農(nóng)田殘膜機(jī)械回收膜土分離裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

胡廣發(fā), 全臘珍, 鄒運(yùn)梅, 沈徽, 匡新鵬, 黃從輝

(湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院， 湖南省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備工程技術(shù)研究中心， 長(zhǎng)沙 410128)

地膜覆蓋種植能創(chuàng)造良好的生長(zhǎng)條件，具有抑制雜草生長(zhǎng)、保墑保溫、提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)等作用，創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟(jì)效益，但隨著地膜使用量增大，農(nóng)田殘膜污染問(wèn)題日益突出[1-4]，機(jī)械回收殘膜是解決農(nóng)田殘膜污染的主要途徑。目前，殘膜回收機(jī)按回收時(shí)間分為苗期、播前和秋后3種類(lèi)型，我國(guó)現(xiàn)階段研制的機(jī)具80% 屬于秋后殘膜回收類(lèi)型，典型的機(jī)具種類(lèi)有耙齒式、齒鏈?zhǔn)健㈢P鏈?zhǔn)胶顽P篩組合式[5-9]。羅凱等[10]設(shè)計(jì)了一種鏈篩式耕層殘膜回收機(jī)，鏈齒機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)抖動(dòng)分離并撿拾較大的耕層殘膜，振動(dòng)機(jī)構(gòu)將經(jīng)過(guò)撿拾分離的土膜混合物進(jìn)行二次分離篩選并送至膜箱，但該機(jī)主要針對(duì)新疆地區(qū)及北方多數(shù)干旱、半干旱和半濕潤(rùn)地區(qū)，其中提及到殘膜膜雜、分離困難問(wèn)題。顧滿等[11]采用網(wǎng)鏈?zhǔn)交厥辗绞綄?duì)膜土運(yùn)輸與分離進(jìn)行試驗(yàn)與分析，該機(jī)通過(guò)二級(jí)網(wǎng)鏈、碎土輥、抖土輥共同作用分離膜與土，針對(duì)沙土壟作花生作業(yè)取得較好試驗(yàn)效果。因北方較為干旱，地膜覆蓋技術(shù)相對(duì)于南方起步較早，隨著技術(shù)的推廣，南方也逐漸使用地膜覆蓋。蔡金洲等[12]調(diào)查發(fā)現(xiàn)，南方地區(qū)地膜使用量和地膜覆蓋面積都呈現(xiàn)逐年增加的趨勢(shì)，地膜覆蓋面積占耕地總面積的比例也表現(xiàn)出增加趨勢(shì)，覆膜作物平均覆膜比例74%，又因南方土壤特性與北方土壤有所不同，北方多為砂性土壤，而南方多為粘性土壤，目前，現(xiàn)有機(jī)型多用于北方農(nóng)田殘膜回收，針對(duì)南方粘性土壤作業(yè)條件下膜土分離困難，收膜效果不佳，還需要進(jìn)一步研究。

針對(duì)南方農(nóng)田殘膜回收機(jī)械膜土分離困難的問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種膜土分離裝置。研究表明，南方壟作鋪設(shè)的地膜上表層土壤因受光照、風(fēng)蝕等外界條件影響土壤容易板結(jié)成塊，但其含水率較低土壤粘性小且板結(jié)的土壤較脆強(qiáng)度較弱，對(duì)板結(jié)的土塊進(jìn)行破碎可在挑膜過(guò)程中使土壤沿殘膜表面滑落，而膜下土壤因地膜覆蓋土壤含水高，土壤粘性較強(qiáng)，需要相對(duì)較大的剪切作用才能將土壤與殘膜分離。因此，以纏膜率和含土率為目標(biāo)，建立三因素三水平二次回歸模型，經(jīng)優(yōu)化求解，確定該裝置的最佳參數(shù)組合，為后續(xù)殘膜回收機(jī)膜土分離裝置的設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 殘膜回收機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架組成

殘膜回收機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架主要由機(jī)架、傳動(dòng)鏈組、碎土裝置、起膜裝置、膜土分離裝置、輸膜裝置、行走輪和集膜箱組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 膜土分離裝置設(shè)計(jì)與分析

膜土分離裝置主要包括機(jī)架、滾筒、挑膜彈齒、凸輪壓板機(jī)構(gòu)等，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.2.1膜土分離裝置工作原理 挑膜彈齒通過(guò)固定套安裝在軸Ⅰ上，且安裝位置與滾筒交錯(cuò)等距安裝，如圖3所示。機(jī)具在前進(jìn)過(guò)程中，殘膜被起膜裝置抬升到一定高度后與挑膜彈齒齒尖接觸，此時(shí)挑膜彈齒會(huì)將殘膜“扎”起并向后運(yùn)輸，同時(shí)使殘膜上表層土壤沿殘膜表面脫落；當(dāng)挑膜彈齒旋轉(zhuǎn)到接觸凸輪壓板機(jī)構(gòu)中的下壓板時(shí)，挑膜彈齒受壓變形(折彎)，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，挑膜彈齒旋轉(zhuǎn)到豎直方向，此時(shí)挑膜彈齒達(dá)到最大變形量，折彎長(zhǎng)度與豎直方向呈90°時(shí)，殘膜會(huì)被壓于滾筒與壓板之間， 而下壓板壓住殘膜后凸輪處于遠(yuǎn)休程階段，下壓板會(huì)持續(xù)壓住殘膜，滾筒在鏈輪帶動(dòng)下旋轉(zhuǎn)，使殘膜膜下受到滾筒提供的剪切磨削力，可以將粘附力很強(qiáng)的土壤從殘膜下表面剪切脫落；當(dāng)凸輪在回程階段時(shí)，下壓板與滾筒分開(kāi)，此時(shí)下壓板不提供壓持作用，滾筒旋轉(zhuǎn)使殘膜向后運(yùn)輸。

1.2.2膜土分離裝置結(jié)構(gòu) 膜土分離裝置下半部分由三排滾筒和挑膜彈齒構(gòu)成；根據(jù)壟作種植要求，壟面的寬度因地力、品種和膜面而定，其中壟溝寬300～400 mm，壟面寬500～800 mm[13]；根據(jù)前期測(cè)量得出，南方壟作種植壟距多在700～900 mm之間，因此取作業(yè)幅寬取平均值L為800 mm。據(jù)調(diào)查，壟作種植鋪設(shè)的地膜被撕裂的塊狀殘膜一般寬度都大于110 mm，因此取兩滾筒之間距離l1為108 mm，而挑膜彈齒安裝在第一排滾筒軸上的兩滾筒中間，因此兩挑膜彈齒距離l2也為108 mm；為了使殘膜膜膜分離徹底，每排滾筒之間等距交錯(cuò)布置，滾筒形狀呈工字形，中間間隙便于土壤掉落，滾筒安裝布置如圖3所示; 挑膜彈齒是膜土分離裝置的重要組成部分，主要作用是把輸送到起膜裝置上的殘膜拾起，并去除殘膜上表面松動(dòng)的土壤，其中安裝位置在兩滾筒之間，兩挑膜組件之間距離l2為108 mm。

膜土分離裝置上半部分主要是凸輪壓板機(jī)構(gòu)，為了減少凸輪在運(yùn)行時(shí)的沖擊，采用左右對(duì)稱(chēng)兩凸輪驅(qū)動(dòng)下壓板運(yùn)行。凸輪壓板機(jī)構(gòu)中的上固定板與機(jī)架連接，下壓板通過(guò)4根拉伸彈簧與上固定板連接，由凸輪驅(qū)動(dòng)使下壓板做上下周期運(yùn)動(dòng)，上固定板與下壓板之間有4根卸膜桿，其主要作用是防止殘膜粘附在下壓板上造成殘膜運(yùn)輸不通暢，當(dāng)下壓板上升時(shí)，卸膜桿插入下壓板中的孔，把殘膜與下壓板分開(kāi)，使殘膜掉落在滾筒上，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

1.2.3挑膜彈齒撿拾殘膜過(guò)程分析 挑膜彈齒的主要作用是將殘膜拾起并輸送到滾筒上，同時(shí)將殘膜上表層土壤拋落，其中機(jī)具前進(jìn)速度和挑膜轉(zhuǎn)速對(duì)拾膜效果有很大影響，機(jī)具前進(jìn)速度塊，膜土分離效果差；機(jī)具速度慢，工作效率低；轉(zhuǎn)速過(guò)快，殘膜易被撕破，破碎后的殘膜不利于膜土分離；而轉(zhuǎn)速過(guò)慢，殘膜表層土壤不易掉落，上表層土壤難以去除。因此，對(duì)機(jī)具前進(jìn)速度和挑膜彈齒進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析以確定最佳范圍，保證殘膜能夠順利拾起的同時(shí)也能去除殘膜上表面的土壤。挑膜彈齒旋轉(zhuǎn)一周齒尖運(yùn)動(dòng)分為三個(gè)階段：一是在θ1角內(nèi)彈齒齒尖無(wú)殘膜運(yùn)動(dòng)；二是在θ2角內(nèi)彈齒拾起殘膜運(yùn)動(dòng)；三是在θ3角內(nèi)彈齒齒尖與壓板機(jī)構(gòu)中的下壓板接觸，彈齒受壓變形。以軸心O點(diǎn)為圓心，機(jī)具前進(jìn)方向?yàn)閤軸，垂直方向?yàn)閥軸，建立xoy坐標(biāo)系，如圖5所示。

(1)

式中，R2為挑膜彈齒第三階段折彎后的有效半徑，m。

對(duì)式(1)求導(dǎo)得出彈齒齒尖在θ3角內(nèi)的速度方程。

(2)

當(dāng)v-ωR2sinωt= 0時(shí)，v與R2關(guān)系如下。

(3)

通過(guò)圖5可知，下壓板下行Δh1距離后，根據(jù)幾何關(guān)系可以計(jì)算得到有效半徑R2。

(4)

式中，Δh2為下壓板與軸Ⅰ距離；θ4為挑膜彈齒有效半徑與水平軸的夾角；v為機(jī)具前進(jìn)速度，m·s-1；ω為挑膜轉(zhuǎn)速，rad·s-1；v1為壓板下行速度, m·s-1； Δt為下壓板下壓時(shí)間，s；r1為滾筒半徑，m；H為下壓板最大行程，m。

將式(4)代入式(3)整理后得式(5)，可以看出，機(jī)具的前進(jìn)速度與挑膜轉(zhuǎn)速、滾筒半徑、壓板行程和壓板下行速度有關(guān)。

v=ω(r1+H-v1Δt)

(5)

殘膜被起膜裝置中的起膜鏟抬升一定高度后到達(dá)OA位置時(shí)，挑膜彈齒 “扎”入殘膜后，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間達(dá)到O′B位置，受力分析如圖5所示。殘膜在挑膜齒上受力平衡條件如下。

(6)

式中，F(xiàn)為表層土壤對(duì)殘膜的阻力，N ;G為殘膜所受的重力，N；Fb為殘膜所受的慣性力,N；f為沿齒尖向上的摩擦力,N；Fk為彈齒的拉伸彈力，N；Fn為齒面對(duì)殘膜的支持力，N；θ為挑膜彈齒與豎直方向的夾角，(°)；β為慣性力與重力法向方向的夾角，(°)

殘膜被挑膜齒扎起后，保證在上升過(guò)程中，殘膜不脫落齒尖的必要條件如下。

(7)

式中，μ為彈齒與殘膜的摩擦系數(shù)；r為彈齒被拉伸后挑膜半徑，m;k為彈齒經(jīng)度系數(shù)，N·mm-1;R為挑膜彈齒原半徑，m；ω為挑膜轉(zhuǎn)速，rad·s-1。

將式(7)整理后可得式(8)。

(8)

式中，[F]為單位質(zhì)量膜的挑膜阻力，N；[Fk]為單位質(zhì)量殘膜的拉伸彈力，N。

測(cè)得[F] = 17.836 N·g-1，r= 0.173 m，R= 0.156 m，k= 1.05 N·mm-1，[Fk] = 17.85 N·mm-1，μ= 0.45。當(dāng)θ=60°時(shí)，挑膜彈齒與殘膜開(kāi)始接觸，此時(shí)受瞬時(shí)沖擊力最大，殘膜容易脫落；當(dāng)θ>60°時(shí)，殘膜被“扎”入后不易掉落，故取θ= 60°。挑膜過(guò)程中殘膜上表層土壤被拋離時(shí)與垂直于挑膜平面方向的夾角大多數(shù)在16°～24°之間，計(jì)算時(shí)取平均值，β= 20°，計(jì)算得出ω≥8.7 rad·s-1，即挑膜轉(zhuǎn)速n不小于86 r·min-1。

1.2.4殘膜在膜土分離裝置輸過(guò)程中的受力分析 經(jīng)過(guò)挑膜階段后，殘膜上表層土壤已被去除，但粘附力很強(qiáng)的土壤都在殘膜膜下，需要通過(guò)滾筒與壓板機(jī)構(gòu)同時(shí)作用才能將土壤分離徹底。如圖6所示，以第三排滾筒軸軸心為原點(diǎn)o，以機(jī)具前進(jìn)方向?yàn)閤軸，以豎直方向?yàn)閥軸建立xoy坐標(biāo)系，在以凸輪和頂桿接觸點(diǎn)為原點(diǎn)o′，機(jī)具前進(jìn)的反方向?yàn)閤′ 軸，豎直方向?yàn)閥′ 軸，建立x′o′y′相對(duì)坐標(biāo)系；當(dāng)殘膜輸送到滾筒上時(shí)，在下壓板壓持殘膜的條件下，滾筒旋轉(zhuǎn)作用于殘膜下表面可以看成簡(jiǎn)單的平面磨削運(yùn)動(dòng)。

通常平面磨削可以分解為3個(gè)互相垂直的力：切向力Ft、法向力Fr和軸向力Fa，其中，軸向力很小，可以不計(jì)[14-16]。土壤去除主要靠滾筒旋轉(zhuǎn)提供切向磨削力，受力平衡條件如下。

(9)

式中，G為殘膜所受重，N；f1為殘膜與滾筒的摩擦力，N；f2為殘膜與下壓板的摩擦力，N；Fn1為滾筒給殘膜支持力，N；Fn2為下壓板給殘膜支持力，N；Fr為法向磨削力，N；Ft為切向磨削力，N；F′a為下壓板給殘膜的壓力，N；α為滾筒安裝傾角，(°)。

為了保證在膜土分離階段殘膜不被撕裂[17-18]，滾筒給殘膜的水平方向的合力必需不高于殘膜縱向許用拉伸力[Fc]，又因?yàn)闈L筒起到運(yùn)輸殘膜的作用，故水平合力要大于0。

0≤Ft+(Fn2-F′a)sinα-f2cosα-f1≤[Fc]

這一研究發(fā)表在《過(guò)敏、哮喘及免疫學(xué)年報(bào)》上，通過(guò)對(duì)25項(xiàng)早期二手煙環(huán)境的研究及對(duì)43萬(wàn)名7歲左右兒童的實(shí)驗(yàn)得出結(jié)論，常吸二手煙的兒童得哮喘病的幾率是生活在沒(méi)有二手煙環(huán)境中的兒童的2倍。

(10)

設(shè)計(jì)過(guò)程中第一排滾筒軸上安裝了挑膜彈齒，為了挑膜方便，使三排滾筒的安裝位置不在同一水平面上，其中第一排滾筒和第三排滾筒軸心連線與水平方向呈α夾角，如圖6所示，通過(guò)式(9)和(10)可以推出滾筒安裝傾角的關(guān)系式。

(11)

1.3 土槽臺(tái)架試驗(yàn)

1.3.1試驗(yàn)場(chǎng)地 試驗(yàn)地點(diǎn)在湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)機(jī)械化工程實(shí)訓(xùn)中心室內(nèi)土槽進(jìn)行，因?yàn)樘镩g作物生長(zhǎng)周期過(guò)長(zhǎng)，作物種植交替時(shí)間緊湊，因此運(yùn)用土槽試驗(yàn)?zāi)M田間試驗(yàn)，由前期測(cè)得南方秋后殘膜回收田間作物種植情況，其中南方土壤類(lèi)型為粘性土壤，室內(nèi)土槽規(guī)格(長(zhǎng)×寬)為50 m×3.6 m ，因?qū)挾仁芟蓿瑢?shí)行單行作業(yè)。南方許多蔬菜作物生長(zhǎng)周期一般在3～5個(gè)月，因此試驗(yàn)材料選用預(yù)先鋪設(shè)在田間100 d后的殘膜，地膜厚度0.01 mm，為了保持土壤與殘膜粘附特性,取回殘膜時(shí)不做處理直接鋪設(shè)在土槽內(nèi)，鋪設(shè)時(shí)間為40 d左右，為保持土壤粘附性與田間一致，使土槽內(nèi)土壤含水率與田間土壤含水率相近,即15%～18%之間，鋪設(shè)好的殘膜在土槽內(nèi)反應(yīng)1個(gè)月，使其土壤粘附在殘膜上的特性與田間相近，減小試驗(yàn)誤差。土壤土壤堅(jiān)實(shí)度為0.3 MPa。以電力變頻四輪驅(qū)動(dòng)土槽試驗(yàn)機(jī)(TCC-2.4)提供動(dòng)力，最大牽引力為1.5 t ，配套動(dòng)力為70 kW 。

1.3.2試驗(yàn)因素的確定與試驗(yàn)方法 在殘膜回收膜土分離過(guò)程中，作業(yè)試驗(yàn)地情況、機(jī)具前進(jìn)速度、挑膜彈齒拾膜長(zhǎng)度、挑膜轉(zhuǎn)速和滾筒安裝傾角等，通過(guò)前期試驗(yàn)分析確定機(jī)具前進(jìn)速度、挑膜轉(zhuǎn)速和滾筒安裝傾角影響纏膜率和膜土比較為顯著。膜土分離裝置通過(guò)三點(diǎn)懸掛置于電力變頻四輪驅(qū)動(dòng)土槽試驗(yàn)機(jī)后方，前進(jìn)速度由土槽試驗(yàn)機(jī)控制，挑膜轉(zhuǎn)速由土槽試驗(yàn)機(jī)輸出轉(zhuǎn)軸調(diào)節(jié)，滾筒安裝傾角通過(guò)調(diào)節(jié)軸承座豎直方向安裝位置。

運(yùn)用Design-Expert軟件中的Box-Behnken三因素三水平的模型設(shè)計(jì)試驗(yàn)，根據(jù)理論分析和實(shí)際作業(yè)情況，裝置前進(jìn)速度低于0.8 m·s-1時(shí)，作業(yè)效率低；高于1.6 m·s-1，殘膜進(jìn)給量大，膜土分離效果差，故取0.8、1.2、1.6 m·s-1為試驗(yàn)值；通過(guò)計(jì)算分析挑膜轉(zhuǎn)速不能低于87 r·min-1，故取87、97、107 r·min-1為試驗(yàn)值；由式(11)算出滾筒安裝傾角不能小于9°，通過(guò)試驗(yàn)得出滾筒安裝傾角小于9°，殘膜易被滾筒撕裂，影響膜土分離效果，滾筒安裝傾角大于27°時(shí)，滾筒輸送能力不足，殘膜容易堆積，影響裝置正常工作，故取9°、18°、27°為試驗(yàn)值，試驗(yàn)因素水平見(jiàn)表1。取5組中心水平試驗(yàn)估計(jì)誤差，每次試驗(yàn)機(jī)具行進(jìn)距離為20 m，試驗(yàn)后由人工清理集膜箱和纏繞在機(jī)具上的殘膜，經(jīng)過(guò)處理后，計(jì)算 17 組測(cè)試點(diǎn)試驗(yàn)前后所測(cè)的殘膜含量數(shù)值，并將試驗(yàn)前后所測(cè)數(shù)值相比得到纏膜率和含土率。利用Design-Expert軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析[20]并生成響應(yīng)面圖，根據(jù)響應(yīng)面圖分析前進(jìn)速度、挑膜轉(zhuǎn)速和滾筒安裝傾角對(duì)響應(yīng)值的影響。

表1 試驗(yàn)因素和水平Table 1 Test factors and levels

1.3.3試驗(yàn)方法 根據(jù)GB/T 25412—2010《殘膜回收機(jī)》[19]評(píng)價(jià)內(nèi)容與樣機(jī)作業(yè)情況確定以纏膜率C和膜土比W為試驗(yàn)指標(biāo)；以膜土分離裝置前進(jìn)速度v、挑膜轉(zhuǎn)速n、滾筒安裝傾角α為試驗(yàn)因素，試驗(yàn)指標(biāo)計(jì)算公式如下。

(12)

(13)

式中，m1為測(cè)區(qū)內(nèi)纏在裝置上殘膜質(zhì)量，g；m2為測(cè)區(qū)內(nèi)集膜箱內(nèi)殘膜質(zhì)量，g；m3為測(cè)區(qū)內(nèi)集膜箱內(nèi)土塊質(zhì)量，g。

2 結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)方案與結(jié)果

表2 試驗(yàn)方案和結(jié)果Table 2 Test plan and results

2.2 回歸模型的建立與顯著性分析

利用Design-Expert軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析[20]，得到含土率、纏膜率的回歸模型，如式(14)～(15)所示，方差分析結(jié)果見(jiàn)表3。可以看出，響應(yīng)面回歸模型中含土率W和纏膜率C的P值均小于0.01，可知模型及顯著。失擬項(xiàng)P值均大于0.05，說(shuō)明該模型擬合度高。模型的決定系數(shù)R2分別為0.971 4、0.985 2，表明97%以上的評(píng)價(jià)指標(biāo)可以由該模型解釋。

表3 回歸模型方差分析Table 3 Variance analysis regression model

W=-46.70-118.70X1+2.57X2-1.65X3-1.26X1X2-0.17X1X3+9.72×10-3X2X3+104.60X12-4.40×X22+0.03X32

(14)

C=62.48+3.47X1-1.25X2-0.41X3-6.25×10-3X1X2+6.94×10-3X1X3-2.78×10-3X2X3-1.22X12+6.80×10-3X22+0.02X32

(15)

由表3可知，X2、X1X2、X12對(duì)含土率W極顯著，X1對(duì)含土率W顯著。X3、X22、X32對(duì)纏膜率C極顯著，X2、X2X3對(duì)纏膜率顯著。表明3個(gè)因數(shù)之間的交錯(cuò)對(duì)響應(yīng)值存在一定影響，因此采用多元回歸擬合的方式對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行處理。剔除模型中的不顯著回歸項(xiàng)，對(duì)模型含土率W、纏膜率C進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)果如式(16)～(17)所示。

W=-24.60-123.15X1+1.90X2-1.26X1X2+105.20X12

(16)

C=63.80-1.23X2-0.40X3-2.78×10-3X2X3+6.70×10-3X22+0.20X32

(17)

根據(jù)表3中的F值大小得到各因素對(duì)響應(yīng)值的貢獻(xiàn)率，根據(jù)貢獻(xiàn)率大小可以確定顯著性順序；試驗(yàn)因素對(duì)含土率W的顯著順序：機(jī)具前進(jìn)速度>挑膜速度>滾筒安裝傾角；試驗(yàn)因素對(duì)纏膜率C的顯著順序?yàn)椋簼L筒安裝傾角>挑膜轉(zhuǎn)速>機(jī)具前進(jìn)速度。

2.3 交錯(cuò)因素對(duì)響應(yīng)值影響的分析

運(yùn)用Design-Expert的3 D Surface生成響應(yīng)面圖，結(jié)果如圖9所示。

當(dāng)裝置滾筒傾角位于中心水平(18°)時(shí)，挑膜轉(zhuǎn)速固定在低水平(87 r·min-1)，機(jī)具前進(jìn)速度從0.8增加到1.1 m·s-1時(shí)，含土率逐漸減小，這是因?yàn)闄C(jī)具前進(jìn)速度與殘膜進(jìn)給速度逐漸達(dá)到最佳匹配值，使進(jìn)入到膜土分離裝置中的殘膜能及時(shí)得到分離；當(dāng)機(jī)具前進(jìn)速度繼續(xù)增加時(shí)，含土率逐漸增大，這是由于機(jī)具前進(jìn)速度過(guò)快，單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入膜土分離裝置的殘膜量增大，導(dǎo)致膜土分離效果差，使土壤來(lái)不及被分離，直接被送入集膜箱。當(dāng)滾筒傾角在中間水平時(shí)，機(jī)具前進(jìn)速度固定在高水平(1.6 m·s-1)，含土率隨挑膜轉(zhuǎn)速增大逐漸減小，這是由于挑膜轉(zhuǎn)速越快殘膜上的土壤受到的離心力越大，使粘附在殘膜上的土壤容易掉落，由于大多數(shù)土壤在進(jìn)入膜土分離裝置前已經(jīng)脫落或者松動(dòng)，進(jìn)入膜土分離裝置后，粘附很強(qiáng)的土壤在膜土分離裝置內(nèi)的剪切分離效率得到了提高。當(dāng)滾筒傾角在中間水平時(shí)，機(jī)具前進(jìn)速度固定在低水平(0.8 m·s-1)，含土率隨著挑膜轉(zhuǎn)速的增大而增大，這是因?yàn)闄C(jī)具前進(jìn)速度過(guò)慢，而挑膜速度逐漸增大，進(jìn)入到膜土分離裝置的殘膜也會(huì)增多，因?yàn)樵谀ね练蛛x裝置中要凸輪機(jī)構(gòu)的凸輪處于遠(yuǎn)休程時(shí)下壓板壓持殘膜在配合滾筒滾筒旋轉(zhuǎn)才能使殘膜與土壤分離。而凸輪處于回程時(shí)，由于挑膜轉(zhuǎn)速過(guò)快，滾筒輸送能力增大，許多沒(méi)經(jīng)過(guò)膜土分離的殘膜直接進(jìn)入到集膜箱類(lèi)，使含土率增大。

當(dāng)機(jī)具前進(jìn)速度位于中心水平(1.2 m·s-1)時(shí)，滾筒安裝傾角固定在高水平(27°)，挑膜轉(zhuǎn)速?gòu)?7增加到92 r·min-1時(shí)，纏膜率逐漸降低，但繼續(xù)增加挑膜轉(zhuǎn)速，纏膜率逐漸增大，這是因?yàn)樘裟まD(zhuǎn)速過(guò)塊，殘膜容易被撕裂，零碎的殘膜容易纏繞在機(jī)具上。當(dāng)機(jī)具前進(jìn)速度在中心水平，挑膜轉(zhuǎn)速固定在低水平(87 r·min-1)，滾筒安裝傾角從9°增加17°時(shí)，纏膜率逐漸降低，但繼續(xù)增大角度，纏膜率逐漸增大，這是因?yàn)闈L筒安裝傾角過(guò)大，運(yùn)膜能力降低，殘膜容易擁堵，容易使殘膜纏繞在機(jī)具上。

2.4 參數(shù)優(yōu)化結(jié)果分析

2.4.1參數(shù)優(yōu)化 為了使機(jī)具含土率低、纏膜率低，又因?yàn)?個(gè)因素存在交互作用，要使響應(yīng)值同時(shí)滿足設(shè)計(jì)要求，需要對(duì)因素進(jìn)行優(yōu)化。利用Design-Expert 軟件對(duì)所建立的模型進(jìn)行最優(yōu)求解各個(gè)因素的約束條件：機(jī)具前進(jìn)速度設(shè)為0.8～1.2 m·s-1，挑膜轉(zhuǎn)速設(shè)為87～107 r·min-1,滾筒安裝傾角設(shè)為9°～27°，將含土率和纏膜率上限值保持不變，下限值設(shè)為0，分析結(jié)果得出3個(gè)因素的最優(yōu)組合為：機(jī)具前進(jìn)速度為1.12 m·s-1,挑膜轉(zhuǎn)速為91.57 r·min-1,滾筒安裝傾角為16.84°，模型響應(yīng)值為最優(yōu)，其中含土率為13.00%，纏膜率為1.70%。

2.4.2驗(yàn)證分析 為了驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性，采用上述優(yōu)化參數(shù)在土槽試驗(yàn)區(qū)內(nèi)進(jìn)行3次重復(fù)試驗(yàn)，考慮到試驗(yàn)區(qū)的作業(yè)情況，把機(jī)具前進(jìn)速度設(shè)置為1.12 m·s-1，挑膜轉(zhuǎn)速設(shè)置為92 r·min-1，滾筒安裝傾角設(shè)置為17°，結(jié)果如表4所示。含土率和纏膜率實(shí)驗(yàn)值與理論值誤差分別為3.5%和4.7%，表明優(yōu)化參數(shù)下該膜土分離裝置的分離效果較好，能夠滿足作業(yè)要求。

表4 模型優(yōu)化與土槽驗(yàn)證試驗(yàn)Table 4 Model optimization and soil trough verification test

3 討論

現(xiàn)階段殘膜回收機(jī)存在的主要問(wèn)題是膜土分離困難，導(dǎo)致殘膜回收后含土率高，且在回收過(guò)程中土壤容易粘附在工作部件上造成纏膜率高等問(wèn)題。目前，在殘膜回收過(guò)程中，主要依靠抖動(dòng)篩、網(wǎng)鏈和逆向摩擦帶等裝置，這些裝置主要針對(duì)砂性土壤膜土分離效果較好，但對(duì)粘性土壤作業(yè)效果不佳，主要原因在于土壤粘性越大，抖動(dòng)裝置需要的振幅和頻率越大，而田間的工作環(huán)境復(fù)雜，從而使機(jī)具的工作穩(wěn)定性降低。在粘性土壤下，網(wǎng)鏈?zhǔn)胶湍嫦蚰Σ翈綄?duì)其提供的膜土分離剪切力不足，膜與土壤分離不徹底，導(dǎo)致殘膜回收后夾帶大量土壤，使后續(xù)集膜箱很快填滿，影響工作效率。本文針對(duì)南方粘性土壤設(shè)計(jì)了一種膜土分離裝置，該裝置降低了含土率和纏膜率，提高了工作效率；裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、安裝調(diào)試方便。該裝置采用挑膜和輸膜兩個(gè)階段實(shí)行膜土分離，可以解決膜土分離不徹底問(wèn)題；通過(guò)分析確定了以機(jī)具前進(jìn)速度、挑膜轉(zhuǎn)速、滾筒安裝傾角為主要因素。其中壓板機(jī)構(gòu)中的下壓板在凸輪驅(qū)動(dòng)下使挑膜彈齒折彎，當(dāng)挑膜彈齒長(zhǎng)度低于滾筒半徑時(shí)，齒上殘膜被卸下脫落于壓板與滾筒之間，防止纏膜問(wèn)題；下壓板的另一個(gè)作用是壓持殘膜，配合滾筒旋轉(zhuǎn)使其提供足夠大的膜土分離剪切力，可使粘附性很強(qiáng)的土壤與殘膜分離。但在試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，挑膜彈齒與下壓板卸膜時(shí)，由于殘膜強(qiáng)度較低，殘膜容易被撕裂，破碎的殘膜膜土分離較為困難；凸輪驅(qū)動(dòng)下壓板下行時(shí)，驅(qū)動(dòng)阻力較大，易使機(jī)構(gòu)摩擦生熱使下壓板變形，導(dǎo)致與滾筒配合作業(yè)時(shí)與殘膜的有效接觸面積減小，影響膜土分離效果。如何在撿拾殘膜后卸膜過(guò)程不會(huì)使殘膜破碎撕裂、增大關(guān)鍵部件的強(qiáng)度、機(jī)具連續(xù)作業(yè)還需要進(jìn)一步研究，本試驗(yàn)為后續(xù)膜土分離裝置的設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供依據(jù)。