驗(yàn)結(jié)果

運(yùn)用Design軟件采用Box-Benhnken設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)以機(jī)器前進(jìn)速度v、卸膜軸與挑膜軸的速度比u、挑膜彈齒入土深度h為試驗(yàn)因素,撿拾率與卸膜率為目標(biāo)值的正交試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果如表3所示,田間試驗(yàn)圖2所示。

表3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案及響應(yīng)值結(jié)果

圖2 田間試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

2.3.2 回歸模型的建立與顯著性分析

根據(jù)表3中的數(shù)據(jù)樣本,采用Design-Expert軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸擬合分析, 由表4得到以撿拾率與卸膜率為響應(yīng)函數(shù),各因素為自變量的回歸方程,

表4 回歸模型方差分析

即

(2)

通過P值大小可以反應(yīng)各個(gè)參數(shù)對(duì)回歸方程的影響作用,殘膜撿拾率P=0.000 3,卸膜率P=0.008 4,表明參數(shù)對(duì)模型影響極顯著,模型非?？煽?。殘膜撿拾率模型中有6個(gè)回歸項(xiàng)影響極顯著,分別為X1、X2、X1X2、X2X3、X22、X32;有3個(gè)回歸項(xiàng)對(duì)試驗(yàn)影響不顯著,分別為X3、X1X3、X12。卸膜率模型中有2個(gè)回歸項(xiàng)影響極顯著,分別為X1、X22;有3個(gè)回歸項(xiàng)對(duì)模型影響顯著,為X2、X1X3、X32;有4個(gè)回歸項(xiàng)對(duì)試驗(yàn)影響不顯著,分別為X3、X1X2、X2X3、X12。剔除模型中不顯著回歸項(xiàng),對(duì)模型殘膜撿拾率與卸膜率進(jìn)行優(yōu)化,得到優(yōu)化后的回歸方程為

(3)

2.3.3 響應(yīng)面分析

根據(jù)方差分析,試驗(yàn)因素影響殘膜撿拾率和卸膜率的顯著順序?yàn)?機(jī)器前進(jìn)速度v>卸膜軸與挑膜軸的速度比u>挑膜彈齒入土深度h。利用Design-expert中的Optimization優(yōu)化分析得:當(dāng)機(jī)器前進(jìn)速度v為1.60m/s、卸膜軸與挑膜軸的速度比u為4.3、挑膜彈齒入土深度h為35.90mm時(shí),殘膜撿拾率達(dá)到89.6%,卸膜率為94.2%。響應(yīng)面優(yōu)化如圖3和圖4所示。

(a)

圖4 殘膜卸膜率的響應(yīng)面優(yōu)化圖

3 參數(shù)優(yōu)化與試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證模型預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性,采用上述參數(shù)在新疆生產(chǎn)建設(shè)農(nóng)一師六團(tuán)七連秸稈收獲后的棉花地中進(jìn)行3次驗(yàn)證試驗(yàn)?？紤]到機(jī)具在試驗(yàn)地中實(shí)際工作情況,設(shè)置機(jī)器前進(jìn)速度v為1.60m/s,卸膜軸與挑膜軸的速度比u為4.3,挑膜彈齒入土深度h為36.00mm。在此方案下進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn),結(jié)果如表5所示。

表5 模型優(yōu)化與田間試驗(yàn)對(duì)比

通過表5可得:撿拾率與卸膜率試驗(yàn)的平均值分別為88.2%、92.5%,試驗(yàn)值與優(yōu)化結(jié)果的相對(duì)誤差分別為1.57%、1.80%,均小于5%,表明參數(shù)優(yōu)化的模型可靠。當(dāng)機(jī)器前進(jìn)速度v為1.60m/s、卸膜軸與挑膜軸的速度比u為4.3、挑膜彈齒入土深度h為36.00mm時(shí),殘膜撿拾率為88.2%,卸膜率為92.5%。

4 結(jié)論

1)機(jī)具的各因素對(duì)殘膜撿拾率與卸膜率的影響顯著順序?yàn)?機(jī)器前進(jìn)速度v>卸膜軸與挑膜軸的速度比u>挑膜彈齒入土深度h。

2)采用Design-expert軟件中的Box-Benhnken中心組合試驗(yàn)方法與試驗(yàn)驗(yàn)證,確定:當(dāng)機(jī)器前進(jìn)速度v為1.60m/s、卸膜軸與挑膜軸的速度比u為4.3、挑膜彈齒入土深度h為36.00mm時(shí),殘膜撿拾率為88.2%,卸膜率為92.5%,試驗(yàn)值與優(yōu)化結(jié)果的相對(duì)誤差分別為1.57%、1.80%,均小于5%,表明模型可靠性比較高。