劉穎燦，魏遠俊，錢興桂，郭俊先，艾力·哈斯木，謝建華
(1.**農業大學機電工程學院，** 烏魯木齊 830052；
2.沙雅缽施然智能農機有限公司，** 沙雅 842200)
地膜覆蓋技術具有防治雜草、保質增產等作用，已廣泛應用在多種農作物中[1-2]。目前國內大部分使用的是非標地膜，主要由聚乙烯、聚氯乙烯組成，地膜的長期使用和累積，造成了田間“白色污染”，殘膜長期混合在土壤中，難以分解，容易導致土壤板結，阻礙農作物與土壤層間的水分交換，嚴重影響農作物生長，給我國農業經濟造成很大的損失[3-6]。
目前，機械回收技術是治理殘膜污染的主要手段。為解決殘膜污染問題，國內學者已研究出多種類型的殘膜回收機，有卷收式、彈齒式、伸縮桿齒式、氣吸式、夾持式等機具[7-11]，這些機具主要由收膜裝置、脫膜裝置、集膜裝置等部分組成，多針對于秋后殘膜回收。近年來殘膜回收機不再作為單一的回收殘膜裝置，開始多樣化，為提高田間工作效率，研究人員將秸稈粉碎裝置與殘膜回收裝置組合，如石河子大學機械電氣工程學院研制的SMS-1500型棉稈粉碎與殘膜回收機[12]，石河子大學和**農墾科學院等聯合研制的4JSM系列的棉稈還田及殘膜回收聯合作業機[13-14]、CMJY-1500 型農田殘膜撿拾打包聯合作業機[15]，山東省農業機械科學研究院研制的氣吸式殘膜回收除雜一體機[16]等。但現有部分機型在殘膜回收過程中存在膜雜率高、可靠性差等問題[17]。
本文設計一種秸稈還田殘膜回收一體機，可一次性完成秸稈粉碎、秸稈還田、殘膜撿拾、膜雜分離等作業。秸稈粉碎機構與絞籠機構配合實現秸稈粉碎還田，撿膜機構與脫膜機構中增加防纏膜圓板降低了作業時的膜纏繞，脫膜機構利用風力把殘膜吹入膜箱內，提高了膜雜分離的效果，大容量膜箱采用液壓系統卸膜，卸膜后膜蓋自動閉合，實現快速卸膜，提高了田間工作效率。
1.1 整機結構及主要技術參數
秸稈還田殘膜回收一體機主要由牽引機構、輸出軸、帶傳動機構、秸稈粉碎機構、絞籠機構、機架、撿膜機構、脫膜機構、集膜箱、行走輪等組成。其整機結構如圖1所示，主要技術參數如表1所示。
1.牽引機構;2.輸出軸;3.帶傳動機構;4.秸稈粉碎機構;5.絞籠機構;6.機架;7.撿膜機構;8.脫膜機構;9.集膜箱;10.行走輪1. Traction mechanism; 2. The output shaft; 3. Belt drive mechanism; 4. Straw crushing mechanism; 5. Grinding cage mechanism 6. Frame; 7. Film pickup mechanism; 8. Stripping mechanism; 9. Film collecting box; 10. Walking Wheel 圖1 秸稈還田殘膜回收一體機整機結構Fig.1 The whole structure of the machine for recycling straw and film residue in field
表1 機具的主要技術參數Table 1 Main parameters of machine tool
1.2 工作原理
機具田間工作時可完成秸稈粉碎與排放、收膜與脫膜、集膜等工作。由拖拉機輸出軸提供動力，采用三點懸掛方式，通過秸稈粉碎機構上的甩刀對田間棉稈進行粉碎，再經絞籠機構將粉碎的棉稈輸送至田間兩側溝壑，撿膜機構采用彈齒對殘膜進行挑起并輸送至脫膜機構處，耙齒對未挑起的殘膜進行二次回收，脫膜板將輸送的殘膜刮脫至集膜箱內[18-21]。殘膜在集膜箱內達到一定的容量時，液壓系統使集膜箱旋轉一定角度，掛鉤由重力自動松開，殘膜混合物自動脫落并聚集成堆，完成整個過程的田間作業。
2.1 秸稈粉碎還田機構的設計
秸稈粉碎與絞籠機構是秸稈還田殘膜回收一體機秸稈粉碎、集放的關鍵零部件，也直接關系到殘膜回收、膜雜分離的田間作業質量。秸稈粉碎還田機構主要由牽引架、導向輪、防護板、液壓管支架、傳動帶、左右甩刀、刀軸、封板和絞籠等部件組成。左右甩刀用螺栓連接固定到甩刀刀座上，刀座沿圓周螺旋方向對稱固定在刀軸上，田間作業時，由輸出軸傳遞動力，齒輪分動箱經皮帶傳動帶動秸稈粉碎刀軸轉動。其結構示意圖如圖2所示。
1.牽引架;2.液壓管支架;3.導向輪;4.甩刀滾筒;5.帶輪;6.絞籠;7.防護板1.Traction frame; 2. Hydraulic pipe support; 3. Guide wheel; 4. Flailing roller; 5. Pulley; 6. Winch cage; 7. Fenders圖2 秸稈粉碎還田機構Fig.2 Structure of straw returning device
2.1.1 秸稈粉碎刀軸的設計 刀軸焊接到兩軸端螺栓連接到機架兩側板上，為使粉碎的秸稈更好地集放到田間，粉碎刀軸反轉運轉。秸稈粉碎機構切碎秸稈的方式為無支撐切割，對甩刀刀尖的線速度有著較高要求，為保證秸稈粉碎的質量，甩刀刀尖的線速度應大于30 m·s-1[22-23]。在刀軸回轉半徑一定時，可改變轉速對甩刀刀尖線速度進行控制。但刀軸轉速不應過高，否則會提高整機在田間作業時的振動，降低機具的使用壽命。根據國內對秸稈粉碎機構的研究，確定粉碎刀軸的回轉半徑為277 mm，刀軸總長為2 190 mm，壁厚為16 mm，粉碎刀軸采用冷拔工藝加工而成。
2.1.2 刀具選型與運動分析 (1)刀具選型。在秸稈粉碎機構中常見的刀具有錘爪型粉碎刀、甩刀型粉碎刀、直刀型粉碎刀這3種。選取甩刀型粉碎刀作為秸稈粉碎刀具，該刀具作業時高速旋轉，沖擊并切斷秸稈，粉碎效率高；
且能適應不同的秸稈類型，撿拾秸稈能力較強，與其他刀型相比，此刀型體積及所受阻力小，消耗的功率較小。左右刀片螺栓連接固定在刀座上，為防止在田間作業時甩刀軸向竄動，甩刀與刀座安裝有軸套，保證甩刀有效地切碎秸稈。
(2)甩刀粉碎作業運動分析。甩刀粉碎作業時，粉碎刀軸的線速度與機具前進的速度相反，而甩刀刀尖的絕對速度va由機具前進速度ve與粉碎刀軸的線速度vs矢量所合成，故運動學方程為：
va=ve+vs
(1)
以刀軸回轉中心O為原點、機具前進正方向為x軸正方向、垂直地面向上為y軸正方向，建立平面直角坐標系，其運動軌跡示意圖如圖3所示。
圖3中M為秸稈粉碎后的高度(mm)，對于任意位置B(x，y)在時間t(s)內的
(2)
式中，R為粉碎刀軸的回轉半徑(mm)，w為粉碎刀軸旋轉角速度(rad·s-1)。
試驗機具的前進速度為ve(m·s-1)，則甩刀回轉一周的前進的距離s(cm)，也即是圖3中CD之間的距離，進距s決定秸稈粉碎的效果，而進距s與機具在時間t內行駛的距離有關。即進距s表達式為：
圖3 粉碎刀軸運動軌跡示意圖Fig.3 Sketch map of movement track of crushing cutter shaft
(3)
引用甩刀切碎莖稈速比λ，即甩刀刀端的線速度與機具前進速度之比，得表達式為：
(4)
根據運動軌跡方程可知，甩刀作業時運動過程為擺線。現以粉碎刀軸轉速為2 400 r·min-1，機具行駛速度為7 km·h-1，經計算甩刀線速度為69.58 m·s-1，滿足甩刀刀尖的線速度應大于30 m·s-1的要求。λ應≥1，有重復切割部分，秸稈得到充分的粉碎，甩刀旋轉到最高點時，甩刀的線速度與機具前進速度相反，便于打碎的秸稈直接甩送到螺旋絞籠殼中，否則，秸稈會出現漏切現象，不利于殘膜的撿拾。
2.1.3 甩刀在粉碎刀軸的排列 甩刀的數量和排列方式直接決定著秸稈粉碎效果、整機固有頻率及膜雜分離效果等[23-24]。Y型甩刀以螺旋線的排列方式固接在刀軸上，參考《農業機械設計手冊》可知，Y型甩刀的排列密度一般為0.023～0.040片·mm-1[25]。根據作業幅寬及種植模式的要求，最終確定刀座總數為36個，相鄰2個刀座之間的軸向距離為128 mm，位于同一條螺旋線上的相鄰刀座的徑向夾角為53°，其甩刀安裝平面展開圖如圖4。田間作業時，至少有2把甩刀同時作業，以降低工作阻力，提高甩刀的使用次數。
圖4 甩刀安裝平面展開圖Fig.4 Flail knife installation plan expansion drawing
2.1.4 絞籠機構設計 秸稈粉碎還田機構是秸稈還田殘膜回收一體機重要組成部分之一，主要作用是粉碎秸稈并將其拋扔到秸稈粉碎機構兩側，秸稈還田機構主要由絞籠軸、左右旋葉片、絞籠殼體等部件組成，采用臥式螺旋輸送結構。輸送裝置的結構尺寸和參數影響秸稈粉碎裝置的工作狀況，絞籠輸送秸稈時其排出量應大于落入殼內的粉碎秸稈量，才能保證絞籠腔內不因秸稈量過多而堵塞[26-27]。根據秸稈長度及粉碎排放量并經前期試驗測試，確定螺旋葉片直徑為290 mm，螺距為232 mm，螺旋葉片厚度為2.8 mm，絞籠軸轉速確定為1 500 r·min-1。
2.2 殘膜回收機構設計
2.2.1 撿膜機構 根據棉花的種植模式及田間殘膜特征，拾膜機構采用彈齒式撿拾田間殘膜。拾膜機構主要由防纏膜圓板、撿膜齒、撿膜齒軸、凸輪軌道、撿膜滾筒等部件組成。撿膜齒固接在撿膜齒軸上，撿膜齒軸圓周均勻分布在撿膜滾筒，撿膜齒軸用帶座軸承固接在兩側防護板上，撿膜齒軸與連桿軸承固接，軸承在軌道內滾動。田間工作時，在撿膜齒軸、撿膜滾筒、滾子、凸輪軌道的共同作用下，撿膜齒通過改變齒的傾角，穿透殘膜并扎入土壤中；
挑起殘膜出土時，撿膜軸隨著滾子在凸輪軌道中的運動，撿膜齒改變傾角，將挑起的殘膜送至脫膜機構。撿膜滾筒的回轉半徑為245 mm，繞軸均勻安裝6組撿膜齒。撿膜機構的結構示意圖如圖5。
1.撿膜滾筒軸；
2. 撿膜齒軸 ；
3. 彈簧齒；
4. 撿膜滾筒；
5. 防纏膜圓板1. Pick up membrane drum shaft；
2. Pick up membrane gear shaft；
3. Spring tooth；
4. Pick up film roller；
5. Anti-wrapping film round plate圖5 撿膜機構Fig.5 Membrane collecting mechanism
當彈簧齒撿膜入土時，殘膜受力情況及彈簧齒運動軌跡如圖6所示。設彈簧齒撿膜入土角度為α，即切向力Ft與殘膜重力G之間的夾角。
圖6 殘膜受力分析及齒尖運動軌跡Fig.6 Force analysis of remnant film and tooth tip movement track
(5)
(6)
式中，G1為重力沿彈簧齒桿方向的切向分力(N)；
G2為重力沿彈簧齒方向的法向分力(N)；
Fi為殘膜所受的慣性力(N)；
Fc為撿膜齒撿膜時的離心力(N)；
γ為慣性力與切向力之間的夾角，其中Fi=w0r2m，G=mg，m為殘膜質量(g)，w0為撿膜滾筒角速度(rad·s-1)。
彈簧齒撿膜入土時，殘膜受力平衡方程為：
(7)
式中，Ff為撿膜齒與殘膜的摩擦力(N)，Fv為殘膜的支持力(N)；
其中Ff=uFv，u為殘膜與撿膜齒的摩擦系數。
要保證撿膜齒上的殘膜在作業中不從撿膜齒上脫落，撿膜齒與殘膜的摩擦力Ff應不小于殘膜所受的離心力，即：
(8)
式中，r為撿膜齒的瞬時半徑(mm);w0為撿膜滾筒角速度(rad·s-1)。
經計算，撿膜齒展開的回轉半徑為504 mm，當撿膜齒齒尖線速度為2.64 m·s-1，可得撿膜齒轉速公式：
(9)
計算可得撿膜滾筒的轉速n約為50.01 r·min-1。
2.2.2 脫膜機構 脫膜機構主要由脫膜滾筒、脫膜板、脫膜軸等部件組成，如圖7所示，其功能是刮脫撿膜齒上的殘膜送入膜箱內。脫膜機構安裝6個脫膜板，板端的運動軌跡圓與撿膜齒齒尖的運動軌跡偏心圓相切。
1.脫膜軸；
2. 脫膜滾筒；
3. 脫膜板1. Take off the film shaft；
2. Film roller；
3. Defilming plate圖7 脫膜機構Fig.7 Demulsification mechanism
工作時，脫膜板上的殘膜所受的離心力應大于殘膜與脫膜板之間產生的摩擦力，即殘膜脫離脫膜板送入膜箱的條件是：
(10)
式中，v1為殘膜在脫膜板上的線速度(m·s-1)，m1為單片殘膜質量(g)，f為殘膜與脫模板之間的摩擦力(N)，δ為殘膜重力在切向方向的夾角(°)。
殘膜在脫膜板上的受力分析如圖8所示。殘膜在脫膜板的線速度為
圖8 殘膜在脫膜板上的受力分析Fig.8 Force analysis of the remnant film on the defilming plate
v1=w1R1=2πn1R1
(11)
殘膜與脫膜板之間的摩擦力為
f=μ1FN=μ1Gcosδ
(12)
式中，μ1為殘膜與脫膜板之間的摩擦系數，μ1取0.6；
δ為重力G與壓力FN之間的夾角。
據由佳翰等[13]研究可知，隨機單片殘膜的質量為1.89×10-3kg，脫膜板的線速度需大于1.2 m·s-1才能將殘膜吹入膜箱內。現確定脫膜板的回轉半徑為278.5 mm，以脫膜滾筒的轉速為500 r·min-1，計算得脫膜板的線速度約為14.57 m·s-1，滿足脫膜板線速度大于1.2 m·s-1的理論要求。
3.1 試驗條件
為驗證秸稈還田殘膜回收一體機的田間作業效果，得到最佳的殘膜回收作業效果，2021年11月，在**阿克蘇地區沙雅縣海樓鎮(82°42′31″E， 41°17′37″N)進行田間試驗。如圖9(見269頁)所示，試驗地土質為沙土且棉稈未粉碎，滴灌帶已回收，地形平坦，棉花種植模式寬窄行為660 mm+100 mm，地膜厚度為0.01 mm，鋪膜時間約為189 d，膜邊壓緊深度約為2 cm，土壤平均含水率為15.4%。拖拉機選用常發農裝CFJ2204。試驗時配有皮尺、天平、轉速測量儀、秒表等試驗儀器。
圖9 田間試驗結果Fig.9 Field test results
3.2 試驗方法
為檢驗秸稈還田殘膜回收一體機的田間工作效果，按照國家標準 GB/T 25412—2010《殘地膜回收機》[28]，每個試驗序號選取1個膜幅，試驗長度為大于100 m，滿足往返的作業路程，每個采樣區域長度5 m，相鄰采樣區域間隔1 m。為測定機具的工作效果，選取機具前進速度、輸出軸轉速、撿膜齒入土平均深度(限深輪調節方式)為試驗因素，以殘膜回收率、含雜率為性能評價指標。殘膜回收率Y1、含雜率Y2性能評價指標計算公式為：
(13)
(14)
式中，M0為作業前地膜總質量(g)；
M1為作業后測區未回收的殘膜質量(g)；
W1為膜箱內膜雜總質量(g)；
W2為膜箱內殘膜質量(g)。
3.3 試驗設計
試驗采用三水平三因素正交方法進行設計，試驗因素與水平如表2，試驗方案及結果如表3，共進行了17組試驗，每組試驗重復2次，取2次的結果均值作為試驗結果。
表2 試驗因素與水平Table 2 Test factors and levels
3.4 試驗方案與結果
人工撿拾測區內未回收的殘膜，裝袋標號，并清洗、晾干、稱重，殘膜回收率及含雜率經式(13)、(14)計算得出，試驗結果如表3。
表3 試驗方案與結果Table 3 Test plan and results
4.1 回歸模型建立與顯著性檢驗
應用 Design-Expert 8.0.6.1軟件對表3的數據樣本進行分析處理，建立殘膜回收率Y1、含雜率Y2的回歸模型，并進行方差分析，結果如表4。由表4可知，殘膜回收率Y1、含雜率Y2的回歸模型P<0.01，表明回歸模型極顯著，其中A、B、A2對殘膜回收率Y1的影響極顯著，B2對含雜率Y2的影響極顯著。且二者失擬項均大于0.05，表明失擬項不顯著，即擬合的二次回歸方式與實際試驗相符合，說明殘膜回收率Y1、含雜率Y2與A、B、C之間的關系，剔除不顯著因素，得到殘膜回收率Y1、含雜率Y2的回歸方程，即
表4 回歸模型方差分析Table 4 Variance analysisof regression model
Y1=85.6+0.98A+1.54B+0.21C-1.03AB+1.13AC-0.9BC-1.23A2-0.8B2+0.2C2
(15)
Y2=15.86-0.39A+0.76B-0.18C-0.6AC+BC-0.27A2+3.93B2+0.96C2
(16)
根據回歸模型的各項的回歸系數可知，各因素對殘膜回收率Y1、含雜率Y2影響程度為B>A>C。
4.2 試驗因素對各指標的影響
為了直觀了解試驗因素與試驗指標之間的關系，運用Design-Expert 8.0.6.1軟件得出試驗因素對殘膜回收率Y1、含雜率Y2的三維響應曲面圖，如圖10所示。
當輸出軸轉速=710 r·min-1時，機具前進速度由5 km·h-1增大至7 km·h-1，殘膜回收率先增大后減小，并隨著撿膜齒入土深度的增大而增大，撿膜齒入土深度對殘膜回收率的影響更顯著；
當撿膜齒入土深度=25 mm時，機具前進速度由5 km·h-1增大至7 km·h-1，殘膜回收率先增大后減小，并隨著輸出軸轉速增大而先增大后減小，變化比較平緩，機具前進速度對殘膜回收率的影響更顯著；
當機具前進速度=6 km·h-1時，撿膜齒入土深度由10 mm增大至40 mm，殘膜回收率增大，并隨著輸出軸轉速增大而增大，撿膜齒入土深度對殘膜回收率影響更顯著。
當輸出軸轉速=710 r·min-1時，機具前進速度由5 km·h-1增大至7 km·h-1，含雜率先增大后減小，并隨著撿膜齒入土深度的增大而先減小后增大，撿膜齒入土深度對含雜率的影響更顯著；
當撿膜齒入土深度=25 mm時，輸出軸轉速由660 r·min-1增大至760 r·min-1，含雜率先減小后增大，并隨著機具前進速度增大而先增大后減小，機具前進速度對殘膜回收率的影響更顯著；
當機具前進速度=6 km·h-1時，撿膜齒入土深度由10 mm增大至40 mm，含雜率先減小后增大，并隨著輸出軸的轉速增大而先減小后增大，撿膜齒入土深度對殘膜回收率影響更顯著。
如圖10所示，因素影響響應面變化趨勢與方程方差分析結果一致，機具前進速度、輸出軸轉速對含雜率影響較小，而撿膜齒入土深度對含雜率影響較大，適當的撿膜齒入土深度有利于地膜上的棉葉、土壤等雜質不易被挑起，易落到地面。
圖10 試驗因素對殘膜回收率和含雜率的三維響應圖(A,B,710)Fig.10 Three-dimensional response of experimental foctors to residual film recovery and impurity content (A,B,710)
4.3 參數優化與試驗驗證
根據秸稈還田殘膜回收一體機的田間作業要求，并針對殘膜回收率、含雜率這2個指標，利用Design-Expert 8.0.6.1軟件中的優化模塊對其回歸方程模型進行優化求解，得到最優參數：機具前進速度7 km·h-1、撿膜齒入土深度25 mm，輸出軸轉速760 r·min-1，在此參數下，殘膜回收率為86.89%，含雜率為15.39%。
為驗證優化后結果的可行性，按照優化后的參數在沙雅缽施然智能農機有限公司試驗地進行試驗驗證。設定機具前進速度7 km·h-1、撿膜齒入土深度25 mm，輸出軸轉速760 r·min-1，試驗重復3次，依據式(13)、(14)計算，并取其平均值得到殘膜回收率為85.03%，含雜率為15.88%，其與預測值的相對誤差均小于3個百分點，所以參數優化模型可靠。
1)本文針對殘膜回收難、殘膜回收機作業效率低等問題，研制了一種秸稈還田殘膜回收一體機，并對整機的關鍵零部件進行設計、選型，確定了其材料、結構尺寸等工作參數，該機可一次實現秸稈還田、膜雜分離、殘膜回收等作業，配有大容量膜箱，可減少卸膜時間，提高機具的有效工作時間。
2)通過響應面及回歸方程研究，分析了機具前進速度、撿膜齒入土深度、輸出軸轉速對殘膜回收率、含雜率的影響。各試驗因素對殘膜回收率、含雜率影響顯著順序為：撿膜齒入土深度>機具前進速度>輸出軸轉速。
3)通過Design-Expert 8.0.6.1軟件對試驗數據進行分析，得到最優參數組合：機具前進速度7 km·h-1、撿膜齒入土深度25 mm，輸出軸轉速760 r·min-1;田間試驗驗證結果表明，以最優參數組合試驗，得到殘膜回收率為85.03%，含雜率為15.88%，參數優化模型可靠。
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