基于滾筒彈齒式起膜機(jī)構(gòu)的殘膜回收機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

劉策，胡斌，羅昕，郭孟宇，李志勇，賀志勛，陳智磊，解彥宇

（1.石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子 832000；2.石河子市鑫昌盛農(nóng)機(jī)有限公司，新疆 石河子 832000）

地膜覆蓋技術(shù)具有增溫保墑、防病抗蟲、抑制雜草、改善作物品質(zhì)、增產(chǎn)等功能，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上得到廣泛應(yīng)用［1-2］。我國(guó)廣泛使用的農(nóng)膜厚度為0.008～0.014 mm，厚度較薄，抗拉性能差，給殘膜回收帶來困難，若不及時(shí)回收會(huì)導(dǎo)致大量地膜殘留在農(nóng)田中，影響作物生長(zhǎng)［3］。因此研發(fā)高效可靠的殘膜回收機(jī)十分迫切。

目前我國(guó)殘膜回收機(jī)常用的撿拾機(jī)構(gòu)有彈齒式［4-8］、耙齒式［9］、伸縮桿齒式［10-11］、鏈齒式［12-13］等，彈齒式凸輪機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，耙齒式采用強(qiáng)制摟膜，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單但是漏膜情況頻發(fā)，鏈齒式撿拾殘膜撿果好但成本較高，不易維修［14-18］。這些殘膜回收機(jī)已在一定程度上解決了機(jī)械化回收殘膜的問題，但還存在無法針對(duì)地面起伏不平情況進(jìn)行仿形、起膜機(jī)構(gòu)挑起力不足、送膜效果不好等問題。

針對(duì)以上問題，論文提出基于滾筒均布的起膜彈齒形變與恢復(fù)特性實(shí)現(xiàn)桿齒動(dòng)態(tài)仿形扎膜、挑膜和送膜功能的方法，設(shè)計(jì)了一種基于滾筒彈齒式起膜機(jī)構(gòu)的殘膜回收機(jī)，利用起膜軸主動(dòng)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)滾筒彈齒和彈齒本身彈性形變及恢復(fù)過程的挑動(dòng)結(jié)合完成起膜動(dòng)作。本文通過對(duì)整機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，重點(diǎn)對(duì)滾筒彈齒式起膜機(jī)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、受力分析和運(yùn)動(dòng)仿真分析，并進(jìn)行田間試驗(yàn)，旨在獲取最優(yōu)參數(shù)值，取得較優(yōu)作業(yè)性能。

1 殘膜回收機(jī)總體結(jié)構(gòu)與原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

整機(jī)配合秸稈還田機(jī)構(gòu)使用，主要由機(jī)架、起膜機(jī)構(gòu)、脫膜機(jī)構(gòu)、集膜箱、卸膜機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等部分組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中滾筒彈齒式起膜機(jī)構(gòu)由起膜彈齒、滾筒、起膜軸、螺栓等組成；脫膜機(jī)構(gòu)由脫膜軸、脫膜葉片、脫膜罩等組成；卸膜機(jī)構(gòu)由油缸、液壓馬達(dá)、支架、集膜箱等組成；傳動(dòng)機(jī)構(gòu)由變速箱、鏈輪、鏈條、傳動(dòng)軸、張緊機(jī)構(gòu)等組成。

圖1 滾筒彈齒式殘膜回收機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Figure 1 Structural diagram of drum elastic tooth residual film recycling machine

1.2 工作原理

工作時(shí)由拖拉機(jī)牽引前進(jìn)，后輸出軸傳出的動(dòng)力通過鏈輪與鏈條帶動(dòng)起膜機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)脫膜軸開始同步轉(zhuǎn)動(dòng)。工作深度可由拖拉機(jī)的液壓機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)，工作時(shí)起膜彈齒隨起膜軸轉(zhuǎn)動(dòng)刺破殘膜進(jìn)入土壤，在機(jī)具前進(jìn)帶動(dòng)下出土?xí)r帶出殘膜與土壤分離。彈齒具有彈性可以實(shí)現(xiàn)仿形功能，適應(yīng)起伏不平的地形進(jìn)行工作。起膜軸的旋轉(zhuǎn)和彈齒本身彈性形變恢復(fù)的挑動(dòng)形成合速度，殘膜被起膜彈齒挑起輸送至脫膜機(jī)構(gòu)處進(jìn)行脫膜。脫膜軸帶動(dòng)脫膜葉片轉(zhuǎn)動(dòng)，將起膜彈齒上的殘膜分離并帶到集膜箱中，當(dāng)集膜箱中殘膜回收到一定量后，啟動(dòng)液壓馬達(dá)，液壓油缸打開集膜箱釋放殘膜，完成卸膜動(dòng)作。

2 滾筒彈齒式起膜機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

作為殘膜回收機(jī)的關(guān)鍵機(jī)構(gòu)，滾筒彈齒式起膜機(jī)構(gòu)主要由起膜彈齒、滾筒、起膜軸、螺栓等組成，作用是將殘膜從地面挑起并逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)送到脫膜機(jī)構(gòu)處進(jìn)行脫膜，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中起膜彈齒材料為65Mn，具有良好的彈性和耐磨性，設(shè)計(jì)時(shí)將起膜彈齒設(shè)計(jì)為均布式，沿起膜軸軸向設(shè)置22組，每組周向均布6個(gè)彈齒。安裝時(shí)與脫膜環(huán)偏心安裝，使得工作時(shí)起膜彈齒轉(zhuǎn)動(dòng)到下方可以實(shí)現(xiàn)挑膜動(dòng)作，到上方可以借助脫膜環(huán)和脫膜機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)脫膜動(dòng)作。

圖2 關(guān)鍵機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)Figure 2 key mechanism structure

2.2 受力分析

在工作過程中，起膜軸的旋轉(zhuǎn)和彈齒本身彈性形變恢復(fù)的挑動(dòng)形成合速度，起膜彈齒受力為土壤力Fa、慣性力Fb和自身形變的彈力Fn3個(gè)力的合力，計(jì)算方程為

其中，Kt-彈齒與土壤之間載荷系數(shù)；b-彈齒受力寬度，m；h-彈齒受力長(zhǎng)度，m；m-彈齒挑起殘膜的質(zhì)量，g；ω-起膜軸轉(zhuǎn)動(dòng)角速度，r/min；R-起膜彈齒末端回轉(zhuǎn)半徑，m；M-彈齒所受轉(zhuǎn)矩，N·m；I-彈齒材料橫截面積面對(duì)彎曲中性軸的慣性矩，m4；x-彈齒未形變長(zhǎng)度，m；E-彈齒彈性模量，N；θ-彈齒形變轉(zhuǎn)角，（°）。

對(duì)彈齒工作過程的受力分析后，得到彈齒末端軌跡，分析是否穩(wěn)定連續(xù)撿拾殘膜。

圖3 起膜彈齒受力運(yùn)動(dòng)分析Figure 3 Force motion analysis of the teeth of the film spring

2.3 運(yùn)動(dòng)分析

假設(shè)彈齒在土壤中不發(fā)生形變，則軌跡如圖4所示，起膜機(jī)構(gòu)從O1位置至O2位置為入土過程，O2位置至O3位置過程為出土過程。起膜彈齒的運(yùn)動(dòng)是機(jī)具前進(jìn)和勻速圓周運(yùn)動(dòng)的復(fù)合運(yùn)動(dòng)。假設(shè)起膜機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，機(jī)具前進(jìn)方向?yàn)閤軸正方向，豎直向上為y軸正方向，可得起膜彈齒末端軌跡方程為

圖4 彈齒不發(fā)生形變和發(fā)生形變兩種情況下運(yùn)動(dòng)分析Figure 4 Motion analysis of elastic tooth without deformation and deformation

其中：v-機(jī)具前進(jìn)速度，m/s；R-起膜彈齒末端回轉(zhuǎn)半徑，m；t1-A點(diǎn)到C點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)時(shí)間，s；ω-起膜軸轉(zhuǎn)動(dòng)角速度，r/min。

求導(dǎo)可得到速度方程組

根據(jù)工作原理可知，vx的大小決定起膜彈齒是否有水平分速度，即是否可以完成挑膜動(dòng)作，令vx=0，即v=ωRsin(ωt1)。

起膜彈齒末端線速度為v1=ωR，令其與機(jī)具前進(jìn)速度之間的比值為λ=，λ影響機(jī)構(gòu)的工作性能。當(dāng)λ<1時(shí)，沒有形成水平方向的分速度，不能完成挑膜動(dòng)作；當(dāng)λ>1時(shí)，有向前的水平分速度，可以完成挑膜動(dòng)作。

彈齒在土壤中發(fā)生彎曲形變，因此在土壤中運(yùn)動(dòng)軌跡相對(duì)于不發(fā)生形變的軌跡會(huì)產(chǎn)生變化，可以將發(fā)生形變的彈齒運(yùn)動(dòng)軌跡視為不發(fā)生形變彈齒地面以上的運(yùn)動(dòng)軌跡，和發(fā)生形變的彈齒在地面以下的運(yùn)動(dòng)軌跡組合而成。

彈齒從A1進(jìn)入土壤受到土壤的支反力開始發(fā)生形變，在B1點(diǎn)處轉(zhuǎn)角和撓度達(dá)最大，然后形變開始減小，在C1點(diǎn)處離開土壤彈力釋放，彈性形變瞬間消失。在B1點(diǎn)處轉(zhuǎn)角計(jì)算方程為

撓度最大值計(jì)算方程為

根據(jù)前述對(duì)起膜彈齒的受力分析，可以得到彈齒離開土壤前受力和加速度方程為

根據(jù)前述起膜彈齒受力情況，將彈齒簡(jiǎn)化模型導(dǎo)入ansys有限元分析軟件中進(jìn)行分析，選擇彈齒材料為65Mn，并對(duì)彈齒表面劃分網(wǎng)格，施加載荷的約束，計(jì)算仿真結(jié)果：如圖5-1為模型的總變形分析云圖，模型的變形量最大值發(fā)生在彈齒末端，變形量最大值為6.0326 mm。圖5-2所示為應(yīng)變分析云圖，模型的等效應(yīng)變最大值發(fā)生在彈齒和圓環(huán)連接處，應(yīng)變最大值為1.3053×10-3。圖5-3為等效應(yīng)力分析云圖，模型的等效應(yīng)力最大值發(fā)生在彈齒和圓環(huán)連接處，應(yīng)力最大值為267.4 MPa小于65Mn材料的許用應(yīng)力［σb］=980 MPa。根據(jù)仿真分析結(jié)果得出設(shè)計(jì)符合彈齒工作要求。

圖5 起膜彈齒有限元分析結(jié)果Figure 5 Finite element analysis results of film-forming elastic teeth

研究發(fā)生形變的彈齒運(yùn)動(dòng)軌跡以及彈齒末端殘膜受力情況，與不發(fā)生形變的桿齒式殘膜撿拾機(jī)構(gòu)進(jìn)行比較，由于彈齒的變形，在實(shí)現(xiàn)對(duì)起伏不平的地面進(jìn)行仿形的同時(shí)，可以柔性入土起膜，減小對(duì)殘膜的破壞；出土?xí)r既利用了機(jī)具前進(jìn)速度、起膜軸轉(zhuǎn)速的同時(shí)，又巧妙利用了彈齒恢復(fù)自身形變的彈力給殘膜附加了向上加速度，在速度保持基本不變的情況下，瞬時(shí)加速度的提高能夠很好的提高挑膜效果。

2.4 殘膜不漏撿條件

在工作過程時(shí)，要求起膜機(jī)構(gòu)連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)且不漏撿，前一個(gè)起膜彈齒末端出土?xí)r，下一個(gè)起膜彈齒末端應(yīng)該入土，其運(yùn)動(dòng)軌跡如圖6所示。

圖6 起膜機(jī)構(gòu)連續(xù)起膜軌跡Figure 6 Continuous film lifting trajectory of film lifting mechanism

根據(jù)新疆棉花播種深度標(biāo)準(zhǔn)，為使彈齒順利起膜，起膜深度應(yīng)滿足

當(dāng)A1點(diǎn)與C點(diǎn)重合時(shí)，即為前一個(gè)起膜彈齒離開土壤時(shí)，后一個(gè)起膜彈齒恰好進(jìn)入土壤，臨界條件為

彈齒轉(zhuǎn)過角度2α所需的時(shí)間為t1，周向彈齒布置為6個(gè)，則相鄰兩彈齒之間的夾角β=2π/6=π/3，當(dāng)一個(gè)彈齒轉(zhuǎn)過β角，而后一個(gè)彈齒的頂端位處于A點(diǎn)，所用的時(shí)間是t2。將t1、t2帶入上式，求解

整理上式得，

即

式中：v為機(jī)具前進(jìn)速度，m/s；R為起膜彈齒末端回轉(zhuǎn)半徑，m；t為A點(diǎn)到C點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)時(shí)間，s；θ為彈齒形變轉(zhuǎn)角，°；ω為起膜軸轉(zhuǎn)動(dòng)角速度，r/min；h為彈齒入土深度，m；α為彈齒入土角度，°。

3 試驗(yàn)分析

試驗(yàn)在新疆維吾爾自治區(qū)克拉瑪依市克拉瑪依區(qū)136團(tuán)4連進(jìn)行，氣溫-1-12℃，試驗(yàn)田棉花種植品種為新石K18，試驗(yàn)田棉花種植模式采用一膜三行種植模式，所鋪地膜采用厚度為0.01 mm的耐候性地膜，覆膜幅寬為2 050 mm，地膜完整性較好，膜面上有少量棉鈴殼、棉葉和土壤覆蓋。殘膜回收機(jī)作業(yè)時(shí)由國(guó)產(chǎn)拖拉機(jī)新疆明斯克1521CHN（150）牽引工作，試驗(yàn)儀器主要有瑞儀卡土壤水分測(cè)量?jī)x、激光非接觸式轉(zhuǎn)速表VC6234P、秒表、卷尺、BSM-4200.2電子天平、鐵鍬等，試驗(yàn)土壤濕度為10%～20%。

3.1 試驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)

為分析殘膜回收機(jī)作業(yè)效果，選取殘膜回收率和含雜率兩個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，殘膜回收率的計(jì)算公式為

圖7 樣機(jī)田間試驗(yàn)Figure 7 Prototype field test

含雜率的計(jì)算公式為

其中：τ1為起膜機(jī)構(gòu)的殘膜回收率；τ2為起膜機(jī)構(gòu)的含雜率；m1為起膜機(jī)構(gòu)撿拾的地膜質(zhì)量（含纏在機(jī)器上的）；m2為田間未撿拾的地膜質(zhì)量；m3為起膜機(jī)構(gòu)撿拾的棉桿等雜質(zhì)質(zhì)量。

3.2 參數(shù)的選擇及試驗(yàn)設(shè)計(jì)

通過對(duì)起膜機(jī)構(gòu)的的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)分析，擬選定機(jī)具前進(jìn)速度、起膜彈齒直徑、起膜軸轉(zhuǎn)速為試驗(yàn)因素，探究試驗(yàn)因素匹配變化對(duì)殘膜回收率和含雜率的影響，確定工作時(shí)最優(yōu)參數(shù)組合。進(jìn)行田間試驗(yàn)時(shí)，保持所涉及的其他參數(shù)不變，如機(jī)構(gòu)的其他尺寸、土壤的參數(shù)等均保持不變。根據(jù)理論分析和實(shí)際工作，初步選定參數(shù)因素取值范圍為：機(jī)具前進(jìn)速度為4～6 km/h、起膜彈齒直徑為8～12 mm、起膜軸轉(zhuǎn)速為80～100 r/min。根據(jù)Box-Behnken設(shè)計(jì)的響應(yīng)曲面試驗(yàn)設(shè)計(jì)三因素三水平回歸正交試驗(yàn)，試驗(yàn)方案包含17個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)，試驗(yàn)確定的因素水平表如表1所示，試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)與試驗(yàn)結(jié)果如表2所示［19-22］。

表1 試驗(yàn)因素與水平Table 1 Factors and levels of experiment

表2 試驗(yàn)方案與試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Experimental scheme and results

3.3 試驗(yàn)結(jié)果分析及優(yōu)化

3.3.1 殘膜回收率回歸模型建立與方差分析運(yùn)用Design-Expert 10軟件對(duì)表2中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，建立響應(yīng)指標(biāo)殘膜回收率對(duì)機(jī)具前進(jìn)速度、起膜彈齒直徑、起膜軸轉(zhuǎn)速這三個(gè)因素的二次多元回歸方程：

其中Y1是殘膜回收率，A、B、C分別是機(jī)具前進(jìn)速度、起膜彈齒直徑、起膜軸轉(zhuǎn)速因素編碼值。

對(duì)回歸方程進(jìn)行方差分析，分析結(jié)果如表3所示。殘膜回收率回歸模型的P<0.0001，表明回歸模型極其顯著，失擬項(xiàng)P=0.062 2>0.05，表明回歸方程的擬合度較高。該回歸模型能正確反映殘膜回收率與A、B、C之間的關(guān)系。

因素P值的大小反應(yīng)該因素參數(shù)對(duì)回歸模型的影響大小，P<0.01表明因素參數(shù)對(duì)模型影響極其顯著，P<0.05表明因素參數(shù)對(duì)回歸模型影響顯著。分析表3可得，因素A、B、C、A2、B2、C2對(duì)回歸模型的影響極其顯著，其余各項(xiàng)影響不顯著。各因素參數(shù)對(duì)回歸模型影響大小從大到小依次為：起膜軸轉(zhuǎn)速>機(jī)具前進(jìn)速度>起膜彈齒直徑。

表3 回歸模型方差分析Table 3 Variance analysis of regression model

三因素之間交互作用對(duì)殘膜回收率影響的響應(yīng)曲面圖如圖8所示。分析圖8-A可看出，隨著機(jī)具前進(jìn)速度和彈齒直徑的增加，殘膜回收率呈現(xiàn)先增加后減小的變化趨勢(shì)，二者在零水平附近殘膜回收率出現(xiàn)最大值。當(dāng)彈齒直徑增大的過程中，彈齒彈力的增大提高起膜效率，但彈齒直徑大于10 mm后，彈力增大不明顯，同時(shí)在機(jī)具速度大于5 km/h時(shí)，起膜彈齒在較短的時(shí)間內(nèi)無法將田間的殘膜挑起，使得殘膜回收率降低。

分析圖8-B可看出，隨著機(jī)具前進(jìn)速度和起膜軸轉(zhuǎn)速的增加，殘膜回收率呈現(xiàn)先增加后減小的變化趨勢(shì)。這主要是因?yàn)楫?dāng)起膜軸轉(zhuǎn)速增大的過程中，起膜彈齒的在單位時(shí)間內(nèi)能將更多殘膜挑起，提高起膜效率，但起膜軸轉(zhuǎn)速過快時(shí)，對(duì)殘膜的破碎程度提高，出現(xiàn)碎膜回落現(xiàn)象，使得殘膜回收率降低。根據(jù)響應(yīng)曲面圖可看出起膜軸轉(zhuǎn)速對(duì)殘膜回收率影響較大，這與方差分析值體現(xiàn)結(jié)果一致。

分析圖8-C可看出，當(dāng)機(jī)具前進(jìn)速度固定在零水平時(shí)，隨著彈齒直徑和起膜軸轉(zhuǎn)速的增加，殘膜回收率呈現(xiàn)先增加后減小的變化趨勢(shì)。這主要是因?yàn)楫?dāng)彈齒直徑和起膜軸轉(zhuǎn)速增大的過程中，殘膜破碎程度嚴(yán)重，以及整機(jī)產(chǎn)生振動(dòng)，造成殘膜回收率有所下降。

圖8 因素交互作用對(duì)殘膜回收率的影響Figure 8 effect of factor interaction on the film pickup rate

3.3.2 含雜率回歸模型建立與方差分析同理可得，含雜率對(duì)機(jī)具前進(jìn)速度、起膜彈齒直徑、起膜軸轉(zhuǎn)速這三個(gè)因素的二次多元回歸方程：

其中Y2是含雜率，A、B、C分別是機(jī)具前進(jìn)速度、起膜彈齒直徑、起膜軸轉(zhuǎn)速因素編碼值。

對(duì)回歸方程進(jìn)行方差分析，分析結(jié)果如表4所示。含雜率回歸模型的P<0.000 1，表明回歸模型極其顯著，失擬項(xiàng)P=0.333 8>0.05，表明回歸方程的擬合度較高，該回歸模型能正確反映殘膜回收率與A、B、C之間的關(guān)系。因素A、A2、B2對(duì)回歸模型的影響極其顯著，因素B、C、AB影響顯著，其余各項(xiàng)不顯著。各因素參數(shù)對(duì)回歸模型影響大小從大到小依次為：機(jī)具前進(jìn)速度>起膜彈齒直徑>起膜軸轉(zhuǎn)速。

表4 回歸模型方差分析Table 4 Variance analysis of regression model

三因素之間交互作用對(duì)含雜率影響的響應(yīng)曲面圖如圖9所示。分析圖9-A可看出，隨著機(jī)具前進(jìn)速度和彈齒直徑的增加，含雜率呈現(xiàn)先減小后增大的變化趨勢(shì)，二者在零水平附近含雜率出現(xiàn)最小值。這主要是由于彈齒直徑增加的過程中，雜質(zhì)纏繞減少，造成含雜率呈下降趨勢(shì)，但彈齒直徑大于10 mm時(shí)，在機(jī)具速度大于5 km/h時(shí)，殘膜含雜率急劇上升，是因?yàn)槠鹉楜X起膜效果變差的同時(shí)挑起了更多的雜物，使得此時(shí)殘膜回收率下降的同時(shí)，含雜率呈上升趨勢(shì)。

圖9 因素交互作用對(duì)含雜率的影響Figure 9 effect of factor interaction on impurity content

分析圖9-B可看出，隨著機(jī)具前進(jìn)速度和起膜軸轉(zhuǎn)速的增加，含雜率呈現(xiàn)先減小后增大的變化趨勢(shì)，機(jī)具前進(jìn)速度5 km/h，起膜軸轉(zhuǎn)速91 r/min時(shí)，含雜率出現(xiàn)最小值。這主要是因?yàn)楫?dāng)機(jī)具前進(jìn)速度增大時(shí)，起膜軸轉(zhuǎn)速不斷增大的過程中，起膜彈齒在較短的時(shí)間內(nèi)無法將田間的殘膜挑起，反而帶起了更多的秸稈等雜質(zhì)，造成含雜率呈快速上升趨勢(shì)。

分析圖9-C可看出，當(dāng)機(jī)具前進(jìn)速度固定在零水平時(shí)，隨著彈齒直徑和起膜軸轉(zhuǎn)速的增加，含雜率呈現(xiàn)先減小后增大的變化趨勢(shì)。但是變化趨勢(shì)不是很明顯，兩因素對(duì)含雜率影響權(quán)重有所差異，但是主要是機(jī)具前進(jìn)速度影響，這與方差分析結(jié)果一致。

3.3.3 參數(shù)優(yōu)化運(yùn)用Design-Expert中的Optimization-Numerical模塊尋優(yōu)功能對(duì)殘膜回收率進(jìn)行優(yōu)化求解，即找到殘膜回收率最大同時(shí)含雜率最低的最佳參數(shù)組合，約束條件為：1）目標(biāo)函數(shù)殘膜回收率Y1（max），含雜率Y2（min）；2）影響因素約束：A機(jī)具前進(jìn)速度4～6 km/h，B起膜彈齒直徑為8～12 mm、C起膜軸轉(zhuǎn)速為80～100 r/min，得到起膜機(jī)構(gòu)最優(yōu)工作參數(shù)為：機(jī)具前進(jìn)速度為4.9 km/h，起膜彈齒直徑為9.7 mm，起膜軸轉(zhuǎn)速為86.1 r/min，殘膜回收率最優(yōu)為91.22%，含雜率最優(yōu)為3.4%。

為驗(yàn)證參數(shù)優(yōu)化的結(jié)果準(zhǔn)確性，采用起膜機(jī)構(gòu)最優(yōu)參數(shù)組合在田間進(jìn)行3次重復(fù)試驗(yàn)，通過平均值得到殘膜回收率均值為90.5%，含雜率為3.35%。驗(yàn)證結(jié)果與尋優(yōu)結(jié)果高度一致。具體作業(yè)效果如圖10所示。

圖10 收膜前后對(duì)比圖Figure 10 Comparison before and after film collection

4 結(jié)論

1）設(shè)計(jì)了一種基于滾筒彈齒式起膜機(jī)構(gòu)的殘膜回收機(jī)，利用起膜軸主動(dòng)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)滾筒彈齒和彈齒本身彈性形變和恢復(fù)過程的挑動(dòng)結(jié)合完成起膜動(dòng)作，對(duì)整機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，重點(diǎn)對(duì)起膜機(jī)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、受力分析和運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，分析了殘膜不漏撿條件，得到了影響起膜效果的關(guān)鍵因素及相互關(guān)系。

2）運(yùn)用Box-Behnken試驗(yàn)方法設(shè)計(jì)并進(jìn)行田間試驗(yàn)，采用3因素3水平響應(yīng)面分析法，運(yùn)用Design-Expert數(shù)據(jù)分析軟件建立了關(guān)鍵因素對(duì)殘膜回收率的回歸方程，得到了關(guān)鍵因素對(duì)殘膜回收率和含雜率影響大小順序。

3）運(yùn)用軟件尋優(yōu)功能得到三個(gè)因素參數(shù)的最優(yōu)組合，當(dāng)機(jī)具前進(jìn)速度為4.9 km/h，起膜彈齒直徑為27.8°，起膜軸轉(zhuǎn)速為86.1 r/min，殘膜回收率最優(yōu)為91.22%，含雜率最優(yōu)為3.4%.根據(jù)優(yōu)化后數(shù)據(jù)進(jìn)行機(jī)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)，并進(jìn)行田間試驗(yàn)驗(yàn)證。樣機(jī)撿拾作業(yè)后殘膜撿拾率為90.5%，含雜率為3.35%，試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果良好，滿足回收作業(yè)要求，表明設(shè)計(jì)合理性。