郭文松，賀小偉,，王 龍,，趙鵬飛，胡 燦，侯書林，王旭峰

·農(nóng)業(yè)裝備工程與機(jī)械化·

梳齒起膜氣力脫膜式耕層殘膜回收機(jī)研制

郭文松1，賀小偉1,2，王 龍1,2，趙鵬飛1，胡 燦1，侯書林2，王旭峰1※

（1. 塔里木大學(xué)機(jī)械電氣化工程學(xué)院，阿拉爾 843300；2. 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京 100083）

為了解決耕層殘膜污染問題，該研究設(shè)計了一種梳齒起膜氣力脫膜式耕層殘膜回收機(jī)。該機(jī)主要由機(jī)架、梳齒、梳齒輥、重力沉降室、離心風(fēng)機(jī)組成。梳齒輥是該回收機(jī)的核心機(jī)構(gòu)，其輥筒上布置有多排梳齒，通過梳齒輥的旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)松土和殘膜-土壤分離；利用EDEM離散元軟件建立梳齒輥模型，仿真研究了梳齒排列方式和梳齒結(jié)構(gòu)對梳齒輥入土過程中前進(jìn)阻力和阻力矩的影響，確定了齒刀螺旋排列方式。吸膜機(jī)構(gòu)的作用是實現(xiàn)殘膜的連續(xù)回收及膜土分離。建立了殘膜在吸膜區(qū)的運動學(xué)方程，通過對方程分析求解，探明了梳齒輥轉(zhuǎn)速和吸膜口風(fēng)速對殘膜運動軌跡的影響，確定梳齒輥轉(zhuǎn)速應(yīng)小于120 r/min，吸膜口風(fēng)速應(yīng)大于15 m/s。為了獲得回收機(jī)的最佳作業(yè)參數(shù)組合，進(jìn)行了土槽響應(yīng)曲面優(yōu)化試驗，得出最佳參數(shù)組合：吸膜口與豎直面之間的角度為-7°、機(jī)具前進(jìn)速度為2 km/h、梳齒輥轉(zhuǎn)速為100 r/min、吸膜口風(fēng)速為22 m/s。田間試驗結(jié)果表明：最佳參數(shù)組合作業(yè)時，殘膜拾凈率為55.04%，比預(yù)測值小1.63%，優(yōu)化方法可靠。

農(nóng)業(yè)機(jī)械；設(shè)計；試驗；殘膜；回收；參數(shù)優(yōu)化

0 引 言

農(nóng)田覆膜的種植具有以下優(yōu)點[1-7]：對土壤進(jìn)行保溫保墑，促進(jìn)作物的增產(chǎn)，縮短作物的生育期，抑制雜草生長。但是由于農(nóng)田地膜回收難度較大、成本較高、農(nóng)戶對農(nóng)田地膜回收意識的淡薄，且在地膜覆蓋技術(shù)大面積推廣的前期，政府沒有提出相關(guān)的地膜回收指導(dǎo)性政策，致使大部分農(nóng)田地膜沒有被回收，大量地膜殘留在土壤內(nèi)部[8-10]。殘留在農(nóng)田中的地膜（后文統(tǒng)稱：殘膜）給土壤帶來“白色污染”。新疆作為主要棉花種植區(qū)，其棉花播種面積占全國棉花播種面積的69.4%，據(jù)新疆自治區(qū)農(nóng)業(yè)廳調(diào)查顯示，在新疆常年種植棉花的耕層土壤中，平均殘膜量已達(dá)268.65 kg/hm2，甘肅、內(nèi)蒙古、寧夏等省份的殘膜污染問題同樣突出[11-13]。

為了解決耕層殘膜污染問題，國內(nèi)眾多科研院所開展了農(nóng)田殘膜回收機(jī)具的研究。目前耕層殘膜回收主要采用2種方法：一種是提土篩分的方法，先由提土機(jī)構(gòu)將耕層土壤輸送到振動篩上，然后在振動篩的作用下將土壤和殘膜分離，使用該方法的機(jī)具，其結(jié)構(gòu)龐大、復(fù)雜、功耗較高[14-20]；另一種是梳齒式耕層起膜法，在梳齒連續(xù)轉(zhuǎn)動作用下，梳齒插入耕層土壤中將土壤攪松，并將殘膜從土壤中連續(xù)不斷地挑起到地表，此種方法回收效率高，但存在含雜率高的問題[21-27]。

項目組在2017—2020年研制的梳齒起膜帶刷脫膜式耕層殘膜回收機(jī)[28]，拾凈率達(dá)到74%，但是回收的殘膜含雜率較高，夾雜較多土塊、石塊、棉稈等。為了解決梳齒起膜帶刷脫膜式耕層殘膜回收機(jī)存在的含雜率較高問題，本文設(shè)計了一種梳齒起膜氣力脫膜式耕層殘膜回收機(jī)，并進(jìn)行了試驗與參數(shù)優(yōu)化。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

梳齒起膜氣力脫膜式耕層殘膜回收機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。該機(jī)具作業(yè)幅寬1 m，配套動力>73.5 kW，作業(yè)深度為0～15 cm。

該回收機(jī)采用懸掛方式，整機(jī)動力由拖拉機(jī)的后輸出軸提供，工作時梳齒輥連續(xù)旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動梳齒輥上的梳齒連續(xù)入土，入土的梳齒可以對土壤進(jìn)行開松，并將埋藏于土壤中的殘膜挑到土壤表層，殘膜和雜質(zhì)被梳齒挑起后，在梳齒推力和離心力的作用下經(jīng)過吸膜區(qū)，位于吸膜區(qū)的殘膜和雜質(zhì)受到負(fù)壓氣流的作用被吸入重力沉降室，由于重力沉降室橫截面積增大，因此氣流速度和空氣動力驟然下降，較重的雜質(zhì)沉降到大田里，較輕的殘膜隨著氣流運動直至從出膜口吹出，進(jìn)入安裝于出膜口的紗網(wǎng)。

1.牽引架 2.吸膜口 3.重力沉降室 4.吸風(fēng)管道 5.離心風(fēng)機(jī) 6.出膜口 7.機(jī)架 8.行走輪 9.梳齒輥 10.梳齒

2 梳齒輥結(jié)構(gòu)設(shè)計及其入土性能仿真

梳齒輥是耕層殘膜回收機(jī)的核心部件，主要作用是松土和實現(xiàn)膜土分離。梳齒輥是整個機(jī)具唯一的入土部件，其入土性能的好壞決定著耕層殘膜機(jī)的功率消耗和使用成本。

2.1 梳齒輥結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖2所示為梳齒輥結(jié)構(gòu)圖。該設(shè)計理念借鑒梳子的結(jié)構(gòu)，將每排11個共7排梳齒安裝于轉(zhuǎn)動的梳齒輥筒上，利用連續(xù)轉(zhuǎn)動的梳齒對土壤中的殘膜進(jìn)行梳理。根據(jù)前期研究基礎(chǔ)[28]，梳齒輥筒的直徑設(shè)計為426 mm，采用壁厚為8 mm的中空管，軸向總長度為1 000 mm。為了保證梳齒的強(qiáng)度，梳齒材料為65Mn鋼。由于90%以上的耕層殘膜分布在0～20 cm深度范圍的土壤內(nèi)，本文設(shè)計的梳齒總長度為250 mm，刀柄夾持部分為50 mm，工作部分深度為200 mm，梳齒厚度為10 mm。

2.2 入土性能仿真試驗

本文通過離散元仿真試驗研究梳齒在梳齒輥上的排列方式和梳齒結(jié)構(gòu)對入土性能的影響規(guī)律。梳齒輥的入土性能主要是指梳齒輥整機(jī)在入土?xí)r所受到的前進(jìn)阻力、阻力矩。通過前期研究發(fā)現(xiàn)梳齒在梳齒輥上的排列方式（螺旋排列或平行排列）、梳齒的結(jié)構(gòu)（平刀或齒刀）對其入土性能均有重要影響。因此本文通過仿真試驗分析不同梳齒排列方式和不同梳齒結(jié)構(gòu)的梳齒輥進(jìn)入土壤過程中時的前進(jìn)阻力和阻力矩變化規(guī)律，確定最佳的梳齒結(jié)構(gòu)和排列方式。

1.梳齒 2.梳齒輥筒 3.固定座

1.Comb tooth 2.Comb tooth roller 3.Fixed seat

注：V為前進(jìn)速度，m·s-1；W為旋轉(zhuǎn)速度，r·min-1；F為梳齒輥前進(jìn)時整機(jī)受到的前進(jìn)阻力，N；T為梳齒輥旋轉(zhuǎn)時整機(jī)受到的阻力矩，N·m。

Note:Vis the forward speed, m·s-1；Wis the rotation speed, r·min-1；Fis the forward resistance of whole machine when comb roller moves forward, N；Tis the resistance torque of whole machine when comb roller rotates, N·m.

圖2 梳齒輥結(jié)構(gòu)圖

Fig.2 Structure diagram of comb roller

梳齒輥仿真模型如圖3所示。虛擬梳齒輥的尺寸依據(jù)物理樣機(jī)進(jìn)行設(shè)置，具體參數(shù)設(shè)定如下：梳齒輥軸向長度為1 m、梳齒長度為25 cm、刀柄夾持部分為50 mm、厚度為10 mm，梳齒間的軸向間距為10 cm，梳齒輥周向共有7列梳齒、每列共有11個梳齒。其他仿真參數(shù)設(shè)置如表1所示[29-30]。

表1 虛擬仿真參數(shù)

1.虛擬梳齒輥 2.虛擬土槽 3.虛擬土壤

2.3 仿真試驗結(jié)果分析

2.3.1排列方式對入土性能的影響

梳齒在梳齒輥筒上的平行排列和螺旋排列方式如圖 4所示。梳齒輥的軸向長度為1 m，梳齒輥筒的直徑為426 mm，梳齒材料為65Mn鋼。其中螺旋排列梳齒輥的螺旋升角為20°，螺距為10 cm。

圖4 梳齒的排列方式

根據(jù)前期研究，設(shè)定仿真試驗條件為前進(jìn)速度3 km/h，轉(zhuǎn)速150 r/min，入土深度12 cm。仿真結(jié)果如圖 5所示。

由圖5可知，在入土過程中，螺旋排列的梳齒輥受到的阻力最大變化值為1 700 N，阻力矩最大變化值為1 000 N·m；平行排列的梳齒輥受到的阻力最大變化值為6 000 N，阻力矩最大變化值為2 500 N·m；螺旋排列比平行排列的梳齒輥受到的沖擊力和沖擊力矩更小。

分析其原因：平行排列式梳齒輥工作時，整排梳齒每隔固定周期插入土壤，因此會受到較大的沖擊力和沖擊力矩，不利于回收機(jī)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和作業(yè)穩(wěn)定，對回收機(jī)具傳動系統(tǒng)也存在一定危害。螺旋排列的梳齒輥工作時，梳齒依次插入土壤，入土?xí)r所受到的沖擊力較小，更有利于機(jī)具作業(yè)。

綜合分析，本文確定梳齒在梳齒輥上的排列方式為螺旋排列。

2.3.2梳齒結(jié)構(gòu)對入土性能的影響

為了研究梳齒結(jié)構(gòu)對入土性能的影響，本試驗選擇如圖6所示的平刀和齒刀2種梳齒結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析，梳齒排列方式為螺旋排列。梳齒材料均設(shè)定為65 Mn，2種結(jié)構(gòu)的梳齒的總體長度為250 mm，刀柄夾持部分為50 mm，工作部分深度為200 mm，梳齒厚度為10 mm；平刀的觸土面未設(shè)置切割齒；齒刀的觸土面設(shè)置切割齒，切割齒高為10 mm。

注：L1為梳齒的總體長度，mm；L2為刀柄夾持部分的長度，mm；L3為工作部分長度，mm；h為梳齒高度，mm。

仿真條件：排列方式均采用螺旋排列方式，前進(jìn)速度為3 km/h，轉(zhuǎn)速為150 r/min，入土深度為12 cm。仿真結(jié)果如圖7所示。

由圖7可知：安裝平刀的梳齒輥和安裝齒刀的梳齒輥在入土過程中所受到的前進(jìn)阻力、阻力矩變化規(guī)律基本一致。平刀結(jié)構(gòu)所受到的前進(jìn)阻力平均值比齒刀結(jié)構(gòu)大88 N; 平刀結(jié)構(gòu)所受到的阻力矩平均值比齒刀結(jié)構(gòu)大23 N·m；這2種結(jié)構(gòu)的梳齒對入土性能的影響不明顯，但是前期研究發(fā)現(xiàn)，齒刀更有利于將土壤中的殘膜勾起，實現(xiàn)殘膜土壤的分離。

因此本文最終選擇齒刀螺旋排列方式的梳齒輥。

3 吸膜機(jī)構(gòu)設(shè)計

3.1 吸膜機(jī)構(gòu)

氣力式吸膜機(jī)構(gòu)如圖8a所示，主要由吸膜口、重力沉降室、吸風(fēng)管道、離心風(fēng)機(jī)、出膜口、間隙調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)組成。在出膜口處安裝紗網(wǎng)，收集隨氣流運動至出膜口的殘膜。

間隙調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的作用是調(diào)節(jié)吸膜口與梳齒輥最外邊緣之間的間隙。如果間隙值小于0，梳齒會與吸膜口碰撞；如果間隙值過大，吸膜區(qū)域的氣流速度會降低，因此本文將間隙調(diào)節(jié)范圍設(shè)計為0～10 cm。角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的作用是調(diào)節(jié)吸膜口相對于垂直方向的角度，經(jīng)測量當(dāng)吸膜口角度大于30°或者小于-30°時，氣流的作用區(qū)域會偏離梳齒的運動范圍，因此角度調(diào)節(jié)范圍設(shè)計為-30°～30°。

圖8b為重力沉降室結(jié)構(gòu)示意圖。重力沉降室的長度4設(shè)計為1 000 mm，重力沉降室管道直徑2設(shè)計為100 mm，吸風(fēng)管道直徑1設(shè)計為100 mm，吸膜口寬度為40 mm。

3.2 殘膜在吸膜區(qū)的運動分析

通過分析殘膜在吸膜區(qū)的運動學(xué)方程，初步確定梳齒輥轉(zhuǎn)速和氣流速度的設(shè)計范圍。殘膜碎片在氣流中所受到的力主要為重力和氣流曳力。由于殘膜碎片的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性、柔性等特點，目前并沒有有效運動方程。為了研究殘膜在吸膜區(qū)的運動過程，本文采用一種近似方法分析殘膜在氣流中的運動，即將殘膜等效為密度較小體積較大的球形顆粒，殘膜重力大小由密度和體積標(biāo)定，迎風(fēng)面積由表面積標(biāo)定。

注：4為重力沉降室長度，mm；5為2個吸風(fēng)管道的內(nèi)側(cè)距離，mm；6為重力沉降室最外端到吸風(fēng)管道的距離，mm；1為吸風(fēng)管道直徑，mm；2為重力沉降室直徑，mm；為吸膜口寬度，mm。

Note:4is length of gravity sedimentation chamber, mm;5is inner distance of both two suction ducts, mm;6is distance from the outermost end of gravity sedimentation chamber to suction duct, mm;1is diameter of suction pipe, mm;2is diameter of gravity sedimentation chamber, mm;is opening width of suction film, mm.

1.吸膜口 2.重力沉降室 3.吸風(fēng)管道 4.離心風(fēng)機(jī) 5.出膜口 6.角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu) 7.間隙調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)

1.Film suction port 2.Gravity settling chamber 3.Suction duct 4.Centrifugal fan 5.Film outlet 6.Angle adjustment mechanism 7.Gap adjustment mechanism

圖8 吸膜機(jī)構(gòu)圖

Fig.8 Diagram of film suction mechanism

吸膜區(qū)是指吸膜口到梳齒輥間負(fù)壓氣流產(chǎn)生作用的區(qū)域。o為梳齒外邊緣到梳齒輥中心的距離，m；R為梳齒內(nèi)邊緣到梳齒輥中心的距離，m；為負(fù)壓氣流產(chǎn)生作用的最遠(yuǎn)邊到梳齒輥中心的距離，m；吸膜口的寬度為m；為吸膜口到梳齒外邊緣的距離，m；負(fù)壓氣流的速度為V，m/s；梳齒輥筒的轉(zhuǎn)速為W，r/min；顆粒所在的位置與梳齒輥筒中心的距離為R，m；殘膜進(jìn)入吸膜區(qū)前的速度為V，m/s。V的方向垂直于顆粒中心點到梳齒輥中心連線的法線，其計算如公式（1）所示。

顆粒進(jìn)入吸膜區(qū)后主要受到重力、空氣浮力F、和氣流曵力的作用重力如公式（2）所示。

顆粒受到的浮力如公式（3）所示。

式中ρ為空氣密度，1.29 kg/m3。

不考慮顆粒進(jìn)入吸膜區(qū)后加速度和吸膜區(qū)的湍流對顆粒運動的影響，作用于顆粒上的氣流曵力可用公式（4）表示。

根據(jù)力平衡關(guān)系得到吸膜區(qū)顆粒的動力學(xué)方程，如式（5）所示。

設(shè)為顆粒中心點到輥筒中心點連線方向與豎直方向的夾角，其計算如公式（6）所示。

顆粒在吸膜區(qū)的運動軌跡可用公式（7）表示。

式中y0為顆粒進(jìn)入吸膜區(qū)域時的初始方向坐標(biāo)值，m。

利用Mathcad軟件對顆粒運動方程進(jìn)行求解。根據(jù)物理樣機(jī)尺寸，設(shè)定吸膜口寬度為0.2 m；吸膜口距離梳齒外邊緣的距離為0.05 m；顆粒在進(jìn)入吸膜區(qū)前其質(zhì)心與梳齒輥筒中心的距離R=0.7 m；設(shè)定殘膜顆粒的直徑為2 cm，密度為500 kg/m3。依據(jù)前期研究基礎(chǔ)，初步設(shè)定了梳齒輥轉(zhuǎn)速的變化范圍為60～120 r/min，吸膜口風(fēng)速變化試驗范圍為15～22 m/s，計算結(jié)果如圖10所示。

由圖10a可知，隨著梳齒輥轉(zhuǎn)速的增加，殘膜的運動軌跡逐漸偏離吸膜區(qū)域，即梳齒輥轉(zhuǎn)速的提高不利于殘膜被負(fù)壓氣流吸走，因此為了保證殘膜能更有效地被負(fù)壓氣流吸走，梳齒輥筒的轉(zhuǎn)速應(yīng)低于120 r/min，但過低的轉(zhuǎn)速也會使作業(yè)效率下降，具體轉(zhuǎn)速應(yīng)依據(jù)實際作業(yè)效果確定。

由圖10b可知，隨著風(fēng)速的增加，殘膜被負(fù)壓氣流吸走的效果越好，增大風(fēng)速有利于殘膜迅速的被負(fù)壓氣流吸走，但具體最佳風(fēng)速值應(yīng)結(jié)合實際試驗來確定。當(dāng)負(fù)壓風(fēng)速為15 m/s時，殘膜很接近逃離吸膜區(qū)，因此吸膜口風(fēng)速應(yīng)大于15 m/s。

注：H為吸膜口到梳齒外邊緣的距離，mm；R為負(fù)壓氣流產(chǎn)生作用的最遠(yuǎn)邊到梳齒輥中心的距離，m；Ri為梳齒內(nèi)邊緣到梳齒輥中心的距離，m；R0為梳齒外邊緣到梳齒輥中心的距離，m；Rp為顆粒與梳齒輥中心的距離，m；Vg為氣流速度，m·s-1；Vp為殘膜速度，m·s-1；G為殘膜重力，N；Fa為殘膜受到的空氣浮力，N；F為氣流曵力，N；θ為顆粒中心到輥筒中心連線與豎直方向的夾角，（°）。

4 樣機(jī)試驗與優(yōu)化

4.1 試驗設(shè)備

圖11所示為項目組研制的土槽試驗專用耕層殘膜回收機(jī)試驗臺。該試驗臺的前進(jìn)由土槽牽引車牽引，速度調(diào)整范圍為0～7 km/h，調(diào)節(jié)精度為0.1 km/h；梳齒輥由三相異步電動機(jī)和擺線針減速器驅(qū)動，利用變頻器實現(xiàn)無級調(diào)速，轉(zhuǎn)速調(diào)速范圍為0～160 r/min；離心風(fēng)機(jī)采用功率為7.5 kW的中壓離心風(fēng)機(jī)，吸膜口負(fù)壓風(fēng)速的調(diào)整范圍為0～23 m/s；吸風(fēng)口角度為吸風(fēng)口法線方向與豎直方向的夾角，通過旋轉(zhuǎn)軸調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)范圍為±30°；試驗中梳齒入土深度為15 cm。土槽內(nèi)土壤為沙性土壤，地表平整度為23.9 mm，土壤堅實度為225 N/cm2，土壤絕對含水率為14.6%。

1.牽引車 2.三相異步電機(jī)和減速器總成 3.梳齒輥 4.重力沉降室 5.吸膜管道 6.離心風(fēng)機(jī) 7.出膜口 8.三相異步電機(jī)

4.2 多因素試驗

4.2.1 試驗因素和指標(biāo)

采用Central Composite Design方法，有4個因素5個水平和1個響應(yīng)指標(biāo)。4個自變量因素分別為回收機(jī)前進(jìn)速度、梳齒輥轉(zhuǎn)速、吸膜口風(fēng)速、吸膜口角度，以耕層殘膜拾凈率為響應(yīng)指標(biāo)。因素水平如表2所示。

表2 試驗因素和水平

4.2.2 試驗設(shè)計

使用Design-expert11.0軟件完成試驗方案設(shè)計、試驗結(jié)果處理和數(shù)據(jù)優(yōu)化。本試驗采用全執(zhí)行方法，非中心點數(shù)據(jù)組合24組，中心點組合數(shù)據(jù)6組，實際運行次數(shù)為30次。采用單一區(qū)組處置，每次試驗重復(fù)3次，共試驗90次。每次試驗時將大小4～36 cm2的100塊殘膜隨機(jī)埋藏在 0～15 cm 深度的土壤中，然后統(tǒng)計拾凈率。表3所示為響應(yīng)曲面試驗數(shù)據(jù)。

4.2.3 試驗結(jié)果分析

本試驗數(shù)據(jù)分別擬合線性模型、兩因素交互關(guān)系模型、二次方關(guān)系模型、三次方關(guān)系模型，其中二次方模型的擬合程度最好。二次方模型的R=0.959 1、矯正R=0.920 9、預(yù)測R=0.785 9，模型擬合結(jié)果良好，因此本文對二次方模型進(jìn)行擬合分析，結(jié)果如表4所示。

表3 響應(yīng)曲面試驗結(jié)果

表4 回歸方程擬合結(jié)果

注：＜0.01表示非常顯著；＜0.05表示顯著；＞0.05表示無顯著意義。

Note:<0.01 means very significant;<0.05 means significant;>0.05 means no significant meaning.

由表4分析可知，本模型的值為37.02，表示擬合的二次數(shù)學(xué)模型是顯著的。模型的值小于0.000 1，表明只有小于0.000 1的機(jī)率會因噪聲而出現(xiàn)如此大的值。值小于0.05表示模型項是顯著的，值大于0.10表示模型項不顯著，由表4分析各模型項均顯著。最終建立的回歸方程如公式（8）所示。

4.2.4 響應(yīng)曲面分析

將回歸方程進(jìn)行統(tǒng)計學(xué)分析，獲得耕層殘膜回收率回歸模型的三維響應(yīng)曲面圖，如圖12所示。該響應(yīng)曲面圖可以直觀考察各因素間交互作用對殘膜回收率的影響規(guī)律。

由圖12a分析可知：隨著前進(jìn)速度的增加，殘膜拾凈率呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢；隨著梳齒輥轉(zhuǎn)速的增加，殘膜拾凈率則呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢。由圖12b分析可知：隨著前進(jìn)速度的增加，殘膜拾凈率呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢；隨著吸膜口角度的減小，殘膜拾凈率則呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢。由圖12c可知：隨著梳齒輥轉(zhuǎn)速的增加，殘膜拾凈率呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢；隨著吸膜口風(fēng)速的增加，殘膜拾凈率則呈現(xiàn)增加的趨勢。

圖12 各因素對拾凈率影響的響應(yīng)曲面圖

4.2.5 工作參數(shù)優(yōu)化

利用Design Expert軟件對建立的二次回歸方程進(jìn)行優(yōu)化分析。獲得的最佳參數(shù)組合為吸膜口角度-7°、前進(jìn)速度為2 km/h、梳齒輥筒轉(zhuǎn)速為100 r/min、吸膜口風(fēng)速為22 m/s。

5 大田驗證試驗

為了驗證響應(yīng)曲面法優(yōu)化結(jié)果的準(zhǔn)確性，按照GB/T 25412—2010[32]，在2020年3月10～15日，新疆阿拉爾市7團(tuán)棉花地進(jìn)行了大田試驗。土壤為含水率在10.1%～15.4%范圍的砂性土壤。耕層殘膜回收機(jī)的測定方法為：分別選取2個長度×寬度為1 m×100 m測區(qū)，在測區(qū)前、后選擇5個1 m×5 m的測點，將取出的殘膜去除塵土和水分后稱其質(zhì)量，求平均值，按式（9）計算殘膜拾凈率。

式中為拾凈率，%；W為作業(yè)后殘膜質(zhì)量，g；0作業(yè)前殘膜質(zhì)量，g。

圖13所示為大田試驗現(xiàn)場，試驗結(jié)果如表5。試驗過程表明：該型殘膜回收機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，運行穩(wěn)定，回收的殘膜中不含有任何重雜，表明重雜沉積效果明顯，殘膜含雜率低。

圖13 大田試驗

表5 大田試驗結(jié)果

在試驗田內(nèi)進(jìn)行了5次驗證試驗，試驗結(jié)果的拾凈率平均值為55.04%，比預(yù)測值小1.63%，說明響應(yīng)曲面法優(yōu)化獲得的最佳工作參數(shù)組合可靠。由于大田土壤環(huán)境比土槽土壤環(huán)境惡劣，大田實際的耕層土壤中存在粉碎后的棉花秸稈、土壤硬塊、石頭塊等，因此實際檢測的殘膜拾凈率低于土槽試驗結(jié)果。

6 結(jié) 論

1）基于梳刷作用和氣吸原理，設(shè)計了一種梳齒起膜氣力脫膜式耕層殘膜回收機(jī)，并對梳齒輥和負(fù)壓吸膜機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計分析。

2）利用EDEM離散元軟件建立了梳齒輥虛擬樣機(jī)，并仿真試驗了梳齒排列方式、梳齒結(jié)構(gòu)對梳齒輥入土性能的影響。最終選擇齒刀螺旋排列方式的梳齒輥。

3）建立了吸膜區(qū)殘膜的運動學(xué)方程，并計算了梳齒輥轉(zhuǎn)速、吸膜口負(fù)壓風(fēng)速對殘膜運動軌跡的影響。研究發(fā)現(xiàn)：梳齒輥轉(zhuǎn)速的增加不利于殘膜在吸膜口被負(fù)壓氣流吸走，梳齒輥轉(zhuǎn)速應(yīng)低于120 r/min；吸膜口負(fù)壓風(fēng)速越大吸膜效果越大，風(fēng)速應(yīng)大于15 m/s。

4）采用響應(yīng)曲面試驗建立拾凈率與影響因素之間的回歸方程。確定了最優(yōu)參數(shù)組合為：吸膜口角度為-7 °，前進(jìn)速度為2 km/h、梳齒輥筒轉(zhuǎn)速為100 r/min、吸膜口風(fēng)速為22 m/s。

5）大田驗證試驗，本殘膜回收機(jī)實際拾凈率平均值為55.04%，比預(yù)測值小1.63%，結(jié)果可靠。

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Development of a comb tooth loosening and pneumatic stripping plough layer residual film recovery machine

Guo Wensong1, He Xiaowei1,2, Wang Long1,2, Zhao Pengfei1, Hu Can1, Hou Shulin2, Wang Xufeng1※

(1.,,843300,; 2.,,100083,)

The film left in farmland brings "white pollution" to soil. At present, there are two main methods for the recovery of residual film in plough layer: one is the method of soil extraction and screening. Firstly, the soil is transported to the vibrating screen by the soil lifting mechanism, and then the soil and residual film are separated under the action of the vibrating screen. The other is the comb type residual film recovery method. Under the continuous rotation of the comb teeth, the comb teeth are inserted into the topsoil to loosen the soil, and the residual film is continuously removed from the soil. In order to solve residual film pollution of plough layer soil, a comb tooth loosening and pneumatic stripping plough layer residual film recovery machine was designed. The machine was mainly composed of frame, comb tooth, comb roller, gravity sedimentation chamber, centrifugal fan and so on. Comb tooth roller was composed of multiple rows of comb tooth installed on the roller. The function of comb roller was to loosen soil and separate residual film and soil through continuous rotation. EDEM software was used to establish virtual operating system of comb roller, and study the effects of comb tooth arrangement and comb tooth structure on forward resistance and resistance moment. According to the simulation results, the spiral arrangement of comb tooth was determined. The kinematics equation of residual film in film suction area was established. By solving equation, the influence of the rotation speed of the comb roller and the air speed at the film suction port on the motion track of the residual film were analyzed. It was determined that the rotation speed of comb roller should be less than 120 r/min, and air speed in film suction port should be greater than 15 m/s. In order to obtain the best combination of operating parameters, a response surface test was performed on soil tank. The optimal parameter combination was obtained: angle of film suction port was -7°, the forward speed was 2 km/h, the rotation speed of comb roller was 100 r/min, and the air speed in film suction port was 22 m/s. The field test results showed that when working with the best combination of parameters, the residual film pick up rate was 55.04%, which was 1.63% lower than the predicted value, indicating the optimization method was reliable.

agricultural machinery; design; experiments; residual film; recovery; parameter optimization

郭文松，賀小偉，王龍，等. 梳齒起膜氣力脫膜式耕層殘膜回收機(jī)研制[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2020，36(18)：1-10.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.18.001 http://www.tcsae.org

Guo Wensong, He Xiaowei, Wang Long, et al. Development of a comb tooth loosening and pneumatic stripping plough layer residual film recovery machine[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(18): 1-10. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.18.001 http://www.tcsae.org

2020-06-02

2020-09-04

新疆兵團(tuán)重大科技項目（2018AA001/03）；國家重點研發(fā)計劃（2017YFD0701102-1）；新疆兵團(tuán)重點研發(fā)計劃（2019AB007）

郭文松，博士，副教授，主要從事于殘膜污染治理和智能化農(nóng)機(jī)裝備研發(fā)。Email：541577947@qq.com

王旭峰，博士，教授，主要從事于殘膜污染治理和農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備研發(fā)。Email：798428667@qq.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.18.001

S223.5

A

1002-6819(2020)-18-0001-10