拋膜釘齒式殘膜弧形起膜撿拾裝置設(shè)計與田間模擬試驗

王海翼，李彥彬，王圓明，張兆國，陳 紅，王連瑞

(1.昆明理工大學(xué)農(nóng)業(yè)與食品學(xué)院，云南 昆明 650500；2.云南省高校中藥材機械化工程研究中心，云南 昆明 650500；3.重慶市農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機械研究所，重慶 401329)

地膜覆蓋具有顯著的增溫保墑、防病抗蟲、增產(chǎn)增效、抑制雜草等優(yōu)點[1-4]。隨著地膜覆蓋的推廣，地膜使用面積和單位面積地膜投入量的增加，地膜覆蓋栽培技術(shù)在助力農(nóng)作物優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的同時，也給自然環(huán)境和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展帶來了一系列問題，如地膜殘留導(dǎo)致的“白色污染”等[5-7]。

耕層殘留的地膜在覆膜年限和覆膜面積增加下逐年累積，致使土壤板結(jié)，減少了土壤中水分滲透，阻礙根系生長，導(dǎo)致農(nóng)作物大幅減產(chǎn)[8-10]。因此，回收殘膜、治理污染是農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展的重要內(nèi)容。如何加強地膜的回收與再利用，已經(jīng)成為全國各地農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要難題[11-14]。從我國國情和云南省整體經(jīng)濟情況分析，聚乙烯地膜仍將持續(xù)使用，農(nóng)田殘膜人工撿拾效率低、漏揀率高，機械化回收成為解決殘膜治理的有效手段[15-17]。

國外農(nóng)業(yè)栽培覆蓋通常采用強度高、耐風(fēng)化的較厚地膜，揭膜回收后，統(tǒng)一進行集中處理；國內(nèi)使用地膜較薄，力學(xué)性能較差，殘膜拉伸強度低、膜面破損嚴(yán)重，在機械化回收過程中膜雜分離困難[18]?，F(xiàn)有殘膜回收裝備大都與秸稈粉碎裝備一起聯(lián)合使用，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、撿拾效率較低、成本高[19]。根據(jù)工作原理和地塊的差別，可將現(xiàn)有的殘膜回收機械分為彈齒式、釘齒式、夾持式、鏈齒式、伸縮桿式等[20]。起膜釘齒是殘膜回收機械的最重要工作部件，其結(jié)構(gòu)和性能對回收機作業(yè)指標(biāo)起決定性作用。其一般驅(qū)動設(shè)備為拖拉機，依靠扎入土壤的被動反作用力提供滾筒動力，釘齒的運動受到滾筒、起膜桿齒、驅(qū)動鏈輪等部件的多維約束，理論分析和建模的難度都較大，且現(xiàn)有起膜齒撿拾效果較差，漏揀率較高。

本文設(shè)計了一種弧形起膜撿拾裝置，對其關(guān)鍵部件進行受力分析和運動機理分析，建立了運動學(xué)模型，分析其運動軌跡，并利用多體動力學(xué)方法對弧形起膜撿拾裝置的工作過程進行田間模擬試驗，探究不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對殘膜起膜撿拾穩(wěn)定性的影響，得到起膜撿拾裝置最優(yōu)參數(shù)組合，為殘膜回收起膜撿拾裝置設(shè)計提供依據(jù)，為后續(xù)物理樣機的試制提供了理論與試驗依據(jù)。

1 弧形起膜撿拾裝置主要結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 主要結(jié)構(gòu)

弧形起膜撿拾裝置主要由傳動鏈輪、輸膜輥、喂入輥、U形喂入齒、起膜桿齒、滾筒、弧形釘齒、安裝機架等組成。通過增設(shè)起膜部件，重置弧形釘齒排布，提升了收膜裝置的殘膜撿拾性能。其中滾筒直徑為420 mm，弧形釘齒末端滾筒軸中心距為480 mm，釘齒最大入土深度為180 mm，周向齒數(shù)為5個，軸向間距為180 mm?；⌒纹鹉焓把b置結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.傳動鏈輪；2. 輸膜輥；3.喂入輥；4.U形喂入齒；5.起膜桿齒；6.滾筒；7.弧形釘齒；8.安裝機架1.Drive sprocket; 2. Film conveying roller; 3. Feeding roller;4. U-shaped feeding teeth; 5. Film lifting rod teeth; 6. Roller;7. Arc shaped nail teeth; 8. Mounting frame圖1 弧形起膜撿拾裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of arc film collector pickup device

1.2 工作原理

機具傳動系統(tǒng)如圖2所示，牽引架通過3點懸掛方式與拖拉機連接，拖拉機后動力輸出軸與變速箱連接，變速箱將動力分別傳遞到螺旋粉碎升運裝置動力輸入軸和拋膜裝置、螺旋粉碎升運裝置驅(qū)動帶輪上，帶動喂入輥轉(zhuǎn)動，并給滾筒提供被動驅(qū)力。

1.滾筒；2.端蓋；3.拋膜裝置；4.弧形釘齒；5.鉸接桿；6. 曲軸；7.軸承；8.機架 1. Drum; 2. End cover; 3. Film throwing device;4. Arc shaped pin teeth; 5. Hinged rod;6. Crankshaft; 7. Bearing; 8. Rack圖2 偏心弧形齒撿拾機構(gòu)傳動系統(tǒng)Fig.2 Frame drive system of eccentric arc tooth pickup mechanism

機具由拖拉機后懸掛牽引前進，行走抬升系統(tǒng)液壓調(diào)控機具調(diào)整至預(yù)定工作位置，啟動動力輸出軸，動力傳至弧形起膜撿拾裝置帶動傳動軸旋轉(zhuǎn)，進而驅(qū)動后續(xù)部件工作。作業(yè)時，起膜撿拾裝置在重力和彈簧壓力作用下隨地仿形旋轉(zhuǎn)，弧形起膜刀片始終置于土壤中，機組前進時掘起一定深度的耕層土壤并與殘膜一并拋出，在慣性力和離心力作用下，膜土混合物被拋向拋膜裝置，進一步分離膜土后，混合物通過撥雜裝置撥送到輸送裝置上，與兩級輸送輥接觸后，殘膜與土壤向后拋射并進一步破碎土塊，再通過鏈齒輸送裝置實現(xiàn)殘膜與土壤的分離和殘膜后輸；莖稈等雜物由上喂料輥喂入螺旋粉碎清雜裝置，殘膜從上下輥間流出。

1.3 主要技術(shù)參數(shù)

該裝置主要應(yīng)用于田間殘膜回收，要求體積適宜、盡可能減阻降耗，并提高分離效率，因而采用弧形釘齒拋送分離，與拖拉機懸掛配合，主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 主要技術(shù)參數(shù)

2 關(guān)鍵部件設(shè)計

如圖3所示，分段式偏心弧形齒起膜撿拾機構(gòu)由主軸、機架、弧形起膜釘齒、安裝架、起膜桿齒、端蓋等構(gòu)成?；⌒螕焓褒X呈星型式繞滾筒圓周均布成5排，并在滾筒上成3段式橫向排布，其中曲軸偏心距50 mm、撿拾滾筒半徑為210 mm。以期解決現(xiàn)有起膜裝置殘膜回收率較低、轉(zhuǎn)軸運動阻力較大及漏撿率高的問題，通過對偏心弧形齒撿膜特性進行分析，合理選取前進速度、曲軸轉(zhuǎn)速、釘齒參數(shù)、入土深度、偏心距參數(shù)，為優(yōu)化殘膜回收機工作參數(shù)提供理論基礎(chǔ)。該殘膜撿拾機構(gòu)采用弧形齒，借鑒深松鏟與松壟割刀的設(shè)計原理[20]，采用桿齒結(jié)構(gòu)從耕層松土鏟膜，最大限度保證起膜完整，弧形齒與曲軸通過套筒鉸接，弧形齒與套筒焊接且穿過卸膜板齒孔，套筒在曲軸上做周向轉(zhuǎn)動但不能軸向滑動；曲軸由曲柄和主軸構(gòu)成，通過螺栓連接，曲軸與機架固連；撿膜作業(yè)時弧形齒通過套筒帶動繞曲軸主軸周向轉(zhuǎn)動。套筒在曲柄的作用下，推動弧形齒做往復(fù)式伸出及縮回卸膜板齒孔運動，弧形齒運動為繞曲軸自轉(zhuǎn)和隨機具平移運動的合成，根據(jù)平面機構(gòu)運動，可將其簡化為曲柄搖桿機構(gòu)，如圖2(5、6、7)所示。

1.傳動主軸；2.機架；3.弧形起膜釘齒；4.滾筒；5.起膜桿齒；6.端蓋1. Drive spindle; 2. Frame; 3. Arc film lifting nail teeth;4. Drum; 5. Film lifting rod teeth; 6. End cover圖3 偏心弧形齒撿拾機構(gòu)Fig.3 Eccentric arc gear pickup mechanism

起膜撿拾裝置兩端安裝有可調(diào)入土角15°～45°的調(diào)整圓盤，其內(nèi)有間隙5°的調(diào)整銷孔，根據(jù)覆膜農(nóng)藝，田間覆膜范圍內(nèi)地表多呈凹凸不平狀，為達到良好的起膜效果，起膜桿齒采取中間寬松間隔式排布，桿齒長度在套筒內(nèi)調(diào)節(jié)。

機具田間回收作業(yè)時，起膜裝置在重力和彈簧壓力作用下隨地仿形，且起膜桿齒始終置于土壤中，機具前進時，起膜齒將緊貼地表的地膜起松，地膜撿拾鏈排上的撿拾釘齒扎入土壤中，將地膜挑起，要求入土阻力小的同時，盡可能積累地膜并平滑后送，桿齒上膜土混合物受力分析如圖4所示。

圖4 起膜桿齒安裝結(jié)構(gòu)及受力分析Fig.4 Installation structure and stress analysis of the teeth of the membrane lifting rod

殘膜在起膜桿齒上處于平衡狀態(tài)時，其平衡方程為：

(1)

f=μFN

(2)

式中，F(xiàn)為起膜桿齒所受阻力(N)；FN為起膜桿齒對殘膜的支持力(N)；α為起膜桿齒入土角(°)；G為殘膜所受重力(N)；μ為起膜鏟與殘膜間的摩擦因數(shù)。

從式(1)可以看出，起膜桿齒入土角較小時，阻礙殘膜掘起的力較小，桿齒入土阻力較小，對殘膜的二次破壞程度較小，但此時碎土性能差，起膜不充分，易壅土；反之，起膜桿齒入土角較大時，阻礙殘膜沿起膜桿齒向后運動的力較大，入土性能下降， 殘膜的二次破壞程度較大。

3 弧形釘齒運動分析

3.1 弧形釘齒運動學(xué)分析

弧形釘齒起膜過程可以分為扎膜和挑膜，機具工作時釘齒隨滾筒轉(zhuǎn)動深入耕層撿拾殘膜，撿拾機構(gòu)的運動速度影響拾膜效果。當(dāng)釘齒入土瞬時速度過快時，沖擊力較大，易變形，同時釘齒將力學(xué)性能下降的殘膜貫穿撕裂成條狀，導(dǎo)致殘膜無法被撿拾且造成纏繞；當(dāng)釘齒入土瞬時速度較慢時，殘膜無法被挑起，導(dǎo)致漏撿嚴(yán)重和后續(xù)部件嚴(yán)重壅堵。為確定弧形撿拾釘齒的合理布置參數(shù)，探明運動規(guī)律，提高撿拾率，降低破損率和漏檢率，對釘齒拾膜過程進行分析[21]。

如圖5所示，取滾筒軸心O點為坐標(biāo)原點，取平行于機具前進方向為x軸正方向，取垂直滾筒軸線向上的方向為y軸正方向，機具以初速度(v0)從初始相位沿x軸方向勻速前進，滾筒以角速度(ω)勻速旋轉(zhuǎn)，一段時間(t)后，滾筒轉(zhuǎn)過φ(φ=ωt)角， 弧形釘齒齒尖A的運動軌跡為L?；⌒吾旪X齒尖A的運動方程為：

(3)

式中，R為弧形釘齒旋轉(zhuǎn)半徑(m)。減少殘膜漏撿，任意一釘齒離開土壤時，其相鄰的下一個釘齒應(yīng)進入土壤開始扎膜，拾膜釘齒運動軌跡如圖5a所示。

圖5 偏心弧形釘齒運動分析Fig.5 Movement analysis of eccentric arc nail teeth

將式(3)對時間求導(dǎo)可以得到弧形釘齒任意時刻的分速度。

(4)

由式(4)可以得機具向后的水平分速度由vx的大小決定，向后的水平分速度保證了弧形釘齒的入膜效果。當(dāng)v0=ωRsin(ωt)時，有：

(5)

令弧形釘齒圓周線速度(v1)與機具前進速度(v0)比值為：

(6)

由式(6)可以看出，當(dāng)λ<1時，弧形釘齒向后分速度為0，不能完成拾膜撿拾；當(dāng)λ>1時，弧形釘齒在隨滾筒轉(zhuǎn)動的同時相對地面在挑膜區(qū)域內(nèi)有向后的分速度，部分土壤伴著殘膜被挑起并撿拾隨下一部件向上運動。因此， 速度比(λ)的取值對能否挑起殘膜有重要影響，λ值太小，易出現(xiàn)漏挑現(xiàn)象，起膜桿齒易壅土；λ值太大，弧形釘齒易發(fā)生回帶現(xiàn)象，造成殘膜卷結(jié)。

3.2 釘齒末端運動分析

釘齒由扎膜到挑膜的過渡過程如圖5b所示，機具以初速度(v0)開始作業(yè)，并且在滾筒帶動下繞其中心點O以轉(zhuǎn)速ω勻速轉(zhuǎn)動；以滾筒中心O建立坐標(biāo)原點，運動過程中有OE、O1E1、O2E23條作業(yè)半徑，E1E2表示釘齒末端由E點入土到E2點出土的拾膜運動軌跡，整段工作時間為t。由扎膜到挑膜的過渡可分為EE1釘齒入土扎膜和A1A2釘齒出土挑膜。釘齒處于E點時，與y軸保持夾角ψ，釘齒此時為拾膜起始位置，機具工作t/2 時，釘齒繞軸心轉(zhuǎn)動ω/2到達E1點，滾筒位移為vt/2，釘齒扎膜軌跡方程：

(7)

3.3 釘齒不漏扎的條件

根據(jù)作業(yè)條件要求樣機在回收殘膜的作業(yè)過程中不存在漏扎現(xiàn)象，為保證所有起膜桿齒上挑起的殘膜都被分錯排列的弧形釘齒依次扎拾，根據(jù)相鄰兩排弧形釘齒末端的扎膜運動軌跡，t時刻內(nèi)兩相鄰弧形釘齒A和B的運動軌跡分別為L1和L2，工作時弧形釘齒由懸空狀態(tài)扎入到起膜桿齒上的膜雜混合物中呈一定深度(h)?；⌒吾旪X在運行t2時段后與挑膜區(qū)域表面形成交會截面A1A2；同理在t4時段內(nèi)，釘齒與挑膜區(qū)域表面形成交會截面B1B2，S0工作狀態(tài)下兩相鄰挑膜下釘齒A與B之間的水平距離。由圖6a可知，若要使運動過程中不存在漏挑現(xiàn)象，則需兩相鄰釘齒的運動軌跡在挑膜區(qū)域的表面形成重合區(qū)域，因此殘膜不漏扎的條件為：

Sa-Sb≥0

(8)

式中，Sa為弧形釘齒A扎入膜雜混合物中并在其內(nèi)滑行的有效距離(m)；Sb為弧形釘齒B扎入膜雜混合物中并在其內(nèi)滑行的有效距離(m)。

3.4 釘齒不漏挑的條件

將y=-R+h代入式(3)可得：

(9)

(10)

將式(10)帶入式(3)：

(11)

(12)

由圖5可知：

1.人員素質(zhì)低?；鶎雨犖橹?，特別是村防疫員大多為臨時雇傭人員，年齡偏大，不能獨立完成移動智能識讀器的信息錄入和上傳工作，嚴(yán)重影響畜禽標(biāo)識數(shù)據(jù)庫建設(shè)工作的落實。

Sb=Sa=x1-x2

(13)

將式(11)、式(12)帶入式(13)：

(14)

(15)

同理可得：

(16)

將式(15)帶入式(14)：

(17)

(18)

欲使Sa-Sb≥0，則要滿足：

(19)

求解式(19)，可求得：

(20)

(21)

根據(jù)田間的實測參數(shù)，結(jié)合粘性紅壤的結(jié)構(gòu)，配套收獲機設(shè)定機具工作參數(shù)h=25 mm，R=200 mm，V0=1.2 m·s-1代入式(19)，可得輸膜鏈耙轉(zhuǎn)速n≥168 r·min-1，根據(jù)實際作業(yè)情況及弧形釘齒運動分析，為保證殘膜不漏挑，最終確定滾筒轉(zhuǎn)速范圍為180～210 r·min-1。

3.5 釘齒末端運動軌跡

對運動時間(t)進行一階、二階求導(dǎo)分別得到釘齒末端的速度及加速度:

(22)

(23)

則由此推出弧形齒末端速度和加速度：

(24)

弧形齒入土持續(xù)完成扎膜作業(yè)，滾筒向前的同時，弧形齒末端由E1點運動到E2點的軌跡，該運動完成挑膜作業(yè)，其運動軌跡為：

(25)

(26)

(27)

則弧形齒末端運動的速度及加速度：

(28)

式(22)～(28)中，t為機具工作時間(s)；ω為滾筒中心旋轉(zhuǎn)角速度(rads)；v為機具行進速度(m·s-1)；ψ1為初始相位角；h為釘齒扎入膜土混合物的深度(mm)；θ1為滾筒周向相鄰釘齒夾角(°)；R為釘齒末端與滾筒中心之間的距離(mm)。

如圖5b所示，工作中，弧形釘齒隨滾筒滾動到入土位置E，此時與之周向相鄰的土上釘齒位置為B。為滿足設(shè)計要求，設(shè)弧形釘齒在滾筒上周向一共分布z個齒，即弧形齒以相鄰夾角θ=2π/z周向分布。為保證機具作業(yè)的連續(xù)性和完整性，保證殘膜不漏挑，要求任意弧形釘齒出土?xí)r，與之相鄰的另一根弧形釘齒必須立即入土挑膜，故弧形釘齒由B位置過渡到E位置的時間與弧形釘齒入土挑膜的時間相同。T時刻后弧形釘齒在B點的速度v=Rω。為了保證不漏撿，弧形釘齒由B點到達E點的位移應(yīng)滿足：

(29)

由圖5可知：

(30)

為了保證撿拾機構(gòu)的整段工作不出現(xiàn)漏檢現(xiàn)象，則要求弧形齒末端工作狀態(tài)下入土點上方B位置水平位移(xB)與垂直位移(yB)應(yīng)滿足：

(31)

將式(30)和式(31)帶入式(29)，求得：

(32)

由式(32)得：

(33)

整理得:

(34)

(35)

由以上分析可知，要保持釘齒末端與滾筒中心的直線距離、弧形釘齒的入土深度(膜土混合物)、同軸向上的弧形釘齒總數(shù)、角速度等都要滿足以上關(guān)系，才能實現(xiàn)殘膜的連續(xù)挑拾。根據(jù)高原紅壤殘膜回收機具的作業(yè)要求，機具行進速度為0.8～1.2 m·s-1，弧形釘齒末端滾筒軸中心距為480 mm，釘齒最大入土深度為120 mm，滾筒前進時角速度為1.19～2.58 rad·s-1，設(shè)計計算周向齒數(shù)為5個?？紤]漏撿率和卸膜的效率和便捷性，取軸向間距為180 mm，所以拾膜滾筒釘齒數(shù)量為80個。

4 田間模擬試驗

4.1 試驗方法

依據(jù)《GB/T25412-2010殘地膜回收機》[22]、《NYT1227-2006殘地膜回收機作業(yè)質(zhì)量》[23]設(shè)計試驗。實際田間操作時，設(shè)定機具測試行程為長90 m、寬1 m的收后馬鈴薯壟，共計進行4行程測試。為簡化模擬計算量，減少干擾，試驗中簡化弧形起膜撿拾裝置的軸承座、安裝孔、螺栓等部分，僅保留主軸和弧形釘齒部分，利用Solidedge軟件建模，另存為igs格式后導(dǎo)入Comsol軟件。

如圖5a所示，挑膜齒尖的軌跡為余擺線，設(shè)計采用16組均布挑膜釘齒組，理論上擺線有更為密集的重合度，從而保證殘膜在挑起的過程中不致從縫隙中脫落，減少漏拾率?？紤]挑膜裝置滾筒的轉(zhuǎn)速、機具作業(yè)速度和弧形釘齒入土深度對殘膜撿拾的干擾，將這3個工作參數(shù)作為試驗水平進行模擬試驗[24]。

4.2 起膜撿拾過程模擬

利用Comsol中的模型開發(fā)器，分別給土壟、機架、釘齒、凸輪圓盤、起膜桿齒、滾筒之間添加合適的約束。為使殘膜撿拾機構(gòu)的模擬工作能準(zhǔn)確反映實際運動情況，分別按真實材料給各部件賦予屬性。

表2 因素水平

為提高模擬試驗的運算速度、減少擾動，刪除其他多余釘齒、起膜擺桿、收膜輥、滾筒等部件，只保留了1根弧形釘齒，將釘齒置于平行于釘齒切線的速度場中，速度場中均布殘膜 ，機具行進速度為0.8～1.2 m·s-1，滾筒前進時角速度為1.19～2.58 rad·s-1。經(jīng)計算，添加在機架上的平移驅(qū)動速度為1 088.89 mm·s-1，作用在滾簡上的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動的角速度值為268.36°·s-1。設(shè)定參數(shù)后，Comsol模型開發(fā)器中，單偏心弧形釘齒運動模擬過程如圖6所示。

4.3 模擬試驗結(jié)果及后處理

將模擬結(jié)果導(dǎo)出為Excel表，導(dǎo)入Comsol & Matlab聯(lián)合模塊中，預(yù)處理后，使用插值函數(shù)對釘齒起膜撿拾過程殘膜的斷裂層數(shù)據(jù)進行解析，得到結(jié)果如圖7。將單偏心弧形釘齒運動模擬的試驗數(shù)據(jù)導(dǎo)入Comsol后處理模塊中，解析后得到釘齒位移隨時間的變化曲線如圖8所示。

圖6 單偏心弧形釘齒運動模擬Fig.6 Movement simulation of single eccentric arc nail teeth

圖7 斷裂層應(yīng)力應(yīng)變變化曲線Fig.7 Stress strain curve of residual film fracture layer

圖8 釘齒位移變化曲線Fig.8 Displacement curve of nail tooth

4.4 模擬試驗結(jié)果分析

殘膜破碎后，對其顆粒進行軌跡跟蹤，整體平均橫向顆粒流率和顆粒質(zhì)量流率均出現(xiàn)明顯波動變化，對比動態(tài)過程可發(fā)現(xiàn)，殘膜破碎物在弧形釘齒的作用下，在運動過程中，呈不規(guī)則“柱狀”波動，此時顆粒質(zhì)量流率與顆粒速度起伏變化。運動總力矩也有明顯波動變化，但整體平穩(wěn)。斷裂層應(yīng)力應(yīng)變先整體波動后趨于平穩(wěn)，說明主要工作部件效果較好，性能較佳。

5 正交試驗結(jié)果與分析

以工作速度(A)、入土深度(B)、挑膜轉(zhuǎn)速(C)為試驗因素，設(shè)各因素之間不存在交互作用，選定正交試驗表L9(34)，具體試驗如表3所示。

表3 四因素三水平正交試驗

經(jīng)極差分析(表4)，工作速度對平均顆粒流速影響最為顯著，入土深度對平均橫向顆粒速度影響最為顯著，挑膜轉(zhuǎn)速對質(zhì)量流率及釘齒總力矩影響最顯著。3個因素影響質(zhì)量流率的主次順序為C>A>B,獲得最高平均顆粒流速試驗條件為A3B2C1；3個因素影響平均橫向顆粒速度的主次順序為B>A>C,獲得平均縱向顆粒速度最高的試驗條件為A3B2C1；質(zhì)量流率反映了起膜撿拾裝置的綜合作業(yè)能力，3個因素影響質(zhì)量流率的主次順序為C>A>B,挑膜轉(zhuǎn)速對混合物顆粒的輸送影響最大，其次是工作速度，入土深度影響最小。獲得最高質(zhì)量流率試驗條件為A3B3C2，即工作速度1.2 m·s-1、入土深度45 mm、挑膜轉(zhuǎn)速60 r·min-1，旋轉(zhuǎn)軸總力矩反映了混合顆粒速度過程中的“聚和束狀”下落狀態(tài)的總功耗情況，總力矩越小，輸送越流暢，能耗越小。3個因素影響質(zhì)量流率的主次順序為C>B>A,獲得最低旋轉(zhuǎn)軸總力矩試驗條件為A3B1C1,即工作速度1.0 m·s-1、入土深度25 mm、挑膜轉(zhuǎn)速55 r·min-1。綜合考慮，選取試驗最佳參數(shù)組合為A3B2C1，即工作速度1.2 m·s-1、入土深度35 mm、挑膜轉(zhuǎn)速55 r·min-1。以該工作參數(shù)進行田間模擬試驗，試驗結(jié)果為平均顆粒流速為0.9738 m·s-1，平均橫向顆粒速度為0.0278 m·s-1，質(zhì)量流率為0.0091 kg·s-1，釘齒總力矩為38.9576 N·m。

表4 試驗結(jié)果極差分析

6 結(jié) 論

本文基于云南省馬鈴薯種植地塊地膜殘留情況，進行了新型拋膜彈齒式殘膜回收機的設(shè)計與理論分析，得出如下結(jié)論。

1)通過對弧形釘齒機構(gòu)的運動學(xué)分析，結(jié)合實際作業(yè)情況及弧形釘齒運動規(guī)律，為保證殘膜不漏挑，最終確定滾筒轉(zhuǎn)速范圍為180～210 r·min-1。

2)根據(jù)總體機構(gòu)的運動學(xué)模型和釘齒尖運動模型的對比計算，得出兩相鄰釘齒的運動軌跡需在挑膜區(qū)域的表面形成重合區(qū)域才能保證殘膜不漏挑。實現(xiàn)殘膜的連續(xù)挑拾的條件為保持釘齒末端與滾筒中心的直線距離、弧形釘齒的入土深度(膜土混合物)、同軸向上的弧形釘齒總數(shù)、角速度等都要滿足相關(guān)函數(shù)關(guān)系。根據(jù)高原紅壤殘膜回收機具的作業(yè)要求，設(shè)計機具行進速度為0.8～1.2 m·s-1，弧形釘齒末端滾筒軸中心距為480 mm，釘齒入土深度為120 mm，滾筒前進時角速度為1.19～2.58 rad·s-1。

3)利用Comsol軟件對該機的弧形起膜撿拾裝置進行田間模擬試驗，并聯(lián)合Matlab后處理得到平均顆粒流速、平均橫向顆粒速度、質(zhì)量流率及弧形釘齒總力矩等指標(biāo)影響的顯著性及主次順序，試驗結(jié)果整機最優(yōu)參數(shù)組合為工作速度1.2 m·s-1、入土深度35 mm、挑膜轉(zhuǎn)速55 r·min-1，該工作參數(shù)下試驗結(jié)果分別為平均顆粒流速0.9738 m·s-1，平均橫向顆粒速度0.0278 m·s-1，質(zhì)量流率0.0091 kg·s-1，釘齒總力矩38.9576 N·m。

4)通過分析和田間模擬試驗發(fā)現(xiàn)，通過優(yōu)化相鄰弧形釘齒之間的有效間距，實時調(diào)整余擺線間的距離，可進一步提高該裝置的起膜撿拾效果，為物理樣機的試制和開發(fā)提供理論依據(jù)。