王成,宋瑜涵,楊建明,高強
(1. 濱州市農(nóng)業(yè)科學(xué)院,山東濱州,256600; 2. 石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院,新疆石河子,832003; 3. 濱州市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心,山東濱州,256600; 4. 濱州市農(nóng)業(yè)綜合執(zhí)法支隊,山東濱州,256600)
棉花采用地膜覆蓋的方式進行種植,具有增溫保墑、降低病蟲草害、提高產(chǎn)量的作用[1]。但是,我國采用的地膜厚度較薄(0.01 mm左右)、易風(fēng)化,導(dǎo)致回收困難。地膜不斷殘留在棉田,會降低土壤肥力、降低棉種發(fā)芽率,最終導(dǎo)致棉花減產(chǎn)[2-4]。因此,棉花和棉稈收獲后,地膜的快速離田是孜待解決的問題。
目前,地膜的快速離田主要是通過機械回收實現(xiàn)的。但是,現(xiàn)有的地膜回收機械主要將地膜回收后堆到田間地頭或進行集箱回收,這種回收方式不利于地膜回收后的運輸和儲存,還會對環(huán)境造成二次污染[5-8]。為解決以上問題,近年來國內(nèi)高校和科研院所等,開發(fā)了可進行打捆的地膜回收機,代表機型主要有新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院研制的地膜回收打捆機、濱州市農(nóng)業(yè)機械化科學(xué)研究所研制的棉田地膜回收打捆機等[9-10]。但是,這些機型普遍采用機械方式進行打圓捆,存在打捆密度低、圓捆過大、運輸和儲存時不易堆放等問題。
為解決以上問題,本文設(shè)計了一種采用液壓方式進行壓方捆的棉田地膜回收壓捆機。為確定該機具的作業(yè)性能,將挑膜滾筒轉(zhuǎn)速、機具前進速度、切刀線速度、地膜喂入量、地膜厚度作為試驗因素,將地膜回收率、壓縮密度和纏膜率作為目標(biāo)值,進行了5因素3水平的Box-Behnken試驗,采用Design-Expert軟件進行了響應(yīng)面分析,建立了相關(guān)的數(shù)學(xué)模型和目標(biāo)函數(shù),進行了樣機作業(yè)參數(shù)組合優(yōu)化計算,并對優(yōu)化結(jié)果進行了試驗驗證,最終確定樣機的最優(yōu)作業(yè)參數(shù)組合。
設(shè)計的液壓式棉田地膜回收壓捆機如圖1所示,主要包括邊膜鏟、挑膜滾筒、切割機構(gòu)、壓縮機構(gòu)等。其中,挑膜滾筒和切割機構(gòu)的運動形成一定規(guī)律,確保附著在挑膜滾筒表面的地膜能夠順利被割開,避免地膜在挑膜滾筒表面發(fā)生纏繞;壓縮機構(gòu)的前端與挑膜滾筒外圓周相切,確保被挑膜滾筒撿拾的地膜和附著在挑膜滾筒表面被切割機構(gòu)切開的地膜能夠順利進入壓縮機構(gòu),完成地膜壓捆作業(yè)。
液壓式棉田地膜回收壓捆機的工作原理是首先將機具通過懸掛架與拖拉機掛接,利用限深輪調(diào)節(jié)好機具離地高度,確保地膜能夠被邊膜鏟和起膜鏟從地里鏟起;然后啟動拖拉機,使液壓系統(tǒng)進行工作,帶動挑膜滾筒、切割機構(gòu)和壓縮機構(gòu)作業(yè)。其中,機具隨著拖拉機一起行進的同時,邊膜鏟和起膜鏟將埋在土壤中的地膜鏟出,挑膜滾筒通過旋轉(zhuǎn)將鏟出的地膜挑起,同時切割機構(gòu)將附著在挑膜滾筒上的地膜割開;最后被挑膜滾筒撿拾的地膜和附著在挑膜滾筒表面被切割機構(gòu)切開的地膜順利進入壓縮機構(gòu),通過壓縮機構(gòu)完成地膜的壓捆作業(yè)。液壓式棉田地膜回收壓捆機的主要技術(shù)參數(shù)見表1。
圖1 液壓式棉田地膜回收壓捆機Fig. 1 Hydraulic cotton field film recycling and baling machine1.起膜鏟 2.壓縮機構(gòu) 3.切割機構(gòu) 4.液壓馬達 5.挑膜滾筒 6.邊膜鏟 7.懸掛架 8.機架 9.限深輪
表1 液壓式棉田地膜回收壓捆機的主要技術(shù)參數(shù)Tab. 1 Main parameters of hydraulic cotton field film recycling and baling machine
本文設(shè)計的挑膜滾筒為弧線往復(fù)式結(jié)構(gòu)如圖2所示,主要包括滾筒、挑膜齒和曲軸,其工作原理是在滾筒旋轉(zhuǎn)的同時,挑膜齒通過曲軸實現(xiàn)有規(guī)律的伸縮運動,將邊膜鏟和起膜鏟從土壤中鏟出的地膜挑起。
為保證地膜能夠被挑膜齒順利挑起并能夠向后拋送到壓縮機構(gòu)內(nèi),挑膜齒齒端線速度應(yīng)大于機具前進速度[11]。
(1)
式中:V——挑膜齒齒端的線速度,m/s;
R——挑膜齒齒端最大回轉(zhuǎn)半徑,m;
n——挑膜滾筒轉(zhuǎn)速,r/min;
v——機具前進速度,m/s。
本文設(shè)計的液壓式棉田地膜回收壓捆機的最大機具行進速度為2.1 m/s,挑膜齒齒端最大回轉(zhuǎn)半徑為0.61 m。因此挑膜滾筒的轉(zhuǎn)速應(yīng)滿足n>32.9 r/min。
(a) 挑膜滾筒
(b) 挑膜滾筒內(nèi)部結(jié)構(gòu) 圖2 挑膜滾筒Fig. 2 Pick film roller1.挑膜齒 2.滾筒 3.曲軸
根據(jù)挑膜齒的運動規(guī)律,為了使地膜不被漏檢,挑膜滾筒必須滿足相應(yīng)的條件[6],如式(2)所示。
(2)
式中:h——漏撿區(qū)高度,m;
H——挑膜滾筒最低點離起膜鏟上表面高度,m;
d——挑膜齒齒端與起膜鏟上表面最小距離,m;
γ——挑膜滾筒圓周均布挑膜齒的齒間角,rad;
z——挑膜滾筒圓周上均布的挑膜齒排數(shù);
φ——與h對應(yīng)的滾筒轉(zhuǎn)角,rad。
為使地膜能夠被挑起,挑膜齒齒端與起膜鏟上表面最小距離d≤0 m,由于起膜鏟和挑膜齒齒端均為硬性材質(zhì),挑膜齒齒端在起膜鏟上端時,兩者的距離不可能小于0,因此挑膜齒齒端與起膜鏟上表面最小距離d=0 m。由于本文設(shè)計的挑膜滾筒最低點離起膜鏟上表面高度H=0.025 m,因此經(jīng)計算挑膜滾筒圓周上均布的挑膜齒排數(shù)z≤5.503。由于挑膜滾筒圓周上均布的挑膜齒排數(shù)越多,地膜撿拾率越高,因此本文設(shè)計的挑膜滾筒圓周上均布的挑膜齒排數(shù)為5排。
本文設(shè)計的切割機構(gòu)主要是用來將纏繞在挑膜滾筒上的地膜切開,避免在機具作業(yè)時地膜纏繞在挑膜滾筒上,影響機具的作業(yè)性能,降低地膜回收率,主要由馬達鏈輪、傳遞齒輪、驅(qū)動鏈輪、驅(qū)動鏈條和切刀等組成,如圖3所示。其中,馬達鏈輪安裝在液壓馬達上,依靠液壓馬達的轉(zhuǎn)動驅(qū)動切刀運動,實現(xiàn)切刀將纏繞在挑膜滾筒上的地膜切開。
為了使地膜不纏繞在挑膜滾筒上,挑膜滾筒每轉(zhuǎn)1圈,必須保證切刀至少能夠沿滾筒一側(cè)運動到另一側(cè),即
(3)
式中:v1——切刀線速度,m/s;
L——滾筒長度,m;
Z——驅(qū)動鏈條上均布的切刀數(shù),m。
本文設(shè)計的滾筒長度為2.1 m,驅(qū)動鏈條上均布有4把切刀。因此,切刀的線速度應(yīng)滿足v1≥8.75×10-3n。
又因為本文設(shè)計的切割機構(gòu)傳遞齒輪的轉(zhuǎn)速比為1∶1,因此驅(qū)動鏈輪的轉(zhuǎn)速等于過渡鏈輪的轉(zhuǎn)速。
(4)
式中:n1——驅(qū)動馬達鏈輪的液壓馬達轉(zhuǎn)速,r/min;
r——切刀刀端回轉(zhuǎn)半徑,m;
Z1——滾筒鏈輪齒數(shù);
Z2——過渡鏈輪齒數(shù)。
圖3 切割機構(gòu)Fig. 3 Cutting mechanism1.切刀 2.驅(qū)動鏈條 3.驅(qū)動鏈輪 4.傳遞齒輪 5.過渡鏈輪 6.馬達鏈輪
本文設(shè)計的切刀刀端回轉(zhuǎn)半徑為0.185 m,滾動鏈輪和過渡鏈輪的齒數(shù)分別為24和15。因此,驅(qū)動馬達鏈輪的液壓馬達轉(zhuǎn)速為n1=v1/309。
本文設(shè)計的壓縮機構(gòu)主要用來將回收的地膜進行壓縮,讓松散的地膜成為形狀規(guī)則的方捆,便于地膜回收后的儲存和運輸,其主要包括儲膜箱、壓縮室和壓縮液壓缸等,如圖4所示。
圖4 壓縮機構(gòu)Fig. 4 Compression mechanism1.壓縮液壓缸 2.儲膜箱門 3.儲膜箱 4.后擋板 5.彈簧 6.壓縮室 7.液壓缸
根據(jù)壓縮機構(gòu)的工作原理,本文將一次從儲膜箱落入壓縮室的地膜質(zhì)量定義為地膜喂入量,單位為kg/次。壓縮機構(gòu)的工作原理是回收的地膜落入儲膜箱內(nèi),當(dāng)儲膜箱內(nèi)的地膜質(zhì)量達到設(shè)定的喂入量時,液壓缸動作將儲膜箱門打開,使地膜順利落入壓縮室內(nèi),壓縮液壓缸動作,在彈簧反作用力和后擋板的作用下,對地膜進行壓縮,保持一定時間后,壓縮液壓缸退回,完成一次地膜壓縮,將地膜壓實,重復(fù)以上動作,直到壓縮成捆的地膜落地,完成一個地膜捆的壓捆作業(yè)。
2020年11月,在山東省濱州市濱城區(qū)馬坊農(nóng)場機采棉試驗示范基地進行試驗。試驗時,棉稈已進行拔稈處理,地面基本平整,鋪膜方式為一膜三行,行距為760 mm等行距,土壤深度0~10 cm處平均含水率10.6%,平均硬度273 N/cm2。
根據(jù)地膜回收影響因素及作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求[6, 13],本文將挑膜滾筒轉(zhuǎn)速、機具前進速度、切刀線速度、地膜喂入量、地膜厚度作為試驗因素,將地膜回收率、壓縮密度和纏膜率作為目標(biāo)值,進行5因素3水平的Box-Behnken試驗,采用Design-Expert軟件進行響應(yīng)面分析,建立相關(guān)的數(shù)學(xué)模型和目標(biāo)函數(shù),進行作業(yè)參數(shù)組合優(yōu)化計算,并對優(yōu)化結(jié)果進行了試驗驗證,最終確定樣機的最優(yōu)作業(yè)參數(shù)組合。Box-Behnken試驗的試驗因素編碼見表2。
表2 Box-Behnken試驗的試驗因素編碼Tab. 2 Test factor code of box Behnken test
根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 25412—2010《殘地膜回收機》要求,每組試驗選取的試驗區(qū)域長度為200 m,寬度為60 m;在試驗區(qū)域內(nèi)采用5點法進行各目標(biāo)值的測定,即沿試驗區(qū)域?qū)蔷€,四分之一至八分之一長度范圍處隨機選取4個點作為測點,再加上對角線的中點作為機具作業(yè)前的5個測點;在機具作業(yè)前的5個測點附近且不重疊的試驗區(qū)域內(nèi)再選取5個測點,作為機具作業(yè)后的5個測點;每個測點長度為5 m,長度為一個鋪膜跨度。每組試驗將5個測點的平均值作為各目標(biāo)值的最終測定值。測定地膜回收率時將地膜表層的塵土和水分去除后稱其質(zhì)量;測定壓縮密度時,在每個測點隨機選取2個壓縮后的地膜捆,分別計算其壓縮密度,將2個地膜捆壓縮密度的平均值作為這個測點地膜壓縮密度的最終值;測定纏膜率時,在每個測點內(nèi),測定機具壓縮完成2個地膜捆時,分別統(tǒng)計纏繞在機具上的地膜和2個地膜捆的質(zhì)量。
各目標(biāo)值的計算方法如式(5)~式(7)所示。
(5)
(6)
(7)
式中:y1——地膜回收率試驗值,%;
y2——壓縮密度試驗值,kg/m3;
y3——纏膜率試驗值,mm;
W——機具作業(yè)后地里的地膜,kg;
W0——機具作業(yè)前地里的地膜,kg;
m——地膜壓縮成捆后的地膜捆質(zhì)量,kg;
V1——地膜壓縮成捆后的地膜捆體積,m3;
m1——纏繞在機具上的地膜質(zhì)量,kg;
m2——2個地膜捆的質(zhì)量,kg。
根據(jù)制定的試驗方案進行了5因素3水平的Box-Behnken試驗設(shè)計并進行了相關(guān)試驗,試驗結(jié)果見表3。采用Design-Expert軟件對試驗結(jié)果進行分析,建立了各目標(biāo)值與各試驗因素之間的二次線性回歸關(guān)系模型并進行了方差分析,如表4所示。
通過表4可知,建立的地膜回收率、壓縮密度和纏膜率的關(guān)系模型均是極顯著的(P<0.01);所建立各關(guān)系模型的失擬項均不顯著(P>0.05),信噪比均大于20,相關(guān)系數(shù)R2和調(diào)整后的R2均大于0.9,表明建立的關(guān)系模型是較優(yōu)的,可用于預(yù)測目標(biāo)值,且預(yù)測數(shù)據(jù)與試驗數(shù)據(jù)的擬合程度較高[14-15]。
表3 Box-Behnken試驗結(jié)果Tab. 3 Test results of Box-Behnken
表4 Box-Behnken試驗結(jié)果的方差分析Tab. 4 Variance analysis of test results of Box-Behnken
根據(jù)單個試驗因素和交互因素的F值,可計算得到單個試驗因素對所建立關(guān)系模型的貢獻值K,根據(jù)K值的大小,可判斷試驗因素對目標(biāo)值的影響程度[16]。
(8)
(9)
式中:δ——考核值。
1) 建立的試驗因素與地膜回收率的關(guān)系模型
y1=93.80-0.518 1X1-0.453 7X2+0.317 5X3+0.141 9X4+0.761 2X5+1.25X1X2-
0.85X1X3-0.037 5X1X4-0.55X1X5+
1.46X2X3-0.50X2X4+1.18X2X5-
0.625 0X3X4+0.715 0X3X5-0.25X4X5-
0.717 3X12-0.428 1X22-0.208 1X32-
0.519 0X42+0.165 2X52
(10)
通過表4可知,挑膜滾筒轉(zhuǎn)速、機具前進速度、切刀線速度和地膜厚度均對地膜回收率有極顯著影響(P<0.01),根據(jù)貢獻率K值可知各試驗因素對地膜回收率的影響程度為機具前進速度>切刀線速度>挑膜滾筒轉(zhuǎn)速>地膜厚度>地膜喂入量;挑膜滾筒轉(zhuǎn)速和機具前進速度(X1X2)、挑膜滾筒轉(zhuǎn)速和切刀線速度(X1X3)、挑膜滾筒轉(zhuǎn)速和地膜厚度(X1X5)、機具前進速度和切刀線速度(X2X3)、機具前進速度和地膜喂入量(X2X4)、機具前進速度和地膜厚度(X2X5)、切刀線速度和地膜喂入量(X3X4)、切刀線速度和地膜厚度(X3X5)的交互作用對地膜回收率均具有極顯著影響(P<0.01)。分析圖5可知,響應(yīng)面圖的等高線均為橢圓形,表明交互因素對地膜回收率的影響是顯著的,這與表4的方差分析結(jié)果是一致的。在交互試驗因素的作用下,試驗因素對地膜回收率的總體影響趨勢為隨著挑膜滾筒轉(zhuǎn)速、機具前進速度的增大,地膜回收率先增大后減小;隨著切刀線速度、地膜厚度的增大,地膜回收率增大。
2) 建立的試驗因素與壓縮密度的關(guān)系模型
y2=129.23-2.83X1-0.450 6X2+2.76X3+
1.88X4+2.42X5-1.75X1X2-
1.69X1X3-0.175 0X1X4+1.25X1X5-
0.75X2X3+0.25X2X4+0.947 5X2X5+
2.75X3X4-2.25X3X5+2.00X4X5-
0.418 8X12-0.905 4X22+0.882 9X32-
1.86X42+1.09X52
(11)
通過表4可知,挑膜滾筒轉(zhuǎn)速、切刀線速度、地膜喂入量和地膜厚度均對壓縮密度有極顯著影響(P<0.01),根據(jù)貢獻率K值可知各試驗因素對壓縮密度的影響為地膜厚度>切刀線速度>地膜喂入量>挑膜滾筒轉(zhuǎn)速>機具前進速度;挑膜滾筒轉(zhuǎn)速和機具前進速度(X1X2)、挑膜滾筒轉(zhuǎn)速和切刀線速度(X1X3)、切刀線速度和地膜喂入量(X3X4)、切刀線速度和地膜厚度(X3X5)、地膜喂入量和地膜厚度(X4X5)的交互作用對壓縮密度均具有極顯著影響(P<0.01);挑膜滾筒轉(zhuǎn)速和地膜厚度(X1X5)的交互作用對壓縮密度具有顯著影響(P<0.05)。分析圖6可知,響應(yīng)面圖呈馬鞍狀或凹陷狀,表明交互因素對壓縮密度的影響是顯著的,這與表4的方差分析結(jié)果是一致的[17]。在交互試驗因素的作用下,試驗因素對壓縮密度的總體影響趨勢為隨著挑膜滾筒轉(zhuǎn)速的增大,壓縮密度減??;隨著切刀線速度、地膜厚度的增大,壓縮密度先減小后增大;隨著地膜喂入量的增大,壓縮密度先增大后減小。
(a) X1與X2的交互作用 (b) X1與X3的交互作用 (c) X1與X5的交互作用
(d) X2與X3的交互作用 (e) X2與X4的交互作用 (f) X2與X5的交互作用
(g) X3與X4的交互作用 (h) X3與X5的交互作用 圖5 地膜回收率與試驗因素的響應(yīng)面Fig. 5 Response surface of recycling rate of field film and test factors
3) 建立的試驗因素與纏膜率的關(guān)系模型
y3=9.65+0.245 0X1+0.606 9X2-0.39X3-
0.045 6X4+0.216 3X5+0.635 0X1X2+
0.40X1X3+0.047 5X1X4+0.287 5X1X5+
0.31X2X3+0.122 5X2X4+0.435 0X2X5-
0.127 5X3X4+0.157 5X3X5-0.175 0X4X5+
0.246 0X12+0.526 9X22+0.161 0X32-
0.229 8X42+0.197 7X52
(12)
通過表4可知,挑膜滾筒轉(zhuǎn)速、機具前進速度、切刀線速度和地膜厚度均對纏膜率有極顯著影響(P<0.01)。
(a) X1與X2的交互作用
(b) X1與X3的交互作用
(c) X1與X5的交互作用
(d) X3與X4的交互作用
(e) X3與X5的交互作用
(f) X4與X5的交互作用 圖6 壓縮密度與試驗因素的響應(yīng)面Fig. 6 Response surface of compression density and test factors
(a) X1與X2的交互作用
(b) X1與X3的交互作用
(c) X1與X5的交互作用
(d) X2與X3的交互作用
(e) X2與X5的交互作用 圖7 纏膜率與試驗因素的響應(yīng)面Fig. 7 Response surface of wrapping film rate and test factors
根據(jù)貢獻率K值可知各試驗因素對纏膜率的影響為機具前進速度>地膜厚度>挑膜滾筒轉(zhuǎn)速>切刀線速度>地膜喂入量;挑膜滾筒轉(zhuǎn)速和機具前進速度(X1X2)、挑膜滾筒轉(zhuǎn)速和切刀線速度(X1X3)、挑膜滾筒轉(zhuǎn)速和地膜厚度(X1X5)、機具前進速度和切刀線速度(X2X3)、機具前進速度和地膜厚度(X2X5)的交互作用對纏膜率均具有極顯著影響(P<0.01)。
分析圖7可知,響應(yīng)面圖均為凹陷狀,響應(yīng)面圖的等高線均為橢圓形,表明交互因素對纏膜率的影響是顯著的,這與表4的方差分析結(jié)果是一致的。在交互試驗因素的作用下,試驗因素對纏膜率的總體影響趨勢為隨著挑膜滾筒轉(zhuǎn)速、地膜厚度的增大,纏膜率先減小后增大;隨著機具前進速度的增大,纏膜率增大;隨著切刀線速度的增大,纏膜率減小。
根據(jù)建立的試驗因素與目標(biāo)值的關(guān)系模型,建立目標(biāo)函數(shù),采用Design-Expert軟件中的目標(biāo)優(yōu)化法,得出預(yù)測的最優(yōu)作業(yè)參數(shù)組合。建立的目標(biāo)函數(shù)如式(13)所示。
(13)
為了驗證預(yù)測的最優(yōu)作業(yè)參數(shù)組合是否正確,根據(jù)得出的最優(yōu)試驗因素組合進行田間試驗。因此田間試驗時,設(shè)定的試驗因素分別為挑膜滾筒轉(zhuǎn)速為48.00 r/min,機具前進速度0.80 m/s,切刀線速度2.47 m/s,地膜喂入量0.52 kg/次,地膜厚度0.012 mm,試驗得到的最優(yōu)目標(biāo)值見表5。
表5 預(yù)測最優(yōu)值和試驗最優(yōu)值的對比Tab. 5 Comparison of predicted and test optimal operation parameter combination
分析表5可知,試驗得到最優(yōu)目標(biāo)值與預(yù)測最優(yōu)目標(biāo)值的誤差在1.5%之內(nèi),在考慮的誤差范圍內(nèi)。因此,液壓式棉田地膜回收壓捆機田間作業(yè)時的最優(yōu)作業(yè)參數(shù)組合為挑膜滾筒轉(zhuǎn)速48.00 r/min,機具前進速度0.80 m/s,切刀線速度2.47 m/s,地膜喂入量0.52 kg/次,地膜厚度0.012 mm,地膜回收率95.09%,壓縮密度137.68 kg/m3,纏膜率8.91%。
本文對液壓式棉田地膜回收壓捆機的主要部件進行了設(shè)計,進行了5因素3水平的Box-Behnken試驗,采用Design Expert軟件中對試驗結(jié)果進行了分析,優(yōu)化得出了液壓式棉田地膜回收壓捆機田間作業(yè)時的最優(yōu)作業(yè)參數(shù)組合,并進行了試驗驗證,得出如下結(jié)論。
1) 本文設(shè)計的挑膜滾筒圓周上均布的挑膜齒排數(shù)為5排,田間作業(yè)時,挑膜滾筒的轉(zhuǎn)速應(yīng)大于32.9 r/min,切刀的線速度應(yīng)大于等于挑膜滾筒轉(zhuǎn)速的8.75×10-3倍。
2) 通過Box-Behnken試驗分析,建立了挑膜滾筒轉(zhuǎn)速、機具前進速度、切刀線速度、地膜喂入量、地膜厚度與地膜回收率、壓縮密度和纏膜率之間的關(guān)系模型,擬合程度均比較高,可用于預(yù)測相關(guān)數(shù)值。
3) 液壓式棉田地膜回收壓捆機田間作業(yè)時的最優(yōu)作業(yè)參數(shù)組合為挑膜滾筒轉(zhuǎn)速48.00 r/min,機具前進速度0.80 m/s,切刀線速度2.47 m/s,地膜喂入量0.52 kg/次,地膜厚度0.012 mm,地膜回收率95.09%,壓縮密度137.68 kg/m3,纏膜率8.91%。