彈齒式殘膜回收機參數優化及試驗

靳 偉,白圣賀,張學軍,2,周鑫城,馬少騰

(1.新疆農業大學 機電工程學院,烏魯木齊 830052; 2. 新疆農業工程裝備創新設計實驗室重點實驗室,烏魯木齊 830052)

0 引言

地膜覆蓋種植技術改善和優化了農業生產種植條件,克服了一些不良條件和不良環境對農業生產種植的影響,被認為是一種能使農作物早熟、高產、高效、優質的先進農業技術[1-5]。該技術措施對于農作物栽培全生育期具有早播、增溫、保溫、抑制雜草生長、早熟、提高產品質量和增產增收等顯著特點,全國鋪膜種植面積超過800萬hm2,新疆超過180萬hm2,我國地膜覆蓋種植面積位居世界第一[6-10]。

近年來,隨著覆膜保溫旱作節水農業技術大面積推廣,地膜用量不斷增大,由此帶來的地膜污染問題也日益嚴重。因殘留在農田的廢舊地膜不能腐爛分解,越積越多,造成農田固體廢物污染,阻礙農作物產量和品質的提高。其破壞土壤耕層結構,嚴重影響土壤通透性及水分上下循環,妨礙種子發芽、生長,助長細菌等有害生物活動,導致農作物減產[11-14]。為此,開發了農用地膜回收機械效率高、可持續發展、減少農業面源污染等優勢,對維持農業生產的順利進行具有十分重要的意義。本文針對殘膜撿拾難題,設計了一種彈齒式殘膜回收機裝置,為殘膜回收機的設計提供理論依據和技術支撐。

1 結構組成及工作原理

彈齒式殘膜回收機主要由碎土裝置、挑膜裝置、卸膜裝置、集膜裝置、傳動系統、地輪及機架等部件組成,如圖1所示。殘膜回收機主要技術參數如表1所示。

表1 殘膜回收機主要參數

1.碎土裝置 2.機架 3.挑膜裝置 4.卸膜裝置 5.集膜裝置 6.地輪 7.傳動系統

整個機器由拖拉機牽引,前方安裝松土輪隨機架的前行進行碎土和松土;前方正上方安裝傳動裝置帶動挑膜裝置的轉動,動力通過鏈輪帶動膜軸的轉動使彈簧齒入土30～50mm撿拾殘膜,再通過刮板把膜推入套有尼龍網套的箱子里推到集膜箱。其中,彈簧齒在工作中的作用:一是入土并帶起殘膜的作用;二是給膜一定的慣性使之能夠落入集膜箱。該裝置安裝在機架上方,由車輪軸的轉動通過鏈輪帶動脫膜軸,再帶動刮膜板刮膜。

2 殘膜撿拾試驗與工作參數優化

2.1 試驗條件與因素

試驗地點選在新疆生產建設兵團第一師六團七連已被收獲的棉田地。試驗地較為平坦,經測定試驗地土壤含水率均值為9.52%、地表殘膜含量均值為10.59 g/m2、土壤堅實度均值為0.75 MPa,覆蓋地膜采用國家標準地膜厚度為0.008 mm。選用約翰迪爾554型拖拉機,額定功率為74.8kW。根據理論分析及前期預試驗,選取機器前進速度v、卸膜軸與挑膜軸的速度比u和挑膜彈齒入土深度h為試驗因素,因素水平如表2所示。

表2 試驗因素和水平

2.2 殘膜撿拾率與卸膜率試驗方法

根據NYT1227-2006殘膜回收機作業質量標準設計試驗[15-16],在試驗地內隨機選取5個區域(1m×1m),將每個區域地表殘膜收集裝袋洗凈并稱質量,取其平均值記為Ga;設置殘膜回收機前進距離為100m,設置5個測量行程,作業后隨機各選取1個區域(1m×1m),將每個區域地表剩余殘膜撿拾干凈裝袋洗凈并稱質量,取其平均值記為Gb。每個行程撿拾殘膜后,將殘膜回收箱中的殘膜裝袋洗凈并稱質量,取其平均值記為Gc。殘膜撿拾率與卸膜率計算公式為

(1)

式中φ—殘膜撿拾率(%);

γ—卸膜率(%)。

Ga—試驗前試驗區域內殘膜的平均質量(g);

Gb—試驗后試驗區域內剩余殘膜的平均質量(g);

Gc—試驗后膜箱內殘膜的平均質量(g)。

2.3 試驗結果與分析

2.3.1 試驗結果

運用Design軟件采用Box-Benhnken設計方法設計以機器前進速度v、卸膜軸與挑膜軸的速度比u、挑膜彈齒入土深度h為試驗因素,撿拾率與卸膜率為目標值的正交試驗,試驗結果如表3所示,田間試驗圖2所示。

表3 試驗設計方案及響應值結果

圖2 田間試驗現場

2.3.2 回歸模型的建立與顯著性分析

根據表3中的數據樣本,采用Design-Expert軟件對數據進行多元回歸擬合分析, 由表4得到以撿拾率與卸膜率為響應函數,各因素為自變量的回歸方程,

表4 回歸模型方差分析

即

(2)

通過P值大小可以反應各個參數對回歸方程的影響作用,殘膜撿拾率P=0.000 3,卸膜率P=0.008 4,表明參數對模型影響極顯著,模型非常可靠。殘膜撿拾率模型中有6個回歸項影響極顯著,分別為X1、X2、X1X2、X2X3、X22、X32;有3個回歸項對試驗影響不顯著,分別為X3、X1X3、X12。卸膜率模型中有2個回歸項影響極顯著,分別為X1、X22;有3個回歸項對模型影響顯著,為X2、X1X3、X32;有4個回歸項對試驗影響不顯著,分別為X3、X1X2、X2X3、X12。剔除模型中不顯著回歸項,對模型殘膜撿拾率與卸膜率進行優化,得到優化后的回歸方程為

(3)

2.3.3 響應面分析

根據方差分析,試驗因素影響殘膜撿拾率和卸膜率的顯著順序為:機器前進速度v>卸膜軸與挑膜軸的速度比u>挑膜彈齒入土深度h。利用Design-expert中的Optimization優化分析得:當機器前進速度v為1.60m/s、卸膜軸與挑膜軸的速度比u為4.3、挑膜彈齒入土深度h為35.90mm時,殘膜撿拾率達到89.6%,卸膜率為94.2%。響應面優化如圖3和圖4所示。

(a)

圖4 殘膜卸膜率的響應面優化圖

3 參數優化與試驗驗證

為了驗證模型預測的準確性,采用上述參數在新疆生產建設農一師六團七連秸稈收獲后的棉花地中進行3次驗證試驗。考慮到機具在試驗地中實際工作情況,設置機器前進速度v為1.60m/s,卸膜軸與挑膜軸的速度比u為4.3,挑膜彈齒入土深度h為36.00mm。在此方案下進行驗證試驗,結果如表5所示。

表5 模型優化與田間試驗對比

通過表5可得:撿拾率與卸膜率試驗的平均值分別為88.2%、92.5%,試驗值與優化結果的相對誤差分別為1.57%、1.80%,均小于5%,表明參數優化的模型可靠。當機器前進速度v為1.60m/s、卸膜軸與挑膜軸的速度比u為4.3、挑膜彈齒入土深度h為36.00mm時,殘膜撿拾率為88.2%,卸膜率為92.5%。

4 結論

1)機具的各因素對殘膜撿拾率與卸膜率的影響顯著順序為:機器前進速度v>卸膜軸與挑膜軸的速度比u>挑膜彈齒入土深度h。

2)采用Design-expert軟件中的Box-Benhnken中心組合試驗方法與試驗驗證,確定:當機器前進速度v為1.60m/s、卸膜軸與挑膜軸的速度比u為4.3、挑膜彈齒入土深度h為36.00mm時,殘膜撿拾率為88.2%,卸膜率為92.5%,試驗值與優化結果的相對誤差分別為1.57%、1.80%,均小于5%,表明模型可靠性比較高。