胡廣發(fā)，全臘珍，鄒運梅，沈徽，匡新鵬，黃從輝

(湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，湖南省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備工程技術(shù)研究中心，湖南 長沙 410128)

由于地膜覆蓋技術(shù)的迅速推廣，農(nóng)田殘膜污染日益嚴重，殘膜回收也越來越受到重視[1-5].壟作種植覆膜后秋后邊膜回收較為困難，主要原因在于地膜鋪設(shè)后，壟側(cè)兩邊往往會覆蓋相當厚的土壤，經(jīng)過一段時間，土壤容易板結(jié)且嚴重粘連，起膜時阻力很大.以壟作鋪設(shè)地膜為例，鋪設(shè)地膜整寬為1 200 mm，單邊覆膜寬度為150 mm，邊膜覆土寬度為70～100 mm，邊膜質(zhì)量占總質(zhì)量的25%，由于板結(jié)的土壤使邊膜起膜阻力大，秋后殘膜回收率在80%左右[6-8].張佳喜等[9]對不同邊膜鏟起膜性能及起膜率試驗得出，單翼鏟受力最大，但其作業(yè)效果最佳，且邊膜鏟的受力大小與邊膜鏟前進方向上的垂直長度的刃口成正比；連瀟等[10]針對玉米壟作根據(jù)犁體曲面的水平元線法設(shè)計了一種邊膜鏟，邊膜鏟入土、翻土效果良好，但不具備拋土能力，翻垡土壤仍有一部分壓在邊膜上，影響邊膜起膜效果.目前，殘膜回收隨著機具前進，土壤壅土?xí)斐珊艽笞枇Γ绊憵埬せ厥章?，且鏟式結(jié)構(gòu)的入土阻力較大，邊膜埋的深度不一致，破膜率嚴重.為了提高邊膜收膜率，減少起膜過程中的工作阻力，降低邊膜破碎率，設(shè)計了一種碎土裝置，該裝置可針對壟形內(nèi)外覆土厚度不同完成碎土、拋土等作業(yè)，可有效地提高邊膜收膜率.

1 殘膜回收機結(jié)構(gòu)組成與工作原理

1.1 殘膜回收機結(jié)構(gòu)組成

農(nóng)田殘膜回收機由機架、傳動鏈組、碎土裝置、起膜裝置、膜土分離裝置、輸膜裝置、行走輪和集膜箱組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示.

1：機架；2：傳動鏈組；3：碎土裝置；4：膜土分離裝置；5：起膜鏟裝置；6：輸膜裝置；7：行走輪；8：集膜箱.1：Frame;2.Transmission chain;3：Soil crushing device;4：Membrane-soil separation device;5：Membrane-lifting shovel device;6：Membrane conveying device;7：Walking wheel;8：Membrane collecting box.圖1 殘膜回收機整機結(jié)構(gòu)示意圖Figure 1 Structure diagram of the whole machine of the residual membrane recovery machine

1.2 整機工作原理

作業(yè)時，殘膜回收機在土槽試驗機的牽引下沿著壟行前進，由土槽試驗機動力輸出軸將動力傳遞到殘膜回收機的傳動鏈組，傳動鏈組分別把動力輸送到各個裝置.殘膜回收機前進時，先由碎土裝置將壟側(cè)兩邊壓實的土壤破碎，然后起膜鏟裝置隨機具前進，將殘膜鏟起并抬升到一定高度與膜土分離裝置接觸.當殘膜與膜土分離裝置接觸后，首先由膜土分離裝置中的挑膜彈齒拾起殘膜，并在挑膜過程中將殘膜上表層土壤分離，然后殘膜在運輸過程中通過膜土分離裝置中凸輪壓板機構(gòu)和滾筒相互作用，對殘膜下表層土壤進行剪切分離，最后殘膜通過輸送裝置送至集膜箱.

1.3 技術(shù)參數(shù)

表1 殘膜回收機主要技術(shù)參數(shù)

2 碎土裝置的設(shè)計與分析

2.1 碎土裝置的結(jié)構(gòu)及工作原理

如圖2-A所示，壟上鋪蓋地膜時，會在壟兩側(cè) 70～100 mm處覆上很厚的土壤，以防止地膜被風(fēng)刮走，覆土厚度在 50～70 mm之間.經(jīng)過一段時間后，覆在地膜兩側(cè)的土壤容易板結(jié)成塊，緊壓地膜，從而對地膜回收造成很大困擾[11-13].碎土裝置是殘膜回收機的重要部件，其作業(yè)時將板結(jié)在殘膜兩側(cè)的土壤直接破碎，并將碎后的土壤向兩邊拋撒，為起膜提供有利條件.為了適應(yīng)于壟側(cè)弧形結(jié)構(gòu)，碎土輥形狀設(shè)計成錐形，其中碎土裝置主要由錐形輥、碎土葉片、轉(zhuǎn)動軸組成，通過懸掛板安裝在殘膜回收機前端，如圖 2-B所示.

1：錐形輥；2：機架；3：轉(zhuǎn)動軸；4：碎土葉片；5：懸掛板；6：傳動鏈組.1：Tapered roller;2：Frame;3：Rotating shaft;4：Crushing blade;5：Suspension plate;6：Transmission chain group.圖2 邊膜碎土裝置Figure 2 Edge membrane crushing device

2.2 碎土裝置的碎土過程分析

2.2.1 碎土輥結(jié)構(gòu)尺寸 碎土裝置中的錐形輥和碎土葉片材料為 45#鋼，為了減輕錐形輥質(zhì)量又要保證其強度，加工制作錐形輥時使其內(nèi)部為空心，壁厚為10 mm，結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖3所示.根據(jù)覆土寬度和對南方壟作種植的測量，取錐形輥的工作幅寬L為120 mm，錐角γ為15°，大端直徑D1為 200 mm，小端直徑D2為 150 mm；為了減小葉片入土?xí)r的阻力，碎土葉片呈螺旋狀安裝在錐形輥上，其中由前期預(yù)試驗得出螺旋角β為53°時碎土效果最好，葉片厚度t為3 mm，寬度b為40 mm.

L：工作幅寬；D1：大端直徑;D2：小端直徑；d：套筒外徑；γ：錐角；t：葉片厚度；b：碎土葉片寬度；β：葉片螺旋角.L：Working width;D1：Large-end diameter;D2：Small-end diameter;d：Outer diameter of sleeve;γ：Cone angle;t：Blade thickness;b：Width of soil crushing blade;β：Blade helix angle.圖3 錐形輥與碎土葉片F(xiàn)igure 3 The tapered roller and soil crushing blade

2.2.2 碎土輥運動分析 螺旋錐形碎土輥的運動分析如圖4所示，以轉(zhuǎn)動軸圓心O點為原點，前進方向為x軸，豎直方向為y軸，建立xoy平面，機具以速度V勻速前進，轉(zhuǎn)速為ω，以O(shè)A為入土初始位置，轉(zhuǎn)過θ角度后達到O′A′出土位置，碎土葉片A點從入土到出土轉(zhuǎn)過的弧長軌跡如AA′所示.

葉片A為初始位置，機具前進一段距離后，葉片轉(zhuǎn)動一個角度到達A′，則運動軌跡方程，即：

(1)

式中：V為裝置前進速度；R為錐形輥截圓半徑；b為碎土葉片寬度；θ為相位角.

將(1)式對時間求導(dǎo)可以得到碎土葉片A點的速度方程：

(2)

式中：ω為碎土輥角速度.

V：裝置前進速度；ω：碎土輥角速度；A、A′：葉片入土和出土點；θ：相位角；R：錐形輥截圓半徑；AA′：弧長軌跡.V：Device forward speed;ω：Soil crushing roller angular velocity;A、A′：Blade entry and excavation point；θ：Phase angle;R：Truncated circle radius of the tapered roller；AA′：Arc length trajectory.圖4 錐形輥運動分析圖Figure 4 The movement analysis diagram of the tapered roller

2.2.3 碎土過程力學(xué)分析 針對壟兩邊板結(jié)的土塊，分析螺旋錐形碎土輥的作業(yè)效果，對碎土葉片上的土壤顆粒進行受力分析，建立土壤對碎土輥的受力平衡關(guān)系，并得出碎土輥碎土?xí)r的阻力方程.如圖5所示，以軸心o點為原點建立o-xyz坐標，V為機具前進速度，ω為螺旋錐形碎土輥角速度，機具前進一段距離后，從o點到達o′，其中土壤對碎土葉片的阻力為Fq.

圖5 螺旋錐形輥碎土過程分析Figure 5 Analysis of soil crushing process with spiral conical roller

當碎土葉片切入土壤后，板結(jié)土壤中擾動的土壤與未擾動土壤遭到破壞，此時碎土葉片受到土壤的主要作用力為沿葉片表面向下的剪應(yīng)力τ和垂直于葉片表面的正應(yīng)力σ，如圖6所示.破碎后的土壤受到錐形碎土輥軸向力Fa作用，且力的方向由錐形碎土輥大端指向小端，土壤移動時使碎土葉片表面與土壤會產(chǎn)生摩察力Ff，如圖5所示.

圖6 碎土葉片力學(xué)分析Figure 6 Mechanical analysis of broken soil blade

分析得出土壤對碎土葉片的阻力Fq為：

Fq=Fa+FT+FN+Ff

(3)

式中：Fq為土壤的作用力；Fa為切削土壤的軸向力；FT為碎土葉片與土壤相對運動產(chǎn)生的剪切力；FN為碎土葉片切入土壤時對土壤的正壓力；Ff為土壤與碎土葉片之間的摩擦力.

當葉片切入土，并以垂直于碎土輥軸方向以速度V前進時，為了切削土壤，螺旋葉片必須發(fā)揮一軸向力作用，其中螺旋葉片可以視作平面楔，而將土壤沿軸向推移類似與于一般鏵鏟[14].則，

Fa=KVi

(4)

式中：K為土壤切土比阻，對Ⅰ～Ⅲ類土為5.9～11.7 N/cm2；V為土壤切削體積；i為切土葉片頭數(shù).

切土面積從圖5可以看出，當碎土輥前進一定距離以后，碎土葉片的水平切削面積為Sabcd，則旋轉(zhuǎn)一周的碎土體積為：

(5)

式中：C1為碎土輥小端旋轉(zhuǎn)一周前進的距離；C2為碎土輥大端旋轉(zhuǎn)一周前進的距離；β為葉片螺旋角；L為碎土輥工作幅寬；h為切土厚度.

土壤破碎后碎土葉片與土壤相對運動產(chǎn)生剪切力，如圖6所示.葉片旋轉(zhuǎn)推動土壤向后運動，此時的推土阻力等于土壤對葉片的正壓力，即：

(6)

式中：G為葉片切土質(zhì)量；μ2為土對土的外摩擦系數(shù)；γ0為土壤平均容重；f0為碎土后送散和充盈系數(shù)；φr為碎土后土壤的休止角；ρ為土壤密度.

根據(jù)庫倫定理得到碎土葉片與土壤間的剪切力為：

FT=C+FNtanφ

(7)

式中：C為土壤顆粒之間的粘結(jié)力；φ為土壤與碎土葉片的摩擦角.

土壤沿碎土葉片從碎土輥大端滑移到小端的摩擦阻力為：

Ff=μ1FN

(8)

式中：μ1為土壤對碎土葉片的摩擦系數(shù).

由式(3)～(8)式獲得碎土葉片作業(yè)時的工作阻力Fq為：

(9)

通過以上計算分析，在旋切過程中，適當增大葉片螺旋角可以使碎土葉片具有較大的切削刃，所以在碎土作業(yè)時能增大切削面積，而錐形輥結(jié)構(gòu)能將破碎后的土壤向一側(cè)翻土，避免碎后土壤的壅土，減少覆蓋在邊膜上土壤，這樣有利于減少起膜時的阻力.傳統(tǒng)的邊膜鏟裝置，在碎土過程中，由于邊膜覆蓋土的厚度不一致，如果邊膜鏟入土深度過深，則容易使邊膜撕裂，且戳破的邊膜容易纏繞在鏟上，入土深度過淺，邊膜起膜率較低；而旋轉(zhuǎn)式碎土葉片，則不用考慮覆土厚度，碎土過程中葉片能切斷邊膜，防止纏繞，提高碎土效果，為起膜裝置創(chuàng)造拾膜條件.

3 土槽臺架試驗

3.1 試驗條件

試驗在湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程實訓(xùn)中心進行，使用的地膜為國家標準厚度0.01 mm的地膜，整膜寬度為1 200 mm.試驗前預(yù)先將地膜鋪設(shè)在土槽內(nèi)，為了模擬田間作業(yè)情況，鋪設(shè)地膜時設(shè)置單邊覆膜寬度為150 mm，根據(jù)試驗要求土壤覆土厚度設(shè)置為80 mm，覆膜時間為140 d左右，覆膜后定期灑水，使土壤自然板結(jié)，試驗前測得土壤堅實度為0.3 Mpa，土壤含水率在15%～18%之間，與田間含水率相近.根據(jù)以上的設(shè)計計算，為了測試邊膜碎土裝置性能，將加工完成的裝置安裝在殘膜回收機的試驗臺架上，由電力變頻四輪驅(qū)動土槽試驗機提供動力，試驗機型號為TCC-2.4.機具回收作業(yè)速度為0.8～1.6 m/s.根據(jù)前面殘膜回收試驗，確定殘膜回收最佳作業(yè)速度為1.17 m/s.

圖7 試驗現(xiàn)場Figure 7 Testing site

3.2 試驗指標與方法

為分析邊膜碎土裝置的碎土和起膜效果，選取碎土率和起膜率為試驗指標.在確定殘膜最佳回收作業(yè)速度后，其中影響碎土效果的主要因素為地膜的平均覆土厚度和碎土輥的轉(zhuǎn)速，根據(jù)測量地膜覆土厚度一般在50～70 mm，而碎土深度直接影響碎土效果和后續(xù)的起膜率.碎土過淺，覆蓋在殘膜上的土壤過多后續(xù)起膜阻力大，碎土過深，工作阻力大，本試驗碎土深度為20～80 mm；碎土輥轉(zhuǎn)速過小，碎土效率較低，碎土輥轉(zhuǎn)速過快，邊膜容易被撕裂破碎，破碎的殘膜很難被拾起，影響起膜率，本試驗碎土輥轉(zhuǎn)速取170～230 r/min.因此可以根據(jù)邊膜的覆土量不同，設(shè)定不同的碎土深度h和碎土轉(zhuǎn)數(shù)n，碎土深度可以通過調(diào)節(jié)側(cè)板軸承的安裝高度調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)速根據(jù)傳動系統(tǒng)調(diào)節(jié).試驗設(shè)置的水平因素見表2.

表2 試驗因素和水平

測試區(qū)規(guī)格為長50 m×寬3.6 m，地膜鋪設(shè)多行，覆土前稱土壤質(zhì)量，均勻鋪撒在邊膜上，隨機選取13個試驗區(qū)為試驗對象，每組因素進行3次重復(fù)試驗，其中每個測區(qū)長度為7 m，單邊地膜寬度為150 mm，邊膜覆土寬度為100 mm，每次試驗后，將殘留在測區(qū)的地膜收集曬干稱質(zhì)量，分別計算每組數(shù)據(jù)的平均值，并且稱其作業(yè)后邊膜區(qū)域土壤的平均質(zhì)量，利用式(10)～(11)分別計算土壤碎土率C1和起邊膜率C2.

(10)

(11)

式中：C1為碎土率；C2為起邊膜率；ma為作業(yè)前邊膜區(qū)域覆土的平均質(zhì)量；mb為作業(yè)后邊膜區(qū)域覆土的平均質(zhì)量；mc為鋪設(shè)前測區(qū)邊膜的質(zhì)量；md為作業(yè)后測區(qū)殘留的邊膜質(zhì)量.

3.3 試驗方案與結(jié)果

試驗采用數(shù)據(jù)分析軟件Design-Expert中的Central Composite Design進行二元二次回歸旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計試驗，進行13組試驗，取5組中心水平試驗估計誤差，每次試驗機具行進距離為7 m，試驗后由人工清理邊膜，經(jīng)過處理后，計算 13 組測試點試驗前后所測的土壤質(zhì)量和邊膜質(zhì)量，并將試驗前后所測數(shù)值相比得到碎土率和起膜率，試驗結(jié)果見表3.

表3 試驗方案與結(jié)果

3.4 回歸模型的建立與顯著性分析

利用Design-Expert軟件對試驗數(shù)據(jù)進行分析[15-17]，得到碎土率、起膜率的回歸模型，方差分析結(jié)果見表4.從表4中可以看出，響應(yīng)面回歸模型中碎土率C1和纏膜率C2的P值均小于0.01(<0.000 1，<0.000 1)，可知模型極顯著.失擬項P值均大于0.05(0.237 6，0.337 3)，說明該模型擬合度高.模型的決定系數(shù)R2分別為0.958 7、0.943 1，表明94%以上的評價指標可以由該模型解釋.

各個參數(shù)對回歸方程的影響作用可通過顯著水平P值的大小反應(yīng)，P<0.01表示參數(shù)對模型極顯著，P<0.05表示參數(shù)對模型顯著.其中由表3可知X1、X2、X1X2、X12、X22對碎土率C1極顯著；X1、X2、X12、X22對起膜率C2極顯著；易剔除不顯著項得到實際方程為(12)、(13)式.

(12)

(13)

各因素對模型的影響程度通過貢獻率K值的大小來體現(xiàn)，K值越大，各因素對模型的影響越大[18-19]，計算方法見(14)、(15)式.碎土深度和碎土輥轉(zhuǎn)速對碎土率貢獻率分別為2.46、2.40，碎土深度和碎土輥轉(zhuǎn)速對起膜率貢獻率分別為2.25、2.28.因此得到因素對碎土率的顯著性順序為：碎土深度>碎土輥轉(zhuǎn)速，對起膜率顯著性順序為：碎土輥轉(zhuǎn)速>碎土深度.

(14)

(15)

3.5 交錯因素對響應(yīng)值的影響

分析表3可知，碎土深度和碎土輥轉(zhuǎn)速交互作用對碎土率和起膜率中的P值分別為：0.020 0、0.129 7，由X1X2顯著性P大小關(guān)系可知，交互因素對碎土率有影響，對起膜率影響不大.運用Design-Expert里的3 D Surface生成響應(yīng)面圖，根據(jù)響應(yīng)面圖分析交錯因素中碎土深度、碎土輥轉(zhuǎn)速對碎土率的影響.

圖8為裝置碎土深度與碎土輥轉(zhuǎn)速對碎土率的響應(yīng)面圖.將碎土深度固定在低水平(21.715 7 mm)時，碎土率隨著碎土輥轉(zhuǎn)速增加呈現(xiàn)出先增大后減小趨勢，這是因為碎土轉(zhuǎn)速增大，在阻力一定時，增加了碎土功率，從而使碎土率增大，但再增大碎土轉(zhuǎn)速，碎土率逐漸變小，這是因為隨著碎土轉(zhuǎn)速增大，破碎后的土壤與未破碎的土壤產(chǎn)生干擾，破碎后的土壤未及時從測面拋出，直接落在測試區(qū)內(nèi)，使碎土率逐漸降低；將碎土深度固定在高水平(78.284 3 mm)時，碎土率變化規(guī)律與碎土深度固定在低水平一致，但總體碎土率較低，這是因為碎土深度增大，使碎土阻力增大，導(dǎo)致碎土效果變差，使整體碎土率降低；從圖8中可知，不管碎土輥轉(zhuǎn)速固定在高水平還是低水平，碎土率都是隨著碎土深度增加呈現(xiàn)出先增加后減小趨勢，這是因為隨著碎土深度增加，大量土壤被破碎拋出，當達到最佳碎土深度后再增加碎土深度，碎土阻力將超過碎土力，碎土效果會逐漸變差.

表4 回歸模型方差分析

圖8 交互因素對碎土率的影響Figure 8 Influence of interactive factors on crushed soil rate

3.6 參數(shù)優(yōu)化與驗證試驗

3.6.1 參數(shù)優(yōu)化 為了提高裝置的碎土率、起膜率，在進行優(yōu)化參數(shù)時，以碎土率和起膜率為同等權(quán)重優(yōu)化條件，利用Design-Expert軟件對所建立的模型進行最優(yōu)求解[20-22]，設(shè)置各因素約束條件，碎土深度為：21.715 7～78.284 3 mm，碎土輥轉(zhuǎn)速為：171.716～228.284 r/min，將碎土率和起膜率上限設(shè)置為100%，下限設(shè)置為0，尋求參數(shù)組合的最大值；模型得出的最優(yōu)參數(shù)組合為：碎土深度49.894 mm，碎土輥轉(zhuǎn)速205.941 r/min，響應(yīng)值的最優(yōu)解為：碎土率為77.944%，起膜率為83.534%.

3.6.2 驗證試驗 為了驗證模型的正確性，采用上述參數(shù)在湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程實訓(xùn)中心試驗測試區(qū)內(nèi)進行驗證，試驗進行3次重復(fù)試驗，考慮到機具作業(yè)情況和參數(shù)設(shè)置精度，將碎土深度設(shè)置為49 mm，碎土輥轉(zhuǎn)速設(shè)置為206 r/min，結(jié)果見表5.根據(jù)模型優(yōu)化的參數(shù)組合，得到各響應(yīng)值試驗值與模型理論優(yōu)化參數(shù)較為接近，相對誤差在5%以下，因此參數(shù)優(yōu)化模型可靠.

表5 模型優(yōu)化與驗證試驗

4 討論

驗證試驗在土槽試驗區(qū)進行，與大田實際情況存在很多差異，許多情況無法模擬，再加不同作物的種植特性不同，壟的大小差異性大，邊膜碎土裝置適應(yīng)性還需進一步完善.單壟作業(yè)工作效率較低，后續(xù)優(yōu)化改進裝置應(yīng)增大工作幅寬，進行多壟作業(yè)，提高工作效率.

5 結(jié)論

1) 邊膜碎土裝置為起邊膜提供了有利條件，能增大邊膜回收率，采用Central Composite Design中心組合試驗方法，以邊膜碎土裝置的碎土深度、碎土輥轉(zhuǎn)速為試驗因素，以碎土率、起膜率為響應(yīng)值建立了優(yōu)化模型，驗證試驗結(jié)果與模型優(yōu)化結(jié)果相對誤差在5%以下，表明模型可靠性較高.

2) 對碎土過程進行力學(xué)分析，建立碎土葉片碎土?xí)r的工作阻力的表達式，分析表達式可知，適當增大碎土葉片螺旋角，能減小碎土阻力并增大旋切過程中的切削刃.

3) 邊膜碎土裝置各因素對碎土率影響的顯著性順序為碎土深度>碎土輥轉(zhuǎn)速；對起膜率影響顯著性順序為碎土輥轉(zhuǎn)速>碎土深度；通過對模型進行優(yōu)化得到最佳工作參數(shù)組合為碎土深度49.894 mm，碎土輥轉(zhuǎn)速205.941 r/min，在此條件下碎土率為74.527%，起膜率為85.672%.