第 33卷 第 1期 農(nóng) 業(yè) 工 程 學(xué) 報 V ol.33 N o.1 2017年 1月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Jan. 2017 17 鏟篩式殘膜回收機輸膜機構(gòu)參數(shù)優(yōu)化與試驗嚴(yán) 偉 1,2 ，胡志超 1 ，吳 努 2 ，徐弘博 1 ，游兆延 1 ，周新星 1,2（1. 農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機械化研究所，南京 210014；2. 南通大學(xué)機械工程學(xué)院，南通 226019） 摘 要：壟作殘膜回收對機具幅寬要求較高、地膜利用低、壟體高、壟溝殘膜回收難、殘膜碎片多、埋膜深等特點。鏟 篩式殘膜回收機對土下殘膜具有回收能力，在壟作殘膜回收領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。輸膜機構(gòu)纏膜率高和收獲后殘膜 含土率高是制約鏟篩式殘膜回收機推廣的主要問題，為了提高鏟篩式殘膜回收機輸膜機構(gòu)作業(yè)質(zhì)量，降低輸膜機構(gòu)的纏 膜率及收獲后殘膜的含土率，該文運用單因素試驗方法得出最優(yōu)篩面結(jié)構(gòu)形式，在單因素試驗基礎(chǔ)上運用 Box-Benhnken 的中心組合試驗方法對殘膜回收機輸膜機構(gòu)的工作參數(shù)進(jìn)行了試驗研究，以振動篩振動頻率、振動篩振幅、齒片間距進(jìn) 行三因素三水平二次回歸正交試驗設(shè)計。建立了響應(yīng)面數(shù)學(xué)模型，分析了各因素對作業(yè)質(zhì)量的影響，同時，對影響因素 進(jìn)行了綜合優(yōu)化。試驗結(jié)果表明：纏膜率影響顯著性順序為振動篩振動頻率 齒片間距 振動篩振幅；含土率影響顯著性 順序為齒片間距振動篩振動頻率振動篩振幅；最優(yōu)工作參數(shù)組合為振動篩振動頻率 3.9 Hz、振動篩振幅 42 mm，齒片 間距 15 mm，對應(yīng)的纏膜率和含土率分別為 1.72%、32.81%，且各評價指標(biāo)與其理論優(yōu)化值的相對誤差均小于 5%。研究 結(jié)果可為鏟篩式殘膜回收機輸膜機構(gòu)的結(jié)構(gòu)完善設(shè)計和作業(yè)參數(shù)優(yōu)化提供參考。 關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)機械；塑料薄膜；優(yōu)化；輸膜機構(gòu)；單因素試驗；響應(yīng)曲面 doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.01.003 中圖分類號：S223.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1002-6819(2017)-01-0017-08 嚴(yán) 偉，胡志超，吳 努，徐弘博，游兆延，周新星. 鏟篩式殘膜回收機輸膜機構(gòu)參數(shù)優(yōu)化與試驗J. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報， 2017，33(1)：1724. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.01.003 http:/www.tcsae.org Yan Wei, Hu Zhichao, Wu Nu, Xu Hongbo, You Zhaoyan, Zhou Xinxing. Parameter optimization and experiment for plastic film transport mechanism of shovel screen type plastic film residue collectorJ. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(1): 1724. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.01.003 http:/www.tcsae.org 0 引 言 近年來中國對農(nóng)村農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整力度不斷加 大，地膜覆蓋種植技術(shù)得到了大面積推廣，地膜覆蓋種 植技術(shù)可以提高糧食產(chǎn)量，進(jìn)而增加農(nóng)民收入，給農(nóng)民 帶來了一定的經(jīng)濟(jì)效益 1-2 。地膜覆蓋栽培技術(shù)帶來了顯 著的經(jīng)濟(jì)效益，地膜覆蓋面積每年都在不斷地擴(kuò)大，覆 膜的年限也在不斷地增長，使用過的地膜由于破碎、埋 膜深等原因有很大一部分不能徹底地回收，逐年積累， 滯留在農(nóng)田里的殘膜對作物的根系生長、出苗和產(chǎn)量產(chǎn) 生了嚴(yán)重影響，甚至也影響了農(nóng)田機械化作業(yè)的順利進(jìn) 行，殘膜回收刻不容緩 3-5 。 中國對殘膜回收機械的研究可追溯到 20 世紀(jì) 80 年 代，研究至今，各類殘膜回收機具被開發(fā)出來并得到了 廣泛應(yīng)用 6 。但是，針對壟作地區(qū)殘膜回收的機具種類并 不多，僅有耙齒式殘膜回收機、鏟鏈?zhǔn)綒埬せ厥諜C、齒 鏈?zhǔn)綒埬せ厥諜C與鏟篩組合式殘膜回收機。從機具的實 收稿日期：2016-04-28 修訂日期：2016-10-20 基金項目：公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專項“殘膜污染農(nóng)田綜合治理技術(shù)方案” （201503105） 作者簡介：嚴(yán) 偉，男（漢） ，江蘇宿遷人，主要從事農(nóng)機化裝備研發(fā)。南 京 農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機械化研究所，210014。Email：974916120qq.com 通信作者：胡志超，男（漢） ，陜西藍(lán)田人，研究員，博士，博士生導(dǎo)師， 主要從事農(nóng)作物收獲及產(chǎn)后加工技術(shù)與裝備研究。南京 農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機 械化研究所，210014。Email：zchu369163.com 際使用情況來看，有待攻克和提升完善的技術(shù)問題還很 多。耙齒式殘膜回收機在實際工作中存在壅土、漏膜現(xiàn) 象；鏟鏈?zhǔn)綒埬せ厥諜C實際工作中纏膜、漏膜，回收的 殘膜含土率高；齒鏈?zhǔn)綒埬せ厥諜C壅土、漏膜、纏膜現(xiàn) 象嚴(yán)重；鏟篩組合式殘膜回收機清土效果好、殘膜回收 率高，但是輸膜性能較差 7 。針對目前壟作地區(qū)殘膜回收 機存在的問題，國內(nèi)對耙齒式、鏟鏈?zhǔn)?、齒鏈?zhǔn)綒埬せ?收機有了一定的研究 8-10 ，但是針對鏟篩組合式殘膜回收 機研究較少，且并未對其關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。 輸膜機構(gòu)是鏟篩式殘膜回收機的核心工作部件，影響因 素復(fù)雜多樣且相互制約，有效提高輸膜機構(gòu)的輸膜性能 與膜土分離能力是鏟篩式殘膜回收設(shè)備研發(fā)中必須重點 考慮的問題之一。 為了攻克輸膜機構(gòu)纏膜、壅土技術(shù)難題，提高機具 適應(yīng)性、保證機具收獲質(zhì)量，本研究以該殘膜回收機的 輸膜機構(gòu)為研究對象，以纏膜率、含土率為主控目標(biāo)， 對影響殘膜回收質(zhì)量的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行試驗研究，篩選出 作業(yè)效果最佳的振動篩，分析各參數(shù)對作業(yè)性能的影響 主次關(guān)系，對輸膜機構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，尋求輸膜機構(gòu)最優(yōu)參 數(shù)組合，以期為殘膜回收機設(shè)計與優(yōu)化提供參考。 1 鏟篩式殘膜回收機 1.1 工作原理 鏟篩式殘膜回收機為鏟篩組合式殘膜回收機，主要農(nóng)業(yè)工程學(xué)報（http:/www.tcsae.org） 2017年 18 由挖掘鏟 1、機 架 2、傳 動 裝 置 3、連 桿 機 構(gòu) 4、飛 輪 5、 限深輪 6、振動篩 7、集膜筐 8 組成，其結(jié)構(gòu)簡圖見圖 1。鏟篩式殘膜回收機工作原理及工作過程為：殘膜回 收機利用拖拉機的三點懸掛裝置懸掛于拖拉機的后 部，由拖拉機后動力輸出軸通過萬向節(jié)傳送到收獲機， 由變速箱輸出軸經(jīng)傳動裝置 3帶動飛輪 5與連桿機構(gòu) 4 運動，由連桿機構(gòu) 4 帶動振動篩 7 振動。工作中，挖掘 鏟將挖起的膜土向后輸送至振動篩， 振動篩進(jìn)行膜土分 離，同時振動篩將分離后的殘膜向后輸送至集膜筐內(nèi)， 完成收膜。 1. 挖掘鏟 2. 機架 3. 傳動裝置 4. 連桿機構(gòu) 5. 飛輪 6. 限深輪 7. 振 動篩 8. 集膜筐 1. Digging shovel 2. Frame 3. Transmission device 4. Connecting rod mechanism 5. Flywheel 6. Depth wheel 7. Vibration sieve 8. Basket of collecting film 圖1 鏟篩式殘膜回收機結(jié)構(gòu)簡圖 Fig.1 Structural diagram of shovel screen type plastic film residue collector 1.2 輸膜機構(gòu)及影響因素 輸膜機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡圖如圖 2 所示，主要包括連桿 1、飛 輪 2、機架 3、振動篩 4。評價輸膜機構(gòu)性能的指標(biāo)有纏膜 率、含土率。 1. 連桿 2. 飛輪 3. 機架 4. 振動篩 1. Connecting rod 2. Flywheel 3. Frame 4. Vibration sieve 圖2 輸膜機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡圖 Fig.2 Structural diagram of plastic film transport mechanism 試驗中對各影響因素進(jìn)行分析，尋求各影響因素的 最優(yōu)參數(shù)組合 11 ，使輸膜機構(gòu)具有良好的輸膜性能。對 輸膜機構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計須注意以下幾點： 通過試驗比較 并確定振動篩面的最佳結(jié)構(gòu)形式。 篩孔大小或篩片間 隙選取要合適。篩孔尺寸或篩片間隙如果偏大，有利于 降低含土率，但是容易增加殘膜從篩孔或篩片間掉落的 幾率，同時孔間或篩片之間易掛膜纏膜；如果尺寸偏小， 膜土分離效果變差，會出現(xiàn)擁堵、膜土難分離現(xiàn)象。 振動篩振動頻率設(shè)計要合理，振動篩振動頻率過小膜土 在篩面不會被拋起 12-13 ，膜土分離率將會降低；振動 篩振動頻率過大，機具振動加大，工作可靠性降低。 振幅選取要合理 14-15 ，振幅選擇過小，殘膜通過篩面 有效時間長，容易增加殘膜纏繞篩面的幾率；振幅選擇 過大，膜土通過篩面有效時間短，會出現(xiàn)膜土分離不徹 底現(xiàn)象。 綜上分析，確定輸膜機構(gòu)性能的試驗因素為振動篩 振幅、振動篩振動頻率、篩孔大小或篩片間隙和篩面結(jié) 構(gòu)形式。 2 篩面結(jié)構(gòu)形式單因素試驗 為了確定最佳篩面結(jié)構(gòu)形式，在試驗條件固定的情 況下，進(jìn)行不同篩面結(jié)構(gòu)形式輸膜效果試驗，根據(jù)試驗 結(jié)果確定最佳篩面結(jié)構(gòu)形式。 2.1 試驗條件 殘膜回收試驗在江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)院收獲后的花生地進(jìn) 行，試驗地種植模式為壟作花生單壟雙行，土壤類型沙 土， 含水率 10% （0100 mm土深） ， 所覆膜為厚度 0.008 mm 的黑膜，壟寬 900 mm，覆膜寬度 680 mm，壟 高 110 mm， 機具作業(yè)速度 1 m/s，振動篩振動頻率 3.3 Hz，振動篩振 幅 60 mm，篩面尺寸 1 000 mm 1 100 mm。 2.2 試驗儀器與設(shè)備 試驗儀器設(shè)備主要有福田雷沃 254 拖拉機、鏟篩式 殘膜回收機、圓孔篩、編織篩、鋸齒篩（鋸齒形、齒高 10 mm） 、水分測定儀、電子天平、計算器、皮尺、轉(zhuǎn)速 表等。圓孔篩篩孔直徑 20 mm，篩面總鏤空面積 0.52 m 2 ； 編織篩采用方孔編制形式，方孔長寬均為 20 mm，總鏤 空面積 0.52 m 2 ；鋸齒篩齒片間距 20 mm，總鏤空面積 0.52 m 2 。篩面結(jié)構(gòu)形式如圖 3 所示。 a. 圓孔篩 b. 鋸齒篩 c. 編織篩 a. Circular pore screen b. Saw tooth screen c. W oven screen 圖3 篩面結(jié)構(gòu)形式 Fig.3 Screen surface structure 2.3 評價指標(biāo)的測定 試驗選擇土壤含水率基本相同的試驗地作為測區(qū)， 測區(qū)長度不少于 100 m 16 。 每次試驗結(jié)束將集膜筐內(nèi)土壤 稱重，并將收集好的殘地膜洗凈晾干后稱其質(zhì)量，分別 測定纏膜率、含土率作為評價指標(biāo)，上述評價指標(biāo)計算 方法如下： 1）纏膜率 Y 1 ： 100 2 1 1 1 m m m Y （1） 式中 Y 1 為纏膜率，%；m 1 為測區(qū)內(nèi)纏繞在機器上地膜的 質(zhì)量，g；m 2 為測區(qū)內(nèi)集膜箱內(nèi)殘地膜的質(zhì)量，g。 2）含土率 Y 2 ： 100 2 0 0 2 m m m Y （2） 式中 Y 2 為含土率， %； m 0 為測區(qū)內(nèi)集膜筐內(nèi)土壤的質(zhì)量， g。 2.4 試驗結(jié)果與分析 表 1 為不同篩面結(jié)構(gòu)形式試驗結(jié)果。由表 1 可知， 固定其他條件不變，鋸齒篩篩面結(jié)構(gòu)形式纏膜率、含土 率均低于其他篩面結(jié)構(gòu)形式。圓孔篩篩分精度高、不易第 1期 嚴(yán) 偉等：鏟篩式殘膜回收機輸膜機構(gòu)參數(shù)優(yōu)化與試驗 19 磨損、壽命長 17-19 ，但圓孔篩輸送能力差，擁堵，膜土 分離效果差，圓孔之間易纏膜。編織篩不易擁堵，有利 于膜土分離，但是編織篩順暢性差，橫桿纏膜嚴(yán)重，有 些甚至堵塞方孔，不利于膜土分離與殘膜輸送。鋸齒篩 篩分精度高，鋸齒條松破土性能較好，有利于土壤從齒 片間通過，同時鋸齒條也可以阻止殘膜向下滑移并增強 拋送能力，有利于殘膜向上輸送。綜合比較分析可知， 鋸齒篩各方面性能優(yōu)于圓孔篩與編織篩，所以篩面結(jié)構(gòu) 形式選用鋸齒篩。 表1 不同篩面結(jié)構(gòu)形式試驗結(jié)果 Table 1 Test results under different screen surface structure 篩面結(jié)構(gòu)形式 Screen surface structure 纏膜率 Wrap plastic film/% 含土率 Soil content/% 圓孔篩 Circular pore screen 3.6 96.2 鋸齒篩 Sawtooth screen 3.1 34.3 編織篩 Woven screen 86.7 46.2 3 參數(shù)優(yōu)化試驗 試驗條件、試驗儀器設(shè)備、評價指標(biāo)與單因素試驗 相同，在此不再展開敘述。 3.1 試驗設(shè)計與方法 在上述單因素試驗基礎(chǔ)上，并依據(jù) Box-Benhnken 中 心組合設(shè)計理論 20-21 ，以纏膜率 Y 1 、含土率 Y 2 作為響應(yīng) 值，對振動篩振動頻率、振動篩振幅、鋸齒篩齒片間距 開展響應(yīng)面試驗研究。試驗過程中通過曲柄在飛輪的不 同連接位置來調(diào)節(jié)振幅，通過更換傳動鏈輪來調(diào)節(jié)振動 篩振動頻率。采用三因素三水平二次回歸正交試驗設(shè)計 方案，對影響纏膜率、含土率的 3 個主要參數(shù)組合完成 優(yōu)化。試驗中，振動篩振動頻率 2.3 Hz，膜土分離效果 差； 振動篩振幅40 mm， 輸膜性能較差； 齒片間距 8 mm 膜土分離效果差；振動篩振動頻率 4.3 Hz，機器共振現(xiàn) 象嚴(yán)重；振動篩振幅 80 mm，膜土分離效果差；齒片間 距 20 mm，殘膜現(xiàn)象嚴(yán)重；因此振動篩振動頻率選取 2.34.3 Hz；振動篩振幅選取 4080 mm；齒片間距選 取 820 mm。因素及水平設(shè)計見表 2。 表2 試驗因素和水平 Table 2 Factors and levels of test 試驗水平 Levels 振動篩振動頻率 Vibration frequency of vibrating screen x 1 /Hz 振動篩振幅 Amplitude of vibrating screen x 2 /mm 齒片間距 Distance between jagged piece x 3 /mm 1 2.3 40 8 0 3.3 60 14 1 4.3 80 20 3.2 數(shù)據(jù)分析與處理 試驗數(shù)據(jù)采用 Design-Expert8.0.6.1 軟件對纏膜率與 含土率進(jìn)行二次多項式回歸分析，通過對回歸方程的分 析來尋求最優(yōu)工作參數(shù)，并利用響應(yīng)面分析法對各因素 相關(guān)性和交互效應(yīng)的影響規(guī)律進(jìn)行分析研究，尋求最佳 參數(shù)組合。 3.3 結(jié)果與分析 3.3.1 試驗結(jié)果 根據(jù) Box-Behnken 試驗原理設(shè)計三因素三水平分析 試驗 22-24 ，試驗方案包括 17 個試驗點，其中包括 12 個 分析因子， 5個零點估計誤差， 試驗方案與響應(yīng)值見表 3。 表3 試驗設(shè)計方案及響應(yīng)值 Table 3 Experiment design and response values 響應(yīng)值 Response values 序 號 No. 振動篩振動 頻率水平 Level of vibration frequency of vibrating screen X 1 振動篩 振幅水平 Level of amplitude of vibrating screen X 2齒片間距水平 Level of distance between jagged piece X 1纏膜率 Wrap plastic film Y 1 /% 含土率 Soil content Y 2/ % 1 0 0 0 1.84 38.26 2 1 1 0 1.74 36.68 31 1 0 1.72 34.36 4 0 0 0 1.95 41.26 5 1 1 0 8.76 56.69 60 1 1 1.71 83.63 7 1 0 1 3.14 32.69 8 1 0 1 7.12 96.46 90 1 1 1.82 92.26 10 1 0 1 8.29 52.36 11 0 0 0 1.75 37.65 12 0 0 0 2.32 42.35 13 1 1 0 6.79 70.56 14 0 1 1 3.36 34.36 15 0 1 1 4.26 32.28 16 1 0 1 1.76 87.36 17 0 0 0 2.24 36.36 3.3.2 回歸模型建立與顯著性檢驗 根據(jù)表 3 中的數(shù)據(jù)樣本，利用 Design-Expert8.0.6.1 軟件開展多元回歸擬合分析尋求最優(yōu)工作參數(shù)，建立纏 膜率 Y 1 、含土率 Y 2 對振動篩振動頻率水平 X 1 、振動篩振 幅水平 X 2 、齒片間距水平 X 33個自變量的二次多項式響 應(yīng)面回歸模型，如式（3）式（4）所示，并對回歸方 程進(jìn)行方差分析 25 ，結(jié)果如表 4 所示。 1123 34 12 13 34 2 23 1 42 2 23 47.01 0.35 0.14 0.19 4.15 10 1.46 10 2.10 10 6.98 10 5.53 10 0.02 YXXX XX XX XX X XX （3） 21 23 33 12 13 32 23 1 32 2 23 282.22 0.87 0.27 17.25 2.41 10 7.34 10 0.01 2.36 10 4.76 10 0.54 YX XX XX XX XX X XX （4） 由表 4 分析可知，響應(yīng)面模型中的纏膜率 Y 1 、含土 率 Y 2 模型 P 0.000 1，表明回歸模型高度顯著；失擬項 P 0.05（分別為 0.100 9、0.060 7） ，表明回歸方程擬合度 高；其決定系數(shù) R 2 值分別為 0.989 9、0.984 2，表明這 2農(nóng)業(yè)工程學(xué)報（http:/www.tcsae.org） 2017年 20 個模型可以解釋 98%以上的評價指標(biāo)。因此，輸膜機構(gòu) 工作參數(shù)可以用該模型來優(yōu)化。 各參數(shù)對回歸方程的影響作用可以通過 P 值大小反 應(yīng)，P 0.01 表明參數(shù)對模型影響極顯著，P 0.05 表明參 數(shù)對模型影響顯著。纏膜率 Y 1 模型中有 3 個回歸項影響 極顯著（P0.05）分別為 X 1 X 3 、X 2 X 3 、 2 2 X ；模型 Y 2 中有 5 個回 歸項對試驗影響不顯著 （P>0.05） ， 分別為 X 2 、 X 1 X 2 、 X 1 X 3 、 X 2 X 3 、 2 2 X 。剔除模型不顯著回歸項，對模型 Y 1 、Y 2 進(jìn)行 優(yōu)化，如式（5）式（6）所示，分析優(yōu)化后的模型， 根據(jù)模型 Y 1 、Y 2 的 P 值（分別為 P0.000 1、P0.001) 與模型 Y 1 、Y 2 的失擬項 P值（分別為 0.131 、0.0557）可 知優(yōu)化模型可靠。 表4 回歸方程方差分析 Table 4 Variance analysis of regression equation 纏膜率 Wrap plastic film 含土率 Soil content 方差 來源 Source 平方和 Sum of squares 自由度 Degree of freedom F值 F value 顯著水平 Significant level P 平方和 Sum of squares 自由度 Degree of freedom F值 F value 顯著 水平 Significant level P 模型 Model 100.70 9 76.39 齒片間距>振動篩振幅； 各因素對含土率貢獻(xiàn)率大小順序為：齒片間距>振動篩振 動頻率>振動篩振幅，分析結(jié)果如表 5 所示。 1 1 0 1 1 F F F （7） 2 j 1 1 2 jj i j XX X X X i K j=1,2,3 i j （8） 式中： F 為回歸方程中各回歸項的 F 值；為回歸項對 F 值的考核值；K Xj 為各因素貢獻(xiàn)率。 表5 各因素貢獻(xiàn)率分析 Table 5 Analysis on contribution rate of each factor 各因素貢獻(xiàn)率 Factors contribution rate 評價指標(biāo) Response values 振動篩振動頻率 Vibration frequency of vibrating screen 振動篩振幅 Amplitude of vibrating screen 齒片間距 Distance between jagged piece 貢獻(xiàn)率順序 Rank of contribution rate 纏膜率 Wrap plastic film 2.42 1.77 2.07 X 1 >X 3 >X 2 含土率 Soil content 2.27 1.12 2.43 X 3 >X 1 >X 23.3.4 交互因素對性能影響規(guī)律分析 根據(jù)回歸方程分析結(jié)果，利用 Design-Expert8.0.6.1 軟件繪制響應(yīng)面圖，根據(jù)響應(yīng)面圖考察振動篩振動頻率、 振動篩振幅、齒片間距交互因素對響應(yīng)值 Y 1 、Y 2 的影響。 1）交互因素對纏膜率的影響規(guī)律分析 振動篩振動頻率、振動篩振幅、齒片間距交互因素 對響應(yīng)值 Y 1 影響的響應(yīng)面曲線圖見圖 4。圖 4a 為齒片間 距位于中心水平（14 mm）時，振動篩振動頻率與振動篩 振幅對纏膜率 Y 1 交互作用的響應(yīng)面圖， 從圖 4a可以看出， 增大振動篩振動頻率和振動篩振幅有助于降低纏膜率； 圖 4b 為振動篩振幅位于中心水平（60 mm）時，振動篩 振動頻率與齒片間距對纏膜率 Y 1 交互作用的響應(yīng)面圖， 從圖 4b 可以看出，纏膜率的降低可以通過增大振動篩振 動頻率和減小齒片間距實現(xiàn)；圖 4c為振動篩振動頻率位 于中心水平（3.3 Hz）時，振動篩振幅與齒片間距對纏膜 率 Y 1 交互作用的響應(yīng)面圖，從圖 4c 可以看出，纏膜率的 降低可以通過增大振動篩振幅和減小齒片間距實現(xiàn)。 此外從各因素對響應(yīng)值 Y 1 影響的響應(yīng)圖中（圖 4） 可以得知， 響應(yīng)面變化規(guī)律與回歸方程方差分析結(jié)果 （表 4）及模型（5）一致，總體影響趨勢為振動篩振動頻率 越高、振動篩振幅越大、齒片間距越小，則殘膜率越低， 反之則纏膜率高。其主要原因為：當(dāng)振動篩振動頻率加 大時，殘膜從篩面被拋起的能力增強；當(dāng)振動篩振幅增 大時，殘膜通過篩面的有效時間少；當(dāng)齒片間距減小時， 篩面自纏繞概率低。 2）交互因素對含土率的影響規(guī)律分析 振動篩振動頻率、振動篩振幅、齒片間距交互因素 對含土率 Y 2 影響的響應(yīng)面曲線圖見圖 4。圖 4d 為齒片間第 1期 嚴(yán) 偉等：鏟篩式殘膜回收機輸膜機構(gòu)參數(shù)優(yōu)化與試驗 21 距位于中心水平（14 mm）時，振動篩振動頻率與振動篩 振幅對含土率 Y 2 交互作用的響應(yīng)面圖， 從圖 4d可以看出， 含土率的降低可以通過增大振動篩振動頻率和減小振動 篩振幅來實現(xiàn)；圖 4e 為振動篩振幅位于中心水平 （60 mm）時，振動篩振動頻率與齒片間距對含土率 Y 2 交互作用的響應(yīng)面圖，從圖 4e 可以看出，增大振動篩振 動頻率與齒片間距有助于降低含土率；圖 4f 為振動篩振 動頻率位于中心水平（3.3 Hz）時，振動篩振幅與齒片間 距對含土率 Y 2 交互作用的響應(yīng)面圖，從圖 4f 可以看出， 增大齒片間距和降低振動篩振幅有助于降低含土率。 此外從各因素對響應(yīng)值 Y 2 影響的響應(yīng)圖中（圖 4） 可以得知， 響應(yīng)面變化規(guī)律與回歸方程方差分析結(jié)果 （表 4）及模型（6）一致，總體影響趨勢為振動篩振幅越小、 振動篩振動頻率越高、齒片間距越大含土率越低，反之 則含土率越高。其主要原因為：當(dāng)振動篩振動頻率加大 時，土壤被拋起的頻率越高；當(dāng)振動篩振幅減小時，土 壤有效分離時間長，篩分率高；當(dāng)齒片間距加大時，土 壤透篩率高，含土率低。 圖4 振動篩振動頻率、振幅及齒片間距交互因素對纏膜率和含土率的影響 Fig.4 Effects of interactive factors of vibration frequecy, amplitude and distance between jagged pieces of vibrating screen on wrap plastic film and soil content 4 參數(shù)優(yōu)化與驗證試驗 4.1 參數(shù)優(yōu)化 為了使輸膜與膜土分離性能最佳，因此必須要求纏 膜率較低、含土率較低，根據(jù)交互因素對纏膜率及含土 率影響效應(yīng)分析可知：要獲得較低的殘膜率，就必須要 求振動篩振動頻率高、振動篩振幅小、齒片間距??；要 獲得較低含土率，就必須要求振動篩振動頻率不應(yīng)過高、 振動篩振幅小、齒片間距大。為了尋求滿足輸膜與膜土 分離性能的最佳參數(shù)組合，考慮各因素對響應(yīng)值的影響 不盡相同，因此，必須進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化。 本研究針對輸膜機構(gòu)工作參數(shù)優(yōu)化，要求滿足纏膜 率低、含土率低的輸膜作業(yè)要求。其目標(biāo)函數(shù)如式（9） 所示。 j min 11 0 1, 2, 3 1, 2 f j X Yf （9） 式中 Y fmin 為響應(yīng)值中最小值。 為了得到各因素最優(yōu)工作參數(shù)，采用 Design-Expert 軟件對各參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化求解。 當(dāng)振動篩振動頻率為 3.85 Hz、 振動篩振幅為 42.04 mm、齒片間距為 15.11 mm時，此時 纏膜率為 1.68%、含土率為 31.69%。 4.2 試驗驗證 為了驗證模型預(yù)測的準(zhǔn)確性，采用上述參數(shù)在江蘇 農(nóng)業(yè)科學(xué)院收獲后的花生地進(jìn)行 3 次重復(fù)試驗?？紤]試 驗的可行性，將振動篩振動頻率設(shè)置為 3.9 Hz、振動篩振 幅為 42 mm、齒片間距為 15 mm，在此優(yōu)化方案下進(jìn)行 試驗，結(jié)果見表 6。 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報（http:/www.tcsae.org） 2017年 22 表6 優(yōu)化條件下各評價指標(biāo)實測值 Table 6 Experimental value of evaluation indices at optimal condition 項目 Item 纏膜率 Wrap plastic film/% 含土率 Soil content/% 試驗平均值A(chǔ)verage 1.72 32.81 優(yōu)化值 Optimal value 1.68 31.69 相對誤差 Relative error 2.4 3.5 通過分析表 6 結(jié)果可知，各響應(yīng)值試驗值與理論優(yōu) 化值均比較吻合，試驗值與理論優(yōu)化值相對誤差均小于 5%，因此，參數(shù)優(yōu)化模型可靠。在收膜作業(yè)時，采用該 優(yōu)化參數(shù)組合，即振動篩振動頻率 3.9 Hz、振動篩振幅為 42 mm、齒片間距為 15 mm，此時纏膜率為 1.72%，含土 率為 32.81%。 5 結(jié)論與討論 1）采用 Box-Benhnken 中心組合試驗方法對振動篩 振動頻率、振動篩振幅、齒片間距對纏膜率、含土率的 影響趨勢進(jìn)行了分析并建立了優(yōu)化模型，通過試驗驗證 了模型和優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行準(zhǔn)確性，實測值與優(yōu)化值相對誤 差均小于 5%，表明模型可靠性較高。 2）輸膜機構(gòu)各因素對纏膜率影響顯著順序為振動篩 振動頻率 齒片間距 振動篩振幅；各因素對含土率影響 顯著順序為齒片間距振動篩振動頻率振動篩振幅。 3）輸膜機構(gòu)最優(yōu)工作參數(shù)組合為振動篩振動頻率 3.9 Hz、振動篩振幅 42 mm、齒片間距 15 mm，試驗結(jié)果 為纏膜率 1.72%、含土率 32.81%。 4）該試驗對輸膜機構(gòu)工作參數(shù)開展多因素分析，研 究各因素對纏膜率、含土率的影響。由于本試驗針對鋸 齒條僅僅考慮了齒片間距工作參數(shù)，對土壤含水率、齒 片的形狀、齒片高度等因素未開展全面試驗，因此在后 續(xù)輸膜機構(gòu)研究中因綜合考慮上述因素； 5） 鏟篩式殘膜回收機雖然收膜完整， 殘膜回收率高， 但是實際工作中作業(yè)效率還不夠高，后續(xù)機具研發(fā)建議 增大作業(yè)幅寬， 由單壟收獲改為雙壟收獲， 提升作業(yè)效率。 參 考 文 獻(xiàn) 1 畢繼業(yè)，王秀芬，朱道林. 地膜覆蓋對農(nóng)作物產(chǎn)量的影響 J. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2008，24(11)：172175. 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