壟作種植殘膜回收邊膜碎土裝置的設計與試驗

胡廣發，全臘珍，鄒運梅，沈徽，匡新鵬，黃從輝

(湖南農業大學機電工程學院，湖南省現代農業裝備工程技術研究中心，湖南 長沙 410128)

由于地膜覆蓋技術的迅速推廣，農田殘膜污染日益嚴重，殘膜回收也越來越受到重視[1-5].壟作種植覆膜后秋后邊膜回收較為困難，主要原因在于地膜鋪設后，壟側兩邊往往會覆蓋相當厚的土壤，經過一段時間，土壤容易板結且嚴重粘連，起膜時阻力很大.以壟作鋪設地膜為例，鋪設地膜整寬為1 200 mm，單邊覆膜寬度為150 mm，邊膜覆土寬度為70～100 mm，邊膜質量占總質量的25%，由于板結的土壤使邊膜起膜阻力大，秋后殘膜回收率在80%左右[6-8].張佳喜等[9]對不同邊膜鏟起膜性能及起膜率試驗得出，單翼鏟受力最大，但其作業效果最佳，且邊膜鏟的受力大小與邊膜鏟前進方向上的垂直長度的刃口成正比；連瀟等[10]針對玉米壟作根據犁體曲面的水平元線法設計了一種邊膜鏟，邊膜鏟入土、翻土效果良好，但不具備拋土能力，翻垡土壤仍有一部分壓在邊膜上，影響邊膜起膜效果.目前，殘膜回收隨著機具前進，土壤壅土會造成很大阻力，影響殘膜回收率，且鏟式結構的入土阻力較大，邊膜埋的深度不一致，破膜率嚴重.為了提高邊膜收膜率，減少起膜過程中的工作阻力，降低邊膜破碎率，設計了一種碎土裝置，該裝置可針對壟形內外覆土厚度不同完成碎土、拋土等作業，可有效地提高邊膜收膜率.

1 殘膜回收機結構組成與工作原理

1.1 殘膜回收機結構組成

農田殘膜回收機由機架、傳動鏈組、碎土裝置、起膜裝置、膜土分離裝置、輸膜裝置、行走輪和集膜箱組成，結構如圖1所示.

1：機架；2：傳動鏈組；3：碎土裝置；4：膜土分離裝置；5：起膜鏟裝置；6：輸膜裝置；7：行走輪；8：集膜箱.1：Frame;2.Transmission chain;3：Soil crushing device;4：Membrane-soil separation device;5：Membrane-lifting shovel device;6：Membrane conveying device;7：Walking wheel;8：Membrane collecting box.圖1 殘膜回收機整機結構示意圖Figure 1 Structure diagram of the whole machine of the residual membrane recovery machine

1.2 整機工作原理

作業時，殘膜回收機在土槽試驗機的牽引下沿著壟行前進，由土槽試驗機動力輸出軸將動力傳遞到殘膜回收機的傳動鏈組，傳動鏈組分別把動力輸送到各個裝置.殘膜回收機前進時，先由碎土裝置將壟側兩邊壓實的土壤破碎，然后起膜鏟裝置隨機具前進，將殘膜鏟起并抬升到一定高度與膜土分離裝置接觸.當殘膜與膜土分離裝置接觸后，首先由膜土分離裝置中的挑膜彈齒拾起殘膜，并在挑膜過程中將殘膜上表層土壤分離，然后殘膜在運輸過程中通過膜土分離裝置中凸輪壓板機構和滾筒相互作用，對殘膜下表層土壤進行剪切分離，最后殘膜通過輸送裝置送至集膜箱.

1.3 技術參數

表1 殘膜回收機主要技術參數

2 碎土裝置的設計與分析

2.1 碎土裝置的結構及工作原理

如圖2-A所示，壟上鋪蓋地膜時，會在壟兩側 70～100 mm處覆上很厚的土壤，以防止地膜被風刮走，覆土厚度在 50～70 mm之間.經過一段時間后，覆在地膜兩側的土壤容易板結成塊，緊壓地膜，從而對地膜回收造成很大困擾[11-13].碎土裝置是殘膜回收機的重要部件，其作業時將板結在殘膜兩側的土壤直接破碎，并將碎后的土壤向兩邊拋撒，為起膜提供有利條件.為了適應于壟側弧形結構，碎土輥形狀設計成錐形，其中碎土裝置主要由錐形輥、碎土葉片、轉動軸組成，通過懸掛板安裝在殘膜回收機前端，如圖 2-B所示.

1：錐形輥；2：機架；3：轉動軸；4：碎土葉片；5：懸掛板；6：傳動鏈組.1：Tapered roller;2：Frame;3：Rotating shaft;4：Crushing blade;5：Suspension plate;6：Transmission chain group.圖2 邊膜碎土裝置Figure 2 Edge membrane crushing device

2.2 碎土裝置的碎土過程分析

2.2.1 碎土輥結構尺寸 碎土裝置中的錐形輥和碎土葉片材料為 45#鋼，為了減輕錐形輥質量又要保證其強度，加工制作錐形輥時使其內部為空心，壁厚為10 mm，結構參數如圖3所示.根據覆土寬度和對南方壟作種植的測量，取錐形輥的工作幅寬L為120 mm，錐角γ為15°，大端直徑D1為 200 mm，小端直徑D2為 150 mm；為了減小葉片入土時的阻力，碎土葉片呈螺旋狀安裝在錐形輥上，其中由前期預試驗得出螺旋角β為53°時碎土效果最好，葉片厚度t為3 mm，寬度b為40 mm.

L：工作幅寬；D1：大端直徑;D2：小端直徑；d：套筒外徑；γ：錐角；t：葉片厚度；b：碎土葉片寬度；β：葉片螺旋角.L：Working width;D1：Large-end diameter;D2：Small-end diameter;d：Outer diameter of sleeve;γ：Cone angle;t：Blade thickness;b：Width of soil crushing blade;β：Blade helix angle.圖3 錐形輥與碎土葉片Figure 3 The tapered roller and soil crushing blade

2.2.2 碎土輥運動分析 螺旋錐形碎土輥的運動分析如圖4所示，以轉動軸圓心O點為原點，前進方向為x軸，豎直方向為y軸，建立xoy平面，機具以速度V勻速前進，轉速為ω，以OA為入土初始位置，轉過θ角度后達到O′A′出土位置，碎土葉片A點從入土到出土轉過的弧長軌跡如AA′所示.

葉片A為初始位置，機具前進一段距離后，葉片轉動一個角度到達A′，則運動軌跡方程，即：

(1)

式中：V為裝置前進速度；R為錐形輥截圓半徑；b為碎土葉片寬度；θ為相位角.

將(1)式對時間求導可以得到碎土葉片A點的速度方程：

(2)

式中：ω為碎土輥角速度.

V：裝置前進速度；ω：碎土輥角速度；A、A′：葉片入土和出土點；θ：相位角；R：錐形輥截圓半徑；AA′：弧長軌跡.V：Device forward speed;ω：Soil crushing roller angular velocity;A、A′：Blade entry and excavation point；θ：Phase angle;R：Truncated circle radius of the tapered roller；AA′：Arc length trajectory.圖4 錐形輥運動分析圖Figure 4 The movement analysis diagram of the tapered roller

2.2.3 碎土過程力學分析 針對壟兩邊板結的土塊，分析螺旋錐形碎土輥的作業效果，對碎土葉片上的土壤顆粒進行受力分析，建立土壤對碎土輥的受力平衡關系，并得出碎土輥碎土時的阻力方程.如圖5所示，以軸心o點為原點建立o-xyz坐標，V為機具前進速度，ω為螺旋錐形碎土輥角速度，機具前進一段距離后，從o點到達o′，其中土壤對碎土葉片的阻力為Fq.

圖5 螺旋錐形輥碎土過程分析Figure 5 Analysis of soil crushing process with spiral conical roller

當碎土葉片切入土壤后，板結土壤中擾動的土壤與未擾動土壤遭到破壞，此時碎土葉片受到土壤的主要作用力為沿葉片表面向下的剪應力τ和垂直于葉片表面的正應力σ，如圖6所示.破碎后的土壤受到錐形碎土輥軸向力Fa作用，且力的方向由錐形碎土輥大端指向小端，土壤移動時使碎土葉片表面與土壤會產生摩察力Ff，如圖5所示.

圖6 碎土葉片力學分析Figure 6 Mechanical analysis of broken soil blade

分析得出土壤對碎土葉片的阻力Fq為：

Fq=Fa+FT+FN+Ff

(3)

式中：Fq為土壤的作用力；Fa為切削土壤的軸向力；FT為碎土葉片與土壤相對運動產生的剪切力；FN為碎土葉片切入土壤時對土壤的正壓力；Ff為土壤與碎土葉片之間的摩擦力.

當葉片切入土，并以垂直于碎土輥軸方向以速度V前進時，為了切削土壤，螺旋葉片必須發揮一軸向力作用，其中螺旋葉片可以視作平面楔，而將土壤沿軸向推移類似與于一般鏵鏟[14].則，

Fa=KVi

(4)

式中：K為土壤切土比阻，對Ⅰ～Ⅲ類土為5.9～11.7 N/cm2；V為土壤切削體積；i為切土葉片頭數.

切土面積從圖5可以看出，當碎土輥前進一定距離以后，碎土葉片的水平切削面積為Sabcd，則旋轉一周的碎土體積為：

(5)

式中：C1為碎土輥小端旋轉一周前進的距離；C2為碎土輥大端旋轉一周前進的距離；β為葉片螺旋角；L為碎土輥工作幅寬；h為切土厚度.

土壤破碎后碎土葉片與土壤相對運動產生剪切力，如圖6所示.葉片旋轉推動土壤向后運動，此時的推土阻力等于土壤對葉片的正壓力，即：

(6)

式中：G為葉片切土質量；μ2為土對土的外摩擦系數；γ0為土壤平均容重；f0為碎土后送散和充盈系數；φr為碎土后土壤的休止角；ρ為土壤密度.

根據庫倫定理得到碎土葉片與土壤間的剪切力為：

FT=C+FNtanφ

(7)

式中：C為土壤顆粒之間的粘結力；φ為土壤與碎土葉片的摩擦角.

土壤沿碎土葉片從碎土輥大端滑移到小端的摩擦阻力為：

Ff=μ1FN

(8)

式中：μ1為土壤對碎土葉片的摩擦系數.

由式(3)～(8)式獲得碎土葉片作業時的工作阻力Fq為：

(9)

通過以上計算分析，在旋切過程中，適當增大葉片螺旋角可以使碎土葉片具有較大的切削刃，所以在碎土作業時能增大切削面積，而錐形輥結構能將破碎后的土壤向一側翻土，避免碎后土壤的壅土，減少覆蓋在邊膜上土壤，這樣有利于減少起膜時的阻力.傳統的邊膜鏟裝置，在碎土過程中，由于邊膜覆蓋土的厚度不一致，如果邊膜鏟入土深度過深，則容易使邊膜撕裂，且戳破的邊膜容易纏繞在鏟上，入土深度過淺，邊膜起膜率較低；而旋轉式碎土葉片，則不用考慮覆土厚度，碎土過程中葉片能切斷邊膜，防止纏繞，提高碎土效果，為起膜裝置創造拾膜條件.

3 土槽臺架試驗

3.1 試驗條件

試驗在湖南農業大學工程實訓中心進行，使用的地膜為國家標準厚度0.01 mm的地膜，整膜寬度為1 200 mm.試驗前預先將地膜鋪設在土槽內，為了模擬田間作業情況，鋪設地膜時設置單邊覆膜寬度為150 mm，根據試驗要求土壤覆土厚度設置為80 mm，覆膜時間為140 d左右，覆膜后定期灑水，使土壤自然板結，試驗前測得土壤堅實度為0.3 Mpa，土壤含水率在15%～18%之間，與田間含水率相近.根據以上的設計計算，為了測試邊膜碎土裝置性能，將加工完成的裝置安裝在殘膜回收機的試驗臺架上，由電力變頻四輪驅動土槽試驗機提供動力，試驗機型號為TCC-2.4.機具回收作業速度為0.8～1.6 m/s.根據前面殘膜回收試驗，確定殘膜回收最佳作業速度為1.17 m/s.

圖7 試驗現場Figure 7 Testing site

3.2 試驗指標與方法

為分析邊膜碎土裝置的碎土和起膜效果，選取碎土率和起膜率為試驗指標.在確定殘膜最佳回收作業速度后，其中影響碎土效果的主要因素為地膜的平均覆土厚度和碎土輥的轉速，根據測量地膜覆土厚度一般在50～70 mm，而碎土深度直接影響碎土效果和后續的起膜率.碎土過淺，覆蓋在殘膜上的土壤過多后續起膜阻力大，碎土過深，工作阻力大，本試驗碎土深度為20～80 mm；碎土輥轉速過小，碎土效率較低，碎土輥轉速過快，邊膜容易被撕裂破碎，破碎的殘膜很難被拾起，影響起膜率，本試驗碎土輥轉速取170～230 r/min.因此可以根據邊膜的覆土量不同，設定不同的碎土深度h和碎土轉數n，碎土深度可以通過調節側板軸承的安裝高度調節，轉速根據傳動系統調節.試驗設置的水平因素見表2.

表2 試驗因素和水平

測試區規格為長50 m×寬3.6 m，地膜鋪設多行，覆土前稱土壤質量，均勻鋪撒在邊膜上，隨機選取13個試驗區為試驗對象，每組因素進行3次重復試驗，其中每個測區長度為7 m，單邊地膜寬度為150 mm，邊膜覆土寬度為100 mm，每次試驗后，將殘留在測區的地膜收集曬干稱質量，分別計算每組數據的平均值，并且稱其作業后邊膜區域土壤的平均質量，利用式(10)～(11)分別計算土壤碎土率C1和起邊膜率C2.

(10)

(11)

式中：C1為碎土率；C2為起邊膜率；ma為作業前邊膜區域覆土的平均質量；mb為作業后邊膜區域覆土的平均質量；mc為鋪設前測區邊膜的質量；md為作業后測區殘留的邊膜質量.

3.3 試驗方案與結果

試驗采用數據分析軟件Design-Expert中的Central Composite Design進行二元二次回歸旋轉組合設計試驗，進行13組試驗，取5組中心水平試驗估計誤差，每次試驗機具行進距離為7 m，試驗后由人工清理邊膜，經過處理后，計算 13 組測試點試驗前后所測的土壤質量和邊膜質量，并將試驗前后所測數值相比得到碎土率和起膜率，試驗結果見表3.

表3 試驗方案與結果

3.4 回歸模型的建立與顯著性分析

利用Design-Expert軟件對試驗數據進行分析[15-17]，得到碎土率、起膜率的回歸模型，方差分析結果見表4.從表4中可以看出，響應面回歸模型中碎土率C1和纏膜率C2的P值均小于0.01(<0.000 1，<0.000 1)，可知模型極顯著.失擬項P值均大于0.05(0.237 6，0.337 3)，說明該模型擬合度高.模型的決定系數R2分別為0.958 7、0.943 1，表明94%以上的評價指標可以由該模型解釋.

各個參數對回歸方程的影響作用可通過顯著水平P值的大小反應，P<0.01表示參數對模型極顯著，P<0.05表示參數對模型顯著.其中由表3可知X1、X2、X1X2、X12、X22對碎土率C1極顯著；X1、X2、X12、X22對起膜率C2極顯著；易剔除不顯著項得到實際方程為(12)、(13)式.

(12)

(13)

各因素對模型的影響程度通過貢獻率K值的大小來體現，K值越大，各因素對模型的影響越大[18-19]，計算方法見(14)、(15)式.碎土深度和碎土輥轉速對碎土率貢獻率分別為2.46、2.40，碎土深度和碎土輥轉速對起膜率貢獻率分別為2.25、2.28.因此得到因素對碎土率的顯著性順序為：碎土深度>碎土輥轉速，對起膜率顯著性順序為：碎土輥轉速>碎土深度.

(14)

(15)

3.5 交錯因素對響應值的影響

分析表3可知，碎土深度和碎土輥轉速交互作用對碎土率和起膜率中的P值分別為：0.020 0、0.129 7，由X1X2顯著性P大小關系可知，交互因素對碎土率有影響，對起膜率影響不大.運用Design-Expert里的3 D Surface生成響應面圖，根據響應面圖分析交錯因素中碎土深度、碎土輥轉速對碎土率的影響.

圖8為裝置碎土深度與碎土輥轉速對碎土率的響應面圖.將碎土深度固定在低水平(21.715 7 mm)時，碎土率隨著碎土輥轉速增加呈現出先增大后減小趨勢，這是因為碎土轉速增大，在阻力一定時，增加了碎土功率，從而使碎土率增大，但再增大碎土轉速，碎土率逐漸變小，這是因為隨著碎土轉速增大，破碎后的土壤與未破碎的土壤產生干擾，破碎后的土壤未及時從測面拋出，直接落在測試區內，使碎土率逐漸降低；將碎土深度固定在高水平(78.284 3 mm)時，碎土率變化規律與碎土深度固定在低水平一致，但總體碎土率較低，這是因為碎土深度增大，使碎土阻力增大，導致碎土效果變差，使整體碎土率降低；從圖8中可知，不管碎土輥轉速固定在高水平還是低水平，碎土率都是隨著碎土深度增加呈現出先增加后減小趨勢，這是因為隨著碎土深度增加，大量土壤被破碎拋出，當達到最佳碎土深度后再增加碎土深度，碎土阻力將超過碎土力，碎土效果會逐漸變差.

表4 回歸模型方差分析

圖8 交互因素對碎土率的影響Figure 8 Influence of interactive factors on crushed soil rate

3.6 參數優化與驗證試驗

3.6.1 參數優化 為了提高裝置的碎土率、起膜率，在進行優化參數時，以碎土率和起膜率為同等權重優化條件，利用Design-Expert軟件對所建立的模型進行最優求解[20-22]，設置各因素約束條件，碎土深度為：21.715 7～78.284 3 mm，碎土輥轉速為：171.716～228.284 r/min，將碎土率和起膜率上限設置為100%，下限設置為0，尋求參數組合的最大值；模型得出的最優參數組合為：碎土深度49.894 mm，碎土輥轉速205.941 r/min，響應值的最優解為：碎土率為77.944%，起膜率為83.534%.

3.6.2 驗證試驗 為了驗證模型的正確性，采用上述參數在湖南農業大學工程實訓中心試驗測試區內進行驗證，試驗進行3次重復試驗，考慮到機具作業情況和參數設置精度，將碎土深度設置為49 mm，碎土輥轉速設置為206 r/min，結果見表5.根據模型優化的參數組合，得到各響應值試驗值與模型理論優化參數較為接近，相對誤差在5%以下，因此參數優化模型可靠.

表5 模型優化與驗證試驗

4 討論

驗證試驗在土槽試驗區進行，與大田實際情況存在很多差異，許多情況無法模擬，再加不同作物的種植特性不同，壟的大小差異性大，邊膜碎土裝置適應性還需進一步完善.單壟作業工作效率較低，后續優化改進裝置應增大工作幅寬，進行多壟作業，提高工作效率.

5 結論

1) 邊膜碎土裝置為起邊膜提供了有利條件，能增大邊膜回收率，采用Central Composite Design中心組合試驗方法，以邊膜碎土裝置的碎土深度、碎土輥轉速為試驗因素，以碎土率、起膜率為響應值建立了優化模型，驗證試驗結果與模型優化結果相對誤差在5%以下，表明模型可靠性較高.

2) 對碎土過程進行力學分析，建立碎土葉片碎土時的工作阻力的表達式，分析表達式可知，適當增大碎土葉片螺旋角，能減小碎土阻力并增大旋切過程中的切削刃.

3) 邊膜碎土裝置各因素對碎土率影響的顯著性順序為碎土深度>碎土輥轉速；對起膜率影響顯著性順序為碎土輥轉速>碎土深度；通過對模型進行優化得到最佳工作參數組合為碎土深度49.894 mm，碎土輥轉速205.941 r/min，在此條件下碎土率為74.527%，起膜率為85.672%.