蔣德莉，陳學(xué)庚※，顏利民，莫毅松，楊松梅，王昭宇

（1.石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院，石河子832003；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部西北農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，石河子832003；3.常州漢森機(jī)械有限公司，常州213034；4.吉林大學(xué)生物與農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，長春130022）

0 引 言

地膜覆蓋作為一種農(nóng)業(yè)栽培技術(shù)，因具有增溫保墑、抑制雜草等功能被廣泛應(yīng)用[1-2]，但中國農(nóng)田地膜回收率不足60%，地膜殘留導(dǎo)致土壤物理結(jié)構(gòu)層次破壞和“白色污染”等一系列問題，殘膜污染治理工作刻不容緩[3-6]。人工撿拾殘膜回收效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、成本高，機(jī)械化回收已成為解決殘膜污染問題的有效手段[7-9]。目前，國內(nèi)外眾多科研工作者對(duì)殘膜回收機(jī)械進(jìn)行了研制。國外使用的地膜厚度大、拉伸強(qiáng)度好，地膜回收機(jī)械多采用卷收原理，如Rocca 等[10]研制了一種具有鏈?zhǔn)絺魉脱b置的地膜回收機(jī)，地膜通過鏈?zhǔn)絺魉脱b置傳送到卷膜輥上實(shí)現(xiàn)回收。國內(nèi)學(xué)者劉旋峰等[11]設(shè)計(jì)了一種滾筒式殘膜回收機(jī)，田間殘膜拾凈率為88.2%。戴飛等[12]設(shè)計(jì)了一種帆布帶式馬鈴薯挖掘-殘膜回收聯(lián)合作業(yè)機(jī)，田間驗(yàn)證試驗(yàn)表明，提土-全膜面覆土裝置覆土合格率均值為99.6%。羅凱等[13]設(shè)計(jì)了一種鏈篩式耕層殘膜回收機(jī)，針對(duì)耕層碎片化殘膜進(jìn)行了回收和膜土分離研究，殘膜回收率為85.07%。王旭峰等[14]設(shè)計(jì)了一種起膜拋送、鏈齒輸送和自動(dòng)脫膜的拋膜鏈齒輸送式殘膜回收機(jī)，解決了殘膜回收中纏繞、卸膜難的問題，地表殘膜回收率為91.8%。現(xiàn)階段研制的殘膜回收機(jī)回收率較高，但大部分機(jī)具存在回收后殘膜纏繞嚴(yán)重，棉殼、棉稈、土壤等雜質(zhì)分離較難，因此回收殘膜資源化利用困難，而直接焚燒或集中堆放又造成極大的資源浪費(fèi)和嚴(yán)重的二次污染。殘膜作為一種可循環(huán)利用材料，只有將殘膜和雜質(zhì)分離開來，才能實(shí)現(xiàn)殘膜的回收利用，減少污染。

殘膜回收作業(yè)中的膜雜分離裝置主要分為2 大類：一類是在田間殘膜回收過程中直接進(jìn)行膜雜分離，主要研究成果如Brooks[15]、趙巖等[16-17]；另一類是將殘膜、棉稈、土壤等回收集中后，再利用膜雜分離裝置進(jìn)行膜雜混合物分離，主要研究成果如康建明等[18-19]。目前的膜雜分離裝置主要采用風(fēng)選法、振動(dòng)法和浮力漂選法等進(jìn)行膜與雜分離。因殘膜具有輕、柔、易吸附和纏繞等特性，回收后的殘膜與秸稈、土壤等雜質(zhì)進(jìn)一步纏繞，致使集膜箱短時(shí)間內(nèi)被集滿，作業(yè)時(shí)頻繁停機(jī)卸膜，嚴(yán)重影響作業(yè)效率，同時(shí)后續(xù)膜雜分離困難、分離效果不佳，因此，亟需對(duì)在殘膜撿拾回收作業(yè)中同時(shí)完成膜雜分離的技術(shù)進(jìn)行研究。針對(duì)膜雜分離問題，課題組設(shè)計(jì)了一種可將膜面翻轉(zhuǎn)而清除雜質(zhì)的隨動(dòng)式殘膜回收秸稈粉碎聯(lián)合作業(yè)機(jī)，對(duì)其關(guān)鍵部件—秸稈粉碎輸送裝置和殘膜撿拾裝置等進(jìn)行了設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[20-21]。為進(jìn)一步明確隨動(dòng)式殘膜回收機(jī)清雜系統(tǒng)作業(yè)參數(shù)對(duì)殘膜回收作業(yè)性能的影響，本文通過理論分析和二次回歸正交組合試驗(yàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，尋求清雜系統(tǒng)優(yōu)化作業(yè)參數(shù)組合，以期為提高殘膜回收作業(yè)質(zhì)量提供技術(shù)和理論基礎(chǔ)。

1 清雜系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 清雜系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

隨動(dòng)式殘膜回收機(jī)主要由起膜裝置、清雜系統(tǒng)、卷膜卸膜裝置、地輪和機(jī)架等組成，其前端與棉花秸稈還田機(jī)通過機(jī)架相連接，主要設(shè)計(jì)參數(shù)指標(biāo)同文獻(xiàn)[21]。清雜系統(tǒng)由撿拾滾筒、一級(jí)雜質(zhì)輸送裝置、二級(jí)雜質(zhì)輸送裝置、地膜撿拾輸送鏈排、脫膜裝置和支架等組成，如圖1所示。撿拾滾筒徑向均布柵格板，柵格板之間形成間隙便于雜質(zhì)落入。地膜撿拾輸送鏈排沿?fù)焓皾L筒軸向排列，并形成漏雜間隙，清雜系統(tǒng)作業(yè)幅寬為2 135 mm。

圖1 清雜系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of cleaning system

1.2 清雜系統(tǒng)工作原理

作業(yè)時(shí)，拖拉機(jī)牽引聯(lián)合作業(yè)機(jī)前行，動(dòng)力由拖拉機(jī)后輸出軸傳遞至秸稈還田機(jī)刀軸，高速旋轉(zhuǎn)的刀軸將棉稈切碎，并將切碎的棉稈、膜面棉殼、土壤等混合物后拋至秸稈還田機(jī)的螺旋輸送機(jī)，輸送機(jī)將混合物輸送拋撒至田間，完成棉花秸稈還田。聯(lián)合作業(yè)機(jī)前進(jìn)過程中，起膜裝置破壞膜下土壤結(jié)構(gòu)，使殘膜與地表分離，同時(shí)將膜上板結(jié)土壤破壞；在地輪的帶動(dòng)下脫膜裝置轉(zhuǎn)動(dòng)，由脫膜裝置、地膜撿拾輸送鏈排和撿拾滾筒形成鏈傳動(dòng)，在脫膜輥和撿拾滾筒上均布圓孔，圓孔與地膜撿拾輸送鏈排底部的圓柱配合傳遞動(dòng)力。撿拾滾筒逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，地膜撿拾輸送鏈排上的釘齒刺破地膜、入土，帶動(dòng)地膜和膜面上雜質(zhì)逆時(shí)針逐漸翻轉(zhuǎn)并向上輸送，在重力和振動(dòng)條件下，膜面上的秸稈、土壤和棉殼等雜質(zhì)與殘膜分離，分離后的雜質(zhì)落入撿拾滾筒中和二級(jí)雜質(zhì)輸送裝置內(nèi)；一級(jí)和二級(jí)雜質(zhì)輸送裝置內(nèi)的螺旋輸送器將分離后的雜質(zhì)輸送至機(jī)具兩側(cè)，完成殘膜回收作業(yè)中膜雜分離和雜質(zhì)輸送。殘膜隨地膜撿拾輸送鏈排繼續(xù)向上輸送，在脫膜裝置處完成脫膜作業(yè)。

圖2 清雜系統(tǒng)傳動(dòng)系統(tǒng)示意圖Fig.2 Transmission system diagram of cleaning system

1.3 清雜系統(tǒng)傳動(dòng)系統(tǒng)

清雜系統(tǒng)傳動(dòng)系統(tǒng)中，拖拉機(jī)后置動(dòng)力輸出軸經(jīng)萬向傳動(dòng)軸和中間傳動(dòng)，將動(dòng)力傳遞至一級(jí)雜質(zhì)輸送軸，一級(jí)雜質(zhì)輸送軸經(jīng)鏈傳動(dòng)，帶動(dòng)二級(jí)雜質(zhì)輸送軸轉(zhuǎn)動(dòng)。同時(shí)在拖拉機(jī)的牽引下整機(jī)前進(jìn)，帶動(dòng)地輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)，地輪軸通過二級(jí)鏈輪傳動(dòng)帶動(dòng)脫膜輥轉(zhuǎn)動(dòng)，脫膜輥通過地膜撿拾輸送鏈排帶動(dòng)撿拾滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)。清雜系統(tǒng)傳動(dòng)系統(tǒng)可以通過改變鏈傳動(dòng)和中間傳動(dòng)速比進(jìn)行各裝置的速度調(diào)整。

2 膜雜分離過程分析

2.1 輸送鏈速度分析

脫膜輥和撿拾滾筒上各均布16個(gè)和40個(gè)圓孔，相鄰2 個(gè)圓孔間距離40 mm，由脫膜裝置、地膜撿拾輸送鏈排和撿拾滾筒形成的鏈傳動(dòng)，可簡化為主動(dòng)輪齒數(shù)為16、從動(dòng)輪齒數(shù)為40、節(jié)距為40 mm 的鏈傳動(dòng)，其結(jié)構(gòu)簡圖和傳動(dòng)速度分析如圖3a所示。

由圖3a幾何關(guān)系可知，輸送鏈的平均速度為

圖3 地膜輸送鏈速度分析Fig.3 Velocity analysis of plastic film conveyor chain

式中v為地膜輸送鏈的平均速度，m/s；z1、z2為主、從動(dòng)輪齒數(shù)，即脫膜輥和撿拾滾筒圓環(huán)上圓孔數(shù)；p 為鏈節(jié)距，即脫膜輥和撿拾滾筒圓環(huán)上圓孔間距，mm。

在傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力傳輸下，地輪帶動(dòng)脫膜輥轉(zhuǎn)動(dòng)，脫膜裝置轉(zhuǎn)速為

式中i1,i2為地輪與鏈輪、鏈輪與脫膜裝置傳動(dòng)比：vm為地輪線速度，同機(jī)具前進(jìn)速度，m/s；D0為地輪直徑，m。

隨動(dòng)式殘膜回收機(jī)作業(yè)時(shí)，脫膜輥帶動(dòng)地膜撿拾輸送鏈排釘齒將地膜挑起翻轉(zhuǎn)180°并向上輸送，膜面上雜質(zhì)隨地膜一起運(yùn)動(dòng)，并通過撿拾滾筒上的間隙和地膜撿拾輸送鏈排排列形成的間隙落入雜質(zhì)輸送裝置中。當(dāng)機(jī)具前進(jìn)速度vm大于鏈的平均速度v時(shí)，即相同時(shí)間內(nèi)，待撿拾的殘膜長度大于鏈排輸送殘膜的長度，則殘膜撿拾輸送過程中出現(xiàn)殘膜堆積，膜面上秸稈、土壤等雜質(zhì)被包裹，膜雜分離困難，如圖3b所示；當(dāng)機(jī)具前進(jìn)速度vm小于或等于鏈的平均速度v時(shí)，即相同時(shí)間內(nèi)，待撿拾的殘膜長度小于或等于鏈排輸送殘膜的長度，則殘膜撿拾輸送作業(yè)中殘膜被拉伸或?yàn)槠秸範(fàn)顟B(tài)。適當(dāng)?shù)睦鞎?huì)使地膜平整，增大地膜延展面積，能有效分離膜面上棉稈、棉殼、土壤等雜質(zhì)。

殘膜回收作業(yè)中，為降低回收殘膜含雜率，地膜輸送鏈速度（即鏈的平均速度）應(yīng)大于機(jī)具前進(jìn)速度。為保證殘膜撿拾率同時(shí)提高整機(jī)作業(yè)效率，經(jīng)前期田間試驗(yàn)，確定機(jī)具前進(jìn)速度（即地輪線速度）vm的范圍為1.12～1.80 m/s（4.0～6.5 km/h），地膜輸送鏈速度v的范圍為1.34～2.17 m/s（4.8～7.8 km/h）。

2.2 輸送鏈振動(dòng)分析

如圖3a所示，在鏈傳動(dòng)中，地膜撿拾輸送鏈節(jié)A牽引鏈條沿直線運(yùn)動(dòng)，由圖3a鏈傳動(dòng)速度分析可知，鏈節(jié)A的徑向運(yùn)動(dòng)速度為

由式（3）可知，鏈條沿垂直方向分速度vy1與脫膜輥半徑R1、脫膜輥轉(zhuǎn)速n1、鉸鏈線速度與鏈條直線運(yùn)動(dòng)方向的夾角β等有關(guān)。因β隨鏈節(jié)呈周期性變化，則鏈條沿垂直方向分速度vy1也呈周期性變化[22]。鏈條與撿拾滾筒和脫膜輥的嚙合周期性沖擊以及多邊形效應(yīng)使地膜撿拾輸送鏈排產(chǎn)生橫向振動(dòng)即上下振動(dòng)[23]。鏈排振動(dòng)能加速分離膜面上土壤、棉稈等雜質(zhì)，降低回收殘膜含雜率。因脫膜輥直徑為定值，可通過改變脫膜輥轉(zhuǎn)速和夾角β 改變鏈傳動(dòng)的橫向振幅。在支架上設(shè)計(jì)橫向長孔（如圖3b），通過調(diào)節(jié)撿拾滾筒定位銷與支架長孔位置改變脫膜輥與撿拾滾筒中心位置，改變鉸鏈線速度與鏈條直線運(yùn)動(dòng)方向的夾角β，進(jìn)而調(diào)整鏈排振動(dòng)。根據(jù)鏈排長度及傳動(dòng)要求，鏈排理論長度可縮短小于40 mm。因鏈排節(jié)距為40 mm，當(dāng)鏈排理論長度縮短大于40 mm 時(shí)，在傳動(dòng)過程中將出現(xiàn)跳齒。根據(jù)鏈排鏈接銷孔直徑與鏈排鏈接銷軸直徑偏差，以及脫膜輥和撿拾滾筒圓環(huán)上圓孔與地膜撿拾輸送鏈排底部的圓柱的配合偏差，在牽引力作用下，鏈排理論長度可適當(dāng)伸長。為便于記錄撿拾滾筒調(diào)整范圍和建立坐標(biāo)系，經(jīng)前期田間試驗(yàn)調(diào)整，以支架長孔中心與撿拾滾筒中心在豎直方向的重合點(diǎn)為原點(diǎn)建立坐標(biāo)系，確定撿拾滾筒沿機(jī)具前進(jìn)方向可正負(fù)調(diào)整30 mm(-30 ～30 mm)。

2.3 雜質(zhì)清理輸送過程分析

殘膜回收作業(yè)中，與膜分離的棉稈、土壤、棉殼等雜質(zhì)落入一級(jí)和二級(jí)雜質(zhì)輸送裝置中，通過螺旋輸送器的旋轉(zhuǎn)將雜質(zhì)輸送至田間。螺旋輸送器的輸送量應(yīng)大于或等于其最大喂入量[24]。即

式中Q 為輸送量，t/h；D 為螺旋葉片直徑，m；φ 為螺旋輸送器的填充系數(shù)；S為螺距，m；ρ為物料松散密度，與原料的種類、濕度、切料的長度等多種因素有關(guān)；C 為傾斜輸送修正系數(shù)；q為雜質(zhì)最大喂入量，t/h。

為了測得殘膜撿拾輸送作業(yè)中土壤、秸稈等雜質(zhì)的質(zhì)量，將棉花秸稈還田-隨動(dòng)式殘膜回收聯(lián)合作業(yè)機(jī)殘膜撿拾部件升起，只進(jìn)行秸稈粉碎作業(yè)，作業(yè)后測得單幅膜面（膜寬為2 050 mm）在長度方向上的土壤、秸稈等雜質(zhì)的質(zhì)量為2.47 kg/m，則輸送裝置的雜質(zhì)最大喂入量為

式中（vm）max為機(jī)具前進(jìn)速度最大值，km/h

查表可得[25]，物料填充系數(shù)φ=0.3，物料松散密度ρ=0.92 t/m3，由于二級(jí)雜質(zhì)輸送裝置為水平放置，傾斜輸送修正系數(shù)C=1，螺旋葉片直徑D=0.2 m，螺距S=0.185 m，經(jīng)前期試驗(yàn)，機(jī)具前進(jìn)速度最大值（vm）max為6.5 km/h，將上述各值代入式（5）得二級(jí)雜質(zhì)輸送裝置轉(zhuǎn)速為

螺旋軸轉(zhuǎn)速是影響物料輸送穩(wěn)定性的主要因素[26]，為保證裝置輸送效率，確保裝置輸送能力具備較大余量，結(jié)合前期單因素試驗(yàn)，確定一級(jí)和二級(jí)雜質(zhì)輸送裝置轉(zhuǎn)速n3、n4的變化范圍為180 ～300 r/min。

在傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力傳遞中，一級(jí)、二級(jí)雜質(zhì)輸送裝置轉(zhuǎn)速可通過改變式（7）中i3和i4獲得需要的雜質(zhì)輸送裝置轉(zhuǎn)速。

3 清雜系統(tǒng)作業(yè)參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)材料

2018年10月25 日至2018年10月27日，在新疆石河子市145團(tuán)3分場耐候型地膜基地進(jìn)行的田間試驗(yàn)。

試驗(yàn)儀器：棉花秸稈還田-隨動(dòng)式殘膜回收聯(lián)合作業(yè)機(jī)樣機(jī)，約翰迪爾904拖拉機(jī)，電子稱（滿量程7 000 g，精度1 g），電子稱（滿量程500 g，精度0.001 g），智能型數(shù)字轉(zhuǎn)速表（99 999 r/min，測量精度±（0.05%+1d）），皮尺（量程50 m，精度0.002 m），土壤水分速測儀（型號(hào)：Field-Scout TDR300，量程0～100%，精度為0.1%），水分測定儀（型號(hào)：Sartorius-MA45，精度0.01%），編織袋，記號(hào)筆等。試驗(yàn)前用記號(hào)筆標(biāo)識(shí)撿拾滾筒安裝調(diào)整位置，便于調(diào)試安裝。

試驗(yàn)材料：回收殘膜為耐候型地膜（地膜厚度0.01 mm），地膜鋪設(shè)和棉花播種時(shí)間為2018 年4 月20 日。根據(jù)GB/T 5262-2008《農(nóng)業(yè)機(jī)械試驗(yàn)條件測定方法的一般規(guī)定》的標(biāo)準(zhǔn)，運(yùn)用5 點(diǎn)法在田間試驗(yàn)地區(qū)測試土壤含水率、棉稈含水率和作業(yè)前5 m 范圍內(nèi)表層殘膜和邊膜質(zhì)量。測得土壤平均含水率為17.1%，棉稈平均含水率為24.62%，作業(yè)前5 m 內(nèi)表層殘膜洗凈后平均質(zhì)量為85.721 g（根據(jù)地膜寬度為2 050 mm，計(jì)算得單位面積內(nèi)表層殘膜平均質(zhì)量為8.36 g/m2）。

3.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.2.1 試驗(yàn)因素

由第2 節(jié)分析可知，殘膜回收作業(yè)時(shí)，地膜撿拾輸送鏈排在輸送地膜過程中，膜面上的土壤、棉稈等雜質(zhì)在重力和振動(dòng)作用下實(shí)現(xiàn)膜雜分離。膜雜分離率與機(jī)具前進(jìn)速度、鏈條輸送殘膜速度和輸送鏈排振動(dòng)等相關(guān)，雜質(zhì)輸送性能與一級(jí)、二級(jí)雜質(zhì)輸送裝置轉(zhuǎn)速有關(guān)。與殘膜分離后的土壤、秸稈等雜質(zhì)主要落入二級(jí)雜質(zhì)輸送裝置中，故以二級(jí)雜質(zhì)輸送裝置轉(zhuǎn)速為試驗(yàn)因素，同時(shí)以二級(jí)雜質(zhì)輸送裝置的工作性能為評(píng)價(jià)指標(biāo)，一級(jí)雜質(zhì)輸送裝置轉(zhuǎn)速同二級(jí)雜質(zhì)輸送裝置轉(zhuǎn)速。故選取機(jī)具前進(jìn)速度x1、地膜輸送鏈速度x2、撿拾滾筒安裝位置x3、二級(jí)雜質(zhì)輸送裝置轉(zhuǎn)速x4為試驗(yàn)因素，試驗(yàn)采用二次回歸正交組合設(shè)計(jì)試驗(yàn)方法[27]，各試驗(yàn)因素水平根據(jù)公式（8）取值，如表1所示。

式中zij為各因素水平編碼值；xij為因素水平自然值；x0j為試驗(yàn)因素xj的零水平，x1j為試驗(yàn)因素xj的下水平，x2j為試驗(yàn)因素xj的上水平Δj為因素xj的變化間距；γ 為r 星號(hào)臂，根據(jù)試驗(yàn)因素個(gè)數(shù)和中心點(diǎn)試驗(yàn)次數(shù)，取值為1.719。

表1 試驗(yàn)因素水平及編碼表Table 1 Test factor level and coding table

3.2.2 試驗(yàn)指標(biāo)及計(jì)算方法

隨動(dòng)式殘膜回收機(jī)清雜系統(tǒng)的性能指標(biāo)包括回收殘膜的膜雜分離率和雜質(zhì)輸送性能。前期田間試驗(yàn)表明，二級(jí)雜質(zhì)輸送裝置在土壤和棉稈較多時(shí)易發(fā)生堵塞，對(duì)裝置結(jié)構(gòu)和工作參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)后的田間試驗(yàn)結(jié)果表明[28]，雜質(zhì)輸送裝置能有效將土壤、棉稈等雜質(zhì)輸送拋撒至田間，滿足清雜系統(tǒng)工作要求。故本文清雜系統(tǒng)工作參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)以雜質(zhì)輸送效率作為雜質(zhì)輸送裝置的性能指標(biāo)[29]。機(jī)具前進(jìn)速度和地膜輸送鏈速度不僅影響膜雜分離率，也影響殘膜撿拾率，故本文以殘膜撿拾率作為試驗(yàn)性能指標(biāo)。1）殘膜撿拾率Y1

在測定區(qū)域內(nèi)的2.5～7.5 m、7.5～12.5 m和12.5～17.5 m的3 個(gè)5 m 范圍內(nèi)，撿拾作業(yè)后地表殘膜，洗凈晾干后稱質(zhì)量，計(jì)算殘膜撿拾率平均值。計(jì)算公式為

式中Y1為殘膜撿拾率，%；W 為作業(yè)后地表殘膜質(zhì)量，g；W0為作業(yè)前地表殘膜質(zhì)量，g。

2）膜雜分離率Y2

在測定區(qū)內(nèi)，收集回收殘膜、膜桿和土壤等混合物并稱其總質(zhì)量，人工抖動(dòng)分離殘膜、棉稈、土壤等雜質(zhì)，稱殘膜質(zhì)量。膜雜分離率計(jì)算公式為

式中Y2為膜雜分離率，%；W1為回收殘膜質(zhì)量，g；W2為回收殘膜和棉稈、土壤等雜質(zhì)的總質(zhì)量，g。

3)雜質(zhì)輸送效率Y3

棉稈、棉殼和土壤等雜質(zhì)在輸送過程中易于相互纏繞，因此，在葉片摩擦力作用下雜質(zhì)物料做圓周運(yùn)動(dòng)[26]。選取雜質(zhì)物料群為研究對(duì)象，通過試驗(yàn)測得雜質(zhì)物料群輸送2 125 mm（雜質(zhì)輸送裝置長度）所用時(shí)間的平均值，以此計(jì)算雜質(zhì)物料群的平均運(yùn)動(dòng)速度（v0，m/s）。為了分析物料的實(shí)際前移速度與理論速度的差異，本文將雜質(zhì)物料的平均速度與葉片的軸向速度之比定義為物料群的輸送效率。

式中Y3為雜質(zhì)輸送效率，%；v0為雜質(zhì)平均運(yùn)動(dòng)速度，m/s；vx為螺旋葉片的軸向速度，m/s。

3.2.3 試驗(yàn)方法

根據(jù)GB／T 25412—2010《殘地膜回收機(jī)》和GB/T 5262—2008《農(nóng)業(yè)機(jī)械試驗(yàn)條件測定方法的一般規(guī)定》進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)區(qū)由10 m速度穩(wěn)定區(qū)和20 m測試區(qū)組成。穩(wěn)定區(qū)在試驗(yàn)前完成秸稈粉碎和殘膜回收作業(yè)，不同地膜輸送鏈速度通過更換鏈輪齒數(shù)獲得，二級(jí)雜質(zhì)輸送裝置轉(zhuǎn)速通過改變中間傳動(dòng)比獲得，每組試驗(yàn)進(jìn)行2 次重復(fù)，試驗(yàn)結(jié)果取平均值。

4 結(jié)果與分析

采用二次回歸正交組合設(shè)計(jì)試驗(yàn)方法對(duì)清雜系統(tǒng)作業(yè)參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。根據(jù)試驗(yàn)因素，二水平試驗(yàn)全實(shí)施16 組，星號(hào)點(diǎn)試驗(yàn)8 組，共計(jì)24 組析因點(diǎn)試驗(yàn)，選擇6 組零水平中心點(diǎn)試驗(yàn)用以誤差估計(jì)，共計(jì)30 組回歸正交組合試驗(yàn)，試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案及結(jié)果如表2所示。

表2 試驗(yàn)方案與結(jié)果Table 2 Test scheme and results

4.1 回歸模型及顯著性檢驗(yàn)

運(yùn)用Design-Expert.8.0.6 軟件對(duì)表2 試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析，剔除模型中顯著性大于0.05的系數(shù)項(xiàng)，結(jié)果如表3所示。試驗(yàn)指標(biāo)與因素之間的回歸模型為

回歸模型P＜0.000 1，說明模型極顯著，失擬項(xiàng)不顯著，表明在試驗(yàn)范圍內(nèi)，回歸模型預(yù)測值與實(shí)際值擬合度好，3 個(gè)試驗(yàn)指標(biāo)決定系數(shù)R2分別為0.9854、0.9845 和0.9720，表明回歸模型可以解釋98.54%、98.45% 和97.20%的試驗(yàn)數(shù)據(jù)變異性，預(yù)測值與實(shí)際值高度相關(guān)，可用此模型對(duì)殘膜撿拾率、膜雜分離率和輸送效率等試驗(yàn)指標(biāo)進(jìn)行分析和預(yù)測。

4.2 各因素對(duì)殘膜撿拾率的影響

回歸方程中，系數(shù)絕對(duì)值大小決定該因素對(duì)殘膜撿拾率的影響大小[30]。由回歸方程和表3 可知，各因素對(duì)殘膜撿拾率的影響重要性依次為撿拾滾筒安裝位置x3、機(jī)具前進(jìn)速度x1、地膜輸送鏈速度x2。任意固定某2 個(gè)因素在0 水平，研究其余2 個(gè)因素間的交互效應(yīng)，各因素的交互響應(yīng)曲面和等高線如圖4 所示。由表3 和圖4 可以看出，x1x2、x2x3對(duì)殘膜撿拾率Y1有顯著影響。機(jī)具前進(jìn)速度和地膜輸送鏈速度的交互作用最大，其次為地膜輸送鏈速度和撿拾滾筒安裝位置的交互作用。

圖4 因素交互作用對(duì)殘膜撿拾率的影響Fig.4 Effect of factor interaction on picking rate of residual film

由圖4a 可以看出，殘膜撿拾率隨著機(jī)具前進(jìn)速度的增加，呈先增后降的趨勢，當(dāng)機(jī)具前進(jìn)速度約為1.46 m/s 時(shí)殘膜撿拾率達(dá)到最大值；當(dāng)機(jī)具前進(jìn)速度一定時(shí)，隨著地膜輸送鏈速度的增加，殘膜撿拾率也呈現(xiàn)先增后減的趨勢，當(dāng)?shù)啬ぽ斔玩溗俣燃s為1.75 m/s 時(shí)殘膜撿拾率達(dá)到最大值。由響應(yīng)曲面變化趨勢看出，當(dāng)?shù)啬ぽ斔玩溗俣扰c機(jī)具前進(jìn)速度之比約為1.2 時(shí)，殘膜撿拾率處于較大區(qū)域。由圖4b 可以看出，殘膜撿拾率隨著地膜輸送鏈速度的增加先增后減；當(dāng)?shù)啬ぽ斔玩溗俣炔蛔儠r(shí)，隨著撿拾滾筒安裝位置的后移，殘膜撿拾率逐漸增大，但趨勢不明顯。

表3 試驗(yàn)指標(biāo)方差分析Table 3 Analysis of variance of test indicators

4.3 各因素對(duì)膜雜分離率的影響

由表3可知，機(jī)具前進(jìn)速度(x1)、地膜輸送鏈速度(x2)、撿拾滾筒安裝位置(x3)、二級(jí)雜質(zhì)輸送裝置轉(zhuǎn)速（x4）對(duì)膜雜分離率(Y2)的影響重要性順序?yàn)閤3、x1、x2。根據(jù)二次回歸模型式(13)作出因素之間關(guān)系響應(yīng)面圖，響應(yīng)曲面的形狀能夠反映出交互因素作用的強(qiáng)弱[31-32]。由方差分析F 值可知，機(jī)具前進(jìn)速度(x1)和地膜輸送鏈速度(x2)的交互作用對(duì)膜雜分離率有顯著影響，其響應(yīng)曲面如圖5所示。

分析圖5 可知，機(jī)具前進(jìn)速度與地膜輸送鏈速度的交互作用，對(duì)膜雜分離率的影響趨勢同殘膜撿拾率。當(dāng)?shù)啬ぽ斔玩溗俣扰c機(jī)具前進(jìn)速度之比約為1.2時(shí)，膜雜分離率處于較大區(qū)域。這主要是因?yàn)楫?dāng)?shù)啬ぽ斔玩溗俣却笥跈C(jī)具前進(jìn)速度時(shí)，被撿拾殘膜成拉伸平展?fàn)顟B(tài)，增大膜平展面積，有利于膜面上棉稈、土壤、棉殼等雜質(zhì)與膜分離，提高膜雜分離率。同時(shí)，地膜輸送鏈速度高于機(jī)具前進(jìn)速度，在撿拾殘膜過程中，有利于地膜鏈排輸送鏈排撿拾由起膜裝置鏟起堆積的殘膜。

圖5 機(jī)具前進(jìn)速度與地膜輸送鏈速度對(duì)膜雜分離率的影響Fig.5 Effect of forward speed of machine and velocity of plastic film conveyor chain on separation rate of film impurity

4.4 各因素對(duì)雜質(zhì)輸送效率的影響

由表3 方差分析F 值可知，各因素對(duì)雜質(zhì)輸送效率影響重要性順序?yàn)椋憾?jí)雜質(zhì)輸送裝置轉(zhuǎn)速x4、撿拾滾筒安裝位置x3、地膜輸送鏈速度x2和機(jī)具前進(jìn)速度x1。由回歸模型式（14）可知，雜質(zhì)輸送效率與各因素之間成線性關(guān)系且成負(fù)相關(guān)。當(dāng)輸送裝置轉(zhuǎn)速改變時(shí)，棉稈、土壤等與輸送裝置螺旋葉片之間的相對(duì)切向速度發(fā)生變化導(dǎo)致摩擦系數(shù)改變。根據(jù)Stribeck 摩擦模型得知，兩接觸體間的相對(duì)切向速度與摩擦系數(shù)存在一定的非線性，隨著轉(zhuǎn)速的增加，物料與葉片間的摩擦系數(shù)先減小再增大[33-34]。當(dāng)摩擦系數(shù)隨輸送裝置轉(zhuǎn)速的增大而增大時(shí)，棉稈、土壤等雜質(zhì)與螺旋葉片間的摩擦力增大，雜質(zhì)完全黏著在螺旋葉片上做圓周運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而影響輸送效率。當(dāng)?shù)啬ぽ斔玩溗俣群蜋C(jī)具前進(jìn)速度較小時(shí)，雜質(zhì)喂入量小，輸送裝置螺旋內(nèi)的物料量少，在運(yùn)動(dòng)過程中物料松散而相互擠壓力小，基本不產(chǎn)生抱團(tuán)現(xiàn)象，棉稈、土壤等雜質(zhì)不容易做圓周運(yùn)動(dòng)，因此輸送效率高。而當(dāng)輸送裝置內(nèi)棉稈、土壤等的密度達(dá)到一定程度時(shí)，產(chǎn)生聚集、抱團(tuán)現(xiàn)象，在葉片摩擦力的作用下雜質(zhì)做圓周運(yùn)動(dòng)，降低輸送效率[26]。

4.5 作業(yè)參數(shù)優(yōu)化

綜合上述分析，為使殘膜回收作業(yè)質(zhì)量達(dá)到最佳，需使殘膜撿拾率達(dá)到最大，同時(shí)膜雜分離率高。為此建立殘膜撿拾率Y1、膜雜分離率Y2和雜質(zhì)輸送效率Y3的多目標(biāo)函數(shù)的數(shù)學(xué)模型。利用Design-Expert 8.0.6 軟件對(duì)回歸方程進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。清雜系統(tǒng)作為隨動(dòng)式殘膜回收機(jī)的關(guān)鍵核心部件，本文以提高殘膜回收作業(yè)質(zhì)量為目的，同時(shí)考慮到回收殘膜的后處理與再加工利用，故殘膜撿拾率最重要，膜雜分離率次之；殘膜撿拾輸送中與棉稈、土壤等雜質(zhì)分離，分離后雜質(zhì)及時(shí)有效地輸送至機(jī)具外側(cè)是保證清雜系統(tǒng)正常作業(yè)的重要條件，故輸送效率也十分重要，但次于前2 個(gè)指標(biāo)。所以將優(yōu)化求解方程中殘膜撿拾率重要性設(shè)置為5“+”，膜雜分離率設(shè)置為4“+”，輸送效率設(shè)置為1“+”，得到清雜系統(tǒng)作業(yè)參數(shù)最優(yōu)組合：機(jī)具前進(jìn)速度1.26 m/（s4.5 km/h），地膜輸送鏈速度1.55 m/（s5.6 km/h），撿拾滾筒安裝位置-17 mm（即以支架長孔中心與撿拾滾筒中心在豎直方向重合為原點(diǎn)，向機(jī)具前進(jìn)方向調(diào)整17 mm），二級(jí)雜質(zhì)輸送裝置轉(zhuǎn)速205 r/min。優(yōu)化后的殘膜回收作業(yè)性能指標(biāo)理論值為：殘膜撿拾率90.19%，膜雜分離率92.21%，雜質(zhì)輸送效率89.6%。

為驗(yàn)證優(yōu)化結(jié)果的可靠性，采用清雜系統(tǒng)作業(yè)參數(shù)最優(yōu)組合在田間進(jìn)行3次重復(fù)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果取平均值，田間試驗(yàn)情況如圖6 所示。試驗(yàn)測得殘膜撿拾率均值為91.54%，膜雜分離率均值為90.37%，雜質(zhì)輸送效率均值為88.4%，與預(yù)測值誤差分別為1.50%、2.00%和1.34%。試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果表明，回歸模型具有較好的可靠性。

圖6 田間試驗(yàn)Fig.6 Field tests

5 結(jié)論

1）根據(jù)隨動(dòng)式殘膜回收機(jī)清雜系統(tǒng)工作原理和膜雜分離分析，確定了殘膜回收清雜系統(tǒng)作業(yè)質(zhì)量的影響因素和評(píng)價(jià)指標(biāo)。

2）根據(jù)二次回歸正交組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案并進(jìn)行田間試驗(yàn)，采用響應(yīng)曲面分析法對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析，對(duì)多目標(biāo)試驗(yàn)指標(biāo)進(jìn)行了參數(shù)優(yōu)化，通過優(yōu)化得到清雜系統(tǒng)作業(yè)參數(shù)最優(yōu)組合為：機(jī)具前進(jìn)速度1.26 m/s（4.5 km/h），地膜輸送鏈速度1.55 m/s（5.6 km/h），撿拾滾筒安裝位置-17 mm（即以支架長孔中心與撿拾滾筒中心在豎直方向重合為原點(diǎn)，向機(jī)具前進(jìn)方向調(diào)整17 mm），二級(jí)雜質(zhì)輸送裝置轉(zhuǎn)速205 r/min。在最優(yōu)參數(shù)組合下殘膜撿拾率為90.19%，膜雜分離率為92.21%，雜質(zhì)輸送效率為89.6%。

3）田間驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果表明回歸模型能很好地預(yù)測殘膜回收作業(yè)指標(biāo)，清雜系統(tǒng)在最優(yōu)作業(yè)參數(shù)組合下工作時(shí)，殘膜撿拾率為91.54%，膜雜分離率為90.37%，輸送效率為88.4%，與預(yù)測值誤差分別為1.50%、2.00% 和1.34%。試驗(yàn)效果良好，滿足作業(yè)要求。