謝建華，楊豫新，曹肆林,2，張 毅，周亞賓，馬衛(wèi)彬

（1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，烏魯木齊 830052；2.新疆農(nóng)墾科學(xué)院機(jī)械裝備研究所，石河子 832000）

0 引 言

覆膜栽培具有保質(zhì)增產(chǎn)的作用，自20世紀(jì)70年代引入中國以來，已廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中[1-4]；地膜使用量持續(xù)增長，覆蓋作物從蔬果擴(kuò)展至大面積與多種類的糧食作物，目前中國已成為地膜覆蓋面積最大的國家[5-7]。長期超薄地膜的鋪放帶來了嚴(yán)重的地膜殘留，以聚乙烯為基材的地膜自然環(huán)境下難以降解，地膜殘留積聚造成土壤中的微生物難以存活、土壤團(tuán)聚結(jié)構(gòu)被破壞、水分流通受阻、土壤鹽堿化及土壤板結(jié)等問題[8-12]。地膜殘留對作物生長、發(fā)育負(fù)效應(yīng)顯著，已成為制約農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要因素[13-15]。

為遏制殘膜增量，國內(nèi)外研究人員進(jìn)行了大量研究，現(xiàn)階段國外以卷收為主；中國受成本與種植模式等影響，已研制出多種類型殘膜回收機(jī)，目前常用的收膜方式為摟集、扎膜、篩分等，各類收膜機(jī)均取得了較好的試驗結(jié)果[16-19]。其中，耙齒式撿拾裝置集合了摟集和扎膜的優(yōu)點，具有較強(qiáng)的適應(yīng)能力，回收率與工作效率高[20-21]。郭文松等[22]設(shè)計了4CML-1000型鏈耙式殘膜回收機(jī)，利用抖動輪的自激振動降低含土量，殘膜回收率較高，但工作速度偏低。閆盼盼等[23]設(shè)計的鏈耙式拾膜裝置借助內(nèi)外張緊輪改變了耙齒在脫膜作業(yè)時的角度，解決了脫膜技術(shù)難題。趙攸樂等[24]設(shè)計的鏈齒耙式殘膜回收機(jī)撿膜率較高，但起膜和輸送過程中功耗較大?？到鞯萚25]為解決拾膜彈齒與地面接觸不充分的問題，在改進(jìn)拾膜機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加了起邊膜部件，構(gòu)建了該機(jī)具關(guān)于拾膜率的二次回歸模型并進(jìn)行了響應(yīng)面尋優(yōu)，優(yōu)化后作業(yè)參數(shù)有效提高了拾膜率。此外，現(xiàn)有機(jī)具脫膜作業(yè)多使用固定刮膜板，在地膜重力與脫膜板產(chǎn)生刮蹭效果下進(jìn)行脫膜，采用卷膜與輸送方式進(jìn)行集膜，有利于提高機(jī)具裝載量和工作效率，但多用于聯(lián)合作業(yè)機(jī)。本文結(jié)合新疆棉花的寬窄行種植模式和現(xiàn)有鏈齒收膜機(jī)特點，設(shè)計了導(dǎo)向鏈耙式地表殘膜回收機(jī)，導(dǎo)向鏈耙配合鏈耙架實現(xiàn)耙齒的位姿控制，克服現(xiàn)有鏈齒式拾膜裝置脫膜需要輸送鏈彎折的問題，確定了機(jī)具的工作參數(shù)及傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，制作樣機(jī)并進(jìn)行了田間試驗，為進(jìn)一步優(yōu)化殘膜回收機(jī)的設(shè)計提供參考。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與主要技術(shù)參數(shù)

導(dǎo)向鏈耙式地表殘膜回收機(jī)主要由牽引架、拉桿、過載保護(hù)器、卸膜油缸、脫膜裝置、行走輪、推膜機(jī)構(gòu)、單軸排雜裝置、鏈耙架、導(dǎo)向鏈耙、限深輪、鏈傳動系統(tǒng)、集膜箱等組成，總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中拾膜裝置主要由鏈耙架與導(dǎo)向鏈耙組成，鏈耙架支撐導(dǎo)向鏈耙實現(xiàn)粑齒的位姿控制。

圖1 導(dǎo)向鏈耙式地表殘膜回收機(jī)Fig.1 Rake type surface film recycling machine with guide chain

導(dǎo)向鏈耙式地表殘膜回收機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 導(dǎo)向鏈耙式地表殘膜回收機(jī)技術(shù)參數(shù)Table 1 Technical parameters of rake type surface film recycling machine with guide chain

1.2 工作原理

如圖1所示，拖拉機(jī)牽引機(jī)具前行，動力由后輸出軸經(jīng)換向器減速后驅(qū)動鏈傳動系統(tǒng)帶動拾膜裝置運轉(zhuǎn)，在鏈耙架及導(dǎo)向鏈耙配合下導(dǎo)向耙齒沿固定軌跡運動。機(jī)具工作過程中導(dǎo)向鏈耙將表層地膜呈“倒扣”狀挑起并沿鏈耙架傾斜方向向膜箱輸送，輸送過程中地膜表面的雜質(zhì)依靠傳動過程中產(chǎn)生的震動從地膜表面脫落，雜質(zhì)在重力作用下落入下方單軸排雜裝置收集并送至機(jī)具兩側(cè)。當(dāng)導(dǎo)向耙齒運動至膜箱上部區(qū)域，導(dǎo)向耙齒繞鏈耙兩端鉸接短軸軸心轉(zhuǎn)動，地膜在自重和脫膜裝置的作用下脫落至膜箱后部，推膜機(jī)構(gòu)將落至膜箱后部的地膜推至膜箱前部完成地膜壓縮。當(dāng)機(jī)具運動至地頭后，膜箱底部卸膜油缸推動膜箱的底板順時針旋轉(zhuǎn)，將地膜從膜箱排出。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計

2.1 拾膜裝置

彎折結(jié)構(gòu)的鏈齒式拾膜裝置可減少脫膜阻力[22]，但整體結(jié)構(gòu)較長，輸送鏈易產(chǎn)生損傷。導(dǎo)向鏈耙式拾膜裝置是該收膜機(jī)的核心部件之一，主要由鏈耙上軸總成、彎邊輸送鏈條、鏈耙下軸總成、鉸接短軸、導(dǎo)向耙齒總成、鏈耙架與排雜翻板等組成，如圖2所示。與鏈齒式拾膜裝置的連接方式不同，該拾膜裝置的耙齒總成與輸送鏈間采用鉸接，其中，鉸接短軸從兩端插入導(dǎo)向耙齒總成的耙齒安裝軸兩端，通過螺紋緊固件固定在彎邊輸送鏈上。

圖2 導(dǎo)向鏈耙式拾膜裝置Fig.2 Rake type film pickup device with guide chain

導(dǎo)向耙齒總成由側(cè)導(dǎo)向板、滾輪、短軸、耙齒、耙齒安裝軸等組成，如圖3所示。

圖3 導(dǎo)向耙齒總成Fig.3 Guide rake tooth assembly

鏈齒輸膜傾角范圍為 50°～75°[23-25]，本文輸膜傾角計為60°，根據(jù)新疆地區(qū)寬窄行種植模式，確定耙齒安裝軸長度計為1 875 mm；耙齒桿直徑6 mm，耙齒軸心距齒端距離（耙齒桿長度）150 mm，耙齒間距200 mm，導(dǎo)向耙齒安裝耙齒為9組（18齒）或9組+半耙齒（19齒）交錯排布。鏈耙上下軸選用20A的16齒鏈輪，每6個鏈節(jié)布置一個導(dǎo)向耙齒總成。

拾膜過程如圖4a所示，彎邊輸送鏈帶動導(dǎo)向耙齒總成完成入土挑膜、輸送排雜和變向轉(zhuǎn)動。拾膜裝置工作時，為滿足耙齒總成在拾膜、輸送與脫膜處位姿控制需求，在鏈耙架沿前進(jìn)方向右側(cè)設(shè)置限位支架和變向滑道，利用限位支架和變向滑道配合導(dǎo)向耙齒總成右側(cè)固定的側(cè)導(dǎo)向板、短軸和滾輪控制耙齒總成的轉(zhuǎn)動。拾膜和輸送時，導(dǎo)向耙齒總成右側(cè)的滾輪卡在彎邊鏈節(jié)和限位支架內(nèi)，當(dāng)導(dǎo)向耙齒總成運動至脫膜區(qū)域時，變向滑道頂起側(cè)導(dǎo)向板連接的短軸，滾輪進(jìn)入限位支架避讓空間內(nèi)，耙齒隨安裝軸繞兩端鉸接短軸軸心旋轉(zhuǎn)至豎直方向且末端向下，輔助脫膜。

將拾膜齒的運動過程簡化為圖4b，以鏈耙下軸為坐標(biāo)原點O，豎直向上為y軸正方向，沿機(jī)具前進(jìn)方向為x軸方向，耙齒齒端在A點入土，Ax為齒端達(dá)到最大入土深度時的位置，出土點為A'。機(jī)具以速度v勻速沿x軸正向前進(jìn)，鏈耙下軸以角速度ω勻速轉(zhuǎn)動。

則耙齒齒端的運動軌跡為

式中LOA為耙齒入土點距鏈耙下軸中心的距離，m。

將式（1）對時間t求導(dǎo)可得耙齒齒端速度方程為

式中vx、vy為耙齒端部在x、y方向的速度，m/s。

由式（2）可得耙齒入土拾膜時齒端速度vn為

為實現(xiàn)地表膜及淺層地膜的連續(xù)撿拾，要求相鄰耙齒入土?xí)r前一拾膜耙齒未離開土壤，即二者存在重合區(qū)。設(shè)導(dǎo)向耙齒到達(dá)入土點為t0時刻，此時LOA與水平方向的夾角（初始相位角）為α，鏈耙下軸中心運動至O'經(jīng)過時間為t1，鏈耙下軸中心從O運動至O1時間為t2，根據(jù)圖4c可得：

式中h為兩相鄰耙齒在土壤中運動軌跡交點距耙齒入土最深點的距離，m。

當(dāng)A'與B重合時，達(dá)到臨界狀態(tài)，可得其臨界條件為

式中LO′O1為前一耙齒離開土壤至后一耙齒剛好進(jìn)入土壤鏈耙下軸移動的水平距離，m。

因此，實現(xiàn)連續(xù)拾膜的條件為

從入土到出土耙齒LOA轉(zhuǎn)過的角度為（π-2α），則t1=（π-2α）/ω；由鏈耙下軸鏈輪 16齒和 6個鏈節(jié)布置總成可求得耙齒轉(zhuǎn)動過程中間隔角度為 3π/4，則前一耙齒接觸土壤直至下一耙齒進(jìn)入土壤時間t2為3π/4ω，由此可得

因側(cè)導(dǎo)向板和滾輪等存在，耙齒繞下軸旋轉(zhuǎn)時其安裝的耙齒齒桿的反向延長線不經(jīng)過鏈耙下軸軸心，在耙齒入土深度達(dá)到最大時，耙齒桿與豎直方向存在夾角λ，則有：

式中λ為耙齒達(dá)到最大深度時耙齒桿與豎直方向的夾角，（°）；L為耙齒桿長度，mm；D為鏈耙下軸鏈輪分度圓直徑，mm；E為鉸接短軸中心距彎邊輸送鏈鏈滾子中心距離，mm。

圖4 拾膜裝置工作過程Fig.4 Working process of film pickup device

由（正弦定理）可得：

根據(jù)前期預(yù)試驗，耙齒達(dá)到最大入土深度時耙齒桿與豎直方向的夾角λ需小于10°，忽略耙齒變形的影響，取耙齒達(dá)到最大入土深度時耙齒桿與豎直方向夾角λ為5°；根據(jù)鏈輪、彎邊鏈條節(jié)距參數(shù)與齒數(shù)，鏈輪分度圓直徑D為162.75 mm，鉸接短軸中心距彎邊輸送鏈鏈滾子中心距離E為40.80 mm，代入式（8）可得LOA為270.78 mm。取耙齒入土深度δ為60 mm，代入式（9）可得初始相位角α為51.12°。

由參數(shù)查詢與樣機(jī)運轉(zhuǎn)測試，福田雷沃754A額定輸出轉(zhuǎn)速有2檔，分別為760和1 000 r/min，工作中鏈耙下軸的對應(yīng)實測轉(zhuǎn)速為143和186 r/min，則耙齒入土點處線速度為5.09和6.62 m/s。結(jié)合文獻(xiàn)[24-25]和課題組前期關(guān)于擺桿驅(qū)動式殘膜回收機(jī)及齒鏈復(fù)合式殘膜回收機(jī)的試驗，試驗機(jī)具前進(jìn)速度一般為1.11～2.22 m/s[26-31]，導(dǎo)向耙齒拾膜過程中耙齒端部線速度大于2.22 m/s，此時存在重合區(qū)，能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)拾膜。

2.2 脫膜裝置

常用脫膜裝置結(jié)構(gòu)為固定式刮膜板，工作時刮膜板緊密作用于拾膜耙齒中部或端部區(qū)域，接觸過程中耙齒與脫膜刮板存在彈、塑性變形[19,32-33]。為提高脫膜作業(yè)可靠性，對脫膜裝置結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，結(jié)構(gòu)如圖5所示，主要包括脫膜橡膠板、固定壓板和脫膜轉(zhuǎn)軸。其中，脫膜橡膠板通過螺紋緊固件固定在脫膜轉(zhuǎn)軸上。

圖5 脫膜裝置Fig.5 Film removing device

在脫膜過程中，脫膜橡膠板對導(dǎo)向耙齒總成產(chǎn)生逆向刮、捋或拍打作用，經(jīng)脫膜作業(yè)后地膜從耙齒上刮下并落入膜箱收集。根據(jù)拾膜裝置結(jié)構(gòu)可知，當(dāng)導(dǎo)向耙齒總成運動至脫膜區(qū)域時，導(dǎo)向耙齒在變向滑道作用下繞鉸接短軸軸心產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，此時耙齒趨于豎直向下，掛在耙齒上的地膜松弛，在重力作用下滑落或產(chǎn)生向下滑落的趨勢，與此同時脫膜轉(zhuǎn)軸帶動脫膜橡膠板作用于耙齒端部區(qū)域，將地膜刮落至膜箱。

在脫膜過程中，地膜受力如圖6所示，由于地膜與脫膜橡膠板的靜電吸附力很小，忽略其影響。

彎邊輸送鏈帶動導(dǎo)向耙齒總成傾斜輸送時旋轉(zhuǎn)半徑趨于無窮大，故Fb趨于 0；脫膜過程中，脫膜裝置與導(dǎo)向耙齒總成相對運動時，地膜受力脫落的條件為

式中G=m1g，m1為耙齒攜帶的地膜質(zhì)量，g；g為重力加速度，m/s2；F1=m1ω12rt，rt為脫膜裝置回轉(zhuǎn)半徑，m。

整理得

圖6 脫膜過程中殘膜受力分析Fig.6 Force analysis of residual film during the process of film removing

在進(jìn)行脫膜作業(yè)時，耙齒桿趨于豎直，耙齒桿與豎直方向的夾角γ接近90°，此時地膜所受合力沿前進(jìn)方向斜向下，為避免脫膜裝置纏繞地膜，需要控制脫膜轉(zhuǎn)軸速度，取兩相鄰導(dǎo)向耙齒經(jīng)過脫膜區(qū)域時脫膜橡膠板作用一次，考慮接觸與磨損的影響，脫膜裝置回轉(zhuǎn)半徑設(shè)計為300 mm。

2.3 推膜機(jī)構(gòu)

地膜從耙齒脫落后，易在膜箱后部堆積，需要增加推膜機(jī)構(gòu)實現(xiàn)地膜推送與壓縮，提升機(jī)具裝載量、避免耙齒回帶地膜。推膜機(jī)構(gòu)采用曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，將驅(qū)動轉(zhuǎn)軸的圓周運動轉(zhuǎn)變?yōu)橥鶑?fù)運動，其結(jié)構(gòu)如圖7所示，主要由推膜板、驅(qū)動馬達(dá)、聯(lián)軸器、傳動鏈、牙嵌式離合器、曲柄和球頭連桿等組成。推膜機(jī)構(gòu)采用液壓馬達(dá)驅(qū)動，液壓馬達(dá)Ⅱ產(chǎn)生的動力傳遞至旋轉(zhuǎn)軸，旋轉(zhuǎn)軸帶動兩側(cè)堆成布置的曲柄和球頭連桿，球頭連桿將推力作用于推膜板使其繞上方鉸接軸循環(huán)擺動。

為確定推膜機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)，將推膜機(jī)構(gòu)簡化，如圖8所示，推膜板與鉸接軸連接處記為鉸點M，旋轉(zhuǎn)軸軸心記為鉸點N，球頭連桿與曲柄連接點記為點P，將連接銷中心點與推膜板鉸接點記為Q，LMQ為連接銷中心點擺動半徑，以LMQ為半徑作′，設(shè)球頭連桿PQ、曲柄NP的長度分別為LPQ、LNP。

根據(jù)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的急回運動特性有：

式中θ為曲柄極位夾角，（°）；K為行程速比系數(shù)。

根據(jù)圖8推膜機(jī)構(gòu)在極限位置的幾何關(guān)系有：

式中LQQ'為連接銷軸心相對運動位置點Q、Q'間距離，mm。

整理得：

圖7 推膜機(jī)構(gòu)Fig.7 Film pushing mechanism

圖8 推膜機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)分析Fig.8 Analysis of structure parameters of film pushing mechanism

一般機(jī)械中1≤K≤2，K越大急回特性越明顯[34]，本文取行程速比系數(shù)K為1.7，代入式（12）計算得θ為46.7°。推膜板擺角較大時，作業(yè)過程中推膜板與膜箱底板間隙過大，地膜容易從二者產(chǎn)生的縫隙穿過，推膜板回程時反刮至推膜板后側(cè)，使推膜機(jī)構(gòu)再動作產(chǎn)生問題；擺角過小推膜效率不高，脫落的地膜仍在膜箱后側(cè)堆積，影響膜箱利用率；結(jié)合鏈齒輸膜角范圍，ψ小于25°時地膜向下滑落，取推膜板擺角為 23°～25°。根據(jù)膜箱結(jié)構(gòu)參數(shù)，取LMQ＝800 mm、曲柄長度LNP＝150 mm，將上述參數(shù)代入式（14）求得球頭連桿PQ長度為203～265 mm。

2.4 傳動系統(tǒng)設(shè)計

殘膜具有吸附與纏繞等特性[28-29]，鏈傳動在長距離傳動過程中易產(chǎn)生地膜纏繞的現(xiàn)象，加之機(jī)械傳動負(fù)荷重、振動大，為使整機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，可在部分區(qū)域使用液壓傳動，傳動系統(tǒng)采用機(jī)械與液壓搭配的工作方式。

整機(jī)傳動系統(tǒng)如圖9所示。拾膜裝置和單軸螺旋清雜器由后輸出軸提供動力，脫膜裝置和推膜機(jī)構(gòu)由液壓馬達(dá)提供動力。作業(yè)時，拖拉機(jī)牽引收膜機(jī)前行，動力經(jīng)過拖拉機(jī)輸出軸傳遞至收膜機(jī)換向器，改變動力方向并實現(xiàn)減速，進(jìn)而帶動鏈傳動系統(tǒng)，鏈傳動系統(tǒng)將動力傳輸至鏈耙上軸，鏈耙上軸通過彎邊輸送雙鏈帶動鏈耙下軸旋轉(zhuǎn)，彎邊輸送鏈轉(zhuǎn)過程中拖動導(dǎo)向耙齒完成拾膜作業(yè)；與此同時，鏈耙下軸通過鏈傳動連接于單軸排雜裝置，單軸排雜裝置旋轉(zhuǎn)將承接的雜質(zhì)排出機(jī)具外。液壓馬達(dá)Ⅰ將動力輸送至脫膜裝置，使脫膜裝置按圖示T2方向旋轉(zhuǎn)。液壓馬達(dá) Ⅱ 將動力輸送至推膜機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)軸，通過聯(lián)軸器、傳動鏈及牙嵌式離合器等驅(qū)動推膜機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，推膜機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)軸使推膜板繞鉸接點按圖示T1方向周期性擺動。

圖9 傳動系統(tǒng)示意圖Fig.9 Schematic diagram of transmission system

在傳動過程中，鏈耙上下軸轉(zhuǎn)速與單軸螺旋清雜裝置的動力由拖拉機(jī)輸出軸控制其轉(zhuǎn)速及切斷，脫膜裝置轉(zhuǎn)速及推膜機(jī)構(gòu)運轉(zhuǎn)頻率由液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速決定。

拖拉機(jī)額定輸出軸轉(zhuǎn)速 760 r/min，換向器傳動比為1∶3，根據(jù)各傳動鏈輪齒數(shù)計算可得：鏈耙下軸額定轉(zhuǎn)速n1為198 r/min，單軸排雜裝置額定轉(zhuǎn)速n2為198 r/min，脫膜轉(zhuǎn)軸實際轉(zhuǎn)速n3為38 r/min，推膜機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)軸實際轉(zhuǎn)速n4為 25 r/min。

3 田間試驗

為驗證導(dǎo)向鏈耙式地表殘膜回收機(jī)各部件工作的可靠性與作業(yè)效果，確定最優(yōu)工作參數(shù)，于2019年10月在新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第八師石總場三分場三連進(jìn)行田間試驗，樣機(jī)田間試驗如圖10所示。

圖10 田間試驗Fig.10 Field experiment

3.1 試驗條件

導(dǎo)向鏈耙式地表殘膜回收機(jī)樣機(jī)由福田雷沃拖拉機(jī)牽引（拖拉機(jī)型號為福田雷沃754A，額定功率55 kW），試驗儀器有電子天平（型號：YP2002型電子天平，量程：0～500 g，精度 0.001 g）、皮尺（量程 50 m）、托普云土壤水分測試儀（型號：TZS-1K-G），托普云土壤緊實度測定儀（型號：TJSD-750-2）、保鮮袋、標(biāo)簽紙等。

試驗田為棉花地，鋪膜厚度為 0.01 mm，鋪膜寬度2 050 mm，采用一膜兩管的寬窄行（10+66+10+66+10，cm）種植模式，縱向鋪膜長度約340 m，覆膜時間為2019年4月-2019年10月。試驗田土地平整，收膜前已完成棉花采收，滴灌水帶與膜管已回收。收膜前進(jìn)行秸稈粉碎還田，利用鋼板尺實測留茬高度平均值為 12.30 cm。托普云土壤水分測試儀測得土壤濕度平均值為19.29%，土壤緊實度平均值為5 182.32 kPa。

3.2 試驗因素

由2.1與2.4節(jié)分析可知，機(jī)具工作時，拖拉機(jī)后輸出軸驅(qū)動拾膜裝置在撿拾表層地膜后，地膜表面雜質(zhì)由排雜裝置排出，拾起的地膜收集在膜箱內(nèi)。拾膜率與機(jī)具前進(jìn)速度、耙齒入土深度及鏈耙輸入轉(zhuǎn)速相關(guān)。為減小試驗誤差，試驗中保持拖拉機(jī)轉(zhuǎn)速恒定，通過項目組前期對耙齒式拾膜裝置的研究，依據(jù)鏈耙式殘膜回收機(jī)的工作原理，選取影響殘膜回收率的 3個主要因素為機(jī)具行進(jìn)速度A、耙齒入土深度B、鏈耙輸入轉(zhuǎn)速C。

文獻(xiàn)[27-30]機(jī)具作業(yè)速度范圍為4～8 km/h，根據(jù)試驗配套使用福田雷沃754A作業(yè)參數(shù)與田間作業(yè)環(huán)境，由駕駛員調(diào)節(jié)拖拉機(jī)檔位控制速度，試驗取機(jī)具作業(yè)速度分別為4、6和8 km/h。

耙齒入土深度通過機(jī)具尾部對稱布置限深輪的伸縮實現(xiàn)，考慮地面凹坑和起伏的影響，耙齒入土深度下限值取 30 mm，調(diào)節(jié)機(jī)具尾部限深輪使耙齒達(dá)到最大入土深度為92 mm，等差取整設(shè)置耙齒入土深度水平為30、60、90 mm；試驗前在待測試區(qū)域驅(qū)動鏈耙旋轉(zhuǎn)，檢測耙齒達(dá)到相應(yīng)深度后固定限深輪調(diào)節(jié)手柄保持耙齒入土深度穩(wěn)定。

試驗中保持發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速恒定，根據(jù)拖拉機(jī)實際輸出轉(zhuǎn)速，實測鏈耙輸入轉(zhuǎn)速分別為143和186 r/min，受拖拉機(jī)輸出轉(zhuǎn)速限制，鏈耙輸入轉(zhuǎn)速缺少第三水平，且正交表的擬水平設(shè)計不改變正交表的列間交互作用關(guān)系，故鏈耙輸入轉(zhuǎn)速的第三水平采用擬水平；由2.1節(jié)分析，鏈耙下軸實際轉(zhuǎn)速為143 r/min時存在重合區(qū)能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)拾膜，為避免地膜撕裂擬水平選取為143 r/min。

試驗因素和水平如表2所示。

表2 試驗因素和水平Table 2 Test factors and levels

3.3 試驗指標(biāo)

結(jié)合GB/T 25412—2010《殘地膜回收機(jī)》規(guī)定的試驗內(nèi)容進(jìn)行導(dǎo)向鏈耙式地表殘膜回收機(jī)的作業(yè)性能進(jìn)行田間試驗。試驗在相同或是相鄰膜幅上進(jìn)行，每組試驗重復(fù)3次，每次試驗長度為100 m，試驗結(jié)果取3次平均值。試驗前于試驗地塊選取長度為100 m寬度為一個膜幅（地膜幅寬2 050 mm）的采樣區(qū)，對當(dāng)年鋪設(shè)地膜進(jìn)行采集，將采集地膜洗凈、晾干并稱質(zhì)量記為M0根據(jù)試驗需求選取拾膜率Y1與纏膜率Y2為指標(biāo)，計算方式如下：

式中M為作業(yè)前當(dāng)年鋪設(shè)地膜質(zhì)量，g；M1為機(jī)具作業(yè)后地表漏拾的地膜質(zhì)量，g；M2為纏繞在機(jī)具上的地膜質(zhì)量，g；M3為收集到膜箱的地膜質(zhì)量，g。

3.4 試驗方案與結(jié)果分析

試驗采用L9（34），共進(jìn)行9組試驗，收集纏繞于拾膜裝置與脫膜裝置上的地膜以及集膜箱地膜，將地膜裝袋并標(biāo)記，洗凈、晾干后利用電子天平稱質(zhì)量，根據(jù)式（15）與（16）計算拾膜率和纏膜率，試驗結(jié)果見表3。

表3 試驗方案與結(jié)果Table 3 Test plans and results

由表3試驗結(jié)果可知，拾膜率為80.050%～95.751%，纏膜率為0.050%～4.759%。各因素對拾膜率的優(yōu)水平為A3B1C3，既行進(jìn)速度為8 km/h，耙齒入土深度為30 mm，鏈耙輸入轉(zhuǎn)速為143 r/min；各因素對纏膜率的優(yōu)水平為：A1B2C3，既行進(jìn)速度為4 km/h，耙齒入土深度為60 mm，鏈耙輸入轉(zhuǎn)速為143 r/min。

為判斷各試驗因素對試驗指標(biāo)的顯著性影響，對試驗結(jié)果進(jìn)行方差分析，結(jié)果如表4所示。

表4 方差分析Table 4 Variance analysis

由方差分析可知，機(jī)具行進(jìn)速度、耙齒入土深度對拾膜率影響顯著，鏈耙輸入轉(zhuǎn)速對拾膜率影響均極顯著。這是由于田間地膜主要分布在地表，而耙齒端部線速度遠(yuǎn)大于機(jī)具行進(jìn)速度，拾膜作業(yè)中存在重合區(qū)，而地膜被耙齒挑起后處于高度拉伸狀態(tài)，耙齒作用地膜后產(chǎn)生穿孔，地膜與耙齒約束力強(qiáng)，有助于地膜的拾取與輸送，故拾膜率增大；反之，地膜與耙齒約束力減弱，拾膜率減小。當(dāng)耙齒入土深度增加時，在土壤的反作用力下，地膜被推送至耙齒桿根部，耙齒出土后齒桿粘連的土壤顆粒使地膜與齒桿摩擦力增大，輸送過程中不易掉落使拾膜率增加，但入土深度過大時挑膜吃力耙齒變形嚴(yán)重；反之，地膜在撿拾、輸送過程中易滑落，拾膜率降低。當(dāng)鏈耙輸入轉(zhuǎn)速增加時，耙齒運動過程中瞬時速度較大，但入土?xí)r間短，導(dǎo)向耙齒作業(yè)過程中重合度過高，耙齒容易變形和劃破地膜，地膜破損嚴(yán)重時造成漏拾或掉落，拾膜率降低；反之，鏈耙輸入轉(zhuǎn)速降低時，地膜連續(xù)性良好，拾膜和輸送中不易掉落，拾膜率較高。

機(jī)具行進(jìn)速度、耙齒入土深度和鏈耙輸入轉(zhuǎn)速對纏膜率影響不顯著，這是因為脫膜裝置結(jié)構(gòu)決定了其脫膜方式。由于脫膜軸旋轉(zhuǎn)中心靠近拾膜裝置傳動部分的過橋鏈輪，脫膜裝置采用液壓驅(qū)動，脫膜轉(zhuǎn)軸在牽引機(jī)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速確定情況下轉(zhuǎn)速趨于恒定，脫膜裝置結(jié)構(gòu)確定和轉(zhuǎn)速固定的情況下機(jī)具行進(jìn)速度、耙齒入土深度和鏈耙輸入轉(zhuǎn)速對纏膜率不會造成顯著影響。試驗過程中發(fā)現(xiàn)脫膜轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速增大時，較長的殘膜會纏繞在脫膜轉(zhuǎn)軸上，此外，受試驗期間風(fēng)向及刮板摩損后鉤帶的影響，存在少量長度較大的殘地膜纏繞在脫膜裝置上的情況。

3.5 試驗驗證

根據(jù)綜合平衡法，由于機(jī)具行進(jìn)速度、耙齒入土深度和鏈耙輸入轉(zhuǎn)速對纏膜率影響不顯著，在保證拾膜率，兼顧生產(chǎn)效率的條件下，取較優(yōu)參數(shù)組合為機(jī)具行進(jìn)速度8 km/h，耙齒入土深度30 mm，鏈耙輸入轉(zhuǎn)速143 r/min，利用較優(yōu)參數(shù)組合進(jìn)行重復(fù)試驗驗證，試驗結(jié)果如表5所示。

表5 試驗驗證結(jié)果Table 5 Experiment verification results

在較優(yōu)參數(shù)組合下，平均拾膜率為88.73%，平均纏膜率為1.91%。參照GB/T 25412—2010《殘地膜回收機(jī)》中作業(yè)性能指標(biāo)，機(jī)具工作性能滿足拾膜率和纏膜率要求。相比于鏈齒式拾膜機(jī)構(gòu)，導(dǎo)向鏈耙拾膜率提升了1.5%[31]，耙齒變向后脫膜對地膜的鉤帶減少。

由表3試驗結(jié)果可知，各試驗因素優(yōu)水平偏向于邊緣值，造成該結(jié)果的原因主要是受裝置的動力條件限制，鏈耙的輸入轉(zhuǎn)速水平數(shù)不足，擬水平正交試驗雖不影響各因素交互關(guān)系，但影響試驗優(yōu)水平選取。為驗證上述因素與田間作業(yè)環(huán)境等對試驗結(jié)果的影響，于2020年9月在新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第八師145團(tuán)三分場進(jìn)行補(bǔ)充試驗，試驗前測得平均留茬高度12.13 cm，土壤濕度平均值為14.30%，土壤緊實度平均值為3 883.43 kPa。按3.3節(jié)方法，以3.5節(jié)獲得的較優(yōu)參數(shù)組合機(jī)具行進(jìn)速度 8 km/h，耙齒入土深度 30 mm，鏈耙輸入轉(zhuǎn)速143 r/min，作為對照組進(jìn)行試驗，補(bǔ)充試驗參數(shù)為機(jī)具行進(jìn)速度6 km/h，耙齒入土深度60 mm，測試調(diào)整機(jī)具工作參數(shù)以轉(zhuǎn)速表測得鏈耙輸入轉(zhuǎn)速為165 r/min，2組試驗各重復(fù)3次。

表6 試驗結(jié)果Table 6 Test results

由表6試驗結(jié)果可知，田間環(huán)境發(fā)生變化情形下，試驗指標(biāo)將出現(xiàn)波動；對照組拾膜率為86.74%～87.61%，纏膜率為 1.87%～1.95%；補(bǔ)充組拾膜率 88.02%～88.72%，纏膜率為1.89%～2.11%。補(bǔ)充組的拾膜率波動小且略高于對照組，補(bǔ)充組與對照組作業(yè)參數(shù)對試驗指標(biāo)影響接近，說明較優(yōu)參數(shù)組合相對合理。

4 結(jié) 論

1）設(shè)計了導(dǎo)向鏈耙式地表殘膜回收機(jī)，介紹了主要零部件結(jié)構(gòu)與工作原理，對導(dǎo)向鏈耙式地表殘膜回收機(jī)各工作部件進(jìn)行了分析，確定了傳動結(jié)構(gòu)、拾膜裝置、脫膜裝置與推膜機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

2）制作了導(dǎo)向鏈耙式地表殘膜回收機(jī)，以機(jī)具行進(jìn)速度、耙齒入土深度與鏈耙輸入轉(zhuǎn)速為影響因素，以拾膜率與纏膜率為試驗指標(biāo)，進(jìn)行了田間試驗。試驗結(jié)果表明，拾膜率優(yōu)水平的作業(yè)參數(shù)為行進(jìn)速度 8 km/h，耙齒入土深度30 mm，鏈耙輸入轉(zhuǎn)速143 r/min；纏膜率優(yōu)水平的作業(yè)參數(shù)為行進(jìn)速度 4 km/h，耙齒入土深度60 mm，鏈耙輸入轉(zhuǎn)速 143 r/min。機(jī)具行進(jìn)速度、耙齒入土深度對拾膜率影響顯著，鏈耙輸入轉(zhuǎn)速對拾膜率影響極顯著；機(jī)具行進(jìn)速度、耙齒入土深度和鏈耙輸入轉(zhuǎn)速對纏膜率的影響不顯著。

3）以拾膜率為主要考慮指標(biāo)，結(jié)合田間作業(yè)環(huán)境，利用綜合平衡法確定較優(yōu)作業(yè)參數(shù)組合為機(jī)具行進(jìn)速度8 km/h，耙入土深度 30 mm，鏈耙輸入轉(zhuǎn)速 143 r/min。利用較優(yōu)參數(shù)組合進(jìn)行田間驗證試驗，試驗結(jié)果為平均拾膜率88.73%，平均纏膜率1.91%。