田辛亮，趙 巖，陳學庚,3，顏利民,3，溫浩軍，緱海嘯，紀 超

（1. 石河子大學機械電氣工程學院，石河子 832000；2. 新疆農(nóng)墾科學院機械裝備研究所，石河子 832000；3. 農(nóng)業(yè)部西北農(nóng)業(yè)裝備重點實驗室，石河子 832000）

0 引 言

地膜覆蓋種植技術(shù)因具有良好的增溫保墑、防病抗蟲、抑制雜草生長等作用，得到廣泛的應(yīng)用[1-4]。隨著農(nóng)田殘膜含量增加，污染逐步加劇，殘膜回收問題受到高度重視[5-9]。覆膜種植技術(shù)在國外已有300多年的應(yīng)用歷史，歐美、日本等發(fā)達國家均采用高強度地膜，利用卷膜機具完成收膜作業(yè)，回收率高[10-12]。

中國使用的地膜較薄，力學性能低，卷膜回收機械不適用。中國殘膜回收機械研制始于20世紀80年代，目前研究主要集中于新疆、甘肅和內(nèi)蒙古等地膜使用面積大、殘膜污染嚴重地區(qū)，其中新疆地區(qū)棉田殘膜回收機械屬于研究熱點之一。根據(jù)農(nóng)藝作業(yè)時間的不同，殘膜回收機可分為播前殘膜回收機、苗期殘膜回收機和秋后殘膜回收機[13]；按照關(guān)鍵收膜部件的不同，可分為彈齒式、滾筒式、滾筒纏繞式、齒鏈式等[14-18]。目前新疆地區(qū)廣泛應(yīng)用的棉田殘膜回收機具為立桿式彈齒摟膜機。該機型結(jié)構(gòu)簡單，故障率低，作業(yè)行進速度快，但存在許多問題。如殘膜拾凈率低于 50%、不能回收窄行中的殘膜、卸膜頻繁，行進距離30 m左右就需要卸膜1次，嚴重影響作業(yè)效率。另外，卸膜作業(yè)通過機具提升臂的上下抖動進行，頻繁操作對于拖拉機提升臂的液壓系統(tǒng)損壞很大。

為解決上述問題，本文設(shè)計了4JSM-2000A型棉稈粉碎及摟膜聯(lián)合作業(yè)機，重點研究以下幾個方面：將帶有側(cè)輸出功能的棉稈粉碎還田機與彈齒摟膜部件組合，1次作業(yè)可以完成 2道工序，提升作業(yè)效率；摟膜部件增加有浮動功能的小窄行摟膜彈齒，進一步提升殘膜回收率；機具采用大尺寸摟膜彈齒，增加物料存儲空間，使機具作業(yè)距離延長至50～70 m，減少卸膜次數(shù)，提升作業(yè)效率；通過拖拉機后輸出液壓控制液壓缸伸縮，實現(xiàn)自動卸膜，彌補現(xiàn)有立桿式摟膜機的不足。

1 整機結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 棉花種植模式及殘膜分布特點

棉花覆膜種植是先在地面鋪上一層地膜，隨后機具在膜上打孔將種子播入土壤[19-21]，新疆棉田寬行行距為660 mm，窄行行距為100 mm[22]，如圖1所示。由于采棉機車輪的碾壓，棉田寬行中的地膜平面較窄行間的地膜平面低5～10 cm。新疆秋后棉花地中的殘膜主要分布在膜面和膜邊。

圖1 棉花覆膜種植模式示意圖Fig.1 Sketch map of cotton film mulching pattern

1.2 整機結(jié)構(gòu)

4JSM-2000A型棉稈粉碎及摟膜聯(lián)合作業(yè)機主要由3點懸掛裝置、動力傳輸系統(tǒng)、棉稈粉碎裝置、棉稈輸送機構(gòu)、摟膜機構(gòu)、卸膜機構(gòu)以及機架等部分組成，如圖2所示；其中棉稈粉碎裝置主要包括刀軸、刀片、限深輪等組成；棉稈輸送機構(gòu)包括攪龍、攪龍軸固定板等組成；摟膜機構(gòu)包括彈齒、彈簧、固定架等部分組成；卸膜機構(gòu)包括卸膜擋板、液壓系統(tǒng)等部分組成。

圖2 4JSM-2000A型棉稈粉碎及摟膜聯(lián)合作業(yè)機結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure diagram of 4JSM-2000A type combined operation machine for cotton stalk chopping and residual plastic film collecting

1.3 工作原理

作業(yè)時，機具通過 3點懸掛裝置與拖拉機懸掛裝置連接，拖拉機的后輸出軸與機具的傳動系統(tǒng)連接，帶動粉碎刀軸高速旋轉(zhuǎn)將棉稈切碎，切碎后的棉稈在離心力的作用下被拋送至攪龍內(nèi)，旋轉(zhuǎn)的攪龍將棉稈拋送至地表；拖拉機前進的同時，也帶動彈齒入土摟膜。由于棉田的小窄行略高于地面，具有浮動功能的小窄行摟膜彈齒通過預(yù)緊彈簧調(diào)節(jié)彈齒入土深度，實現(xiàn)對窄行中的地膜進行回收，其他彈齒對于窄行外的殘膜進行回收。機具工作50～70 m后，通過拖拉機后輸出液壓控制機具卸膜機構(gòu)的液壓缸伸縮，實現(xiàn)自動卸膜。

1.4 主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

4JSM-2000A型棉稈粉碎及摟膜聯(lián)合作業(yè)機主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

表1 4JSM-2000A型棉稈粉碎及摟膜聯(lián)合作業(yè)機主要結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1 Main structure parameters of 4JSM-2000A type combined operation machine for cotton stalk chopping and residual plastic film collecting

2 關(guān)鍵部件設(shè)計

2.1 棉稈粉碎還田裝置

2.1.1 棉稈粉碎裝置

棉稈粉碎裝置主要由刀軸、限深輪、動刀片、定刀片、前后擋板和攪龍組成。動刀形狀主要有直刀型、Y型或L型，直刀型結(jié)構(gòu)簡單，加工方便，功率消耗低；Y型或者 L型粉碎效果比直刀型效果比較好，但是加工工藝較復(fù)雜。經(jīng)試驗對比，為保證棉稈粉碎及拋送效果，選用Y型刀片。

動刀在刀軸上的排列對于棉稈的粉碎效果有直接影響，其排列方式應(yīng)滿足以下要求[23]：1）滿足工作性能要求。粉碎后的棉稈長度應(yīng)滿足技術(shù)要求，粉碎的同時攪龍對棉稈的輸出不應(yīng)發(fā)生堵塞現(xiàn)象；2）滿足動平衡要求。機具在工作時不應(yīng)發(fā)生明顯晃動，工作時要受力均勻，動刀在刀軸上應(yīng)均勻排列，每組的徑向排列要等角度，夾角一般要大于60°。動刀常用的排列方式主要有3種：螺旋線排列、對稱排列和交錯平衡排列。交錯平衡排列的動刀結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便，在運動中相對的兩組動刀離心力的合力在同一平面內(nèi)，使得整機具有良好的平衡性，故本機動刀的排列采用交錯平衡排列方式，如圖 3a所示。

為了研究動刀片端點運動，以刀軸軸心為原點，機具前進方向為x軸正方向建立直角坐標系，如圖3b所示。取動刀片端部運動軌跡上任意一點坐標為P（x,y），由圖3可知P點的運動軌跡為：

由式（1）求導得：

由速度合成原理可得動刀末端絕對速度為：

式（1）～（3）中，ω0為刀軸旋轉(zhuǎn)的角速度，rad/s；R為動刀片回轉(zhuǎn)半徑，mm；v0為機具行進速度，m/s；V為動刀工作時的絕對速度，m/s；vx為動刀末端P點在x軸方向上的分速度，m/s；vy為動刀末端P點在y軸方向上的分速度，m/s，t為時間，s；xp為動刀末端P點在x軸方向的運動軌跡；yp為動刀末端P點在y軸方向的運動軌跡。工作時，當動刀片運動至最高點時，拖拉機的行進速度與刀片末端絕對速度在水平方向上的分量相反，有利于粉碎后的棉稈被拋送至攪龍內(nèi)。動刀片的速度與刀軸的轉(zhuǎn)速n密切相關(guān)，轉(zhuǎn)速n的計算為：

根據(jù)農(nóng)戶對棉田棉稈粉碎效率的要求，本機具設(shè)計的刀軸轉(zhuǎn)速為2 000 r/min，動刀片旋轉(zhuǎn)半徑R為262 mm。拖拉機的行進速度v0為5～7 km/h，通過計算可得動刀片末端的速度 V為 52.91～53.46 m/s，滿足對具有一定剛度的棉稈進行無支撐切割的最小速度 Vmin=48 m/s的要求[24-26]。

圖3 棉稈粉碎裝置動刀排列及運動分析Fig.3 Rotary blades array and motion analysis of cotton stalk crushing device

2.1.2 棉稈輸送攪龍

棉稈輸送攪龍可以將粉碎之后的棉稈輸送到機具前進方向的左側(cè)間隔行內(nèi)，對于膜稈分離起著至關(guān)重要的作用。本文選用的是螺旋單側(cè)輸出攪龍[27]，根據(jù)田間試驗實測，機具作業(yè)速度為5 km/h時，田間試驗單位面積內(nèi)粉碎棉稈的平均質(zhì)量為430.25 g/m2，由此計算螺旋輸送攪龍的理論輸出量Q為1.32～1.85 kg/s，以下是各參數(shù)的計算公式。

螺旋葉片直徑為：

螺距為：

螺旋軸的軸徑為：

螺旋軸的轉(zhuǎn)速為：

式（5）～（8）中K為粉碎后的棉稈特性系數(shù)；Q為螺旋輸送攪龍的理論輸出量，kg/s；ψ為填充系數(shù)，c為傾斜系數(shù)；ρ為輸送過程中棉稈的堆積密度，t/m3；A為粉碎棉稈的綜合特性系數(shù)。

秋后的棉稈水分較大，棉稈粉碎之后容易黏結(jié)成塊狀，根據(jù)《機械設(shè)計手冊》，選擇填充系數(shù)ψ取0.20，螺旋輸送攪龍水平放置，故傾斜系數(shù)c取1，粉碎棉稈的特性系數(shù)K取0.071。經(jīng)過田間實際測算，粉碎棉稈的堆積密度ρ約為0.125 t/m3，粉碎棉稈的綜合特性系數(shù)A取70。

由此計算出螺旋葉片直徑最小為397 mm，圓整為標準直徑取D=400 mm；螺距的取值范圍為200～880 mm，取螺距 s=450 mm；螺旋軸軸徑 d取值范圍為 80～140 mm，從螺旋攪龍的穩(wěn)定可靠性出發(fā)，取螺旋軸的軸徑為125 mm；螺旋軸轉(zhuǎn)速應(yīng)小于110 r/min，為避免棉稈堵塞攪龍，取n=90 r/min。

2.2 殘膜回收裝置

2.2.1 摟膜裝置結(jié)構(gòu)

摟膜裝置結(jié)構(gòu)主要由浮動摟膜機構(gòu)、機架、固定板、彈齒、彈齒固定軸、卸膜裝置等部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖4a所示。

彈齒是摟膜裝置的重要組成部分。摟膜裝置由12組彈齒組成，呈一字排開，固定在方鋼和彈齒固定軸上。機具作業(yè)時，通過液壓裝置控制摟膜裝置的入土深度實現(xiàn)摟膜。由于采棉機車輪的碾壓，棉田寬行中的地膜平面較窄行間的地膜平面要低5～10 cm，如果摟膜機構(gòu)的彈齒尖的高度在一個水平面上，棉田寬行中的地膜容易回收，窄行中的地膜回收率很低。為了更加有效地對窄行中的地膜進行回收，彌補立桿式摟膜機的不足，在摟膜裝置上設(shè)計了2組浮動摟膜裝置，其結(jié)構(gòu)如圖4b所示。每組裝置由2組彈齒、2組彈簧及方鋼組成，彈齒由方鋼和固定軸共同固定，作業(yè)時依據(jù)彈簧伸縮自動調(diào)節(jié)彈齒入土深度，實現(xiàn)窄行中地膜有效回收。機具作業(yè)時，由于窄行中的地膜和寬行中的地膜不在同一水平面上，并且窄行中的地膜略高于寬行中的地膜，而液壓裝置只能將所有彈齒控制在同一水平面，故作業(yè)時浮動裝置的彈齒對窄行中的地膜進行回收，其他彈齒對寬行中的地膜進行回收，窄行中的彈齒與寬行中的彈齒不在同一水平面。機具作業(yè)時，液壓裝置控制彈齒在同一入土深度，浮動裝置通過土壤對彈齒的反作用力使得彈簧壓縮，使得浮動裝置上的彈齒高度略高于其他彈齒，但所有彈齒的入土深度幾乎是一致的，作業(yè)過程中互不干擾。

圖4 殘膜回收裝置Fig.4 Residual film recovery mechanism

彈簧的力學特性對浮動摟膜機構(gòu)的作業(yè)效果有著重要影響，彈簧彈性大，作業(yè)時變形小，浮動效果不明顯；彈簧彈性小，作業(yè)時變形大，收膜效果不好。由生產(chǎn)試驗可知，彈簧在摟膜作業(yè)時要承受沖擊負荷，實際測量最大工作負荷100 kg，變形量40 mm，本文初定彈簧中徑為30 mm。根據(jù)所受負荷和田間試驗，并結(jié)合《機械設(shè)計手冊》，彈簧受沖擊負荷，故確定為第Ⅱ類彈簧，選用的彈簧材料為 60Si2Mn，許用切應(yīng)力[τ]=64 kg/mm2，彈簧支撐圈數(shù)n2=1.5，彈簧直徑為6 mm，外徑為36 mm，有效圈數(shù)14圈，總?cè)?shù)18圈。

2.2.2 彈 齒

彈齒是回收殘膜的關(guān)鍵部件，彈齒的結(jié)構(gòu)設(shè)計對于收膜效果影響很大，彈齒的尺寸、材料都應(yīng)滿足設(shè)計要求。本文采用圓弧形彈齒結(jié)構(gòu)，彈齒由直徑為16 mm的65 Mn鋼制成，彈齒圓弧形半徑為335 mm，其結(jié)構(gòu)如圖5a所示。每組彈齒包含2組摟膜耙，沿彈齒的中心線呈對稱分布。根據(jù)農(nóng)戶對機具作業(yè)效率的要求，弧形彈齒的末端直線延長210 mm，以增大彈齒存儲物料的空間，延長機具的作業(yè)距離，減少卸膜次數(shù)，提高機具的工作效率；彈齒的末端進行倒角，方便對彈齒的入土深度進行調(diào)節(jié)，減小拖拉機功耗。

彈齒是殘膜回收的關(guān)鍵部件，彈齒的入土角度和入土深度對殘膜回收率起著至關(guān)重要的作用。因此，研究分析彈齒的受力對于降低拖拉機的功耗以及提高殘膜回收效率至關(guān)重要。機具行進過程中彈齒的受力分析如圖5c所示。在機具行進過程中，彈齒受到的力主要包括：土壤及纏繞在彈齒上殘膜的重力、彈齒行進過程中受到的工作阻力、行進過程中土壤及纏繞在彈齒上的殘膜對彈齒的反作用力和摩擦力。

圖5 彈齒設(shè)計Fig.5 Spring-tooth design

綜合分析圖5，根據(jù)力學平衡方程，彈齒在行進過程中受到的力可以表示為：

式中G為彈齒受到的土壤及纏繞在彈齒上殘膜的重力，N；F為彈齒行進過程中的工作阻力，N；Fn為彈齒受到的殘膜及土壤對其的反作用力，N；P為彈齒行進過程中對殘膜及土壤的摩擦力，N；θ為彈齒入土角度，（°）。其中，P=μFn，對式（9）進行化簡得：

式中 μ彈齒與殘膜間的摩擦因數(shù)，彈齒在工作過程中會產(chǎn)生一定的變形，所以彈齒的入土角度在機具的工作過程中很難保持一個固定值。彈齒的入土角度 θ與彈齒的入土深度、本身結(jié)構(gòu)參數(shù)等多種情況相關(guān)，入土角度過大或者過小都不利于殘膜回收[28-30]。結(jié)合田間試驗情況分析，彈齒的入土角度θ=10°～30°時收膜效果較好。

由于工作過程中摟膜彈齒需要拖動物料前進，機具行進過程中彈齒也會受到土壤及殘膜的阻力，因此彈齒的材料選用65Mn鋼。通過田間測試可得，對摟膜彈齒的施加載荷為1 kN，分析可知彈齒受到的最大應(yīng)力為220 MPa，小于材料的許用應(yīng)力(570 MPa)，滿足設(shè)計要求。

2.2.3 卸膜機構(gòu)

卸膜機構(gòu)主要由卸膜擋板及機架組成，如圖6所示。當機具作業(yè)一段距離后，彈齒及物料存儲空間中存有大量地膜，卸膜之后機具方可繼續(xù)作業(yè)。拖拉機后輸出液壓系統(tǒng)將動力經(jīng)由液壓油管傳遞至液壓缸，通過液壓缸的伸長實現(xiàn)摟膜彈齒向上運動，由于卸膜擋板間的空隙只允許彈齒經(jīng)過，從而將彈齒上的殘膜脫下。田間試驗結(jié)果表明，卸膜機構(gòu)自動卸膜率達到 90%以上，不需要液壓缸帶動提升臂抖動，減小對機具的損壞，提高了機具的作業(yè)效率。卸膜之后，機具繼續(xù)作業(yè)。

圖6 卸膜機構(gòu)Fig.6 Film unloading mechanism

2.3 傳動系統(tǒng)設(shè)計

棉稈粉碎及摟膜聯(lián)合作業(yè)機的傳動系統(tǒng)由液壓和機械兩種傳動系統(tǒng)組成。傳動動力由約翰迪爾1204拖拉機提供，機械傳動系統(tǒng)由拖拉機帶動變速箱完成，動力由拖拉機后輸出軸輸出后，經(jīng)變速箱提速后由皮帶輪傳遞給棉稈粉碎裝置，再由棉稈粉碎裝置傳遞給螺旋攪龍，將粉碎之后的棉稈輸送到地膜的一側(cè)；液壓傳動系統(tǒng)由液壓缸、液壓油管及輔助元件組成，動力由拖拉機后輸出液壓系統(tǒng)將動力經(jīng)由液壓油管傳遞至液壓缸，通過控制液壓缸的收縮來實現(xiàn)卸膜功能，如圖7所示。

圖7 棉稈粉碎及摟膜聯(lián)合作業(yè)機傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.7 Drive system structure diagram of cotton stalk chopping and residual plastic film collecting combined machine

3 田間試驗

3.1 試驗區(qū)概況及設(shè)備

2017年9月在石河子145團三分場十二連3號田進行了整機試驗，試驗面積5 hm2，東西方向長800 m。試驗地土壤類型為灰漠土，土壤堅實度為360 kPa，土壤表層含水率為15.2%。前茬作物為棉花，栽培模式行距寬窄行為：寬行行距660 mm、窄行行距110 mm、株距95 mm。地膜寬度為2 050 mm，地膜厚度0.008 mm，膜面有部分覆土。試驗前滴灌管帶和滴灌設(shè)備已全部清理，滴灌帶抽出時地膜被從行間撕開。配套拖拉機選用約翰迪爾 1 204，動力88.3 kW，牽引速度5～6 km/h。試驗設(shè)備和儀器包括4JSM-2000A型棉稈粉碎及摟膜聯(lián)合作業(yè)機、卷尺(0～100 m)、電子秤(上海花潮電器有限公司)、測速儀(杭州來淶科技有限公司)、秒表(永康市安郎工貿(mào)有限公司)等。圖8為試驗現(xiàn)場。

圖8 殘膜回收機田間試驗Fig.8 Residual film recovery machine test

3.2 試驗因素與指標

本試驗利用Design-Expert軟件設(shè)計為三因素三水平二次回歸正交試驗，選取彈齒入土深度X1、彈齒組數(shù)X2和作業(yè)速度X3三個關(guān)鍵影響因素作為研究重點，每個因素設(shè)置3個水平。表2為因素試驗水平。

彈齒入土深度對殘膜回收質(zhì)量影響很大，彈齒入土深度過淺會導致收膜率較低；彈齒入土深度過深會導致壅土嚴重，彈齒變形會加劇，同時也會增大功耗。根據(jù)田間試驗測試結(jié)果，將彈齒的入土深度分別設(shè)置為 10、20、30 mm。

彈齒組數(shù)對殘膜回收率也會產(chǎn)生較大影響，彈齒的組數(shù)過少，會導致彈齒在固定軸上的排列密度過于稀疏，摟膜過程中漏膜現(xiàn)象比較嚴重；彈齒組數(shù)過多，會導致彈齒在固定軸上的排列密度過于密集，摟膜過程中會出現(xiàn)壅土以及雜質(zhì)過多的現(xiàn)象，彈齒變形、損壞現(xiàn)象增加。通過試驗分析，彈齒的組數(shù)分別設(shè)置為10、12、14組。

機具前進作業(yè)速度對機具的工作效率及穩(wěn)定性有較大影響，機具前進速度過快會導致棉稈粉碎裝置的攪龍堵塞、漏膜、彈齒損壞等現(xiàn)象；前進速度過慢會出現(xiàn)作業(yè)效率低下和壅土現(xiàn)象。通過試驗分析和選配拖拉機工作性能，機具前進速度分別設(shè)置為1.0、1.5、2.0 m/s。

試驗時，作業(yè)距離對工作效率有影響，距離過長導致彈齒下殘膜堆積、距離過短導致試驗結(jié)果不夠精確，故本試驗確定連續(xù)作業(yè)距離為 100 m。根據(jù)國家標準GB/T 25412-2010《殘地膜回收機》對棉稈粉碎及摟膜聯(lián)合作業(yè)機的殘膜回收率進行測定：機具作業(yè)后將測量區(qū)域內(nèi)所有殘膜收集裝袋，并用清水洗干凈，除去莖葉、灰塵等雜質(zhì)，曬干后稱出質(zhì)量，重復(fù)3次計算出平均值；計算出試驗區(qū)所鋪地膜的總質(zhì)量。

表2 試驗因素水平Table 2 Levels of test factors

收膜性能良好、無壅土現(xiàn)象是棉稈粉碎及摟膜聯(lián)合作業(yè)機能夠連續(xù)作業(yè)的必要條件，殘膜回收率是衡量機具性能優(yōu)劣的重要指標，計算公式為：

式中η為殘膜回收率，%；M1為殘膜回收后的質(zhì)量，g；M0為試驗區(qū)域所鋪地膜的總質(zhì)量，g。

3.3 結(jié)果與分析

3.3.1 試驗結(jié)果

機具在殘膜回收過程中存在很多影響殘膜回收率的因素，這些因素與其呈現(xiàn)非線性關(guān)系，通常選用 2次或者更高次的模型來逼近響應(yīng)[31-32]。本次田間試驗以彈齒入土深度X1、彈齒組數(shù)X2、機具行進速度X3作為試驗因素，殘膜回收率η作為響應(yīng)值。根據(jù)Box-behnken試驗原理設(shè)計的三因素三水平試驗，包括17個試驗點，試驗結(jié)果如表3所示。

表3 試驗結(jié)果Table 3 Test results

應(yīng)用Design-Expert軟件對表3中試驗數(shù)據(jù)擬合并進行方差分析，可得回歸方程及其顯著性檢驗如表4所示。殘膜回收機回收率的回歸方程式為：

由表4可知，模型顯著性檢驗F=75.38，P＜0.0001，說明二次回歸方程的檢驗達到高度顯著；且失擬性檢驗F=1.39，P＞0.1，為不顯著，說明在試驗范圍內(nèi)模型的擬合性很好。

表4 模型顯著性檢驗Table 4 Significance test of model

3.3.2 響應(yīng)曲面分析

根據(jù)Box-behnken中心組合試驗方法分析生成3D響應(yīng)曲面圖，根據(jù)響應(yīng)曲面圖分析彈齒入土深度、彈齒組數(shù)、機具前進速度 3個因素對殘膜回收率的綜合影響。如圖9所示。

由圖9和表4可知，各因素對殘膜回收率的影響順序依次是：彈齒入土深度、彈齒組數(shù)、機具前進速度，各影響因素對于殘膜回收率存在交互作用。由圖9a知，隨著彈齒組數(shù)及彈齒入土深度的增加，殘膜回收率呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，這是因為隨著彈齒組數(shù)增加，漏膜率降低；彈齒組數(shù)繼續(xù)增加，會導致壅土現(xiàn)象加劇，故彈齒組數(shù)應(yīng)控制在合理范圍。由圖9b知，隨著彈齒入土深度及機具前進速度的增加，殘膜回收率呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，這是因為彈齒入土深度增加，彈齒的摟膜率增大；彈齒入土繼續(xù)增加，壅土現(xiàn)象加劇，故入土深度應(yīng)控制在合理范圍。由圖9c知，隨著機具前進速度及彈齒組數(shù)的增加，殘膜回收率呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，這是因為機具前進速度增加，壅土現(xiàn)象降低；機具前進速度繼續(xù)增加，漏膜率增大，故機具前進速度應(yīng)控制在合理范圍。田間試驗表明，3個因素需要選取一個合理的中間值，才能保證最大的殘膜回收率。

圖9 各因素對殘膜回收率的影響Fig. 9 Influence of various factors on residual film recovery rate

3.4 參數(shù)優(yōu)化

根據(jù)棉稈粉碎及摟膜聯(lián)合作業(yè)機田間工作情況、性能要求和上述模型分析結(jié)果，利用Design-Expert軟件的尋優(yōu)功能進行參數(shù)優(yōu)化，對試驗因素約束條件為：彈齒入土深度10～30 mm，彈齒組數(shù)10～14組，機具前進速度1.0～2.0 m/s；評價指標殘膜回收率η取目標最大值100%。優(yōu)化結(jié)果3個因素試驗水平分別為：彈齒入土深度20 mm、彈齒組數(shù)12組、機具前進速度1.5 m/s時，模型曲面綜合響應(yīng)達到最大值，最佳殘膜回收率為92%。

3.5 棉稈粉碎試驗

按照 GB/T25412-2010《殘地膜回收機》和GB/T24675.6-2009《保護性耕作機械：秸稈粉碎還田機》的要求，參照文獻[24]的方法，在最優(yōu)組合的參數(shù)條件下對樣機進行作業(yè)性能試驗，并測試殘膜回收率、棉稈粉碎合格率和膜稈分離率等作業(yè)參數(shù)。

3.5.1 試驗指標

棉稈粉碎合格率為粉碎合格棉稈質(zhì)量占測試地段上粉碎棉稈總質(zhì)量的百分比。采用 5點法測試，每個點取1 m2范圍，測定范圍內(nèi)地表所有粉碎棉稈，棉稈長度≤150 mm為合格。棉稈粉碎合格率為：

式中η1為棉稈粉碎合格率，%；W1為粉碎合格棉稈質(zhì)量，g；W2為粉碎棉稈總質(zhì)量，g。

膜稈分離率分別是評估機具工作性能優(yōu)劣和棉稈粉碎還田的主要指標之一，膜稈分離率為：

式中η2為膜稈分離率，%；M1為殘膜回收后的質(zhì)量，g；W3為機具回收殘膜和棉稈的總質(zhì)量，g。

3.5.2 試驗結(jié)果

為了驗證優(yōu)化結(jié)果的可行性，按優(yōu)化結(jié)果進行田間試驗，設(shè)定彈齒入土深度20 mm，彈齒組數(shù)12組，機具前進速度1.5 m/s，隨機選取5個作業(yè)長度為100 m試驗區(qū)進行試驗。試驗結(jié)果如表5所示。由表5可知，試驗區(qū)平均殘膜回收率為91%，試驗后地表殘膜回收較干凈，但有少量碎膜未被回收，這是因為試驗區(qū)棉花為機械收獲，一部分殘膜、棉稈和土壤一起被壓實，給殘膜回收帶來一定影響；平均膜稈分離率為 87%，由于田間試驗為初秋，棉稈含水率較大，在螺旋攪龍內(nèi)有一定堵塞現(xiàn)象，造成棉稈拋出距離不夠，導致少量粉碎的棉稈被撿拾回收，影響了膜稈分離率；平均棉稈粉碎合格率為90%，各項參數(shù)滿足農(nóng)藝要求。

3.6 對比試驗

為了驗證 4JSM-2000A型棉稈粉碎及摟膜聯(lián)合作業(yè)機的作業(yè)性能，將本文機具與立桿式摟膜機分A、B組進行 5次對比測試[33]，試驗確定機具連續(xù)作業(yè)距離為 100 m，試驗參數(shù)為殘膜回收率與卸膜次數(shù)。A組為 4JSM-2000A型棉稈粉碎及摟膜聯(lián)合作業(yè)機，將試驗區(qū)內(nèi)回收的殘膜進行整理，除去莖葉等雜質(zhì)，洗凈曬干后稱出質(zhì)量，計算出試驗區(qū)所鋪地膜總質(zhì)量，利用公式（11）計算出殘膜回收率，并記錄連續(xù)作業(yè)距離內(nèi)卸膜次數(shù)；B組為立桿式摟膜機，其試驗方法與A組相同，試驗結(jié)果如表6所示。

表5 田間試驗結(jié)果Table 5 Field test result

表6 對比試驗數(shù)據(jù)Table 6 Contrast test data

由表6可知，與立桿式摟膜機相比，4JSM-2000A型棉稈粉碎及摟膜聯(lián)合作業(yè)機的殘膜回收率有明顯的提升。田間連續(xù)作業(yè)100 m，本文機具通過液壓缸收縮控制實現(xiàn)自動卸膜，卸膜 2次，一次作業(yè)完成棉稈粉碎及摟膜2道工序；立桿式摟膜機卸膜3次，并且需要人工輔助卸膜，一次作業(yè)只能完成摟膜 1道工序。經(jīng)過田間試驗測試，本文機具的殘膜回收率與卸膜次數(shù)遠高于立桿式摟膜機，提高了棉稈粉碎及摟膜聯(lián)合作業(yè)的總體效率。

4 結(jié) 論

1）為解決立桿式摟膜機殘膜回收率不高，卸膜頻繁問題，研制了 4JSM-2000A型棉稈粉碎及摟膜聯(lián)合作業(yè)機。能夠一次完成棉稈粉碎與摟膜 2道工序，增加浮動摟膜機構(gòu)，加大對窄行中殘膜的回收率。

2）通過理論分析與試驗確定了棉稈粉碎還田裝置、螺旋輸送機構(gòu)、浮動摟膜機構(gòu)、摟膜彈齒、卸膜機構(gòu)、傳動系統(tǒng)的關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)及參數(shù)；通過增加摟膜彈齒尺寸，加大物料存儲空間，延長作業(yè)距離，減少了單位面積卸膜次數(shù)；通過液壓缸收縮控制實現(xiàn)自動卸膜，提高機具的作業(yè)效率。

3）試驗結(jié)果表明，彈齒入土深度、彈齒組數(shù)、機具前進速度 3個因素對殘膜回收率均有顯著影響。應(yīng)用Design-Expert軟件對所建立模型進行優(yōu)化求解，優(yōu)化后彈齒入土深度為20 mm，彈齒組數(shù)為12組，機具前進速度為1.5 m/s，殘膜回收率為91%，膜稈分離率為87%，棉稈粉碎合格率為 90%。對比試驗表明，連續(xù)作業(yè)距離100 m，立桿式摟膜機殘膜回收率為84%，卸膜3次；本文機具殘膜回收率為91%，卸膜2次，提高了棉稈粉碎及摟膜聯(lián)合作業(yè)的總體效率，滿足殘膜回收作業(yè)標準。

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