旱地全膜双垄沟残膜回收机的试验研究

王松林，敬志臣，韩正晟，王波，戴飞，高爱民

(1.甘肃农业大学工学院，甘肃 兰州　730070；2.陇东学院机械工程学院，甘肃 庆阳　745000)

旱地全膜双垄沟残膜回收机的试验研究

王松林1，敬志臣2，韩正晟1，王波1，戴飞1，高爱民1

(1.甘肃农业大学工学院，甘肃 兰州730070；2.陇东学院机械工程学院，甘肃 庆阳745000)

摘要：针对西北旱地全膜双垄沟残膜回收机回收率低的问题，采用正交试验法对残膜回收机的起膜齿齿数、搂膜耙齿齿径、起膜齿入土深度进行研究，并对试验结果进行方差分析，优化了关键部件参数，确定了残膜回收机最佳工作性能参数.即起膜齿齿数为4个，前、中、后搂膜耙齿齿径组合为10-8-6 mm，起膜齿入土深度为50 mm.重复试验结果表明：回收机残膜回收率为93.4%>75%，很好地满足了残膜回收的农艺要求.

关键词：残膜回收机；全膜双垄沟；正交试验

第一作者：王松林(1989-)，男，硕士研究生，主要从事农业工程技术与装备研究.E-mail:wangsonglin10@126.com

Experimental research on retrieving machine for film

residue with whole plastic film mulching on

double ridges in arid land

WANG Song-lin1，JING Zhi-chen2，HAN Zheng-sheng1，WANG Bo1，DAI Fei1，GAO Ai-min1

(1.College of Engineering，Gansu Agricultural University，Lanzhou 730070，China；2.College of

Mechanical Engineering，Longdong University，Qingyang 745000，China)

Abstract：Aimed at the problem of lower rate recycling of plastic film collector for whole mulching on double ridges in northwestern arid land,orthogonal test method was used for the study on number of cutting film teeth,diameter of collecting film teeth and buried depth of the cutting film teeth.The experimental results were analyzed by variance analysis,and the key component parameters were optimized.The best working performance parameters of the collector were discovered as follows:the number of cutting film teeth was 4,the combination diameter of front,middle and back collecting film teeth was 10-8-6 mm,and the buried depth of the cutting film teeth was 50 mm.The results of replicated tests showed the rate of recycling of film was 93.4%>75%,which well met the agronomic requirements.

Key words：retrieving machine for film residue;whole plastic film mulching on double ridges;orthogonal experiment

西北旱作农业区的土壤退化、旱情加重、低经济效益等问题制约其农业可持续发展[1].全膜双垄沟播技术突破了传统的垄上种植模式，铺膜后通过膜上开穴将种子播种于垄沟内，降雨富积于垄沟内作物根系，地表水分的蒸发量被地膜显著抑制[2].全膜双垄沟播技术给旱作农业带来了福音，其显著的经济效益使得该技术在西北地区进行大规模的推广[3].然而由于地膜所采用的聚乙烯等烃类化合物在自然条件下极难降解，在土壤中可存在数百年[4-5].残膜滞留于土壤中所带来的“白色污染”导致农田环境恶化、土壤质量下降、农作物减产等问题[6-7].机械化残膜回收是解决残膜污染问题的有效手段[8]，目前国内的残膜回收机如气吸式、弹齿式、滚筒式、偏心伸缩杆齿式等普遍存在结构复杂、造价高、仿形能力差、回收率低等问题[9-13]，且缺乏对关键部件参数优化的试验研究，成为了制约残膜机械化回收的主要因素.鉴于此，本研究根据残膜回收的农艺技术要求，针对残膜回收机所存在的问题，通过正交试验优化残膜回收机的起膜齿齿数，前、中、后搂膜耙齿齿径，起膜齿入土深度等关键部件参数，提高了残膜回收率.

1整机结构及主要技术参数

1.1整机结构

旱地全膜双垄沟残膜回收机主要由机架、三点悬挂装置、弹齿搂膜机构、起膜齿、气动卸膜机构、地轮等组成.其结构如图1所示.

1.2工作原理

该机作业时，整机三点悬挂于四轮拖拉机尾部，拖拉机驱动残膜回收机前进并带动起膜齿入土起膜、破根茬.前搂膜耙齿将残膜收集在其耙齿之间，由于前、中、后搂膜耙齿相互错开、齿间间距依次变小、齿数依次变多，中、后搂膜耙齿可将前耙齿漏掉的残膜进行第二、三次收集.当残膜收集到一定程度时，通过气泵驱动平行四杆机构带动卸膜齿转动进行自动卸膜.

1.3技术指标

旱地全膜双垄沟残膜回收机的主要技术参数如表1所示.

2正交试验

2.1试验条件

旱地全膜双垄沟残膜回收机于2014年在甘肃省庆阳市西峰区后官寨乡路堡村进行了数次田间试验.试验地海拔高度为1 421 m，年均降水量480 mm，年均气温8.8 ℃，全年无霜期175 d，属于黄土高原干旱地区.试验地地势较缓，土壤以中壤土为主，含水率18.9%～20.3%，坚实度1 560.3 kPa，前茬作物为玉米，试验对象为两年用地膜，厚度为0.006 mm，抗拉强度为17.84 N.机具与东方红-200型四轮拖拉机(14.7 kW)三点悬挂连接，作业速度为1.0 m/s.旱地全膜双垄沟残膜回收机的田间试验如图2所示，残膜回收前后的对比效果如图3所示.

1：平行四杆机构;2：三点悬挂装置;3：气泵;4：起膜齿;5：地轮;6：前搂膜耙齿;7：机架;8：中搂膜耙齿;9：卸膜齿;10：后搂膜耙齿.

图1　残膜回收机结构图

2.2试验指标

按照残膜回收的农艺要求，并更好地对残膜回收机进行定量分析，确定该试验指标为回收率，计算方法如下：

图2　残膜回收机田间试验

图3　残膜回收前后对比效果

2.3试验方法

以两个工作幅宽(1.6 m×2)为宽，试验地地长(120 m)为长划定一个单位的矩形试验区域.残膜回收后洗净、晾干，测定其质量，地膜总质量以覆膜时消耗的薄膜量在田间经过两年曝晒、风干后的质量为准.

2.4试验因素与水平

主要考察易于控制且对残膜回收机的试验指标影响最主要的因素：起膜齿齿数，前、中、后搂膜耙齿齿径组合和起膜齿入土深度.为满足试验要求，分别选择三组不同的起膜齿齿数(通过减少或增加齿数来调节)，搂膜耙齿齿径组合和起膜齿入土深度(通过螺栓调节).由以往经验得知，各因子之间的交互效应会对试验指标产生重要影响，所以上述因子之间的交互作用也是必须得考虑的[14].试验因素与水平见表2.

根据因素与水平选用L27(313)的正交表来安排试验[14-15]，试验数据及结果见表3.

表2　试验因素与水平

表3　试验数据与结果

2.5试验结果与分析

2.5.1数据分析由试验结果的极差分析可知[15-16]，R=kmax-kmin，故试验指标回收率各因子的优水平和因素主次顺序依次为：C2、B2、A1、[(A×B)1]3、[(A×B)2]1、[(A×C)1]1、[(A×C)2]1、[(B×C)1]2、[(B×C)2]3，则其较优水平组合为C2B2A1.

为得到最优水平组合，对试验数据进行方差分析[15]，结果如表4所示.从方差分析结果可以得出：对回收率来说，因子A、B和C对试验指标的影响是高度显著的，其他因素对试验指标的影响是不显著的.由于试验结果指标是回收率，数据越大意味着残膜回收机的作业质量越高，故最大的回收率参数为A1B2C2与极差分析结果相一致.

2.5.2各因子对试验指标的影响分析

2.5.2.1起膜齿齿数起膜齿齿数过少，起膜齿入土破茬起膜不充分；齿数过多会导致残膜堵塞在起膜齿之间，通过性能差，不利于搂膜耙齿对残膜的收集，从而降低了残膜回收率，故因素A(起膜齿齿数)在第一水平(4个)时，残膜回收率最高.

2.5.2.2前、中、后搂膜耙齿齿径组合机具作业时，土壤对前、中、后搂膜耙齿的作用力依次减小，则前、中、后搂膜耙齿的刚性(齿径)应依次变小.搂膜耙齿齿径过细，刚性较小，不利于入土作业，齿径过粗，刚性较大，残膜回收机仿形性能差，拾净率低，故因素B(前、中、后搂膜耙齿齿径组合)在第二水平(10-8-6 mm)时，残膜回收率最高.

2.5.2.3起膜齿入土深度起膜齿入土深度过小，深层地膜得不到有效回收，由于搂膜耙齿无法达到过大的入土深度，起膜齿入土深度过大不会使拾净率增大，相反会增加残膜回收机的功耗且不利于搂膜耙齿通过，会在一定程度上降低残膜回收率，故因素C(起膜齿入土深度)在第二水平(50 mm)时，残膜回收率最高.

2.5.3试验验证为了验证该工作参数的科学性与合理性，选取了上述试验中回收率效果较好的试验条件做重复试验.以表3中的试验数据为依据，选取试验号为1、5、8、15、20、24的试验条件进行多次重复试验.试验结果如表5所示.由表5中可知，最好的工作参数条件是：起膜齿齿数为4个，前、中、后搂膜耙齿齿径组合为10-8-6 mm，起膜齿入土深度为50 mm，与正交试验分析和因素对指标的影响分析相吻合.以此参数进行残膜回收作业，残膜回收率最高，在93%以上.

表4　试验数据方差分析

表5　试验验证结果

3结论

1)针对西北旱地土壤板结严重，膜缠根茬而导致的全膜双垄沟残膜回收机回收率低的问题，对残膜回收机进行了试验分析与参数优化.

2)通过正交试验得到影响回收率因素的主次顺序，确定了残膜回收机最优参数组合：起膜齿齿数为4个，前、中、后搂膜耙齿齿径组合为10-8-6 mm，起膜齿入土深度为50 mm.

3)重复试验结果表明：该机的残膜回收率为93.4%>75%，很好地满足了残膜回收的农艺要求.

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(责任编辑赵晓倩)

收稿日期：2014-05-28；修回日期：2014-07-08

基金项目：甘肃省科技支撑计划资助项目(1204NKCA091).

通信作者：高爱民，男，博士，讲师，主要从事农业工程技术与装备研究.E-mail:gaoaimin@gsau.edu.cn

中图分类号：S 223.5

文献标志码：A

文章编号：1003-4315(2015)02-0160-05