卷辊式耕层残膜回收机起膜装置的设计与试验研究

Design and experimental study of film lifting device of roll type surface residual film recovery machine

摘要

针对新疆棉田耕层残膜与土壤及根茬混合粘结，造成耕层残膜回收拾净率低的问题，提出一种旋耕起抛膜土混合物，弹齿顺向旋转捡膜，逆向旋转卸膜的耕层残膜回收方法。对起膜装置关键作业部件进行设计与参数计算；开展起膜装置起抛性能试验，分析起膜装置对不同土层深度残膜的起抛性能；以机具前进速度和刀轴转速为试验因素，残膜起膜率与破碎度为评价指标，进行2因素3水平正交试验，运用Design-Expert 13.0软件对试验结果进行分析获得起膜装置的最佳工作参数组合，并进行田间验证试验。结果表明：基于滑切原理，起膜刀正切刃的磨刃角为25°，折弯角为73°，折弯半径为30 mm，侧切刃刀刃终点滑切角为58°；起膜装置对不同土层深度的残膜起抛高度不同，且能可靠地将其抛起到捡膜高度，对土层0~150 mm深度残膜的起膜率为92.3%；当机具前进速度为4.5 km/h、刀轴转速为213.75 r/min时，残膜起膜率为90.21%，残膜破碎度为6.03 mg/块，与理论优化值误差分别不超过1个百分点和1 mg/块。起膜装置对土层0~150 mm深度的残膜起膜效果明显，且破碎度在可进行机械化捡拾作业的范围内，满足作业要求。

Abstract

Aiming at the problem that the residual film on the tillage layer of cotton fields in Xinjiang is mixed and bonded with the soil and root stubble， resulting in a low recovery rate of the residual film on the tillage layer， a rotary tillage film-throwing soil mixture is proposed in this study. The elastic teeth of the new device rotate in the forward direction to pick up the film and rotates in the opposite direction to recover film residue from the plow layer after unloading. Parameter calculation of the key operating components of the film lifting device was performed. and a lifting and throwing performance test of the film lifting device was conducted to analyze the lifting and throwing performance of the film lifting device for residual film at different soil depths. The forward speed of the machine tool and rotation speed of the cutter shaft were taken as test factors. The film forming rate and breakage of the residual film were used as evaluation indicators. A 2-factor and 3-level orthogonal test was conducted. Design-Expert 13.0 software was used to analyze the test results to obtain the optimal working parameter combination of the film forming device， and a field verification test was conducted. The results show that： Based on the sliding cutting principle， the sharpening angle of the front cutting edge of film forming knife is 25°， the bending angle is 73°， the bending radius is 30 mm， and the end sliding cutting angle of the side cutting edge is 58°. The lifting height of the residual film in different soil depths is different， and it can be reliably thrown to the film picking height. The film lifting rate for the residual film in the soil layer 0-150 mm depth is 92.3%. When the forward speed of the machine is 4.5 km/h， the cutter shaft speed is 213.75 r/min， the residual film forming rate is 90.21%， and the residual film fragmentation is 6.03 mg per block. The error from the theoretical optimal value does not exceed 1 percentage point and 1 mg per block， respectively. The film forming device has an obvious film forming effect on the residual film in the soil layer with the depth of 0-150 mm and the degree of fragmentation is within this range can be used for mechanized picking operations， which meets the operation requirements.

Graphical abstract

关键词

耕层残膜 / 起膜装置 / 残膜回收机 / 性能试验

Key words

residual film of tillage layer / film raising device / residual film recovery machine / performance test

地膜覆盖具有增温保墒、抑制杂草生长等作用，对农业生产具有重要意义^［1-3］。但耕层中残留的地膜严重影响了土壤的土质及农作物的生长环境^［4-6］，造成农作物质量和产量下降^［7-8］。新疆部分地区地膜残留量平均超过了275.63 kg/hm²，远远超过了农田地膜残留量标准规定的75 kg/hm²限值^［9］，严重制约了绿色农业的可持续发展。

目前，国外技术发达国家普遍使用的地膜力学性能较好，抗拉强度较高，易于机械化回收^［10］。国内使用的地膜厚度较薄，其抗拉强度较降低，造成当年地膜回收不彻底，且国内前期对地膜回收不彻底，造成大量地膜被埋在土壤耕层中，因此，治理耕层残膜污染问题亟需解决。基于耕层残膜污染问题的迫切需要，需加强对耕层残膜的回收工作并研发相应的起膜装置。

耕层残膜回收机按起膜原理分类，可划分为起膜铲式^［11-12］、滚刀式^［13-15］、旋耕起膜式^［16-17］耕层残膜回收机机型。郭文松等^［18］设计的梳齿式起膜气力脱膜式耕层残膜回收机，其起膜装置破结碎土能力有限，收集到的残膜含秸秆、土块等量大，拾净率平均值为55.04%；王旭峰等^［19］设计的梳齿式耕层残膜回收机，是由捡拾部件直接入土将残膜从土壤中捡拾分离出来，但是在土壤等反向阻力作用下掉落到地表的残膜量较大，导致残膜拾净率降低，拾净率平均值为73%。采用这种被动捡拾残膜的方法，未能解决由于耕层残膜力学性能差，残膜与土壤等混合捡拾阻力大等造成的回收拾净率低，含杂量高等问题。

本研究拟采用分离抛送膜土混合物的起膜方法，设计研制卷辊式耕层残膜回收机的起膜装置，以期解决传统起膜作业起膜效果差的问题，为耕层残膜回收提供理论参考。

1　整机结构与工作原理

本课题组设计的卷辊式耕层残膜回收机主要由起膜装置、卷辊捡膜机构、正反转机构、卸膜机构等组成（图1），机具总体尺寸为2 805 mm×2 309 mm×1 065 mm；配套动力为66.2 kW。

卷辊式耕层残膜回收机由拖拉机动力输出轴将动力经变速箱为起膜装置提供动力。作业时，起膜装置将残膜、土壤、根茬混合物抛送至捡膜区，当卷辊随捡膜滚筒运动到该区域时，在正反转机构的作用下使卷辊正转与膜土混合物下落的方向一致，且弹齿齿尖的线速度大于膜土混合物下落的速度，以减小土壤对残膜的捡拾阻力，同时利用残膜易缠绕特性^［20］，实现卷辊对残膜钩、卷作用，提高了拾净率，减少了含杂量；当卷辊随捡膜滚筒运动到卸膜区时，在正反转机构的作用下，实现卷辊反转，将拾取的残膜松动后在卸膜辊的作用下实现卸膜，最终将残膜收集到集膜箱内，完成起膜、正转捡膜、反转卸膜、残膜收集的工作流程，随着机具的持续移动，可实现残膜捡拾分离的连续作业过程。

2　起膜装置关键部件设计与参数确定

2.1　起膜装置设计

起膜装置是将耕层膜土混合物起抛、破结碎土的装置。本研究设计的起膜装置主要由牵引机架、变速箱、起膜刀轴、起膜刀等组成（图2）。依据卷辊式耕层残膜回收机的捡膜滚筒作业幅宽设计起膜装置的作业幅宽为1 600 mm；依据《农业机械设计手册》^［21］，起膜装置采用中间传动方式。

2.2　起膜刀设计

为增加起膜装置的起膜率，降低残膜的破碎度设计了起膜刀。起膜刀主要由刀柄和刀刃及刀背后缘组成^［22］。本研究对起膜刀的侧切刃AB与正切刃BC进行设计（图3），侧切刃设计为阿基米德螺线，以实现对土壤的切削功能；正切刃设计为空间曲线，以实现抛土功能。

2.2.1　起膜刀作业参数分析

以起膜刀轴中心为坐标圆心O，机具前进方向为x轴正方向，y轴垂直地面向下，建立xOy直角坐标系（图4），则任意起膜刀端点M（x，y）的运动轨迹方程为：

\left\{\begin{array}{l}x=v_{\mathrm{0}}t+R\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}(\omega t)\\ y=R\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}(\omega t)=R-h\end{array}\right.（1）

式中：v₀为机具前进速度，m/s；t为起膜刀转动时间，s；R为起膜刀回转半径，mm；ω为起膜刀回转角速度，rad/s；h为起膜深度，mm。

为确保起膜装置正常工作，需使起膜刀向后抛土，当v_x >0时，起膜刀刀背推土，起膜装置无法向后抛土，不满足设计要求，因此需保证起膜刀端点M（x，y）的v_x 速度不能为正值，满足公式：

(2)

为使起膜刀能有效地起膜、碎土、抛土，起膜速比λ>1，在起膜刀回转的同一纵向平面内，前后两相邻起膜刀的切土间距为起膜装置的切土节距（S_z），即^［21］：

S_{\mathrm{z}}=\frac{\mathrm{60}{v}_{\mathrm{0}}}{Zn}(3)

式中：n为起膜刀转速，r/min；Z为同一平面内安装的起膜刀数。

联立式（2）和（3）得起膜刀转速（n）为：

zn=\frac{\mathrm{60}{v}_{\mathrm{0}}}{Z{S}_{\mathrm{z}}}=\mathrm{30}\frac{v_{\mathrm{0}}-v_x}{\mathrm{\pi }(R-h)}(4)

由式（3）可知，改变机具前进速度、同一回转平面内的起膜刀数量、起膜刀的转速都可以改变其切土节距。但同一平面内的起膜刀不宜过多，刀片越多，起膜装置切土节距越小，容易造成堵塞；另一方面切土节距变大，切下的土块厚度就变大，将导致碎土情况差，膜土不易分离。

由式（4）可知，除切土节距S_z，以及同一平面内安装的起膜刀数Z、起膜深度h外，起膜装置的主要运动参数为机组前进速度v₀与起膜刀转速n。根据GB/T 2541—2021《残地膜回收机》^［23］作业性能的指标要求，当起膜深度h=150 mm，拖拉机前进速度取2.5 km/h时，经计算，起膜刀切土节距S_z=97 mm，起膜速比λ>3，满足起膜、碎土、抛土的作用，结合传动系统设计起膜刀转速n=213.75 r/min。

2.2.2　起膜刀切土宽度、切土节距及重叠量

起膜装置作业时，排列在圆周上的起膜刀依次入土切削土壤，当一把起膜刀沿余摆线入土切削土壤后，相邻的另一把起膜刀也沿相同的余摆线运动，进行入土切削作业。相邻起膜刀的运动轨迹相同，只是沿水平方向平移S_z位移，即切土节距；而相邻起膜刀的轨迹在地表重叠的长度为S_c，即重叠量；起膜刀运动时余摆线在地表上的长度S，即切土宽度（图5）。重叠量和切土节距对起膜装置的碎土性能有重要影响，随着重叠量的增大，切土节距的减小均能提升碎土性能。

1）切土宽度S。

为分析起膜刀的切土宽度，以起膜刀轴中心为坐标圆心O，机具前进方向为x轴正方向，y轴垂直地面向下，建立xOy直角坐标系，起膜刀端点和地表面交点坐标为M₀（x₀，y₀）和M₂（x₂，y₂），和作业耕深处的平面交点坐标为M₁（x₁，y₁）（图6）。

当起膜刀端点在M₀点时，y₀=R－h，由式（1）得：

\left\{\begin{array}{l}\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\omega {\mathrm{t}}_{\mathrm{0}}=\frac{\sqrt[]{\mathrm{2}Rh-h^{\mathrm{2}}}}{R}\\ t_{\mathrm{0}}=\frac{\mathrm{1}}{\omega }\mathrm{a}\mathrm{r}\mathrm{c}\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\frac{R-h}{R}\end{array}\right.

当起膜刀端点在M₁点时，y₁=R，此时ωt₁=π/2，由S=2（x₀－x₁）可得：

S=\mathrm{2}\sqrt[]{h(\mathrm{2}R-h)}+\frac{v_{\mathrm{0}}}{\omega }(\mathrm{2}\omega t-\mathrm{\pi })

若起膜装置的结构参数R和工作深度h为常量，则S将随运动参数v₀和ω比值的增大而减小。S为正值时，对起膜刀旋切土壤才具有意义。因此可得：

\frac{v_{\mathrm{0}}}{\omega }>\frac{\sqrt[]{h(\mathrm{2}R-h)}}{\left(\omega t-\frac{\mathrm{\pi }}{\mathrm{2}}\right)}（5）

2）切土节距S_z。

起膜装置切土节距的大小直接影响碎土质量。通过降低机具前进速度，提高起膜刀角速度和增加切削小区内的刀片数，都能减小切土节距，提高碎土质量。但机具前进速度过慢，生产率低；起膜刀转速过快，功率消耗；刀片数增多，刀间的空隙小，容易堵泥缠草。因此，切土节距不能选择过小。

设Z为起膜装置同一安装平面内刀片数，则相邻两刀间的夹角：

S_{\mathrm{z}}=v_{\mathrm{0}}t=\frac{\mathrm{2}\mathrm{\pi }{v}_{\mathrm{0}}}{Z\omega }（6）

由式（6）可知，当起膜装置的结构确定后，参数Z为常量，若增大机具前进速度v₀和起膜刀ω的比值，就可增大切土节距S_z。

3）重叠量S_c。

根据定义，重叠量S_c=S－S_z，则有：

S_{\mathrm{c}}=\mathrm{2}\sqrt[]{h(\mathrm{2}R-h)}-\frac{v_{\mathrm{0}}}{\omega }\left(\frac{\mathrm{\pi }(Z+\mathrm{2})}{Z}-\right.\left.\mathrm{2}\mathrm{a}\mathrm{r}\mathrm{c}\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\frac{R-h}{R}\right)（7）

重叠量S_c愈大，则切土节距S_z愈小，也就是土块愈细碎，作业质量越好。当起膜装置的结构参数Z、R为常量时，若增加机具作业速度v₀和ω的比值，就能增大S_c的量。

设其他参数为常量时，作业速度v₀与重叠量S_c呈直线递减关系，表明降低机具前进速度v₀，可增大重叠量S_c提高士块细碎程度。

设其他参数为常量时，起膜刀角速度ω与重叠量S_c呈递增关系，表明提高起膜刀的角速度ω，可增大重叠量S_c提高土块细碎程度。

设其他参数为常量时，同一平面内安装的起膜刀数Z与重叠量S_c呈递增关系，表明增加起膜刀的数量Z，可增大重叠量S_c，提高土块细碎程度。

2.2.3　起膜刀正切刃曲线设计

为了使起膜刀正切面具有破结碎土、抛起膜土混合物的能力，对其正切面进行设计。起膜刀作业过程中，若正切刃面与土壤接触时，被挤压进土壤中，会导致起膜刀起膜深度下降，造成起膜深度不足。对起膜刀正切刃切削土壤过程进行分析（图7）。

起膜刀在A点处开始转动，记起始角为0°，则A点处的绝对速度v_a是拖拉机前进速度v₀与起膜刀线速度ωR之和。由图7可知随着起膜刀回转角度增加，各点线速度与绝对速度的夹角也在逐渐增大，各点处的绝对速度在缓慢减小，由此可得点A、B的绝对速度分别为：

\left\{\begin{array}{l}{v}_{\mathrm{a}}=\omega R+v_{\mathrm{0}}\\ v_{\mathrm{b}}=\omega R\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\mathrm{\Delta }\delta +v_{\mathrm{0}}\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}(\mathrm{\Delta }\phi -\mathrm{\Delta }\delta )\end{array}\right.

式中：v_a、v_b分别为A、B点的绝对速度，m/s；Δδ为B点的线速度与绝对速度的夹角，（°）。

C点为起膜刀回转轨迹线与起膜装置刀轴圆心延长线的交点，此刻起膜刀的线速度与绝对速度之间的夹角最大，假设其最大值为Δδ_max，且绝对速度与大地垂直，则有：

\left\{\begin{array}{l}\mathrm{\Delta }{\delta }_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}=\mathrm{a}\mathrm{r}\mathrm{c}\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\frac{v_{\mathrm{0}}}{\omega R}\\ v_c=\omega R\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\mathrm{\Delta }{\delta }_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}\end{array}\right.

起膜刀的安装角θ为：

\theta =\frac{\mathrm{\pi }}{\mathrm{2}}-{\delta }_{\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}}-\mathrm{\Delta }{\delta }_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}（8）

起膜刀的刀背面安装角临界值θ₀的计算式为：

{\theta }_{\mathrm{0}}=\mathrm{a}\mathrm{r}\mathrm{c}\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\left\{\frac{\sqrt[]{I}}{I}\cdot \mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\left[\mathrm{a}\mathrm{r}\mathrm{c}\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}(\mathrm{1}-K)-\mathrm{a}\mathrm{r}\mathrm{c}\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\frac{\mathrm{1}-K}{\sqrt[]{L}}+\lambda \sqrt[]{\mathrm{2}K-{(K)}^{\mathrm{2}}}-\lambda \sqrt[]{\mathrm{1}+{(I)}^{\mathrm{2}}}-\mathrm{2}I\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}{\theta }_{\mathrm{0}}-{(\mathrm{1}-K)}^{\mathrm{2}}\right]\right\}（9）

式中：I=l/R；K=h/R；L=1+（I）²－2Icosθ₀；θ₀为起膜刀刀背面临界安装角，（°）；l为起膜刀刃口宽度，mm。

计算得θ₀=73.43°，且刀背面安装角应该满足式（10）的关系，其选取原则应遵循刀背面安装角θ_α不大于临界安装角θ，即：

{\theta }_{\mathrm{\alpha }}={\theta }_{\mathrm{0}}+\eta（10）

式中：θ_α为刀背面安装角，（°）；η为磨刃角，（°）。

设计时应保证最小切削角尽可能小，但磨刃角η不宜过小^［24］，其目的在于防止起膜刀正切刃与未作业的膜土混合物接触，且能降低起膜刀刃口的破损。起膜速比λ>3时，由式（8）可得起膜刀隙角>1°，结合《农业机械设计手册》^［21］可知设计符合要求，且设计磨刃角η=25°，起膜刀安装角θ=53°。

设计的起膜刀不仅要保证其具有破结碎土、抛起膜土混合物的性能，且使其工作阻力足够小。在保证起膜刀滑切性能的同时，使起膜刀正切刃与侧切刃过度平缓，故选择起膜刀正切刃曲线为阿基米德螺线。作业时，起膜刀的侧切刃与侧切部先进入土壤，正切刃、正切部后进入土壤，有利于减少刀刃上缠膜、挂茬。设计起膜刀正切刃工作幅b=53 mm、折弯角β=73°、折弯半径r=30 mm。

2.2.4　起膜刀侧切刃曲线设计

为使起膜刀侧切刃能有效的抛起膜土混合物，且降低残膜、根茬缠绕刀具，降低作业阻力^［23］，满足设计方案的作业耕深，故选择起膜刀侧切刃曲线为阿基米德螺线。θ_n为侧切刃终点处的极角：

{\theta }_{\mathrm{n}}=\frac{{\rho }_{\mathrm{n}}-\rho }{\rho }\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{n}{\mathrm{\tau }}_n

式中：ρ_n为侧切刃终点处的极径，mm；ρ为侧切刃上某一点的极径，mm；τ_n为刀刃终点处滑切角，rad。

起膜刀侧切刃作业受力分析见图8，残膜受到侧切刃的法向反力F_n，F_n与该点处的摩擦力f垂直，且与法线N平行；其中法向反力F_n可分解为与摩擦力反向共线的力F_n，2及矢量F_n，1，由受力分析知，当F_n，2大于该点处的摩擦力f时，起膜刀侧切刃刃口曲线将不会缠绕残膜，且在作业过程中阻力小，即：

\left\{\begin{array}{l}{F}_{\mathrm{n},\mathrm{2}}=F_{\mathrm{n}}\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{n}{\mathrm{\tau }}_{\mathrm{c}}\\ f=\mu F_n\\ \mu =\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{n}\psi \end{array}\right.

式中：F_n，2为F_n的切向分力，N；F_n为侧切刃法向力，N；f为侧切刃切线方向摩擦力，N；τ_c为侧切刃的动态滑切角（°）；ψ为F_n，1与F_n之间的夹角（°）；μ为残膜与起膜刀侧切刃之间的摩擦因数。

减小起膜刀侧切刃法向方向的力，增大该点切线方向的力，可有效降低其作业阻力^［25］，即满足：

(11)

由式（11）可得：ψ<τ_c。

动态滑切角是在假设机具作业前进速度为零时的滑切角。但在实际作业过程中动态滑切角受机具前进速度影响极显著，所以起膜刀的滑切性能受到动态滑切角τ_c影响，假设侧切刃某一点速度v的法向分量用v_n表示，切向分量用v_t表示，即^［21］：

{\mathrm{\tau }}_{\mathrm{c}}=\mathrm{\tau }-\mathrm{\Delta }\mathrm{\tau }=\mathrm{a}\mathrm{r}\mathrm{c}\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{n}\frac{v_{\mathrm{t}}}{v_{\mathrm{n}}}(12)

根据式（12），起膜速比λ一定时，Δτ随着起膜刀逐渐入土而减小，因此，Δτ存在最大作业值，且最大值仅当在起膜刀侧切刃与地表面接触时取到；残膜与起膜刀的摩擦因数μ=0.6^［26］，摩擦角ψ=36°，由式（11）可得动态滑切角τ_c>36°，取刀刃终点处滑切角τ_n=58°，参考《农业机械设计手册》^［21］刀刃终点处的滑切角常取50°~60°，满足设计要求。

2.3　起膜刀排列设计

起膜刀排列方式会对起膜装置的起膜质量、破结碎土、机具稳定性等指标造成影响。在起膜装置中，左起膜刀轴与右起刀轴为对称布置，刀片在左、右起膜刀轴上分别按照双头螺旋线方式排布，左右起膜刀轴螺旋线旋向相同，升角相同。根据《农业机械设计手册》^［21］，起膜装置同一安装平面内刀片数Z取2。在起膜刀轴同一安装横截面上，安装一把左弯刀，一把右弯刀，左右弯刀在刀轴上交错对称安装，作业后地面平整，有利于后续播种。

起膜装置刀轴上安装刀片总数计算式为：

\left\{\begin{array}{l}U=(\mathrm{1000}\sigma Z)/c^{\mathrm{\text{'}}}\\ c^{\mathrm{\text{'}}}=c+\mathrm{\Delta }c\end{array}\right.

式中：c′为起膜刀座安装间距，mm；c为起膜刀工作幅宽，mm；Z为同一平面内安装的起膜刀数；Δc为起膜刀工作幅宽与刀座安装间距之差，mm；U为总计起膜刀数，取偶数；σ为起膜装置的起膜幅宽，m。

起膜刀的作业幅宽与起膜刀之间的安装距离有关，参考《农业机械设计手册》^［21］取Δc为15~20 mm，即U取22，则共需要44把起膜刀；取刀轴外径80 mm，内径60 mm^［27］。由于卷辊式耕层残膜回收机的捡膜滚筒幅宽小于起膜装置的幅宽，为了使得起膜装置有效起膜、捡膜、降低损耗，需要取掉右侧刀轴靠近轴承的2把刀片，使得起膜、捡膜幅宽一致。根据《农业机械设计手册》^［21］，同一刀轴截面安装的起膜刀夹角取120°，左右刀轴起始位置安装角度差ζ为：

\zeta =\frac{\mathrm{120}°}{U}

起膜刀排列展开图见图9。

3　起膜装置性能试验

3.1　试验条件

为验证卷辊式耕层残膜回收机起膜装置的起膜率、残膜破碎度及起抛性能，于2023年4月在新疆智能农业装备重点实验室进行试验研究。本次试验通过TCC电力四驱土槽车牵引；通过TCC电力四驱土槽车的变频器控制起膜装置刀轴的转速。为了模拟田间环境，试验前对土槽进行浇水、耕整地等试验前的准备工作。试验土槽土壤紧实度为41 kg/cm²，含水率为16.7%~22.1%。试验所需残膜从新疆沙雅县铺膜种植10年以上的棉花农田中采集，按照GB/T 25412—2021《残地膜回收机》^［23］的测点取样方法，在1 m×1 m的样方内分别采集0~50、50~100、100~150 mm土层深度（H）的残膜。

3.2　试验指标

1）残膜破碎度。残膜破碎度的大小对捡膜滚筒的作业性能有直接影响，破碎度越小机械捡拾难度越高。为保证起膜装置对耕层膜土混合物破结碎土的同时，降低对残膜的机械破碎作用，开展残膜破碎度试验研究。试验前分别清洗0~50、50~100、100~150 mm土层深度的残膜，晒干、称重后统计残膜的片数，并计算残膜的破碎度。将不同耕层深度的残膜按倾斜、垂直、水平等不规则状态，按取样顺序分别均匀的预埋在0~50、50~100、100~150 mm土层深度的1 m×1 m土槽中。试验后分别收集不同耕层深度的残膜，进行清洗、晒干、称重及片数统计，并计算残膜的破碎度。重复3次试验，取平均值。根据DB65/T3837—2015《农田土壤残膜调查技术规范》^［28］要求计算残膜的破碎度，公式为：

F=\frac{M}{P}

式中：F为破碎度，mg/块；M为样方内残膜总质量，mg；P为样方内残膜总数量，块。

2）残膜起膜率。卷辊式耕层残膜回收机起膜装置的起膜率计算公式为：

J=\frac{W}{M}\times \mathrm{100}\mathrm{\%}

式中：J为起膜率，%；W为起膜装置起出的残膜质量，g。

3.3　起膜装置起抛性能试验

本研究自行设计了起膜装置的起抛性能试验台，试验时安装在起膜装置后方，依据捡膜滚筒捡膜区域高度将试验台平均划分为3层，每层高度为175 mm（图10）。

试验前清洗、晒干残膜并称重，且将0~50、50~100 mm土层深度的残膜分别涂为黑色和红色，100~150 mm土层深度的残膜不涂色（白色）。将涂色处理后的残膜按倾斜、垂直、水平等不规则状态，分别均匀的预埋在0~50、50~100、100~150 mm土层深度的1 m×1 m的土槽内（图11）。

试验时，起膜装置将膜土混合物抛起到试验台的不同高度，通过判定不同高度残膜的颜色，以获得起膜装置的起抛性能。试验后，将相同高度中的残膜分别按颜色收集，再次清洗、晒干并称重。重复3次试验，取平均值。每层中染色残膜的起抛率计算公式为：

\mathrm{\gamma }=\frac{Q}{M}\times \mathrm{100}\mathrm{\%}

式中：γ为起抛率，%；Q为残膜质量，g。

机具前进速度为4.5 km/h，刀轴转速213.75 r/min时，起膜装置起抛性能试验测试结果见表1。起膜装置对0~150 mm土层深度残膜的总起膜率为92.3%。其中，对0~50 mm土层深度的残膜起膜率为42.6%，该土层深度37.9%的残膜主要抛到试验台第2层；起膜装置对50~100 mm土层深度的残膜起膜率为18.8%，该土层深度13.6%的残膜主要抛到试验台第3层；起膜装置对100~150 mm土层深度的残膜起膜率为30.9%，该土层深度22.6%的残膜抛到试验台的第1层。可见起膜装置能可靠地将耕层内的残膜抛起到捡膜高度。

3.4　试验方案

以机具前进速度X₁、刀轴转速X₂为影响因素，残膜起膜率Y₁和破碎度Y₂为评价指标，进行2因素3水平起膜装置性能试验。结合生产需要选择机具前进速度X₁为2.5~6.5 km/h，根据本文2.2.1分析结果，适当调整刀轴转速，即刀轴转速X₂为197.92~229.58 r/min，对应TCC电力四驱土槽车的动力输出轴分别为500、540、580 r/min。试验因素与水平见表2。

运用Design-Expert13.0软件对试验结果进行分析，结果见表3。可知，残膜起膜率均值为89.33%，破碎度均值为5.12 mg/块。

对试验结果进行多元回归分析，得出机具前进速度、刀轴转速与起膜率及破碎度的回归模型，为评价各因素对试验指标的显著性程度，对模型进行方差分析结果见表4。残膜起膜率Y₁的回归模型极显著，机具前进速度X₁、刀轴转速X₂对起膜率Y₁的影响极显著；残膜破碎度Y₂的回归模型显著，机具前进速度X₁、刀轴转速X₂对破碎度Y₂的影响显著。机具前进速度X₁、刀轴转速X₂对起膜率Y₁和破碎度Y₂的回归方程为：

Y_{\mathrm{1}}=\mathrm{89.33}+\mathrm{3.408}\mathrm{9}{X}_{\mathrm{1}}-\mathrm{3.13}{X}_{\mathrm{2}}

Y_{\mathrm{2}}=\mathrm{5.11}-\mathrm{1.672}\mathrm{2}{X}_{\mathrm{1}}+\mathrm{1.944}\mathrm{4}{X}_{\mathrm{2}}

机具前进速度和刀轴转速对起膜率影响极显著，对破碎度影响显著。当机具前进速度一定时，增大刀轴转速，则会增加单位面积起膜刀的起膜次数，提高了起膜率，加重了残膜破碎程度，增加了机械捡拾的难度；反之，适当减小刀轴转速，起膜刀在土壤中滞留时间延长，水平起膜运动位移也相应增加，导致起膜率降低，残膜破碎程度减小；当刀轴转速一定时，机具前进速度对起膜率影响极显著，对破碎度影响显著。

为得到起膜装置作业最优参数组合，以提高残膜起膜率、破碎度为目标，对起膜装置的前进速度、刀轴转速进行优化求解，确定约束条件如下：

\left\{\begin{array}{l}\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}{Y}_{\mathrm{1}}(X_{\mathrm{1}},X_{\mathrm{2}})\\ \mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}{Y}_{\mathrm{2}}(X_{\mathrm{1}},X_{\mathrm{2}})\\ \mathrm{2}.{\mathrm{5}}^{}\mathrm{k}\mathrm{m}/\mathrm{h}\le X_{\mathrm{1}}\le \mathrm{6}.{\mathrm{5}}^{}\mathrm{k}\mathrm{m}/\mathrm{h}\\ \mathrm{197}.{\mathrm{92}}^{}\mathrm{r}/\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}\le X_{\mathrm{2}}\le \mathrm{229}.{\mathrm{58}}^{}\mathrm{r}/\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}\end{array}\right.

通过软件Design-Expert13.0进行寻优，得到较优参数组合：机具前进速度为4.5 km/h、刀轴转速213.75 r/min，此时残膜起膜率为91.37%，破碎度为5.11 mg/块。

在较优作业参数（机具前进速度为4.5 km/h，刀轴转速213.75 r/min）下进行田间验证试验。试验前，按照GB/T 25412—2021《残地膜回收机》^［23］的测点取样方法，选择1 m×1 m的样方，采取0~50、50~100、100~150 mm土层深度残膜，清洗、晾干、称重，分别计算残膜的破碎度，重复3组取平均值；试验时，在试验前挑选的3个侧点附近但不重叠的区域再选择3个测点进行试验，试验后分别收集这3个测点0~50、50~100、100~150 mm土层深度的残膜，清洗、晾干、称重，分别计算残膜的破碎度，取平均值。结果表明：平均起膜率为90.21%，平均破碎度为6.03 mg/块。表明起膜装置具有良好的起膜率，且破碎度在可进行机械化捡拾作业的范围内，符合设计要求。

4　结　论

本研究针对耕层残膜回收机传统起膜铲式、滚刀式、旋耕起膜式破结碎土能力有限、起膜效果差等问题，设计了一种起膜装置，提出了分离抛送膜土混合物的起膜方法，并对起膜装置的关键部件进行了设计。

1）对起膜刀进行分析，得到了影响切土宽度、切土节距、重叠量的关键因素；基于滑切原理设计了起膜刀关键部件参数，其中起膜刀正切刃的磨刃角η=25°，安装角θ=53°，工作幅宽b=53 mm，折弯角β=73°，折弯半径r=30 mm；侧切刃刀刃终点处滑切角τ_n=58°。

2）起膜装置起抛试验结果表明，起膜装置对0~150 mm土层深度残膜总起膜率为92.3%。其中起膜装置可将0~50 mm土层深度37.9%的残膜抛起到试验台的第2层；50~100 mm土层深度13.6%的残膜抛起到试验台的第3层，100~150 mm土层深度13.6%的残膜抛起到试验台的第1层，表明起膜装置能将土层内的残膜起抛到捡拾高度。

3）以残膜起膜率、破碎度为试验指标，机具前进速度、刀轴转速为试验因素开展起膜装置性能正交试验，得到起膜装置较优参数组合：机具前进速度为4.5 km/h，刀轴转速213.75 r/min，此时残膜起膜率为91.37%，破碎度为5.11 mg/块；以较优工作参数进行田间验证试验，残膜起膜率为90.21%，破碎度为6.03 mg/块。

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基金资助

国家自然科学基金项目(52105278)

新疆农机研发制造推广应用一体化项目(YTHSD2022-10)

新疆维吾尔自治区重点研发计划项目(2022B02038)