彈齒軌道式殘膜回收機參數優化及試驗

趙英杰，陳 永，周 鵬，馬 振，胡 斌，李衛敏

(1.重慶三峽學院 機械工程學院，重慶 萬州 404000； 2.石河子大學 機械電氣工程學院，新疆 石河子 832003；3.鄭州航空工業管理學院 電子通信工程學院，鄭州 450046)

0 引言

地膜覆蓋種植技術是一種改善和優化作物生長環境，克服不良條件影響，取得早熟、高產、優質和高效的先進農業種植技術[1-2]。普通地膜主要成分為難以降解的聚乙烯高分子化合物，埋于地下需200～400年才能自然分解，隨著覆蓋年數增加，土壤殘留量越來越多，嚴重影響農作物產量[3-5]。我國地膜覆蓋種植技術的應用已有30年多的歷史，覆蓋面積和使用量一直居世界第一位，在提高作物產量的同時，也出現了地膜殘留的問題。由于連年鋪膜且使用過的地膜未能及時有效回收，對土地造成了嚴重的“白色污染”，導致農作物產量連年下降，因此殘膜回收成為農業亟需解決的一大重要課題[6-8]。現有地膜在土壤環境中很難降解，對使用后的地膜進行回收成為治理殘膜污染的有效方法。目前，殘膜回收有人工撿拾和機械回收兩種方式：人工撿拾作業勞動強度大、效率低、成本高；機械回收可以克服人工撿拾的缺點，因此推行機械化收膜已成為必然趨勢[9-11]。為解決殘膜回收問題，國內相關部門研制了各具特色的殘膜回收設備，現有地膜回收機械以工作部件形式劃分，主要有伸縮桿齒式撿拾滾筒、彈齒式拾膜部件、鏟式起茬收膜部件、輪齒式收膜部件、齒鏈式收膜部件、密排彈齒式回收耙和氣力式殘膜回收等[12-14]。上述收膜機械從工作原理上看，主要以“彈齒”摟取殘膜和“釘齒”扎取殘膜的原理方法進行殘膜回收作業，在回收大片地膜時，殘膜中秸稈、植株枝葉、雜草和泥土含量較大，殘膜易纏繞收膜工作部件，影響機具連續回收作業，且殘膜回收率低，由于地面凹凸不平，一次作業后地面仍有大量殘膜遺留在地表，難以滿足殘膜回收要求[15-16]。作物收獲后當年使用后的殘膜附在地表，是殘膜回收的較佳時期。針對此時期的殘膜回收，本文設計了一種彈齒軌道式殘膜回收機，該機具作業時先將地表殘膜切成帶狀，然后逐次夾持回收，具有結構簡單、回收率高、回收殘膜含雜量低、容易脫膜、作業效率高和地面仿形好等優點。

1 整機結構與工作原理

1.1 結構組成

彈齒軌道式殘膜回收機主要由牽引裝置、牽引輪、機架、殘膜箱、地輪、清雜裝置、收膜裝置、限深裝置、脫膜裝置、清雜傳動系統、收膜傳動系統和脫膜傳動系統組成，如圖1所示(圖中箭頭表示各運動部件的轉動方向)。限深裝置由導軌支座、彈簧和連桿組成，脫膜裝置由脫膜輪軸和脫膜葉片組成，收膜裝置由起膜鏟、收膜輪、彈齒、彈齒卡槽、銷軸和殘膜輸送軌道組成。

1.2 工作原理及過程

彈齒軌道式殘膜回收機工作過程如下：拖拉機通過牽引裝置與本實用新型機具相聯，拖拉機動力輸出軸與本實用新型機具的清雜傳動系統和脫膜傳動系統相聯，組成作業機組。作業時，拖拉機動力輸出軸分別通過清雜傳動系統帶動清雜裝置工作，脫膜傳動系統帶動脫膜裝置工作，地輪通過收膜傳動系統帶動收膜裝置工作；清雜裝置先將地表膜上雜草和枝葉清掃到機具一側，隨著機具的前進，清掃過的地表殘膜被起膜鏟鏟起，并堆積在起膜鏟表面；隨收膜輪的轉動，彈齒將堆積的殘膜依次送入殘膜輸送軌道，當殘膜隨彈齒沿殘膜輸送軌道運動到殘膜輸送軌道上端時，彈齒從彈齒卡槽一側擺動到另一側，脫膜裝置中的脫膜葉片將彈齒頂端的殘膜脫落到殘膜箱內，完成殘膜回收作業。限深裝置可以通過彈簧的伸縮來調節起膜鏟的入土深度，彈齒做成擺動彈齒，目的是為了使機具脫膜容易，防止脫膜葉片脫膜時扎到彈齒上，影響機具的連續作業。

1.牽引裝置 2.脫膜傳動系統 3.機架 4.殘膜箱 5.脫膜輪軸 6.脫膜葉片 7.殘膜輸送軌道 8.彈齒 9.彈齒卡槽 10.銷軸 11.收膜輪 12.地輪 13.起膜鏟 14.連桿 15.導軌支座 16.彈簧 17.收膜傳動系統 18.清雜裝置 19.清雜傳動系統 20.牽引輪圖1 彈齒軌道式殘膜回收機結構示意Fig.1 Structure diagram of elastic tooth track type machine for recycling agricultural plastic film

1.3 主要技術指標

彈齒軌道式殘膜回收機主要技術參數如表1所示。

表1 彈齒軌道式殘膜回收機主要技術參數

2 試驗設備與方法

2.1 試驗條件

2016年10月10-25日，在石河子市農八師150團秋收后的棉田進行試驗。試驗田面積為100m×100m，地面平整度較好(有較淺的車轍)，屬栗鈣土；滴灌帶已經被回收，土壤平均含水率17.6%(0～20 cm 內)。棉花種植模式為：行距660mm，株距100mm，膜邊壓入土中70 mm；膜寬為2 050mm，厚度為0.01mm，膜中間覆有少量泥土；滴灌帶已被人工回收，棉稈已切碎，為減少試驗因素的影響，將切碎的棉稈以及雜草清理干凈。

2.2 試驗設備

試驗儀器: 卷尺( 0～50m) 、DT-1002A 電子秤(Max=1 000g，d= 0.01g)、數字式石英電子秒表( 0.000 1～99 999s)和相機。選用雷沃M800H - D 輪式拖拉機，標定功率60kW。

2.3 殘膜回收率測定

殘膜回收率是評價殘膜回收機具回收效果的重要指標。以殘膜回收率為評價指標，進行殘膜回 收試驗。試驗參考《GB/ 25412-2010殘膜回收機》規定進行設計，在樣機不同作業參數配置下選取試驗區17個行程作業行程進行試驗，每個行程選取5個測試點進行測試，每個測試點長度為10m。每個作業行程完成后，人工撿拾5個測試點內的未收起的殘膜，將殘膜清洗干凈并利用DT-1002A 電子秤(Max=1 000g，d= 0．01g)進行測量，計算5個測試點平均值質量記為M1，每個測試點的完整殘膜質量為M。

殘膜回收率計算公式為

(1)

式中η—地膜回收率(%)；

M—每個測試點的完整殘膜質量(g)；

M1—5個測試點平均值質量(g)。

2.4 殘膜回收率測定

選取樣機作業速度X1、軌道間距X2和脫膜輪轉速X3作為試驗因素，以殘膜回收率Y作為評價指標，根據彈齒軌道式殘膜回收機參數的要求，確定影響因素的取值范圍：樣機作業速度3～6km/h、軌道間距200～300mm、脫膜輪轉速220～280r/min。因素水平表如表2所示，應用Box-Behnken 法設計[17-18]的試驗方案及結果如表3所示。

表2 響應面因素水平編碼表

表3 Box-Behnken設計方案及試驗結果

續表3

3 結果與分析

3.1 統計分析結果

利用Design-Expert 8.050軟件進行相應曲面分析，建立了以殘膜回收率為響應指標的二次多元回歸方程，并對響應指標的3個影響因素進行顯著性檢驗與分析，得到響應曲面模型的方差分析結果如表4所示。

殘膜回收率的回歸方程為

Y=93.74-0.1X1-1.06X2+1.24X3-
0.12X1X2-0.37X1X3+0.2X2X3-
4.95X12-2.82X22-1.67X32

(2)

式中Y—地膜回收率(%)；

X1—樣機作業速度編碼值；

X2—軌道間距編碼值；

X3—脫膜輪轉速編碼值。

表4 回歸統計分析結果

P<0.01(極顯著，**)，P<0.05(顯著，*)。

由表4可以看出：該響應模型是極其顯著的(P<0.01)。其中，軌道間距(X2)、脫膜輪轉速(X3)、樣機作業速度二次項(X12)、軌道間距二次項(X22)、脫膜輪轉速二次項(X32)的P值均小于0.05，表明上述因素對殘膜回收率的影響顯著；其余各項的P值均大于0.05，對殘膜回收率的影響不顯著。根據模型中各因素顯著水平P值的大小，可以得到各因素的影響順序依次為：脫膜輪轉速(X3)、軌道間距(X2)、樣機作業速度(X1)。

3.2 殘膜回收率相應曲面分析

彈齒軌道式殘膜回收機作業速度X1、軌道間距X2和脫膜輪轉速X3對殘膜回收率Y交互作用的響應曲面圖如圖2所示。

圖2(a)中：在脫膜輪轉速為250r/min時，殘膜回收率隨作業速度、軌道間距的增大而呈現先增大后減小趨勢。機具作業速度越大，殘膜不易堵塞在收膜裝置中，殘膜越容易被彈齒回收；但作業速度過大會導致殘膜在回收過程中出現撕裂現象，從而影響殘膜回收率。

圖2(b)中：在軌道間距為250mm時，殘膜回收率隨作業速度、脫膜輪轉速的增加呈現先增大后減小趨勢。脫膜輪轉速越大，殘膜易被脫膜葉片拍落到殘膜箱，脫膜效果越好；但脫膜輪轉速過大會導致殘膜纏繞在脫膜輪上，影響機具的連續作業，降低殘膜回收率。

圖2(c)中：在機具作業速度為4.5km/h時，殘膜回收率隨軌道間距、脫膜輪轉速的增加呈現先增大后減小趨勢。軌道間距越大，條狀殘膜連成一片越容易回收；但過大會導致殘膜夾雜泥土及秸草增多，導致殘膜漏收，降低殘膜回收率。

(a) 作業速度和軌道間距對殘膜回收率的影響

(b) 作業速度和脫膜輪轉速對殘膜回收率的影響

(c) 軌道間距和脫膜輪轉速對殘膜回收率的影響圖2 交互因素對殘膜回收率的影響Fig.2 Effects of interactive factors on plastic film recycling rate

借助響應曲面優化模型與回歸方程，應用Design-Expert 8.050軟件中Optimization-Numerical 模塊對回歸方程模型進行該目標下優化求解，得到機具最優工作參數為：機具作業速度4.5km/h、軌道間距250mm、脫膜輪轉速250r/min時，殘膜回收率達到93.74%。為驗證模型的可靠性，在最優參數組合情況下進行了5次田間性能驗證試驗，平均殘膜回收率為91.63%。這表明響應曲面分析的實際值與優化值基本相符，建立的回歸模型是可靠的，具有一定的實用價值。

4 結論

1)介紹了彈齒軌道式殘膜回收機的結構以及工作原理。該機具結構簡單、工作可靠，能滿足殘膜回收機的作業要求。

2)通過試驗研究，確定了目標函數殘膜回收率與各試驗因素之間的關系，殘膜回收率隨各因素參數的增加呈現先增大后減小的趨勢，得出各因素對殘膜回收率的影響程度依次為脫膜輪轉速、軌道間距、樣機作業速度。

3)通過優化得出最優工作參數為：在機具作業速度4.5km/h、軌道間距250mm、脫膜輪轉速250r/min時，殘膜回收率達到93.74%。進行了田間驗證試驗，平均殘膜回收率為91.63%，表明響應曲面分析的實際值與優化值基本相符，建立的回歸模型是可靠的，具有一定的實用價值。

參考文獻：

[1] 何文清，嚴昌榮，趙彩霞，等.我國地膜應用污染現狀及其防治途徑研究[J].農業環境科學學報，2009，28(3)：533-538.

[2] 畢繼業，王秀芬，朱道林.地膜覆蓋對農作物產量的影[J].農業工程學報，2008，24(11)：172-175.

[3] 中華人民共和國國家統計局.2013 中國統計年鑒[M].北京：中國統計出版社，2013.

[4] 李斌，王吉奎，蔣蓓.新疆棉區殘膜污染及其治理技術[J].農機化研究，2012，34(5)：228-232.

[5] 王吉奎，付威，王衛兵，等. SMS-1500 型秸稈粉碎與殘膜回收機的設計[J].農業工程學報，2011，27(7)：168-172.

[6] 馬少輝，張學軍.廢膜收獲機的研究現狀和發展趨勢[J].農機化研究，2006(5)：37-38.

[7] 侯樹林，胡三媛，孔建銘，等.國內殘膜回收機研究的現狀[J].農業工程學報，2002，18(3)：186-190.

[8] 呂釗欽，張磊，張廣玲，等.鏈條導軌式地膜回收機的設計與試驗[J].農業工程學報，2015，31(18)：48-54.

[9] 閆盼盼，曹肆林，羅昕，等.彈齒鏈耙式播前殘膜回收機的設計研究[J].農機化研究，2016，38(6)：137-142.

[10] 段文獻，王吉奎，李陽，等.夾指鏈式殘膜回收裝置的設計及試驗[J].農業工程學報，2016，32(19)：35-42.

[11] 劉旋峰，郭兆峰，牛長河，等.基于SolidWorks 的殘膜清理滾筒的運動仿真[J].農機化研究，2015，37(6)：74-76.

[12] 孫興凍，陳玉龍，羅昕，等.針對秋后立稈模式的殘膜回收機的設計[J].農機化研究，2015,37(9)：73-76.

[13] 靳偉，張學軍，張朝書，等.釘刺式殘膜回收機凸輪機構的設計與分析[J].農機化研究，2014,36 (12)：140-143.

[14] 于云海，陳學庚，溫浩軍.秸稈粉碎與殘膜集條聯合作業機的研制與試驗[J].農業工程學報，2016，32(24)：1-8.

[15] 戴飛，趙武云，張鋒偉，等.玉米全膜雙壟溝殘膜回收機作業性能優化與試驗[J].農業工程學報，2016，32(18)：50-60.

[16] 穆道歡，楊宛章.殘膜回收機彈齒式撿拾機構的設計及試驗研究[J].農機化研究，2015，37(11)：91-94.

[17] 陳魁.實驗設計與分析[M].北京：清華大學出版社，2005.

[18] 徐中儒.回歸分析與試驗設計[M].北京：中國農業出版社，1998.