徐弘博，胡志超，吳 峰，顧峰瑋，于昭洋

(農(nóng)業(yè)部 南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，南京 210014)

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鏈齒式殘膜回收輸送方式對(duì)比分析與試驗(yàn)

徐弘博，胡志超，吳 峰，顧峰瑋，于昭洋

(農(nóng)業(yè)部 南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，南京 210014)

針對(duì)傳統(tǒng)下輸送鏈齒式殘膜回收機(jī)存在的撿拾效果不佳與輸膜不暢等現(xiàn)象，提出了上輸送殘膜回收方式，并對(duì)兩種輸送方式的殘膜回收機(jī)在拾膜和脫膜階段的機(jī)理進(jìn)行了分析；從理論角度分析了兩種輸送方式的可行性，并對(duì)其特點(diǎn)進(jìn)行了比較。分別設(shè)計(jì)了結(jié)構(gòu)參數(shù)相同但輸送方式不同的兩臺(tái)鏈齒式殘膜回收機(jī)，一臺(tái)采用下輸送方式，而另一臺(tái)采用上輸送方式。在收獲后的花生田進(jìn)行收膜對(duì)比試驗(yàn)，對(duì)影響機(jī)具作業(yè)質(zhì)量的輸送方式、輸送鏈轉(zhuǎn)速和脫膜輥轉(zhuǎn)速3個(gè)主要因素進(jìn)行正交試驗(yàn)，結(jié)果表明：輸送方式是影響機(jī)具撿拾率的主要因素，上輸送方式的撿拾率達(dá)到91.9%，遠(yuǎn)高于下輸送方式，綜合作業(yè)質(zhì)量上輸送方式優(yōu)于下輸送方式。該對(duì)比試驗(yàn)可為鏈齒式殘膜回收機(jī)輸送方式的選擇和未來(lái)的研發(fā)方向提供參考。

殘膜回收；輸送方式；分析；試驗(yàn)

0 引言

覆膜技術(shù)帶來(lái)農(nóng)作物增產(chǎn)的同時(shí)也導(dǎo)致了嚴(yán)重的土質(zhì)惡化和環(huán)境破壞[1-4]。我國(guó)是當(dāng)今世界上覆膜面積最大的國(guó)家，覆膜技術(shù)廣泛應(yīng)用于全國(guó)各個(gè)地區(qū)，但地膜回收率普遍很低。目前，我國(guó)新疆棉花、玉米等農(nóng)作物主產(chǎn)區(qū)的平均地膜殘留量已高達(dá)約200kg/hm2，殘膜污染治理已進(jìn)入關(guān)鍵時(shí)期。機(jī)械化殘膜回收技術(shù)作為殘膜污染治理的重要手段之一，具有良好的發(fā)展前景[5-7]。

鏈齒式殘膜回收機(jī)清土效果好、作業(yè)效率高，在殘膜回收領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。鏈齒式殘膜回收機(jī)主要由拾膜部件、脫膜部件和集膜部件組成，其拾膜部件負(fù)責(zé)殘膜的撿拾和輸送，是殘膜回收機(jī)的關(guān)鍵部件之一。目前,已有的拾膜機(jī)構(gòu)主要采用下輸送方式，即殘膜沿輸送鏈的下側(cè)輸入到回收機(jī)中，如新疆石河子大學(xué)研制的SMS-1500型殘膜回收機(jī)、棉稈粉碎還田與殘膜回收聯(lián)合作業(yè)機(jī)、彈齒鏈耙式播前殘膜回收機(jī)[8-12],以及山東農(nóng)業(yè)大學(xué)研制的鏈條導(dǎo)軌式地膜回收機(jī)[13]等。這種下輸送方式與市場(chǎng)上主流的稻麥聯(lián)合收獲機(jī)的輸送方式一致；但殘膜作為一種柔性輕薄物質(zhì)，與稻麥秸稈的形態(tài)、質(zhì)量等物理特性具有本質(zhì)區(qū)別。在實(shí)際作業(yè)過(guò)程中，由于殘膜自身特性與下輸送拾膜機(jī)理的原因，往往出現(xiàn)殘膜撿拾效果不佳和輸送不暢等現(xiàn)象。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文分別設(shè)計(jì)兩臺(tái)結(jié)構(gòu)參數(shù)相同的鏈齒式殘膜回收機(jī)：一臺(tái)采用上輸送收膜方式，即殘膜沿輸送鏈上側(cè)進(jìn)行輸送；另一臺(tái)采用傳統(tǒng)下輸送收膜方式。同時(shí)，對(duì)比兩種輸送方式的作業(yè)機(jī)理并進(jìn)行田間試驗(yàn)，為鏈齒式殘膜回收機(jī)的設(shè)計(jì)方案提供新思路。

1 總體結(jié)構(gòu)與工作原理

兩臺(tái)鏈齒式殘膜回收機(jī)的結(jié)構(gòu)基本相同，但升運(yùn)鏈的運(yùn)轉(zhuǎn)方向相反。鏈齒式殘膜回收機(jī)主要由機(jī)架、變速箱、起膜鏟、壟溝鏟、升運(yùn)鏈、桿齒、脫膜輥和集膜箱等組成，如圖1所示。下輸送鏈齒式殘膜回收機(jī)沿升運(yùn)鏈下方平行設(shè)置了一塊托板。

工作時(shí)，機(jī)具由拖拉機(jī)后動(dòng)力輸出軸驅(qū)動(dòng)，起膜鏟和壟溝鏟負(fù)責(zé)將地膜從土壤中初步托起，便于桿齒撿拾。上輸送方式通過(guò)桿齒將地膜挑起并沿升運(yùn)鏈上表面輸送到機(jī)具后方，再由脫膜輥將膜刷脫到集膜箱內(nèi)；而下輸送方式則是將地膜反向挑起到托板上，并在升運(yùn)鏈的帶動(dòng)下將地膜沿托板向后輸送，再由脫膜輥將地膜刷脫到集膜箱內(nèi)，運(yùn)輸過(guò)程中地膜始終處于升運(yùn)鏈的下方。上、下輸送鏈齒式殘膜回收機(jī)工作原理如圖2所示。

1.壟溝鏟 2.起膜鏟 3.機(jī)架 4.變速箱 5.升運(yùn)鏈 6.桿齒 7.脫膜輥 8.集膜箱

(a) 上輸送方式 (b) 下輸送方式

2 拾膜條件分析與對(duì)比

拾膜包含起膜和輸膜兩個(gè)過(guò)程。起膜是指將地膜與地表進(jìn)行分離的過(guò)程；輸膜是指將地膜向機(jī)具內(nèi)部進(jìn)行輸送的過(guò)程。對(duì)于鏈齒式殘膜回收機(jī)來(lái)說(shuō)，下輸送與上輸送具有截然不同的拾膜機(jī)理，本文從起膜和輸膜角度就其各自拾膜條件分別進(jìn)行分析。

2.1 下輸送式拾膜條件與參數(shù)

起膜階段，桿齒挑膜方向與機(jī)具前進(jìn)方向相反，殘膜與地表進(jìn)行分離的條件是桿齒對(duì)殘膜做功，使其克服自身重力、自身張力、膜土粘合力與膜土摩擦力。殘膜在A(yíng)點(diǎn)處被桿齒挑起，對(duì)殘膜進(jìn)行受力分析如圖3所示。此時(shí)殘膜被挑起的條件為

(1)

其中，F(xiàn)xq為起膜瞬間桿齒對(duì)殘膜作用力(N)；Fz為殘膜自身張力(N)；N粘為殘膜與地面的粘合力(N)；G為殘膜自重(N)；f地為殘膜與地面的摩擦因數(shù)；α為起膜瞬間桿齒對(duì)殘膜的作用力方向與水平方向的夾角(°)。

1.地面 2.桿齒 3.托板 4.升運(yùn)鏈

由于起膜時(shí)桿齒的運(yùn)行速度(即桿齒圓周段線(xiàn)速度)高于機(jī)具的前進(jìn)速度而造成殘膜拉扯形成了殘膜自身張力Fz。將桿齒直線(xiàn)段運(yùn)行速度設(shè)為機(jī)具前行速度，由于起膜時(shí)桿齒處于圓周運(yùn)動(dòng)階段，此階段齒尖的速度高于桿齒水平運(yùn)動(dòng)階段，因此只要?dú)埬碛幸欢ㄩL(zhǎng)度，采用下輸送方式起膜不可避免地受到殘膜自身張力Fz的影響。PE塑料地膜受到外力拉伸，在發(fā)生屈服前大致表現(xiàn)為彈性變形[14-15]。因此，F(xiàn)z又與殘膜拉伸長(zhǎng)度成正比，則有

Fz=k·Δx

(2)

其中，k為殘膜拉伸系數(shù)，與地膜厚度與覆膜時(shí)間有關(guān)；Δx為殘膜拉伸長(zhǎng)度(mm)。最大拉伸長(zhǎng)度Δxmax表現(xiàn)為

(R-r)φ

(3)

其中，x1表示殘膜從地表到桿齒圓周段終點(diǎn)的距離(mm)；x2表示同樣時(shí)間內(nèi)機(jī)具前行距離(mm)；r為升運(yùn)鏈輪回轉(zhuǎn)節(jié)圓半徑(mm)；R為桿齒齒尖圓半徑(mm)；ω1為升運(yùn)鏈轉(zhuǎn)速(rad/s)；φ為桿齒直線(xiàn)輸送段起點(diǎn)與起膜點(diǎn)之間的夾角(°)。式(3)表示殘膜拉伸長(zhǎng)度為殘膜從地表到桿齒圓周段終點(diǎn)的距離與同樣時(shí)間內(nèi)機(jī)具前行距離的差值，由此可發(fā)現(xiàn)：最大拉伸長(zhǎng)度Δxmax主要取決于桿齒齒尖到回轉(zhuǎn)中心半徑R與回轉(zhuǎn)節(jié)圓半徑r的差值(R>r)，當(dāng)拉伸長(zhǎng)度Δx達(dá)到一定值時(shí)，殘膜將發(fā)生斷裂。實(shí)際生產(chǎn)中，為了減小機(jī)具尺寸、降低制造成本，一般設(shè)計(jì)回轉(zhuǎn)節(jié)圓半徑r比較小，而為了增大撿拾率，桿齒齒尖到回轉(zhuǎn)中心半徑R較大，導(dǎo)致其差值也較大，因而試驗(yàn)中往往觀(guān)察到下輸送方式拾膜造成殘膜斷裂現(xiàn)象。

對(duì)殘膜與地膜的粘合力N粘進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)N粘與土壤特性t和殘膜與土壤的接觸面積S有關(guān)；而殘膜與土壤的接觸面積S與殘膜自重G正相關(guān)。因此可得

N粘=t×S=t地×G

(4)

其中，t地為殘膜與土壤粘合系數(shù)。通過(guò)彈簧測(cè)力計(jì)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在沙土中，N粘≈G；在黏土中，N粘≈5G。

將式(2)～式(4)帶入式(1)可得，殘膜被挑起的條件為

(5)

式(5)可合并為

(6)

由式(6)可以看出：采用下輸送方式撿拾殘膜，起膜條件是由機(jī)具尺寸參數(shù)、土壤特性和殘膜特性共同決定的。

輸膜階段，殘膜被輸送的條件是桿齒與托板的合力對(duì)殘膜做功，使其克服自身重力、空氣阻力和膜與托板間的摩擦力。輸送過(guò)程中殘膜在B點(diǎn)受力如圖4所示。

1.桿齒 2.升運(yùn)鏈 3.托板

該階段輸膜條件為

Fxs=

(7)

其中，F(xiàn)xs為輸送過(guò)程中桿齒與托板對(duì)殘膜的合力(N)；F鋼為殘膜與托板間的摩擦力(N)；F空為空氣對(duì)殘膜的阻力(N)；θ為升運(yùn)鏈與水平方向夾角(°)。通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，空氣對(duì)殘膜的阻力與殘膜面積成正比，即與殘膜質(zhì)量成正比，可以寫(xiě)作

F空=μG

(8)

其中，μ為空氣阻力系數(shù)。同樣，托板對(duì)殘膜的阻力也有類(lèi)似關(guān)系，寫(xiě)作

F鋼=λG

(9)

其中，λ為托板阻力系數(shù)。將式(8)、式(9)帶人式(7)可得

(10)

由式(10)可以看出：采用下輸送方式輸送殘膜，輸膜條件是由機(jī)具結(jié)構(gòu)、托板阻力、空氣阻力和殘膜自重共同決定的。

2.2 上輸送式拾膜條件與參數(shù)

起膜階段，桿齒挑膜方向與機(jī)具前進(jìn)方向相同，殘膜與地表進(jìn)行分離的條件是桿齒對(duì)殘膜做功，使其克服自身重力、膜土粘合力與膜土摩擦力。殘膜在C點(diǎn)被桿齒挑起，對(duì)殘膜進(jìn)行受力分析如圖5所示。此時(shí)殘膜被挑起的條件為

(11)

其中，F(xiàn)sq為起膜瞬間桿齒對(duì)殘膜作用力(N)；β為起膜瞬間桿齒對(duì)殘膜的作用力方向與水平方向的夾角(°)。當(dāng)桿齒入土深度不變時(shí)，上輸送與下輸送在起膜瞬間桿齒對(duì)殘膜作用力方向與水平方向的夾角相同，即

β=α

(12)

將式(4)、式(12)帶入式(11)可得

(13)

式(13)可合并為

(14)

由式(14)可以看出：采用上輸送方式撿拾殘膜，起膜條件由殘膜和土壤特性決定，與機(jī)具尺寸參數(shù)無(wú)關(guān)，且不需要克服殘膜自身張力作用，因此殘膜不會(huì)發(fā)生斷裂。

輸膜階段，殘膜被輸送的條件是桿齒對(duì)殘膜做功，使其克服自身重力和空氣阻力。輸送過(guò)程中殘膜受力在D點(diǎn)如圖6所示。該階段輸膜條件為

(15)

其中，F(xiàn)ss為輸送過(guò)程中桿齒對(duì)殘膜作用力(N)；θ為升運(yùn)鏈與水平方向夾角(°)。將式(8)帶入式(15)可得

(16)

由式(16)可以看出：采用上輸送方式輸送殘膜，輸膜條件是由機(jī)具結(jié)構(gòu)、空氣阻力和殘膜自重共同決定的。

1.地面 2.升運(yùn)鏈 3.桿齒

1.升運(yùn)鏈 2.桿齒

2.3 拾膜條件對(duì)比

分別從起膜階段和輸膜階段對(duì)上輸送方式和下輸送方式進(jìn)行對(duì)比。

對(duì)兩種輸送方式的起膜階段進(jìn)行對(duì)比，結(jié)合式(6)和式(14)，將下輸送方式起膜阻力的平方和與上輸送方式起膜阻力的平方求差可得

ΔFq=[k(R-r)φ+f地(t地+1)G]2+

k2(R-r)2φ2+2(R-r)(t地+1)kφf(shuō)地G>0

(17)

其中，ΔFq為下輸送方式起膜瞬間阻力的平方和與上輸送方式起膜瞬間阻力的平方和的差值(N2)。由式(17)可以看出：下輸送方式起膜所需作用力大于上輸送方式起膜作用力，即當(dāng)桿齒起膜作用力不足或桿齒抓取殘膜不牢固時(shí)，下輸送方式起膜率低于上輸送方式。這是由于下輸送方式存在對(duì)殘膜的牽拉作用，而上輸送方式則是沿機(jī)具前進(jìn)方向挑起殘膜，無(wú)牽拉作用。因此，上輸送方式起膜可靠性高于下輸送方式。

對(duì)兩種輸送方式的輸膜階段進(jìn)行對(duì)比，將下輸送方式輸送過(guò)程中桿齒與托板對(duì)殘膜的合力Fxs與上輸送式輸送過(guò)程中桿齒對(duì)殘膜作用力Fss求平方差可得

(1+2λsinθ+2μsinθ+2λμ+λ2+μ2)G2-

(1+2μsinθ+μ2)G2=

Gλ(λ+2μ+2sinθ)>0

(18)

其中，ΔFs為Fxs與Fss的平方差(N2)。由式(18)可以看出：由于托板阻力系數(shù)λ對(duì)下輸送方式造成的影響，下輸送方式輸膜所需作用力大于上輸送方式輸膜作用力。當(dāng)桿齒抓取殘膜不牢固時(shí)，下輸送方式更容易存在殘膜在輸送過(guò)程中掉落的情況。在實(shí)際試驗(yàn)中，依靠桿齒連續(xù)輸送作用，殘膜即使從一排桿齒上脫離，也往往會(huì)被后一排桿齒抓住，因此輸膜過(guò)程中發(fā)生殘膜掉落的現(xiàn)象較為罕見(jiàn)，而表現(xiàn)出輸送阻滯不暢的現(xiàn)象。

3 脫膜機(jī)理分析與對(duì)比

本文涉及的兩種輸送方式均采用滾筒型脫膜裝置，脫膜葉片均布在滾筒的圓周方向，作業(yè)時(shí)葉片與拾膜桿齒運(yùn)動(dòng)方向相反，同屬逆向脫膜。這種脫膜方式的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造成本低、可靠性高；缺點(diǎn)是裝配精度要求高、且易造成脫膜輥纏繞，影響機(jī)具作業(yè)的順暢性[16-18]。

3.1 脫膜條件對(duì)比

脫膜過(guò)程是從殘膜與脫膜葉片開(kāi)始接觸瞬間開(kāi)始的，因此需對(duì)殘膜與脫膜葉片接觸瞬間的受力情況進(jìn)行分析，該點(diǎn)的受力情況取決于機(jī)具的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)參數(shù)。

下輸送方式脫膜瞬間殘膜受力情況如圖7所示。殘膜沿升運(yùn)鏈運(yùn)動(dòng)到E點(diǎn)時(shí)受到脫膜葉片打擊，殘膜受到自身重力G、桿齒對(duì)殘膜作用力FC、殘膜與空氣的摩擦阻力F空和脫膜葉片對(duì)殘膜作用力FT。其中，殘膜的脫膜條件主要取決于脫膜葉片對(duì)殘膜作用力FT的值，即FT克服其他作用力對(duì)殘膜的阻礙作用時(shí)，殘膜可與桿齒發(fā)生分離，達(dá)到脫膜目的。

由圖7可以看出：殘膜自身重力G的分力方向與脫膜葉片對(duì)殘膜作用力FT方向相同，因此對(duì)脫膜相起到輔助作用。

1.升運(yùn)鏈 2.桿齒 3.脫膜輥

上輸送方式脫膜瞬間殘膜受力情況如圖8所示。殘膜沿升運(yùn)鏈運(yùn)動(dòng)到F點(diǎn)時(shí)受到脫膜葉片打擊，殘膜受到自身重力G、桿齒對(duì)殘膜作用力FC、殘膜與空氣的摩擦阻力F空、離心力Fω和脫膜葉片對(duì)殘膜作用力FT。與下輸送方式相同的是殘膜脫膜條件主要取決于脫膜葉片對(duì)殘膜作用力FT的值。

1.升運(yùn)鏈 2.桿齒 3.脫膜輥

由圖8可以看出：離心力Fω的分力與脫膜葉片對(duì)殘膜作用力FT方向相同，因此對(duì)脫膜相起到輔助作用，而重力G的分力對(duì)脫膜起到阻礙作用。

由于拾起的每塊殘膜在質(zhì)量、抓取方式等方面都有其唯一性，因此本文只對(duì)脫模條件進(jìn)行定性分析。由動(dòng)量守恒定理可知

(19)

其中，t為殘膜脫離桿齒所用時(shí)間(s)；m為脫膜葉片質(zhì)量(kg)；v’為脫膜葉片線(xiàn)速度(m/s)。其中，脫膜葉片線(xiàn)速度v設(shè)計(jì)的較高，而殘膜脫離桿齒的時(shí)間t很短，因此脫膜葉片對(duì)殘膜作用力FT非常大，足以克服其他力的阻礙作用，實(shí)現(xiàn)殘膜與桿齒分離。因此，無(wú)論采用上輸送還是下輸送方式，采用脫膜輥脫膜在機(jī)理上均具有其可行性。

3.2 脫膜順暢性對(duì)比

影響脫膜順暢性的因素有殘膜堆積與脫膜輥纏繞。殘膜堆積是指殘膜堆積在桿齒鏈與脫膜輥之間，不能及時(shí)與桿齒發(fā)生脫離。脫膜輥纏繞是指殘膜受到脫膜葉片的夾持而沒(méi)有與脫膜輥分離，久而久之形成脫膜輥纏繞，影響機(jī)具作業(yè)順暢性。在殘膜回收機(jī)具參數(shù)設(shè)計(jì)階段，脫膜輥葉片的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速較高，從而避免了殘膜堆積的問(wèn)題；而脫膜輥纏繞問(wèn)題難以通過(guò)結(jié)構(gòu)與參數(shù)設(shè)計(jì)來(lái)避免。因此，影響脫膜順暢性的主要因素為脫膜輥纏繞。

根據(jù)理論分析與試驗(yàn)觀(guān)察，脫膜輥纏繞主要與兩個(gè)因素有關(guān)：一是脫膜葉片對(duì)殘膜的打擊次數(shù)；二是殘膜自身長(zhǎng)度。脫膜葉片對(duì)殘膜打擊次數(shù)越多，越容易發(fā)生葉片夾持殘膜的現(xiàn)象，因此纏繞率與脫膜葉片對(duì)殘膜的打擊次數(shù)成正比。試驗(yàn)中觀(guān)察到殘膜多夾持于兩葉片之間，因此可以判斷出纏繞率與殘膜長(zhǎng)度正相關(guān)。由圖7、圖8可以看出：采用下輸送方式脫膜，殘膜與脫膜輥很快分離，因此打擊次數(shù)較少；上輸送方式脫膜，殘膜需要越過(guò)整個(gè)脫膜輥上方，更容易發(fā)生多次打擊。對(duì)于殘膜長(zhǎng)度，上文已分析過(guò)下輸送方式殘膜容易被撕碎，因此下輸送方式的殘膜平均長(zhǎng)度比上輸送方式要小，可定性分析出上輸送方式的脫膜輥纏繞率要高于下輸送方式。

4 試驗(yàn)與討論

4.1 試驗(yàn)條件

田間試驗(yàn)在遼寧省錦州市義縣已收獲的花生田進(jìn)行。花生種植方式為壟作，一壟雙行，壟高100mm；土壤類(lèi)型為沙土，表層含水率約為10%(0～100mm)。地膜寬度680mm，厚度0.010mm。機(jī)器起秧后，人工將花生果秧移走，再進(jìn)行收膜試驗(yàn)?；ㄉ斋@后，地膜整體沿縱向撕裂，橫向斷裂少，大部分殘膜位于地表及淺表層(深度0～20mm)，少部分殘膜位于壟溝處土壤內(nèi)(深度20～80mm)?；ㄉ囼?yàn)田情況如圖9所示。

4.2 試驗(yàn)方法與結(jié)果

將撿拾率、掉落率和纏繞率作為評(píng)判殘膜回收機(jī)性能指標(biāo)的主要因素。下輸送方式與上輸送方式的殘膜回收機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)相同，因此不考慮結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)性能指標(biāo)的影響。比較不同運(yùn)動(dòng)參數(shù)和輸送方式對(duì)上述性能指標(biāo)的影響，以輸送方式(下輸送、上輸送)、升運(yùn)鏈轉(zhuǎn)速和脫膜輥轉(zhuǎn)速為試驗(yàn)因素安排正交試驗(yàn)[19]，試驗(yàn)因素和水平如表1所示。

圖9 花生試驗(yàn)田

水平因素A輸送方式B升運(yùn)鏈轉(zhuǎn)速/r·min-1C脫膜輥轉(zhuǎn)速/r·min-11下輸送1751632上輸送2102123245260

選用擬水平法的L9(34)正交試驗(yàn)表安排試驗(yàn),將輸送方式缺失的水平3用水平2(上輸送)代替，以撿拾率Y1、掉落率Y2和纏繞率Y3作為評(píng)價(jià)指標(biāo)(其中撿拾率Y1越大越好，掉落率Y2和纏繞率Y3越小越好)，用直觀(guān)分析法對(duì)每個(gè)指標(biāo)進(jìn)行分析。

隨機(jī)選取測(cè)試區(qū)9塊，每塊長(zhǎng)80m。3個(gè)試驗(yàn)指標(biāo)的測(cè)試方法為：先由機(jī)具作業(yè)撿拾殘膜，測(cè)定集膜箱中殘膜質(zhì)量W1；然后人工撿拾地里剩余的殘膜，將地面上沒(méi)有被土覆蓋的整塊殘膜視為撿拾過(guò)程中掉落的殘膜，測(cè)定其質(zhì)量W2，將地里被土部分掩埋或完全掩埋的殘膜視為沒(méi)有撿拾起來(lái)的殘膜，測(cè)定其質(zhì)量W3；將脫膜輥上纏繞的殘膜人工取出，測(cè)定其質(zhì)量W4。則

(20)

機(jī)具前進(jìn)速度控制在1m/s，起膜鏟入土深度調(diào)節(jié)到80mm，在收獲后的花生田進(jìn)行收膜試驗(yàn)，如圖10所示。試驗(yàn)方案及結(jié)果如表2所示。

圖10 收膜試驗(yàn)

試驗(yàn)號(hào)因素ABC評(píng)價(jià)指標(biāo)/%Y1Y2Y3111161．24．59．6212265．83．813．3313367．14．014．3421292．319．630．6522391．716．339．7623195．228．227．572(3)1388．615．835．882(3)2189．826．625．192(3)3293．521．429．8Y1K11194．1242．1246．2K12551．1247．3251．6K13255．8247．4κ1164．780．782．1κ1291．982．483．9κ1385．382．5R127．24．61．8優(yōu)方案A2B3C2Y2K2112．339．959．3K22127．946．744．8K2353．636．1κ214．113．319．8κ2221．315．614．9κ2317．912．0R217．24．67．8優(yōu)方案A1C3B1

續(xù)表2

A.輸送方式；B.升運(yùn)鏈轉(zhuǎn)速(r/min)；C.脫膜輥轉(zhuǎn)速(r/min)；Y1.撿拾率(%)；Y2.掉落率(%)；Y3.纏繞率(%)；Kij(i=1～3；j=1～3)表示各因素下各水平評(píng)價(jià)指標(biāo)Yi(i=1～3)值的總和；κij(i=1～3；j=1～3)表示各水平評(píng)價(jià)指標(biāo)Yi(i=1～3)值的平均值；Ri(i=1～3)為極差。

由表2可知：撿拾率的各因素水平優(yōu)方案為A2B3C2，即輸送方式對(duì)撿拾率的影響最大，上輸送方式的撿拾率高于下輸送方式，升運(yùn)鏈轉(zhuǎn)速與撿拾率正相關(guān)，脫膜輥轉(zhuǎn)速對(duì)撿拾率的影響可忽略；掉落率的各因素水平優(yōu)方案為A1C3B1，即輸送方式對(duì)掉落率的影響最大，下輸送方式的掉落率低于上輸送方式，脫膜輥轉(zhuǎn)速與掉落率負(fù)相關(guān)，升運(yùn)鏈轉(zhuǎn)速對(duì)掉落率的影響可忽略；纏繞率的各因素水平優(yōu)方案為A1C1B2，即輸送方式對(duì)纏繞率的影響最大，下輸送方式的纏繞率低于上輸送方式，脫膜輥轉(zhuǎn)速與纏繞率正相關(guān)，升運(yùn)鏈轉(zhuǎn)速對(duì)纏繞率的影響可忽略。

(21)

綜合評(píng)分結(jié)果如表3所示。其最優(yōu)方案組合為A2C2B3，即試驗(yàn)號(hào)9。試驗(yàn)結(jié)果表明：輸送方式是影響殘膜回收機(jī)作業(yè)質(zhì)量的主要因素，上輸送方式的作業(yè)質(zhì)量?jī)?yōu)于下輸送方式。升運(yùn)鏈轉(zhuǎn)速和脫膜輥轉(zhuǎn)速對(duì)機(jī)具作業(yè)質(zhì)量的影響相對(duì)較小。

極差分析結(jié)果如表4所示。對(duì)于綜合各指標(biāo)的作業(yè)質(zhì)量而言，在95%的置信度下，輸送方式對(duì)作業(yè)質(zhì)量具有高度顯著性，升運(yùn)鏈轉(zhuǎn)速和脫膜輥鉆速的影響均不顯著。說(shuō)明輸送方式是影響作業(yè)質(zhì)量的決定性因素，而在現(xiàn)有作業(yè)環(huán)境與設(shè)備條件下，改變機(jī)具運(yùn)動(dòng)參數(shù)(升運(yùn)鏈轉(zhuǎn)速、脫膜輥轉(zhuǎn)速)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果沒(méi)有影響。

表3 綜合評(píng)分結(jié)果分析

S.綜合評(píng)分；K1～K3分別表示各因素下各水平綜合評(píng)分(S)值的總和；κ1～κ3表示各水平綜合評(píng)分(S)值的平均值；R.極差。

表4 綜合評(píng)分方差分析

P<0.01(極顯著)，0.010.05(不顯著)；SS.離差平方和；DF.自由度；MS.平均離差平方和；Error.誤差。

4.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

1)上輸送鏈齒式殘膜回收機(jī)撿拾率很高，平均撿拾率達(dá)到91.9%，只有少數(shù)深膜和碎膜未能撿拾；下輸送鏈齒式殘膜回收機(jī)平均撿拾率不到70%，與上輸送方式存在明顯差距。主要原因是由于殘膜較為完整，且是當(dāng)年新膜，韌性強(qiáng)，撿拾齒對(duì)殘膜的作用力不足以克服殘膜自身張力和其他阻力，導(dǎo)致?lián)焓靶Ч焕硐?。試?yàn)中發(fā)現(xiàn)：下輸送式殘膜回收機(jī)作業(yè)后地表遺留殘膜多數(shù)出現(xiàn)撕裂和劃痕，可以證明上述觀(guān)點(diǎn)。其次，機(jī)具結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)下輸送方式的撿拾率存在一定影響，由于試驗(yàn)成本等原因的限制，本次試驗(yàn)不對(duì)此因素進(jìn)行驗(yàn)證。

2)提高升運(yùn)鏈轉(zhuǎn)速對(duì)下輸送式殘膜回收機(jī)的撿拾率有一定提高作用，但提高效果非常有限，轉(zhuǎn)速超過(guò)210r/min后撿拾率的提升明顯減緩；上輸送是殘膜回收機(jī)的撿拾率對(duì)升運(yùn)鏈轉(zhuǎn)速不敏感，且轉(zhuǎn)速提高到一定值后會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的壅土現(xiàn)象，因此建議在殘膜輸送過(guò)程中不擁堵的前提下選擇較低轉(zhuǎn)速。

3)采用下輸送方式殘膜在輸送過(guò)程中掉落率較低，約4%，這是由于少數(shù)殘膜未能沿托板向上輸送而發(fā)生掉落；上輸送式殘膜回收機(jī)掉落率很高，試驗(yàn)后可見(jiàn)地表有很多掉落的殘膜。經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致殘膜掉落的兩個(gè)因素：一是脫膜葉片未能及時(shí)將桿齒上的殘膜脫下，導(dǎo)致殘膜繼續(xù)跟隨桿齒運(yùn)動(dòng)到輸送鏈下方，在自身重力的作用下脫離桿齒而出現(xiàn)掉落。出現(xiàn)這種情況主要是因?yàn)樯陷斔头绞酵耆揽織U齒攜帶殘膜，而下輸送方式依靠桿齒和托板共同攜帶殘膜，殘膜與桿齒間作用力較小，所以上輸送方式脫膜更加困難；其次，由于上輸送方式殘膜長(zhǎng)度較長(zhǎng)，前端的殘膜已經(jīng)被脫膜葉片帶動(dòng)時(shí)，后端殘膜還掛在桿齒上，對(duì)前端殘膜造成拉扯而導(dǎo)致脫膜效果減弱。由此可見(jiàn)，下輸送方式在脫膜時(shí)的交接可靠性高于上輸送方式。二是脫膜葉片將殘膜甩出集膜箱外，上輸送方式在脫膜時(shí)會(huì)發(fā)生殘膜在脫膜葉片帶動(dòng)下旋轉(zhuǎn)1周又向前甩出的現(xiàn)象，導(dǎo)致殘膜掉落；而下輸送方式的脫膜輥轉(zhuǎn)向與上輸送方式相反，因此極少出現(xiàn)這樣的問(wèn)題。

4)下輸送式殘膜回收機(jī)和上輸送式殘膜回收機(jī)都存在脫膜輥纏繞的問(wèn)題，且表現(xiàn)為纏繞率與脫膜葉片線(xiàn)速度正相關(guān)。上輸送方式的纏繞率約為下輸送方式纏繞率的2倍，這與脫模機(jī)理的分析結(jié)果一致。

5)上輸送式殘膜回收機(jī)在試驗(yàn)中發(fā)生了殘膜掉落和脫膜輥纏繞嚴(yán)重的問(wèn)題，但綜合作業(yè)質(zhì)量?jī)?yōu)于下輸送方式，因此上輸送方式具有很大的研發(fā)空間。上輸送式殘膜回收機(jī)之所以掉落率和纏繞率高，歸根結(jié)底在于脫膜效果不理想，因此解決上述問(wèn)題的根本在于改進(jìn)現(xiàn)有脫膜裝置，跳出傳統(tǒng)脫膜輥設(shè)計(jì)的思路，研發(fā)新的結(jié)構(gòu)與參數(shù)配置。

5 結(jié)論

1)上輸送鏈齒式殘膜回收機(jī)撿拾率達(dá)到91.9%，但采用脫膜輥對(duì)其進(jìn)行脫膜存在一系列問(wèn)題：殘膜掉落率與纏繞率較高，影響機(jī)具的作業(yè)質(zhì)量與作業(yè)順暢性，總回收率沒(méi)有達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求的80%。上輸送收膜方式的可行性從理論和實(shí)踐角度都得到了驗(yàn)證；但其配套的脫膜方式還不成熟，現(xiàn)有脫膜輥結(jié)構(gòu)存在殘膜掉落和纏繞的問(wèn)題，今后的研發(fā)重點(diǎn)應(yīng)集中在研發(fā)上輸送方式的脫膜裝置上。

2)下輸送鏈齒式殘膜回收機(jī)撿拾率不足70%，但這并不說(shuō)明下輸送方式不能用于殘膜撿拾，只是反應(yīng)這種輸送方式和結(jié)構(gòu)配置不完全適應(yīng)于本試驗(yàn)工況。今后，應(yīng)進(jìn)一步分析其適用范圍，改進(jìn)結(jié)構(gòu)參數(shù)，通過(guò)優(yōu)化桿齒排布和傾角、調(diào)整托板與桿齒相位關(guān)系等方式提高撿拾率。

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Contrastive Analysis and Experiment of Conveying Mode for Chain-tooth Plastic Film Residue Collector

Xu Hongbo, Hu Zhichao, Wu Feng, Gu Fengwei, Yu Zhaoyang

(Nanjing Institute of Agricultural Mechanization, Ministry of Agriculture, Nanjing 210014, China)

Chain-tooth plastic film residue collector has the feature of excellent soil removing results and high productivity,which is widely used in the area of plastic film residue.The taking film mechanism of chain-tooth plastic film residue collector general adopts lower conveying mode,specifically the film residue is conveyed under the elevating chain.However,because of the character of plastic film residue and the mechanism of lower conveying mode,the collector often appears undesirable phenomenon in the process of actual operation such as bad collecting rate and poor conveying effect.Aiming at these problems, the paper provided upper conveying mode, specifically the film residue is conveyed upon the elevating chain.Afterwards, the mechanisms of taking and stripping plastic film residue of these two conveying modes were analyzed and compared.Based on the theoretical analysis, the analysis results were validated by test.Firstly, two chain-tooth plastic film residue collectors with the same structure parameter but different conveying modes were designed respectively.One was designed by lower conveying mode, the other was designed by upper conveying mode, which had the opposite direction of rotation of elevating chain and stripping roller.Afterwards, contrast tests of collecting plastic film residue were proceeded in the peanut field after harvest.The dominant factors of conveying mode, elevating chain speed and stripping roller speed which affected the working quality of collectors were tested by orthogonal experiment, with the evaluation indexes of collecting rate, drop rate and winding rate.The results shown that conveying mode is the dominant factor to affect collecting rate, drop rate and winding rate.The collector with upper conveying had higher collecting rate, with the percentage of 91.9%, while the collecting rate of the collector with lower conveying mode was less than 70%.On the other hand, the drop rate and winding rate of upper conveying mode is higher than lower conveying mode. Lastly, comprehensive evaluation was used to make further analysis, which shown that the comprehensive working quality of chain-tooth plastic film residue collector with upper conveying mode is better than the collector with lower conveying mode.The study not only provided a new choice to the conveying mode of chain-tooth plastic film residue collector, but also supplied reference for the future research direction and optimization of plastic film residue collector.

plastic film residue collection; conveying mode; analysis; experiment

2016-04-22

公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專(zhuān)項(xiàng)(201503105_08)；中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院科技創(chuàng)新工程項(xiàng)目(2013-)

徐弘博(1989-),男，南京人，助理研究員，(E-mail)xhbnjs@163.com。

胡志超(1963-)，男，陜西藍(lán)田人，研究員，博士生導(dǎo)師，(E-mail)nfzhongzi@163.com。

S223.5

A

1003-188X(2017)05-0012-09