王建吉，帥忠奎，李明明

（1.隴東學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，甘肅 慶陽(yáng) 745000；2.慶陽(yáng)市前進(jìn)機(jī)械制造有限公司，甘肅 慶陽(yáng) 745000；3.慶陽(yáng)質(zhì)量檢驗(yàn)檢測(cè)研究院，甘肅 慶陽(yáng) 745000）

地膜覆蓋技術(shù)能夠起到保熵增產(chǎn)的效果，尤其在西北，該技術(shù)得到廣泛推廣。但近年來(lái)由于廢膜撿拾問(wèn)題，造成一些地方地膜應(yīng)用受阻。當(dāng)前廢膜撿拾大多采用半機(jī)械化撿拾，撿拾效率和應(yīng)用效果不佳，因不同農(nóng)作物的生長(zhǎng)特點(diǎn)、種植工藝不同，使得通用化廢膜撿拾機(jī)械研制技術(shù)進(jìn)入瓶頸。尤其對(duì)于玉米、煙草等根茬較大的農(nóng)作物廢膜撿拾機(jī)械研制難度更大。

現(xiàn)有的廢膜撿拾機(jī)大致分為滾筒式、彈齒式、耙齒式、鏈齒式，桿齒式、氣吸式6種基本類(lèi)型，為了提高廢膜撿拾率和降低纏膜率，科研人員針對(duì)現(xiàn)有的幾種類(lèi)型廢膜撿拾機(jī)做了大量的理論和試驗(yàn)研究。王旭峰等［1］設(shè)計(jì)了一種刨膜和拋膜機(jī)構(gòu)，然后采用鏈齒式撿膜機(jī)構(gòu)將廢膜收集起來(lái)。張嘉喜等［2］通過(guò)滾刀式起茬降低了青貯玉米地根茬對(duì)殘膜回收的影響。劉進(jìn)寶等［3］針對(duì)棉花地殘膜設(shè)計(jì)了一種殘膜撿拾壓縮車(chē)，提高了殘膜回收機(jī)械化效率。戴飛等［4-5］根據(jù)種植農(nóng)藝要求，結(jié)合地形結(jié)構(gòu)、起膜深度等因素，設(shè)計(jì)了一種全膜雙壟溝殘膜撿拾機(jī)。李亞麗等［6-7］針對(duì)彈齒式結(jié)構(gòu)的卸膜機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)了一種錐形卷膜輥，該結(jié)構(gòu)雖然卸膜相對(duì)容易，但卷膜輥和撿膜齒的連接可靠性低。謝建華等［8-13］對(duì)弧齒式回收機(jī)的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。由佳翰等［14-15］設(shè)計(jì)了一種鏟齒組合式撿拾機(jī)，以及其他國(guó)內(nèi)研究人員針對(duì)殘膜撿拾的過(guò)程參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，但是大部分研究對(duì)象是棉花地殘膜撿拾［16-25］，針對(duì)玉米地殘膜撿拾機(jī)研究較少，關(guān)于玉米根茬清理方面更少［26-30］。本研究針對(duì)滾筒式廢膜撿拾機(jī)膜土不分離、桿齒式卸膜困難、彈齒式遇到玉米根茬無(wú)法彈起，以及玉米根茬殘留土壤影響農(nóng)機(jī)具壽命等問(wèn)題。在桿齒式結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，增加破茬機(jī)構(gòu)、割膜機(jī)構(gòu)、清茬收集機(jī)構(gòu)，研制出一種適用于玉米地的廢膜撿拾清茬機(jī)，并對(duì)其整機(jī)性能和工作可靠性進(jìn)行了試驗(yàn)研究。

1 整機(jī)機(jī)構(gòu)分析

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)及工作過(guò)程

整機(jī)主要由深松機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)系統(tǒng)、圓盤(pán)刀破茬機(jī)構(gòu)、梳齒式起膜機(jī)構(gòu)、釘齒式撿膜機(jī)構(gòu)、電動(dòng)割膜裝置、鏟茬裝置、鏈板式輸送裝置、集茬裝置等組成。

玉米地殘膜撿拾清茬機(jī)可一次性完成破茬-起膜-撿膜-割膜-鏟茬-集茬等工作。動(dòng)力傳動(dòng)如圖1所示，過(guò)程如下：拖拉機(jī)輸出動(dòng)力，通過(guò)減速換向器帶動(dòng)主動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，主動(dòng)軸利用帶傳動(dòng)2帶動(dòng)撿膜軸轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)撿膜，撿膜軸通過(guò)帶傳動(dòng)3帶動(dòng)破茬刀軸工作。同時(shí)主動(dòng)軸利用帶傳動(dòng)1帶動(dòng)過(guò)渡軸轉(zhuǎn)動(dòng)，過(guò)渡軸和主動(dòng)齒輪同軸，從動(dòng)齒輪和傳送鏈板軸同軸。利用齒輪傳動(dòng)目的是實(shí)現(xiàn)換向，使得傳動(dòng)鏈板轉(zhuǎn)向和撿膜軸轉(zhuǎn)向相反。

圖1 傳動(dòng)系統(tǒng)示意圖Figure 1 Schematic diagram of transmission system

整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖2所示，工作過(guò)程如下：破茬裝置是利用破茬刀高速旋轉(zhuǎn)，刀刃將玉米根茬劈開(kāi)，破茬刀架間距可根據(jù)玉米種植工藝要求調(diào)節(jié)。深松工作的目的是將壟兩側(cè)板結(jié)的土壤疏松，便于側(cè)膜撿拾。起膜機(jī)構(gòu)布置在破茬裝置后面，目的是將廢膜挑起后與地面分離，便于撿膜齒工作。撿膜裝置是利用撿膜齒將浮在地表的殘膜，通過(guò)高速旋轉(zhuǎn)將廢膜拾起后纏繞在卷膜輥上，卷膜輥在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，將殘膜上的土甩出，起到了膜土分離的效果。待卷膜輥上的殘膜纏繞到一定厚度時(shí)，停機(jī)，轉(zhuǎn)動(dòng)卷膜輥，使得卷膜輥上的凹槽與割膜刀片對(duì)齊，啟動(dòng)割膜刀片驅(qū)動(dòng)電機(jī)和絲杠電機(jī)，將纏繞在卷膜輥上的廢膜沿周向割開(kāi)，再利用卷膜輥上的連桿機(jī)構(gòu)將廢膜推出，完成卸膜。清茬部分是由鏟茬裝置、鏈板式輸送裝置、集茬裝置組成，鏟茬裝置主要依靠鏟茬刀將根茬鏟起，通過(guò)撥茬機(jī)構(gòu)將根茬和雜物轉(zhuǎn)移到傳動(dòng)鏈板上，鏈板上加裝抖動(dòng)裝置，在鏈板輸送過(guò)程中將混合在根茬和雜物中的土壤抖落在地面上，最后根茬和雜物進(jìn)入集茬箱。同時(shí)將撿膜齒撿不到的廢膜和根茬一起收集，起到清茬清廢膜的作用。

圖2 一種玉米地殘膜撿拾清茬機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Figure 2 Structure diagram of corn residue picking and stubble cleaning machine

1.2 整機(jī)參數(shù)

考慮玉米種植農(nóng)藝要求和當(dāng)?shù)氐匦谓Y(jié)構(gòu)、土壤參數(shù)等因素，設(shè)計(jì)樣機(jī)輪廓尺寸、確定機(jī)具工作時(shí)的基本參數(shù)，詳細(xì)如表1所示。

表1 玉米地殘膜撿拾清茬機(jī)基本參數(shù)Table 1 The essential parameter of the residual film pickup machine

2 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

廢膜撿拾機(jī)核心部件包括：深松機(jī)構(gòu)、破茬機(jī)構(gòu)、起膜機(jī)構(gòu)、撿膜機(jī)構(gòu)、卸膜機(jī)構(gòu)、鏟茬集茬機(jī)構(gòu)等，各部分的幾何尺寸對(duì)整機(jī)的可靠性和撿拾效果均有影響。

2.1 起膜齒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

起膜機(jī)構(gòu)由起膜軸和起膜齒組成，其中的關(guān)鍵零件就是起膜齒，因?yàn)榈啬らL(zhǎng)期裸露在地表，部分和土壤粘連在一起，還有一部分被板結(jié)的土壤壓實(shí)，撿膜齒無(wú)法直接將其卷起，因此先利用起膜齒伸入土壤，將土壤和地膜疏松，使地膜浮于土壤之上，起膜齒安裝在起膜軸，整個(gè)起膜機(jī)構(gòu)增加了仿地形的結(jié)構(gòu)，由于地面不平整，起膜齒尖所受的工作阻力不是常數(shù)，為了設(shè)計(jì)合理的起膜齒結(jié)構(gòu)，工作阻力是一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，受力分析如圖3所示，為適應(yīng)不同硬度的土壤，可調(diào)節(jié)起膜齒入土角，入土角影響入土深度，入土深度影響工作阻力，工作阻力的計(jì)算可根據(jù)文獻(xiàn)［7］方法計(jì)算。

圖3 起膜齒受力分析Figure 3 The force analysis of the membrane tooth

式中：FC為起膜齒工作阻力，N；G為起膜齒上土壤與地膜的質(zhì)量，kg；C為土壤內(nèi)聚力系數(shù)；A為土壤剪切面積，mm2；Ft為土壤沿起膜齒面運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力，N；σt為鏟面傾角，°；ft為土壤內(nèi)摩擦因數(shù)；λt為土壤與金屬附著力參數(shù)；f為土壤內(nèi)摩擦因數(shù)；αt為入土角，取值在18°～20°。

2.2 撿拾機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

撿膜機(jī)構(gòu)由帶輪、套筒、撿膜齒、撿膜軸組成，通過(guò)帶傳動(dòng)系統(tǒng)帶動(dòng)撿膜軸轉(zhuǎn)動(dòng)，撿膜軸上的撿膜齒轉(zhuǎn)動(dòng)利用離心力將地表的廢膜撿拾纏繞在撿膜軸上，為了減少撿膜齒與地面的接觸次數(shù)，避免撿膜齒將廢膜劃破無(wú)法纏繞在軸上，通過(guò)測(cè)試試驗(yàn)確定了撿膜齒的排數(shù)和齒的數(shù)量。本機(jī)構(gòu)采用單排齒，齒數(shù)為11個(gè)，如圖4所示。

圖4 撿膜機(jī)構(gòu)組成和撿膜齒受力分析Figure 3 Composition of film picking mechanism and force analysis of film picking teeth

撿膜機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)必須滿(mǎn)足兩個(gè)基本條件，一是保證殘膜在纏繞過(guò)程中不滑落，殘膜纏繞在撿膜軸上；二是保證殘膜不被撿膜齒戳破；撿膜齒受力分析如圖4所示［14］。

（1）確保殘膜在撿拾過(guò)程中不從撿膜齒上滑落，要求殘膜在撿膜齒上的摩擦力要大于殘膜在撿膜齒上的離心力，即需滿(mǎn)足以下條件：

式中：μ為撿膜齒與膜之間的摩擦因數(shù)；m總為撿膜齒端部接觸土壤和廢膜混合質(zhì)量，kg；FG為土壤對(duì)撿膜齒的工作阻力，N；m1、m2分別是m總在撿膜齒齒向和垂直方向的分量（如圖4所示）；α1為m總和m1的夾角，rad；α2為FG和m2的夾角，rad；ω為撿膜軸角速度，rad/s；ρ為土壤密度，gg/cm3，g為重力加速度，m/s2。

（2）為保證地膜在撿拾過(guò)程中不被拉成條狀，齒對(duì)地膜的作用力還必須滿(mǎn)足地膜的抗拉強(qiáng)度，即

式中：rs為撿膜齒尖頂瞬時(shí)回轉(zhuǎn)半徑；A為撿膜齒作用在地膜上的橫截面面積；［σ］為廢膜的許用拉應(yīng)力。

根據(jù)式（2）和（4）可得到撿膜軸的工作角速度取值范圍：

式中：rs為拉膜齒尖頂瞬時(shí)回轉(zhuǎn)半徑，mm；A為拉膜齒作用在地膜上的橫截面積，mm2；[]σ為廢膜的許用拉應(yīng)力，N。

2.3 卸膜機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

卸膜機(jī)構(gòu)由絲杠組件、動(dòng)力部分、切割組件等組成，采用釘齒式撿膜機(jī)構(gòu)，撿拾的廢膜含雜率低且易回收利用，但在撿拾過(guò)程中，卸膜成為一個(gè)難題，因?yàn)閺U膜高速纏繞在撿膜輥上，卸膜難度大，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，本設(shè)計(jì)增加卸膜裝置，成功解決卸膜難的問(wèn)題，如圖5所示。

圖5 卸膜機(jī)構(gòu)Figure 5 Unloading mechanism

工作過(guò)程為：在撿膜軸上先開(kāi)設(shè)割膜槽，當(dāng)撿膜軸上的廢膜纏繞到一定厚度時(shí)，傳動(dòng)系統(tǒng)停機(jī)。手動(dòng)旋轉(zhuǎn)撿膜輥，使得撿膜輥上的槽與刀片位置對(duì)準(zhǔn)后，打開(kāi)卸膜機(jī)構(gòu)動(dòng)力開(kāi)關(guān)，步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)，割膜組件沿絲杠上移動(dòng)，同時(shí)割膜組件上的直流電機(jī)帶動(dòng)切片轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)邊移動(dòng)邊切膜，割膜組件到達(dá)絲杠另一端后完成切膜，后迅速?gòu)?fù)位。纏繞在撿膜軸上的廢膜自動(dòng)脫落。

2.4 清茬機(jī)構(gòu)

隴東地區(qū)玉米收獲后要將玉米根茬人工挖掘清理，避免在二次種植時(shí)種子播種不均勻，以及根茬極有可能對(duì)農(nóng)機(jī)具產(chǎn)生破壞作用。玉米地殘膜撿拾清茬機(jī)中清茬機(jī)構(gòu)的作用有兩個(gè)，一是將玉米根茬清理并收集，另外一個(gè)作用是將撿膜機(jī)構(gòu)遺漏的殘膜清理干凈，增加廢膜拾凈率。也減輕了農(nóng)戶(hù)的工作強(qiáng)度。清茬機(jī)構(gòu)由鏟茬刀和輸送鏈板組成，采用鏈板輸送的主要原因是，是在輸送過(guò)程中可以將根茬上的土通過(guò)鏈板抖動(dòng)將其重新灑落在地表。根茬和土塊混合物受力分析如圖6所示［21］。

圖6 混合物受力分析Figure 6 Force analysis of mixture

清茬機(jī)構(gòu)中兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)是鏟茬刀入土角αc和鏈板的安裝傾角αd，αc的取值根據(jù)農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)中常用數(shù)值即可，鏈板的安裝傾角αd的確定需要分析計(jì)算，因?yàn)棣羋過(guò)大，混合物達(dá)不到自鎖條件，在輸送板工作時(shí)在重力作用下下滑，無(wú)法達(dá)到輸送的目的，αd過(guò)小，鏈板長(zhǎng)度增加，整機(jī)尺寸增大。因此傾角取臨界值較為合適。以根茬土塊殘膜混合物為研究對(duì)象進(jìn)行力學(xué)分析［31］。

簡(jiǎn)化上式可得到鏈板傾角的取值范圍，即：

式中：mc為根茬土塊殘膜混合物質(zhì)量，kg；μh為混合物與鏈板之間的摩擦因數(shù)；fc為混合物與鏈板之間的摩擦力，N；Nc為混合物正壓力；αc取值為18°左右。

3 田間試驗(yàn)

廢膜撿拾機(jī)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)一般為撿拾率和纏膜率，由于本設(shè)計(jì)增加了清茬裝置，因此將清茬率也作為一個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)。通過(guò)田間試驗(yàn)，檢測(cè)玉米地殘膜撿拾清茬機(jī)的工作性能和運(yùn)轉(zhuǎn)可靠性。

3.1 撿拾率計(jì)算

《殘膜回收機(jī)》鑒定大綱要求，隨機(jī)選取玉米地段作為試驗(yàn)場(chǎng)地，取種植20 m玉米需要新地膜的質(zhì)量為m1，撿拾機(jī)撿拾20 m廢膜后，撿膜軸上卸下來(lái)的膜，洗凈晾干后質(zhì)量為m2，纏繞在機(jī)具上的廢膜清理下來(lái)洗凈曬干后質(zhì)量為m3，收集的根茬中分離殘膜洗凈晾干后質(zhì)量為m4。經(jīng)多次試驗(yàn)取平均值，利用下式計(jì)算撿拾率。

3.2 纏膜率計(jì)算

纏膜率計(jì)算按照DG∕T 149-2019殘膜回收機(jī)鑒定大綱要求進(jìn)行：

3.3 清茬率計(jì)算

設(shè)種植20 m長(zhǎng)的地塊能種植x株玉米，將回收的根茬曬干，將土塊清理干凈后稱(chēng)質(zhì)量，設(shè)質(zhì)量為mm，設(shè)平均每個(gè)根茬質(zhì)量為mp，則清茬率計(jì)算方法如下：

3.4 試驗(yàn)方案

田間試驗(yàn)選擇在甘肅省慶陽(yáng)市西峰區(qū)鄢旗坳村進(jìn)行。選擇不同的起膜齒入土深度、機(jī)具作業(yè)速度、土壤含水量，如表2所示。土壤類(lèi)型為黃綿土，配套動(dòng)力為105 kW凱特迪爾輪式拖拉機(jī)。土壤堅(jiān)實(shí)度360 kPa。鏟茬刀入土角可通過(guò)螺栓調(diào)節(jié)，起膜齒的入土深度通過(guò)調(diào)節(jié)螺栓調(diào)節(jié)。試驗(yàn)按照DG/T 149-2019《殘膜回收機(jī)》鑒定大綱執(zhí)行。圖7為田間試驗(yàn)照片。

表2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 2 The data of test

圖7 田間試驗(yàn)Figure 7 Field experiment

取撿膜齒入土深度為A、拖拉機(jī)作業(yè)速度為B、土壤含水率為C，根據(jù)機(jī)具和土壤結(jié)構(gòu)情況，取拖拉機(jī)作業(yè)速度分別為3、4、5 m/s，入土深度分別為100、150、200 mm，土壤 含水率為13.45%、15.50%、17.65%。本次試驗(yàn)采用三因素三水平響應(yīng)面分析，表3為試驗(yàn)因素水平編碼表，利用Design-Expert軟件設(shè)計(jì)試驗(yàn)，共進(jìn)行24組試驗(yàn)，并且每組試驗(yàn)重復(fù)3次，按照式8、9、10分別求得撿拾率、纏膜率和清茬率的平均值。

4 結(jié)果與分析

4.1 回歸模型分析

對(duì)表3試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，結(jié)果如表4所示，撿拾率R1的回歸方程模型P<0.01，表明該模型高度顯著，其中A、AB、B2對(duì)撿拾率R1影響極其顯著，AC、A2對(duì)撿拾率R1影響顯著。纏膜率R2的回歸方程模型P<0.05，表明該模型顯著，其中A、AC對(duì)纏膜率R2影響顯著，A2對(duì)纏膜率R2影響極其顯著。清茬率R3的回歸方程模型P<0.01，表明該模型極其顯著，其中A、B、B2對(duì)清茬率R3影響極其顯著，C、AC對(duì)清茬率R3影響顯著。這3個(gè)水平因素對(duì)撿拾率、纏膜率、清茬率影響的強(qiáng)弱次序均為：入土深度、作業(yè)速度、土壤含水率。

表3 試驗(yàn)因素水平編碼表Table 3 The main influencing factors

表4 方差分析Table 4 Analysis of variance

4.2 各水平因素對(duì)撿拾率、纏膜率、清茬率的影響

根據(jù)Design-Expert軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸擬合，得到撿膜齒入土深度、作業(yè)速度、土壤含水率等因素對(duì)撿拾率R1、纏膜率R2、清查率R3的回歸方程如下：

為了直觀分析各水平因素交互作用，對(duì)各響應(yīng)指標(biāo)的影響，根據(jù)回歸方程得到各響應(yīng)面的三維立體圖，如圖8所示。

根據(jù)圖8-A看出，當(dāng)撿膜齒入土深度處在最低水平時(shí)，土壤含水率從13.45%增加到14.5%，廢膜撿拾率逐步升高，當(dāng)土壤含水率進(jìn)一步增加時(shí)，撿拾率略有下降；當(dāng)土壤含水率一定，撿膜齒入土深度越大，撿拾率越高。這說(shuō)明在廢膜撿拾時(shí)，土壤含水率影響撿拾效果，土壤含水量過(guò)大時(shí)，土壤和廢膜難以分離，也會(huì)造成混合物與撿膜齒粘連難以分離，影響撿拾效果。撿膜齒入土越深撿拾效果越明顯。從圖8-B可知，撿拾機(jī)作業(yè)速度處在最低水平時(shí)，土壤含水量率越高撿拾率越高，當(dāng)土壤含水率處于最低水平時(shí)，作業(yè)速度從3 m/s增大到4 m/s時(shí)，撿拾率呈增大趨勢(shì)，當(dāng)作業(yè)速度繼續(xù)增加時(shí)，撿拾率呈下降趨勢(shì)。這說(shuō)明，作業(yè)速度在一定范圍內(nèi)速度越大越有利于廢膜撿拾，但當(dāng)增大到一定值時(shí)，對(duì)廢膜撿拾效果產(chǎn)生不利影響，這是因?yàn)?，作業(yè)速度快時(shí)，拖拉機(jī)輸出轉(zhuǎn)速增加，使得撿膜軸轉(zhuǎn)速增加，撿膜齒與廢膜接觸次數(shù)增加，離心力也增大，一部分廢膜在撿拾過(guò)程中被甩出，而來(lái)不急纏繞在撿膜軸上。

圖8 各影響因素對(duì)撿拾率、纏膜率、清茬率的影響Figure 8 Influence of various factors on picking up rate，film wrapping rate and stubble cleaning rate

從圖8-C看出，當(dāng)撿膜齒入土深度處于最低水平，土壤含水率在13.45%～14.85%，纏膜率有下降趨勢(shì)，當(dāng)土壤含水率繼續(xù)增大時(shí)，纏膜率上升較快。當(dāng)土壤含水率一定，撿膜齒入土深度從100 mm增加到150 mm時(shí)，纏膜率逐漸增大，當(dāng)超多150 mm時(shí)，纏膜率逐漸下降。這說(shuō)明，土壤相對(duì)干燥時(shí)，廢膜也比較干燥，質(zhì)量較輕，撿膜齒在撿拾到廢膜后容易纏繞在撿膜軸上，當(dāng)土壤含水率高時(shí)，廢膜和土壤粘連較多，混合物質(zhì)量較大，離心力也較大，容易被甩出而纏繞在機(jī)器上。撿膜齒入土深度淺時(shí)，廢膜一般在撿膜齒齒尖，容易被甩出纏在機(jī)器上，入土深度較大時(shí)，廢膜在土壤擠壓下，在撿膜齒上越靠近撿膜軸，越容易纏繞在撿膜軸上。從圖8-D可以看出，當(dāng)撿膜齒入土深度處于最低水平時(shí)，作業(yè)速度越大，纏膜率越大，因?yàn)樽鳂I(yè)速度越大，撿膜軸轉(zhuǎn)速越大，撿膜齒撿拾廢膜過(guò)程中在離心力的作用下，越容易甩出而纏繞在機(jī)器上。

從圖8-E可以看出，當(dāng)撿膜齒入土深度處于最高水平，土壤含水率從14.5%升至17.65%時(shí)，清茬率呈上升趨勢(shì)。當(dāng)土壤含水率一定，撿膜齒入土深度從100 mm增大到150 mm時(shí)，清茬率呈下降趨勢(shì)，當(dāng)入土深度繼續(xù)增大時(shí)，清茬率增大較快。這是因?yàn)?，土壤含水率越高，土壤越松軟，清茬機(jī)構(gòu)的清茬刀越容易將根茬鏟起，并輕松將其送入鏈板輸送機(jī)構(gòu)。撿膜齒本身與清茬工作并無(wú)關(guān)聯(lián)，但本機(jī)在增大撿膜齒入土深度時(shí)，使得整機(jī)距離地面的高度下降，這也無(wú)疑增加清茬機(jī)構(gòu)中清茬刀的入土深度，因此，清茬刀入土越深，根茬清理越干凈，但深度越大，土壤阻力越大，對(duì)動(dòng)力需求就越大。從圖8-F可以看出，當(dāng)土壤含水率一定，作業(yè)速度從3 m/s逐漸增大到4 m/s時(shí)，清茬率逐漸增加，出現(xiàn)峰值，當(dāng)作業(yè)速度繼續(xù)增大時(shí)，清茬率逐漸降低。說(shuō)明作業(yè)速度對(duì)清茬效果影響較大，當(dāng)作業(yè)速度在一定范圍內(nèi)，越高越好，因?yàn)榍宀绲对陔S機(jī)器前進(jìn)時(shí)，速度慢會(huì)造成壅土現(xiàn)象，因此速度較快時(shí)，便于鏟茬刀工作，并且土壤和根茬混合物便于在輸送鏈板運(yùn)動(dòng)，混合物在鏈板輸送過(guò)程中，逐漸從鏈板縫隙灑落在地表。但當(dāng)作業(yè)速度過(guò)快時(shí)，鏟茬刀也會(huì)造成壅土，鏈板上的土壤根茬混合物在鏈板運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，一部分混合物重新調(diào)入地面，造成清茬率下降。

4.3 參數(shù)優(yōu)化與試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)以上分析，以及利用回歸方程（11）、（12）和（13），以提高撿拾率和清茬率、降低纏膜率為目標(biāo)，應(yīng)用Design-Expert中的優(yōu)化模塊，對(duì)撿拾率和清茬率、降低纏膜率的回歸方程進(jìn)行優(yōu)化，得到最優(yōu)工作方案：撿膜齒入土深度為200 mm，牽引速度3 m/s，土壤含水率17.65%。為驗(yàn)證優(yōu)化后工作模型的可靠性，根據(jù)優(yōu)化參數(shù)設(shè)置試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)共進(jìn)行3次，將測(cè)試值求平均值，試驗(yàn)結(jié)果撿拾率為94.9%，清茬率為94.8%，纏膜率為1.38%，3個(gè)響應(yīng)值與預(yù)測(cè)模型計(jì)算值誤差均在3%以?xún)?nèi)，說(shuō)明優(yōu)化模型可靠。

5 結(jié)論

1）針對(duì)滾筒式廢膜撿拾機(jī)膜土不分離、桿齒式卸膜困難、彈齒式遇到玉米根茬無(wú)法彈起，以及玉米根茬殘留土壤影響農(nóng)機(jī)具壽命等問(wèn)題。在桿齒式結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，增加破茬機(jī)構(gòu)、割膜機(jī)構(gòu)、清茬收集機(jī)構(gòu)。

2）以撿膜齒入土深度、作業(yè)速度、土壤含水率為影響因素進(jìn)行試驗(yàn)，利用Design-Expert軟件對(duì)田間試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行響應(yīng)面分析，3個(gè)水平因素對(duì)撿拾率、纏膜率、清茬率影響的強(qiáng)弱次序均為：撿膜齒入土深度、作業(yè)速度、土壤含水率。

3）應(yīng)用Design-Expert中的優(yōu)化模塊，得到最優(yōu)工作方案：撿膜齒入土深度為200 mm，牽引速度3 m/s，土壤含水率17.65%。根據(jù)優(yōu)化后參數(shù)再次進(jìn)行田間試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果撿拾率為94.9%，清茬率為94.8%，纏膜率為1.38%，3個(gè)響應(yīng)值與預(yù)測(cè)模型計(jì)算值誤差均在3%以?xún)?nèi)。將此優(yōu)化參數(shù)作為廢膜撿拾工作的參考數(shù)據(jù)。