王科杰，胡 斌，羅 昕，陳學(xué)庚,，鄭 炫，顏利民，緱海嘯

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殘膜回收機(jī)單組仿形摟膜機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

王科杰1，胡 斌1※，羅 昕1，陳學(xué)庚1,2，鄭 炫2，顏利民2，緱海嘯2

（1. 石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院，石河子 832000；2. 新疆農(nóng)墾科學(xué)院機(jī)械裝備研究所，石河子 832000）

摟膜作業(yè)是新疆目前殘膜回收的主要工作方式，在殘膜回收機(jī)回收工作過(guò)程中，因棉地環(huán)境復(fù)雜，現(xiàn)有殘膜回收機(jī)整體仿形摟膜效果差，使得摟膜彈齒無(wú)法對(duì)起伏程度不同的棉地同時(shí)進(jìn)行單組仿形摟膜，造成殘膜回收率低等問(wèn)題，針對(duì)此問(wèn)題，該文提出了一種單組仿形摟膜機(jī)構(gòu)。通過(guò)對(duì)該機(jī)構(gòu)進(jìn)行理論設(shè)計(jì)，利用搭建的土槽臺(tái)架試驗(yàn)裝置，以彈齒數(shù)量、試驗(yàn)車(chē)速度、彈齒直徑為影響因素，摟膜率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，進(jìn)行了二次旋轉(zhuǎn)正交組合試驗(yàn)。通過(guò)Design-Expert 8.0.6數(shù)據(jù)分析軟件，建立各影響因素與指標(biāo)的數(shù)學(xué)回歸模型，分析了顯著因素與評(píng)價(jià)指標(biāo)之間的關(guān)系，優(yōu)化試驗(yàn)參數(shù)，確定最優(yōu)參數(shù)組合：彈齒數(shù)量5個(gè)，彈齒直徑12 mm，試驗(yàn)車(chē)速度1.85 m/s。根據(jù)該試驗(yàn)參數(shù)組合，進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明：優(yōu)化參數(shù)組合下的摟膜率>88.5%，優(yōu)化預(yù)測(cè)模型可靠。通過(guò)在新疆昌吉五家渠共青團(tuán)農(nóng)場(chǎng)對(duì)站立棉秸稈的田間進(jìn)行摟膜試驗(yàn)，表明該摟膜機(jī)構(gòu)能夠滿(mǎn)足殘膜回收的技術(shù)要求，為單組仿形摟膜機(jī)具的設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)。

農(nóng)業(yè)機(jī)械；塑料薄膜；優(yōu)化；單組仿形；摟膜機(jī)構(gòu)；土槽試驗(yàn)；殘膜回收

0 引 言

地膜覆蓋技術(shù)促進(jìn)了農(nóng)作物增產(chǎn)，且以其增溫保墑功效使得農(nóng)作物的適作區(qū)向北推移，有效利用土地資源，提高了水份的利用率，對(duì)中國(guó)旱地農(nóng)業(yè)發(fā)展具有重大的、積極的作用[1-3]。然而該技術(shù)的推廣也帶來(lái)了白色污染問(wèn)題，地膜殘留在土壤里未得到有效回收，嚴(yán)重污染農(nóng)田生態(tài)土壤環(huán)境，因此，殘膜回收迫在眉睫[4-5]。

殘膜回收分為人工回收和機(jī)械回收2種模式。人工收膜勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低、組織困難。機(jī)械收膜分為聯(lián)合作業(yè)和分段作業(yè)，其中聯(lián)合作業(yè)機(jī)具由秸稈粉碎機(jī)和地膜回收機(jī)組成，能一次完成秸稈粉碎與地膜回收工作,然其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可靠性較低，還未大面積推廣應(yīng)用[6-11]；分段作業(yè)以摟膜作業(yè)為主要方式，機(jī)具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性較高，能耗小[12-14]。但目前分段作業(yè)的收膜效果不佳，主要是因?yàn)槭澳げ考茨苡行?duì)復(fù)雜的棉地進(jìn)行高效仿形，導(dǎo)致殘膜回收率低。

當(dāng)前仿形機(jī)構(gòu)廣泛運(yùn)用于免耕播種機(jī)，而對(duì)單組仿形摟膜機(jī)構(gòu)研究較少[15-20]。摟膜機(jī)具的摟膜工作部件主要由多個(gè)單組摟膜裝置和機(jī)架等組成，現(xiàn)有摟膜機(jī)的每個(gè)單組摟膜裝置均固定安裝于機(jī)架上，各個(gè)摟膜裝置相互聯(lián)動(dòng)產(chǎn)生摟膜干涉現(xiàn)象，且每個(gè)單組對(duì)應(yīng)的棉地起伏程度不同，摟膜時(shí)部分單組摟膜裝置對(duì)應(yīng)地形平穩(wěn)，與此同時(shí)的其他部分摟膜裝置對(duì)應(yīng)地形凹凸不平，摟膜工作部件與殘地膜相對(duì)脫離而未能進(jìn)行摟膜，因此該機(jī)具雖能對(duì)平穩(wěn)棉地?fù)ぷ鳂I(yè)，但對(duì)于不同地形進(jìn)行同時(shí)摟膜的能力較差，導(dǎo)致?lián)ばЧ患?。針?duì)現(xiàn)有殘膜回收機(jī)存在的無(wú)單行仿形能力而產(chǎn)生摟膜效果差的問(wèn)題，本文提出了一種可實(shí)現(xiàn)對(duì)不同棉地地形同時(shí)進(jìn)行單組仿形摟膜（即每個(gè)單組摟膜裝置能與各自所對(duì)應(yīng)的復(fù)雜地形進(jìn)行單行仿形摟膜），避免了各個(gè)單組摟膜裝置之間相互聯(lián)動(dòng)干涉問(wèn)題，從而大大提高了殘膜回收效果，有效解決了局部仿形摟膜能力差及相互摟膜干涉問(wèn)題，通過(guò)對(duì)單組仿形的摟膜機(jī)構(gòu)進(jìn)行理論設(shè)計(jì)與分析，并利用土槽臺(tái)架試驗(yàn)研究該摟膜機(jī)構(gòu)行走速度、彈齒安裝數(shù)量、彈齒直徑的參數(shù)變化與收膜性能關(guān)系，確定了最佳結(jié)構(gòu)和作業(yè)參數(shù)，為單組仿形摟膜機(jī)具的研制和設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 摟膜裝置的結(jié)構(gòu)與工作原理

單組仿形摟膜機(jī)構(gòu)由拉桿固定板、仿形拉桿、手柄、調(diào)位螺桿、摟膜架、摟膜彈齒、彈齒卡板、內(nèi)管、仿形地輪、限位桿組成。

其中，調(diào)位螺桿與內(nèi)管絲杠聯(lián)接，手柄固定套在調(diào)位螺桿上，安裝于內(nèi)管上的仿形地輪可通過(guò)手柄旋轉(zhuǎn)使調(diào)位螺桿與內(nèi)管發(fā)生相對(duì)螺旋運(yùn)動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)仿形地輪隨同內(nèi)管一起上下調(diào)位，單組仿形摟膜機(jī)構(gòu)如圖1所示。

工作時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)手柄使得仿形地輪與土壤保持接觸；在仿形拉桿牽引下的仿形地輪緊貼著土壤表面進(jìn)行上下仿形運(yùn)動(dòng)，與此同時(shí)，在仿形地輪仿形運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的摟膜彈齒也隨之入土進(jìn)行仿形摟膜作業(yè)，殘膜沿著摟膜彈齒圓弧段向上運(yùn)動(dòng)，殘膜最終被儲(chǔ)存于彈齒圓弧區(qū)域下方，完成摟膜工作。本仿形摟膜機(jī)構(gòu)，不僅實(shí)現(xiàn)上下仿形，還縮短摟膜機(jī)構(gòu)的長(zhǎng)度，結(jié)構(gòu)緊湊。當(dāng)殘膜回收工作結(jié)束時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)限位桿以避免摟膜機(jī)構(gòu)下垂量過(guò)大，減輕仿形拉桿對(duì)摟膜機(jī)構(gòu)承載作用，有效避免仿形拉桿的鉸接點(diǎn)應(yīng)力集中。

1. 拉桿固定板 2. 仿形拉桿 3. 手柄 4. 調(diào)位螺桿 5.摟膜架 6.摟膜彈齒 7.彈齒卡板 8.內(nèi)管 9.仿形地輪 10.限位桿

2 仿形摟膜機(jī)構(gòu)受力分析與相關(guān)尺寸參數(shù)設(shè)計(jì)

仿形摟膜裝置受力平衡，才能使摟膜作業(yè)穩(wěn)定，從而提高摟膜效果。通過(guò)對(duì)仿形摟膜機(jī)構(gòu)中的摟膜彈齒進(jìn)行力學(xué)分析，并基于摟膜彈齒的力學(xué)分析，對(duì)仿形摟膜機(jī)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)分析以便于摟膜機(jī)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)。

2.1 摟膜彈齒受力分析

摟膜彈齒力學(xué)性能是影響殘膜回收工作的關(guān)鍵。摟膜彈齒底端入土使其連續(xù)性摟取殘膜。將彈齒所受各力分解到坐標(biāo)軸上，受力情況如圖2a所示。彈齒總合力2可分解為水平方向的橫向作用力2x和垂直方向的彈齒入土力2y，則

2x=(F1+F2)×cos(F-±F)×sin（1）

2y=(F-±F)×cos-(F1+2)×sin（2）

其中：

F12×（3）

F23×F（4）

聯(lián)立式（3）和式（4）代入式（1）和式（2）計(jì)算得出

2x=F×(3×cos+sin)±F×sin+×(2×cos-sin) （5）

2y=F×(cos-3×sin)±F×cos-×(2×sin+cos) （6）

式中F1為土壤對(duì)摟膜彈齒施加的摩擦力，N；F2為殘膜對(duì)摟膜彈齒施加的摩擦力，N；為土壤對(duì)摟膜彈齒的支反力，N；F為摟膜彈齒的自身回彈力，N；F的正負(fù)方向與彈齒的工作狀態(tài)相關(guān)；F為殘膜對(duì)摟膜彈齒施加的拉力，N；2為殘膜與土壤之間的摩擦系數(shù)；3為殘膜與摟膜彈齒間的摩擦系數(shù)；為摟膜彈齒入土傾角，（°）。

當(dāng)摟膜彈齒處于初始摟膜狀態(tài)時(shí)，彈齒回彈力方向與圖2a所示方向相反，式（5）和式（6）中F前的符號(hào)取“-”號(hào)，彈齒受到與運(yùn)動(dòng)方向相反的阻力較大，彈齒自身回彈力迫使彈齒沿機(jī)具運(yùn)動(dòng)方向回彈，然而彈齒回彈力過(guò)大則會(huì)造成入土效果差，摟膜效果不佳；當(dāng)摟膜彈齒上存儲(chǔ)殘膜量較大時(shí)，彈齒回彈力方向如圖2a所示，式（5）和式（6）中F前的符號(hào)取“+”號(hào)，彈齒所承受重力增大，土壤對(duì)彈齒的支反力增大，迫使彈齒回彈力沿機(jī)具運(yùn)動(dòng)相反方向回彈，隨著殘膜對(duì)摟膜彈齒施加的拉力F及摟膜彈齒的自身回彈力增大，彈齒的橫向作用力2x也隨之不斷增大，但彈齒的橫向作用力過(guò)大會(huì)使摟膜彈齒工作段應(yīng)力過(guò)大；在摟膜過(guò)程中，彈齒入土力2y的增大有利于彈齒順利入土，進(jìn)行正常摟膜作業(yè)，然而入土力過(guò)大則使彈齒受到土壤阻力過(guò)大，就會(huì)造成機(jī)具能耗增大等問(wèn)題。

注: Ff1為土壤對(duì)摟膜彈齒施加的摩擦力，N；Ff2為殘膜對(duì)摟膜彈齒施加的摩擦力，N；N為土壤對(duì)摟膜彈齒的支反力，N；Fn為摟膜彈齒的自身回彈力，N；Fm為殘膜對(duì)摟膜彈齒施加的拉力，N；FO2x為彈齒橫向作用力，N；FO2y為彈齒入土力，N；FO2為彈齒總合力，N；O2為彈齒末端受力點(diǎn)；θ為摟膜彈齒入土傾角，（°）；O為坐標(biāo)系原點(diǎn)；X為水平坐標(biāo)；Y為鉛垂坐標(biāo)；FR23, FR43為牽引拉力，N；FR23x, FR23y分別為FR23在水平方向和鉛垂方向上的分力；FR43x, FR43y分別為FR43在水平方向和鉛垂方向上的分力；Qx, Qy分別為土壤對(duì)仿形地輪工作阻力、垂直支反力，N；Q為土壤對(duì)仿形地輪的支反力，N；G為仿形摟膜機(jī)構(gòu)的重力，N；Φ為仿形拉桿的牽引角，（°）；A，D為拉桿固定板與仿形拉桿的鉸接點(diǎn)；B，C為摟膜架與仿形拉桿的鉸接點(diǎn)；1為AD桿；2為AB桿；3為BC桿；4為CD桿。

2.2 仿形摟膜機(jī)構(gòu)力學(xué)分析

取摟膜機(jī)構(gòu)作為一整體構(gòu)件，此時(shí)仿形拉桿與摟膜機(jī)構(gòu)組成封閉四桿機(jī)構(gòu)。為便于計(jì)算，采用復(fù)數(shù)矢量法建立摟膜機(jī)構(gòu)力學(xué)模型。以為坐標(biāo)原點(diǎn)，各桿矢量方位角均由軸開(kāi)始，以逆時(shí)針?lè)较驗(yàn)檎齕21]，如圖2b所示。機(jī)具摟膜作業(yè)時(shí)，仿形摟膜機(jī)構(gòu)平穩(wěn)工作的受力平衡條件為

（7）

將式（1）中各個(gè)向量力分解到兩坐標(biāo)軸上，得

Q+2x–23x–43x+×(23y+43y+Q––2y)=0 （8）

實(shí)部與虛部分別等于零。

Q+2x–23x–43x=0 （9）

23y+43y+Q––2y0 （10）

23x=23×cos（11）

23y=23×sin（12）

43x=43×cos（13）

43y=43×sin（14）

聯(lián)立公式（5）～（10），經(jīng)簡(jiǎn)化計(jì)算得

聯(lián)立式（5）、（6）和（15），經(jīng)簡(jiǎn)化計(jì)算仿形地輪所受支反力，得

（16）

式(16)中，

1=tan(sin–2×cos)+2×sin+cos

2=tan(sin–3×cos)+3×sin–cos

3=cos+tansin

式中1為仿形地輪阻力系數(shù)；1為土壤作用于彈齒的法向力系數(shù)；2為殘膜作用于彈齒的法向力系數(shù)；3為彈齒回彈系數(shù)。

仿形地輪對(duì)棉地仿形性能的好壞直接影響摟膜機(jī)構(gòu)仿形摟膜效果，為利于摟膜裝置平穩(wěn)牽引工作，取牽引角大小為0°。由式（16）可看出，仿形地輪的支反力與摟膜裝置重力、土壤對(duì)彈齒施加的支反力呈正相關(guān)，支反力與摟膜彈齒自身的回彈力F之間的關(guān)系與摟膜工作狀態(tài)有關(guān)，仿形地輪的支反力與殘膜對(duì)彈齒施加的拉力F也存在相關(guān)性。

因此，隨著摟膜裝置重力、土壤對(duì)彈齒施加的支反力增大，仿形地輪的支反力也會(huì)隨之增大，仿形效果越好，但仿形地輪的支反力過(guò)大會(huì)使地膜與土壤被鎮(zhèn)壓的過(guò)于緊密，不利于摟膜作業(yè)；然而，仿形地輪的支反力過(guò)小會(huì)造成對(duì)地仿形效果差。在摟膜作業(yè)初始過(guò)程中，彈齒回彈力F受力方向與圖2a所示方向相反，其回彈力過(guò)大則入土能力減小不利于摟膜；回彈力過(guò)小，土壤施加于彈齒上的作用力過(guò)大時(shí)，導(dǎo)致彈齒變形嚴(yán)重，摟膜效果影響較大。在摟膜作業(yè)一段時(shí)間后，彈齒回彈力F受力方向如圖2a所示，隨著彈齒的回彈力（彈齒回彈力與彈齒自身特性有關(guān)，包括彈齒粗細(xì)、彈齒結(jié)構(gòu)尺寸、彈齒所用材料等）的增大，仿形地輪的支反力會(huì)隨之減小，由于彈齒的回彈力過(guò)大足以將整個(gè)摟膜機(jī)構(gòu)支撐起，仿形地輪逐漸脫離地面，仿形地輪未能較好發(fā)揮仿形作用，且彈齒入土過(guò)深使其所受土壤阻力增大；然而彈齒的自身回彈力過(guò)小，彈齒的彈性相對(duì)較差，則在作業(yè)時(shí)的彈齒變形后產(chǎn)生回彈不及時(shí)甚至斷裂等問(wèn)題。

2.3 仿形摟膜機(jī)構(gòu)尺寸參數(shù)設(shè)計(jì)

仿形四桿機(jī)構(gòu)各構(gòu)件的牽引角、長(zhǎng)度等尺寸參數(shù)直接影響摟膜機(jī)構(gòu)的仿形功能，因此，為能夠達(dá)到較好的仿形性能，選擇合理的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)。

根據(jù)棉地的地形，設(shè)置上下仿形量各為80～100 mm。如圖3所示。

下仿形量1=[sin(1–)+sin] （17）

上仿形量2=[sin(2+)–sin] （18）

式中，下仿形量1為100 mm，工作初始角取0°，1為下仿形角，（°）；2為上仿形角，（°）；取上下角各為20°。經(jīng)計(jì)算，仿形拉桿的長(zhǎng)度292.38 mm，取整292 mm；上仿形量2=99.87 mm，取整2100 mm，滿(mǎn)足仿形量要求。

注：B1C1為仿形四桿BC下仿形時(shí)運(yùn)動(dòng)到的極限位置；B2C2為仿形四桿BC上仿形時(shí)運(yùn)動(dòng)到的極限位置；Φ1為下仿形角，（°）；Φ2為上仿形角，（°）；H1為下仿形量，mm；H2為上仿形量，mm；H為仿形機(jī)構(gòu)上下總仿形量，mm。

3 臺(tái)架試驗(yàn)與結(jié)果分析

為驗(yàn)證理論分析的正確性及確定機(jī)具行走速度、彈齒個(gè)數(shù)、彈齒直徑大小三因素對(duì)摟膜率影響大小，對(duì)單組仿形摟膜機(jī)構(gòu)進(jìn)行試驗(yàn)。因田間試驗(yàn)研究周期較長(zhǎng)，利用臺(tái)架試驗(yàn)?zāi)M田間工作環(huán)境[22-23]，有利于深入觀察各因素對(duì)摟膜率的影響程度。本文通過(guò)臺(tái)架土槽試驗(yàn)研究機(jī)具行走速度、彈齒數(shù)量、彈齒直徑大小等因素變化對(duì)機(jī)構(gòu)摟膜率的影響，尋找到最優(yōu)結(jié)構(gòu)與工作參數(shù)。

試驗(yàn)在單組仿形摟膜機(jī)構(gòu)土槽試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行，結(jié)構(gòu)如圖4所示。試驗(yàn)臺(tái)由主梁、仿形摟膜機(jī)構(gòu)、試驗(yàn)車(chē)、土槽、導(dǎo)軌、固定角架、控制電箱等組成；其中試驗(yàn)車(chē)由小帶輪、電動(dòng)機(jī)與大帶輪總成等部分組成；電動(dòng)機(jī)與大帶輪總成由三相異步電動(dòng)機(jī)、大帶輪和變速器組成；單組仿形摟膜裝置與主梁固定聯(lián)接；土槽固定安裝在試驗(yàn)車(chē)上，土槽內(nèi)鋪設(shè)土壤；在土壤表層鋪入地膜，并通過(guò)兩側(cè)的棉稈將地膜固定，完成棉地環(huán)境的模擬。試驗(yàn)過(guò)程中，三相異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)土槽試驗(yàn)車(chē)向右運(yùn)動(dòng)。根據(jù)相對(duì)運(yùn)動(dòng)原理，將試驗(yàn)車(chē)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)視為相對(duì)靜止，則摟膜裝置相對(duì)于土槽試驗(yàn)車(chē)向前運(yùn)動(dòng)；隨著試驗(yàn)車(chē)的運(yùn)動(dòng)，摟膜彈齒相對(duì)試驗(yàn)車(chē)運(yùn)動(dòng)進(jìn)入土壤中完成仿形摟膜作業(yè)。

1. 控制電箱 2. 固定角架 3. 主梁 4. 仿形摟膜機(jī)構(gòu) 5. 小帶輪 6. 土槽 7. 電動(dòng)機(jī)與大帶輪總成 8. 試驗(yàn)車(chē) 9. 導(dǎo)軌

3.1 臺(tái)架試驗(yàn)車(chē)速與變頻器頻率參數(shù)確定

臺(tái)架試驗(yàn)車(chē)速與變頻器頻率參數(shù)轉(zhuǎn)換為臺(tái)架試驗(yàn)提供了可能，通過(guò)調(diào)節(jié)變頻器的頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化，電動(dòng)機(jī)則通過(guò)變速器對(duì)大帶輪進(jìn)行變速，大帶輪再驅(qū)動(dòng)小帶輪實(shí)現(xiàn)調(diào)速，最終完成土槽試驗(yàn)車(chē)的速度控制。由于試驗(yàn)車(chē)最終是通過(guò)變頻器來(lái)進(jìn)行調(diào)速，因此必需將變頻器的頻率與試驗(yàn)車(chē)速度之間的關(guān)系進(jìn)行轉(zhuǎn)換，采用逆推原理?yè)Q算出試驗(yàn)車(chē)行走速度所對(duì)應(yīng)變頻器的頻率。

根據(jù)試驗(yàn)車(chē)前進(jìn)速度1得出小帶輪的轉(zhuǎn)速1

式（19）中，d1為小帶輪的基準(zhǔn)直徑，mm。

大帶輪通過(guò)V帶驅(qū)動(dòng)小帶輪轉(zhuǎn)動(dòng)，大帶輪與小帶輪線速度相同，通過(guò)大、小帶輪之間的傳動(dòng)比求得大帶輪的轉(zhuǎn)速2

式（20）中，1為大、小帶輪之間的傳動(dòng)比[24]；d2為大帶輪的基準(zhǔn)直徑，mm。

電動(dòng)機(jī)通過(guò)減速器減速，使大帶輪轉(zhuǎn)速降低到合適的轉(zhuǎn)速，則電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速3

式（21）中，2為減速器的減速比，值為1/11。

則變頻器的頻率

式（22）中，為電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)。

根據(jù)目前新疆殘膜回收過(guò)程中所配套的拖拉機(jī)行走速度范圍0.83～2.11 m/s，對(duì)該速度范圍劃分為5種速度且分別對(duì)應(yīng)于拖拉機(jī)慢Ⅰ檔低速、慢Ⅰ檔高速、慢Ⅱ檔低速、慢Ⅱ檔高速和慢Ⅲ檔低速工作條件，并根據(jù)式（22）將機(jī)具速度換算為變頻器所需頻率，如表1所示，臺(tái)架試驗(yàn)車(chē)速與變頻器之間的參數(shù)轉(zhuǎn)換便于臺(tái)架試驗(yàn)車(chē)速的實(shí)際操控。

表1 機(jī)具速度與頻率換算

3.2 臺(tái)架試驗(yàn)條件

本試驗(yàn)地點(diǎn)選在石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院校工廠收獲實(shí)驗(yàn)室。舊地膜樣本取自于新疆塔城地區(qū)沙灣縣金溝河鎮(zhèn)南頭道河子村（東經(jīng)85o40′49″，北緯44o20′0″，海拔436.2 m），其厚度為0.01 mm，田間使用時(shí)間約為180 d；按照目前新疆棉花主要種植模式進(jìn)行鋪設(shè)，壟寬66 mm，土壤厚度60 mm；試驗(yàn)土壤為灰漠土，為更好地模擬田間環(huán)境，首先將鋪于土槽內(nèi)之后的土壤進(jìn)行潤(rùn)濕，土壤濕度達(dá)到70%～80%，其次通過(guò)對(duì)鋪于土槽上的地膜進(jìn)行壓實(shí)，使地膜與土壤緊密粘結(jié)，并對(duì)土壤隨機(jī)壓制若干個(gè)起伏度不同的凹坑，然后待土壤干燥，土壤濕度10%～20%，地膜與土壤粘結(jié)程度較高；試驗(yàn)過(guò)程中選用精度為0.01 g的DT-1002A電子秤；NVF2G-22/PS4變頻器進(jìn)行調(diào)頻控制Y100L2-4型三相異步電動(dòng)機(jī)輸出的轉(zhuǎn)速，并通過(guò)XWD4-11-3型擺線針輪減速機(jī)的減速來(lái)驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)車(chē)。單組仿形摟膜機(jī)構(gòu)試驗(yàn)臺(tái)如圖5所示。

a. 試驗(yàn)臺(tái)主視圖 b. 試驗(yàn)臺(tái)側(cè)視圖

3.3 臺(tái)架試驗(yàn)方法

3.3.1 影響因素的確定

根據(jù)仿形摟膜機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)及工作參數(shù)，本試驗(yàn)選取影響摟膜率3個(gè)關(guān)鍵因素：彈齒數(shù)量1、彈齒直徑2、試驗(yàn)車(chē)速度3。

1）彈齒數(shù)量：彈齒安裝的數(shù)量直接影響摟膜效果的好壞，彈齒安裝數(shù)量不足，彈齒與彈齒之間的間隙大使得殘膜漏摟，為滿(mǎn)足棉株種植模式及機(jī)具結(jié)構(gòu)工藝要求，彈齒安裝數(shù)量范圍在1～5個(gè)，為使試驗(yàn)效果更為理想，摟膜彈齒的排列呈相互對(duì)稱(chēng)形式。

2）彈齒直徑：彈齒直徑是指彈齒的橫截面直徑，橫截面直徑不同的彈齒具有不同的物理結(jié)構(gòu)特性，彈齒截面直徑不僅影響仿形摟膜效果而且摟膜作業(yè)穩(wěn)定性也會(huì)受到很大影響。根據(jù)新疆現(xiàn)有的彈齒規(guī)格，彈齒直徑在6～14 mm。

3）試驗(yàn)車(chē)速度：試驗(yàn)車(chē)速度的快慢影響摟膜機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性和可靠性，為使拖拉機(jī)牽引摟膜機(jī)構(gòu)在棉地里更加可靠穩(wěn)定進(jìn)行摟膜作業(yè)，取殘膜回收機(jī)行走速度范圍在0.83～2.11 m/s，則試驗(yàn)車(chē)速度范圍在0.83～2.11 m/s。

3.3.2 殘膜質(zhì)量測(cè)定方法

將試驗(yàn)后的殘膜由2個(gè)塑料袋進(jìn)行分裝，將第組第次試驗(yàn)后未被摟拾的殘膜裝入標(biāo)記為Aj的袋中，同時(shí)將彈齒所摟拾的殘膜裝入標(biāo)記為B的袋中；將每次試驗(yàn)后A袋中的殘膜清洗干凈待其晾干后所稱(chēng)殘膜質(zhì)量計(jì)為W，將B袋中的殘膜清洗干凈待其晾干后所稱(chēng)的質(zhì)量計(jì)為M，則每次試驗(yàn)前殘膜樣本質(zhì)量為未被摟拾殘膜質(zhì)量W與被摟拾殘膜質(zhì)量M之和。

3.3.3 試驗(yàn)指標(biāo)

仿形摟膜機(jī)構(gòu)作業(yè)效果的主要評(píng)判指標(biāo)是摟膜率，摟膜率的公式為

式中η第組第次試驗(yàn)的摟膜率，W為彈齒摟取的殘膜質(zhì)量，g；M為未被彈齒摟取的殘膜質(zhì)量，g；為試驗(yàn)組數(shù)，取值范圍1～23；為每組試驗(yàn)中試驗(yàn)次數(shù)，取值范圍1～3。

3.3.4 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用三因素五水平二次旋轉(zhuǎn)正交組合試驗(yàn)方法[25-27]，因素與水平編碼如表2，試驗(yàn)方案及結(jié)果如表3所示，共進(jìn)行23組試驗(yàn)，每組試驗(yàn)3次，取3次試驗(yàn)結(jié)果的平均值。通過(guò)Design-Expert 8.0.6軟件完成試驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)與結(jié)果分析。

表2 試驗(yàn)因素水平

注：為摟膜率。

Note:is the film-collection rate.

3.4 臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.4.1 試驗(yàn)回歸分析

利用Design-Expert 8.0.6軟件對(duì)表3中試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，得到以摟膜率為響應(yīng)函數(shù)，以各因素為自變量的編碼回歸方程如式（24）。

=87.18+10.891+2.022+2.193–7.1512–2.322–3.1332+1.0512+1.3513+1.4023（24）

式（24）中：1、2、3為彈齒數(shù)量、彈齒直徑和試驗(yàn)車(chē)速度的編碼值。

對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析，如表4所示，結(jié)果表明：摟膜率回歸方程模型<0.000 1，表明該回歸方程模型極其顯著。根據(jù)摟膜率的檢驗(yàn)：回歸=68.29>(0.05(9,13)=2.71)，失擬=2.99<(0.05(5,8)=3.69)，因此，摟膜率回歸模型與實(shí)際情況擬合地非常好，具有實(shí)際研究意義。

表4 回歸模型的方差分析

3.4.2 試驗(yàn)因素對(duì)摟膜率的影響分析

如圖6a可知，當(dāng)彈齒直徑固定在10 mm（零水平）時(shí)，交互作用對(duì)摟膜率的影響規(guī)律：當(dāng)彈齒數(shù)量和試驗(yàn)車(chē)速度分別增加時(shí)，摟膜率隨著彈齒數(shù)量和試驗(yàn)車(chē)速度增加而增加，但逐漸趨于平緩；響應(yīng)曲面沿彈齒數(shù)量方向變化比沿試驗(yàn)車(chē)速度方向變化更快，在零水平下彈齒數(shù)量對(duì)摟膜率的影響比試驗(yàn)車(chē)速度的影響更為顯著。

如圖6b所示，當(dāng)彈齒數(shù)量固定在3個(gè)（零水平）時(shí)，交互作用對(duì)摟膜率的影響規(guī)律：當(dāng)彈齒直徑和試驗(yàn)車(chē)速度分別增加時(shí)，摟膜率隨著彈齒直徑和試驗(yàn)車(chē)速度增加而緩慢增加，增加趨勢(shì)逐漸平緩；在零水平下試驗(yàn)車(chē)速度對(duì)摟膜率的影響比彈齒直徑的影響更為顯著。

原因分析：彈齒數(shù)量增加時(shí)，彈齒摟膜密度就會(huì)越大，摟膜率增加；但當(dāng)彈齒數(shù)量增加到一定程度時(shí)，彈齒摟膜密度對(duì)摟膜率影響趨于穩(wěn)定。彈齒直徑增加，彈齒自身回彈性能增加，對(duì)土壤仿形效果好，彈齒更加容易將地膜拾起，摟膜率增加。試驗(yàn)車(chē)速度增加時(shí)，彈齒對(duì)地膜的勾拉速度隨著增大，地膜的拉伸強(qiáng)度增加，斷裂伸長(zhǎng)率減少，地膜被拉斷的速度加快，使摟膜率增加；地膜伸長(zhǎng)率為定值，試驗(yàn)車(chē)速度增加對(duì)摟膜效果影響逐漸平穩(wěn)。

圖6 試驗(yàn)因素對(duì)摟膜率的影響

3.4.3 參數(shù)優(yōu)化與驗(yàn)證

1）參數(shù)優(yōu)化

為獲得較好的摟膜效果，以高殘膜回收率的摟膜要求為優(yōu)化目標(biāo)，對(duì)單組仿形摟膜機(jī)構(gòu)的工作參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化分析[28-29]。應(yīng)用Design-Expert 8.0.6數(shù)據(jù)分析軟件對(duì)摟膜率的回歸模型優(yōu)化分析，約束條件為：1）目標(biāo)函數(shù)：[max]；2）影響因素約束：1彈齒數(shù)量3～5個(gè)；2彈齒直徑8～12 mm；3試驗(yàn)車(chē)速度1.09～1.85 m/s。參數(shù)優(yōu)化組合為摟膜彈齒數(shù)量5個(gè)，彈齒直徑12 mm，試驗(yàn)車(chē)速度1.85 m/s,在該參數(shù)組合條件下的摟膜率達(dá)到89.3%。

2）臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證

本實(shí)驗(yàn)在單組仿形摟膜試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行。試驗(yàn)參數(shù)組合：彈齒數(shù)量為5個(gè)，彈齒直徑為12 mm，試驗(yàn)車(chē)速度為1.85 m/s,共進(jìn)行5組試驗(yàn)，每組試驗(yàn)2次，試驗(yàn)結(jié)果取平均值。

表5 臺(tái)架試驗(yàn)測(cè)定結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果如表5所示，摟膜率≥87.1%，通過(guò)理論優(yōu)化摟膜率與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比可知，兩者非常接近，表明優(yōu)化預(yù)測(cè)模型可靠，所得最優(yōu)參數(shù)組合符合摟膜要求。

4 樣機(jī)田間試驗(yàn)

田間試驗(yàn)參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)殘地膜回收機(jī)GB/T 25412- 2010，測(cè)區(qū)長(zhǎng)度100 m，寬度為摟膜機(jī)3個(gè)往返行程的工作寬度，測(cè)點(diǎn)采用五點(diǎn)法，從測(cè)區(qū)4個(gè)地角沿對(duì)角線，在四分之一至八分之一對(duì)角線長(zhǎng)度范圍內(nèi)隨機(jī)確定4個(gè)測(cè)點(diǎn)的位置，以及該對(duì)角線的交點(diǎn)，作為作業(yè)前的5個(gè)測(cè)點(diǎn)；在作業(yè)前的5個(gè)測(cè)點(diǎn)附近但不重疊的區(qū)域再選5個(gè)點(diǎn)，作為作業(yè)后的5個(gè)測(cè)點(diǎn)[30]，測(cè)點(diǎn)長(zhǎng)度為2 m，寬度為2 m。對(duì)作業(yè)前后測(cè)點(diǎn)的殘膜取樣，并進(jìn)行清洗晾干，稱(chēng)其質(zhì)量并計(jì)算摟膜率。

試驗(yàn)樣機(jī)為1MSF-3型殘膜回收機(jī)[31]，整機(jī)尺寸為 6 990 mm×1 790 mm×1 015 mm，作業(yè)速度為6.7 km/h，10個(gè)單組仿形摟膜裝置和9個(gè)護(hù)禾裝置相互交錯(cuò)均布在機(jī)具上，一次作業(yè)寬度為7 000 mm；為實(shí)現(xiàn)作業(yè)行程的延長(zhǎng)，在摟膜架上設(shè)置前、后排摟膜彈齒，當(dāng)前排摟膜彈齒存儲(chǔ)一定的殘膜時(shí)，后排摟膜彈齒開(kāi)始摟膜，該摟膜彈齒前后排設(shè)置提高了摟膜作業(yè)持續(xù)時(shí)間和殘膜存儲(chǔ)量，且該機(jī)具通過(guò)液壓驅(qū)動(dòng)自動(dòng)卸膜實(shí)現(xiàn)了快速卸膜，大大縮短了卸膜作業(yè)與摟膜作業(yè)之間的時(shí)間間隔，提高了機(jī)具的作業(yè)效率，有效實(shí)現(xiàn)了摟膜作業(yè)的連續(xù)性；通過(guò)起膜邊機(jī)構(gòu)起邊膜及斷膜機(jī)構(gòu)切斷地膜，有利于摟膜彈齒將邊膜從棉稈件勾拉出；在殘膜回收過(guò)程中，棉稈罩于護(hù)禾裝置內(nèi)，從而有效避免了殘膜與棉桿、殘茬之間的纏繞；殘膜回收機(jī)通過(guò)約翰迪爾N850拖拉機(jī)牽引驅(qū)動(dòng)完成殘膜回收作業(yè)，為實(shí)現(xiàn)殘膜再次利用，最終通過(guò)液壓打包機(jī)將卸于打包帶上的殘膜進(jìn)行自動(dòng)撿拾并通過(guò)液壓打包機(jī)的液壓裝置對(duì)殘膜進(jìn)行自動(dòng)打包，當(dāng)液壓打包機(jī)裝滿(mǎn)殘膜之后運(yùn)出棉地。

試驗(yàn)時(shí)間：2015年10月17日。試驗(yàn)在新疆昌吉五家渠共青團(tuán)農(nóng)場(chǎng)棉地進(jìn)行，棉地經(jīng)過(guò)采棉機(jī)的鎮(zhèn)壓后造成地形不平整，殘膜與土壤粘結(jié)。

試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。殘膜回收率高達(dá)86.5%，與臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果基本吻合，滿(mǎn)足殘膜回收作業(yè)要求。田間殘膜回收試驗(yàn)如圖7所示。

表6 田間試驗(yàn)測(cè)定結(jié)果

圖7 樣機(jī)田間試驗(yàn)

5 結(jié) 論

本文通過(guò)單組仿形摟膜機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)及理論力學(xué)分析可知，摟膜機(jī)構(gòu)的摟膜效果好壞與摟膜彈齒的自身回彈能力相關(guān)，且摟膜彈齒的受力狀態(tài)與摟膜機(jī)構(gòu)的作業(yè)狀態(tài)具有很重要的關(guān)聯(lián)性。

1）由臺(tái)架試驗(yàn)可知，摟膜率隨著彈齒數(shù)量、試驗(yàn)車(chē)速度和彈齒直徑的增加而增加，但逐漸趨于平緩。

2）通過(guò)Design-Expert 8.0.6軟件對(duì)臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化，得到單組仿形摟膜機(jī)構(gòu)的最佳參數(shù)組合為彈齒數(shù)量5個(gè)，彈齒直徑12 mm，試驗(yàn)車(chē)速度1.85 m/s，并進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證，優(yōu)化預(yù)測(cè)模型可靠，所得最優(yōu)參數(shù)組合符合摟膜要求。

3）通過(guò)田間殘膜回收試驗(yàn)表明，單組仿形摟膜機(jī)具摟膜率高達(dá)86.5%，能夠滿(mǎn)足殘膜回收作業(yè)要求，殘膜回收效果與臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果基本吻合。

[1] 畢繼業(yè)，王秀芬，朱道林. 地膜覆蓋對(duì)農(nóng)作物產(chǎn)量的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2008，24(11)：172－175. Bi Jiye, Wang Xiufen, Zhu Daolin. Effect of plastic-film mulch on crop yield[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2008, 24(11): 172－175. (in Chinese with English abstract)

[2] 侯書(shū)林，胡三媛，孔建銘，等. 國(guó)內(nèi)殘膜回收機(jī)研究的現(xiàn)狀[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2002，18(3)：186－190. Hou Shulin, Hu Sanyuan, Kong Jianming, et al. Present situation of research on plastic film residue collector in China[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2002, 18(3): 186－190. (in Chinese with English abstract)

[3] 馬輝，梅旭榮，嚴(yán)昌榮，等. 華北典型農(nóng)區(qū)棉田土壤中地膜殘留特點(diǎn)研究[J]. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2008，27(2)：570－573. Ma Hui, Mei Xurong, Yan Changrong, et al. The residue of mulching plastic film of cotton field in north China[J]. Journal of Agro-Environment Science, 2008, 27(2): 570－573. (in Chinese with English abstract)

[4] 嚴(yán)昌榮，劉恩科，舒帆，等. 我國(guó)地膜覆蓋和殘留污染特點(diǎn)與防控技術(shù)[J]. 農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境學(xué)報(bào)，2014，31(2)：95－102. Yan Changrong, Liu Enke, Shu Fan, et al. Review of agricultural plastic mulching and its residual pollution and prevention measures in China[J]. Journal of Agricultural Resources and Environment, 2014, 31(2): 95－102. (in Chinese with English abstract)

[5] 董合干，劉彤，李勇冠，等. 新疆棉田地膜殘留對(duì)棉花產(chǎn)量及土壤理化性質(zhì)的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2013，29(8)：91－99. Dong Hegan, Liu Tong, Li Yongguan, et al. Effects of plastic film residue on cotton yield and soil physical and chemical properties in Xinjiang[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2013, 29(8): 91－99. (in Chinese with English abstract)

[6] 史建新，陳發(fā)，郭俊先，等. 拋送式棉稈粉碎還田機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2006，22(3)：68－72. Shi Jianxin, Chen Fa, Guo Junxian, et al. Design and experimental research of the field straw chopper with throwing cotton-stalk[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2006, 22(3): 68－72. (in Chinese with English abstract)

[7] 王吉奎，付威，王衛(wèi)兵，等. SMS-1500型秸稈粉碎與殘膜回收機(jī)的設(shè)計(jì)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2011，27(7)：168－172. Wang Jikui, Fu Wei, Wang Weibing, et al. Design of SMS-1500 type straw chopping and plastic film residue collecting machine[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2011, 27(7): 168－172. (in Chinese with English abstract)

[8] 胡凱，王吉奎，李斌，等. 棉稈粉碎還田與殘膜回收聯(lián)合作業(yè)機(jī)研制與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2013，29(19)：24－31. Hu Kai, Wang Jikui, Li Bin, et al. Development and experiment of combined operation machine for cotton straw chopping and plastic film collecting[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2013, 29(19): 24－31. (in Chinese with English abstract)

[9] 王學(xué)農(nóng)，馮斌，陳發(fā)，等. 棉秸稈切碎及殘膜回收聯(lián)合作業(yè)關(guān)鍵技術(shù)研究[J]. 新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，28(3)：49－59. Wang Xuenong, Feng Bin, Chen Fa, et al. Research on key technic of cotton stalk shredding and used polythene film collecting combined machine[J]. Journal of Xinjiang Agricultural University, 2005, 28(3): 49－59. (in Chinese with English abstract)

[10] 蔣永新，陳發(fā)，王學(xué)農(nóng)，等. 棉秸稈還田及殘膜回收機(jī)改進(jìn)設(shè)計(jì)研究[J]. 新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)，2008，45(S2)：159－161.

[11] 王學(xué)農(nóng)，馮斌，陳發(fā)，等. 4JSM-1800棉秸稈還田及殘膜回收聯(lián)合作業(yè)機(jī)研制[J]. 新疆農(nóng)機(jī)化，2003(4)：53－54.

[12] 張學(xué)軍，吳成武，馬少輝，等. 殘膜回收機(jī)摟膜連桿機(jī)構(gòu)模糊優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2007，38(9)：55－58. Zhang Xuejun, Wu Chengwu, Ma Shaohui, et al. Fuzzy optimization design of the links mechanism with film rake of remnant plastic film collector[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2007, 38(9): 55－58. (in Chinese with English abstract)

[13] 楊麗，劉佳，張東興，等. 棉花苗期地膜回收機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2010，41(增刊)：73－77. Yang Li, Liu Jia, Zhang Dongxing, et al. Design and experiment of plastic film collector for cotton fields during seedling period[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2010, 41(Supp.): 73－77. (in Chinese with English abstract)

[14] 王學(xué)農(nóng)，史建新，郭俊先，等. 懸掛式棉稈粉碎還田摟膜機(jī)摟膜機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2008，24(1)：135－140. Wang Xuenong, Shi Jianxin, Guo Junxian, et al. Experimental study and design on film raking mechanism of hanging film raker with cotton-stalk crushing and returning to field[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2008, 24(1): 135－140. (in Chinese with English abstract)

[15] 姚宗路，王曉燕，高煥文，等. 小麥免耕播種機(jī)種肥分施機(jī)構(gòu)的改進(jìn)與應(yīng)用效果[J]．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2007，23(1)：120－124. Yao Zonglu, Wang Xiaoyan, Gao Huanwen, et al. Improvement and experiment on the device for separate application of fertilizer and seed for no-till wheat drill[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2007, 23(1): 120－124. (in Chinese with English abstract)

[16] 蔣金琳，龔麗農(nóng)，王明福. 免耕播種機(jī)單體工作性能試驗(yàn)研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2000，16(5)：64－66. Jiang Jinlin, Gong Linong, Wang Mingfu. Study on the working performance of the no-tillage planter unit[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2000, 16(5): 64－66. (in Chinese with English abstract)

[17] 張喜瑞，何進(jìn)，李洪文，等. 免耕播種機(jī)驅(qū)動(dòng)圓盤(pán)防堵單元體的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2009，25(9)：117－121. Zhang Xirui, He Jin, Li Hongwen, et al. Design and experiment on the driving disc of anti-blocking unit for no-tillage planter[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2009, 25(9): 117－121. (in Chinese with English abstract)

[18] 范旭輝，賈洪雷，張偉漢，等. 免耕播種機(jī)仿形爪式防堵清茬機(jī)構(gòu)參數(shù)分析[J]．農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2011，42(10)：56－60． Fan Xuhui, Jia Honglei, Zhang Weihan, et al. Parametric analysis of finger-type anti-blocking residue-cleaner for no-till planting[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2011, 42(10): 56－60. (in Chinese with English abstract)

[19] 張晉國(guó)，高煥文. 免耕播種機(jī)新型防堵裝置的研究[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2000，31(4)：33－35. Zhang Jinguo, Gao Huanwen. Study on the strip chopping anti-blocking mechanism[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2000, 31(4): 33－35. (in Chinese with English abstract)

[20] 胡鴻烈，孫福輝. 單體仿形壓輪式播種單組的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，1996，27(增刊)：53－57. Hu Honglie, Sun Fuhui. Study on designing and testing of the drill unit with individual profiling press wheel[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 1996, 27(Supp): 53－57. (in Chinese with English abstract)

[21] 孫桓，陳作模，葛文杰. 機(jī)械原理[M]. 北京：高等教育出版社，2006.

[22] 劉陽(yáng)春，張小超，偉利國(guó)，等. 一種變量施肥技術(shù)的實(shí)現(xiàn)及其臺(tái)架試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2010，41(9)：159－162． Liu Yangchun, Zhang Xiaochao, Wei Liguo, et al. Design and experiment of a variable rate fertilization control system[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2010, 41(9): 159－162. (in Chinese with English abstract)

[23] 謝建華，侯書(shū)林，付宇，等. 殘膜回收機(jī)彈齒式拾膜機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2013，44(增刊1)：94－99. Xie Jianhua, Hou Shulin, Fu Yu, et al. Motion analysis and experiment on spring-tooth mulching plastic film collector[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2013, 44(Supp.1): 94－99. (in Chinese with English abstract)

[24] 濮良貴，紀(jì)名剛，陳國(guó)定，等. 機(jī)械設(shè)計(jì)[M]. 北京：高等教育出版社，2006.

[25] 龔麗農(nóng)，高煥文，蔣金琳. 免耕播種機(jī)玉米根茬處理裝置作業(yè)功耗試驗(yàn)研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2008, 24(7)：124－127. Gong Linong, Gao Huanwen, Jiang Jinlin. Experimental study on power dissipation of corn rootstalk treatment device of no-tillage planter[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2008, 24(7): 124－127. (in Chinese with English abstract)

[26] 陳振歆，王金武，牛春亮，等. 彈齒式苗間除草裝置關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2010，41(6)：81－86. Chen Zhenxin, Wang Jinwu, Niu Chunliang, et al. Design and experiment of key components of trash cultivator's working in paddy rice seeding lines[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2010, 41(6): 81－86. (in Chinese with English abstract)

[27] 徐中儒. 回歸分析與試驗(yàn)設(shè)計(jì)[M]. 北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社，1998.

[28] 王業(yè)成，陳海濤，林青. 黑加侖采收裝置參數(shù)的優(yōu)化[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2009，25(3)：79－83. Wang Yecheng, Chen Haitao, Lin Qing. Optimization of parameters of blackcurrant harvesting mechanism [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2009, 25(3): 79－83. (in Chinese with English abstract)

[29] 劉曙光，尚書(shū)旗，楊然兵，等. 小區(qū)播種機(jī)存種裝置參數(shù)試驗(yàn)及優(yōu)化[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2010，26(9)：101－108. Liu Shuguang, Shang Shuqi, Yang Ranbing, et al. Test and optimization of parameters for the storing device of plot seeder[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2010, 26(9): 101－108. (in Chinese with English abstract)

[30] GB/T 25412-2010，殘地膜回收機(jī)[S].

[31] 王科杰，任萍，胡斌，等. 一種可折疊式殘膜回收機(jī)：2015205745881[P].2016-04-06.

Design and experiment of monomer profiling raking-film mechanism of residue plastic film collector

Wang Kejie1, Hu Bin1※, Luo Xin1, Chen Xuegeng1,2, Zheng Xuan2, Yan Limin2, Gou Haixiao2

(1.832000,2.832000,)

The collecting machinery of mulching plastic film offers an important technological means to curb the farmland residue pollution. The main method of residual film recycling in Xinjiang is the raking-film working. Due to the complex cotton field environment and the poor raking film effect of whole profiling of the used plastic film collector, the raking film tooth can not simultaneously carry out the monomer film collecting with copying with different cotton field terrain, which causes a low collecting rate during the process of residual film recycling. For the problem, this paper proposed a collecting-film mechanism of the profiling of the monomer. The theoretical design and mechanical analysis of the mechanism of collecting film were carried out. With the method of complex vector, the profiling-mechanism dynamics model was established, which involved the relationship between the reacting force of soil to land wheel of profiling and the spring-tooth resilience force. Based on the establishment and analysis of dynamics model, the collecting-film influencing factor could be initially determined. And the relevance of the spring-tooth stress states and the raking-film mechanism’s operating condition was further explored. In order to confirm the operation parameters of the device of collecting film, the experiment of the response surface with 5 levels and 3 factors was accomplished on the soil bin trolley test-bed with the spring tooth of the raking film. Three test parameters, i.e. spring tooth number, test-car speed and spring tooth diameter, were chosen as the influence factors of the test-bed experiment. And collecting rate of residual film recycling was selected as the evaluation index of the test-bed experiment. Quadratic orthogonal rotation combination trial design was applied to build the quadratic polynomial regressive model, which interpreted the relationship between the experimental influence factors and evaluation index. Using the data analysis software of Design-Expert 8.0.6, the matching mathematical regression pattern was developed, the relation of salient factors with the evaluation index was analyzed, and the parameters of test were improved. The optimum combination of parameters could be reached when the number of spring teeth was 5, the diameter of spring tooth was 12 mm, and the speed of test car was 1.85 m/s. By using the soil bin trolley testing, the optimized results were verified on the basis of optimization parameters combination. The experimental consequences manifested that the collecting-film rate of the mechanism of monomer profiling raking-film was more than 88.5%, the optimization prediction model based on the quadratic multinomial fitting model was reliable, and the film recycling requirement could be met by the structure and working parameters combination. According to the standing cotton stalks standard field experiment in Changji, Xinjiang, the experimental cotton field was selected, which was pressed by the wheel of picking cotton locomotive and produced different fluctuation of pits and soil slope, and the results from the cotton field and the laboratory were basically consistent. The research provides an original theoretical reference for the design of raking film mechanism of single profiling, as well as the parameter optimization of remnant plastic film collector.

agricultural machinery; plastic films; optimization; monomer profiling; collecting-film mechanism; test-bed experiment; residue plastic film

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.08.002

S223.5

A

1002-6819(2017)-08-0012-09

2016-07-14

2017-01-24

新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)重大科技專(zhuān)項(xiàng)（2014AA002）；農(nóng)業(yè)部行業(yè)專(zhuān)項(xiàng)（201503105）

王科杰，男，江西上饒人，研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)及理論。石河子 石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院，832000。Email：1421243560@qq.com

胡 斌，男，湖北英山人，教授，主要從事農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)與性能試驗(yàn)研究。石河子 石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院，832000。Email：lxm8823@163.com

王科杰，胡 斌，羅 昕，陳學(xué)庚，鄭 炫，顏利民，緱海嘯.殘膜回收機(jī)單組仿形摟膜機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2017，33(8)：12－20. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.08.002 http://www.tcsae.org

Wang Kejie, Hu Bin, Luo Xin, Chen Xuegeng, Zheng Xuan, Yan Limin, Gou Haixiao. Design and experiment of monomer profiling raking-film mechanism of residue plastic film collector[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(8): 12－20. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.08.002 http://www.tcsae.org