1MSD-1.1型残膜回收机关键部件设计与试验.pdf

4 0 中国农机化学报2 0 2 3年D O I:1 0.1 3 7 3 3/j.j c a m.i s s n.2 0 9 55 5 5 3.2 0 2 3.0 8.0 0 6王文丽,毕方淇,李志,等.1 M S D-1.1型残膜回收机关键部件设计与试验J.中国农机化学报,2 0 2 3,4 4(8):4 0-4 6W a n g W e n l i,B i F a n g q i,L i Z h i,e t a l.D e s i g n a n d t e s t o f k e y c o m p o n e n t s o f 1 M S D-1.1 r e s i d u a l p l a s t i c f i l m c o l l e c t o r J.J o u r n a l o f C h i n e s e A g r i c u l t u r a l M e c h a n i z a t i o n,2 0 2 3,4 4(8):4 0-4 61 M S D-1.1型残膜回收机关键部件设计与试验*王文丽,毕方淇,李志,张立凯,宫玉敏,陈金利(淄博市农业机械研究所,山东淄博,2 5 5 0 8 6)摘要:地膜覆盖栽培技术在我国应用广泛,由于不易回收,我国农田土壤中累积残留地膜超过1 0 0万吨,为提高回收效率,机械回收势在必行。针对土壤耕层陈旧残膜难回收问题,设计研发1 M S D-1.1型残膜回收机,该机设计有两级地膜回收机构,分别回收表层地膜和深层残膜。对关键部件及参数进行设计和计算,根据设计预期,将残膜回收机前进速度、入土深度、滚筒式地膜捡拾机构转动速度作为试验因素,表层拾净率、深层拾净率、缠膜率作为目标值,进行3因素3水平的B o x-B e h n k e n试验,后采用D e s i g n-E x p e r t优化作业参数,得到8 4.9 7%的表层拾净率、7 9.0 6%的深层拾净率、1 0.3 2%缠膜率的作业结果,并发现入土深度过大不利于残膜回收,作业前应首先确定作业区域残膜深度分布情况,以此确定作业参数。关键词:残膜回收机;表层回收率;深层回收率;缠膜率;田间管理机械中图分类号:S 2 2 3.5 文献标识码:A 文章编号:2 0 9 5 5 5 5 3(2 0 2 3)0 8 0 0 4 0 0 7收稿日期:2 0 2 2年1 2月2 8日 修回日期:2 0 2 3年3月3 1日*基金项目:2 0 1 9年度淄博市重点研发计划(公益类专项)项目(2 0 1 9 g y 0 1 0 0 1 5)第一作者:王文丽,女,1 9 6 9年生,山东淄博人,副高级工程师;研究方向为智能农机设计与制造。E-m a i l:5 6 2 0 8 5 8 5q q.c o mD e s i g n a n d t e s t o f k e y c o m p o n e n t s o f 1 M S D-1.1 r e s i d u a l p l a s t i c f i l m c o l l e c t o rW a n g W e n l i,B i F a n g q i,L i Z h i,Z h a n g L i k a i,G o n g Y u m i n,C h e n J i n l i(Z i b o I n s t i t u t e o f A g r i c u l t u r a l M a c h i n e r y R e s e a r c h,Z i b o,2 5 5 0 8 6,C h i n a)A b s t r a c t:P l a s t i c f i l m m u l c h i n g c u l t i v a t i o n t e c h n o l o g y i s w i d e l y u s e d i n C h i n a,b u t i t i s n o t e a s y t o b e c o l l e c t e d.T h e a c c u m u l a t e d r e s i d u a l p l a s t i c f i l m i n f a r m l a n d s o i l i n C h i n a h a s e x c e e d e d 1 m i l l i o n t o n s.I n o r d e r t o i m p r o v e t h e c o l l e c t i o n e f f i c i e n c y,m e c h a n i c a l c o l l e c t i o n i s i m p e r a t i v e.A i m i n g a t t h e p r o b l e m t h a t i t i s d i f f i c u l t t o c o l l e c t t h e o l d r e s i d u a l p l a s t i c f i l m i n t h e s o i l t i l t h,1 M S D-1.1 r e s i d u a l p l a s t i c f i l m c o l l e c t o r w a s d e s i g n e d a n d d e v e l o p e d.T h e m a c h i n e w a s d e s i g n e d w i t h a t w o-l e v e l r e s i d u a l p l a s t i c f i l m c o l l e c t i o n m e c h a n i s m t o c o l l e c t t h e s u r f a c e f i l m a n d d e e p r e s i d u a l f i l m r e s p e c t i v e l y.I n t h i s p a p e r,t h e k e y c o m p o n e n t s a n d p a r a m e t e r s w e r e d e s i g n e d a n d c a l c u l a t e d.A c c o r d i n g t o t h e d e s i g n e x p e c t a t i o n,t h e f o r w a r d s p e e d o f t h e c o l l e c t o r,d e p t h o f t h e e x c a v a t i o n,a n d t h e r o t a t i o n s p e e d o f t h e d r u m t y p e r e s i d u a l f i l m p i c k u p m e c h a n i s m w e r e t a k e n a s t h e t e s t f a c t o r s,a n d t h e s u r f a c e c l e a n i n g r a t e,d e e p c l e a n i n g r a t e,a n d f i l m w r a p p i n g r a t e w e r e t a k e n a s t h e t a r g e t v a l u e s.T h e B o x-B e h n k e n t e s t w i t h t h r e e f a c t o r s a n d t h r e e l e v e l s w a s c o n d u c t e d.A f t e r t h a t,t h e o p e r a t i n g p a r a m e t e r s w e r e o p t i m i z e d b y D e s i g n-E x p e r t.T h e o p t i m a l r e s u l t s w a s 8 4.9 7%s u r f a c e c l e a n i n g r a t e,7 9.0 6%d e e p c l e a n i n g r a t e a n d 1 0.3 2%f i l m w r a p p i n g r a t e.I t w a s f o u n d t h a t t o o m u c h e x c a v a t i o n d e p t h w a s n o t c o n d u c i v e t o t h e c o l l e c t i o n o f r e s i d u a l f i l m.B e f o r e o p e r a t i o n,t h e d i s t r i b u t i o n o f r e s i d u a l f i l m d e p t h i n t h e o p e r a t i o n a r e a s h o u l d b e d e t e r m i n e d f i r s t b e f o r e t h e o p e r a t i o n b e g i n s.K e y w o r d s:r e s i d u a l p l a s t i c f i l m c o l l e c t o r;s u r f a c e c l e a n i n g r a t e;d e e p c l e a n i n g r a t e;f i l m w r a p p i n g r a t e;f i e l d m a n a g e m e n t m a c h i n e r y0 引言为达到增产、增收效果,在我国东北、华北、西北等旱作地区,地膜覆盖栽培技术得到广泛应用。据统计,2 0 2 1年,我 国 地 膜 使 用 量13 2 0k t,地 膜 覆 盖 面 积1 72 8 2.2k h m21。随着使用年限的增加,地膜带来的负面影响越来越凸显出来,如自然分解时间极长,影响土壤的理化性质,影响农作物的生长发育和可持续发第4 4卷 第8期2 0 2 3年8月中国农机化学报J o u r n a l o f C h i n e s e A g r i c u l t u r a l M e c h a n i z a t i o nV o l.4 4 N o.8A u g.2 0 2 3第8期王文丽 等:1M S D-1.1型残膜回收机关键部件设计与试验4 1 展等26。然而,农户的地膜回收意愿虽高,行动却很少79,单纯依靠农户捡拾地膜,很难达到地膜治理要求,地膜机械化捡拾势在必行。经过多年研究,残膜回收机捡拾方式已发展为包括弹齿式、滚筒式、钉齿式、齿链式和筛网式等多种方式1 01 3。其中,武灵燕等1 4通过试验探究了适宜回收的地膜厚度,发现0.0 1 5mm以上地膜回收特性较好,且厚度越大,地膜纵、横向断裂伸长率保留率较好。然而,现有残膜回收机在作业过程中,依然存 在 回 收 深 度 较 浅、无 法 回 收 耕 层 内 残 膜 的 问题1 51 8。国外对于残地膜的研究较少,研究地区也多针对中国区域,这是因为国外大量采用可降解地膜,但是由于国内可降解地膜推广较晚,价格较高,暂时还没有大面积应用,而难降解地膜在土壤内大量堆积,依然需要采用人工或机械的方式进行回收1 92 2。针对深层残膜回收问题,研发了1 M S D-1.1型残膜回收机。该机适用于北方褐土区域玉米、花生田残膜回收,回收前需要清除作物残茬。工作时,通过调节牵引限深轮的高度,使深松铲进入耕层进行翻松,滚筒式地膜捡拾机构和残膜捡拾机构分别对地膜和残膜进行捡拾,有效回收耕层内残膜。1 1 M S D-1.1型残膜回收机结构与工作原理1.1 整机结构1 M S D-1.1型残膜回收机整机结构如图 1 所示,主要包括机架、牵引限深轮、深松铲、滚筒式地膜捡拾机构、地膜输送收集机构、残膜捡拾机构、残膜输送机构、破碎收集机构、收集压缩仓、杂物收集仓、行走轮组成。图1 1 M S D-1.1型残膜回收机结构图F i g.1 S t r u c t u r e d i a g r a m o f 1 M S D-1.1 r e s i d u a l p l a s t i c f i l m c o l l e c t o r1.牵引限深轮 2.地膜输送收集机构 3.收集压缩仓 4.机架5.杂物收集仓 6.破碎收集机构 7.行走轮 8.残膜输送机构9.残膜捡拾机构 1 0.深松铲 1 1.滚筒式地膜捡拾机构其中,牵引限深轮用于调整整机入土深度,调整范围2 0 02 5 0mm;深松铲用于翻松土层;滚筒式地膜捡拾机构由液压马达驱动,转速可调节,用于捡拾地膜;地膜输送收集机构用于运输和收集地膜并将其输送到收集压缩仓;收集压缩仓可在工作结束后,将松散的地膜压实,便于转运和处理;残膜捡拾机构用于捡拾翻松土层中夹杂有残膜的大块土壤;残膜输送机构将这些土块输送至破碎收集机构,破碎土块,筛落土壤,刮缠残膜,并将杂物收集至杂物收集仓;行走轮在拖拉机的牵引下,支撑残膜回收机的重量,保证机器沿地面运行。1.2 工作原理1 M S D-1.1型残膜回收机由拖拉机牵引至作业地块,首先调节牵引限深轮高度。作业时,拖拉机牵引残膜回收机延地膜铺设方向前进,同时,通过动力输出装置(P o w e r T a k e-O f f,P TO)将动力传递到地膜输送收集机构、残膜输送机构和破碎收集机构,然后通过拖拉机液压系统带动滚筒式地膜捡拾机构处的液压马达,液压马达驱动滚筒式地膜捡拾机构转动,捡拾残膜。具体工作分为两级,分别为地膜捡拾和残膜捡拾。地膜捡拾流程为:调整牵引限深轮,到达指定深度后,拖拉机开始前进并带动相关机构工作。此时,土壤耕层经由深松铲将土壤翻松,但不改变土层,翻松后凸起的土层将地膜抬起,滚筒式地膜捡拾机构的挑膜齿将地膜挑起,送入地膜输送机构,地膜最终进入收集压缩仓。残膜捡拾流程为:地膜被捡拾后,耕层土壤中包含残膜的土块被捡拾机构铲起,由于北方土壤属于褐土,黏性较大,块状结构多,这些夹杂有残膜的土块进入残膜输送机构,后输送至破碎收集机构,破碎收集机构通过旋转破碎土块,刮缠残膜,残膜将附着在破碎收集机构上,完成残膜回收,如果土块内有其他大块杂质,将被甩入杂物收集仓。1.3 主要技术参数结合当前市面铺膜机地膜铺设模式2 32 4、现行地膜标准2 5和残地膜回收机标准2 6等,确定残膜回收机的主要技术参数,如表1所示。表1 1 M S D-1.1型残膜回收机技术参数T a b.1 T e c h n i c a l p a r a m e t e r s o f 1M S D-1.1 r e s i d u a l p l a s t i c f i l m c o l l e c t o r参数数值配套动力/k W5 8.8作业速度/(ms-1)0.61.2入土深度/mm2 0 02 5 0滚筒转动速度/(rm i n-1)4 55 5表层拾净率/%8 0深层拾净率/%7 02 关键部件设计及参数计算2.1 深松铲设计及牵引阻力计算深松铲如图2所示,该机构工作时,扎入土壤耕层,将深层土壤上下翻松,但不乱土层。4 2 中国农机化学报2 0 2 3年图2 深松铲F i g.2 S u b s o i l e r深松铲工作时,对设备前进造成一定牵引阻力。其阻力还没有形成具体公式2 7,多由试验得出。为此,参照前人研究,取单个深松铲在入土深度0.3 5m时,阻力值5.6 6k N。参考齐关宇等建立的关于入土深度与牵引阻力回归公式如式(1)所示。y=5 9x2-1 2.2 8x+1.0 3 4 3(1)式中:y 牵引阻力,N;x 入土深度,m。由式(1)可得,在入土深度为0.2 5m时,5个深松铲总牵引阻力Pt=55.6 65 90.2 50.2 5-1 2.2 80.2 5+1.0 3 4 35 90.3 50.3 5-1 2.2 80.3 5+1.0 3 4 31 1.8k N因此,全部深松铲工作时总阻力约为1 1.8k N。2.2 残膜捡拾机构设计及牵引阻力计算残膜捡拾机构如图3所示,该机构工作时,扎入土壤耕层,将深松铲翻松的土块铲起时,翻松的土壤会反作用于残膜捡拾机构,形成牵引阻力。图3 残膜捡拾机构F i g.3 S e c o n d a r y p i c k u p m e c h a n i s m残膜 捡 拾 机 构 牵 引 阻 力 计 算 公 式 如 式(2)所示2 8。Rc=S Lgt a n(+)+K S(2)S=b ds i n(3)式中:Rc 残膜捡拾机构牵引阻力,N;S 土壤沉切面积,m2;L 残膜捡拾机构长度,0.6m;土壤密度,取15 0 0k g/m3;g 重力加速度,取9.8m/s2;残膜捡拾机构倾角,取2 4.6;内摩擦角,取2 6;K 犁沟土壤比阻,取中等 结实土最大 值,3 0k P a;b 残膜捡拾机构实际幅宽,0.4 2m;d 入土深度,0.2 5m;前失效面倾角,取3 4。经计算S=0.2 50.4 2s i n(3 4)=0.1 8 75m2Rc=0.1 8 7 50.4 21 5 0 09.8t a n(5 0.6)+3 00 0 00.1 8 757.0 3k N2.3 滚筒式地膜捡拾机构设计本文设计的滚筒式地膜捡拾机构如图4所示,内部为直线往复结构,该结构主要由滚筒、曲轴、连接铰链、挑膜齿组成。挑膜齿安装在滚筒内的曲轴上,随滚筒一同转动。当转至滚筒左上方时,挑膜齿逐渐露出滚筒壁,转至滚筒底部时,挑膜齿达到最大外露长度,扎入土壤和地膜,随着滚筒继续转动,挑膜齿将地膜挑起,并逐渐收缩,直至回到左上方时,挑膜齿完全收回,地膜被地膜输送收集机构刮下并运输。其中,滚 筒 直 径6 0 0mm,挑 膜 齿 共6排,每 排5根,直径1 6mm,最大伸出长度9 0mm。图4 滚筒式地膜捡拾机构F i g.4 D r u m t y p e r e s i d u a l p l a s t i c f i l m p i c k u p m e c h a n i s m当滚筒式地膜捡拾机构工作时,挑膜齿插入土中,会形成牵引阻力,其计算公式如式(4)所示。F3=nk a wt(4)式中:F3 挑膜齿牵引阻力,N;n 挑膜齿个数,8;k 耕比阻,6 00 0 0N/m2;a 耕深,0.0 9m;w 耕幅,0.0 1 6m;t 牵引力利用系数,0.9 5。经计算,挑膜齿造成的牵引阻力F3=86 00 0 00.0 90.0 1 60.9 50.7 3k N2.4 最小牵引力计算残膜回收机与土壤共有5个接触点,分别为:牵引限深轮、行走轮、深松铲、滚筒式地膜捡拾机构和残膜第8期王文丽 等:1M S D-1.1型残膜回收机关键部件设计与试验4 3 捡拾机构。以此列出最小牵引力计算公式FF1+F2+Pt+Rc+F3(5)F1=G1f(6)F2=G2f(7)式中:F 最小牵引力,N;F1 行走轮与土壤间摩擦力,N;F2 牵引限深轮与土壤间摩擦力,N;G1 作用在行走轮上的重力,1 3 6 5 4N;G2 作用在牵引限深轮上的重力,1 2 1 0 8N;f 摩擦系数,行走轮、牵引限深轮与土壤之间摩擦系数,取0.1。由于摩擦系数取值相同,式(6)和式(7)可以合并计算,因此,F1+F2=(G1+G2)f=(1 3 6 5 4+1 2 1 0 8)0.12.5 8k N。综上,F1 1.8+7.0 3+2.5 8+0.7 3=2 2.1 4 k N。常规5 8.8k W拖拉机额定牵引力为2 2.4k N,可满足使用要求。3 试验与分析3.1 试验基本条件2 0 2 2年6月,在淄博市农机研究所花生试验田进行试验。过往花生种植垄高1 2c m、垄距8 0c m、垄面宽5 0 c m,一垄双行,行距3 0 c m,穴距1 5 c m,地膜厚度0.0 1mm,宽度1m。过往对地膜处理方式为人工收集,但无法收集完整,依然有残余,旋耕翻地时被翻入耕层内。为进行残膜回收机试验,未种植花生,仅在原试验田位置覆盖地膜,以测试试验效果。3.2 试验方案根据地膜回收核心影响因素和作业标准2 6,将残膜回收机前进速度、入土深度、滚筒式地膜捡拾机构转动速度作为试验因素。滚筒式地膜捡拾机构是地膜捡拾作业的核心机构。残膜回收机运行过程中,挑膜齿插入地膜后,只有当地膜接触点线速度与拖拉机行驶速度保持一致时,才能保证地膜在回收时不积压、不破损,完整回收地膜。但实际操作中,很难保证两者速度完全一致。为此,当滚筒式地膜捡拾机构线速度大于残膜回收机前进速度时,地膜可稳定进入回收机内。残膜回收机前进速 度 由 拖 拉 机 决 定,分 别 为0.6 m/s、0.9 m/s、1.2m/s,为保证滚筒转速可匹配残膜回收机最大前进速度,滚筒线速度应大于1.2m/s,滚筒转速不应低于3 8.2 r/m i n,最终选择滚筒转速为4 5 r/m i n、5 0 r/m i n、5 5r/m i n。依 据 作 业 标 准,入 土 深 度 不 得 低 于2 0 0mm,考虑能耗因素,入土深度分别为2 0 0mm、2 2 5mm、2 5 0mm。将表层拾净率、深层拾净率、缠膜率作为目标值,进行3因素3水平的B o x-B e h n k e n试验,试验因素水平编码表,如表2所示。表2 试验因素水平T a b.2 L e v e l o f t e s t f a c t o r s水平因素前进速度/(ms-1)入土深度/mm滚筒转速/(rm i n-1)-10.62 0 04 500.92 2 55 011.22 5 05 5 根据G B/T 2 5 4 1 22 0 2 12 6,测区长度应不少于1 0 0m,测点采用五点法,从测区四个地角延对角线,在四分之一至八分之一对角线长度内随机确定四个测点的位置,再加上该对角线的焦点,作为作业前的5个测点,然后在作业前的5个测点附近但不重叠的区域再选取5个测点,作为作业后的5个测点。测点长度5m,宽度为一个作业幅宽。表层(深层)拾净率的测定,分别将测区内作业前、后的各5个测点,按地表及土层深度01 0 0mm、土层深度1 0 02 0 0mm两个层面分别取出地膜和残膜。将各测点按层取出的地膜和残膜洗去尘土,晾干后称其质量。按式(8)分别计算表层拾净率和深层拾净率,取平均值。C=1-WW0 1 0 0%(8)式中:C 拾净率(质量分数),%;W 作业后的表层或深层地膜和残膜质量,g;W0 作业前的表层或深层地膜和残膜质量,g。缠膜率通过测定区时机器上缠绕的地膜收集,洗净晾干后称其质量,按式(9)计算地膜和残膜回收缠膜率,取平均值。Cm=C12 0W01 0 0%(9)式中:Cm 缠膜率(质量分数),%;C1 测区内缠绕在机器上地膜的平均值,g。3.3 试验结果与分析3.3.1 试验结果与数据分析根 据B o x-B e h n k e n D e s i g n试 验 原 理,共 包 括1 7组试验,试验安排与结果如表3所示。采用D e s i g n-E x p e r t拟合表3中的试验数据,进行方差分析,建立各因素与目标值之间的二次线性回归关系模型,回归模型的显著性检验结果如表4所示。根据表4中P值可发现,残膜回收机工作过程中,4 4 中国农机化学报2 0 2 3年表层拾净率为目标值时,X1对其影响达到显著水平,X2、X3、X1X2、X1X3影响极显著,其他项不显著。删除不显著项后,得到试验因素与表面拾净率关系模型为Y1=8 2.2-0.6 5 1 2X1-1.0 7X2-0.7 8X3+1.6 1X1X2+1.4 7X1X3深层拾净率为目标值时,X1X3、X22对其影响达到显著水平,X1、X3影响极显著,其他项不显著。删除不显著项后,得到试验因素与表面拾净率关系模型为Y2=7 6.7 0 4-2.3 0 3 7 5X1-2.6 5 1 2 5X3-1.5 9X1X3-1.4 8X22缠膜率为目标值时,X1、X3、X1X2、X2X3、X12、X22影响极显著,其他项不显著。删除不显著项后,得到试验因素与表面拾净率关系模型为Y2=9.5 2 2+0.6 4 2 5X1+0.1 5 2 5X2-0.3 8 2 5X3+0.6 6 2 5X1X2+0.4 0 7 5X2X3+0.5 3X12+0.4 4 5X22综上,在残膜回收机工作时,影响最显著的两个因素为前进速度和滚筒转速,其次为入土深度。结合表4,对于该试验因素,当入土深度为2 0 0mm时,表层拾净率反而比2 5 0mm深度时效果要好。通过观察发现当入土深度为2 0 0mm时,翻起的土层与滚筒之间留有一定空隙,使得挑膜齿可良好与地膜接触;随着入土深度增加,该空隙会逐渐减小,当入土深度达到2 5 0mm时,在残膜回收机行进过程中,该处易发生土壤堆积,堆积的土壤有时会将地膜翻压入土中,反而不利于地膜的回收。表3 试验安排与结果T a b.3 A r r a n g e m e n t a n d r e s u l t s o f t e s t试验序号试验因素(编码)前进速度X1入土深度X2滚筒转速X3表层拾净率Y1/%深层拾净率Y2/%缠膜率Y3/%10008 3.1 27 5.4 59.6 320-118 3.1 37 5.1 29.0 33-1108 0.4 27 5.3 19.3 141-108 0.1 57 1.7 51 0.3 650008 1.6 97 5.4 59.6 3601-18 2.2 57 9.7 21 0.3 371108 1.7 97 1.3 81 1.8 7810-18 2.0 37 8.9 81 0.9 790008 2.0 77 6.3 69.2 91 00-1-18 4.7 17 8.2 31 0.7 21 1-1018 1.4 67 7.6 98.9 81 20008 1.9 77 9.0 19.2 41 30008 2.1 37 7.2 59.8 21 4-10-18 5.7 17 9.8 21 0.0 31 5-1-108 5.2 47 8.2 11 0.4 51 60118 0.2 27 2.2 41 0.2 71 71018 3.6 57 0.4 91 0.7 1表4 回归模型显著性分析T a b.4 S i g n i f i c a n t a n a l y s i s o f r e g r e s s i o n m o d e l方差来源表层拾净率Y1深层拾净率Y2缠膜率Y3平方和自由度均方FP显著性平方和自由度均方FP显著性平方和自由度均方FP显著性模型4 0.4 294.4 91 2.4 6 0.0 0 1 6*1 3 6.5 1 9 1 5.1 71 0.6 10.0 0 2 6*9.4 991.0 5 2 4.3 3 0.0 0 0 2*X13.3 913.3 99.4 2 0.0 1 8 1*4 2.4 6 1 4 2.4 62 9.6 9 0.0 0 1*3.313.37 6.1 7 0.0 0 0 1*X29.1 419.1 42 5.3 6 0.0 0 1 5*2.7 112.7 11.9 0.2 1 0 70.1 8 6 1 1 0.1 8 6 1 4.2 90.0 7 7X34.8 714.8 71 3.5 1 0.0 0 7 9*5 6.2 3 1 5 6.2 33 9.3 20.0 0 0 4*1.1 711.1 72 70.0 0 1 3*X1X21 0.4 311 0.4 3 2 8.9 5 0.0 0 1*1.611.61.1 2 0.3 2 5 31.7 611.7 6 4 0.4 9 0.0 0 0 4*X1X38.6 118.6 12 3.9 1 0.0 0 1 8*1 0.1 1 1 1 0.1 1 7.0 7 0.0 3 2 5*0.1 5 610.1 5 63.60.0 9 9 6X2X30.0 5 0 6 1 0.0 5 0 6 0.1 4 0 5 0.7 1 8 94.7 714.7 7 3.3 4 0.1 1 0 40.6 6 4 2 1 0.6 6 4 21 5.3 2 0.0 0 5 8*X120.1 2 110.1 2 1 0.3 3 5 7 0.5 8 0 54.7 514.7 5 3.3 2 0.1 1 1 21.1 811.1 8 2 7.3 1 0.0 0 1 2*X220.9 1 2 4 1 0.9 1 2 4 2.5 3 0.1 5 5 69.2 219.2 2 6.4 4 0.0 3 8 7*0.8 3 4 7 1 0.8 3 4 71 9.2 5 0.0 0 3 2*X323.0 213.0 28.3 8 0.0 2 3 15.1 215.1 2 3.5 8 0.1 0 0 30.0 6 0 9 1 0.0 6 0 9 1.40.2 7 4 7 注:P0.0 1为影响极显著(*);0.0 1P0.0 5影响不显著。入土深度对深层拾净率影响不显著。通过后续对W0(作业前的表层或深层地膜和残膜质量)的测定,发现试验区土壤中地膜主要位于0 1 4 0mm的土层内,这是由于一般中小型旋耕机的耕深在1 01 5c m,大型设备耕深1 5 2 5 c m,以1 8 0旋耕机为例,旱地最大耕深1 6 0mm,即使在旋耕时将地膜打碎带入土壤中,地膜最大深度也不易超过1 6 0mm,因此,过深的入土深度只会空耗能源,而无法达到更好的捡拾效果。因此,在不同地块内使用残膜回收机时,应首先对其土层取样,确定残膜主要分布深度,再进行残膜回收作业。缠膜率受残膜回收机前进速度、滚筒式地膜捡拾机构转动速度影响较大,据推测,这是由于不同的机构运第8期王文丽 等:1M S D-1.1型残膜回收机关键部件设计与试验4 5 动速度会产生不同的气流扰动,无论气流过小或过大,都不利于残膜在各机构中的运动,进而发生缠膜情况。3.3.2 地膜捡膜过程分析滚筒式地膜捡拾机构是地膜捡拾作业的核心机构。残膜回收机运行过程中,挑膜齿插入地膜后,只有当地膜接触点线速度与拖拉机行驶速度保持一致时,才能保证地膜在回收时不积压、不破损,完整回收地膜。试验过程中,选择的较快滚筒转速,虽然有效挑起地膜,但也造成了地膜的破损,从而导致拾净率下降,破碎的地膜有时会缠绕在其他部件上,进而造成缠膜率的提高。3.3.3 残膜捡拾过程分析破碎收集机构是残膜捡拾作业核心机构。该机构通过旋转破碎残膜输送机构运输上来的夹杂有残膜的土块,靠外壁上的横杆破碎土块,刮缠残膜。试验中发现,由于横杆之间间隙较大,这种方法可以有效回收土壤中体积稍大的残膜,对于破碎、年份久的残膜,收集依然较为困难。4 参数优化验证根据之前建立的试验因素与目标值关系模型,采用D e s i g n-E x p e r t中的目标优化法求解最优作业参数,并再次进行试验。其中 试 验 因 素 约 束 条 件 为:前 进 速 度0.61.2m/s,入 土 深 度2 0 02 5 0 mm;滚 筒 转 速4 55 5 r/m i n;评价指标表层拾净率求得最大值;深层拾净率求得最大值;缠膜率求得最小值。最终优化得到3个试验因素参数值分别为:前进速度0.6m/s,入土深度2 2 9mm,滚筒转速4 5r/m i n,最佳表层拾净率8 5.7%,深层拾净率8 0.0 6%,缠膜率9.9 8%。利用求解获得的最优试验参数进行田间验证试验,最终得到最佳表层拾净率8 4.9 7%,深层拾净率7 9.0 6%,缠膜率1 0.3 2%。5 结论1)设计了一款可用于耕层残膜回收的残膜回收机,有效实现表层拾净率8 0%,深层拾净率7 0%。着重对深松铲、残膜捡拾机构、滚筒式地膜捡拾机构进行了结构设计,并计算了其牵引阻力,得出深松铲工作阻力为1 1.8k N,残膜捡拾机构工作阻力为7.0 3k N,挑膜齿造成的牵引阻力为0.7 3k N,最小牵引阻力为2 2.1 4k N,可用5 8.8kW拖拉机牵引作业。2)通过B o x-B e h n k e n试验分析,建立了残膜回收机前进速度、入土深度、滚筒式地膜捡拾机构转动速度与表层拾净率、深层拾净率、缠膜率之间的关系模型,并分析了各试验因素对目标值影响显著性情况。并认为,过大的入土深度不利于残膜回收。作业前,应首先对作业土层采样,确定残膜主要分布深度,再确定作业深度,进行回收作业。3)通过D e s i g n-E x p e r t获得了预测最优作业参数(前进 速 度0.6 m/s,入 土 深 度2 2 9 mm,滚 筒 转 速4 5 r/m i n),并进行了试验,得到表层拾净率8 4.9 7%、深层拾净率7 9.0 6%、缠膜率1 0.3 2%的作业结果。参 考 文 献1 国家统计局农村社会经济调查司.中国农村统计年鉴2 0 2 2 M.北京:中国统计出版社,2 0 2 2.2 刘含饴.山东省地膜残留及回收影响因素研究D.泰安:山东农业大学,2 0 2 2.L i u H a n y i.S t u d y o n t h e i n f l u e n c i n g f a c t o r s o f m u l c h f i l m r e s i d u e a n d r e c y c l i n g i n S h a n d o n g P r o v i n c e D.T a i a n:S h a n d o n g A g r i c u l t u r a l U n i v e r s i t y,2 0 2 2.3 宋芸,樊平,王敏,等.山东滨州地膜残留现状、危害及防治对策J.中国农学通报,2 0 2 2,3 8(1 4):1 0 4-1 0 9.S o n g Y u n,F a n P i n g,W a n g M i n,e t a l.C u r r e n t s i t u a t i o n,r i s k a n d p r e v e n t i o n c o u n t e r m e a s u r e s o f m u l c h i n g f i l m r e s i d u e s i n B i n z h o u,S h a n d o n g J.C h i n e s e A g r i c u l t u r a l S c i e n c e B u l l e t i n,2 0 2 2,3 8(1 4):1 0 4-1 0 9.4 祁虹,赵贵元,王燕,等.我国棉田残膜污染危害与治理措施研究进展J.棉花学报,2 0 2 1,3 3(2):1 6 9-1 7 9.Q i H o n g,Z h a o G u i y u a n,W a n g Y a n,e t a l.R e s e a r c h p r o g r e s s o n p o l l u t i o n h a z a r d a n d p r e v e n t i o n m e a s u r e s o f r e s i d u a l f i l e i n c o t t o n f i e l d i n C h i n a J.C o t t o n S c i e n c e,2 0 2 1,3 3(2):1 6 9-1 7 9.5 尹少媛,赵宝平,米俊珍,等.内蒙古农田耕层土壤地膜残留现状及发展趋势J.农业环境科学学报,2 0 2 2,4 1(9):1 9 8 5-1 9 9 2.Y i S h