王松林，高愛(ài)民，王波，戴飛，韓正晟

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

旱地全膜雙壟溝殘膜回收機(jī)關(guān)鍵作業(yè)參數(shù)試驗(yàn)分析

王松林，高愛(ài)民，王波，戴飛，韓正晟*

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

為提高彈齒式旱地全膜雙壟溝殘膜回收機(jī)的拾凈率，以起膜齒齒數(shù)、起膜齒入土深度、摟膜耙齒齒徑和齒數(shù)為試驗(yàn)因素，拾凈率為試驗(yàn)指標(biāo)，進(jìn)行單因素試驗(yàn)；在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，選取對(duì)拾凈率影響顯著的因素——起膜齒齒數(shù)、起膜齒入土深度、摟膜耙齒齒徑進(jìn)行三因素三水平正交試驗(yàn)，并對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行極差分析，以確定殘膜回收機(jī)最佳工作性能參數(shù)。正交試驗(yàn)結(jié)果表明，起膜齒齒數(shù)為4個(gè)，起膜齒入土深度為50 mm，前、中、后摟膜耙齒齒徑分別為10、8 和6 mm時(shí)，拾凈率最高，為93.6%。重復(fù)試驗(yàn)結(jié)果表明：該機(jī)殘膜拾凈率為93.4%，遠(yuǎn)高于75%的標(biāo)準(zhǔn)，能滿足殘膜回收作業(yè)質(zhì)量要求。

殘膜回收機(jī)；全膜雙壟溝；彈齒式；關(guān)鍵作業(yè)參數(shù)；正交試驗(yàn)；拾凈率

筆者根據(jù)殘膜回收作業(yè)質(zhì)量要求，針對(duì)甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院研制的彈齒式殘膜回收機(jī)所存在的問(wèn)題，通過(guò)單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)確定起膜齒齒數(shù)、起膜齒入土深度和前、中、后摟膜耙齒齒徑等關(guān)鍵部件參數(shù)，以期提高殘膜拾凈率。

1 旱地全膜雙壟溝殘膜回收機(jī)結(jié)構(gòu)及主要技術(shù)參數(shù)

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

旱地全膜雙壟溝殘膜回收機(jī)主要由機(jī)架、三點(diǎn)懸掛裝置、彈齒摟膜機(jī)構(gòu)、起膜齒、氣動(dòng)卸膜機(jī)構(gòu)、地輪等組成。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖 1 殘膜回收機(jī)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of retrieving machine for film residue

1.2 工作原理

該機(jī)作業(yè)時(shí)，整機(jī)三點(diǎn)懸掛于四輪拖拉機(jī)尾部，拖拉機(jī)驅(qū)動(dòng)殘膜回收機(jī)前進(jìn)，并帶動(dòng)起膜齒入土起膜、破根茬。前摟膜耙齒將殘膜收集在其耙齒之間，由于前、中、后摟膜耙齒的齒間間距依次變小，中、后摟膜耙齒可將前耙齒漏掉的殘膜進(jìn)行第2、3次收集。當(dāng)殘膜收集到一定程度時(shí)，通過(guò)氣泵驅(qū)動(dòng)平行四桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)卸膜齒轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行自動(dòng)卸膜。

1.3 主要技術(shù)指標(biāo)

旱地全膜雙壟溝殘膜回收機(jī)工作幅寬為 1 600 mm，工作深度為40～60 mm，作業(yè)速度為0.8～1.2 m/s，生產(chǎn)率為0.42～0.64 hm2/h，其拾凈率在93%以上。

2 試驗(yàn)材料與方法

2.1 試驗(yàn)材料與設(shè)備

旱地全膜雙壟溝殘膜回收機(jī)樣機(jī)于 2014年在甘肅省慶陽(yáng)市西峰區(qū)后官寨鄉(xiāng)路堡村進(jìn)行田間試驗(yàn)。試驗(yàn)地海拔高度為1 421 m，年均降水量480 mm，年均氣溫8.8 ℃，全年無(wú)霜期175 d，屬于黃土高原干旱地區(qū)。試驗(yàn)地地勢(shì)較緩，土壤以中壤土為主，含水率為18.9%～20.3%，堅(jiān)實(shí)度為1 560.3 kPa，前茬作物為玉米，試驗(yàn)對(duì)象為 2年用地膜，厚0.006 mm，抗拉強(qiáng)度為17.84 N。機(jī)具與東方紅–200型四輪拖拉機(jī)(14.7 kW)三點(diǎn)懸掛連接，作業(yè)速度為1.0 m/s。

2.2 試驗(yàn)方法

按照 NY/T1227—2006，殘地膜回收機(jī)作業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，確定測(cè)區(qū)和測(cè)點(diǎn)位置以及測(cè)點(diǎn)大小。沿作業(yè)地塊長(zhǎng)寬方向的中線，將其劃分為4塊，隨機(jī)選對(duì)角的2塊作為2個(gè)測(cè)區(qū)，每個(gè)測(cè)區(qū)為1個(gè)樣本。測(cè)點(diǎn)采用五點(diǎn)法，從測(cè)區(qū) 4個(gè)地角沿對(duì)角線，在1/8～1/4對(duì)角線長(zhǎng)度范圍內(nèi)，隨機(jī)確定4個(gè)測(cè)點(diǎn)的位置，加上該對(duì)角線的中點(diǎn)，作為作業(yè)前的5個(gè)測(cè)點(diǎn)，再在作業(yè)前的5個(gè)測(cè)點(diǎn)附近，但不重疊的區(qū)域選取5個(gè)測(cè)點(diǎn)，作為作業(yè)后的5個(gè)測(cè)點(diǎn)。測(cè)點(diǎn)長(zhǎng)度為5 m、寬度為一個(gè)膜幅[13]。

3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析

3.1 試驗(yàn)指標(biāo)

試驗(yàn)設(shè)計(jì)以 NY/T1227—2006，殘地膜回收機(jī)作業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，確定試驗(yàn)指標(biāo)為拾凈率。計(jì)

式中：C為拾凈率(%)；W為作業(yè)后殘膜質(zhì)量(g)；W0為作業(yè)前地膜質(zhì)量(g)，W0和W為2個(gè)測(cè)區(qū)內(nèi)作業(yè)前、后的各5個(gè)測(cè)點(diǎn)收集的地膜去除塵土和水分后的質(zhì)量。

3.2 單因素試驗(yàn)與結(jié)果分析

為獲取單因素對(duì)拾凈率影響的變化規(guī)律，以起膜齒齒數(shù)，起膜齒入土深度，前、中、后摟膜耙齒齒徑組合和齒數(shù)組合為試驗(yàn)因素，進(jìn)行單因素試驗(yàn)。

1) 起膜齒齒數(shù)。當(dāng)起膜齒入土深度為50 mm，摟膜耙齒齒徑組合為10、8、6 mm，摟膜耙齒齒數(shù)組合為 15、21、30個(gè)時(shí)，計(jì)算起膜齒齒數(shù)為 3～8個(gè)時(shí)的拾凈率。

由圖2可以看出，拾凈率隨起膜齒齒數(shù)的增加呈先增大后減小的趨勢(shì)，當(dāng)起膜齒齒數(shù)為4時(shí)拾凈率達(dá)到最大值。起膜齒齒數(shù)過(guò)少，起膜齒入土破茬起膜不充分，齒數(shù)過(guò)多會(huì)導(dǎo)致殘膜堵塞在起膜齒之間通過(guò)性能差，不利于摟膜耙齒對(duì)殘膜的收集。起膜齒齒數(shù)宜為4。

圖2 不同起膜齒齒數(shù)下的拾凈率Fig.2 Net collected rate under different number of cutting film teeth

2) 起膜齒入土深度。當(dāng)起膜齒齒數(shù)為4，摟膜耙齒齒徑分別為12、10 、8 mm，摟膜耙齒齒數(shù)組合為13、19、28 mm時(shí)，計(jì)算起膜齒深度為30～70的拾凈率。

由圖3可以看出，拾凈率隨起膜齒入土深度的增加呈先增大后減小的趨勢(shì)，當(dāng)起膜齒入土深度為50 mm時(shí)達(dá)到最大值。隨著入土深度的增加，拾凈率趨于穩(wěn)定。起膜齒入土深度過(guò)小，深層地膜得不到有效回收；由于摟膜耙齒無(wú)法達(dá)到過(guò)大的入土深度，起膜齒入土深度過(guò)大并不會(huì)使拾凈率增大，反而會(huì)增加殘膜回收機(jī)的功耗，且不利于摟膜耙齒通過(guò)，在一定程度上降低殘膜拾凈率。

圖3 不同起膜齒入土深度下的拾凈率Fig.3 Net collected rate under different buried depth of cutting film

3) 前、中、后摟膜耙齒齒徑組合。當(dāng)起膜齒齒為6，起膜齒入土深度為60 mm，摟膜耙齒齒數(shù)組合為17、23、32個(gè)時(shí)，計(jì)算齒徑組合分別為8、6、4 mm，10、8、6 mm，12、10、8 mm，14、12、10 mm的拾凈率。

拾凈率隨前、中、后摟膜耙齒齒徑組合的變化規(guī)律如圖4所示。

圖4 不同前、中、后摟膜耙齒齒徑組合下的拾凈率Fig.4 Net collected rate under different diameter combination of front, middle and back collecting film teeth

拾凈率隨摟膜耙齒齒徑組合的增大呈先增大后減小的趨勢(shì)，當(dāng)摟膜耙齒齒徑組合為10、8、6 mm時(shí)達(dá)到最大值。摟膜耙齒齒徑過(guò)細(xì)，不利于入土作業(yè)，齒徑過(guò)粗，剛性較大，殘膜回收機(jī)仿形性能差，拾凈率低。

4) 前、中、后摟膜耙齒齒數(shù)組合。當(dāng)起膜齒齒數(shù)為8個(gè)，起膜齒入土深度為40 mm，摟膜耙齒齒徑組合為8、6、4 mm時(shí)，計(jì)算前、中、后摟膜耙齒齒數(shù)組合分別為11、17、26個(gè)，13、19、28個(gè)，15、21、30個(gè)，17、23、32個(gè)的拾凈率。拾凈率隨前、中、后摟膜耙齒齒數(shù)組合的變化規(guī)律如圖5所示。

拾凈率隨摟膜耙齒齒數(shù)組合的增加無(wú)明顯變化，由于前、中、后摟膜耙齒相互錯(cuò)開(kāi)，齒間間距依次減小，齒數(shù)依次增多，地膜被收集于中、后 2個(gè)耙齒之間，極少有殘膜能夠從后耙齒齒間間隙中漏掉，故摟膜耙齒齒數(shù)組合對(duì)拾凈率的影響不顯著。

圖5 不同前、中、后摟膜耙齒齒數(shù)組合下的拾凈率Fig.5 Net collected rate under different number combination of front, middle and back collecting film teeth

3.3 正交試驗(yàn)與結(jié)果分析

3.3.1 試驗(yàn)因素與水平

單因素試驗(yàn)結(jié)果表明：起膜齒齒數(shù)，起膜齒入土深度，前、中、后摟膜耙齒齒徑組合對(duì)拾凈率的影響顯著；前、中、后摟膜耙齒齒數(shù)組合對(duì)拾凈率的影響不顯著，因此，選取起膜齒齒數(shù)、起膜齒入土深度、前、中、后摟膜耙齒齒徑組合進(jìn)行三因素三水平正交試驗(yàn)，分析各因素不同水平對(duì)拾凈率的影響。為滿足試驗(yàn)要求并結(jié)合單因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)影響的變化規(guī)律，從單因素試驗(yàn)中分別選取對(duì)拾凈率影響效果較明顯的 3組不同的起膜齒齒數(shù)(通過(guò)減少或增加齒數(shù)來(lái)調(diào)節(jié))，起膜齒入土深度(通過(guò)螺栓調(diào)節(jié))和前、中、后摟膜耙齒齒徑組合(通過(guò)更換耙齒來(lái)調(diào)節(jié))設(shè)置因素與水平表(表1)。

表1 試驗(yàn)因素與水平Table 1 Factors and levels of the test

3.3.2 試驗(yàn)方案與數(shù)據(jù)極差分析

根據(jù)試驗(yàn)因素與水平選用 L9(34)的正交表來(lái)安排試驗(yàn)[14–15]，并對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行極差分析。試驗(yàn)方案與數(shù)據(jù)極差分析見(jiàn)表2。

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[16–17]。由 R=kmax–kmin可知，D是影響拾凈率的最主要因素，其次是N、H、N×H，因素D、N、H、N×H分別取2、1、2、1水平時(shí)拾凈率最高，因此，試驗(yàn)指標(biāo)拾凈率各因素的優(yōu)水平和因素主次順序依次為：D2、N1、H2、(N×H)1，其最優(yōu)水平組合為N1H2D2。

表2 正交試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Program and data of test

3.3.3 試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證該工作參數(shù)的科學(xué)性與合理性，選取上述試驗(yàn)中拾凈率效果較好的試驗(yàn)條件做重復(fù)試驗(yàn)。以表2中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)為依據(jù)，選取試驗(yàn)號(hào)為2、3、6的試驗(yàn)條件進(jìn)行多次重復(fù)試驗(yàn)，結(jié)果如表3所示。

表3 試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果Table 3 Results of the verification test

結(jié)果表明，最好的工作參數(shù)條件是：起膜齒齒數(shù)為4個(gè)，起膜齒入土深度為50 mm，前、中、后摟膜耙齒齒徑組合為10、8、6 mm，與正交試驗(yàn)分析結(jié)果吻合。以此參數(shù)進(jìn)行殘膜回收作業(yè)，拾凈率最高，為93.4%遠(yuǎn)大于75%，遠(yuǎn)高于NY/T1227—2006，殘地膜回收機(jī)作業(yè)質(zhì)量，標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)拾凈率的要求。

[1] 張惠友，侯書(shū)林，那明君．等．收膜整地多功能作業(yè)機(jī)的研究[J]．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2007，23(8)：130–134．

[2] 李來(lái)祥，劉廣才，楊祁峰，等．甘肅省旱地全膜雙壟溝播技術(shù)研究與應(yīng)用進(jìn)展[J]．干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究，2009，27(1)：114–117．

[3] 侯書(shū)林，胡三媛，孔建銘，等．國(guó)內(nèi)殘膜回收機(jī)研究的現(xiàn)狀[J]．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2002，18(3)：186–190．

[4] 雷明成，安世才，孟養(yǎng)榮，等．1FMJ―1000型殘膜撿拾機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]．中國(guó)農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào)，2014，35(1)：166–169．

[5] 王頻．殘膜污染治理的對(duì)策和措施[J]．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，1998，14(3)：185–188．

[6] Anikwe M A N，Mbah C N，Ezeaku P I．Tillage and plastic mulch effects on soil properties and growth and yield of cocoyam(Colocasia esculenta) on an ultisol in southeastern Nigeria[J]．Soil and Tillage Research，2007，93(2)：264–272．

[7] Parish R L．Automated machine for removal of plastic mulch[J]．Transactions of the ASAE，1999，42(1)：49–51．

[8] 侯書(shū)林，張淑敏，孔建銘，等．彈齒式收膜機(jī)主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J]．中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，9(2)：18–22．

[9] 徐正太．氣吸式殘膜回收機(jī)的研制與試驗(yàn)[J]．新疆農(nóng)機(jī)化，1993(4)：31．

[10] 盧博友，楊青，薛少平，等．圓弧形彈齒滾筒式殘膜撿拾機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及撿膜性能分析[J]．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2000，16(6)：68–71．

[11] 薛文瑾，王春耀，朱振中，等．卷膜式棉花苗期殘膜回收機(jī)的設(shè)計(jì)[J]．農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2005，36(3)：148–149．

[12] 陳發(fā)，史建新，王學(xué)農(nóng)，等．弧型齒殘膜撿拾滾筒撿膜的機(jī)理[J]．農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2006，37(6)：36–41．

[13] NY/T1227—2006，殘地膜回收機(jī)作業(yè)質(zhì)量[S]．

[14] 陳魁．試驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析[M]．北京：清華大學(xué)出版社，1996：399．

[15] 孫步功，龔俊，辛舟，等．滴灌用黃河水泥沙分離試驗(yàn)研究[J]．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2008，24(8)：51–53．

[16] 吳貴生．試驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理[M]．北京：冶金工藝出版社，1997：234．

[17] 康璟，李濤，孫偉，等．馬鈴薯挖掘機(jī)輸送分離部件參數(shù)優(yōu)化與試驗(yàn)分析[J]．干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究，2013，31(6)：257–262．

責(zé)任編輯：羅慧敏

英文編輯：羅 維

Analysis of key operating parameters on retrieving machine for film residue from whole plastic film mulching double ridges in arid land

WANG Song-lin，GAO Ai-min，WANG Bo，DAI Fei，HAN Zheng-sheng*
(College of Engineering, Gansu Agricultural University, Lanzhou 730070, China)

To improve net picking rate of spring-tooth type retrieving machine for film residue from whole plastic film mulching double ridges in arid land, number of cutting film teeth, buried depth of cutting film teeth, diameter and number of collecting film teeth were used as experimental factors and net picking rate as experimental indicator to conduct single factor experiment, based on which, number of cutting film teeth, buried depth of cutting film teeth and diameter of collecting film teeth which have significant effect on net picking rate were chose to conduct three-level orthogonal experiment. The experimental data was analyzed by range analysis to determine the best working performance parameters of the retrieving machine. The results of the orthogonal experiment showed when the number of cutting film teeth was 4, the buried depth of cutting film teeth was 50 mm and diameter combination of front, middle and back collecting film teeth was 10, 8 and 6 mm respectively, the highest net picking rate of 93.6% was obtained. The results of replicated experiments showed the net picking rate was 93.4% (＞75%) which met operating quality requirements of recycling plastic film.

whole plastic film mulching double ridges; spring-tooth typing; retrieving machine for film residue; key operating parameters; orthogonal experiment; net picking rate

10.13331/j.cnki.jhau.2014.06.019

投稿網(wǎng)址：http://www.hunau.net/qks

S223.5

A

1007?1032(2014)06?0660?05

旱地全膜雙壟溝播技術(shù)突破了傳統(tǒng)的壟上種植模式，大幅度提高了作物的產(chǎn)量與品質(zhì)[1]，其顯著的經(jīng)濟(jì)效益，使得該技術(shù)在西北地區(qū)得到大規(guī)模推廣[2]。但由于全膜雙壟溝播技術(shù)所使用的地膜由聚乙烯等烴類(lèi)化合物組成，在自然條件下極難降解，可存在于土壤中200～400年[3–4]，殘膜滯留于土壤中，所帶來(lái)的“白色污染”會(huì)導(dǎo)致農(nóng)田環(huán)境惡化、土壤質(zhì)量下降、農(nóng)作物減產(chǎn)等環(huán)境問(wèn)題[5–6]。機(jī)械化殘膜回收是解決殘膜污染的有效手段[7]。國(guó)內(nèi)目前擁有氣吸式、滾筒彈齒式、偏心伸縮桿彈齒式等多種類(lèi)殘膜回收機(jī)，但普遍存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價(jià)高、仿形能力差、拾凈率低等問(wèn)題[8–12]，且缺乏對(duì)關(guān)鍵部件參數(shù)的試驗(yàn)分析，這都成為制約殘膜機(jī)械化回收的主要因素。

2014–07–15

甘肅省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(1204NKCA091)

王松林(1989—)，男，江蘇泗洪人，碩士研究生，主要從事農(nóng)業(yè)工程技術(shù)與裝備研究，wangsonglin10@126.com；*通信作者，hanzhengsheng@gsau.edu.cn