王松林，敬志臣，韓正晟，王波，戴飛，高愛民

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，甘肅 蘭州　730070；2.隴東學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，甘肅 慶陽　745000)

旱地全膜雙壟溝殘膜回收機(jī)的試驗(yàn)研究

王松林1，敬志臣2，韓正晟1，王波1，戴飛1，高愛民1

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，甘肅 蘭州730070；2.隴東學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，甘肅 慶陽745000)

摘要：針對(duì)西北旱地全膜雙壟溝殘膜回收機(jī)回收率低的問題，采用正交試驗(yàn)法對(duì)殘膜回收機(jī)的起膜齒齒數(shù)、摟膜耙齒齒徑、起膜齒入土深度進(jìn)行研究，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析，優(yōu)化了關(guān)鍵部件參數(shù)，確定了殘膜回收機(jī)最佳工作性能參數(shù).即起膜齒齒數(shù)為4個(gè)，前、中、后摟膜耙齒齒徑組合為10-8-6 mm，起膜齒入土深度為50 mm.重復(fù)試驗(yàn)結(jié)果表明：回收機(jī)殘膜回收率為93.4%>75%，很好地滿足了殘膜回收的農(nóng)藝要求.

關(guān)鍵詞：殘膜回收機(jī)；全膜雙壟溝；正交試驗(yàn)

第一作者：王松林(1989-)，男，碩士研究生，主要從事農(nóng)業(yè)工程技術(shù)與裝備研究.E-mail:wangsonglin10@126.com

Experimental research on retrieving machine for film

residue with whole plastic film mulching on

double ridges in arid land

WANG Song-lin1，JING Zhi-chen2，HAN Zheng-sheng1，WANG Bo1，DAI Fei1，GAO Ai-min1

(1.College of Engineering，Gansu Agricultural University，Lanzhou 730070，China；2.College of

Mechanical Engineering，Longdong University，Qingyang 745000，China)

Abstract：Aimed at the problem of lower rate recycling of plastic film collector for whole mulching on double ridges in northwestern arid land,orthogonal test method was used for the study on number of cutting film teeth,diameter of collecting film teeth and buried depth of the cutting film teeth.The experimental results were analyzed by variance analysis,and the key component parameters were optimized.The best working performance parameters of the collector were discovered as follows:the number of cutting film teeth was 4,the combination diameter of front,middle and back collecting film teeth was 10-8-6 mm,and the buried depth of the cutting film teeth was 50 mm.The results of replicated tests showed the rate of recycling of film was 93.4%>75%,which well met the agronomic requirements.

Key words：retrieving machine for film residue;whole plastic film mulching on double ridges;orthogonal experiment

西北旱作農(nóng)業(yè)區(qū)的土壤退化、旱情加重、低經(jīng)濟(jì)效益等問題制約其農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展[1].全膜雙壟溝播技術(shù)突破了傳統(tǒng)的壟上種植模式，鋪膜后通過膜上開穴將種子播種于壟溝內(nèi)，降雨富積于壟溝內(nèi)作物根系，地表水分的蒸發(fā)量被地膜顯著抑制[2].全膜雙壟溝播技術(shù)給旱作農(nóng)業(yè)帶來了福音，其顯著的經(jīng)濟(jì)效益使得該技術(shù)在西北地區(qū)進(jìn)行大規(guī)模的推廣[3].然而由于地膜所采用的聚乙烯等烴類化合物在自然條件下極難降解，在土壤中可存在數(shù)百年[4-5].殘膜滯留于土壤中所帶來的“白色污染”導(dǎo)致農(nóng)田環(huán)境惡化、土壤質(zhì)量下降、農(nóng)作物減產(chǎn)等問題[6-7].機(jī)械化殘膜回收是解決殘膜污染問題的有效手段[8]，目前國(guó)內(nèi)的殘膜回收機(jī)如氣吸式、彈齒式、滾筒式、偏心伸縮桿齒式等普遍存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價(jià)高、仿形能力差、回收率低等問題[9-13]，且缺乏對(duì)關(guān)鍵部件參數(shù)優(yōu)化的試驗(yàn)研究，成為了制約殘膜機(jī)械化回收的主要因素.鑒于此，本研究根據(jù)殘膜回收的農(nóng)藝技術(shù)要求，針對(duì)殘膜回收機(jī)所存在的問題，通過正交試驗(yàn)優(yōu)化殘膜回收機(jī)的起膜齒齒數(shù)，前、中、后摟膜耙齒齒徑，起膜齒入土深度等關(guān)鍵部件參數(shù)，提高了殘膜回收率.

1整機(jī)結(jié)構(gòu)及主要技術(shù)參數(shù)

1.1整機(jī)結(jié)構(gòu)

旱地全膜雙壟溝殘膜回收機(jī)主要由機(jī)架、三點(diǎn)懸掛裝置、彈齒摟膜機(jī)構(gòu)、起膜齒、氣動(dòng)卸膜機(jī)構(gòu)、地輪等組成.其結(jié)構(gòu)如圖1所示.

1.2工作原理

該機(jī)作業(yè)時(shí)，整機(jī)三點(diǎn)懸掛于四輪拖拉機(jī)尾部，拖拉機(jī)驅(qū)動(dòng)殘膜回收機(jī)前進(jìn)并帶動(dòng)起膜齒入土起膜、破根茬.前摟膜耙齒將殘膜收集在其耙齒之間，由于前、中、后摟膜耙齒相互錯(cuò)開、齒間間距依次變小、齒數(shù)依次變多，中、后摟膜耙齒可將前耙齒漏掉的殘膜進(jìn)行第二、三次收集.當(dāng)殘膜收集到一定程度時(shí)，通過氣泵驅(qū)動(dòng)平行四桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)卸膜齒轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行自動(dòng)卸膜.

1.3技術(shù)指標(biāo)

旱地全膜雙壟溝殘膜回收機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示.

2正交試驗(yàn)

2.1試驗(yàn)條件

旱地全膜雙壟溝殘膜回收機(jī)于2014年在甘肅省慶陽市西峰區(qū)后官寨鄉(xiāng)路堡村進(jìn)行了數(shù)次田間試驗(yàn).試驗(yàn)地海拔高度為1 421 m，年均降水量480 mm，年均氣溫8.8 ℃，全年無霜期175 d，屬于黃土高原干旱地區(qū).試驗(yàn)地地勢(shì)較緩，土壤以中壤土為主，含水率18.9%～20.3%，堅(jiān)實(shí)度1 560.3 kPa，前茬作物為玉米，試驗(yàn)對(duì)象為兩年用地膜，厚度為0.006 mm，抗拉強(qiáng)度為17.84 N.機(jī)具與東方紅-200型四輪拖拉機(jī)(14.7 kW)三點(diǎn)懸掛連接，作業(yè)速度為1.0 m/s.旱地全膜雙壟溝殘膜回收機(jī)的田間試驗(yàn)如圖2所示，殘膜回收前后的對(duì)比效果如圖3所示.

1：平行四桿機(jī)構(gòu);2：三點(diǎn)懸掛裝置;3：氣泵;4：起膜齒;5：地輪;6：前摟膜耙齒;7：機(jī)架;8：中摟膜耙齒;9：卸膜齒;10：后摟膜耙齒.

圖1　殘膜回收機(jī)結(jié)構(gòu)圖

2.2試驗(yàn)指標(biāo)

按照殘膜回收的農(nóng)藝要求，并更好地對(duì)殘膜回收機(jī)進(jìn)行定量分析，確定該試驗(yàn)指標(biāo)為回收率，計(jì)算方法如下：

圖2　殘膜回收機(jī)田間試驗(yàn)

圖3　殘膜回收前后對(duì)比效果

2.3試驗(yàn)方法

以兩個(gè)工作幅寬(1.6 m×2)為寬，試驗(yàn)地地長(zhǎng)(120 m)為長(zhǎng)劃定一個(gè)單位的矩形試驗(yàn)區(qū)域.殘膜回收后洗凈、晾干，測(cè)定其質(zhì)量，地膜總質(zhì)量以覆膜時(shí)消耗的薄膜量在田間經(jīng)過兩年曝曬、風(fēng)干后的質(zhì)量為準(zhǔn).

2.4試驗(yàn)因素與水平

主要考察易于控制且對(duì)殘膜回收機(jī)的試驗(yàn)指標(biāo)影響最主要的因素：起膜齒齒數(shù)，前、中、后摟膜耙齒齒徑組合和起膜齒入土深度.為滿足試驗(yàn)要求，分別選擇三組不同的起膜齒齒數(shù)(通過減少或增加齒數(shù)來調(diào)節(jié))，摟膜耙齒齒徑組合和起膜齒入土深度(通過螺栓調(diào)節(jié)).由以往經(jīng)驗(yàn)得知，各因子之間的交互效應(yīng)會(huì)對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)產(chǎn)生重要影響，所以上述因子之間的交互作用也是必須得考慮的[14].試驗(yàn)因素與水平見表2.

根據(jù)因素與水平選用L27(313)的正交表來安排試驗(yàn)[14-15]，試驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)果見表3.

表2　試驗(yàn)因素與水平

表3　試驗(yàn)數(shù)據(jù)與結(jié)果

2.5試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.5.1數(shù)據(jù)分析由試驗(yàn)結(jié)果的極差分析可知[15-16]，R=kmax-kmin，故試驗(yàn)指標(biāo)回收率各因子的優(yōu)水平和因素主次順序依次為：C2、B2、A1、[(A×B)1]3、[(A×B)2]1、[(A×C)1]1、[(A×C)2]1、[(B×C)1]2、[(B×C)2]3，則其較優(yōu)水平組合為C2B2A1.

為得到最優(yōu)水平組合，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析[15]，結(jié)果如表4所示.從方差分析結(jié)果可以得出：對(duì)回收率來說，因子A、B和C對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響是高度顯著的，其他因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響是不顯著的.由于試驗(yàn)結(jié)果指標(biāo)是回收率，數(shù)據(jù)越大意味著殘膜回收機(jī)的作業(yè)質(zhì)量越高，故最大的回收率參數(shù)為A1B2C2與極差分析結(jié)果相一致.

2.5.2各因子對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響分析

2.5.2.1起膜齒齒數(shù)起膜齒齒數(shù)過少，起膜齒入土破茬起膜不充分；齒數(shù)過多會(huì)導(dǎo)致殘膜堵塞在起膜齒之間，通過性能差，不利于摟膜耙齒對(duì)殘膜的收集，從而降低了殘膜回收率，故因素A(起膜齒齒數(shù))在第一水平(4個(gè))時(shí)，殘膜回收率最高.

2.5.2.2前、中、后摟膜耙齒齒徑組合機(jī)具作業(yè)時(shí)，土壤對(duì)前、中、后摟膜耙齒的作用力依次減小，則前、中、后摟膜耙齒的剛性(齒徑)應(yīng)依次變小.摟膜耙齒齒徑過細(xì)，剛性較小，不利于入土作業(yè)，齒徑過粗，剛性較大，殘膜回收機(jī)仿形性能差，拾凈率低，故因素B(前、中、后摟膜耙齒齒徑組合)在第二水平(10-8-6 mm)時(shí)，殘膜回收率最高.

2.5.2.3起膜齒入土深度起膜齒入土深度過小，深層地膜得不到有效回收，由于摟膜耙齒無法達(dá)到過大的入土深度，起膜齒入土深度過大不會(huì)使拾凈率增大，相反會(huì)增加殘膜回收機(jī)的功耗且不利于摟膜耙齒通過，會(huì)在一定程度上降低殘膜回收率，故因素C(起膜齒入土深度)在第二水平(50 mm)時(shí)，殘膜回收率最高.

2.5.3試驗(yàn)驗(yàn)證為了驗(yàn)證該工作參數(shù)的科學(xué)性與合理性，選取了上述試驗(yàn)中回收率效果較好的試驗(yàn)條件做重復(fù)試驗(yàn).以表3中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)為依據(jù)，選取試驗(yàn)號(hào)為1、5、8、15、20、24的試驗(yàn)條件進(jìn)行多次重復(fù)試驗(yàn).試驗(yàn)結(jié)果如表5所示.由表5中可知，最好的工作參數(shù)條件是：起膜齒齒數(shù)為4個(gè)，前、中、后摟膜耙齒齒徑組合為10-8-6 mm，起膜齒入土深度為50 mm，與正交試驗(yàn)分析和因素對(duì)指標(biāo)的影響分析相吻合.以此參數(shù)進(jìn)行殘膜回收作業(yè)，殘膜回收率最高，在93%以上.

表4　試驗(yàn)數(shù)據(jù)方差分析

表5　試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果

3結(jié)論

1)針對(duì)西北旱地土壤板結(jié)嚴(yán)重，膜纏根茬而導(dǎo)致的全膜雙壟溝殘膜回收機(jī)回收率低的問題，對(duì)殘膜回收機(jī)進(jìn)行了試驗(yàn)分析與參數(shù)優(yōu)化.

2)通過正交試驗(yàn)得到影響回收率因素的主次順序，確定了殘膜回收機(jī)最優(yōu)參數(shù)組合：起膜齒齒數(shù)為4個(gè)，前、中、后摟膜耙齒齒徑組合為10-8-6 mm，起膜齒入土深度為50 mm.

3)重復(fù)試驗(yàn)結(jié)果表明：該機(jī)的殘膜回收率為93.4%>75%，很好地滿足了殘膜回收的農(nóng)藝要求.

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(責(zé)任編輯趙曉倩)

收稿日期：2014-05-28；修回日期：2014-07-08

基金項(xiàng)目：甘肅省科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目(1204NKCA091).

通信作者：高愛民，男，博士，講師，主要從事農(nóng)業(yè)工程技術(shù)與裝備研究.E-mail:gaoaimin@gsau.edu.cn

中圖分類號(hào)：S 223.5

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1003-4315(2015)02-0160-05