液压式棉田地膜回收压捆机设计与参数优化*

2022-08-17王成宋瑜涵杨建明高强

中国农机化学报 2022年9期

王成，宋瑜涵，杨建明，高强

(1. 滨州市农业科学院，山东滨州，256600； 2. 石河子大学农学院，新疆石河子，832003； 3. 滨州市农业技术推广中心，山东滨州，256600； 4. 滨州市农业综合执法支队，山东滨州，256600)

0 引言

棉花采用地膜覆盖的方式进行种植，具有增温保墒、降低病虫草害、提高产量的作用[1]。但是，我国采用的地膜厚度较薄(0.01 mm左右)、易风化，导致回收困难。地膜不断残留在棉田，会降低土壤肥力、降低棉种发芽率，最终导致棉花减产[2-4]。因此，棉花和棉秆收获后，地膜的快速离田是孜待解决的问题。

目前，地膜的快速离田主要是通过机械回收实现的。但是，现有的地膜回收机械主要将地膜回收后堆到田间地头或进行集箱回收，这种回收方式不利于地膜回收后的运输和储存，还会对环境造成二次污染[5-8]。为解决以上问题，近年来国内高校和科研院所等，开发了可进行打捆的地膜回收机，代表机型主要有新疆农业科学院研制的地膜回收打捆机、滨州市农业机械化科学研究所研制的棉田地膜回收打捆机等[9-10]。但是，这些机型普遍采用机械方式进行打圆捆，存在打捆密度低、圆捆过大、运输和储存时不易堆放等问题。

为解决以上问题，本文设计了一种采用液压方式进行压方捆的棉田地膜回收压捆机。为确定该机具的作业性能，将挑膜滚筒转速、机具前进速度、切刀线速度、地膜喂入量、地膜厚度作为试验因素，将地膜回收率、压缩密度和缠膜率作为目标值，进行了5因素3水平的Box-Behnken试验，采用Design-Expert软件进行了响应面分析，建立了相关的数学模型和目标函数，进行了样机作业参数组合优化计算，并对优化结果进行了试验验证，最终确定样机的最优作业参数组合。

1 液压式棉田地膜回收压捆机设计

设计的液压式棉田地膜回收压捆机如图1所示，主要包括边膜铲、挑膜滚筒、切割机构、压缩机构等。其中，挑膜滚筒和切割机构的运动形成一定规律，确保附着在挑膜滚筒表面的地膜能够顺利被割开，避免地膜在挑膜滚筒表面发生缠绕；压缩机构的前端与挑膜滚筒外圆周相切，确保被挑膜滚筒捡拾的地膜和附着在挑膜滚筒表面被切割机构切开的地膜能够顺利进入压缩机构，完成地膜压捆作业。

液压式棉田地膜回收压捆机的工作原理是首先将机具通过悬挂架与拖拉机挂接，利用限深轮调节好机具离地高度，确保地膜能够被边膜铲和起膜铲从地里铲起；然后启动拖拉机，使液压系统进行工作，带动挑膜滚筒、切割机构和压缩机构作业。其中，机具随着拖拉机一起行进的同时，边膜铲和起膜铲将埋在土壤中的地膜铲出，挑膜滚筒通过旋转将铲出的地膜挑起，同时切割机构将附着在挑膜滚筒上的地膜割开；最后被挑膜滚筒捡拾的地膜和附着在挑膜滚筒表面被切割机构切开的地膜顺利进入压缩机构，通过压缩机构完成地膜的压捆作业。液压式棉田地膜回收压捆机的主要技术参数见表1。

图1 液压式棉田地膜回收压捆机Fig. 1 Hydraulic cotton field film recycling and baling machine1.起膜铲 2.压缩机构 3.切割机构 4.液压马达 5.挑膜滚筒 6.边膜铲 7.悬挂架 8.机架 9.限深轮

表1 液压式棉田地膜回收压捆机的主要技术参数Tab. 1 Main parameters of hydraulic cotton field film recycling and baling machine

1.1 挑膜滚筒设计

本文设计的挑膜滚筒为弧线往复式结构如图2所示，主要包括滚筒、挑膜齿和曲轴，其工作原理是在滚筒旋转的同时，挑膜齿通过曲轴实现有规律的伸缩运动，将边膜铲和起膜铲从土壤中铲出的地膜挑起。

为保证地膜能够被挑膜齿顺利挑起并能够向后抛送到压缩机构内，挑膜齿齿端线速度应大于机具前进速度[11]。

(1)

式中：V——挑膜齿齿端的线速度，m/s；

R——挑膜齿齿端最大回转半径，m；

n——挑膜滚筒转速，r/min；

v——机具前进速度，m/s。

本文设计的液压式棉田地膜回收压捆机的最大机具行进速度为2.1 m/s，挑膜齿齿端最大回转半径为0.61 m。因此挑膜滚筒的转速应满足n>32.9 r/min。

(a) 挑膜滚筒

(b) 挑膜滚筒内部结构图2 挑膜滚筒Fig. 2 Pick film roller1.挑膜齿 2.滚筒 3.曲轴

根据挑膜齿的运动规律，为了使地膜不被漏检，挑膜滚筒必须满足相应的条件[6]，如式(2)所示。

(2)

式中：h——漏捡区高度，m；

H——挑膜滚筒最低点离起膜铲上表面高度，m；

d——挑膜齿齿端与起膜铲上表面最小距离，m；

γ——挑膜滚筒圆周均布挑膜齿的齿间角，rad；

z——挑膜滚筒圆周上均布的挑膜齿排数；

φ——与h对应的滚筒转角，rad。

为使地膜能够被挑起，挑膜齿齿端与起膜铲上表面最小距离d≤0 m，由于起膜铲和挑膜齿齿端均为硬性材质，挑膜齿齿端在起膜铲上端时，两者的距离不可能小于0，因此挑膜齿齿端与起膜铲上表面最小距离d=0 m。由于本文设计的挑膜滚筒最低点离起膜铲上表面高度H=0.025 m，因此经计算挑膜滚筒圆周上均布的挑膜齿排数z≤5.503。由于挑膜滚筒圆周上均布的挑膜齿排数越多，地膜捡拾率越高，因此本文设计的挑膜滚筒圆周上均布的挑膜齿排数为5排。

1.2 切割机构设计

本文设计的切割机构主要是用来将缠绕在挑膜滚筒上的地膜切开，避免在机具作业时地膜缠绕在挑膜滚筒上，影响机具的作业性能，降低地膜回收率，主要由马达链轮、传递齿轮、驱动链轮、驱动链条和切刀等组成，如图3所示。其中，马达链轮安装在液压马达上，依靠液压马达的转动驱动切刀运动，实现切刀将缠绕在挑膜滚筒上的地膜切开。

为了使地膜不缠绕在挑膜滚筒上，挑膜滚筒每转1圈，必须保证切刀至少能够沿滚筒一侧运动到另一侧，即

(3)

式中：v1——切刀线速度，m/s；

L——滚筒长度，m；

Z——驱动链条上均布的切刀数，m。

本文设计的滚筒长度为2.1 m，驱动链条上均布有4把切刀。因此，切刀的线速度应满足v1≥8.75×10-3n。

又因为本文设计的切割机构传递齿轮的转速比为1∶1，因此驱动链轮的转速等于过渡链轮的转速。

(4)

式中：n1——驱动马达链轮的液压马达转速，r/min；

r——切刀刀端回转半径，m；

Z1——滚筒链轮齿数；

Z2——过渡链轮齿数。

图3 切割机构Fig. 3 Cutting mechanism1.切刀 2.驱动链条 3.驱动链轮 4.传递齿轮 5.过渡链轮 6.马达链轮

本文设计的切刀刀端回转半径为0.185 m，滚动链轮和过渡链轮的齿数分别为24和15。因此，驱动马达链轮的液压马达转速为n1=v1/309。

1.3 压缩机构设计

本文设计的压缩机构主要用来将回收的地膜进行压缩，让松散的地膜成为形状规则的方捆，便于地膜回收后的储存和运输，其主要包括储膜箱、压缩室和压缩液压缸等，如图4所示。

图4 压缩机构Fig. 4 Compression mechanism1.压缩液压缸 2.储膜箱门 3.储膜箱 4.后挡板 5.弹簧 6.压缩室 7.液压缸

根据压缩机构的工作原理，本文将一次从储膜箱落入压缩室的地膜质量定义为地膜喂入量，单位为kg/次。压缩机构的工作原理是回收的地膜落入储膜箱内，当储膜箱内的地膜质量达到设定的喂入量时，液压缸动作将储膜箱门打开，使地膜顺利落入压缩室内，压缩液压缸动作，在弹簧反作用力和后挡板的作用下，对地膜进行压缩，保持一定时间后，压缩液压缸退回，完成一次地膜压缩，将地膜压实，重复以上动作，直到压缩成捆的地膜落地，完成一个地膜捆的压捆作业。

2 Box-Behnken试验设计

2.1 试验基本条件

2020年11月，在山东省滨州市滨城区马坊农场机采棉试验示范基地进行试验。试验时，棉秆已进行拔秆处理，地面基本平整，铺膜方式为一膜三行，行距为760 mm等行距，土壤深度0～10 cm处平均含水率10.6%，平均硬度273 N/cm2。

2.2 试验方案

根据地膜回收影响因素及作业标准要求[6， 13]，本文将挑膜滚筒转速、机具前进速度、切刀线速度、地膜喂入量、地膜厚度作为试验因素，将地膜回收率、压缩密度和缠膜率作为目标值，进行5因素3水平的Box-Behnken试验，采用Design-Expert软件进行响应面分析，建立相关的数学模型和目标函数，进行作业参数组合优化计算，并对优化结果进行了试验验证，最终确定样机的最优作业参数组合。Box-Behnken试验的试验因素编码见表2。

表2 Box-Behnken试验的试验因素编码Tab. 2 Test factor code of box Behnken test

根据国家标准GB/T 25412—2010《残地膜回收机》要求，每组试验选取的试验区域长度为200 m，宽度为60 m；在试验区域内采用5点法进行各目标值的测定，即沿试验区域对角线，四分之一至八分之一长度范围处随机选取4个点作为测点，再加上对角线的中点作为机具作业前的5个测点；在机具作业前的5个测点附近且不重叠的试验区域内再选取5个测点，作为机具作业后的5个测点；每个测点长度为5 m，长度为一个铺膜跨度。每组试验将5个测点的平均值作为各目标值的最终测定值。测定地膜回收率时将地膜表层的尘土和水分去除后称其质量；测定压缩密度时，在每个测点随机选取2个压缩后的地膜捆，分别计算其压缩密度，将2个地膜捆压缩密度的平均值作为这个测点地膜压缩密度的最终值；测定缠膜率时，在每个测点内，测定机具压缩完成2个地膜捆时，分别统计缠绕在机具上的地膜和2个地膜捆的质量。

各目标值的计算方法如式(5)～式(7)所示。

(5)

(6)

(7)

式中：y1——地膜回收率试验值，%；

y2——压缩密度试验值，kg/m3；

y3——缠膜率试验值，mm；

W——机具作业后地里的地膜，kg；

W0——机具作业前地里的地膜，kg；

m——地膜压缩成捆后的地膜捆质量，kg；

V1——地膜压缩成捆后的地膜捆体积，m3；

m1——缠绕在机具上的地膜质量，kg；

m2——2个地膜捆的质量，kg。

3 Box-Behnken试验结果与分析

根据制定的试验方案进行了5因素3水平的Box-Behnken试验设计并进行了相关试验，试验结果见表3。采用Design-Expert软件对试验结果进行分析，建立了各目标值与各试验因素之间的二次线性回归关系模型并进行了方差分析，如表4所示。

通过表4可知，建立的地膜回收率、压缩密度和缠膜率的关系模型均是极显著的(P<0.01)；所建立各关系模型的失拟项均不显著(P>0.05)，信噪比均大于20，相关系数R2和调整后的R2均大于0.9，表明建立的关系模型是较优的，可用于预测目标值，且预测数据与试验数据的拟合程度较高[14-15]。

表3 Box-Behnken试验结果Tab. 3 Test results of Box-Behnken

表4 Box-Behnken试验结果的方差分析Tab. 4 Variance analysis of test results of Box-Behnken

根据单个试验因素和交互因素的F值，可计算得到单个试验因素对所建立关系模型的贡献值K，根据K值的大小，可判断试验因素对目标值的影响程度[16]。

(8)

(9)

式中：δ——考核值。

1) 建立的试验因素与地膜回收率的关系模型

y1=93.80-0.518 1X1-0.453 7X2+0.317 5X3+0.141 9X4+0.761 2X5+1.25X1X2-

0.85X1X3-0.037 5X1X4-0.55X1X5+

1.46X2X3-0.50X2X4+1.18X2X5-

0.625 0X3X4+0.715 0X3X5-0.25X4X5-

0.717 3X12-0.428 1X22-0.208 1X32-

0.519 0X42+0.165 2X52

(10)

通过表4可知，挑膜滚筒转速、机具前进速度、切刀线速度和地膜厚度均对地膜回收率有极显著影响(P<0.01)，根据贡献率K值可知各试验因素对地膜回收率的影响程度为机具前进速度>切刀线速度>挑膜滚筒转速>地膜厚度>地膜喂入量；挑膜滚筒转速和机具前进速度(X1X2)、挑膜滚筒转速和切刀线速度(X1X3)、挑膜滚筒转速和地膜厚度(X1X5)、机具前进速度和切刀线速度(X2X3)、机具前进速度和地膜喂入量(X2X4)、机具前进速度和地膜厚度(X2X5)、切刀线速度和地膜喂入量(X3X4)、切刀线速度和地膜厚度(X3X5)的交互作用对地膜回收率均具有极显著影响(P<0.01)。分析图5可知，响应面图的等高线均为椭圆形，表明交互因素对地膜回收率的影响是显著的，这与表4的方差分析结果是一致的。在交互试验因素的作用下，试验因素对地膜回收率的总体影响趋势为随着挑膜滚筒转速、机具前进速度的增大，地膜回收率先增大后减小；随着切刀线速度、地膜厚度的增大，地膜回收率增大。

2) 建立的试验因素与压缩密度的关系模型

y2=129.23-2.83X1-0.450 6X2+2.76X3+

1.88X4+2.42X5-1.75X1X2-

1.69X1X3-0.175 0X1X4+1.25X1X5-

0.75X2X3+0.25X2X4+0.947 5X2X5+

2.75X3X4-2.25X3X5+2.00X4X5-

0.418 8X12-0.905 4X22+0.882 9X32-

1.86X42+1.09X52

(11)

通过表4可知，挑膜滚筒转速、切刀线速度、地膜喂入量和地膜厚度均对压缩密度有极显著影响(P<0.01)，根据贡献率K值可知各试验因素对压缩密度的影响为地膜厚度>切刀线速度>地膜喂入量>挑膜滚筒转速>机具前进速度；挑膜滚筒转速和机具前进速度(X1X2)、挑膜滚筒转速和切刀线速度(X1X3)、切刀线速度和地膜喂入量(X3X4)、切刀线速度和地膜厚度(X3X5)、地膜喂入量和地膜厚度(X4X5)的交互作用对压缩密度均具有极显著影响(P<0.01)；挑膜滚筒转速和地膜厚度(X1X5)的交互作用对压缩密度具有显著影响(P<0.05)。分析图6可知，响应面图呈马鞍状或凹陷状，表明交互因素对压缩密度的影响是显著的，这与表4的方差分析结果是一致的[17]。在交互试验因素的作用下，试验因素对压缩密度的总体影响趋势为随着挑膜滚筒转速的增大，压缩密度减小；随着切刀线速度、地膜厚度的增大，压缩密度先减小后增大；随着地膜喂入量的增大，压缩密度先增大后减小。

(a) X1与X2的交互作用 (b) X1与X3的交互作用 (c) X1与X5的交互作用

(d) X2与X3的交互作用 (e) X2与X4的交互作用 (f) X2与X5的交互作用

(g) X3与X4的交互作用 (h) X3与X5的交互作用图5 地膜回收率与试验因素的响应面Fig. 5 Response surface of recycling rate of field film and test factors

3) 建立的试验因素与缠膜率的关系模型

y3=9.65+0.245 0X1+0.606 9X2-0.39X3-

0.045 6X4+0.216 3X5+0.635 0X1X2+

0.40X1X3+0.047 5X1X4+0.287 5X1X5+

0.31X2X3+0.122 5X2X4+0.435 0X2X5-

0.127 5X3X4+0.157 5X3X5-0.175 0X4X5+

0.246 0X12+0.526 9X22+0.161 0X32-

0.229 8X42+0.197 7X52

(12)

通过表4可知，挑膜滚筒转速、机具前进速度、切刀线速度和地膜厚度均对缠膜率有极显著影响(P<0.01)。

(a) X1与X2的交互作用

(b) X1与X3的交互作用

(d) X3与X4的交互作用

(e) X3与X5的交互作用

(f) X4与X5的交互作用图6 压缩密度与试验因素的响应面Fig. 6 Response surface of compression density and test factors

(a) X1与X2的交互作用

(b) X1与X3的交互作用

(d) X2与X3的交互作用

(e) X2与X5的交互作用图7 缠膜率与试验因素的响应面Fig. 7 Response surface of wrapping film rate and test factors

根据贡献率K值可知各试验因素对缠膜率的影响为机具前进速度>地膜厚度>挑膜滚筒转速>切刀线速度>地膜喂入量；挑膜滚筒转速和机具前进速度(X1X2)、挑膜滚筒转速和切刀线速度(X1X3)、挑膜滚筒转速和地膜厚度(X1X5)、机具前进速度和切刀线速度(X2X3)、机具前进速度和地膜厚度(X2X5)的交互作用对缠膜率均具有极显著影响(P<0.01)。

分析图7可知，响应面图均为凹陷状，响应面图的等高线均为椭圆形，表明交互因素对缠膜率的影响是显著的，这与表4的方差分析结果是一致的。在交互试验因素的作用下，试验因素对缠膜率的总体影响趋势为随着挑膜滚筒转速、地膜厚度的增大，缠膜率先减小后增大；随着机具前进速度的增大，缠膜率增大；随着切刀线速度的增大，缠膜率减小。

4 参数优化与验证

根据建立的试验因素与目标值的关系模型，建立目标函数，采用Design-Expert软件中的目标优化法，得出预测的最优作业参数组合。建立的目标函数如式(13)所示。

(13)

为了验证预测的最优作业参数组合是否正确，根据得出的最优试验因素组合进行田间试验。因此田间试验时，设定的试验因素分别为挑膜滚筒转速为48.00 r/min，机具前进速度0.80 m/s，切刀线速度2.47 m/s，地膜喂入量0.52 kg/次，地膜厚度0.012 mm，试验得到的最优目标值见表5。

表5 预测最优值和试验最优值的对比Tab. 5 Comparison of predicted and test optimal operation parameter combination

分析表5可知，试验得到最优目标值与预测最优目标值的误差在1.5%之内，在考虑的误差范围内。因此，液压式棉田地膜回收压捆机田间作业时的最优作业参数组合为挑膜滚筒转速48.00 r/min，机具前进速度0.80 m/s，切刀线速度2.47 m/s，地膜喂入量0.52 kg/次，地膜厚度0.012 mm，地膜回收率95.09%，压缩密度137.68 kg/m3，缠膜率8.91%。