謝建華，洪 佳，曹肆林，張 毅，趙昱宇，張雁鴻，郭俊先

（1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，烏魯木齊 830052；2.新疆智能農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，烏魯木齊 830052）

0 引 言

覆膜栽培技術(shù)給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)巨大經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，滯留在農(nóng)田的殘膜也帶來(lái)了各種問(wèn)題。農(nóng)作物收獲之后，地膜不及時(shí)處理會(huì)造成田間污染，影響來(lái)年耕地作業(yè)及播種，造成土壤滲透性差，水分肥料不流通，影響農(nóng)作物生長(zhǎng)，導(dǎo)致作物減產(chǎn)等。新疆棉花絕大多數(shù)采用覆膜種植，由于氣候干旱少雨，地膜易與土壤粘結(jié)，加之邊膜埋于板結(jié)土壤下，撿拾難度大，導(dǎo)致殘膜回收率較低。

為解決棉田殘膜污染問(wèn)題，減少多次作業(yè)機(jī)具對(duì)土壤的壓實(shí)，研究人員做了大量研究，并取得了良好的應(yīng)用效果。田辛亮等設(shè)計(jì)的4JSM-2000A型秸稈粉碎及摟膜聯(lián)合作業(yè)機(jī)，利用Y型甩刀進(jìn)行秸稈粉碎，同時(shí)采用摟膜彈齒回收殘膜，該機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，提高了殘膜回收的撿拾率，但回收殘膜過(guò)程中，粉碎的棉稈、莖葉一起被收集，雜質(zhì)與殘膜相互纏繞，殘膜含雜率高且不易分離。于云海等設(shè)計(jì)的秸稈粉碎與殘膜集條聯(lián)合作業(yè)機(jī)采用橫軸L型錘片式裝置粉碎秸稈并拋送至橫向交錯(cuò)排列的地膜集條裝置后部，實(shí)現(xiàn)秸稈粉碎和地膜集條，可以有效減少回收地膜中棉稈、碎土塊等雜質(zhì)的含量，但集條彈齒直接作用于地面，不能有效回收板結(jié)土壤下的邊膜。胡凱等研制的秸稈粉碎還田與殘膜回收聯(lián)合作業(yè)機(jī)利用甩刀粉碎棉稈并拋送至秸稈輸送裝置上，再運(yùn)送至機(jī)具后部，機(jī)具后部安裝起膜齒起出地膜，并用鏈齒耙撿拾地膜，回收的地表膜含雜率低，但該機(jī)具結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，且無(wú)法有效回收邊膜。為解決邊膜回收難、回收殘膜含雜率高等問(wèn)題，本文結(jié)合新疆一膜六行機(jī)采棉種植模式，根據(jù)市場(chǎng)需求，提出先秸稈粉碎、地膜集條，再撿拾地膜、除雜打包的分段式作業(yè)方式，設(shè)計(jì)了一種棉稈粉碎及地膜隨動(dòng)集條機(jī)，以提高殘膜回收率，降低回收殘膜含雜率。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

棉稈粉碎及地膜隨動(dòng)集條機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由牽引架、限深輪、帶傳動(dòng)系統(tǒng)、秸稈粉碎裝置、地膜隨動(dòng)集條裝置、行走輪、秸稈輸送裝置、鏈傳動(dòng)系統(tǒng)和螺旋輸送器等組成。

圖1 棉稈粉碎及地膜隨動(dòng)集條機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖 Fig.1 Structure diagram of cotton stalk chopping and plastic film master-slave strip collector

1.2 工作原理

機(jī)具工作時(shí)，由拖拉機(jī)牽引作業(yè)，動(dòng)力經(jīng)拖拉機(jī)后輸出軸傳遞給秸稈粉碎裝置，秸稈粉碎裝置打碎棉秸稈，粉碎的棉秸稈被拋送至秸稈輸送裝置上，帶有均勻分布固定板的秸稈輸送裝置將其運(yùn)輸至機(jī)具后部，經(jīng)螺旋輸送器向機(jī)具兩側(cè)輸送，通過(guò)下落口落至棉田種植交接行內(nèi)，以減少膜面秸稈含量。秸稈粉碎同時(shí)，由液壓油缸控制的集條指盤與地面接觸，產(chǎn)生的摩擦力使之進(jìn)行回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，兩側(cè)伸入板結(jié)土壤的指盤將邊膜扒出，與地表膜一起向中間集攏，實(shí)現(xiàn)地膜的集條，方便后續(xù)撿拾打包作業(yè)。

棉稈粉碎及地膜隨動(dòng)集條機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 棉稈粉碎及地膜隨動(dòng)集條機(jī)主要參數(shù) Table 1 Main parameters of cotton stalk chopping and plastic film master-slave strip collector

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 秸稈粉碎裝置

現(xiàn)有的秸稈粉碎刀具主要有直刀型、錘爪型和Y型等。直刀型粉碎甩刀一般適用于韌性大、質(zhì)地較軟的麥秸稈粉碎，且最好采用有支撐的粉碎；錘爪型粉碎甩刀表面積和質(zhì)量相對(duì)較大，高速旋轉(zhuǎn)工作過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生較大的慣性力，粉碎棉稈效果好，但產(chǎn)生的功耗較大；Y型粉碎甩刀體積與質(zhì)量相對(duì)較小，功耗低，粉碎效果好，在形狀上幾何對(duì)稱，在工作時(shí)能很好地滿足機(jī)具動(dòng)平衡要求，故本文選取Y型粉碎甩刀粉碎秸稈，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。Y型粉碎甩刀長(zhǎng)度過(guò)小會(huì)使留茬高度增高，不方便后續(xù)的集條作業(yè)及撿拾打包機(jī)下地作業(yè)，甩刀長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)會(huì)增加機(jī)具的功耗，且有可能離地較近直接接觸地面，對(duì)刀片造成損害，根據(jù)本機(jī)具作業(yè)要求，確定Y型粉碎甩刀設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為160 mm。為保證Y型粉碎甩刀的強(qiáng)度，甩刀的厚度一般為5～10 mm，厚度過(guò)小，刀片受到?jīng)_擊容易斷裂；厚度過(guò)大，切碎秸稈阻力增大，機(jī)具功耗增加，本文設(shè)計(jì)甩刀厚度為6 mm。Y型粉碎甩刀寬度過(guò)小，秸稈粉碎率低，漏切現(xiàn)象增加，寬度過(guò)大，各刀片阻力增大，且刀片末端離中心線太遠(yuǎn)，刀片容易彎折，Y型粉碎甩刀寬度在65～75 mm之間，本文確定甩刀寬度定為70 mm。Y型粉碎甩刀開口角度過(guò)大使切割阻力增大且粉碎效果差，開口角度過(guò)小會(huì)造成甩刀受力增大，造成漏切，一般在90°～150°，本文取Y型粉碎甩刀開口角為120°。甩刀材料選用65 Mn鋼，為增加耐磨性，甩刀刃口表面噴焊NiWC合金粉末涂層。

圖2 Y型甩刀 Fig.2 Y-type flailing blade

合理的粉碎甩刀排布對(duì)機(jī)具作業(yè)效果影響明顯，粉碎甩刀數(shù)量過(guò)少會(huì)造成漏切，數(shù)量過(guò)多則會(huì)增加機(jī)具功耗，而且不利于粉碎秸稈拋送，粉碎甩刀的數(shù)量一般由式（1）確定。

式中為甩刀的數(shù)量；為甩刀的排布密度，片/m；為機(jī)具的作業(yè)幅寬，m。

粉碎甩刀通過(guò)鉸接的方式與粉碎刀軸連接，甩刀的排布密度一般為23～40片/m，本文設(shè)計(jì)粉碎刀輥的回轉(zhuǎn)直徑為200 mm，根據(jù)本機(jī)具2.3 m的作業(yè)幅寬要求，甩刀采用交錯(cuò)平衡排列方式，最終確定粉碎甩刀為90片，分為45組，粉碎刀具安裝排列如圖3所示。

圖3 秸稈粉碎刀具排列示意圖 Fig.3 Schematic diagram of stalk flailing blade arrangement

如圖4所示，在粉碎刀輥軸心建立坐標(biāo)系，甩刀端點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡上任一點(diǎn)坐標(biāo)為（，），建立動(dòng)刀的運(yùn)動(dòng)軌跡方程為

圖4 粉碎甩刀運(yùn)動(dòng)分析 Fig.4 Motion analysis of flailing blade

對(duì)式（2）進(jìn)行求導(dǎo)得到甩刀的速度方程為

則Y型粉碎甩刀絕對(duì)速度v與時(shí)間的運(yùn)動(dòng)方程為

式中v為甩刀在軸方向的分速度，m/s；v為甩刀在軸方向的分速度，m/s；v為甩刀的合速度，m/s。

棉稈木質(zhì)素含量高，質(zhì)地較堅(jiān)硬，根據(jù)農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，動(dòng)刀刀端線速度大于48 m/s時(shí)，秸稈粉碎效果較好。當(dāng)=2π+π/2（∈）時(shí)，即粉碎刀具速度方向與機(jī)具前進(jìn)速度方向相反時(shí)，v有最小值(+)-，取機(jī)具前進(jìn)速度最小為1 m/s，將數(shù)據(jù)代入式（4）得粉碎甩刀轉(zhuǎn)速最小值為1 800 r/min。

2.2 地膜隨動(dòng)集條裝置

如圖5所示，地膜隨動(dòng)集條裝置主要由安裝架、指盤、固定套筒和旋轉(zhuǎn)臂組成，指盤裝置通過(guò)旋轉(zhuǎn)臂和固定套筒與機(jī)架連接。機(jī)具工作時(shí)，地膜隨動(dòng)集條裝置通過(guò)與地面的摩擦力帶動(dòng)指盤產(chǎn)生自轉(zhuǎn)，與機(jī)具前進(jìn)速度形成的合速度使地膜向膜幅中間運(yùn)動(dòng)，達(dá)到殘膜集條效果。根據(jù)新疆一膜六行種植模式（660 mm+100 mm），6個(gè)指盤在集條裝置安裝架兩側(cè)對(duì)稱布置，將邊膜與左右兩行的地表膜向內(nèi)集條；中間2個(gè)指盤裝置將中間行秸稈根部的地膜向外集條。指盤安裝平面與機(jī)具前進(jìn)速度方向夾角過(guò)大，機(jī)具前進(jìn)阻力增大，功耗增加，過(guò)小，指盤數(shù)量多，結(jié)合經(jīng)濟(jì)性及安裝要求，確定指盤安裝平面與機(jī)具前進(jìn)速度方向夾角為30°。

圖5 地膜隨動(dòng)集條裝置 Fig.5 Plastic film master-slave strip collection device

指盤裝置運(yùn)動(dòng)軌跡如圖6所示，3個(gè)指盤Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ上、和彈齒的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡分別為、和曲線，3個(gè)指盤上所有彈齒的軌跡形成3個(gè)曲面。指盤Ⅰ上的所有彈齒從開始摟集地膜，地膜跟隨指盤Ⅰ以一定速度向機(jī)具中部移動(dòng)，到結(jié)束摟集工作。同理指盤Ⅱ上的彈齒開始摟集工作，到結(jié)束。為了不在摟集殘膜的過(guò)程中產(chǎn)生漏集，指盤Ⅰ上的彈齒離開土壤退出工作后，指盤Ⅱ上的彈齒需要立刻摟集地膜，則需要求和重合，和重合。指盤Ⅰ上的彈齒將地膜橫向扒取距離后，指盤Ⅱ、Ⅲ繼續(xù)橫向摟集地膜。

根據(jù)圖6有：

式中為單側(cè)連續(xù)摟集的指盤個(gè)數(shù)；為兩指盤安裝間距，mm。

圖6 指盤裝置集膜軌跡示意圖 Fig.6 Diagram of the film collection trajectory of the finger plate device

如圖7所示，指盤工作過(guò)程中，彈齒末端位置點(diǎn)入土?xí)r，與之相鄰的彈齒末端處于點(diǎn)位置。設(shè)指盤在圓周上均勻分布的彈齒個(gè)數(shù)為，則相鄰彈齒末端之間的夾角為=2π/。為保證指盤裝置不漏集殘膜，前一個(gè)工作彈齒離開土壤瞬間，相鄰彈齒開始接觸土壤，即工作彈齒從點(diǎn)到達(dá)點(diǎn)的時(shí)間與彈齒入土工作時(shí)間相同。由幾何關(guān)系得彈齒從點(diǎn)到達(dá)點(diǎn)的水平位移x與垂直位移y為

圖7 指盤裝置運(yùn)動(dòng)分析 Fig.7 Motion analysis of finger plate device

由圖7可得：

按照指盤裝置最外端運(yùn)動(dòng)軌跡分析，彈齒末端點(diǎn)經(jīng)過(guò)時(shí)間后彈齒的水平位移x和豎直位移y為

將式（7）和式（8）帶入式（6）求得：

根據(jù)田間環(huán)境及機(jī)具作業(yè)要求，設(shè)定機(jī)具前進(jìn)速度為3.6～7.2 km/h，彈齒末端入土深度為60 mm，指盤旋轉(zhuǎn)半徑為450 mm，通過(guò)分析彈齒運(yùn)動(dòng)軌跡，得指盤旋轉(zhuǎn)角速度為3.8～7.7 rad/s，代入式（9）～（10）得相鄰兩彈齒末端周向夾角為20°，則指盤周向彈齒數(shù)為18個(gè)。

2.3 秸稈輸送裝置

秸稈輸送裝置將粉碎的棉稈輸送至機(jī)具后方，粉碎的秸稈隨甩刀一起做圓周運(yùn)動(dòng)，到達(dá)一定位置后被拋到輸送裝置上，秸稈被拋至輸送裝置的運(yùn)動(dòng)過(guò)程分析如圖8所示。

圖8 秸稈運(yùn)動(dòng)分析圖 Fig.8 Motion analysis of stalk

假設(shè)秸稈在拋出的過(guò)程中只受重力作用（忽略空氣阻力作用），則運(yùn)動(dòng)過(guò)程中秸稈加速度為

對(duì)式（11）進(jìn)行一次積分和二次積分得秸稈運(yùn)動(dòng)的速度方程式（12）和位移方程（13）：

式中為秸稈進(jìn)行拋送運(yùn)動(dòng)的時(shí)間，s。

通過(guò)式（13）得出秸稈的運(yùn)動(dòng)軌跡方程為

根據(jù)文獻(xiàn)[22]，秸稈在跟隨粉碎刀具做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，罩殼斜上方區(qū)域氣流流速大，秸稈流動(dòng)性較強(qiáng)，故設(shè)計(jì)在此處讓粉碎秸稈拋出，初步設(shè)定秸稈拋出角度為45°～65°。由于秸稈初速度大，粉碎的秸稈經(jīng)過(guò)斜拋運(yùn)動(dòng)至機(jī)具頂部，與機(jī)具頂部產(chǎn)生碰撞后下落至輸送裝置并向機(jī)具后部運(yùn)輸。拋送通道的設(shè)計(jì)既不能干涉粉碎刀具的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，又要使粉碎秸稈順利拋出粉碎室。由于秸稈拋出軌跡方程為拋物線，拋物線各位置切線斜率為

從式（15）可計(jì)算出，秸稈在初始拋出位置點(diǎn)的斜率最大，由此確定拋送通道的傾斜角度為65°，機(jī)具設(shè)計(jì)高度為1 830 mm，機(jī)具工作時(shí)粉碎刀軸回轉(zhuǎn)中心離地高度為330 mm，故粉碎刀軸回轉(zhuǎn)中心離機(jī)具頂部距離為1 500 mm。為避免粉碎刀具作業(yè)時(shí)與拋送通道形成干涉，設(shè)計(jì)拋送通道左側(cè)最低點(diǎn)離粉碎刀軸回轉(zhuǎn)中心距離為200 mm。

秸稈輸送裝置如圖9所示，主要由傳送帶、固定板、螺栓、彎邊輸送鏈、鏈輪等組成。秸稈輸送過(guò)程中不發(fā)生擁堵、掉落，主要由輸送裝置的工作傾角及工作速度等關(guān)鍵因素決定。秸稈向上運(yùn)送速度一定時(shí)，輸送裝置的傾角過(guò)大，輸送過(guò)程中棉稈易向下滑落，過(guò)小則會(huì)延長(zhǎng)工作時(shí)間，增加成本。為保證棉稈不向下滑落，取傳送帶的摩擦系數(shù)為0.6，由式（16）可知，輸送裝置工作傾角需小于31°，參考文獻(xiàn)[24-25]，秸稈的休止角為17°～31°，最終確定秸稈輸送帶的輸送傾角為30°。為了防止堆積的棉稈沿傳送帶向下滾落，傳送帶上設(shè)有間隔固定板。固定板排列間距過(guò)大，傳送帶不能完全伸展開，會(huì)造成秸稈輸送能力降低，過(guò)小則固定板數(shù)量增加，造成材料浪費(fèi)及降低機(jī)具工作效率，結(jié)合前期試驗(yàn)，確定固定板的排列間距200 mm，固定板個(gè)數(shù)為16個(gè)。

圖9 秸稈輸送裝置示意圖 Fig.9 Structure diagram of stalk conveying device

式中為輸送帶水平長(zhǎng)度，mm；為輸送帶垂直高度，mm。

為避免棉稈下落過(guò)程中落至拋送通道內(nèi)，要求拋送通道右側(cè)隔板最高點(diǎn)水平距離不能超過(guò)下落棉稈最小水平位移，由圖8可知，拋送的棉稈最小水平位移是初始拋送角度為65°時(shí)棉稈在水平方向的位移，代入式（13）得最小水平位移為660 mm，則通道右側(cè)隔板最高點(diǎn)水平距離為260 mm，得右側(cè)隔板總長(zhǎng)為558 mm，考慮空氣阻力影響，取右側(cè)拋送通道隔板總長(zhǎng)為560 mm。由圖8可知，秸稈在拋出角度為45°時(shí)，秸稈拋灑距離最遠(yuǎn)，將數(shù)據(jù)代入式（13）得秸稈最大水平運(yùn)動(dòng)距離為1 600 mm，考慮空氣阻力影響，設(shè)計(jì)輸送帶水平長(zhǎng)度為1 600 mm，垂直高度為920 mm。

2.4 螺旋輸送器

螺旋輸送器如圖10所示。螺旋輸送器的輸送量應(yīng)大于機(jī)具的最大喂入量，即

圖10 螺旋輸送器示意圖 Fig.10 Schematic diagram of worm conveyer

式中為輸送量，t/h；為螺旋葉片直徑，m；為填充因數(shù)，取0.3；為螺旋葉片螺距，m；為螺旋輸送器轉(zhuǎn)速，r/min；為物料堆積密度，取350 kg/m；為傾斜輸送修正系數(shù)，取1；為秸稈最大喂入量，t/h。

取10組寬2.05 m、長(zhǎng)5 m膜幅上的秸稈稱質(zhì)量并求平均值，得到每米長(zhǎng)度地膜上的秸稈質(zhì)量為0.9 kg，則螺旋輸送器的最大秸稈喂入量為

式中為機(jī)具作業(yè)速度最大值，km/h。

螺旋輸送器轉(zhuǎn)速為

結(jié)合整機(jī)結(jié)構(gòu)確定雙向螺旋輸送器的螺旋葉片直徑=0.3 m，螺旋葉片螺距0.16 m。機(jī)具作業(yè)速度按最大8 km/h計(jì)，代入式（19）可得螺旋輸送器的轉(zhuǎn)速≥100 r/min。

2.5 傳動(dòng)系統(tǒng)

棉稈粉碎及地膜隨動(dòng)集條機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)如圖11所示。機(jī)具作業(yè)時(shí)，拖拉機(jī)牽引棉稈粉碎及地膜隨動(dòng)集條機(jī)前進(jìn)，動(dòng)力由拖拉機(jī)后輸出軸傳遞至變速箱，經(jīng)過(guò)變速箱減速后傳遞給皮帶傳動(dòng)系統(tǒng)，皮帶傳動(dòng)系統(tǒng)將動(dòng)力傳輸至秸稈粉碎刀輥，刀輥旋轉(zhuǎn)過(guò)程中帶動(dòng)甩刀運(yùn)動(dòng)完成秸稈粉碎過(guò)程，同時(shí)皮帶傳動(dòng)系統(tǒng)將動(dòng)力傳遞給鏈傳動(dòng)系統(tǒng)，鏈傳動(dòng)系統(tǒng)帶動(dòng)彎邊輸送鏈從而帶動(dòng)螺旋輸送器旋轉(zhuǎn)，彎邊輸送鏈旋轉(zhuǎn)過(guò)程中帶動(dòng)秸稈輸送裝置進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，同時(shí)秸稈輸送裝置通過(guò)鏈傳動(dòng)將動(dòng)力傳遞給螺旋輸送器，螺旋輸送器將秸稈輸送裝置輸送的秸稈排出機(jī)外。液壓油管、液壓油缸等組成液壓傳動(dòng)系統(tǒng)，拖拉機(jī)后輸出液壓裝置通過(guò)液壓油管將動(dòng)力傳遞給液壓油缸，由液壓油缸的伸縮控制指盤的入土深度。

圖11 傳動(dòng)系統(tǒng)示意圖 Fig.11 Schematic diagram of transmission system

拖拉機(jī)后輸出軸額定轉(zhuǎn)速為720 r/min，變速箱傳動(dòng)比為1∶1，變速箱輸出軸與秸稈粉碎裝置帶傳動(dòng)比為1∶3，變速箱輸出軸與秸稈輸送裝置前軸傳動(dòng)比為4∶1，秸稈輸送裝置后軸與螺旋輸送器鏈傳動(dòng)比為3∶2，則秸稈粉碎裝置額定轉(zhuǎn)速為2 160 r/min，秸稈輸送裝置額定轉(zhuǎn)速為180 r/min，螺旋輸送器額定轉(zhuǎn)速為120 r/min。

3 田間試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)條件

為驗(yàn)證棉稈粉碎及地膜隨動(dòng)集條機(jī)的作業(yè)性能、確定機(jī)具最優(yōu)工作參數(shù)，于2021年10月在石河子市石河子大學(xué)教學(xué)試驗(yàn)場(chǎng)（長(zhǎng)620 m×寬280 m）進(jìn)行田間試驗(yàn)。選用約翰迪爾1204拖拉機(jī)牽引棉稈粉碎及地膜隨動(dòng)集條機(jī)進(jìn)行作業(yè)，試驗(yàn)設(shè)備有精度0.001 g的電子天平、托普云土壤濕度儀、托普云土壤緊實(shí)度儀等。試驗(yàn)地鋪膜厚度為0.010 mm，寬窄行（660 mm+100 mm）種植模式，測(cè)得試驗(yàn)地平均土壤緊實(shí)度為4 582 kPa，平均土壤含水率為15.4%。田間試驗(yàn)如圖12所示。

圖12 田間試驗(yàn) Fig.12 Field experiment

3.2 試驗(yàn)因素

根據(jù)前期預(yù)試驗(yàn)，結(jié)合棉稈粉碎及地膜隨動(dòng)集條機(jī)工作原理，選取影響作業(yè)效果的3個(gè)主要工作參數(shù)機(jī)具前進(jìn)速度、秸稈粉碎刀軸中心離地高度和集條指盤入土深度作為試驗(yàn)因素。

試驗(yàn)過(guò)程中使用1204拖拉機(jī)牽引機(jī)具作業(yè)，駕駛?cè)藛T通過(guò)調(diào)節(jié)拖拉機(jī)檔位控制機(jī)具前進(jìn)速度，根據(jù)前期預(yù)試驗(yàn)及田間環(huán)境，試驗(yàn)選取機(jī)具前進(jìn)速度分別為3.6、5.4、7.2 km/h。

秸稈粉碎刀軸中心離地高度對(duì)留茬高度有直接影響，而留茬高度影響地膜隨動(dòng)集條裝置指盤集條效果。甩刀工作過(guò)程中不宜離地過(guò)近，以免旋轉(zhuǎn)過(guò)程中造成氣流吹膜，且離地太近會(huì)對(duì)刀具造成損害，取秸稈粉碎刀軸中心離地高度下限值為300 mm（秸稈留茬高度為40 mm），試驗(yàn)選取秸稈粉碎刀軸中心離地高度分別為300、330和360 mm。

棉稈粉碎及地膜隨動(dòng)集條機(jī)的集條指盤入土深度通過(guò)控制機(jī)具后端液壓油缸的升降來(lái)實(shí)現(xiàn)，集條指盤入土越深，指盤發(fā)生變形越大，機(jī)具前進(jìn)阻力也越大，集條指盤入土太淺，則集條指盤不能很好的側(cè)向扒取地膜，結(jié)合前期預(yù)試驗(yàn)，選取集條指盤入土深度分別為30、60和90 mm。

試驗(yàn)因素水平見(jiàn)表2。

表2 試驗(yàn)因素和水平 Table 2 Test factors and levels

3.3 試驗(yàn)指標(biāo)

試驗(yàn)參考GB/T 25412－2010《殘地膜回收機(jī)》與GB/T 24675.6－2009《保護(hù)性耕作機(jī)械 秸稈粉碎還田機(jī)》，對(duì)棉稈粉碎及地膜隨動(dòng)集條機(jī)進(jìn)行田間性能檢測(cè)試驗(yàn)。結(jié)合樣機(jī)工作原理確定地膜集條率、秸稈粉碎長(zhǎng)度合格率和殘膜含雜率作為試驗(yàn)指標(biāo)。機(jī)具在相同膜幅或鄰近膜幅進(jìn)行作業(yè)，每組試驗(yàn)重復(fù)3次，結(jié)果取平均值，每個(gè)測(cè)試區(qū)域（長(zhǎng)30 m×寬2.05 m）的地膜集條率、秸稈粉碎長(zhǎng)度合格率和殘膜含雜率計(jì)算如下：

式中為當(dāng)年鋪設(shè)地膜質(zhì)量，g；為集條之后地膜總質(zhì)量，g；為長(zhǎng)度不合格秸稈質(zhì)量，g；為測(cè)試區(qū)域內(nèi)粉碎棉稈的總質(zhì)量，g；為集條之后膜雜總質(zhì)量，g；為集條區(qū)域的雜質(zhì)（碎莖葉及落地棉）的質(zhì)量，g。

3.4 試驗(yàn)方案及結(jié)果

采用三因素三水平二次回歸響應(yīng)面試驗(yàn)，在測(cè)試區(qū)域內(nèi)分為17組試驗(yàn)，每次試驗(yàn)機(jī)具工作距離大于30 m，每組試驗(yàn)結(jié)束后收取測(cè)試區(qū)域內(nèi)所有集條的殘膜、雜質(zhì)和粉碎長(zhǎng)度大于200 mm的棉稈并裝袋。收集的地膜經(jīng)清洗、晾曬后秤量，收集的棉稈和雜質(zhì)直接稱量并記錄。根據(jù)式（20）計(jì)算地膜集條率、秸稈粉碎長(zhǎng)度合格率和殘膜含雜率，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 試驗(yàn)方案及結(jié)果 Table 3 Test plan and result

4 結(jié)果及分析

4.1 回歸模型與檢驗(yàn)

利用Design-Expert軟件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析，結(jié)果如表4所示。

表4 回歸模型方差分析 Table 4 Regression model analysis of variance

地膜集條率、秸稈粉碎長(zhǎng)度合格率和殘膜含雜率的回歸模型值均小于0.000 1，說(shuō)明模型極其顯著。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行回歸分析，得到機(jī)具前進(jìn)速度、集條指盤入土深度和秸稈粉碎刀軸中心離地高度對(duì)地膜集條率、秸稈粉碎長(zhǎng)度合格率影響和殘膜含雜率的回歸方程分別為

4.2 交互因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響

運(yùn)用Design-Expert軟件導(dǎo)出各交互因素對(duì)地膜集條率、秸稈粉碎長(zhǎng)度合格率和殘膜含雜率響應(yīng)面圖，如圖13所示。

由圖13a可看出，當(dāng)秸稈粉碎刀軸中心離地高度處于中間水平（330 mm）時(shí)，集條指盤入土深度固定在低水平（30 mm）時(shí)，機(jī)具前進(jìn)速度增加時(shí)，地膜集條率增加，但當(dāng)機(jī)具前進(jìn)速度繼續(xù)增加時(shí)，集條率逐漸降低，這是由于當(dāng)機(jī)具前進(jìn)速度增加到一定程度后，指盤上彈齒的數(shù)量是一定的，單位時(shí)間內(nèi)指盤不能摟集全部殘膜，從而影響集條率。機(jī)具前進(jìn)速度固定在高水平（7.2 km/h）時(shí)，地膜集條率隨集條指盤入土深度的增加先增加后減小，這主要是由于當(dāng)集條指盤入土深度增加到一定程度后，指盤與地面接觸面積增加，受到的阻力變大，彈齒的變形增大，從而影響地膜集條率。

圖13 各因素對(duì)地膜集條率、秸稈粉碎長(zhǎng)度合格率 和殘膜含雜率的交互影響 Fig.13 Interaction effects of factors on film stripe collection rate, stalk chopping length pass rate and residual film impurity rate

由圖13b可看出，當(dāng)集條指盤入土深度在中間水平（60 mm）時(shí)，機(jī)具前進(jìn)速度固定在低水平（3.6 km/h）時(shí)，秸稈粉碎長(zhǎng)度合格率隨秸稈粉碎刀軸中心離地高度的增大而增加，這主要是由于當(dāng)秸稈粉碎刀軸中心離地高度增大后，單位時(shí)間內(nèi)棉稈喂入量減少，粉碎刀具打碎的棉稈減少，粉碎刀具多次作用于棉稈，且棉稈根部較硬，離地面越遠(yuǎn)的棉稈越容易粉碎。秸稈粉碎刀軸中心離地高度固定在高水平（360 mm）時(shí)，秸稈粉碎長(zhǎng)度合格率隨機(jī)具前進(jìn)速度的增大而減小，這是由于機(jī)具前進(jìn)速度增加，單位時(shí)間內(nèi)棉稈喂入量增加，粉碎刀具數(shù)量與轉(zhuǎn)速是不變的，部分棉稈來(lái)不及粉碎就被拋出，秸稈粉碎長(zhǎng)度合格率降低。

由圖13c可看出，當(dāng)秸稈粉碎刀軸中心離地高度處于中間水平（330 mm）時(shí)，集條指盤入土深度固定在低水平（30 mm）時(shí)，機(jī)具前進(jìn)速度增加時(shí)，殘膜含雜率降低，但當(dāng)機(jī)具前進(jìn)速度繼續(xù)增加時(shí)，殘膜含雜率逐漸升高，這是由于當(dāng)機(jī)具前進(jìn)速度增加到一定程度后，雜質(zhì)來(lái)不及排出，從而影響集條殘膜含雜率。機(jī)具前進(jìn)速度固定在低水平（3.6 km/h）時(shí)，殘膜含雜率隨集條指盤入土深度的先減小后增大，這主要是由于集條指盤入土深度增加到一定程度后，彈齒的變形增大，有利于雜質(zhì)的排出，繼續(xù)增大入土深度導(dǎo)致壅土后不利于雜質(zhì)的排出。

4.3 參數(shù)優(yōu)化與驗(yàn)證試驗(yàn)

為了尋求棉稈粉碎及地膜隨動(dòng)集條機(jī)最佳工作參數(shù)組合，提高集條作業(yè)性能，利用Design-Expert軟件對(duì)機(jī)具前進(jìn)速度，秸稈粉碎刀軸中心離地高度，指盤入土深度進(jìn)行尋優(yōu)，優(yōu)化模型為

優(yōu)化結(jié)果為：機(jī)具前進(jìn)速度5.0 km/h，秸稈粉碎刀軸中心離地高度343.8 mm，指盤入土深度60.6 mm，此時(shí)地膜集條率為93.5%，秸稈粉碎長(zhǎng)度合格率為98.1%，殘膜含雜率為19.3%。

為驗(yàn)證優(yōu)化后的機(jī)具作業(yè)效果，在石河子市石河子大學(xué)教學(xué)試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行田間驗(yàn)證試驗(yàn)，考慮試驗(yàn)的可行性，將優(yōu)化數(shù)據(jù)進(jìn)行圓整，即機(jī)具前進(jìn)速度5 km/h，秸稈粉碎刀軸中心離地高度340 mm，指盤入土深度60 mm，試驗(yàn)重復(fù)3次，依據(jù)式（20）計(jì)算地膜集條率、秸稈粉碎長(zhǎng)度合格率和殘膜含雜率并取平均值，結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 田間試驗(yàn)結(jié)果 Table 5 Results of field test

由表5可得，當(dāng)棉稈粉碎及地膜隨動(dòng)集條機(jī)以機(jī)具前進(jìn)速度5 km/h，秸稈粉碎刀軸中心離地高度340 mm，指盤入土深度60 mm作業(yè)時(shí)，地膜集條率為94.5%，秸稈粉碎長(zhǎng)度合格率為96.5%，殘膜含雜率為20.2%，作業(yè)性能滿足要求。

5 結(jié) 論

1）針對(duì)現(xiàn)有殘膜回收機(jī)具回收邊膜難、撿拾的殘膜含雜率高及可靠性差等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了棉稈粉碎及地膜隨動(dòng)集條機(jī)，介紹了其工作原理及關(guān)鍵組成機(jī)構(gòu)，通過(guò)對(duì)秸稈粉碎裝置、地膜隨動(dòng)集條裝置、秸稈輸送裝置和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等主要工作部件進(jìn)行了分析，確定了其組成部分的主要設(shè)計(jì)參數(shù)。

2）制作了棉稈粉碎及地膜隨動(dòng)集條機(jī)，以機(jī)具前進(jìn)速度，秸稈粉碎刀軸中心離地高度，指盤入土深度為影響因素，以地膜集條率、秸稈粉碎長(zhǎng)度合格率和殘膜含雜率為試驗(yàn)指標(biāo)進(jìn)行田間試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，機(jī)具前進(jìn)速度對(duì)地膜集條率影響極顯著，指盤入土深度影響顯著，秸稈粉碎刀軸中心離地高度無(wú)顯著影響；機(jī)具前進(jìn)速度和秸稈粉碎刀軸中心離地高度對(duì)秸稈粉碎長(zhǎng)度合格率影響極顯著，指盤入土深度無(wú)顯著影響；機(jī)具前進(jìn)速度和指盤入土深度對(duì)殘膜含雜率影響極顯著，秸稈粉碎刀軸中心離地高度影響顯著。

3）以地膜集條率、秸稈粉碎長(zhǎng)度合格率和殘膜含雜率為指標(biāo)，運(yùn)用Design-Expert軟件優(yōu)化求解，確定了最佳工作參數(shù)為：機(jī)具前進(jìn)速度為5 km/h，秸稈粉碎刀軸中心離地高度為340 mm，指盤入土深度為60 mm，以該工作參數(shù)進(jìn)行田間試驗(yàn)，得到地膜集條率為94.5%，秸稈粉碎長(zhǎng)度合格率為96.5%，殘膜含雜率為20.2%。