輥軸式殘膜打包裝置的設計與試驗

周金豹，謝建華,2，曹肆林,3，張 毅,2，張雁鴻，劉 旺

(1 新疆農業大學 機電工程學院,新疆 烏魯木齊 830052；2 新疆智能農業裝備重點實驗室,新疆 烏魯木齊 830052；3 新疆農墾科學院 機械裝備研究所,新疆 石河子 832000)

自20 世紀70 年代末引入中國，地膜覆蓋技術已應用在棉花、玉米、甜菜、蔬菜等30 多種農作物的生產過程中，對農作物的增產起到了積極的作用[1-2]。地膜覆蓋技術的應用雖然給農業生產帶來巨大經濟效益，但也對生態環境造成了嚴重的“白色”污染[3-4]。滯留在田間的地膜使土質硬化，土壤養分降低、肥力下降，嚴重阻礙了我國農業的可持續發展[5-6]。

國外使用的地膜較厚、強度較大，一般采用卷收的方式回收打包，相關機型有Rocca[7]發明的塑料薄膜回收機、Lavo[8]發明的卷筒式收膜機。國內研制的殘膜回收機械高達上百種，部分殘膜回收機械已有較高的回收效率[9-10]，但國內使用的地膜力學性能較差，回收的地膜多為碎塊狀，采用卷收方式回收的效果較差，因此，國內殘膜打包機多借鑒已有的牧草、秸稈打捆技術。張愛民等[11]研制的棉田殘茬廢膜收集打包機將棉稈與殘膜打成捆，不利于秸稈及殘膜資源的回收利用。由佳翰等[12]研制了CMJY-1500 型農田殘膜撿拾打包聯合作業機，采用液壓的方式完成殘膜的打包壓實作業，打出的殘膜膜包密度高，但整機結構復雜。李凈凱等[13]設計了4MJK 地膜回收聯合作業機，利用安裝在機具中段的2 組卷膜皮帶對殘膜打包，整機結構簡單且成捆率較高，但需要頻繁卸膜，工作效率不高。

對殘膜打包裝置關鍵部件進行設計時缺乏理論研究，多依賴于生產實踐經驗選擇合適的工作參數，現有機型普遍存在回收后的地膜松散、占用空間大以及頻繁卸膜等問題，這不但增加了農業生產成本，也不利于殘膜回收后的運輸存儲[14-16]，并且現有殘膜打包裝置還存在膜包含雜率過高的問題。因此，在殘膜回收作業中進行殘膜打包處理，是機械化回收殘膜的發展方向。針對上述問題，本文設計一種集殘膜清雜及殘膜打包為一體的輥軸式殘膜打包裝置，對打包裝置的核心部件進行分析與研究，確定打包裝置的工作參數，制作樣機并進行田間試驗，以期為殘膜資源存儲、輸送以及二次利用提供有效的裝備支撐。

1 整機結構與工作原理

1.1 整機結構

輥軸式殘膜打包裝置一般與殘膜撿拾裝置組合成輥軸式殘膜撿拾打包機在田間使用，輥軸式殘膜撿拾打包機主要由牽引架、限深輥、變速箱、撿拾裝置、螺旋輸送器以及輥軸式殘膜打包裝置組成，整機結構如圖1 所示。

圖1 輥軸式殘膜撿拾打包機結構圖Fig.1 Structure diagram of roll-shaft-type residual film pickup and packing machine

1.2 工作原理

拖拉機牽引機具前行，動力由后輸出軸經變速箱減速后驅動撿拾裝置、螺旋輸送器和輥軸式殘膜打包裝置運轉。撿拾裝置在螺旋輸送器的配合下工作，將撿拾到的殘膜與雜質送至輥軸式殘膜打包裝置，雜質排出機體，殘膜則打包壓縮成殘膜膜包，膜包用網繩包裹后從打包室中排出。

輥軸式殘膜打包裝置由清雜輸送機構、打包機構、電動纏網系統、傳動系統、機架及行走輪組成，如圖2 所示。輥軸式殘膜打包裝置工作，進入成捆機構中的殘膜與雜質混合在一起，受清雜輸送機構傾斜角度與清雜輸送輥摩擦碰撞的影響，雜質與殘膜分離并從清雜輸送輥間隙處掉落，完成清雜作業，殘膜則被運輸至打包機構中。在打包機構中，殘膜在打包輥順時針方向的摩擦帶動作用下，殘膜在打包室內逆時針轉動形成殘膜捆芯(圖3a)。隨著進入打包室中的殘膜的增加，殘膜捆芯不斷積累殘膜，逐漸形成了殘膜膜包(圖3b)。通過殘膜的不斷輸入，殘膜膜包逐漸增大并達到規定的密度(圖3c)。此時安裝在打包裝置側板的霍爾式開關斷開，警示燈閃爍，此時駕駛員控制電動纏網系統對殘膜膜包進行纏網作業。纏網作業結束后，駕駛員驅動液壓系統將膜包卸下(圖3d)，完成殘膜的打包工作。

圖2 輥軸式殘膜打包裝置結構圖Fig.2 Structure diagram of roll-shaft-type residual film packing device

圖3 輥軸式殘膜打包裝置工作原理圖Fig.3 Working principle diagram of roll-shaft-type residual film packing device

2 主要部件設計

2.1 清雜輸送機構的設計

清雜輸送機構布置在打包機構的前端，是實現殘膜輸送及清雜作業的關鍵，主要由傳動鏈、清雜輸送輥、側板等組成，結構簡圖見圖4。

圖4 清雜輸送機構結構簡圖Fig.4 Structure diagram of cleaning conveyor mechanism

2.1.1 清雜輸送機構 清雜輸送輥是清雜輸送機構的主要工作部件，其結構參數會直接影響殘膜的輸送與雜質的清理，故設計清雜輸送輥的結構參數具有重要意義。殘膜屬于大變形柔性材料，根據其物理特性并結合實際觀察可知，殘膜與清雜輸送輥接觸弧面的任意點所受到力的方向具有隨機性，對于任意點所受到的力沿清雜輸送輥徑向的分力才對殘膜與清雜輸送輥間的摩擦力有影響[17]。設弧面內任一點受到的徑向力為F(α)，如圖5 所示，則單個清雜輸送輥對殘膜提供的摩擦力(Ff) 計算公式為：

圖5 殘膜與清雜輸送輥接觸示意圖Fig.5 Contact diagram of residual film and cleaning conveyor roller

式中，l為清雜輸送輥長度，mm；r為清雜輸送輥半徑，mm；α為殘膜與清雜輸送輥接觸弧面所對應的角度，(°)；F(α)為任意角度處殘膜沿清雜輸送輥徑向的作用力，N；μ為摩擦系數。

殘膜與清雜輸送輥總接觸面積(S)計算公式為：

式中，S為殘膜與清雜輸送輥的總面積，mm2；n為清雜輸送輥數量。

由式(1)、(2)可知，殘膜的摩擦導送能力與清雜輸送輥的數量、半徑、摩擦系數、長度以及殘膜與清雜輸送輥的總接觸面積有關，因此設計清雜輸送輥時需要綜合考慮上述指標。

清雜輸送輥橫截面形狀有圓形、鋸齒形和多邊形，由于殘膜質輕且表面光滑，殘膜輸送時圓形清雜輸送輥與殘膜間的摩擦系數較小，易發生打滑并導致殘膜堆積問題；鋸齒形清雜輸送輥雖然與殘膜間的摩擦系數較大，但鋸齒易鉤扯殘膜，造成殘膜纏繞在清雜輸送輥從而引發堵塞，致使清雜輸送輥抱死無法作業[18]。因此，根據清雜輸送輥的設計原則[19-20]，清雜輸送輥橫截面形狀選用八邊形，清雜輸送輥半徑為90 mm，圓心到棱齒的距離為10 mm；清雜輸送輥長度的選取需考慮殘膜膜包運輸要求，設計膜包長度為1 200 mm，取清雜輸送輥長度為1 200 mm。為了便于后續分析，對清雜輸送輥模型進行簡化，將其凹凸分布的表面簡化為表面粗糙的圓面，選取圓心到棱齒最高點的距離作為清雜輸送輥半徑，清雜輸送輥半徑r=100 mm。

2.1.2 清雜輸送輥的布置 對清雜輸送機構的作業機理進行分析，確定清雜輸送鋼輥的布置間隙。殘膜與雜質在清雜輸送機構中的運動過程可以分為落入階段和清雜輸送階段，如圖6 所示。

圖6 清雜輸送機構作業示意圖Fig.6 Operation diagram of cleaning conveyor mechanism

在落入階段，由于殘膜具有不易聚集成團、有較強靜電吸附性的特點，因此以一定的初始速度進入清雜輸送機構中的殘膜之間互相牽扯，可形成長度、寬度均較大的帶狀殘膜，在清雜輸送輥的摩擦帶動下，帶狀殘膜的運動速度在極短的時間加速至與清雜輸送機構輸送速度一致，不會出現從清雜輸送輥間隙處掉落的現象。雜質主要由細小的土壤和棉花枝葉組成，當其進入清雜輸送機構時，在碰撞作用下，部分雜質會從清雜輸送輥間隙處掉落，而另一部分雜質則和殘膜一起進入清雜輸送階段。

殘膜的輸送與雜質的清理均在清雜輸送階段完成。殘膜在清雜系統中連續運動既要滿足與清雜輸送輥接觸后能被帶動繼續運動，又要滿足能夠與下一清雜輸送輥發生接觸。對殘膜的輸送過程進行分析，以清雜輸送輥C2圓心O1為坐標原點，水平向右方向為x軸方向，豎直方向為y軸方向，建立殘膜的運動與受力分析示意圖(圖7)。

圖7 殘膜在清雜輸送階段的運動示意圖Fig.7 Motion diagram of residual film at cleaning and conveying stage

殘膜被清雜輸送輥帶動繼續運動的必要條件為：

式中，F為殘膜受到的合力，N；N為殘膜法向支持力，N；G1為殘膜重力的法向分力，N；G2為殘膜重力的切向分力，N；Fp為慣性力，N；v1為清雜輸送機構的輸送速度，m/s；m1為殘膜在碰撞處的質量，kg；θ1為切向力與豎直方向的正向夾角，(°)；θ2為慣性力與切向力的夾角，(°)；g為重力加速度，m/s2。

對式(3)進行簡化可得：

由前文分析可知r=100 mm=0.1 m，取摩擦系數[21]為0.5，從數學計算角度對式(8) 進行分析，(cosθ1-μsinθ1)取最大值、(μsinθ2+cosθ2)取最小值可得清雜輸送機構輸送速度≥1.4 m/s，故當清雜輸送機構運動速度大于1.4 m/s 時，殘膜被與其接觸的清雜輸送輥帶動并繼續運動。根據殘膜打包裝置的設計要求，查閱文獻[22]可知由鋼輥組成的清雜輸送機構的輸送速度范圍為0.5～2.5 m/s，結合單位時間內膜雜混合物的喂入量，確定清雜輸送機構的輸送速度為1.4～1.6 m/s。

根據拋物運動規律，帶狀殘膜從點A1處離開清雜輸送輥C2向清雜輸送輥C3的運動為平拋運動，其運動軌跡方程與清雜輸送輥的圓心所在直線的方程(L)為：

設在殘膜運動時不與下一清雜輸送輥發生接觸的條件下，殘膜運動軌跡方程與L的交點為(x0,y0)，此時可得清雜輸送輥布置間隙最大值為：

式中，s為交點A到圓心O1的距離，mm；d為清雜輸送輥布置間隙，mm；β為清雜輸送機構傾斜角度，(°)。

清雜輸送機構與水平地面的傾斜角度通過調節機具前端的限深輥實現，考慮地面平整情況與機構的結構特點，清雜輸送機構傾斜角度下限值為0°，調節限深輥使清雜輸送機構傾斜角度達到最大(15°)，故清雜輸送機構傾斜角度(β)的變化范圍為0～15°，取β=0°；根據速度的變化范圍，取v1=1.6 m/s，將相關參數代入式(9)、(10)中可得清雜輸送輥布置間隙最大為200 mm，結合前文分析可知，在殘膜連續輸送的條件下，清雜輸送輥布置間隙不能超過200 mm。

為了確保雜質能夠從清雜輸送輥間隙處掉落，需分析雜質與清雜輸送輥碰撞后不能在其帶動作用下繼續運動的條件。以清雜輸送輥C4圓心O4為坐標原點，輸送方向為x軸方向，豎直方向為y方向，建立雜質的運動分析示意圖(圖8)。

圖8 雜質運動分析示意圖Fig.8 Impurity motion analysis diagram

雜質從點A2處離開清雜輸送輥C4向清雜輸送輥C5的運動為平拋運動，其運動軌跡方程為：

清雜輸送輥C5在坐標系中的圓周方程為：

式中，x1為以圓心O4為原點時圓心O5的橫坐標，mm；y1為以圓心O4為原點時圓心O5的縱坐標，mm。

設碰撞點B的坐標為(x2,y2)，基于分析可得雜質在碰撞點B處受到的摩擦導送速度與水平方向的正向夾角(τ)為：

基于反射定理，可得雜質非彈性碰撞反彈時受到的回彈速度與水平方向的負方向夾角(φ)為：

根據式(13)和(14)可得摩擦導送速度與回彈速度之間的夾角(λ)為：

根據速度的變化范圍，取清除雜質的初始速度為v1=1.6 m/s；選取清雜輸送輥間隙(d)變化范圍為0～30 mm；清雜輸送機構傾斜角度變化范圍為0～15°，將相關參數代入式(11)～(15)中可得相關速度及方向的變化規律。τ的變化范圍約為95°～123°；φ的變化范圍約為-17°～41°，當φ＜0 時，此時的回彈速度方向在水平線的下方；λ的變化范圍約為82°～112°；當d不變時，隨著清雜輸送機構傾斜角度的增大，φ、τ逐漸減小，λ逐漸增大。

由前文分析可知雜質做非彈性碰撞運動，其與清雜輸送輥的接觸時間極短，摩擦導送力提供的切向速度極小，基于速度合成法則，結合λ的變化范圍可知雜質碰撞反彈后的合速度方向與水平方向負向的夾角變化范圍近似等于φ的變化范圍，因此可以得到結論：雜質不能被清雜輸送輥帶動繼續運動，而是發生了反彈，并且受能量損失和重力的影響雜質將從清雜輸送輥間隙處掉落。

在雜質的掉落過程中，清雜輸送輥間隙過小，則雜質間的碰撞頻率過高，造成清雜輸送輥間隙處擁堵，影響清雜效率；清雜輸送輥間隙過大時，雖然雜質掉落速度快，但根據殘膜的力學特性，易發生殘膜纏繞在清雜輸送輥的現象。當清雜輸送輥間隙不變時，雜質反彈運動的軌跡及落在前一清雜鋼輥的位置的變化，也會對雜質間的碰撞頻率、清雜作業效果產生影響。由此可知清雜輸送輥間隙與清雜輸送機構傾斜角度均對清雜作業效果有重要的影響。根據前期預試驗結果與實際生產設計經驗，并結合前文分析結果，最終設計清雜輸送輥間隙為10 mm，確定清雜輸送機構傾斜角度范圍為5°～15°。

2.2 打包機構的設計

打包機構是實現殘膜成捆作業的關鍵，主要由打包輥、打包室以及液壓驅動系統組成，其結構簡圖見圖9。其中，打包輥的結構參數、布置間隙均與清雜輸送輥結構、布置相同。

圖9 打包機構結構簡圖Fig.9 Structure diagram of packing mechanism

2.2.1 打包室的設計 打包室由若干個打包輥呈近似圓周布置而成，對打包室內打包輥的排布幾何關系進行分析，建立幾何關系圖(圖10)。

圖10 打包輥排布幾何關系圖Fig.10 Geometric relationship diagram of packing roller arrangement

圖10 中打包室半徑為R，理論上由k個打包輥沿半徑為R0=R+r的分布圓均布。做輔助線依次連接各打包輥的圓心，由此可構成正k邊形，將打包輥圓心與打包室圓心相連，由此構成相等的k個三角形?；谟嘞叶ɡ砜傻么虬仈盗縦與打包輥半徑r、打包室半徑R、打包輥間隙間的關系：

式中，Lab為相鄰兩打包輥間圓心距，mm；R為打包室半徑，mm；δ為線段Lab對應的圓心角，(°)。

根據膜包尺寸設計要求，設計打包室半徑為R=600 mm，將相關參數代入式(16)中可得，理論上打包輥數量約為21 個，考慮到殘膜的喂入與后續殘膜打包情況，減少并調整打包輥位置，去掉2 根打包輥，故打包輥選用總數為19 根。

2.2.2 打包輥轉速的設計 查閱文獻[23]可知，殘膜捆芯的形成方式有直接卷繞形成和推積卷繞形成方式2 種，殘膜捆芯直接卷繞形成是指殘膜進入打包室并沿著打包輥表面進行圓周運動，到達最高點后向喂入口方向回拋，后續殘膜沿著前方殘膜的軌跡運動，形成一種連續的卷繞累積過程，隨著后續殘膜的填入形成殘膜捆芯。殘膜捆芯是直接卷繞方式形成時，殘膜捆芯的形成速度快并且殘膜在底部積累的時間短，打包裝置不會出現堵塞、打包輥抱死的現象。故對殘膜直接卷繞形成過程進行分析，確定實現直接卷繞方式形成膜芯的條件?；跉埬だπ局苯泳砝@形成的過程，建立殘膜受力分析圖(圖11)。

圖11 殘膜捆芯形成過程中受力示意圖Fig.11 Stress diagram of bundle core forming process of residual film

圖11 中Oa為殘膜包的圓心，設打包輥轉速為nd，殘膜在打包輥的帶動下，在打包室內做逆時針圓周運動。以打包室最低處Ob為原點，按照圓周方向建立一維曲線坐標系Obx，x為物體在圓周的切向位移，逆時針方向為正，殘膜位置角即殘膜與圓心Oa連線與豎直方向所成平面角記作ξ，且ξ=x/R恒成立。以地面為參考系，對殘膜對切向與徑向分別作受力分析，由達朗貝爾原理可得：

式中，FT為切向合力，N；FR為徑向合力，N；FN為支持力，N；f為殘膜與打包輥間的摩擦力，N；m2為殘膜質量，kg；t為運動時間，s。

由式(19)、(20)可知，殘膜捆芯形成過程中，殘膜進入打包室在打包輥導送力的作用下沿打包輥做爬升運動，隨著殘膜上升高度不斷增加，ξ從0 開始逐漸變大，導送力不斷減小，當殘膜上升到一定高度后爬升動力小于阻力，此時殘膜在豎直方向的分速度逐漸降低為0，殘膜的爬升運動停止，在重力作用下開始回落。在此運動過程中殘膜捆芯形成的主要動力是鋼輥提供的摩擦導送力；主要阻力是地膜的重力。

基于能量守恒定理可知，殘膜捆芯形成過程中，殘膜達到的最大切向速度近似等于打包輥轉速，殘膜捆芯形成的快慢會受到打包輥轉速的影響，對打包輥轉速進行分析，由式(19)、(20)可得殘膜切向運動位移x關于時間t的二階非線性方程為：

根據拋物運動理論可知，殘膜在圓周內運動，隨著位置角的增大，打包輥對殘膜的支持力逐漸變小，當支持力FN≤0 時殘膜為拋物運動，此時殘膜位置角范圍為90°～180°[24]。殘膜是以一定速度進入打包室的，結合前文分析，取殘膜在打包室內的初始速度v0為1.6 m/s，進入打包室中殘膜的初始位移近似為0，取x0=0，利用Matlab 中的常微分剛性求解器ODE23 對式(21)進行求解，位置角ξ的變化與打包輥線速度關系曲線如圖12 所示。

圖12 位置角隨打包輥線速度變化曲線Fig.12 Variation curve of position angle with linear velocity of packaging roller

從圖12 可以看出，當打包輥線速度≤v0時，殘膜在打包室內進行減速運動，在此范圍內位置角大小幾乎不變并且約為115°，殘膜在打包輥的摩擦帶動下進行回拋運動；當打包輥線速度＞v0時，隨著打包輥線速度的增加位置角逐漸增大，當打包輥線速度約為2.4 m/s 時，位置角達到最大(180°)，由此可得殘膜作拋物運動需滿足的條件為：打包輥線速度不超過2.4 m/s，即打包輥最大轉速約為230 r/min。

在打包輥結構參數以及殘膜進入打包室的速度確定的情況下，對殘膜膜包能夠成型時打包輥的最低轉速進行設計。已知殘膜進入打包室的最大速度為v0，此時殘膜在打包室內的最小轉速(nlmin)為：

殘膜是在打包輥的摩擦導送力作用下形成殘膜捆芯的，因此殘膜捆芯的邊緣線速度vC近似等于打包輥線速度vD，即vC=vD。由于：

式中，nl為殘膜在打包室內的轉速，r/min。故可得打包輥最小轉速(ndmin)為：

取v0=1.6 m/s，將相關參數代入式(22)、(25)中可得打包輥最小轉速約為153 r/min。結合前文分析可得，打包輥轉速范圍為153～230 r/min。

3 田間試驗與結果分析

3.1 試驗條件

2021 年9 月在新疆石河子市石河子大學試驗場開展田間試驗，田間作物為棉花，地膜厚度為0.01 mm，鋪膜周期為2 個季度，試驗地面積為60 hm2，打稈集條機具作業后，田間秸稈留茬高度低于120 mm，工作時由科爾704B 拖拉機提供動力。試驗儀器有圓盤電子天平、電子秤、卷尺、樣品袋和標簽紙等，田間試驗如圖13 所示。

圖13 田間試驗Fig.13 Field experiment

3.2 試驗因素

由前文對成捆機構工作機理的分析可知，通過調節機具前進速度、清雜輸送機構傾斜角度、打包輥轉速等能夠促進雜質的掉落以及殘膜盡快形成捆芯。因此，依據輥軸式殘膜打包裝置的工作原理，選取清雜輸送機構傾斜角度(A)、機具前進速度(B)、打包輥轉速(C)作為本次研究的試驗因素。

根據拖拉機參數和農業生產要求，通過調節拖拉機檔位以及油門來控制機具的行駛速度，結合田間實際情況，選取機具前進速度分別為1.0、1.5 和2.0 m/s。

根據單因素試驗可知清雜輸送機構傾斜角度在5°～15°范圍時清雜效果好，本次試驗選取的清雜輸送機構傾斜角度分別為5°、10°、15°。通過調節機具前端的限深輥距地面的距離實現清雜輸送機構傾斜角度的調整。

打包輥轉速對雜質的掉落、膜包的快速成型有重要的影響，前文分析可知理論上打包輥轉速范圍為153～230 r/min，考慮到打滑、摩擦阻力等因素的影響，結合前期預試驗結果，本文選取打包輥轉速為180、200、220 r/min。

試驗因素水平表見表1。

表1 試驗因素和水平Table 1 The factors and levels of test

3.3 試驗指標

試驗參考《圓草捆打捆機試驗方法》(GB/T 14290—1993)[25]制定測試方案。試驗過程中，選取膜包成捆率以及含雜率作為殘膜打包裝置的性能評價指標。試驗田中隨機選取區域進行5 次重復試驗，每次試驗結束后，對膜包成捆率(Y1)以及殘膜膜包含雜率(Y2)進行收集與處理。Y1、Y2計算公式如下：

式中，U0為膜包總數；U1為未成型包總數；M1為殘膜包中殘膜的質量，kg；M0為殘膜膜包總質量，kg。

3.4 正交試驗與結果

通過正交試驗研究不同作業參數組合下膜包成捆率、含雜率的變化情況，共進行9 組試驗，統計膜包成型數量；拆解殘膜膜包，利用電子秤對膜包中的殘膜、雜質質量進行稱量，根據式(26)、(27)計算膜包成捆率和膜包含雜率，正交試驗方案與結果如表2 所示。

表2 試驗方案及結果Table 2 The plan and result of test

由表2 可知，殘膜打包裝置膜包成捆率的范圍為91.6%～97.3%，膜包含雜率范圍為15.1%～18.4%，各因素對膜包成捆率影響的主次順序為C、A、B，較優水平為A2B2C2，即清雜輸送機構傾斜角度為10°、機具前進速度為1.5 m/s、打包輥轉速為200 r/min；各因素對膜包含雜率影響的主次順序為A、B、C，較優水平組合為A3B3C2，即清雜輸送機構傾斜角度為15°、機具前進速度為2.0 m/s、鋼輥轉速為200 r/min。

為了評價各試驗因素對指標的影響程度，對上述試驗結果進行方差分析，結果如表3 所示。由表3可知，打包輥轉速對膜包成捆率影響極其顯著，清雜輸送機構傾斜角度對膜包成捆率影響顯著。這是因為殘膜在卷捆運動過程中，主要動力是打包輥提供的摩擦帶動力，因此在打包輥表面摩擦系數一定的情況下，隨著打包輥轉速的增加，有利于提高殘膜捆芯的形成速率，從而提高殘膜膜包的成捆率，但轉速過大會出現殘膜纏繞棱齒鋼輥的現象；反之打包輥轉速過小，則會導致殘膜成捆速度減慢、緊實程度變差。當清雜輸送機構傾斜角度增大時，根據雜質的運動規律可知，雜質不易被打包輥帶動繼續向后輸送，并且加快了雜質掉落的速度，但過大將會導致大量雜質集中在幾根鋼輥處，不僅嚴重影響清雜作業效率，還會造成打包輥抱死，導致機具故障；反之，過小的傾斜角度將使得雜質掉落速度緩慢，導致膜包雜質含量過高，膜包緊實度下降。機具前進速度對膜包成捆率影響不顯著的原因是殘膜進入打包室的數量變化波動比較小，對殘膜捆芯的形成沒有較大的影響。

清雜輸送機構傾斜角度對膜包含雜率的影響極其顯著，機具前進速度、打包輥轉速對膜包含雜率的影響較為顯著，這是因為清雜輸送機構傾角的變化能顯著改變雜質離開前一打包輥向后一打包輥的運動軌跡，并在打包輥轉速影響下，使雜質迅速、高效地從打包輥間隙處掉落。機具前進速度則對殘膜撿拾裝置撿拾雜質的數量有重要影響，適當的機具前進速度，可以使單位時間內殘膜撿拾裝置對土壤的擾動頻率保持在一個合適的范圍內，不但能提高殘膜的撿拾率，還可以降低雜質的收取比例，減少進入成捆機構中的雜質，從而降低膜包含雜率。結合實地田間試驗觀察，適當的含雜率更有利于殘膜的成型，因此膜包成捆率是影響殘膜打包機工作性能的主要指標，綜合考慮可知影響打包裝置性能的主次因素為C、A、B，取較優水平為A2B2C2。

3.5 田間試驗驗證

通過前文分析選取較優參數組合為清雜輸送機構傾斜角度為10°、機具前進速度為1.5 m/s、打包輥轉速為200 r/min，利用該較優參數組合進行重復試驗驗證，試驗結果如表4 所示。由表4 可知，取較優水平進行試驗后，膜包成捆率為98.1%，膜包含雜率為15.2%，前期試驗的平均結果膜包成捆率為94.5%，膜包含雜率為17.0%，與前期試驗相比膜包成捆率提高了3.6 個百分點，膜包含雜率降低了1.8 個百分點，較優參數組合相對合理，且各項指標均達到了殘膜打包機械的相關要求，有效解決了地膜運輸、存儲、二次利用的難題。

表4 理論優化與田間試驗結果對比Table 4 Results comparison between theoretical optimum and field experiment

4 結論

本文設計了輥軸式殘膜打包裝置，采用圓捆壓縮原理對殘膜進行壓縮打捆。通過分析清雜輸送機構和打包機構作業機理，結合清雜輸送輥與殘膜的接觸力學關系，確定各部件的結構參數與工作參數。

制作了輥軸式殘膜打包裝置，以機具前進速度、清雜輸送機構傾斜角度、打包輥轉速為影響因素，以膜包成捆率和膜包含雜率為指標，進行了田間試驗。試驗結果表明，影響膜包成捆率的因素依次為打包輥轉速、清雜輸送機構傾斜角度、機具前進速度；影響膜包含雜率的因素依次為清雜輸送機構傾斜角度為、機具前進速度、打包輥轉速。

將成捆率及含雜率作為響應指標，以清雜輸送機構傾斜角度10°、機具前進速度1.5 m/s、打包輥轉速200 r/min 為較優作業參數組合進行田間驗證試驗，試驗結果為平均膜包成捆率為98.1%，平均膜包含雜率為15.2%，所設計的殘膜打包裝置性能可靠，殘膜膜包滿足回收要求。