鏈齒式殘膜回收機(jī)撿拾機(jī)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化及試驗(yàn)

白圣賀，張學(xué)軍，靳 偉，方 旭，羅 凱，韋忠正

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，烏魯木齊 830052；2.濟(jì)南技師學(xué)院，濟(jì)南 250001)

0 引言

20世紀(jì)50年代開始，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)已經(jīng)運(yùn)用了地膜覆蓋技術(shù)，因?yàn)樗粌H具有改善環(huán)境，保持水分，提高土壤溫度的功能，還可以提高糧食的產(chǎn)量，因此在全世界得到了廣泛的推廣應(yīng)用。由于地膜的優(yōu)異特性，農(nóng)民大量使用地膜，最終導(dǎo)致了土地的一系列問題，殘膜的處理也變得十分重要。20世紀(jì)70年代初，我國已經(jīng)開始把地膜覆蓋技術(shù)運(yùn)用在農(nóng)作物上，并且應(yīng)用的品種越來越多，薄膜的使用率也不斷增加[1-5]。

目前，在使用地膜覆蓋技術(shù)時(shí)，只考慮了給農(nóng)業(yè)帶來巨大發(fā)展的方面，忽略了使用過的地膜沒有被及時(shí)完整地回收，長時(shí)間存在土壤里，逐年積累，導(dǎo)致大面積的耕地遭到嚴(yán)重地破壞，甚至在許多地區(qū)形成了“白色污染”[6-10]等問題。由于技術(shù)缺乏加上基本國情限制，可降解地膜很難在短時(shí)間內(nèi)代替塑料地膜而得到廣泛的推廣和使用，加上殘膜回收機(jī)的成本高，對(duì)殘膜回收機(jī)的研發(fā)技術(shù)缺乏，與收膜有關(guān)的問題還沒有得到進(jìn)一步的解決。為此，設(shè)計(jì)了一種鏈齒式殘膜回收機(jī)，工作性能良好，成本較低，滿足農(nóng)民的需求，促進(jìn)了農(nóng)業(yè)的發(fā)展。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 工作原理與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

鏈齒式殘膜回收機(jī)結(jié)構(gòu)主要由牽引架、入土起膜鏟、撿拾裝置、卸膜板、集膜箱、傳動(dòng)系統(tǒng)及機(jī)架等組成，如圖1所示。

整個(gè)機(jī)具通過牽引架與拖拉機(jī)連接，動(dòng)力后輸出軸通過花鍵與減速箱輸入軸相連接，在拖拉機(jī)的牽引作用下向前行進(jìn)。行進(jìn)過程中，入土裝置可深入耕層150mm以下對(duì)殘膜進(jìn)行回收，且入土裝置可以調(diào)節(jié)入土深度，入土起膜鏟通過緊定螺釘安裝在入土器板上。工作時(shí)，入土起膜器把地表以下殘膜回收到地表上，由撿拾裝置中的鏈軸作為動(dòng)力輸出軸，鏈軸帶動(dòng)撿拾裝置上的彈齒把殘膜進(jìn)行挑起，然后把撿拾的殘膜輸送到卸膜裝置，進(jìn)行卸膜，回收到集膜箱中。在拖拉機(jī)不斷行進(jìn)的過程中，機(jī)構(gòu)不斷重復(fù)這個(gè)過程，實(shí)現(xiàn)地表殘膜連續(xù)回收。

1.2 主要技術(shù)指標(biāo)

表1所示為鏈齒式殘膜回收機(jī)主要的工作性能技術(shù)參數(shù)。

2 試驗(yàn)設(shè)備與方法

2.1 試驗(yàn)地點(diǎn)

試驗(yàn)地點(diǎn)選在耕后播前的棉花地，如圖2所示。在新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)農(nóng)一師六團(tuán)，該地土壤類型為沙性土，地面比較平整且棉花秸稈已回收。試驗(yàn)對(duì)象為耕后播前的耕層內(nèi)的殘膜，覆膜寬度680mm，厚度0.008mm。

1.限深輪 2.牽引架 3.傳動(dòng)系統(tǒng) 4.支撐裝置 5.機(jī)架 6.彈齒 7.鏈桿 8.傳動(dòng)軸 9.卸膜板 10.集膜箱 11.后輪 12.抖動(dòng)裝置 13.上托輥 14.下托輥 15.從動(dòng)輥 16.撥秧輥 17.入土起膜鏟

表1 鏈齒式殘膜回收機(jī)的主要工作性能技術(shù)參數(shù)

圖2 試驗(yàn)地點(diǎn)

2.2 試驗(yàn)設(shè)備

主要儀器設(shè)備有約翰迪爾-754型(56kW)收膜機(jī)、OHAUS CP3102電子秤(精度0.01g)、鐵鍬、相機(jī)、卷尺(0～100cm)、若干紙筆和塑料袋。

2.3 試驗(yàn)指標(biāo)

殘膜撿拾率J1直接決定鏈齒式殘膜撿拾機(jī)撿拾裝置的整體工作性能的主要因素，其計(jì)算公式為

(1)

式中M1—試驗(yàn)100m長度時(shí)膜箱中殘膜的質(zhì)量，單位為(g)；

M2—試驗(yàn)100m長度時(shí)散落到地表的殘膜質(zhì)量(g)；

M3—試驗(yàn)100m長度時(shí)纏繞在撿拾裝置上的殘膜質(zhì)量(g)；

M4—試驗(yàn)100m長度時(shí)纏繞在土膜分離裝置上的殘膜質(zhì)量(g)。

2.4 試驗(yàn)因素

根據(jù)殘膜回收機(jī)的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工作原理、撿拾裝置的設(shè)計(jì)與分析、田間的試驗(yàn)結(jié)果，可以初步確定試驗(yàn)因素為撿拾轉(zhuǎn)速A、入土深度B、撿拾齒軸向間距C、撿拾齒軸向間距D，把殘膜撿拾率Y作為響應(yīng)值，確定試驗(yàn)因素的取值范圍：撿拾轉(zhuǎn)速70～100r/min，入土深度130～160mm，撿拾齒周向間距75～105mm，撿拾齒軸向間距15～45mm。采用Box-Behnken方法設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案，進(jìn)行四因素四水平響應(yīng)面分析試驗(yàn)，一共有29個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)。具體的響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案和試驗(yàn)結(jié)果如表2和表3所示。

表2 響應(yīng)面因素水平編碼表

表3 Box-Behnken設(shè)計(jì)方案及試驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)果與分析

3.1 回歸方差分析

運(yùn)用Design-Expert 8.060軟件進(jìn)行響應(yīng)面分析，建立了以殘膜撿拾率Y為響應(yīng)值的多元二次回歸方程。同時(shí)，對(duì)響應(yīng)指標(biāo)的4個(gè)因素進(jìn)行了顯著性分析與檢驗(yàn)，得到了響應(yīng)面模型的方差分析結(jié)果，如表4所示[11]。

殘膜撿拾率的回歸方程為

Y=+89.60+6.17A+0.42B+1.17C+1.25D-

2.00AB+0.50AC+1.00AD+0.00BC-

0.25BD-1.50CD-7.92A2-3.80B2-

3.93C2-4.80D2

(2)

式中Y—?dú)埬焓奥?%)；

A—撿拾轉(zhuǎn)速(r/min)；

B—入土深度(mm)；

C—撿拾齒周向間距(mm)；

D—撿拾齒軸向間距(mm)。

表4 回歸方差分析結(jié)果

由表4可知，該響應(yīng)模型是極其顯著的(P<0.000 1)、失擬性(P>0.000 1)。其中，A撿拾轉(zhuǎn)速、C撿拾齒周向間距、D撿拾齒周向間距、AB撿拾轉(zhuǎn)速與入土深度的交互、A2撿拾轉(zhuǎn)速二次項(xiàng)、B2入土深度二次項(xiàng)、C2撿拾齒周向間距二次項(xiàng)、D2撿拾齒軸向間距二次項(xiàng)的P<0.05，因此上述因素對(duì)殘膜撿拾率影響顯著。根據(jù)模型中各因素顯著水平P值的大小，可以得到影響撿拾率大小的順序?yàn)锳>D>C>B。

3.2 響應(yīng)面優(yōu)化分析

鏈齒式殘膜回收機(jī)中，撿拾裝置撿拾轉(zhuǎn)速A、入土深度B、撿拾齒周向間距C、撿拾齒軸向間距D之間的交互作用對(duì)撿拾率Y的響應(yīng)曲面圖如圖3所示[12]。

借助響應(yīng)面優(yōu)化模型和回歸方程，運(yùn)用Design-Expert軟件中的Optimization-Numerical模塊對(duì)回歸方程模型進(jìn)行該目標(biāo)下的優(yōu)化分解，得到機(jī)具的最優(yōu)工作參數(shù)為：當(dāng)撿拾轉(zhuǎn)速91.41r/min、入土深度143.48mm、撿拾齒周向間距91.49mm、撿拾齒軸向間距32.31mm時(shí)，殘膜的撿拾率達(dá)到91.02%，與進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)的實(shí)際值相接近，基本相互符合。這表明，響應(yīng)面分析的實(shí)際值與進(jìn)行的優(yōu)化值誤差很小，建立的回歸方程模型是可靠的，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

圖3 響應(yīng)曲面優(yōu)化圖

4 結(jié)論

1)介紹了該鏈齒式殘膜回收機(jī)的整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理，進(jìn)行了撿拾裝置的優(yōu)化試驗(yàn)設(shè)計(jì)。結(jié)果表明：該機(jī)具工作性能良好，撿拾效率較高，滿足殘膜作業(yè)要求。

2)通過回歸方差分析，得到了響應(yīng)值與各個(gè)因素之間的方程關(guān)系及各個(gè)因素對(duì)撿拾率的影響程度大小依次為：撿拾轉(zhuǎn)速>撿拾齒軸向間距>撿拾齒周向間距>入土深度。

3)運(yùn)用Design-expert軟件，采用Box-Benhnken設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案，對(duì)撿拾轉(zhuǎn)速、入土深度、撿拾齒周向間距及撿拾齒軸向間距進(jìn)行回歸方差分析，并建立響應(yīng)曲面優(yōu)化模型，得到最優(yōu)化參數(shù)：當(dāng)撿拾轉(zhuǎn)速91.41r/min、入土深度143.48mm、撿拾齒周向間距91.49mm、撿拾齒軸向間距32.31mm時(shí)，殘膜的撿拾率達(dá)到91.02%。其相對(duì)誤差較小，模型比較可靠。