鏟篩式殘膜回收機(jī)輸膜機(jī)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化與試驗(yàn)

第 33卷 第 1期 農(nóng) 業(yè) 工 程 學(xué) 報(bào) 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(jī)輸膜機(jī)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化與試驗(yàn)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(jī)械化研究所，南京 210014；2. 南通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，南通 226019） 摘 要：壟作殘膜回收對(duì)機(jī)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(diǎn)。鏟 篩式殘膜回收機(jī)對(duì)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(jī)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(jī)推廣的主要問(wèn)題，為了提高鏟篩式殘膜回收機(jī)輸膜機(jī)構(gòu)作業(yè)質(zhì)量，降低輸膜機(jī)構(gòu)的纏 膜率及收獲后殘膜的含土率，該文運(yùn)用單因素試驗(yàn)方法得出最優(yōu)篩面結(jié)構(gòu)形式，在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上運(yùn)用 Box-Benhnken 的中心組合試驗(yàn)方法對(duì)殘膜回收機(jī)輸膜機(jī)構(gòu)的工作參數(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，以振動(dòng)篩振動(dòng)頻率、振動(dòng)篩振幅、齒片間距進(jìn) 行三因素三水平二次回歸正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)。建立了響應(yīng)面數(shù)學(xué)模型，分析了各因素對(duì)作業(yè)質(zhì)量的影響，同時(shí)，對(duì)影響因素 進(jìn)行了綜合優(yōu)化。試驗(yàn)結(jié)果表明：纏膜率影響顯著性順序?yàn)檎駝?dòng)篩振動(dòng)頻率 齒片間距 振動(dòng)篩振幅；含土率影響顯著性 順序?yàn)辇X片間距振動(dòng)篩振動(dòng)頻率振動(dòng)篩振幅；最優(yōu)工作參數(shù)組合為振動(dòng)篩振動(dòng)頻率 3.9 Hz、振動(dòng)篩振幅 42 mm，齒片 間距 15 mm，對(duì)應(yīng)的纏膜率和含土率分別為 1.72%、32.81%，且各評(píng)價(jià)指標(biāo)與其理論優(yōu)化值的相對(duì)誤差均小于 5%。研究 結(jié)果可為鏟篩式殘膜回收機(jī)輸膜機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)完善設(shè)計(jì)和作業(yè)參數(shù)優(yōu)化提供參考。 關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)機(jī)械；塑料薄膜；優(yōu)化；輸膜機(jī)構(gòu)；單因素試驗(yàn)；響應(yīng)曲面 doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.01.003 中圖分類號(hào)：S223.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：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(jī)輸膜機(jī)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化與試驗(yàn)J. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)， 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(lái)中國(guó)對(duì)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(lái)了一定的經(jīng)濟(jì)效益 1-2 。地膜覆蓋栽培技術(shù)帶來(lái)了顯 著的經(jīng)濟(jì)效益，地膜覆蓋面積每年都在不斷地?cái)U(kuò)大，覆 膜的年限也在不斷地增長(zhǎng)，使用過(guò)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(duì)作物的根系生長(zhǎng)、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(jī)械化作業(yè)的順利進(jìn) 行，殘膜回收刻不容緩 3-5 。 中國(guó)對(duì)殘膜回收機(jī)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(jī)具被開發(fā)出來(lái)并得到了 廣泛應(yīng)用 6 。但是，針對(duì)壟作地區(qū)殘膜回收的機(jī)具種類并 不多，僅有耙齒式殘膜回收機(jī)、鏟鏈?zhǔn)綒埬せ厥諜C(jī)、齒 鏈?zhǔn)綒埬せ厥諜C(jī)與鏟篩組合式殘膜回收機(jī)。從機(jī)具的實(shí) 收稿日期：2016-04-28 修訂日期：2016-10-20 基金項(xiàng)目：公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專項(xiàng)“殘膜污染農(nóng)田綜合治理技術(shù)方案” （201503105） 作者簡(jiǎn)介：嚴(yán) 偉，男（漢） ，江蘇宿遷人，主要從事農(nóng)機(jī)化裝備研發(fā)。南 京 農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)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(jī) 械化研究所，210014。Email：zchu369163.com 際使用情況來(lái)看，有待攻克和提升完善的技術(shù)問(wèn)題還很 多。耙齒式殘膜回收機(jī)在實(shí)際工作中存在壅土、漏膜現(xiàn) 象；鏟鏈?zhǔn)綒埬せ厥諜C(jī)實(shí)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(jī)壅土、漏膜、纏膜現(xiàn) 象嚴(yán)重；鏟篩組合式殘膜回收機(jī)清土效果好、殘膜回收 率高，但是輸膜性能較差 7 。針對(duì)目前壟作地區(qū)殘膜回收 機(jī)存在的問(wèn)題，國(guó)內(nèi)對(duì)耙齒式、鏟鏈?zhǔn)?、齒鏈?zhǔn)綒埬せ?收機(jī)有了一定的研究 8-10 ，但是針對(duì)鏟篩組合式殘膜回收 機(jī)研究較少，且并未對(duì)其關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。 輸膜機(jī)構(gòu)是鏟篩式殘膜回收機(jī)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(jī)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(diǎn) 考慮的問(wèn)題之一。 為了攻克輸膜機(jī)構(gòu)纏膜、壅土技術(shù)難題，提高機(jī)具 適應(yīng)性、保證機(jī)具收獲質(zhì)量，本研究以該殘膜回收機(jī)的 輸膜機(jī)構(gòu)為研究對(duì)象，以纏膜率、含土率為主控目標(biāo)， 對(duì)影響殘膜回收質(zhì)量的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)研究，篩選出 作業(yè)效果最佳的振動(dòng)篩，分析各參數(shù)對(duì)作業(yè)性能的影響 主次關(guān)系，對(duì)輸膜機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，尋求輸膜機(jī)構(gòu)最優(yōu)參 數(shù)組合，以期為殘膜回收機(jī)設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供參考。 1 鏟篩式殘膜回收機(jī) 1.1 工作原理 鏟篩式殘膜回收機(jī)為鏟篩組合式殘膜回收機(jī)，主要農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)（http:/www.tcsae.org） 2017年 18 由挖掘鏟 1、機(jī) 架 2、傳 動(dòng) 裝 置 3、連 桿 機(jī) 構(gòu) 4、飛 輪 5、 限深輪 6、振動(dòng)篩 7、集膜筐 8 組成，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖見圖 1。鏟篩式殘膜回收機(jī)工作原理及工作過(guò)程為：殘膜回 收機(jī)利用拖拉機(jī)的三點(diǎn)懸掛裝置懸掛于拖拉機(jī)的后 部，由拖拉機(jī)后動(dòng)力輸出軸通過(guò)萬(wàn)向節(jié)傳送到收獲機(jī)， 由變速箱輸出軸經(jīng)傳動(dòng)裝置 3帶動(dòng)飛輪 5與連桿機(jī)構(gòu) 4 運(yùn)動(dòng)，由連桿機(jī)構(gòu) 4 帶動(dòng)振動(dòng)篩 7 振動(dòng)。工作中，挖掘 鏟將挖起的膜土向后輸送至振動(dòng)篩， 振動(dòng)篩進(jìn)行膜土分 離，同時(shí)振動(dòng)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(jī)架 3. 傳動(dòng)裝置 4. 連桿機(jī)構(gòu) 5. 飛輪 6. 限深輪 7. 振 動(dòng)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(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 Fig.1 Structural diagram of shovel screen type plastic film residue collector 1.2 輸膜機(jī)構(gòu)及影響因素 輸膜機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖 2 所示，主要包括連桿 1、飛 輪 2、機(jī)架 3、振動(dòng)篩 4。評(píng)價(jià)輸膜機(jī)構(gòu)性能的指標(biāo)有纏膜 率、含土率。 1. 連桿 2. 飛輪 3. 機(jī)架 4. 振動(dòng)篩 1. Connecting rod 2. Flywheel 3. Frame 4. Vibration sieve 圖2 輸膜機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 Fig.2 Structural diagram of plastic film transport mechanism 試驗(yàn)中對(duì)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(jī)構(gòu)具有良好的輸膜性能。對(duì) 輸膜機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)須注意以下幾點(diǎn)： 通過(guò)試驗(yàn)比較 并確定振動(dòng)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(shí)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(huì)出現(xiàn)擁堵、膜土難分離現(xiàn)象。 振動(dòng)篩振動(dòng)頻率設(shè)計(jì)要合理，振動(dòng)篩振動(dòng)頻率過(guò)小膜土 在篩面不會(huì)被拋起 12-13 ，膜土分離率將會(huì)降低；振動(dòng) 篩振動(dòng)頻率過(guò)大，機(jī)具振動(dòng)加大，工作可靠性降低。 振幅選取要合理 14-15 ，振幅選擇過(guò)小，殘膜通過(guò)篩面 有效時(shí)間長(zhǎng)，容易增加殘膜纏繞篩面的幾率；振幅選擇 過(guò)大，膜土通過(guò)篩面有效時(shí)間短，會(huì)出現(xiàn)膜土分離不徹 底現(xiàn)象。 綜上分析，確定輸膜機(jī)構(gòu)性能的試驗(yàn)因素為振動(dòng)篩 振幅、振動(dòng)篩振動(dòng)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(yàn) 為了確定最佳篩面結(jié)構(gòu)形式，在試驗(yàn)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(yàn)，根據(jù)試驗(yàn) 結(jié)果確定最佳篩面結(jié)構(gòu)形式。 2.1 試驗(yàn)條件 殘膜回收試驗(yàn)在江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)院收獲后的花生地進(jìn) 行，試驗(yàn)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(jī)具作業(yè)速度 1 m/s，振動(dòng)篩振動(dòng)頻率 3.3 Hz，振動(dòng)篩振 幅 60 mm，篩面尺寸 1 000 mm 1 100 mm。 2.2 試驗(yàn)儀器與設(shè)備 試驗(yàn)儀器設(shè)備主要有福田雷沃 254 拖拉機(jī)、鏟篩式 殘膜回收機(jī)、圓孔篩、編織篩、鋸齒篩（鋸齒形、齒高 10 mm） 、水分測(cè)定儀、電子天平、計(jì)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(zhǎng)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(píng)價(jià)指標(biāo)的測(cè)定 試驗(yàn)選擇土壤含水率基本相同的試驗(yàn)地作為測(cè)區(qū)， 測(cè)區(qū)長(zhǎng)度不少于 100 m 16 。 每次試驗(yàn)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(cè)定纏膜率、含土率作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，上述評(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)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(cè)區(qū)內(nèi)纏繞在機(jī)器上地膜的 質(zhì)量，g；m 2 為測(cè)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(cè)區(qū)內(nèi)集膜筐內(nèi)土壤的質(zhì)量， g。 2.4 試驗(yàn)結(jié)果與分析 表 1 為不同篩面結(jié)構(gòu)形式試驗(yàn)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(jī)輸膜機(jī)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化與試驗(yàn) 19 磨損、壽命長(zhǎng) 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(guò)，同時(shí)鋸齒條也可以阻止殘膜向下滑移并增強(qiáng) 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(yàn)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(yàn) 試驗(yàn)條件、試驗(yàn)儀器設(shè)備、評(píng)價(jià)指標(biāo)與單因素試驗(yàn) 相同，在此不再展開敘述。 3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法 在上述單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，并依據(jù) Box-Benhnken 中 心組合設(shè)計(jì)理論 20-21 ，以纏膜率 Y 1 、含土率 Y 2 作為響應(yīng) 值，對(duì)振動(dòng)篩振動(dòng)頻率、振動(dòng)篩振幅、鋸齒篩齒片間距 開展響應(yīng)面試驗(yàn)研究。試驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)曲柄在飛輪的不 同連接位置來(lái)調(diào)節(jié)振幅，通過(guò)更換傳動(dòng)鏈輪來(lái)調(diào)節(jié)振動(dòng) 篩振動(dòng)頻率。采用三因素三水平二次回歸正交試驗(yàn)設(shè)計(jì) 方案，對(duì)影響纏膜率、含土率的 3 個(gè)主要參數(shù)組合完成 優(yōu)化。試驗(yàn)中，振動(dòng)篩振動(dòng)頻率 2.3 Hz，膜土分離效果 差； 振動(dòng)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(dòng)篩振動(dòng)頻率 4.3 Hz，機(jī)器共振現(xiàn) 象嚴(yán)重；振動(dòng)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(dòng)篩振動(dòng)頻率選取 2.34.3 Hz；振動(dòng)篩振幅選取 4080 mm；齒片間距選 取 820 mm。因素及水平設(shè)計(jì)見表 2。 表2 試驗(yàn)因素和水平 Table 2 Factors and levels of test 試驗(yàn)水平 Levels 振動(dòng)篩振動(dòng)頻率 Vibration frequency of vibrating screen x 1 /Hz 振動(dòng)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(yàn)數(shù)據(jù)采用 Design-Expert8.0.6.1 軟件對(duì)纏膜率與 含土率進(jìn)行二次多項(xiàng)式回歸分析，通過(guò)對(duì)回歸方程的分 析來(lái)尋求最優(yōu)工作參數(shù)，并利用響應(yīng)面分析法對(duì)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(yàn)結(jié)果 根據(jù) Box-Behnken 試驗(yàn)原理設(shè)計(jì)三因素三水平分析 試驗(yàn) 22-24 ，試驗(yàn)方案包括 17 個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)，其中包括 12 個(gè) 分析因子， 5個(gè)零點(diǎn)估計(jì)誤差， 試驗(yàn)方案與響應(yīng)值見表 3。 表3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案及響應(yīng)值 Table 3 Experiment design and response values 響應(yīng)值 Response values 序 號(hào) No. 振動(dòng)篩振動(dòng) 頻率水平 Level of vibration frequency of vibrating screen X 1 振動(dòng)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(yàn) 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(duì)振動(dòng)篩振動(dòng)頻率水平 X 1 、振動(dòng)篩振 幅水平 X 2 、齒片間距水平 X 33個(gè)自變量的二次多項(xiàng)式響 應(yīng)面回歸模型，如式（3）式（4）所示，并對(duì)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(xiàng) 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(bào)（http:/www.tcsae.org） 2017年 20 個(gè)模型可以解釋 98%以上的評(píng)價(jià)指標(biāo)。因此，輸膜機(jī)構(gòu) 工作參數(shù)可以用該模型來(lái)優(yōu)化。 各參數(shù)對(duì)回歸方程的影響作用可以通過(guò) P 值大小反 應(yīng)，P 0.01 表明參數(shù)對(duì)模型影響極顯著，P 0.05 表明參 數(shù)對(duì)模型影響顯著。纏膜率 Y 1 模型中有 3 個(gè)回歸項(xiàng)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(gè)回 歸項(xiàng)對(duì)試驗(yàn)影響不顯著 （P0.05） ， 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(xiàng)，對(duì)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(xiàng) 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(lái)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(dòng)篩振幅； 各因素對(duì)含土率貢獻(xiàn)率大小順序?yàn)椋糊X片間距振動(dòng)篩振 動(dòng)頻率振動(dòng)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(xiàng)的 F 值；為回歸項(xiàng)對(duì) 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(píng)價(jià)指標(biāo) Response values 振動(dòng)篩振動(dòng)頻率 Vibration frequency of vibrating screen 振動(dòng)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(duì)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(dòng)篩振動(dòng)頻率、 振動(dòng)篩振幅、齒片間距交互因素對(duì)響應(yīng)值 Y 1 、Y 2 的影響。 1）交互因素對(duì)纏膜率的影響規(guī)律分析 振動(dòng)篩振動(dòng)頻率、振動(dòng)篩振幅、齒片間距交互因素 對(duì)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(shí)，振動(dòng)篩振動(dòng)頻率與振動(dòng)篩 振幅對(duì)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(dòng)篩振動(dòng)頻率和振動(dòng)篩振幅有助于降低纏膜率； 圖 4b 為振動(dòng)篩振幅位于中心水平（60 mm）時(shí)，振動(dòng)篩 振動(dòng)頻率與齒片間距對(duì)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(guò)增大振動(dòng)篩振 動(dòng)頻率和減小齒片間距實(shí)現(xiàn)；圖 4c為振動(dòng)篩振動(dòng)頻率位 于中心水平（3.3 Hz）時(shí)，振動(dòng)篩振幅與齒片間距對(duì)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(guò)增大振動(dòng)篩振幅和減小齒片間距實(shí)現(xiàn)。 此外從各因素對(duì)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(shì)為振動(dòng)篩振動(dòng)頻率 越高、振動(dòng)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?yàn)椋寒?dāng)振動(dòng)篩振動(dòng)頻率加 大時(shí)，殘膜從篩面被拋起的能力增強(qiáng)；當(dāng)振動(dòng)篩振幅增 大時(shí)，殘膜通過(guò)篩面的有效時(shí)間少；當(dāng)齒片間距減小時(shí)， 篩面自纏繞概率低。 2）交互因素對(duì)含土率的影響規(guī)律分析 振動(dòng)篩振動(dòng)頻率、振動(dòng)篩振幅、齒片間距交互因素 對(duì)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(jī)輸膜機(jī)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化與試驗(yàn) 21 距位于中心水平（14 mm）時(shí)，振動(dòng)篩振動(dòng)頻率與振動(dòng)篩 振幅對(duì)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(guò)增大振動(dòng)篩振動(dòng)頻率和減小振動(dòng) 篩振幅來(lái)實(shí)現(xiàn)；圖 4e 為振動(dòng)篩振幅位于中心水平 （60 mm）時(shí)，振動(dòng)篩振動(dòng)頻率與齒片間距對(duì)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(dòng)篩振 動(dòng)頻率與齒片間距有助于降低含土率；圖 4f 為振動(dòng)篩振 動(dòng)頻率位于中心水平（3.3 Hz）時(shí)，振動(dòng)篩振幅與齒片間 距對(duì)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(dòng)篩振幅有助于降低含土率。 此外從各因素對(duì)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(shì)為振動(dòng)篩振幅越小、 振動(dòng)篩振動(dòng)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?yàn)椋寒?dāng)振動(dòng)篩振動(dòng)頻率加大 時(shí)，土壤被拋起的頻率越高；當(dāng)振動(dòng)篩振幅減小時(shí)，土 壤有效分離時(shí)間長(zhǎng)，篩分率高；當(dāng)齒片間距加大時(shí)，土 壤透篩率高，含土率低。 圖4 振動(dòng)篩振動(dòng)頻率、振幅及齒片間距交互因素對(duì)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(yàn)證試驗(yàn) 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(duì)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(dòng)篩振動(dòng)頻率高、振動(dòng)篩振幅小、齒片間距小；要 獲得較低含土率，就必須要求振動(dòng)篩振動(dòng)頻率不應(yīng)過(guò)高、 振動(dòng)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(duì)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(duì)輸膜機(jī)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(duì)各參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化求解。 當(dāng)振動(dòng)篩振動(dòng)頻率為 3.85 Hz、 振動(dòng)篩振幅為 42.04 mm、齒片間距為 15.11 mm時(shí)，此時(shí) 纏膜率為 1.68%、含土率為 31.69%。 4.2 試驗(yàn)驗(yàn)證 為了驗(yàn)證模型預(yù)測(cè)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(yàn)?？紤]試 驗(yàn)的可行性，將振動(dòng)篩振動(dòng)頻率設(shè)置為 3.9 Hz、振動(dòng)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(yàn)，結(jié)果見表 6。 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)（http:/www.tcsae.org） 2017年 22 表6 優(yōu)化條件下各評(píng)價(jià)指標(biāo)實(shí)測(cè)值 Table 6 Experimental value of evaluation indices at optimal condition 項(xiàng)目 Item 纏膜率 Wrap plastic film/% 含土率 Soil content/% 試驗(yàn)平均值A(chǔ)verage 1.72 32.81 優(yōu)化值 Optimal value 1.68 31.69 相對(duì)誤差 Relative error 2.4 3.5 通過(guò)分析表 6 結(jié)果可知，各響應(yīng)值試驗(yàn)值與理論優(yōu) 化值均比較吻合，試驗(yàn)值與理論優(yōu)化值相對(duì)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(shí)，采用該 優(yōu)化參數(shù)組合，即振動(dòng)篩振動(dòng)頻率 3.9 Hz、振動(dòng)篩振幅為 42 mm、齒片間距為 15 mm，此時(shí)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(yàn)方法對(duì)振動(dòng)篩 振動(dòng)頻率、振動(dòng)篩振幅、齒片間距對(duì)纏膜率、含土率的 影響趨勢(shì)進(jìn)行了分析并建立了優(yōu)化模型，通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證 了模型和優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行準(zhǔn)確性，實(shí)測(cè)值與優(yōu)化值相對(duì)誤 差均小于 5%，表明模型可靠性較高。 2）輸膜機(jī)構(gòu)各因素對(duì)纏膜率影響顯著順序?yàn)檎駝?dòng)篩 振動(dòng)頻率 齒片間距 振動(dòng)篩振幅；各因素對(duì)含土率影響 顯著順序?yàn)辇X片間距振動(dòng)篩振動(dòng)頻率振動(dòng)篩振幅。 3）輸膜機(jī)構(gòu)最優(yōu)工作參數(shù)組合為振動(dòng)篩振動(dòng)頻率 3.9 Hz、振動(dòng)篩振幅 42 mm、齒片間距 15 mm，試驗(yàn)結(jié)果 為纏膜率 1.72%、含土率 32.81%。 4）該試驗(yàn)對(duì)輸膜機(jī)構(gòu)工作參數(shù)開展多因素分析，研 究各因素對(duì)纏膜率、含土率的影響。由于本試驗(yàn)針對(duì)鋸 齒條僅僅考慮了齒片間距工作參數(shù)，對(duì)土壤含水率、齒 片的形狀、齒片高度等因素未開展全面試驗(yàn)，因此在后 續(xù)輸膜機(jī)構(gòu)研究中因綜合考慮上述因素； 5） 鏟篩式殘膜回收機(jī)雖然收膜完整， 殘膜回收率高， 但是實(shí)際工作中作業(yè)效率還不夠高，后續(xù)機(jī)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(duì)農(nóng)作物產(chǎn)量的影響 J. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2008，24(11)：172175. 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