楊松梅 陳學庚 顏利民 莫毅松 蔣德莉 張慧明

(1.海南大學機電工程學院， ?？?570228； 2.石河子大學機械電氣工程學院， 石河子 832003；3.常州漢森機械股份有限公司， 常州 213034)

0 引言

地膜覆蓋技術(shù)由于其優(yōu)良的保墑增收效果而被我國干旱作物種植區(qū)廣泛使用，地膜年使用量從1981年的6×103t增長到2018年的1.404×106t，其中新疆使用量為2.38×105t。隨著農(nóng)田覆膜面積的逐年增加，未能及時回收的殘膜在土壤中累積[1-3]，新疆農(nóng)田平均地膜殘留量約為206.46 kg/hm2[4]。殘留的地膜對土壤理化性質(zhì)和作物產(chǎn)量產(chǎn)生極大的影響，不利于農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[5-7]。

機械回收殘膜是目前解決殘膜污染問題的主要手段[8-9]。機械集膜作業(yè)是殘膜回收過程的重要環(huán)節(jié)，其作業(yè)方式主要包括集膜箱收膜、卷膜等[10-11]。國外一般采用厚膜種植，使用后殘膜基本完整，可以直接打卷回收[12-13]。集膜箱結(jié)構(gòu)簡單，制造成本低廉，但是殘膜收集后自然堆放，占用空間大、儲存和運輸成本高，而且在大風天氣易造成二次污染[10]。目前，有科研人員對殘膜壓縮打包機進行研究[14-16]，殘膜經(jīng)打包機構(gòu)壓縮、卸料，便于裝運。文獻[17-18]設(shè)計了利用摩擦驅(qū)動卷膜輥的浮動式卷膜機構(gòu)，而脫膜和卸膜工作仍需借助人力來完成。

現(xiàn)有研究中，卷膜裝置的動力通常直接傳遞給卷膜芯軸，卷膜芯軸作為主動部件旋轉(zhuǎn)纏膜，但隨著膜卷直徑的增大，卷膜角速度不變，殘膜纏繞線速度逐漸增大，易造成殘膜拉斷。課題組前期主要針對隨動式殘膜回收機的撿拾、清雜等機構(gòu)[8,19]進行研究。本文在隨動式殘膜回收機的基礎(chǔ)上，進一步研究回收機卷膜裝置膜卷緊實度，以期達到最佳卷膜效果。

1 結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 卷膜裝置結(jié)構(gòu)

殘膜回收機卷膜裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示，其主要由機架、卷膜帶、卷膜滾筒、卷膜輥裝置、翻轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)、地輪和傳動系統(tǒng)等組成。其中，地輪布置在卷膜裝置下部，與土壤接觸為裝置提供動力。卷膜帶為閉環(huán)的柔性帶，在卷膜滾筒及卷膜輥裝置的支撐下呈L形。

卷膜輥裝置主要由卷膜芯軸、連接臂、卸膜油缸及導向軸組成，是自動卸膜的核心部件，如圖2所示。卷膜芯軸分左右兩部分，每個卷膜芯軸與對應(yīng)側(cè)連接臂可隨卸膜油缸活塞的伸縮而分離或連接。

卷膜輥裝置通過兩側(cè)布置的安裝銷軸與機架連接，卷膜輥裝置整體可繞安裝銷軸轉(zhuǎn)動。卸膜油缸及導向軸安裝在閉環(huán)的卷膜帶內(nèi)部，卷膜芯軸布置在卷膜帶L形的拐角處，如圖1c所示。殘膜回收作業(yè)時殘膜纏繞在卷膜芯軸上。

1.2 傳動系統(tǒng)與工作原理

卷膜裝置傳動系統(tǒng)如圖3所示，卷膜裝置的動力來自地輪，隨機具前進地輪受到土壤摩擦力的作用轉(zhuǎn)動，通過傳動系統(tǒng)帶動卷膜芯軸運動將殘膜纏繞在卷膜芯軸上，實現(xiàn)卷膜作業(yè)。卷膜裝置安裝在殘膜回收機機架上，當拖拉機牽引機具作業(yè)時地輪轉(zhuǎn)動，地輪外側(cè)鏈帶動變速箱中齒輪轉(zhuǎn)動，動力經(jīng)變速箱傳遞至中間卷膜滾筒，并在其左側(cè)鏈傳動的作用下進一步帶動上部卷膜滾筒轉(zhuǎn)動，中間卷膜滾筒和上部卷膜滾筒共同將動力傳遞至卷膜帶。同時，在摩擦力的作用下動力由卷膜帶傳遞給卷膜芯軸。結(jié)合圖3可得到卷膜裝置傳動比i為

(1)

式中Z1——地輪與變速箱間鏈傳動主動鏈輪齒數(shù)

Z2——地輪與變速箱間鏈傳動從動鏈輪齒數(shù)

Z3——變速箱中主動齒輪齒數(shù)

Z4——變速箱中從動齒輪齒數(shù)

機具卷膜作業(yè)時，其工況位置如圖4a所示，在氣彈簧的作用下，卷膜芯軸給卷膜帶施加壓力，保證卷膜帶繃緊。由于該壓力的存在，卷膜帶運動時對卷膜芯軸產(chǎn)生摩擦力，卷膜芯軸在摩擦力的作用下轉(zhuǎn)動。殘膜由脫膜裝置落入到卷膜帶水平面上，當其由卷膜芯軸和卷膜帶中間通過時，殘膜纏繞在卷膜芯軸上，完成卷膜。

當膜卷直徑達到一定數(shù)值時可進行卸膜作業(yè)。卷膜狀態(tài)時液壓翻轉(zhuǎn)油缸活塞處于伸出狀態(tài)，如圖4所示，卸膜作業(yè)開始時，翻轉(zhuǎn)油缸活塞收回，觸發(fā)氣彈簧釋放壓力，避免卷膜芯軸繼續(xù)對卷膜帶施壓。活塞收回動作為卷膜裝置提供轉(zhuǎn)動力矩，通過活塞端部銷軸施加拉力，使卷膜裝置繞中間卷膜滾筒轉(zhuǎn)動，此時卷膜裝置內(nèi)其他機構(gòu)相對靜止。當翻轉(zhuǎn)油缸活塞完全收回時達到卸膜狀態(tài)，如圖4b所示，此時，膜卷依然纏繞在卷膜芯軸上。液壓系統(tǒng)繼續(xù)供油，卷膜芯軸隨卸膜油缸活塞的運動而從中間分離，當卷膜芯軸從膜卷中完全抽出時，膜卷在重力的作用下滾落，完成自動卸膜。卸膜作業(yè)完成后，啟動液壓系統(tǒng)使各裝置還原到工作位置，完成一個周期的卷膜和卸膜作業(yè)。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計與參數(shù)確定

2.1 卷膜帶

卷膜帶采用表面有花紋的防滑膠帶，用在帶式輸送機上，是橡膠與纖維的復合制品。卷膜帶運動所需要的動力來自驅(qū)動滾筒，依靠驅(qū)動滾筒與卷膜帶兩者之間的摩擦力，由驅(qū)動滾筒傳遞給卷膜帶。卷膜帶在滾筒上趨入點是卷膜帶緊邊，其張力較大，奔離點張力較小，該張力差是卷膜帶運行的必要條件。中間驅(qū)動滾筒處卷膜帶受力如圖5a所示，經(jīng)分析[20]可知，當卷膜裝置運行時，卷膜帶在驅(qū)動滾筒上不打滑的臨界條件為

(2)

式中Fj——卷膜帶在滾筒上的緊邊張力，N

Fs——卷膜帶在滾筒上的松邊張力，N

μ——驅(qū)動滾筒與卷膜帶間摩擦因數(shù)，取0.35

θ——驅(qū)動滾筒與卷膜帶圍包角，大于等于180°

F——圓周驅(qū)動力，N

卷膜帶正常運行時，實際的圓周驅(qū)動力F和緊邊張力Fj應(yīng)遠小于臨界條件，則由式(2)可得

(3)

由式(3)可得卷膜帶在滾筒上不打滑的條件為

(4)

由式(3)可知，影響圓周驅(qū)動力的參數(shù)是卷膜帶在滾筒上的松邊張力Fs、驅(qū)動滾筒與卷膜帶間的摩擦因數(shù)μ和驅(qū)動滾筒與卷膜帶圍包角θ。參照帶式輸送機可知，松邊張力Fs由拉緊裝置提供，由于卷膜裝置結(jié)構(gòu)限制，無法布置拉緊裝置，即松邊張力Fs難以提高；同理，當卷膜帶和滾筒材質(zhì)及結(jié)構(gòu)確定后，摩擦因數(shù)μ隨之確定。由式(4)可知，當各參數(shù)確定后，卷膜裝置不打滑的條件是圍包角θ大于一定值，對于單滾筒驅(qū)動，驅(qū)動滾筒與卷膜帶的圍包角θ一般為180°[20]。

如圖6所示，卷膜裝置在卸膜時需要以點A為圓心整體旋轉(zhuǎn)，相對機架點A靜止，點B和C是運動的。動力由地輪自下而上傳動，因此，動力傳動必須經(jīng)過點A。在帶式輸送機中驅(qū)動滾筒與傳送帶的圍包角一般為180°，才能保證傳送帶順利啟動且不打滑。初始設(shè)計點A處的中間驅(qū)動滾筒與卷膜帶的圍包角由于L形結(jié)構(gòu)限制應(yīng)為90°左右，由于點A的圍包角無法達到180°，因此采用雙滾筒驅(qū)動，將動力首先傳遞給點A處的中間驅(qū)動滾筒，再傳遞到點B的滾筒處，點A和B均構(gòu)成主動旋轉(zhuǎn)滾筒，所以點A和B兩滾筒包角之和大于180°，滿足了驅(qū)動條件。根據(jù)卷膜和卸膜要求，綜合考慮功能和結(jié)構(gòu)布局，本設(shè)計點A處的圍包角取100°，此時點B處的圍包角為172°，兩驅(qū)動滾筒的圍包角之和為272°，同時通過試驗也驗證了此方案可以使卷膜裝置在啟動和滿載情況下正常作業(yè)。

2.2 卷膜輥

卷膜芯軸的作用除執(zhí)行卷膜作業(yè)外，還應(yīng)對卷膜帶施加壓力，使其滿足張力需求并平穩(wěn)運行，防止卷膜帶與驅(qū)動滾筒產(chǎn)生打滑[21]。卷膜帶運行前，卷膜芯軸的受力如圖5所示，可得

Gcosβ+Fqcosγ=N

(5)

式中G——卷膜芯軸所受重力，為185 N

Fq——氣彈簧作用在卷膜芯軸上的力，為200 N

β——初始G與合力的夾角，為9°

γ——初始Fq與合力的夾角，為0°

N——卷膜帶對膜卷的反作用力，N

由于卷膜帶啟動時張力較大，如果施加給卷膜帶的壓力不足，會出現(xiàn)卷膜帶打滑、卷膜芯軸跳動的現(xiàn)象。結(jié)合2018年秋季田間試驗結(jié)果，當對卷膜帶施加Fq為200 N時，卷膜裝置在啟動和滿載時均可滿足要求，作業(yè)質(zhì)量相對穩(wěn)定。由式(5)可得，初始運行時卷膜帶受卷膜芯軸的壓力為383 N，隨著膜卷質(zhì)量逐漸增大，增加了卷膜帶的張力，提高了卷膜帶的張緊力，更加利于卷膜工作的進行。

為保證脫膜作業(yè)時芯軸順利從膜卷中抽出，將卷膜芯軸設(shè)計成兩段具有一定錐度的錐形軸，錐頭連接處在芯軸中間位置。其優(yōu)點是由于卷膜芯軸存在錐度，卷膜時膜卷與卷膜芯軸端部纏繞緊密，而與芯軸中間連接處具有一定的間隙，此結(jié)構(gòu)可避免殘膜纏繞過緊芯軸難以抽出。為便于卷膜芯軸復位時順利對中，將一段芯軸的軸頭設(shè)計成錐形，使其在錐形面的導向作用下與另一段芯軸接合。

為了校驗卷膜芯軸連接處的結(jié)構(gòu)強度，采用INVENTOR三維軟件對卷膜輥進行建模，并用ANSYS Workbench有限元分析軟件進行應(yīng)力、位移分析，如圖7所示。卷膜芯軸工作時最大變形量發(fā)生在兩段卷膜芯軸的中間連接處，為0.068 mm；卷膜芯軸整體所受的應(yīng)力較小，在與連接臂固定的芯軸根部應(yīng)力最大為18.129 MPa，遠小于材料的屈服強度355 MPa，最大應(yīng)力小于材料許用應(yīng)力(142～237 MPa)，因此，卷膜芯軸強度滿足設(shè)計要求。

2.3 氣彈簧

卷膜初始工作的預緊力由氣彈簧提供。將卷膜輥裝置與氣彈簧簡化并對其進行受力分析，以確定氣彈簧的選型和支撐力。裝置幾何關(guān)系和受力分析如圖8所示，圖中點A為氣彈簧固定接頭，點B為卷膜輥裝置轉(zhuǎn)動中心點，點C為氣彈簧與卷膜輥裝置鉸接點，點D為卷膜芯軸中心點，其中BC與BD剛性連接。

氣彈簧的工作行程為其展開與壓縮長度的差值。如圖8狀態(tài)1所示，卷膜芯軸在初始卷膜位置D時，氣彈簧的展開長度為S1。隨著卷膜工作的進行，膜卷直徑增大，氣彈簧繞點A旋轉(zhuǎn)的同時逐漸壓縮，卷膜完成后如狀態(tài)2所示，卷膜芯軸在位置D′，此時氣彈簧的長度為S2。根據(jù)氣彈簧長度的幾何關(guān)系，可計算出氣彈簧的理論工作行程為S1和S2的差值，即105 mm。考慮氣彈簧的安全尺寸，其行程可選范圍為[22]：S1-S2+50～1/2(S1-100)，因此，本文選取氣彈簧行程最小值為110 mm。

由卷膜輥裝置受力分析可知，點B為卷膜輥裝置轉(zhuǎn)軸，忽略卷膜輥裝置的自重。根據(jù)力矩平衡原理，氣彈簧支撐力為

Fa=KFpb/(na)

(6)

式中Fa——氣彈簧提供的支撐力，N

Fp——卷膜芯軸在垂直于BD方向的受力，N

a——Fa的力臂，為232 mm

b——Fp的力臂，為518 mm

K——安全系數(shù)，取1.3

n——氣彈簧數(shù)量，取2

分析可知，初始作業(yè)時Fp與Fq是一對作用力與反作用力，大小相等，方向相反。由前文可知，當Fq為200 N時，由式(6)得出氣彈簧提供的支撐力Fa為290 N，即選擇氣彈簧時，其提供的支撐力大于290 N。根據(jù)以上分析，選擇規(guī)格為YQ 14/28—160—390(O—M)300的自由型氣彈簧。

2.4 殘膜受力分析

利用電子式萬能試驗機(SANS-PowerTest-D00C型)對鋪設(shè)時間為180 d、厚度為0.01 mm的耐候殘膜試樣進行拉伸試驗，結(jié)果如圖9所示。地膜試樣取自石河子市145團三分場二連耐候地膜基地，試驗按照標準GB/T 1040.3—2006《塑料 拉伸特性的測定》進行，試驗共制備20個地膜試樣，試樣無扭曲，表面和邊緣無肉眼可見劃痕、空洞、凹陷和毛刺，夾具初始距離為50 mm。

由圖9可知，在拉伸試驗中應(yīng)變量在0～10 mm時，殘膜處于彈性變形階段；當應(yīng)變量大于10 mm時，殘膜在此階段由于存在無法恢復原狀的塑性形變，殘膜回彈力較小，因此卷膜時殘膜處于變形量10 mm之內(nèi)的彈性變形階段最佳，此時殘膜斷裂伸長率為

(7)

式中ε——殘膜斷裂伸長率，%

ΔL——殘膜變形后標距伸長量，mm

L——殘膜變形前標距距離，mm

殘膜變形前標距距離為50 mm，變形后標距伸長量為10 mm，則彈性變形范圍內(nèi)的殘膜最大伸長率為20%。在卷膜時，膜卷上殘膜伸長率為

(8)

式中εj——膜卷上殘膜伸長率，%

S——相同時間內(nèi)卷膜裝置卷膜長度，mm

S′——相同時間內(nèi)機具前進距離，mm

卷膜芯軸卷膜瞬間做圓周運動，由式(8)可得

(9)

式中ω——卷膜芯軸角速度，rad/s

t——作業(yè)時間，s

R——膜卷半徑，mm

vm——機具前進速度，m/s

令膜卷線速度與機具前進速度之比為λ，結(jié)合式(9)可得

(10)

式中λ——膜卷線速度與機具前進速度之比

由式(10)可得膜卷線速度與機具前進速度之比為1～1.2，即相同時間內(nèi)膜卷上纏繞殘膜的長度大于機具前進距離，此時膜卷上的殘膜處于拉伸狀態(tài)。分析可知，只有當卷膜帶線速度大于膜卷線速度[23]時，卷膜帶與膜卷之間為滑動摩擦，才可滿足上述要求。因此，令卷膜帶線速度與前進速度之比為卷膜速比，則卷膜速比范圍略大于式(10)，通過計算卷膜裝置傳動比，得到了適合的卷膜速比為1～1.25。

由于卷膜芯軸對卷膜帶的壓力，殘膜在通過卷膜帶和卷膜芯軸中間位置時受到的滑動摩擦力達到最大，在該摩擦力的作用下殘膜被拉伸產(chǎn)生張力。殘膜張力隨卷膜帶對殘膜施加的摩擦力而出現(xiàn)，其大小與摩擦力相等，即

fdm=Ft

(11)

式中fdm——卷膜帶對殘膜施加的滑動摩擦力，N

Ft——殘膜張力，N

殘膜在拉伸過程中依次出現(xiàn)彈性變形—彈塑性變形—塑性變形(頸縮)現(xiàn)象，只有當殘膜在彈性變形或彈塑性變形狀態(tài)下具有彈力，即卷膜時必要的張力。因此，卷膜時殘膜所受的彈力應(yīng)小于發(fā)生頸縮時所受到的拉力。則由式(11)得

fdm=μdmN=Ft

(12)

式中μdm——卷膜帶與殘膜間的滑動摩擦因數(shù)

Fm——殘膜發(fā)生頸縮時受到的拉力，N

當卷膜芯軸上膜卷質(zhì)量較大時，卷膜帶對膜卷的反作用力N近似等于膜卷重力，則式(12)變換為

(13)

式中d——膜卷直徑，m

l——膜卷長度，m

Y——膜卷密度，kg/m3

由殘膜拉伸試驗結(jié)果可知，殘膜發(fā)生頸縮現(xiàn)象時寬度為10 mm試樣所受拉力最大為1.1 N，則殘膜發(fā)生頸縮時所受的拉力為225.5 N。由于田間試驗中膜卷中含有雜質(zhì)，在相同撿拾和清雜裝置條件下，膜卷長度l和密度ρ分別取1.9 m和120 kg/m3[14]。

利用摩擦系數(shù)儀(GX-MCY05P型)對卷膜帶和殘膜之間的摩擦因數(shù)進行測定，卷膜帶與殘膜間平均滑動摩擦因數(shù)μdm為0.47，則式(13)計算結(jié)果為膜卷直徑d應(yīng)小于0.52 m。膜卷直徑大于0.52 m時，由于殘膜張力下降，會出現(xiàn)殘膜緊實度不足甚至殘膜斷裂的情況。因此，為卷膜輥裝置連接臂設(shè)置限位塊，限制膜卷最大直徑為0.5 m。

2.5 卷膜傾角

殘膜運動到卷膜帶和卷膜芯軸中間時，受到重力、卷膜帶對其運動方向的摩擦力、卷膜芯軸對其運動方向反方向的摩擦力、卷膜芯軸的壓力和卷膜帶的支持力，其中殘膜所受的壓力和支持力相等。當殘膜起始端運動到卷膜帶和卷膜芯軸分離位置時，其受力和運動狀態(tài)決定了殘膜是否可以順利纏繞在卷膜芯軸上。圖10為殘膜在卷膜帶和卷膜芯軸分離點的受力分析，其中分離點卷膜帶與水平面夾角為卷膜傾角。由圖10可知，當殘膜所受作用力在卷膜芯軸上有指向圓心方向的分力時，該分力提供了向心力，殘膜才能附著在卷膜芯軸上，順利完成卷膜作業(yè)。因此，只有當分離點卷膜帶與水平面夾角小于90°時，才滿足作業(yè)要求，如圖10c所示。

通過以上分析可知卷膜傾角應(yīng)小于90°，同時卷膜傾角過小對卷膜效果的提升影響不大，但帶來的弊端比較明顯，如卷膜傾角越小脫膜需要翻轉(zhuǎn)的角度越大，需要的卸膜時間越長，而且傾角越小容納相同直徑膜卷所需結(jié)構(gòu)的空間越大，不利于翻轉(zhuǎn)液壓油缸的選擇。本文通過卷膜性能試驗，確定卷膜傾角取值范圍為70°～90°。

2.6 自動卸膜液壓系統(tǒng)

自動卸膜液壓系統(tǒng)原理圖如圖11a所示，液壓系統(tǒng)包括翻轉(zhuǎn)油缸和卸膜油缸兩組順序動作的液壓缸。

結(jié)合圖11b理解自動卸膜作業(yè)過程。每組液壓缸由2個相同參數(shù)的缸體組成，卸膜作業(yè)時，翻轉(zhuǎn)油缸首先啟動，翻轉(zhuǎn)油缸活塞逐漸收回，卷膜裝置隨之翻轉(zhuǎn)。當翻轉(zhuǎn)油缸活塞到位后，在液壓油的作用下單向順序閥3打開，液壓系統(tǒng)繼續(xù)給卸膜油缸供油。兩卸膜油缸活塞伸出，通過連接臂帶動卷膜芯軸從中間分離逐漸脫膜，當卸膜油缸伸出到位后，卷膜芯軸從膜卷中完全抽出。

復位時，觸發(fā)電磁換向閥，液壓系統(tǒng)首先給卸膜油缸供油，卸膜油缸活塞帶動卷膜芯軸收回。卸膜油缸到位、卷膜芯軸合并后，單向順序閥6在液壓油的作用下打開，液壓系統(tǒng)給翻轉(zhuǎn)油缸供油，翻轉(zhuǎn)油缸活塞逐漸伸出，當翻轉(zhuǎn)油缸到位后，卷膜裝置復位完成，可進行下一輪殘膜回收作業(yè)。

3 試驗與結(jié)果分析

3.1 試驗條件

2019年11月，在石河子市145團三分場二連耐候地膜基地進行田間試驗(圖12)，基地內(nèi)的棉花已經(jīng)采摘完畢，滴灌帶已抽出。試驗裝置為棉花秸稈還田-前置清雜殘膜回收聯(lián)合作業(yè)機，由約翰迪爾904型拖拉機、土壤堅實度儀(SPECTRUM SC-900型，量程0～7 000 kPa，精度103 kPa)、土壤水分速測儀(SPECTRUM TDR300型，量程0～100%，精度為0.1%)、電子秤(量程0～60 kg，精度為0.001 kg)、皮尺(量程50 m)和鋼板尺等組成。試驗基地內(nèi)鋪設(shè)厚度為0.01 mm的耐候地膜，鋪設(shè)時間為2019年4月，試驗前測得深度為50 mm土壤堅實度平均值為1.18 MPa、土壤平均含水率為19.2%。

3.2 試驗因素與指標

相同作業(yè)機具和環(huán)境下，膜卷中雜質(zhì)比例相近，因此忽略雜質(zhì)對卷膜作業(yè)的影響。殘膜回收機在田間作業(yè)，其作業(yè)速度影響作業(yè)效率和卷收效果，因此選擇殘膜回收機的前進速度作為試驗因素之一，同時依據(jù)殘膜回收機帶式卷膜裝置關(guān)鍵部件設(shè)計與分析結(jié)果，共選取機具前進速度、卷膜速比、卷膜傾角3個工作參數(shù)為試驗因素。

為確定試驗因素的取值范圍，對殘膜回收機進行單因素田間試驗。當殘膜回收機的前進速度低于5 km/h時，殘膜撿拾效果較好，但是作業(yè)效率低；當機具前進速度大于6 km/h時，由于整機運動過快沒有足夠的時間排雜，雜質(zhì)會隨殘膜一起進入卷膜裝置，造成回收的殘膜膜卷內(nèi)雜質(zhì)含量過高，影響回收效果。因此，確定前進速度范圍為5～6 km/h。依據(jù)2.4節(jié)殘膜受力分析可知，只有當卷膜帶線速度大于膜卷線速度時，卷膜帶與膜卷之間為滑動摩擦，才可順利卷膜，但是卷膜帶線速度過大會造成殘膜發(fā)生塑性形變，導致膜殘膜張力不足，不能繃緊膜卷，因此通過計算和分析得到了卷膜速比取值為1～1.25。通過2.5節(jié)分析可知，只有當初始殘膜與卷膜芯軸分離點卷膜帶與水平面夾角小于90°時，才能順利完成初始卷膜作業(yè)，在機構(gòu)設(shè)計過程中發(fā)現(xiàn)，當調(diào)整卷膜傾角小于70°時，由于卷膜裝置上部與脫膜裝置間距變小，導致殘膜從脫膜裝置落入到卷膜裝置的空間過于狹小，初始作業(yè)過程中殘膜易受到風力作用而無法落入卷膜裝置，不利于殘膜回收，因此，卷膜傾角范圍為70°～90°。試驗過程中通過改變拖拉機前進速度控制機具前進速度，通過更換傳動鏈輪改變卷膜速比，通過液壓控制卷膜傾角。

多因素試驗采用三因素三水平的Box-Behnken試驗設(shè)計原理與安排進行組合試驗[24-25]，各因素編碼如表1所示。由于目前尚無關(guān)于殘膜機械化卷收評價標準，查閱相關(guān)資料并結(jié)合殘膜回收實際作業(yè)可知，在目前的殘膜機械化清雜技術(shù)水平下，殘膜膜卷緊實程度是檢驗?zāi)ぞ碣|(zhì)量的重要指標。緊實程度高的膜卷密度大，因此選取殘膜膜卷密度Y為評價膜卷質(zhì)量的試驗指標，計算式為

表1 試驗因素編碼Tab.1 Factors and codes

(14)

式中M——膜卷質(zhì)量，kgV——膜卷體積，m3

3.3 試驗結(jié)果與分析

試驗方案與結(jié)果如表2所示。通過Design-Expert 8.0.5.0軟件對試驗數(shù)據(jù)進行處理和方差分析，得到試驗指標和因素編碼的回歸模型為

表2 試驗方案與結(jié)果Tab.2 Design of tests and results

(15)

回歸模型(15)的P<0.000 1，失擬項P>0.05，

表明模型能夠正確反映試驗指標與因素之間的關(guān)系。根據(jù)模型各因素回歸系數(shù)，可得到影響卷膜密度Y的主次順序為X2、X3、X1。

為直觀分析試驗指標與因素間的關(guān)系，運用Design-Expert 8.0.5.0軟件得到相應(yīng)曲面如圖13所示。對各因素影響規(guī)律進行分析，根據(jù)回歸方程和響應(yīng)曲面圖可知前進速度對膜卷密度影響不顯著，卷膜速比和卷膜傾角對膜卷密度影響顯著。前進速度對膜卷密度影響不顯著，說明卷膜裝置可以更好地適應(yīng)殘膜回收機其他關(guān)鍵部件的作業(yè)條件。

由圖13a可知，當前進速度由5 km/h增大到6 km/h，膜卷密度先增大后減小。當前進速度固定在某一水平時，隨著卷膜速比由1變化到1.25，膜卷密度先增大后減小。由圖13b可知，當前進速度由5 km/h增大到6 km/h，膜卷密度先增大后減小。當前進速度固定在某一水平時，隨著卷膜傾角由70°變化到90°，膜卷密度先增大后減小。由圖13c可知，當卷膜速比由1增大到1.25，膜卷密度先增大后減小。當卷膜速比固定在某一水平時，隨著卷膜傾角由70°變化到90°，膜卷密度先增大后減小。

在此基礎(chǔ)上，應(yīng)用Design-Expert 8.0.5.0軟件中的優(yōu)化模塊對回歸方程模型進行優(yōu)化，結(jié)合試驗因素邊界條件，最優(yōu)試驗參數(shù)為：機具前進速度5.38 km/h、卷膜速比1.19、卷膜傾角80.1°。為了驗證優(yōu)化結(jié)果下的膜卷密度，依據(jù)上述試驗安排進行了3次田間試驗，其中為便于對卷膜傾角進行調(diào)整，將其圓整為80°，得到平均膜卷密度為122.7 kg/m3。誤差在可接受的范圍之內(nèi)，可滿足殘膜回收的卷膜作業(yè)要求。同時，統(tǒng)計卷膜裝置的平均卸膜復位時間為33 s，卸膜和復位作業(yè)在液壓系統(tǒng)的控制下自動完成，無需人工操作。

4 結(jié)論

(1)根據(jù)農(nóng)田殘膜機械化卷膜和自動卸膜作業(yè)要求，設(shè)計了帶式卷膜裝置，該裝置利用卷膜帶和膜卷間摩擦力進行卷膜，通過氣彈簧和膜卷對卷膜帶的壓力提升卷膜帶圓周驅(qū)動力，其卷膜效果良好，能夠滿足棉田殘膜回收機械化卷膜的作業(yè)要求。

(2)通過對卷膜裝置關(guān)鍵部件進行結(jié)構(gòu)設(shè)計和分析，確定了卷膜裝置的驅(qū)動形式為雙滾筒驅(qū)動；通過理論分析，確定氣彈簧選型；對影響卷膜作業(yè)質(zhì)量的關(guān)鍵參數(shù)范圍進行了分析計算。

(3)采用多因素組合試驗研究了卷膜裝置卷膜速比、卷膜傾角、前進速度對卷膜作業(yè)性能的交互影響，運用Design-Expert 8.0.5.0軟件對試驗結(jié)果進行分析和多因素優(yōu)化。結(jié)果表明，當機具前進速度為5.38 km/h、卷膜速比為1.19、卷膜傾角為80°時，膜卷質(zhì)量最優(yōu)，此時平均膜卷密度為122.7 kg/m3，平均卸膜復位時間為33 s。田間試驗表明，卷膜裝置作業(yè)性能穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)適用性強，能夠滿足殘膜機械化卷收作業(yè)需求。