脫膜板式殘膜回收機(jī)起膜分離輸送裝置的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

周鑫城，張學(xué)軍*，史增錄，張朝書，白圣賀，黃爽

（1 新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052；2 阿拉爾市天典農(nóng)機(jī)制造有限責(zé)任公司，新疆 阿拉爾 843300；3 中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院土壤植物機(jī)器系統(tǒng)技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083）

鋪膜種植技術(shù)具有保溫保墑作用，提高農(nóng)作物產(chǎn)量，該技術(shù)被廣泛使用于新疆特色經(jīng)濟(jì)作物棉花的種植中[1]。2020年新疆地區(qū)的棉花總產(chǎn)量達(dá)到516萬(wàn)噸，占全國(guó)87.32%，新疆種植面積占全國(guó)棉花總種植面積的78.9%[2]。我國(guó)使用的地膜是聚乙烯烴類有機(jī)高分子化合物，在自然條件下極難降解[3]，造成了農(nóng)田土壤的白色污染，嚴(yán)重影響了農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境[4]。機(jī)械化回收是解決殘膜白色污染的有效手段[5]?，F(xiàn)有的殘膜回收機(jī)，根據(jù)不同農(nóng)藝作業(yè)時(shí)間分有播前、苗期和秋后殘膜回收機(jī)[6]。秋后殘膜回收階段，因地膜的力學(xué)性能良好、風(fēng)化程度低大部分為整膜，有利于機(jī)械化殘膜回收[7]，因此秋后殘膜回收是農(nóng)田殘膜污染治理的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

現(xiàn)有秋后殘膜回收機(jī)械主要有4JSM-2100秸稈還田機(jī)殘膜回收聯(lián)合作業(yè)機(jī)、齒鏈復(fù)合式殘膜回收機(jī)、夾指鏈?zhǔn)綒埬せ厥諜C(jī)等，其膜雜分離方式分別為撿拾滾筒撿拾后卸膜輥直接卸膜分離[8]、齒鏈撿拾裝置撿拾后刮板式卸膜機(jī)構(gòu)進(jìn)行卸膜分離[9]、夾指鏈?zhǔn)綋焓昂笥擅撃ぱb置進(jìn)行曲柄搖桿擺動(dòng)式卸膜分離[10]?，F(xiàn)有秋后殘膜回收機(jī)，起膜輸送后直接進(jìn)行撿拾分離工藝，缺少中間流程，即將殘膜、土塊、根茬進(jìn)行初步預(yù)分離的工藝流程[11]，易造成殘膜、土壤、作物的根茬分離困難，含雜率高等問(wèn)題[12]。因此，本文設(shè)計(jì)一種脫膜板式殘膜回收機(jī)的起膜分離輸送裝置，該裝置通過(guò)起膜裝置將膜、土、根茬混合物拋送至一二級(jí)分離圓盤輥進(jìn)行初級(jí)膜雜分離流程，以降低撿拾裝置分離輸送的難度。該裝置構(gòu)建的預(yù)分離流程，為起膜與撿拾流程提供過(guò)渡環(huán)節(jié)，二級(jí)分離使得雜質(zhì)被充分分離，減輕后續(xù)膜雜分離壓力，從而有效降低含雜率，解決分離不徹底的問(wèn)題，有益于殘膜回收后的處理、再利用等工作。

1 脫膜板式殘膜回收機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

脫膜板式殘膜回收機(jī)由機(jī)架、起膜分離輸送裝置、橫向排雜裝置、脫膜板式鏈耙撿拾裝置、卸膜導(dǎo)板裝置、三角循環(huán)式卸膜裝置、往復(fù)式輸膜箱等組成。整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 脫膜板式殘膜回收機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 工作原理

脫膜板式殘膜回收機(jī)可一次實(shí)現(xiàn)起膜、膜土輸送、撿拾與分離、脫膜、集膜和卸膜等功能。該機(jī)在秋季作物回收、棉秸稈粉碎后作業(yè)。作業(yè)時(shí)，采取與棉花種植行對(duì)行作業(yè)，由拖拉機(jī)牽引機(jī)具行進(jìn)，通過(guò)拖拉機(jī)的后輸出軸將動(dòng)力傳遞至后部各級(jí)裝置，起膜裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)表層膜土混合物的上翻、拋送，分離輸送裝置將殘膜、土塊、秸稈等混合物進(jìn)行初級(jí)分離，未分離完全的混合物被輸送至脫膜板式鏈耙撿拾裝置，膜、土、秸稈混合物隨脫膜板式鏈耙撿拾裝置實(shí)現(xiàn)升運(yùn)，被分離的土塊、秸稈等雜質(zhì)下落至橫向排雜裝置，排運(yùn)至已作業(yè)側(cè)，分離后的殘膜繼續(xù)附著在挑膜齒上，經(jīng)升運(yùn)后，在脫膜板式鏈耙撿拾裝置的托膜板承托作用下水平運(yùn)送至卸膜導(dǎo)板裝置與三角循環(huán)式卸膜裝置處進(jìn)行卸膜，卸膜導(dǎo)板裝置將卸膜導(dǎo)輪引導(dǎo)、改變其運(yùn)動(dòng)軌跡，實(shí)現(xiàn)脫膜板式鏈耙撿拾裝置中鏈耙釘齒的翻轉(zhuǎn)，對(duì)應(yīng)的托膜板未翻轉(zhuǎn)，鏈耙釘齒與托膜板產(chǎn)生相對(duì)位移，使殘膜向上從釘齒間滑動(dòng)落下，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)卸膜。未被卸膜的剩余部分殘膜，繼續(xù)由三角循環(huán)式卸膜裝置實(shí)現(xiàn)二次卸膜。卸下的殘膜隨自重下落被收集至往復(fù)式輸膜箱，待殘膜積聚一定體積后，往復(fù)式排膜桿進(jìn)行向后排膜工序，完成該機(jī)整個(gè)殘膜回收作業(yè)流程。

1.3 主要技術(shù)參數(shù)

脫膜板式殘膜回收機(jī)的主要參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 脫膜板式殘膜回收機(jī)主要參數(shù)

2 起膜分離輸送裝置的設(shè)計(jì)分析

起膜分離輸送裝置位于脫膜板式殘膜回收機(jī)前端，由起膜裝置與超重拋送輥、分離輸送裝置三部分組成。分離輸送裝置包括一、二級(jí)分離圓盤輥裝置。該裝置結(jié)構(gòu)示意圖如圖2。

圖2 起膜分離輸送裝置結(jié)構(gòu)示意圖

2.1 起膜分離輸送裝置的設(shè)計(jì)

2.1.1 起膜裝置的設(shè)計(jì)

參考文獻(xiàn)[13]，依據(jù)常規(guī)起膜裝置設(shè)計(jì)要求，結(jié)合脫膜板式殘膜回收機(jī)的工作特點(diǎn)和工況需要，確定起膜裝置的結(jié)構(gòu)。起膜裝置由起膜鏟刀、支撐刀架、筋板和起膜軸組成（圖3）。

工作時(shí)，膜、土等混合物在起膜鏟刀旋轉(zhuǎn)切削作用下，目標(biāo)區(qū)域的膜土混合物被逐漸抬升，拋送至后部一級(jí)分離輸送裝置，疏松后的膜土混合物便于后端撿拾裝置的撿拾。4塊鏟刀安裝于支撐刀架上，支撐刀架焊接固定于起膜軸，其鏟刀兩端分布有2個(gè)避茬口，具有規(guī)避根茬、減輕壅土程度及減阻作用。

圖3 起膜裝置結(jié)構(gòu)示意圖

2.1.2 超重拋送輥的設(shè)計(jì)

起膜裝置作業(yè)過(guò)程中，主要鏟起對(duì)象為輕質(zhì)膜土混合物，余下部分為膜茬混合物、質(zhì)量較大的含膜土塊等，該部分因?yàn)轶w積大、質(zhì)量重的特點(diǎn)，需要進(jìn)行二次拋送，以滿足拋向分離輸送裝置的工作要求。

超重拋送輥安裝于起膜裝置上前位置，以提供超重部分混合物的次級(jí)動(dòng)力，完成對(duì)該部分殘膜的回收，使得殘膜回收更加充分。超重拋送輥由4片拋送板與轉(zhuǎn)軸組成，圖4為其結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4 超重拋送輥結(jié)構(gòu)示意圖

2.1.3 分離輸送裝置的設(shè)計(jì)

結(jié)合新疆棉類作物種植特點(diǎn)以及農(nóng)藝技術(shù)，殘膜回收作業(yè)一般是在棉秸稈粉碎后進(jìn)行，作業(yè)時(shí)被鏟起的根茬較多，造成膜茬纏繞，導(dǎo)致分離部件分離能力下降而影響分離質(zhì)量。

利用分離輸送裝置，對(duì)鏟起的棉根茬進(jìn)行初級(jí)分離，以減小分離部件壓力。分離輸送裝置由一、二級(jí)分離圓盤輥組成，一、二級(jí)分離圓盤輥初步設(shè)定為等間距、等直徑圓盤構(gòu)成。圖5為一、二級(jí)分離圓盤輥排布示意圖，根據(jù)作業(yè)棉田為1 250 mm膜寬，為一膜四行種植模式，根據(jù)前期試驗(yàn)，設(shè)計(jì)L1為一級(jí)分離圓盤輥設(shè)計(jì)幅寬，1 220 mm；L2為二級(jí)分離圓盤輥設(shè)計(jì)幅寬，1 120 mm；B為分離圓盤間距，100 mm。

圖5 一、二級(jí)分離圓盤輥排布示意圖

2.2 分離輸送裝置的分析

2.2.1 分離輸送裝置的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

為分析分離輸送裝置工作狀態(tài)時(shí)根茬、土塊、殘膜的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，對(duì)起膜裝置拋至一級(jí)分離圓盤輥中后部的落點(diǎn)的膜雜分離、輸送過(guò)程進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，進(jìn)而確定合理的工作參數(shù)。以根茬、土塊等雜質(zhì)開(kāi)始被拋離前的位置為原點(diǎn)建立oxy直角坐標(biāo)系，分離圓盤輥上膜雜的運(yùn)動(dòng)軌跡分析如圖6所示。

ω1為起膜裝置轉(zhuǎn)速，rad/s；ω2為超重拋送裝置轉(zhuǎn)速，rad/s；ω3為一級(jí)分離圓盤輥轉(zhuǎn)速，rad/s；ω4為二級(jí)分離圓盤輥轉(zhuǎn)速，rad/s；v1為機(jī)具前進(jìn)速度，m/s；v0為膜雜混合物被一級(jí)分離圓盤輥拋離瞬間初速度，m/s;vx為v0的水平方向分速度，m/s；vy為v0豎直方向分速度，m/s;lx為膜雜混合物水平位移，mm；ly為膜雜混合物豎直位移，mm;α為v0與水平方向的夾角，°。圖6 膜雜在起膜分離輸送裝置運(yùn)動(dòng)軌跡

通過(guò)對(duì)圖7中的膜雜運(yùn)動(dòng)軌跡分析，并聯(lián)立式（1）、（2）可得膜土在重力和空氣阻力作用下水平方向和垂直方向分速度變化規(guī)律。其初始條件為：t=0，x0=y0=0，vx=v0cosα，vy=v0sinα，則有：

（1）

（2）

（3）

式（1）至（3）中t為膜雜離開(kāi)一級(jí)分離圓盤輥后運(yùn)動(dòng)的時(shí)間，s；m為膜雜混合物質(zhì)量，kg；g為重力加速度，m/s2；Cd為空氣阻力系數(shù)；ρ為空氣密度，1.293 kg/m3；A為與氣流運(yùn)動(dòng)方向垂直的投影面積，設(shè)定其為固定常數(shù)值，m2。

（4）

（5）

（6）

式（5）、（6）中θ為lx與ly夾角，°。

在一二級(jí)分離圓盤輥中心距不變的情況下，一級(jí)分離圓盤輥轉(zhuǎn)速在合理區(qū)間時(shí)，由于相對(duì)位置輥間安裝角θ的不同，一級(jí)分離圓盤輥會(huì)呈現(xiàn)以下3種拋離效果，設(shè)定θ0為此條件下理論計(jì)算輥間安裝角度值。由圖7可知：

當(dāng)θ>θ0時(shí)，在上述條件下，膜雜混合物可到達(dá)二級(jí)分離圓盤輥的前中區(qū)段。膜雜混合物碰撞后，作反向運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致膜雜混合物雍堵于一二級(jí)分離圓盤輥之間，使得分離輸送裝置輸送效果差。

當(dāng)θ=θ0時(shí)，膜雜混合物可到達(dá)二級(jí)分離圓盤輥?lái)敳恐悬c(diǎn)處，處于輸送條件臨界點(diǎn)。滿足于小部分輕質(zhì)膜雜混合物分離輸送要求，輸膜特性較差。

當(dāng)θ<θ0時(shí)，膜雜混合物可到達(dá)二級(jí)分離圓盤輥中后部，能夠滿足膜雜混合物分離輸送要求，可以保證殘膜輸送質(zhì)量。但θ不能太小，使得拋離后膜雜混合物落點(diǎn)位于二級(jí)分離圓盤輥后，影響該處分離質(zhì)量。因此，設(shè)計(jì)輥間安裝角度值θ<θ0。

當(dāng)α為60°，v0為2.38 m/s時(shí)，帶入（8）～（13）式得，lx為238 mm，ly為198 mm，θ0為39.79°，結(jié)合上述分析與前期試驗(yàn)情況，設(shè)置輥間安裝角度值θ為28°。

v0為膜雜混合物被一級(jí)分離圓盤輥拋離瞬間初速度，m/s;X為膜雜混合物運(yùn)動(dòng)軌跡；ω3為一級(jí)分離圓盤輥轉(zhuǎn)速，rad/s;ω4為二級(jí)分離圓盤輥轉(zhuǎn)速，rad/s；θ0為輥間安裝角度值，°。圖7 輥間安裝角分析

2.2.2 分離輸送裝置動(dòng)力學(xué)分析

為研究分離輸送裝置上膜雜混合物有效分離、輸送的條件，分析膜雜混合物在分離裝置上的受力情況。為簡(jiǎn)化膜雜混合物的受力，分析時(shí)認(rèn)為膜雜混合物均由起膜裝置拋送，且其在分離圓盤上不產(chǎn)生軸向運(yùn)動(dòng)[14]。膜雜混合物在一級(jí)分離圓盤輥上在拋離前的受力分析如圖8所示。

N為膜雜混合物受到的支持力，N；Fx為膜雜混合物受到的離心力，N;FA為膜雜混合物受到的空氣阻力，N；f為膜雜混合物受到的摩擦力，N;G為膜雜混合物重力，N；ω3為一級(jí)分離圓盤輥轉(zhuǎn)速，rad/min;δ為落點(diǎn)位置與豎直方向在圓心處夾角，°。圖8 膜雜混合物受力分析

若使膜雜混合物被一級(jí)分離圓盤輥拋離，需滿足拋離條件，其兩者的合力在豎直方向的分力應(yīng)大于重力，即

Fx≥Gsinδ+f+FA，

（7）

G=m1g，

（8）

（9）

（10）

f=μN(yùn)，

（11）

（12）

式（9）、（11）中r為分離圓盤半徑，m；μ為摩擦系數(shù)。

由此可得：

（13）

式（13）中n1為一級(jí)分離圓盤輥轉(zhuǎn)速，r/min。

由式（13）可知：一級(jí)分離圓盤輥轉(zhuǎn)速越大，膜雜混合物被拋出的速度越大，膜雜混合物對(duì)二級(jí)分離圓盤輥的作用力越大，轉(zhuǎn)速過(guò)大會(huì)使分離圓盤輥撕裂殘膜，增加回收難度；轉(zhuǎn)速過(guò)小，膜土不能被拋到二級(jí)分離圓盤輥上實(shí)現(xiàn)次級(jí)分離輸送，不滿足作業(yè)要求。因此，分離輸送裝置的輸膜效果主要與分離圓盤輥的轉(zhuǎn)速相關(guān)。

通過(guò)前期樣機(jī)試驗(yàn)證明，設(shè)置分離圓盤半徑r為240 mm，δ取值10°，將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式（13），得到一級(jí)分離圓盤輥轉(zhuǎn)速為183.4 r/min。

3 樣機(jī)田間試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)條件

2020年10月15日在新疆阿拉爾市雙城鎮(zhèn)選擇棉花已收獲、棉秸稈已粉碎的棉田進(jìn)行殘膜回收試驗(yàn)，試驗(yàn)地種植模式為一膜四行，即10 cm+66 cm+10 cm的模式，土壤為黏性土壤，棉稈茬高不高于15 cm，含水率16%～19%（0～10 cm土深），試驗(yàn)用地膜厚為0.01 mm，耐候期約為180 d。

3.2 試驗(yàn)儀器與設(shè)備

試驗(yàn)儀器設(shè)備包括雷沃歐豹M754-D輪式拖拉機(jī)、脫膜板式殘膜回收機(jī)、3組間距不同的分離圓盤輥、HSTL TRCS02型便攜式土壤水分測(cè)定儀（精度±3%）、TJSD-750-II土壤堅(jiān)實(shí)度測(cè)定儀、VICTOR6234P型激光轉(zhuǎn)速表（勝利儀器）、WT50002CF電子天平（精度10 mg）、皮尺、計(jì)算器、洗凈盆、樣品袋等。

3.3 試驗(yàn)指標(biāo)的測(cè)定

依據(jù)GB/T 25412—2010《殘地膜回收機(jī)》、NY/T 1227—2006《殘地膜回收機(jī)作業(yè)質(zhì)量》的要求，選取試驗(yàn)測(cè)定長(zhǎng)度為100 m，其含水率、土壤硬度等條件基本一致。每組因素組合進(jìn)行3次試驗(yàn)，試驗(yàn)后將往復(fù)式輸膜箱內(nèi)的土壤與根茬稱重，箱內(nèi)殘膜收納至具有組別編號(hào)的樣品袋，對(duì)其進(jìn)行清洗、晾曬、稱重等工序流程，纏繞于機(jī)械上殘膜同等收集至編號(hào)樣品袋，進(jìn)行同等工序流程[15]。測(cè)定殘膜回收率、含雜率兩個(gè)指標(biāo)，其計(jì)算方法為：利用往復(fù)式輸膜箱內(nèi)殘地膜的質(zhì)量與測(cè)區(qū)內(nèi)含有殘膜的總質(zhì)量之比，得到殘膜回收率HS（%）[16]；利用往復(fù)式輸膜箱內(nèi)的土壤、根茬等雜質(zhì)質(zhì)量與往復(fù)式輸膜箱內(nèi)總物質(zhì)的質(zhì)量之比，得到含雜率HZ（%）[18]。

3.4 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

為研究脫膜板式殘膜回收機(jī)起膜分離輸送裝置的性能，結(jié)合起膜分離裝置的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的分析，確定了以分離圓盤轉(zhuǎn)速、分離圓盤間距、機(jī)具前進(jìn)速度3個(gè)因素，以殘膜回收率、含雜率為指標(biāo)的起膜分離輸送裝置的性能研究，利用Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了試驗(yàn)設(shè)計(jì)。

試驗(yàn)過(guò)程中各因素調(diào)節(jié)方式為：分離圓盤轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)通過(guò)更換傳動(dòng)鏈輪實(shí)現(xiàn)，分離圓盤間距調(diào)節(jié)通過(guò)安裝位置間隔大小實(shí)現(xiàn)，機(jī)具前進(jìn)速度通過(guò)拖拉機(jī)換擋調(diào)節(jié)。根據(jù)殘膜回收機(jī)具一般作業(yè)實(shí)際情況，結(jié)合理論計(jì)算，各試驗(yàn)因素和水平見(jiàn)表2。

表2 試驗(yàn)因素和水平

3.5 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.5.1 回歸模型的建立與顯著性分析

依據(jù)Design-Expert軟件中Box-Behnken試驗(yàn)理念進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)，試驗(yàn)方案及響應(yīng)值結(jié)果見(jiàn)表3。

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

統(tǒng)計(jì)17組測(cè)試點(diǎn)試驗(yàn)前后測(cè)得的殘膜質(zhì)量的數(shù)據(jù)，并計(jì)算其各點(diǎn)試驗(yàn)前后的殘膜含量百分比，即是各點(diǎn)的殘膜回收率；同上將測(cè)區(qū)17組測(cè)試點(diǎn)分別測(cè)得的往復(fù)式輸膜箱內(nèi)的土壤、與根茬的質(zhì)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，通過(guò)式（15）計(jì)算得到含雜率。按以上方法得到各組殘膜回收率、含雜率平均值分別為81.49%、43.63%。

利用回歸方程方差性質(zhì)進(jìn)行分析[18]，結(jié)果見(jiàn)表4，由表4中二次項(xiàng)x12、x22、x32和x1x2、x1x3、x2x3的顯著性可知：3個(gè)因素與指標(biāo)殘膜撿拾率、含雜率之間存在的關(guān)系與交互作用。通過(guò)Design-expert軟件擬合分析，得到參數(shù)優(yōu)化前的殘膜撿拾率HS、含雜率HZ對(duì)機(jī)具前進(jìn)速度x1、一級(jí)分離圓盤輥轉(zhuǎn)速x2、分離圓盤間距x33個(gè)自變量因素的響應(yīng)面回歸模型及其回歸方程如下：

（14）

（15）

由表4分析可知：響應(yīng)值殘膜回收率HS、含雜率HZ對(duì)應(yīng)P值均小于0.000 1，表明該模型極其顯著；失擬項(xiàng)對(duì)應(yīng)P值均大于0.05，表明該回歸模型具有較高擬合度；該模型決定系數(shù)值分別為R2=0.974 8、R2=0.970 9，說(shuō)明該模型可以適用于97%以上的評(píng)價(jià)指標(biāo)，所以該裝置的工作參數(shù)優(yōu)化，可利用該模型進(jìn)行。

表4 試驗(yàn)分析結(jié)果

顯著性P值反應(yīng)各因素對(duì)于指標(biāo)的影響程度[19]，P<0.01為極顯著，表明因素對(duì)于指標(biāo)的影響度極高，P<0.05為顯著，表明因素對(duì)于指標(biāo)的影響度高。殘膜回收率模型HS中有5個(gè)回歸項(xiàng)為極顯著，分別為x1、x2、x3和x1x3、x12；2個(gè)回歸項(xiàng)為顯著，分別為x2x3、x22；模型中有2項(xiàng)為不顯著，分別為x1x2、x32。含雜率模型HZ中有5個(gè)回歸項(xiàng)為極顯著，分別為x1、x3、x1x3、x22、x32；3個(gè)回歸項(xiàng)為顯著，分別為x2、x1x2、x12；模型中有1項(xiàng)對(duì)其為不顯著，為x2x3。將不顯著因素剔除后，得到優(yōu)化后的模型，如式（16）、（17）所示。分析優(yōu)化后的回歸方程，模型中的HS、HZ對(duì)應(yīng)P值均小于0.000 1與其對(duì)應(yīng)的失擬項(xiàng)P值分別為0.235 0、0.208 5，即回歸模型對(duì)應(yīng)失擬項(xiàng)均不顯著，可判定優(yōu)化模型可靠。

（16）

（17）

3個(gè)試驗(yàn)因素對(duì)殘膜回收率的顯著性順序?yàn)椋簷C(jī)具前進(jìn)速度>一級(jí)分離圓盤輥轉(zhuǎn)速>分離圓盤間距；對(duì)含雜率的顯著性順序?yàn)椋悍蛛x圓盤間距>機(jī)具前進(jìn)速度>一級(jí)分離圓盤輥轉(zhuǎn)速。

3.5.2 交互因素對(duì)裝置工作性能影響的分析

3個(gè)因素交互作用對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)殘膜回收率、含雜率形成的響應(yīng)面3 D圖如圖9所示。

圖9a為分離圓盤間距位于中心水平（75 mm）時(shí)，機(jī)具前進(jìn)速度、一級(jí)分離圓盤輥轉(zhuǎn)速對(duì)殘膜回收率HS交互作用的響應(yīng)面圖，可知：機(jī)具前進(jìn)速度逐漸增加時(shí)，殘膜回收率先增后減，具有較顯著的變化幅度。一級(jí)分離圓盤輥轉(zhuǎn)速逐漸增加時(shí)，殘膜回收率具有先增后減趨勢(shì)，其變化趨勢(shì)較平緩。表明其對(duì)殘膜回收率影響顯著程度較機(jī)具前進(jìn)速度小。

圖9b為一級(jí)分離圓盤輥轉(zhuǎn)速位于中心水平（200 r/min）時(shí)機(jī)具前進(jìn)速度、分離圓盤間距對(duì)殘膜回收率HS交互作用的響應(yīng)面圖，可知：機(jī)具前進(jìn)速度逐漸增加時(shí)，殘膜回收率先增后減，具有較顯著的變化幅度。分離圓盤間距逐漸增加時(shí)，殘膜回收率逐漸增加，其變化較為平緩，在中心水平下機(jī)具前進(jìn)速度對(duì)殘膜回收率影響更顯著。

圖9c為機(jī)具前進(jìn)速度位于中心水平（4 km/h）時(shí)，一級(jí)分離圓盤輥轉(zhuǎn)速、分離圓盤間距對(duì)殘膜回收率HS交互作用的響應(yīng)面圖，可知：一級(jí)分離圓盤輥轉(zhuǎn)速逐漸增加時(shí)，殘膜回收率先增后減，具有較顯著的變化幅度。分離圓盤間距逐漸增加時(shí)，殘膜回收率平緩減小，在中心水平下，一級(jí)分離圓盤輥轉(zhuǎn)速對(duì)殘膜回收率影響更顯著。

圖9d為分離圓盤間距位于中心水平（75 mm）時(shí)機(jī)具前進(jìn)速度、一級(jí)分離圓盤輥轉(zhuǎn)速對(duì)含雜率HZ交互作用的響應(yīng)面圖，可知：機(jī)具前進(jìn)速度逐漸增加時(shí)，含雜率具有先減后增趨勢(shì)，變化幅度大。含雜率隨一級(jí)分離圓盤輥轉(zhuǎn)速逐漸增加先減后增，變化幅度較小，機(jī)具前進(jìn)速度對(duì)含雜率影響更顯著。

圖9e為一級(jí)分離圓盤輥轉(zhuǎn)速位于中心水平（200 r/min）時(shí)機(jī)具前進(jìn)速度、分離圓盤間距對(duì)含雜率HZ交互作用的響應(yīng)面圖，可知：機(jī)具前進(jìn)速度逐漸增加時(shí)，含雜率具有先減后增趨勢(shì)，變化幅度平緩。含雜率隨分離圓盤間距逐漸增加而先減后增，分離圓盤間距對(duì)含雜率影響更顯著。

圖9f為機(jī)具前進(jìn)速度位于中心水平（4 km/h）時(shí)一級(jí)分離圓盤輥轉(zhuǎn)速、分離圓盤間距對(duì)含雜率HZ交互作用的響應(yīng)面圖，可知：一級(jí)分離圓盤輥轉(zhuǎn)速逐漸增加時(shí)，含雜率先減后增，具有較顯著的變化幅度。分離圓盤間距逐漸增加時(shí)，含雜率先減后增，分離圓盤間距對(duì)含雜率影響更顯著。

圖9 交互因素對(duì)殘膜回收率與含雜率的影響

從圖9a、b、c可知：3個(gè)試驗(yàn)因素對(duì)響應(yīng)值HS的響應(yīng)面變化規(guī)律與前述式（18）回歸模型及其方差分析結(jié)果相同，總體的影響趨勢(shì)大致為機(jī)具前進(jìn)速度越高、一級(jí)分離圓盤輥轉(zhuǎn)速越低、分離圓盤間距越小則殘膜回收率越高。其原因分析如下：機(jī)具前進(jìn)速度大時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)從起膜裝置拋至一二級(jí)分離圓盤輥的膜雜混合物更多，雜質(zhì)混合體被一二級(jí)分離圓盤輥拋送更連續(xù)，對(duì)殘膜形成較為連續(xù)的運(yùn)動(dòng)輸送；一級(jí)分離圓盤輥轉(zhuǎn)速越低，形成較為穩(wěn)定的拋離運(yùn)動(dòng)路徑，受質(zhì)量較輕拋離路徑越大干擾較小；分離圓盤間距越小，同等質(zhì)量下的膜雜混合物與分離圓盤輥接觸的幾率越大，提高輸膜的可靠度，但與此同時(shí)過(guò)小的分離圓盤間距，也使雜質(zhì)混合體的拋送幾率增大，而導(dǎo)致分離效果不佳。

從圖9d、e、f可知：3個(gè)試驗(yàn)因素對(duì)響應(yīng)值HZ的響應(yīng)面變化規(guī)律與前述式（19）回歸模型及其方差分析結(jié)果相同，總體的影響趨勢(shì)大致為機(jī)具前進(jìn)速度越低、一級(jí)分離圓盤輥轉(zhuǎn)速越高、分離圓盤間距越大則含雜率越低。其主要原因分析如下：機(jī)具前進(jìn)速度越低，單位時(shí)間被鏟起拋至一級(jí)分離圓盤輥的膜雜混合物的質(zhì)量越小，同一時(shí)間可分離輸入量低，有利于分離圓盤輥分離；一級(jí)分離圓盤輥轉(zhuǎn)速越高，一部分質(zhì)量較輕雜質(zhì)被擊飛拋至工作區(qū)段外部，減少雜質(zhì)成分百分比；分離圓盤間距越大，同等輸入量下的膜雜混合物與分離圓盤接觸的幾率越小，具有良好的分離作用，但該間距不能過(guò)大，而使輸膜效果變差。

3.5.3 參數(shù)優(yōu)化與試驗(yàn)驗(yàn)證

為了達(dá)到脫膜板式殘膜回收機(jī)的最佳工作性能，結(jié)合試驗(yàn)指標(biāo)工作質(zhì)量要求，殘膜回收率值大為佳、含雜率值小為佳，需對(duì)3個(gè)試驗(yàn)因素進(jìn)行參數(shù)組合優(yōu)化工作。利用Design-Expert軟件對(duì)構(gòu)建的2個(gè)三元一次回歸方程進(jìn)行參數(shù)最優(yōu)化求解。殘膜回收率為殘膜回收的關(guān)鍵指標(biāo)，但影響殘膜后續(xù)處理的指標(biāo)為含雜率，若土塊、秸稈等雜質(zhì)含量過(guò)大，無(wú)法進(jìn)行后處理，結(jié)合起膜分離輸送裝置性能要求，所以兩指標(biāo)對(duì)該機(jī)工作性能同等重要，設(shè)置目標(biāo)函數(shù)權(quán)重均為50%，通過(guò)分析求解后，得到以下最優(yōu)參數(shù)組合：機(jī)具前進(jìn)速度為4.02 km/h，一級(jí)分離圓盤輥轉(zhuǎn)速為185.19 r/min，分離圓盤間距86.22 mm時(shí)，殘膜回收率和含雜率2個(gè)指標(biāo)的預(yù)測(cè)值分別為87.88%、35.72%。

以上參數(shù)組合范圍僅具有推薦價(jià)值，實(shí)際參數(shù)組合需通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)其的驗(yàn)證，以確保準(zhǔn)確度，驗(yàn)證最優(yōu)參數(shù)組合可靠性。結(jié)合實(shí)際機(jī)械生產(chǎn)與工藝要求，本文各驗(yàn)證試驗(yàn)因素優(yōu)化參數(shù)值分別為機(jī)具前進(jìn)速度4 km/h、一級(jí)分離圓盤輥轉(zhuǎn)速為185 r/min、分離圓盤間距85 mm，在阿克蘇兵團(tuán)第一師六團(tuán)農(nóng)業(yè)推廣合作社試驗(yàn)地進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表5。

由表5可知：試驗(yàn)指標(biāo)驗(yàn)證值與優(yōu)化預(yù)測(cè)值相對(duì)誤差均小于5%，表明該參數(shù)優(yōu)化模型準(zhǔn)確可靠。當(dāng)參數(shù)組合為機(jī)具前進(jìn)速度4 km/h，一級(jí)分離圓盤輥轉(zhuǎn)速為185 r/min，分離圓盤間距85 mm時(shí)，此時(shí)殘膜回收率為86.93%，含雜率為37.28%。

表5 優(yōu)化值與試驗(yàn)驗(yàn)證值

4 結(jié)論

（1）本研究進(jìn)行了脫膜板式殘膜回收機(jī)膜分離輸送裝置的設(shè)計(jì)，通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證該組合裝置的工作可靠性。

（2）所選各因素對(duì)具有起膜分離輸送裝置的脫膜板式殘膜回收機(jī)下，殘膜回收率的顯著性大小依次為：機(jī)具前進(jìn)速度、一級(jí)分離圓盤輥轉(zhuǎn)速、分離圓盤間距；對(duì)含雜率的顯著性大小依次為：分離圓盤間距、機(jī)具前進(jìn)速度、一級(jí)分離圓盤輥轉(zhuǎn)速。

（3）應(yīng)用響應(yīng)面分析各因素交互作用對(duì)響應(yīng)指標(biāo)的綜合效應(yīng)：機(jī)具前進(jìn)速度越高、一級(jí)分離圓盤輥轉(zhuǎn)速越低、分離圓盤間距越小則殘膜回收率越高。機(jī)具前進(jìn)速度越低、一級(jí)分離圓盤輥轉(zhuǎn)速越高、分離圓盤間距越大則含雜率越低。

（4）對(duì)構(gòu)建的殘膜回收率、含雜率回歸方程進(jìn)行優(yōu)化求解，確定最佳參數(shù)組合為機(jī)具前進(jìn)速度4 km/h，一級(jí)分離圓盤輥轉(zhuǎn)速為185 r/min，分離圓盤間距85 mm，進(jìn)行田間試驗(yàn)驗(yàn)證，殘膜回收率為86.93%，含雜率為37.28%。