平作區棉稈粉碎與殘膜回收聯合作業機設計與試驗

王瑩瑩,康建明,郭振華,顏利民

(1.巴音郭楞職業技術學院,冶金與資源學院,新疆 庫爾勒 841000；2.山東省農業機械科學研究院，山東 濟南 250100)

地膜覆蓋栽培具有增溫保墑、抑制雜草生長、提高作物產量的功能[1-3]。農用地膜的主要成分是聚烯烴類化合物[4]，極難降解。由于每年使用的地膜未能得到及時回收，致使土壤中的殘碎地膜沉積量增大，嚴重阻礙了作物根系對水肥的吸收和自身的生長發育。地膜覆蓋栽培技術在給農業帶來顯著經濟效益的同時，也給土壤帶來了嚴重的污染[5-7]。

機械化殘膜回收是解決殘膜污染問題的有效手段，殘膜按回收時間不同可分為：苗期收膜、播前收膜和秋后收膜[8]。新疆膜下滴灌技術的大面積推廣使用，已無法實現苗期收膜。新疆氣候原因導致播種期短，播前收膜也僅僅起到輔助作用。棉花收獲后地膜較為完整，強度相對較高，是機械化收膜的最佳時期[8]。目前已經研制出秸稈粉碎還田與殘膜回收聯合作業機、立桿式殘膜回收機等多種機型。其中王吉奎等[9-11]將錘片式棉秸稈粉碎裝置與刮板式輸送裝置相結合，設計了秸稈粉碎與殘膜回收聯合作業機，并采用氣力脫膜裝置脫膜，提高了脫膜的可靠性；胡斌等[12-13]針對秋后立稈模式回收地膜時存在的對行性差、對地仿形差及邊膜難以摟起問題，提出利用復合四桿機構的三維動作來實現對行和仿形。李亞麗等[14]針對現有偏心伸縮桿式殘膜回收機存在回收率差、適應性差等問題，設計了一種錐形挑卷膜裝置。以上研究取得了一定的效果，但仍然存在殘膜回收率低，可靠性差等問題。

針對以上問題，本文研究設計了4JSM-200型秸稈粉碎與殘膜回收聯合作業機，對秸稈粉碎、起膜、輸膜過程進行分析，并對整機的工作性能進行田間試驗研究，以期獲得較合理的作業速度、起膜鏟入土角度和殘膜輸送鏈轉速，進而提高4JSM-200型秸稈粉碎與殘膜回收聯合作業機的各項性能指標。

1 整機結構、工作原理及主要技術參數

1.1 整機結構

4JSM-200型秸稈粉碎與殘膜回收聯合作業機主要由機架、秸稈粉碎裝置、秸稈輸送裝置、起膜機構、殘膜撿拾裝置、集膜箱等組成，整機結構如圖1所示。

1.2 工作原理

整機通過三點懸掛方式與拖拉機掛接，拖拉機動力輸出軸將動力傳遞至秸稈粉碎和殘膜撿拾裝置。作業時，秸稈粉碎裝置中的刀片高速旋轉，將秸稈打碎，在秸稈刮板的作用下落入秸稈輸送帆布的凹槽，沿著尾部導向帆布落向地表；起膜鏟將殘膜托起，并在撿拾彈齒作用下向后輸送，在脫膜機構的作用下落入膜箱。

1.3 主要技術參數

新疆棉田多為機采棉模式，種植模式為66 cm+10 cm，地膜寬度205 cm。秋季棉花收獲后，邊膜和10 cm窄行間殘膜埋在土壤中，風化程度較小，呈大片、長條狀殘留于土壤中，66 cm寬行間大部分殘膜裸露在地表，該機可一次性完成秸稈粉碎和殘膜回收，主要技術參數如表1所示。

2 整機關鍵部件設計及運動分析

2.1 秸稈粉碎還田裝置

秸稈粉碎還田裝置主要由刀軸、刀片和擋板等組成。刀片排布如圖2所示。

秸稈粉碎裝置工作時，甩刀繞刀軸高速旋轉，在離心力的作用下，甩刀近似處于徑向射線位置，與刀輥形成一個旋轉整體，其受力分析如圖3所示。

1.邊膜鏟；2.秸稈粉碎裝置；3.秸稈輸送裝置；4.殘膜撿拾裝置；5.起膜機構；6.集膜箱；7.運輸輪1. Edge membrane shovel；2. Stalk crusher；3. Stalk conveying device；4. Residual film picking device；5. Loosen shovel；6. Storage box；7. Road wheel圖1 4JSM-200型秸稈粉碎與殘膜回收聯合作業機Fig.1 4JSM-200 combined equipment for choppingcotton stalk and collecting plastic film

項目Item數值Parameter項目Item數值Parameter外形尺寸(長、寬、高)/mmOverall dimensions(L×W×H)4300×2800×2200作業幅寬/mmWorking width2000配套動力/kWSupporting power90膜箱體積/m3 Membranetank volume1.5作業行數Operatingwidth (rows)6適宜行距/mmSuitablewidth(row)660+100結構質量/kgStructural mass2600作業速度/(km·h-1)Operation speed5～7

1.刀軸；2.刀片1. Cutter shaft；2. Blade 圖2 刀片排列示意圖Fig.2 Array of cutters

圖3 甩刀受力分析圖Fig.3 Cutter blade force analysis

忽略銷軸對甩刀的摩擦力矩，由圖3可知：

L4=L2cosθ

(1)

(2)

甩刀上相對于銷軸中心的力矩平衡方程為

(3)

整理得

(4)

式中，L1為刀軸中心到甩刀中心的距離(mm)；θ為甩刀工作時的偏轉角(°)；L1為刀軸中心到銷軸中心的距離(mm)；L2為銷軸中心到甩刀端部的距離(mm)；L3為銷軸中心到甩刀中心的距離(mm)；L4為甩刀端點到銷軸中心距離(mm)；ω1為刀軸角速度(rad)；F為甩刀切割阻力(N)；m為甩刀質量(kg)。

有一定剛度的莖稈無支撐切割最小速度為48 m·s-1，刀軸的轉速根據下式確定：

(5)

前期預試驗得出，n3<1 800 r·min-1時，棉秸稈不能充分粉碎，達不到秸稈還田農藝要求，n3>2 200 r·min-1時，秸稈粉碎達到國家標準，但功耗增加，根據整機傳動配置，本設計確定合適的刀軸轉速為2 000 r·min-1。

2.2 起膜裝置

2.2.1 起膜鏟導曲線的設計 為使起膜鏟上盡可能多地積累殘膜并且使殘膜在機具前進過程中能平穩地向上向后滑移，在起膜鏟表面設計一段拋物線狀的導曲面，其輪廓曲線如圖4中曲線AB所示。導曲面的輪廓曲線直接影響殘膜在起膜鏟上的累積量和滑移程度，拋物線形導曲線的尺寸和形狀可以由以下參數來確定：

圖4 起膜鏟輪廓曲線圖Fig.4 Contour curve of lifting shovel

以起膜鏟鏟尖建立直角坐標系OXY，導曲線拋物線部分的高度h1及開度L6為：

(6)

則A點坐標為(L5-Scosa，h-Ssina)，B點坐標為(L5，h)，起膜鏟導曲線方程為：

(7)

其中，

m=h1-L6tanan=h1tana+L6

式中，h1為曲線輪廓垂直距離(mm)；L6為曲線輪廓水平距離(mm)；h為起膜鏟垂直距離(mm)；L5為起膜鏟水平距離(mm)；a為起膜鏟入土角(°)；S為起膜鏟鏟尖長度(mm)。

式(7)即為導曲線的拋物線部分方程式，導曲線的形狀與a、L6、h1有關，根據整機設計空間結構要求，L6=300 mm，h1=120 mm，入土角a直接影響導曲面曲線形狀，將通過試驗對其參數值進行確定。

2.3 殘膜撿拾裝置

殘膜撿拾裝置由撿拾彈齒、殘膜輸送鏈、托膜桿等組成。工作時隨著主動鏈輪的轉動，撿拾彈齒將起膜裝置上的殘膜叉起，輸送至卸膜裝置處。其結構如圖5所示。

殘膜被起膜鏟挑起后，堆積滯留在直線l1所在的位置。撿拾彈齒在起膜鏟縫隙中劃過的長度由下式得出[16]：

Ff=ndqgμcosψ+ndq0(μvcosψ+sinψ)

(8)

式中，Ff為工作行程的阻力(N)；n為刮板個數(個)；q為物料單位長度平均質量(kg·m-1)；q0為刮板組單位長度平均質量(kg·m-1)；d為刮板間距(m)；μ為物料運動阻力系數；μv為刮板運動阻力系數；ψ為工作傾角(°)。

殘膜輸送鏈轉速的確定必須能夠保證粉碎后的棉秸稈及時可靠地輸送到尾板處，經多次試驗，在輸送鏈輪轉速n1=120 r·min-1時，殘膜未出現大量積聚，能順利輸送到尾板，表明該裝置工作性可靠。在實際工作過程中，輸送鏈輪轉速可適當提高，取n1=80～120 r·min-1。

3 田間試驗

3.1 試驗條件

試驗地點為石河子市145團3連機采棉種植模式棉田，地表平整，土壤類型為沙壤土。棉花行距采用寬窄行模式配置，行距66+10 cm，株距10 cm，棉稈高度50～70 cm，棉稈平均直徑11.51 mm，地膜幅寬205 cm，地膜厚度0.008 mm，地膜兩邊壓入土中，膜中間有部分覆土，有少量破損，機具作業速度為5～7 km·h-1，配套動力為福田904輪式拖拉機。田間試驗照片如圖6所示。

3.2 試驗方案

1.機架;2.撿拾彈齒;3.脫膜桿;4.輸送鏈;5.傳動輪1. Racks;2. Elastic claw;3. Stripping pole;4. Conveying chain;5. Driving wheel圖5 殘膜撿拾裝置示意圖Fig.5 Schematic diagram of residualfilm collector device

圖6 田間試驗Fig.6 Field test

前期預試驗及室內試驗表明，前進速度、起膜鏟入土角、殘膜輸送鏈轉速3個試驗因素對秸稈粉碎質量及殘膜回收率有較大影響，但其交互作用影響卻不大，可以忽略，因此以這3個因素進行3因素3水平正交試驗，研究這3個因素對秸稈粉碎合格率和殘膜回收率的影響。試驗中每50 m為一組，每組重復3次，分別測試秸稈粉碎合格率和殘膜回收率的平均值，試驗因素及水平如表2所示，試驗方案及結果如表3所示。

3.3 數據處理

試驗數據采用采用SPSS軟件進行數據處理和統計分析。

3.3.1 各因素對樣機性能指標的影響 試驗結果和極差分析見表3。極差分析表明：秸稈粉碎合格率各試驗因素水平的較優組合為v1a3n1，因素主次作用順序為前進速度>入土角度>輸送鏈轉速；殘膜回收率各試驗因素水平的較優組合為v1a1n2，因素主次作用順序為入土角度>輸送鏈轉速>前進速度。

樣機性能指標方差分析見表4，結果表明：對于秸稈粉碎合格率在95%的置信度下，前進速度影響非常顯著，輸送鏈轉速影響顯著，入土角影響不顯著。對于殘膜回收率、入土角和輸送鏈轉速影響非常顯著，前進速度影響較顯著。

3.3.2 各因素的綜合優化 本試驗以秸稈粉碎合格率Y1、殘膜回收率Y2為評價樣機作業質量的兩個指標，通過上述試驗分析可知，前進速度、入土角度和輸送鏈轉速對2個性能指標的影響程度各不相同，為分析各因素對整機作業質量的綜合影響效果，本文提出應用模糊綜合評分法對正交試驗結果進行綜合優化，找出最佳參數組合。首先分別建立2個指標隸屬度模型，如式(9)所示，得出各指標每次試驗的隸屬度值(見表5)，由隸屬度值構成模糊關系矩陣Rr如式(10)。

(9)

(10)

式中，rin為指標Yi的第n次試驗獲得的隸屬度值；Yimax為指標Yi的最大值；Yimin為指標Yi的最小值；Yin為指標Yi的第n次試驗的隸屬度值；Rr為由r1n、r2n構成的模糊關系矩陣[17]。

根據秸稈粉碎與殘膜回收2個性能指標的重要性，確定本試驗權重分配集P=[0.5，0.5]，即秸稈粉碎合格率和殘膜回收率的權重分別為0.5，0.5。由模糊矩陣Rr與權重分配集P確定模糊綜合評價值

表2 試驗因素及水平

表3 試驗方案與結果

表4 樣機性能指標方差分析

注：P<0.01，表明因素極顯著，記為**；0.01≤P≤0.05，表明因素顯著，記為*。

Note:P<0.01 indicates highly significant factors and is denoted as **; 0.01≤P≤0.05 indicates that the factor is significant and is denoted as *.

集W，其中W=P×Rr，綜合評分結果見表5，將綜合評分結果進行極差分析(見表6)，分析結果表明，綜合影響整機作業性能指標的主次因素為：a>v>n，最優參數組合為a2v2n3，即入土角30°，前進速度5.5 km·h-1，殘膜回收鏈轉速120 r·min-1。綜合評分方差分析見表7，結果表明：在95%置信度下，入土角、前進速度對整機作業性能指標有極顯著影響，殘膜回收鏈轉速影響較小。

3.3.3 試驗驗證 為了驗證最優組合方案，確保優選前后整機性能在試驗指標(秸稈粉碎合格率、殘膜回收率)上具有可比性，故進行驗證試驗，選取起膜鏟入土角30°，機具前進速度5.5 km·h-1，殘膜回收鏈轉速120 r·min-1。試驗結果表明，優選后的秸稈粉碎合格率為91.5%，殘膜回收率為85.7%。優選后的作業性能指標優于其它參數組合下的祖業指標，能滿足國家行業標準要求。

表5 綜合評分結果

表6 綜合評分極差分析

4 討 論

新疆棉花90%以上采用覆膜播種，地膜在提高棉花產量的同時也給土地帶來了嚴重的白色污染，本研究設計的秸稈粉碎與殘膜回收聯合作業機，可一次性完成秸稈粉碎和殘膜回收，大大提高了工作效率，節約農時。

從極差分析可知，前進速度對秸稈粉碎合格率的影響較大，前進速度越小，秸稈粉碎合格率越高；而前進速度對殘膜回收率的影響最小，前進速度越小，殘膜回收率越高。但前進速度越小，生產率越低。因此在保證秸稈粉碎合格率和殘膜回收率的條件下，盡可能提高前進速度，進而提高生產率。入土角和殘膜輸送鏈轉速對殘膜回收率有較大影響，對秸稈粉碎合格率影響較小，作業時可選取優化后的參數值，保證較高的殘膜回收率。

本試驗選用的地塊為機采棉模式，行距66+10 cm，株距10 cm，膜寬205 cm，優化后的參數在此條件下獲得。對于非機采棉模式地塊，行/株距、膜寬各異，優化后的參數是否能獲得較優的性能指標，還有待進一步研究。

5 結 論

1)本文設計的秸稈粉碎和殘膜回收聯合作業機，主要適用于新疆膜下滴管機采棉模式種植的棉田，可一次性完成秸稈粉碎和殘膜回收，整機運行狀態良好，滿足秸稈粉碎還田與殘膜回收的技術要求。

2)理論分析了秸稈粉碎和殘膜回收機理，確定了秸稈粉碎刀軸轉速和起膜鏟導曲線方程。正交試驗獲得了影響秸稈粉碎合格率的因素主次順序為：前進速度>入土角度>輸送鏈轉速，影響殘膜回收率的因素主次順序為入土角度>輸送鏈轉速>前進速度。

表7 綜合評分極差分析

3)應用模糊綜合評分法確定影響整機作業質量的主次因素順序為：入土角>前進速度>殘膜輸送鏈轉速，其優選參數組合為起膜鏟入土角30°，機具前進速度5.5 km·h-1，殘膜回收鏈轉速120 r·min-1。試驗結果表明，優選后的秸稈粉碎合格率為91.5%，殘膜回收率為85.7%，能滿足國家行業標準要求。