弹齿轨道式残膜回收机参数优化及试验

赵英杰，陈 永，周 鹏，马 振，胡 斌，李卫敏

(1.重庆三峡学院 机械工程学院，重庆 万州 404000； 2.石河子大学 机械电气工程学院，新疆 石河子 832003；3.郑州航空工业管理学院 电子通信工程学院，郑州 450046)

0 引言

地膜覆盖种植技术是一种改善和优化作物生长环境，克服不良条件影响，取得早熟、高产、优质和高效的先进农业种植技术[1-2]。普通地膜主要成分为难以降解的聚乙烯高分子化合物，埋于地下需200～400年才能自然分解，随着覆盖年数增加，土壤残留量越来越多，严重影响农作物产量[3-5]。我国地膜覆盖种植技术的应用已有30年多的历史，覆盖面积和使用量一直居世界第一位，在提高作物产量的同时，也出现了地膜残留的问题。由于连年铺膜且使用过的地膜未能及时有效回收，对土地造成了严重的“白色污染”，导致农作物产量连年下降，因此残膜回收成为农业亟需解决的一大重要课题[6-8]。现有地膜在土壤环境中很难降解，对使用后的地膜进行回收成为治理残膜污染的有效方法。目前，残膜回收有人工捡拾和机械回收两种方式：人工捡拾作业劳动强度大、效率低、成本高；机械回收可以克服人工捡拾的缺点，因此推行机械化收膜已成为必然趋势[9-11]。为解决残膜回收问题，国内相关部门研制了各具特色的残膜回收设备，现有地膜回收机械以工作部件形式划分，主要有伸缩杆齿式捡拾滚筒、弹齿式拾膜部件、铲式起茬收膜部件、轮齿式收膜部件、齿链式收膜部件、密排弹齿式回收耙和气力式残膜回收等[12-14]。上述收膜机械从工作原理上看，主要以“弹齿”搂取残膜和“钉齿”扎取残膜的原理方法进行残膜回收作业，在回收大片地膜时，残膜中秸秆、植株枝叶、杂草和泥土含量较大，残膜易缠绕收膜工作部件，影响机具连续回收作业，且残膜回收率低，由于地面凹凸不平，一次作业后地面仍有大量残膜遗留在地表，难以满足残膜回收要求[15-16]。作物收获后当年使用后的残膜附在地表，是残膜回收的较佳时期。针对此时期的残膜回收，本文设计了一种弹齿轨道式残膜回收机，该机具作业时先将地表残膜切成带状，然后逐次夹持回收，具有结构简单、回收率高、回收残膜含杂量低、容易脱膜、作业效率高和地面仿形好等优点。

1 整机结构与工作原理

1.1 结构组成

弹齿轨道式残膜回收机主要由牵引装置、牵引轮、机架、残膜箱、地轮、清杂装置、收膜装置、限深装置、脱膜装置、清杂传动系统、收膜传动系统和脱膜传动系统组成，如图1所示(图中箭头表示各运动部件的转动方向)。限深装置由导轨支座、弹簧和连杆组成，脱膜装置由脱膜轮轴和脱膜叶片组成，收膜装置由起膜铲、收膜轮、弹齿、弹齿卡槽、销轴和残膜输送轨道组成。

1.2 工作原理及过程

弹齿轨道式残膜回收机工作过程如下：拖拉机通过牵引装置与本实用新型机具相联，拖拉机动力输出轴与本实用新型机具的清杂传动系统和脱膜传动系统相联，组成作业机组。作业时，拖拉机动力输出轴分别通过清杂传动系统带动清杂装置工作，脱膜传动系统带动脱膜装置工作，地轮通过收膜传动系统带动收膜装置工作；清杂装置先将地表膜上杂草和枝叶清扫到机具一侧，随着机具的前进，清扫过的地表残膜被起膜铲铲起，并堆积在起膜铲表面；随收膜轮的转动，弹齿将堆积的残膜依次送入残膜输送轨道，当残膜随弹齿沿残膜输送轨道运动到残膜输送轨道上端时，弹齿从弹齿卡槽一侧摆动到另一侧，脱膜装置中的脱膜叶片将弹齿顶端的残膜脱落到残膜箱内，完成残膜回收作业。限深装置可以通过弹簧的伸缩来调节起膜铲的入土深度，弹齿做成摆动弹齿，目的是为了使机具脱膜容易，防止脱膜叶片脱膜时扎到弹齿上，影响机具的连续作业。

1.牵引装置 2.脱膜传动系统 3.机架 4.残膜箱 5.脱膜轮轴 6.脱膜叶片 7.残膜输送轨道 8.弹齿 9.弹齿卡槽 10.销轴 11.收膜轮 12.地轮 13.起膜铲 14.连杆 15.导轨支座 16.弹簧 17.收膜传动系统 18.清杂装置 19.清杂传动系统 20.牵引轮图1 弹齿轨道式残膜回收机结构示意Fig.1 Structure diagram of elastic tooth track type machine for recycling agricultural plastic film

1.3 主要技术指标

弹齿轨道式残膜回收机主要技术参数如表1所示。

表1 弹齿轨道式残膜回收机主要技术参数

2 试验设备与方法

2.1 试验条件

2016年10月10-25日，在石河子市农八师150团秋收后的棉田进行试验。试验田面积为100m×100m，地面平整度较好(有较浅的车辙)，属栗钙土；滴灌带已经被回收，土壤平均含水率17.6%(0～20 cm 内)。棉花种植模式为：行距660mm，株距100mm，膜边压入土中70 mm；膜宽为2 050mm，厚度为0.01mm，膜中间覆有少量泥土；滴灌带已被人工回收，棉秆已切碎，为减少试验因素的影响，将切碎的棉秆以及杂草清理干净。

2.2 试验设备

试验仪器: 卷尺( 0～50m) 、DT-1002A 电子秤(Max=1 000g，d= 0.01g)、数字式石英电子秒表( 0.000 1～99 999s)和相机。选用雷沃M800H - D 轮式拖拉机，标定功率60kW。

2.3 残膜回收率测定

残膜回收率是评价残膜回收机具回收效果的重要指标。以残膜回收率为评价指标，进行残膜回 收试验。试验参考《GB/ 25412-2010残膜回收机》规定进行设计，在样机不同作业参数配置下选取试验区17个行程作业行程进行试验，每个行程选取5个测试点进行测试，每个测试点长度为10m。每个作业行程完成后，人工捡拾5个测试点内的未收起的残膜，将残膜清洗干净并利用DT-1002A 电子秤(Max=1 000g，d= 0．01g)进行测量，计算5个测试点平均值质量记为M1，每个测试点的完整残膜质量为M。

残膜回收率计算公式为

(1)

式中η—地膜回收率(%)；

M—每个测试点的完整残膜质量(g)；

M1—5个测试点平均值质量(g)。

2.4 残膜回收率测定

选取样机作业速度X1、轨道间距X2和脱膜轮转速X3作为试验因素，以残膜回收率Y作为评价指标，根据弹齿轨道式残膜回收机参数的要求，确定影响因素的取值范围：样机作业速度3～6km/h、轨道间距200～300mm、脱膜轮转速220～280r/min。因素水平表如表2所示，应用Box-Behnken 法设计[17-18]的试验方案及结果如表3所示。

表2 响应面因素水平编码表

表3 Box-Behnken设计方案及试验结果

续表3

3 结果与分析

3.1 统计分析结果

利用Design-Expert 8.050软件进行相应曲面分析，建立了以残膜回收率为响应指标的二次多元回归方程，并对响应指标的3个影响因素进行显著性检验与分析，得到响应曲面模型的方差分析结果如表4所示。

残膜回收率的回归方程为

Y=93.74-0.1X1-1.06X2+1.24X3-
0.12X1X2-0.37X1X3+0.2X2X3-
4.95X12-2.82X22-1.67X32

(2)

式中Y—地膜回收率(%)；

X1—样机作业速度编码值；

X2—轨道间距编码值；

X3—脱膜轮转速编码值。

表4 回归统计分析结果

P<0.01(极显著，**)，P<0.05(显著，*)。

由表4可以看出：该响应模型是极其显著的(P<0.01)。其中，轨道间距(X2)、脱膜轮转速(X3)、样机作业速度二次项(X12)、轨道间距二次项(X22)、脱膜轮转速二次项(X32)的P值均小于0.05，表明上述因素对残膜回收率的影响显著；其余各项的P值均大于0.05，对残膜回收率的影响不显著。根据模型中各因素显著水平P值的大小，可以得到各因素的影响顺序依次为：脱膜轮转速(X3)、轨道间距(X2)、样机作业速度(X1)。

3.2 残膜回收率相应曲面分析

弹齿轨道式残膜回收机作业速度X1、轨道间距X2和脱膜轮转速X3对残膜回收率Y交互作用的响应曲面图如图2所示。

图2(a)中：在脱膜轮转速为250r/min时，残膜回收率随作业速度、轨道间距的增大而呈现先增大后减小趋势。机具作业速度越大，残膜不易堵塞在收膜装置中，残膜越容易被弹齿回收；但作业速度过大会导致残膜在回收过程中出现撕裂现象，从而影响残膜回收率。

图2(b)中：在轨道间距为250mm时，残膜回收率随作业速度、脱膜轮转速的增加呈现先增大后减小趋势。脱膜轮转速越大，残膜易被脱膜叶片拍落到残膜箱，脱膜效果越好；但脱膜轮转速过大会导致残膜缠绕在脱膜轮上，影响机具的连续作业，降低残膜回收率。

图2(c)中：在机具作业速度为4.5km/h时，残膜回收率随轨道间距、脱膜轮转速的增加呈现先增大后减小趋势。轨道间距越大，条状残膜连成一片越容易回收；但过大会导致残膜夹杂泥土及秸草增多，导致残膜漏收，降低残膜回收率。

(a) 作业速度和轨道间距对残膜回收率的影响

(b) 作业速度和脱膜轮转速对残膜回收率的影响

(c) 轨道间距和脱膜轮转速对残膜回收率的影响图2 交互因素对残膜回收率的影响Fig.2 Effects of interactive factors on plastic film recycling rate

借助响应曲面优化模型与回归方程，应用Design-Expert 8.050软件中Optimization-Numerical 模块对回归方程模型进行该目标下优化求解，得到机具最优工作参数为：机具作业速度4.5km/h、轨道间距250mm、脱膜轮转速250r/min时，残膜回收率达到93.74%。为验证模型的可靠性，在最优参数组合情况下进行了5次田间性能验证试验，平均残膜回收率为91.63%。这表明响应曲面分析的实际值与优化值基本相符，建立的回归模型是可靠的，具有一定的实用价值。

4 结论

1)介绍了弹齿轨道式残膜回收机的结构以及工作原理。该机具结构简单、工作可靠，能满足残膜回收机的作业要求。

2)通过试验研究，确定了目标函数残膜回收率与各试验因素之间的关系，残膜回收率随各因素参数的增加呈现先增大后减小的趋势，得出各因素对残膜回收率的影响程度依次为脱膜轮转速、轨道间距、样机作业速度。

3)通过优化得出最优工作参数为：在机具作业速度4.5km/h、轨道间距250mm、脱膜轮转速250r/min时，残膜回收率达到93.74%。进行了田间验证试验，平均残膜回收率为91.63%，表明响应曲面分析的实际值与优化值基本相符，建立的回归模型是可靠的，具有一定的实用价值。

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