任　萍，羅　昕，緱海嘯，胡　斌

(石河子大學(xué) 機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子　832000)

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1MSF-2型立稈式地膜回收機(jī)的設(shè)計(jì)及試驗(yàn)研究

任萍，羅昕，緱海嘯，胡斌

(石河子大學(xué) 機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子832000)

摘要：為解決秋收后棉田的地膜回收率低、適應(yīng)性差、人工卸膜效率低及強(qiáng)度大等技術(shù)問(wèn)題，研制了一種具有自動(dòng)對(duì)行、起膜邊、動(dòng)態(tài)仿形摟膜及自動(dòng)卸膜等功能的立稈式地膜回收機(jī)。田間試驗(yàn)結(jié)果表明：該機(jī)摟膜齒入土角度在20°～30°、摟膜齒安裝間距為70mm、作業(yè)平均作業(yè)速度為7.4km/h的情況下，地膜回收率為90.2%，生產(chǎn)效率可達(dá)到5hm2/h，各指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞：棉花；地膜回收機(jī)；殘膜回收率；生產(chǎn)效率；正交實(shí)驗(yàn)

0引言

覆膜種植是新疆棉花的主要種植模式[1]，但隨著覆膜年限的增長(zhǎng)，地膜殘留帶來(lái)的環(huán)境污染日益明顯[2]。機(jī)械回收是治理地膜污染的主要方式，現(xiàn)有的地膜回收機(jī)按工作形式可分為兩大種類：一是秸稈還田和地膜回收聯(lián)合作業(yè)機(jī)[3-4]，造價(jià)成本高、功耗大、適應(yīng)性較差，作業(yè)時(shí)所摟的地膜夾雜大量秸稈，破壞了秸稈還田有機(jī)肥有效再利用[5]，并沒有得到應(yīng)用與推廣。二是膜與稈分開處理的摟膜機(jī)[6-7]。由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、摟膜效率較高，生產(chǎn)應(yīng)用較普遍；但該機(jī)采用整體仿形，人工卸膜，始終存在作業(yè)適應(yīng)性差、地膜回收率低及人工卸膜強(qiáng)度大等技術(shù)問(wèn)題。

2014年，石河子大學(xué)研制了一種具有單體動(dòng)態(tài)仿形摟膜、自動(dòng)卸膜和折翼運(yùn)輸功能的新型摟膜機(jī)(專利公開號(hào)：201410229064.9)，較好地解決了上述技術(shù)問(wèn)題。

1整機(jī)設(shè)計(jì)與作業(yè)原理

1.1整機(jī)設(shè)計(jì)

該機(jī)由懸掛機(jī)架和4組獨(dú)立收膜卸膜的單體組成，每組單體由雙立軸四桿機(jī)構(gòu)、雙排彈齒摟膜機(jī)構(gòu)、液力式轉(zhuǎn)軸卸膜機(jī)構(gòu)、仿形護(hù)禾板，以及起膜邊機(jī)構(gòu)等零部件所組成。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1懸掛主梁　2.雙立軸四桿仿形機(jī)構(gòu)　3.雙排彈齒摟膜機(jī)構(gòu)

每?jī)山M單體組合完成一幅膜的回收，每組單體通過(guò)四桿機(jī)構(gòu)與主梁連接，具有隨地面起伏的仿形和自動(dòng)對(duì)行仿形的功能，不同數(shù)量的單體組合可以滿足不同作業(yè)幅寬或行數(shù)的要求。

1.2工作原理

該機(jī)適用于機(jī)采棉種植模式的秋后立稈(莖稈切碎還田前)作業(yè)。樣機(jī)與51.5～66.2kW拖拉機(jī)配套/通過(guò)三點(diǎn)懸掛聯(lián)接，拖拉機(jī)的液壓系統(tǒng)通過(guò)液壓管連接卸膜油缸。作業(yè)時(shí)，拖拉機(jī)牽引機(jī)具利用棉秸稈與仿形護(hù)板相互作用產(chǎn)生的力引導(dǎo)雙立軸四桿仿形機(jī)構(gòu)帶動(dòng)摟膜部件對(duì)準(zhǔn)每幅膜，同時(shí)引導(dǎo)邊膜起膜盤準(zhǔn)確扎進(jìn)覆土的膜邊，然后通過(guò)具有動(dòng)態(tài)仿形功能的摟膜部件將行間地膜和已起出的膜邊地膜摟起；每隔一定距離將收集一定量的地膜通過(guò)液壓自動(dòng)卸落機(jī)構(gòu)將地膜卸于地膜打包作業(yè)帶上，完成自動(dòng)對(duì)行、起膜邊、仿形地膜及自動(dòng)脫膜等工序。

1.3主要技術(shù)參數(shù)

地膜回收機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1　地膜回收機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

2試驗(yàn)研究

試驗(yàn)依據(jù)JB/T 10363《農(nóng)田廢膜撿拾機(jī)》和《農(nóng)業(yè)機(jī)械實(shí)驗(yàn)規(guī)范和程序》相關(guān)規(guī)定[8-9]，以作業(yè)效率和地膜回收率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)2MLF-2型立稈式地膜回收機(jī)的實(shí)際作業(yè)性能進(jìn)行測(cè)試研究。

2.1試驗(yàn)準(zhǔn)備

1)實(shí)驗(yàn)儀器：卷尺(0～10m)、數(shù)字式石英電子秒表(0.000 1～99 999s)、DT-1002A電子秤(Max=1 000g，d=0.01g)和相機(jī)。

2)配套動(dòng)力：選用雷沃M800H-D輪式拖拉機(jī)，標(biāo)定功率59kW、懸掛裝置型式為后置三點(diǎn)懸掛。要求拖拉機(jī)狀態(tài)良好、駕駛員駕駛技術(shù)熟練，并了解地膜回收機(jī)的使用與要求。

3)機(jī)具準(zhǔn)備：選用2MLF-2型地膜回收機(jī)，要求結(jié)構(gòu)完整，各個(gè)聯(lián)接件牢固，液壓輸出穩(wěn)定，工作狀態(tài)良好。

4)試驗(yàn)棉田基本情況：試驗(yàn)地為機(jī)采棉種植模式下的秋收后棉田，采用膜下滴灌技術(shù)，滴管帶已回收；地面平整，有少量碎石，機(jī)具平均作業(yè)速度為4.3～7.4km/h；土壤類型為粘土，土壤堅(jiān)實(shí)度為398kPa，土壤體積含水率19.46%；前茬作物為棉花，未清理；地膜寬度2 050mm，厚度0.008mm；秸稈株距100mm，秸稈行距660mm；秸稈高度700～800mm。田間管理按照北疆棉區(qū)高產(chǎn)田要求進(jìn)行。

5)測(cè)試區(qū)確定：沿作業(yè)地塊長(zhǎng)寬方向的中線，將其劃為4塊，以對(duì)角的兩塊隨機(jī)選取6個(gè)測(cè)試區(qū)，每個(gè)測(cè)試區(qū)在同一作業(yè)行上，長(zhǎng)度為20m，在地頭和地尾處分別預(yù)留出10m掉頭區(qū)域，測(cè)試區(qū)兩端用標(biāo)桿做好標(biāo)記。測(cè)點(diǎn)采用五點(diǎn)法，從測(cè)區(qū)的4個(gè)地角沿對(duì)角線，在1/4～1/8對(duì)角線長(zhǎng)度范圍內(nèi)隨機(jī)確定4個(gè)作業(yè)后測(cè)點(diǎn)的位置；然后在作業(yè)后的4個(gè)測(cè)點(diǎn)附近不重復(fù)的區(qū)域再選出4個(gè)作業(yè)前測(cè)點(diǎn)。

2.2評(píng)價(jià)指標(biāo)測(cè)試方法

2.2.1地膜回收率

由人工撿拾4個(gè)測(cè)試點(diǎn)內(nèi)未收起的地膜，運(yùn)用質(zhì)量法，將各測(cè)點(diǎn)取出的地膜去除塵土和水分后稱其質(zhì)量。選取4個(gè)測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行重復(fù)試驗(yàn)，每次試驗(yàn)后記錄相關(guān)數(shù)據(jù)，最后取4次試驗(yàn)的平均值。

地膜回收率為

式中C—地膜回收率(%)；

W—作業(yè)后殘留地膜質(zhì)量(g)；

W0—作業(yè)前地膜質(zhì)量(g)。

2.2.2機(jī)具的小時(shí)生產(chǎn)率

機(jī)具的小時(shí)生產(chǎn)率

W=0.1Bv

式中W—機(jī)組的小時(shí)生產(chǎn)率(hm2/h)；

B—機(jī)組的構(gòu)造幅寬(m)；

v—機(jī)組的平均作業(yè)速度(km/h)。

2.3試驗(yàn)因素和水平范圍

在秋后棉田的殘膜回收作業(yè)中，影響殘膜回收率的主要作業(yè)因素有：①摟膜齒入土角度。根據(jù)理論分析及設(shè)計(jì)要求，摟膜齒入土深度在10°～35°范圍內(nèi)。②機(jī)具作業(yè)速度。選取拖拉機(jī)在慢Ⅰ擋、快Ⅰ擋、快Ⅱ擋的平均作業(yè)速度4.2、5.8、7.4km/h。③安裝回收邊膜的起膜盤裝置。④摟膜齒安裝間距。根據(jù)作業(yè)幅寬的設(shè)計(jì)要求，安裝間距在40～100mm范圍內(nèi)。試驗(yàn)因素水平值選取如表2所示。

2.4正交試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)與分析

根據(jù)試驗(yàn)因素與水平選用選取L9(34)正交表對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行極差分析，將因素C虛擬1個(gè)水平，據(jù)經(jīng)驗(yàn)知：安裝膜邊起膜盤比不安裝起膜盤的回收效果好，故虛擬第2水平安排在第1列，因素B、A、D依次安排在第2、3、4列。

試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)利用MINITAB數(shù)據(jù)處理軟件，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表3所示，極差分析結(jié)果如圖2所示。其中，極差越大，說(shuō)明該因素的水平改變對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響越大，為最主要因素[10]。方差分析結(jié)果如表4所示。

表2　正交試驗(yàn)因素與水平

表3　正交試驗(yàn)方案與試驗(yàn)結(jié)果

A.表示摟膜齒入土角度；B.表示機(jī)具作業(yè)速度；C.表示膜邊起膜盤；D.表示摟膜齒安裝間距。

圖2　各因素水平對(duì)性能指標(biāo)的影響

方差來(lái)源平方和自由度均方F比P值顯著性A1.62021.62011.8770.201*B5.16722.5831.1960.543C51.307125.6530.7500.546D54.427227.21312.5990.195*誤差2.16012.160總和114.6808

*表示顯著。

2.4.1地膜回收機(jī)性能各指標(biāo)的最佳組合分析

由表3結(jié)果可得：影響殘膜回收率的四個(gè)因素較優(yōu)組合為C2 B3 A1D2，殘膜回收率為90.2%。生產(chǎn)效率只隨作業(yè)速度的加快而升高。當(dāng)平均作業(yè)速度為7.4km/h時(shí)，生產(chǎn)效率為5hm2/h。

2.4.2利用極差分析方法分析因素各水平對(duì)殘膜回收機(jī)性能指標(biāo)的影響關(guān)系

1)針對(duì)性能指標(biāo)殘膜回收率，隨著摟膜齒入土角度A的增大而減小，減小的幅度愈來(lái)愈小；隨著機(jī)具作業(yè)速度B的增大而增大，增的幅度越來(lái)越??；安裝比未安裝膜邊起膜盤C的殘膜回收率高；隨著摟膜齒安裝間距D的變化先增大后減小。

2)針對(duì)性能指標(biāo)機(jī)具作業(yè)效率，受機(jī)具作業(yè)速度與機(jī)具幅寬的影響，殘膜回收機(jī)的幅寬為6 950mm，固定不變，機(jī)具作業(yè)效率隨機(jī)具作業(yè)速度的增加而增大。

2.4.3由方差分析方法確定各因素對(duì)地膜回收機(jī)殘膜回收率的影響順序

1)如表4所示：摟膜齒入土角度和摟膜齒安裝間距對(duì)殘膜回收率有顯著影響；機(jī)具作業(yè)速度和是否安裝膜邊起膜盤對(duì)殘膜回收率的影響不顯著。

2)4個(gè)因素對(duì)于性能指標(biāo)殘膜回收率的影響主次是D、A、B、C，因素的較優(yōu)水平組合是D2A1B3C2。即摟膜齒安裝間距為70mm，摟膜齒入土角度為20°～30°，機(jī)具作業(yè)速度7.4km/h，未安裝膜邊起膜盤。

3結(jié)論

1)該機(jī)一次作業(yè)可完成自動(dòng)對(duì)行、起邊膜、仿形摟膜和自動(dòng)卸膜等功能。田間試驗(yàn)表明：該機(jī)在摟膜齒入土角度在20°～30°、摟膜齒安裝間距為70mm、平均作業(yè)速度7.4km/h作業(yè)時(shí)，地膜回收率達(dá)到90.2%，且生產(chǎn)效率最高，可達(dá)到5hm2/h。

2)通過(guò)田間試驗(yàn)觀察發(fā)現(xiàn)殘膜回收的3點(diǎn)問(wèn)題：①安裝起膜盤的地膜回收率略高，但差異不顯著。分析其原因，當(dāng)膜邊壓土太厚或板結(jié)嚴(yán)重時(shí)，起膜盤將邊膜從土中拔起并推成窄條，不易被摟膜齒摟起，影響了地膜回收率。②土壤表面的軟硬度對(duì)摟膜機(jī)作業(yè)效果影響顯著，特別是棉田被拖拉機(jī)輪胎壓出很深的輪轍硬化后。③摟膜齒在高速作業(yè)時(shí)出現(xiàn)彈跳，難于入土，地膜回收率明顯下降。

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Abstract ID:1003-188X(2016)03-0106-EA

Design and Field Experiment Research on the 1MSF-2 Plastic Flim Recycling Machine

Ren Ping, Luo Xin, Gou Haixiao, Hu Bin

(Machinery and Electricity Engineering College，Shihezi University，Shihezi 832000，China)

Abstract：To solve the technical problem of low plastic film recycling rate, poor adaptability, low efficiency and big intensity artificial unloading residual plastic film on residual plastic film in cotton field after the autumn harvest, a plastic film recycling machine with the functions of separate individual imitation entering the cotton lines, stirring up the side of plastic film, automatic dynamic raking and unloading the plastic film has been developed.Field experiment results show that the angles of raking plastic film tooth into field within the scope of 20° to 30°;the installation distance of raking plastic film tooth is 70mm;and the average operating speed is 7.4 km/h.When the machine with the three configurations, the plastic film recycling rate was 90.2%,the production efficiency could reach 5 hm2/ h.Each indicator could achieve the design requirements.

Key words：cotton; plastic film recycling machine; residual plastic film recovery; production efficiency; orthogonal test

文章編號(hào)：1003-188X(2016)03-0106-04

中圖分類號(hào)：S223.5

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：任萍(1988-),女，陜西渭南人，碩士研究生，(E-mail) 461983250@qq.com。通訊作者：羅昕(1969-)，女，四川隆昌人，教授，碩士生導(dǎo)師，(E-mail)lx_mac@shzu.edu.cn。

基金項(xiàng)目：新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)重大科技專項(xiàng)(2014AA002)；農(nóng)業(yè)部行業(yè)專項(xiàng)(201503105)

收稿日期：2015-03-16