齿链式残膜回收机设计与试验

Design and experiment of a toothed chain residual membrane recycling machine

摘要

目的 针对现有残膜回收机存在自动卸膜困难、地膜漏收等问题，设计了1种齿链式残膜回收机。 方法 对齿链式残膜回收机的整体结构、关键部件的设计思路及工作原理进行了分析。该残膜回收机的关键部件包括：起膜装置、输送装置、拾膜装置和卸膜机构，并对影响拾膜率的主要因素进行了试验分析和参数优化。 结果 试验因素对拾膜率影响大小顺序为：拾膜装置下从动链轮转速>机具作业速度>起膜装置入土角.优化模型最优参数组合为：拾膜装置下从动链轮转速197.579 r/min，机具作业速度 7 km/h，起膜装置入土角 41.173 °，此参数下，仿真试验结果拾膜率为89.0%。以拾膜装置下从动链轮转速200 r/min，机具作业速度7 km/h，起膜装置入土角 41°，的参数进行试验验证，拾膜率平均值达到91.4%。 结论 田间试验表明，优化参数组合可靠，满足回收机作业要求，可为齿链式残膜回收机后续研究提供参考。

Abstract

Objective Since the existing residual membrane recycling machine has the problem of automatic membrane unloading difficulty and membrane leakage，a toothed chain type residual membrane recycling machine has been designed. Method The overall design scheme was described，and the key devices included membrane lifting device，conveying device，membrane picking device and membrane unloading device，etc.The main factors affecting the membrane picking rate were analyzed and the parameters were optimized. Result The order of influence of the test factors on the membrane picking rate is： driven sprocket speed under the membrane picking device > working speed of the machine > penetrating angle of the membrane lifting device.The optimal parameter combination of the optimization model is： the driven sprocket speed under the membrane picking device is 197.579 r/min，the working speed of the machine is 7 km/h，and the penetration angle of the membrane lifting device is 41.173°.Under these parameters，the membrane picking rate is 89.0% according to the simulation test results.The experimental results show that the average membrane picking rate reaches 91.4% under the parameters of the driven sprocket speed 200 rpm under the membrane picking device，the working speed of the machine is 7 km/h，and the penetration angle of membrane lifting device is 41°. Conclusion The field experiment shows that the optimized parameter combination is reliable and meets the design requirements of the residual membrane recycling machine，which can provide a reference for the subsequent research of the tooth chain type residual membrane recycling machine.

Graphical abstract

关键词

齿链式 / 残膜回收机 / 起膜装置 / 拾膜装置 / 参数优化

Key words

tooth chain / residual membrane recycling machine / membrane-lifting device / pick up membrane device / parameter optimization

Author summay

柯泽荣，硕士研究生。E-mail：[e-mail]

地膜覆盖技术具有节水抗旱、增温保墒、防除杂草和节本增效等优点^［1-2］，因此该项技术地膜覆盖技术已在新疆、山东、陕西、甘肃、宁夏、内蒙等寒冷温差较大省份得到了广泛的应用^［3-4］.地膜覆盖种植模式已经从蔬菜扩展至其他经济粮食作物，如棉花、马铃薯等，目前中国已经成为地膜使用面积最大的国家^［5］。然而，长期铺放地膜已经带来了严重的地膜残留污染，残留地膜对土壤的理化性质和作物的产量产生极大影响，制约了我国农业的可持续发展^［6-7］。

机械回收残膜是目前解决地膜残留问题的主要手段^［8］。机械回收残膜作业方式主要包括搂集、卷收、扎膜等^［9-12］。国外一般采用厚膜种植，使用后残膜基本完整，可以直接用卷收的方式回收残膜^［13］。国内受种植方式与种植成本的影响，主要以搂集和扎膜的方式回收残膜。目前国内残膜回收机以拾膜装置的结构形式来分主要有以下几种：弹齿式^［14-15］、耙齿式^［16-17］、伸缩杆式、齿链式^［18-21］等，如闫盼盼等^［22］设计了一款弹齿链耙式残膜回收机，通过改变张紧轮的方式改变弹齿在作业时的角度，解决了搂膜弹齿脱膜技术难题，但由于弹齿与地面接触不充分，容易造成地膜漏收现象。谢建华等^［23］为克服伸缩杆式拾膜装置结构复杂、易磨损的特点，设计了一种行星架式伸缩杆式拾膜装置，为伸缩杆式残膜回收机设计提供参考。陈学庚团队^［19-20］研制的随动式残膜回收机，拾膜效果好但是拾膜装置容易产生残膜缠绕现象，不易进行维修。

针对现有齿链式残膜回收机存在自动卸膜困难、地膜漏收等现象，本文结合新疆棉花的种植模式和现有齿链式残膜回收机的特点，设计了一种集起膜、输膜、拾膜和旋转卸膜功能于一体的齿链式残膜回收机。

本文首先对该残膜回收机的起膜、输膜、拾膜及卸膜过程进行了关键部件的结构设计和分析，确定了各部件的关键参数；其次，通过设计正交试验，采用响应曲面法分析了各因素对试验指标的影响；最后，利用软件寻优功能得到机具的最佳工作参数，并进行田间试验验证。

1 整机结构与工作原理

1.1 整机结构

齿链式残膜回收机的关键部件包括起膜装置、输送装置、齿链式拾膜装置和卸膜机构 4 大部分。具体结构主要由地轮、机架、限深轮、传动系统、牵引架、起膜装置、输送装置、齿链式拾膜装置、卸膜机构和集膜箱组成，整机结构如图 1 所示。

1.2 工作原理

机具工作时，由拖拉机牵引，带动地轮转动，拖拉机动力通过万向节输入机具的变速箱，变速箱输出的动力通过传动系统驱动输送装置、齿链式拾膜装置及集膜箱等。机具前进时，先由起膜装置将土膜混合物推送至输送装置上，输送装置运行过程中，使大部分碎土沿筛条间隙落下完成第一次筛选。齿链式拾膜装置逆时针转动，对经输送装置末端筛选过后的残膜进行拾膜。捡拾的残膜经齿链运动至上端卸膜机构，经卸膜机构卸进集膜箱。当残膜收集完后，通过传动系统控制集膜箱的运动，实现卸膜作业。

1.3 主要技术指标

根据新疆地区棉花种植方式及农艺条件，齿链式残膜回收机的主要技术参数如表1所示。

2 关键部件设计及分析

2.1 起膜装置

齿链式残膜回收机起膜装置主要由起膜铲、铲刀固定座、加强板组成，其结构如图2所示。工作时，通过人工调节限深轮控制起膜装置以一定的角度切入膜下土壤，在机具前进的过程中托起地表及耕层中的残膜。

根据齿链式残膜回收机起膜装置工作原理分析可知，影响起膜装置工作性能的主要参数包括起膜铲宽度B和起膜铲入土角θ^［24］。

起膜铲宽度需要结合新疆地区棉花种植的农艺要求，考虑棉花种植幅宽及地膜铺设宽度等。起膜铲铲刀为平面铲，起膜铲铲刀宽度要大于地膜铺设宽度，避免出现漏收现象。结合整机结构，设计起膜铲铲刀宽度B=1 300 mm。

机具在田间作业时，起膜装置既要入土阻力小，又要尽可能多的积累残膜并使残膜在机具前进过程中能平稳向后滑移，土膜在起膜铲上的受力如图 3 所示。

土膜在起膜铲面上处于平衡状态时，其平衡方程为：

\left\{\begin{array}{l}T\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\theta -F_f-G\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\theta =\mathrm{0}\\ F_N-G\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\theta -T\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\theta =\mathrm{0}\end{array}\right.（1）

其中 F_f=\mu F_N（2）

\theta =\mathrm{a}\mathrm{r}\mathrm{c}\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{n}\frac{T-\mu G}{\mu T+G}（3）

式中：T为起膜铲所受工作阻力，N；F_N ：起膜铲对土膜的支持力，N；G：土膜所受重力，N；F_f 为起膜铲上土膜所受摩擦力，N；μ为起膜铲与土膜间的摩擦因素，取0.557~0.721^［25］。

从公式（3）可以看出，起膜铲的入土角越小，土膜沿起膜装置向后运动所需的力就越小，同时起膜铲入土阻力变小，对残膜的损坏程度较小，但是过小的入土角容易造成起膜铲碎土性能差，容易出现壅土现象；反之，起膜铲入土角变大时，起膜铲入土性能下降，对残膜的损坏程度变大^［26］。因此，需要保证起膜铲入土角θ在合适的取值区间。

假设起膜铲入土阻力为R，则：

R=kab（4）

式中：R为起膜铲受到的入土阻力，N；k为单位面积横截面面积阻力，N/mm²；a为挖掘深度，mm；b为作业幅宽，mm。

依据新疆地区棉花种植区域土壤参数确定 k 的取值范围为0.04~0.05 之间，齿链式残膜回收机的挖掘深度在50~100 mm，收膜机的作业宽度为1 300 mm。取k=0.045 N/mm²，a=75 mm，b=1 300 mm，代入公式（4），求得起膜铲受到的阻力R=4 387.5 N。经前期试验^［27］，得试验地区土壤密度为2.76×10^-3 g/mm³，取作业挖掘长度为500 mm，计算得到起膜铲土膜混合物的重力G=1 318.59 N。将所得数据代入公式（3），得到起膜铲入土角θ的取值范围为 37.5°~44.1°。

2.2 输送装置

输送装置主要由驱动轴、驱动轮、从动轮、输送带和输送栅条组成，结构如图4所示。

拖拉机动力输出轴经变速箱变速后，通过链传动将动力传输至输送装置驱动轴，驱动轴转动过程中，带动驱动轮旋转，驱动轮轮齿拨动输送栅条，输送栅条与输送带固定连接，并带动从动轮运动，构成整套输送装置。

依据齿链式残膜回收机的两边侧板厚度和作业宽度，选择输送装置的宽度为1 280 mm。常见的单行残膜回收机的筛选有效区域为1.2~1.5 m²，按照筛选的有效区域计算可知，输送装置两轴间距在830~1 100 mm 左右，便于充分输送土膜混合物，设计输送装置的总长为1 200 mm。输送栅条的尺寸主要考虑土块的尺寸，经田间试验测量，最大土块尺寸普遍处于55~75 mm，为能够充分将土块等杂物筛选掉，设计输送栅条之间的间距为65 mm。为保证输送装置的效率，输送装置的线速度应大于齿链式残膜回收机的作业速度，在本设计中，齿链式残膜回收机的作业速度为3~7 km/h，则输送装置的线速度为1.9~2.9 m/s。

2.3 拾膜装置

齿链式拾膜装置的作用是通过拾膜弹齿将输送装置输送上来的残膜进行捡拾，并在输膜链耙的作用下将残膜运送至卸膜机构，经卸膜机构落入集膜箱内。如图5所示，齿链式拾膜装置主要由下从动轴、弹齿、传动链、弹齿轴、上张紧轮、主动轴、上从动轴、下张紧轮、齿链机架组成。

装置工作时，拾膜弹齿将输送装置末端堆积的土膜混合物向上挑起，土膜混合物在输膜链耙的提升作用下运送至集膜箱，部分土壤因输膜链耙的抖动而掉落，从而减小残膜含杂率。

齿链式输膜倾角范围为50°~75°^{［15，28］}，本机型设计输膜倾角为60°。为了保证土膜混合物在输送过程中能充分分离，设计拾膜装置的有效输运距离为 1 800 mm，升运宽度为 1 300 mm。链轮的转速和拾膜弹齿的长度直接影响土膜混合物是否能被顺利挑起，是影响拾膜装置作业性能的关键参数。

2.3.1 拾膜弹齿组件的设计

如图6所示，拾膜弹齿组件主要由螺栓固定座、安装轴及弹齿构成，弹齿通过螺栓固定座与安装轴固定连接，拾膜弹齿组件的两端与传动链固定连接。根据新疆地区棉田残膜存在形式，保证残膜捡拾效率，安装轴弹齿间隙为75 mm，传动链上前后两弹齿组件安装间距为275 mm，前后两弹齿组件上的弹齿交错安装.为保证弹齿的可靠性，弹齿的直径为5 mm，弹齿长度L=160 mm，弹齿的材料选择60Si2MnA，具有较好的抗疲劳性和弹性。

2.3.2 拾膜弹齿运动分析

如图7所示，取拾膜弹齿下从动轴转动的轴心为坐标原点，x轴机具前进方向，y轴垂直向上，以x轴水平方向为初始相位，机具以速度v前进，输膜链耙以角速度ω匀速旋转，经时间t后，输膜链耙转过φ角，拾膜弹齿齿尖的运动轨迹如弧AC所示.经过时间 t 后，拾膜弹齿到达B位置。

拾膜弹齿齿尖 A 的运动方程为

\left\{\begin{array}{l}x=vt+(R+L)\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\phi =vt+(R+L)\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}(\omega t)\\ y=(R+L)\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\phi =(R+L)\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}(\omega t)\end{array}\right.（5）

将公式 （5） 求对时间 t 的导数，可以得到拾膜弹齿的速度方程为：

\left\{\begin{array}{l}{v}_x=\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}=v-\omega (R+L)\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}(\omega t)\\ v_y=\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}t}=\omega (R+L)\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}(\omega t)\end{array}\right.（6）

由公式 （6） 可知，当x方向上速度为 0时，

\frac{\omega (R+L)}{v}=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}(\omega t)}（7）

v_{\mathrm{1}}=\omega (R+L)（8）

定义拾膜弹齿齿尖线速度 v_{1与机具作业速度 v 的比值为：}

\epsilon =\frac{v_{\mathrm{1}}}{v}（9）

式中：v：输膜装置输膜速度，m/s；t：时间，s；ω：拾膜弹齿角速度，rad/s；R：链轮半径，mm；L：拾膜弹齿长度，mm；φ：初始相位角，（°）。

为了避免拾膜弹齿转速快慢影响拾膜效果，所以需要对挑起的残膜在向上运输过程中进行受力分析，受力如图8所示。

拾膜弹齿在挑起输送装置输送的残膜后，残膜的受力平衡条件为：

\left\{\begin{array}{l}G\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\alpha +F_g\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\gamma =F_N\\ G\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\alpha +F_g\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\gamma =F_f\end{array}\right.（10）

其中，

F_g=ma=\rho {\omega }^{\mathrm{2}}G/g（11）

为防止残膜在输送过程中脱落，弹齿对残膜的摩擦力应大于残膜所受的离心力，得：

\mu (\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\alpha +\frac{\rho {\omega }^{\mathrm{2}}}{g}\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\gamma )\ge \mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\alpha +\frac{\rho {\omega }^{\mathrm{2}}}{\mathrm{g}}\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\gamma（12）

式中：a：被挑起残膜得瞬时加速度，m/s²；ρ：被挑起残膜中心得瞬时半径，m。

为了避免拾膜弹齿转速过慢出现漏挑现象，于是ε>1^［15］。当ε太大时，拾膜弹齿容易将残膜回带，前期试验表明^［22］，当ε为2.8~3.4时，挑膜效果较好，结合现有结构参数和机具作业速度，结合拾膜机构链轮半径R=80 mm，拾膜弹齿长度L=160 mm，初步确定拾膜装置下从动链轮的转速为134~257 r/min。

2.4 卸膜机构

拍打式卸膜机构如图 9 所示，主要包括轴承座、传动轴、加强筋、橡胶刮板、固定板及链轮组成.为了避免拾膜弹齿和卸膜机构产生碰撞引起弹齿变形^［8，16］，影响后续卸膜操作，因此卸膜板采用高强度、挠性好的橡胶制作而成，其长度设计为1 200 mm、宽度为150 mm，厚度为 10 mm。

在卸膜过程中，橡胶刮板对齿链总成产生逆向刮、捋或拍打的动作，被拾膜弹齿捡拾的残膜通过卸膜机构动作和残膜自身重力作用下，落入下方集膜箱，完成残膜收集。

在卸膜过程中，残膜受力如图 10 所示，由于残膜和橡胶刮板的静电吸附力很小，故忽略其影响。残膜和橡胶刮板相对运动过程中，受力平衡条件为：

\left\{\begin{array}{l}{F}_f\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\delta +F_N\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\delta =F_{\mathrm{1}}\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\beta +G\\ F_{\mathrm{1}}\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\beta +F_N\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\delta =F_f\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\delta \end{array}\right.（13）

其中，

\left\{\begin{array}{l}G=m_{\mathrm{1}}g\\ F_{\mathrm{1}}=m_{\mathrm{1}}{{\omega }_{\mathrm{2}}}^{\mathrm{2}}r\end{array}\right.（14）

式中：m₁ 为拾膜弹齿携带的残膜质量，g；R为卸膜机构回转半径，m；ω₂ 为卸膜机构转动角速度，rad/s；F_f 为残膜与弹齿间的摩擦力，N；F_N 为弹齿对地膜的支持力，N；F₁ 为卸膜机构对地膜产生的向心力，N；δ为弹齿与水平方向的夹角，（°）；β为卸膜作业时卸膜机构回转中心和弹齿作用点连线与水平方向的夹角，（°）。

整理推导可知残膜被刮板刮至集膜箱的条件为：

{\omega }_{\mathrm{2}}>\sqrt[]{\frac{F_N(\mu \mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\delta +\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\delta )-m_{\mathrm{1}}g}{m_{\mathrm{1}}r\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\beta }}（15）

在进行卸膜作业时，弹齿杆趋于竖直，弹齿与水平方向夹角δ接近90°，此时残膜所受合力的方向为斜向下，为避免卸膜机构缠绕残膜，选取相邻两弹齿经过卸膜区域时橡胶刮板工作一次，考虑接触和磨损的影响，卸膜机构回转半径R设计为210 mm。

3 田间试验

为验证齿链式残膜回收机各部件工作的可靠性以及作业效果，确定最优工作参数，于2021年8月在新疆喀什地区英吾斯坦乡11村进行田间试验，样机田间试验如图11所示。

3.1 试验条件

齿链式残膜回收机样机由东方红-1804拖拉机提供动力，试验仪器有电子天平（型号：SF-550电子台秤）、皮尺、土壤水分测量仪、保鲜袋、标签纸等。

试验田为棉花田，铺设地膜厚度为0.01 mm，铺膜宽度为1 200 mm，采用四列栽植方式（660 mm+100 mm），纵向覆膜长度约为250 m，覆膜时间为2021年4月~2021年8月。试验田土地平整，收膜前已完成棉花采收，并进行秸秆粉碎还田处理。试验田土壤含水率平均值为18.73%。

3.2 试验因素

根据齿链式残膜回收机的整机结构与工作原理、关键部件的设计与分析。拾膜率与起膜装置的入土角 X₁ 、机具作业速度 X₂ 以及拾膜装置下从动链轮转速（以下简称转速） X₃ 相关。

通过对起膜装置的运动分析可知，起膜铲入土角（以下简称入土角）X₁ 取值范围为 37.5°~44.1°。通过人工手动调节限深轮的高度来设置起膜铲入土角。试验中，分别取X₁ 为38°、41°、44°。

残膜回收机的作业速度，影响着残膜回收效率和回收质量。根据拖拉机的作业速度，以及机具实际作业情况，选择残膜回收机作业速度X₂ 为3、5、7 km/h。

通过前文对拾膜装置弹齿的运动分析，可知转速范围为134~257 r/min，转速通过更换传动链轮进行匹配，选择残膜回收机拾膜弹齿下从动链轮转速X₃ 为150、200、250 r/min。

试验因素编码表如表 2 所示。

3.3 试验指标

根据《GB/T 25412-2010 残地膜回收机》规定的试验内容^［29］，结合样机实际作业情况确定拾膜率Y作为试验指标。试验在相同的膜幅上进行，每组试验区长度为100 m，试验结果取3次平均值。试验后，将测量区100 mm深度以内的残膜和集膜箱中的残膜拾取，洗净晒干后用电子秤称质量。结束后记录残膜回收机回收后的残膜质量M₁ 以及未被回收的质量M₂，计算方式如下：

Y(\mathrm{\%})=\frac{M_{\mathrm{1}}}{M_{\mathrm{1}}+M_{\mathrm{2}}}\times \mathrm{100}\mathrm{\%}（16）

式中：M₁ 为残膜回收机回收后残膜质量，kg； M₂ ：田中未被回收残膜质量，kg。

3.4 试验方案与结果

试验以拾膜率Y为试验指标，利用Design-Expert 13 软件采用三因素三水平响应面分析试验，共进行17组试验，试验方案和结果见表3。

4 结果与分析

4.1 回归模型的建立与检验

利用Design-Expert 13软件中的Box-Behnken对试验所得的数据进行分析处理，得到拾膜率的回归模型，方差结果见表4。

根据表4可知，影响因素与拾膜率所建立的二次回归模型P<0.01，表明回归模型极其显著；失拟项P=0.274 7>0.05（失拟不显著），说明模型拟合的二次回归方程与实际相符合，能正确反应残膜回收机拾膜率，回归模型可以较好的对试验结果进行预测。

模型的一次项中X₂ （机具作业速度）对拾膜率影响极显著，X₃ （转速）对拾膜率影响显著；二次项X₁² （入土角）、X₃² （转速）影响极显著；交互项X₂X₃ 影响显著，其余各项均不显著。将回归模型中的不显著因素剔除后获得编码值，得到拾膜率Y的回归方程为：

\begin{array}{l}Y=\mathrm{87.18}+\mathrm{2.56}{X}_{\mathrm{2}}+\mathrm{1.68}{X}_{\mathrm{3}}-\\ \mathrm{2.23}{X}_{\mathrm{2}}{X}_{\mathrm{3}}-\mathrm{2.74}{X_{\mathrm{1}}}^{\mathrm{2}}-\mathrm{6.57}{X_{\mathrm{3}}}^{\mathrm{2}}\end{array}（17）

4.2 各试验因素对拾膜率影响分析

试验因素对回归模型的影响程度通过贡献率K来表示，K越大，试验因素对模型的影响越大，计算公式见式（18）.表5为各试验因素的贡献率。根据表5分析，3个试验因素对残膜回收机拾膜率的影响由大到小为：转速>机具作业速度>起膜装置入土角。

\eta =\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{0}& F\le \mathrm{1}\\ \mathrm{1}-\frac{\mathrm{1}}{F}& F>\mathrm{1}\end{array}\right.（18）

K_{X_j}=\begin{array}{cc}{\eta }_{X_j}+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\sum _{i=\mathrm{1}}{\eta }_{X_i{X}_j}+{\eta }_{X_j^{\mathrm{2}}}& \begin{array}{cc}j=\mathrm{1,2},\mathrm{3}& i\ne j\end{array}\end{array}（19）

式中：F为回归方程中各回归项的F值；η为回归项对F值得考核值；K_Xj 为各试验因素贡献率。

从模型方差分析可知，起膜装置入土角对拾膜率的影响不显著，这是由于田间残膜主要存在于地表下0~10 cm，并且随着土层深度的增加而残膜含量逐渐减少，因此，当起膜装置入土角达到一定角度后，角度的增加很难再影响到拾膜率的高低。

4.3 模型显著交互项对拾膜率影响分析

为分析各交互因素对拾膜率的影响，运用Design-Expert 13软件做出各交互因素（X₂、X₃ ）对拾膜率的响应面分析图，如图12所示。

由图12可以看出，当入土角固定在41°时，随着机具作业速度由3 km/h增加到7 km/h的过程中，拾膜率逐渐增大.当作业速度固定在某一数值时，随着转速从150 r/min变化到250 r/min，拾膜率先增大后减小。当作业速度增大至7 km/h，转速增大至200 r/min附近时，拾膜率达到最大值88.6%，随着转速的继续增大，拾膜率逐渐下降。分析其原因主要是由于转速的增加，拾膜弹齿旋转和整机的振动造成残膜破碎，引起拾膜率的下降.因此，在实际的作业过程中，拾膜装置下从动链轮转速不宜超过200 r/min。

4.4 参数优化与试验验证

为最大限度改进齿链式残膜回收机的作业性能，应用Design-Expert软件的Optimization Numerical寻优功能对3个影响因素和拾膜率的回归方程进行参数优化求解，计算得到最优参数组合为：起膜装置入土角为41.173°，机具作业速度为7 km/h，转速为197.579 r/min，在此参数条件下，残膜回收机的拾膜率为89.0%。

为验证模型准确性，采用上述参数在宁夏智源农业装备有限公司试验测试区进行验证，验证进行3次重复试验，考虑到机具作业情况和参数设置精度，将起膜装置入土角设置为41°，机具作业速度为7 km/h，转速为200 r/min，结果见表6，根据模型优化的组合参数，得到试验值与模型理论值拾膜率相对误差为2.4%，此结论表明田间试验结果与参数优化模型结果高度一致。

5 结论

1） 本文首先设计了齿链式残膜回收机，分析了齿链式残膜回收机工作部件，参考相关标准，设计计算确定了起膜装置、输送装置、拾膜装置和卸膜机构的参数。

2） 基于前期设计指标，试制齿链式残膜回收样机，以起膜装置的入土角、机具作业速度和拾膜装置下从动链轮转速为影响因素，以拾膜率为试验指标，进行了田间试验.进行响应曲面分析，确定了3个因素对拾膜率影响的大小顺序为拾膜装置下从动链轮转速>机具作业速度>起膜装置入土角。

3） 经软件寻优功能，确定最优工作参数为：起膜装置入土角为41.173°，机具作业速度为7 km/h，拾膜装置下从动链轮转速为197.579 r/min，此参数下，拾膜率为89.0%，经田间试验拾膜率达到91.4%，试验验证结果良好，满足残膜回收机作业要求，表明设计合理性。

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基金资助

耕层残膜回收机关键技术研发与应用示范(2021BBF02010)