播前殘膜清理機收集裝置的仿真與試驗

金作徽,張若宇， 褚宏奎,楊 曦,緱海嘯

(1.石河子大學 機械電氣工程學院，新疆 石河子 832000；2.新疆農墾科學院機械裝備研究所，新疆 石河子 832000；3.農業部西北農業裝備重點實驗室，新疆 石河子 832000)

0 引言

據統計，新疆地區每年采用鋪膜播種的土地面積達313.3萬hm2，地膜年使用量達16萬t以上，地膜使用后的平均殘留量為70.20kg/hm2，造成“白色污染”逐年加劇[1-3]。同時，新疆地區使用的地膜厚度一般在0.008mm以下[4]，在秋后收獲過程中機器碾壓和土地耕整作業時會造成大量地膜破損，導致春播前田間存在大量的殘膜。播前殘膜的特點是表面積較小，撿拾困難，同時有大量的殘膜存在于地表以下，與土壤混雜，分離難度大，其收集方式與秋后殘膜也不相同。目前，針對播前殘膜回收的機具主要有氣吸式、齒桿式、彈齒式和起土鏟式等，普遍采用一級膜土分離的作業方式[5]。如新疆農業大學[6]研制的氣吹式春播前殘膜回收機，采用彈齒式撿膜輥直接將土和膜送入風機流道進行分離，其彈齒會造成殘膜二次破碎不易撿拾，且其分離流道過長導致風機功率消耗過大。同時，現有的殘膜收集裝置主要是全封閉集膜箱、網箱、耙齒和滾筒等形式[7]，并不能完全適用于播前殘膜的收集。本研究所述的播前殘膜清理機則根據播前殘膜的特點，采用網孔運輸帶濾除碎土再結合正壓風機吹氣將殘膜與土塊進行分離的二級膜土分離作業方式，提高了工作效率。同時，收集裝置采用蝸殼與網孔篩相結合的結構形式。因其內部流場較為復雜，本研究利用CFD軟件進行仿真試驗，以對其結構和工作參數進行設計和優化。

目前，在農業工程領域利用CFD軟件對流場結構進行仿真優化的研究較為普遍[8-12]。2016年，Lim B Y.et al[13]利用CFD多相流建模研究了麻瘋樹果實脫殼機的工作性能，仿真得到的最佳條件是：空氣速度(9.8±0.4)m/s，水果的水分含量大約5.7%。總的結果表明：在最佳條件下，該機器能夠去掉52%的殼和99%的皮，同時籽粒損失控制在5%左右。Zhao D H.et al[14]利用Fluent軟件對一個玉米干燥塔的加熱情況進行了模擬計算，仿真分析表明：在保證熱風流量不變的情況下，玉米周圍的流體入口越大，溫度分布越均勻；當熱風流速為0.8 m/s、溫度為343K時，玉米溫度分布最為均勻，且玉米籽粒最高溫度不超過333K，流體流量與玉米粒面之間的夾角不會影響溫度分布。2015年，Flores-Velázquez J.et al[15]研究了CFD軟件在溫室作物優化生產中的應用，結果表明：驗證模型使用CFD軟件可以求解所涉及的變量的空間特征，通過建立多變量的動態模型可以有效提高資源利用率。2014年，董全成等[16]采用基于CFD的離散相模型對氣流式皮棉清理機的參數進行了優化，建立了皮棉纖維和雜質模型，通過正交試驗篩選出影響清理機除雜率的主要因素，并得出了最佳工作參數組合，現場試驗驗證仿真優化結果有效。2012年，張若宇等[17]利用Fluent數值模擬方法研究了機采籽棉殘膜分離機的籽棉帶出機理，對4種入口風速條件下分離關鍵區域的速度進行仿真，結果顯示：當入口風速為4.0m/s時，籽棉帶出最困難，現場試驗結果與仿真相吻合。

綜上所述，本研究根據播前殘膜特性，提出采用網孔運輸帶與氣吹式膜土分離相結合的方式對播前殘膜進行清理。其中，殘膜收集裝置是關鍵工作部件之一，其性能直接關系到殘膜清理率。為對其結構和工作參數進行設計和優化，本研究采用Minitab16.0和CFD軟件相結合進行正交仿真試驗，并對仿真結果進行了現場試驗驗證。

1 材料與方法

1.1 殘膜樣本特性測試

本次試驗所用混有殘膜的土壤樣本均來自新疆生產建設兵團第八師石河子147團的棉花種植區，采集時間為2016年1月。如圖1所示：采集的土壤樣本中主要的殘膜類型有當年殘膜、多年殘膜、多層粘結殘膜和與土壤粘結的殘膜等，還存在與殘膜特性相類似的滴灌帶和紡織物的碎片。

樣本特性測試試驗主要針對殘膜形狀尺寸進行了測試。其中，殘膜形狀尺寸的測試采用了石河子大學機械電氣工程學院農產品檢測與分級實驗室開發的基于LabVIEW平臺Vision工具包的機器視覺檢測系統對采集的30片殘膜樣本進行了檢測，得到其縱向和橫向的最大長度。

圖1 殘膜存在狀態

1.2 裝置結構及其工作原理

播前殘膜清理機的主要工作部件包括網孔輸送帶、機架、罩殼、離心式風機及其附屬氣道、殘膜收集裝置，如圖2所示。

1. 殘膜收集裝置 2.離心式風機及其附屬氣道 3.網孔輸送帶 4.機架 5.罩殼 6.蝸殼 7.渦舌 8.網孔篩 9.擋土板

殘膜收集采用氣吹式膜土分離收集方式，收集裝置由蝸殼、渦舌[18]、網孔篩和擋土板組成。其中，α為擋土板傾斜角；β為渦舌延伸角。主要工作原理是：當位于收集裝置前方的輸送裝置將殘膜和土壤顆粒拋落的同時，位于輸送裝置下方的離心式風機噴出高速氣流。由于土壤顆粒和殘膜在空氣中的懸浮速度相差懸殊，所以土壤在重力的作用下向下運動，從擋土板滑落到地面，而殘膜則隨氣流進入收集裝置殼體內；進入殼體之后殘膜會隨著氣流進入收集裝置網篩區，此時氣流速度下降，壓力增大，殘膜不能透過網孔逃出便滯留在低壓區，從而將其收集。

1.3 正交仿真實驗

1.3.1 試驗因素及其水平

在實際工作過程中，影響收集裝置工作性能的因素很多，本次試驗主要針對網篩孔隙率、渦舌延伸角度、擋土板傾斜角度和進口風速等影響因素進行了考察。根據收集裝置工作原理和前期試驗研究，針對以上4個試驗因素各選取了3個水平。試驗因素水平如表1所示。

1.3.2 試驗指標的選取

當殘膜從渦殼收口處運動到網篩區時，位于流線中心處的殘膜受力情況如圖3所示。

表1 試驗因素水平表

圖3 殘膜受力情況

殘膜運動中所受空氣的推力F為

F=ΔpSτ

殘膜所受空氣阻力f為

殘膜所受浮力N為

N=Sddρfg

殘膜所受重力G為

G=mg

式中Δp—殘膜兩側壓差；

Sτ—殘膜在推力方向上的投影面積；

C—阻力系數，無量綱；

ρf—空氣的密度；

Δυ—殘膜的絕對速度即殘膜兩側風速差；

Sd—殘膜在重力方向上的投影面積；

d—殘膜厚度；

g—重力加速度9.81m/s2。

由于殘膜質量極小，重力可忽略不計。β為殘膜所受推力與水平方向的夾角。建立運動控制微分方程為

由上式可知：殘膜運動的主要影響因素為風壓差Δp和風速差Δυ。因此，試驗的指標選取網篩側氣流的平均風壓差和平均風速差。

1.4 收集裝置仿真

1.4.1 裝置建模及網格劃分

首先，利用AutoCAD軟件對收集裝置二維模型進行了簡化處理，以達到Fluent軟件仿真的要求；然后，按照正交試驗的安排設置了不同結構參數，繪制了9種仿真模型；最后，將其另存.sat格式導入GAMBIT軟件進行網格劃分。為保證后期導出數據的準確性，9種模型統一采用模型進風口中點位置作為坐標原點。

1.4.2 試驗指標測試點標定

為了依據試驗指標對Fluent軟件的仿真結果進行分析，本研究在所建模型中標定了20個測試點。這20個測試點位于模型中渦舌的同心圓上，該圓半徑為175mm。起始點是過圓心與渦舌尾端的連線和該圓的交點；從起始位置開始每隔5°標記一個點，終點與起始點相隔95°。模型網格及測試點位置如圖4所示。

圖4 試驗指標測試點

1.5 現場試驗驗證

本研究利用從棉花種植區田間采集的土壤和殘膜為試驗材料，對所設計的殘膜收集裝置的工作性能進行了驗證。首先，將土壤中的殘膜清理干凈，稱取20kg裝入事先備好的容器；隨即將一定數量(不少于100片)的殘膜均勻地混入土壤中；之后，啟動試驗裝置，待其運行平穩后，測試其風速并將殘膜和土壤的混合物傾倒在網孔輸送帶上；最后，當所有混合物全部通過輸送帶拋出后停止裝置運轉，并記錄收集裝置內殘膜的數量。

2 結果與討論

2.1 殘膜特性測試結果

利用SPSS19.0軟件對采集的殘膜尺寸數據進行了統計分析，結果表明：播前殘膜縱向和橫向最大尺寸在60mm以下分布占50%，40mm以下分布占20%。因此，設計網孔篩的孔隙率時應考慮不超過殘膜尺寸，否則將有大量殘膜漏出。殘膜尺寸分布直方圖，如圖5所示。

圖5 殘膜尺寸分布直方圖

2.2 仿真試驗分析

2.2.1 仿真試驗結果

本研究利用Fluent軟件對9組試驗模型進行了仿真，如圖6所示。

其中，α為擋土板傾斜角；β為渦舌延伸角；P為孔隙率；V為進口風速。

利用Fluent軟件提取9組試驗測試點風速和風壓，如圖7所示。結果表明：第8組試驗條件下風速和風壓變化最為明顯，風速差和風壓差最大。

2.2.2 田口試驗分析

本試驗采用L9(34)正交表安排了仿真試驗，并提取了每組試驗模型20個試驗指標測試點的風壓和風速，計算了相鄰兩點之間的風壓差和風速差，將以上兩組數據求平均值得到了試驗指標的結果。利用Minitab16.0軟件的田口試驗分析程序，對仿真正交試驗結果進行分析，結果表2、表3所示。

由表3可知：4個試驗因素對指標的影響大小順序依次是進口風速、擋土板傾斜角度、網篩孔隙率和渦舌延伸角度。

圖6 仿真模型速度分布云圖

圖7 各組實驗風速風壓

序號因素A網篩孔隙率/%B渦舌延伸角度/(°)C擋土板傾斜角度/(°)D進口風速/m·s-1指標平均壓差(Δp)/Pa平均風速差(Δv)/m·s-1140110301045.89470.8280240115451250.31580.5033340120601466.42110.6080450110451471.05260.9367550115601036.63160.6754650120301262.68421.3955760110601259.31581.5827860115301495.52632.4586960120451039.84211.3480

表3 試驗因素均值響應表

2.2.3 最佳工作性能組合

如圖8所示，根據試驗因素對指標的主效應分析可知：在本試驗的因素水平條件下，收集裝置最佳工作組合為A3B2C1D3，即網篩孔隙率為60%，渦舌延伸角度為115°，擋土板傾斜角度為30°，進口風速為14m/s，也就是第8組試驗所設置的條件。

依據因素水平對指標的響應變化趨勢，網篩孔隙率和進口風速與試驗指標近似成線性增長關系；但是，當網篩孔隙率增大到60%時，現場試驗所采用網篩的長條孔縱向尺寸將達到40mm，根據殘膜尺寸大小預計將會有20%的殘膜透過網篩逃出。其次，網篩孔隙率增大，其結構剛度將下降，在風壓的作用下容易產生變形不利于殘膜的收集，因此決定將孔隙率調整到60%以下。另外，根據實際工作環境條件，當進口風速增大到一定程度時，可能會有尺寸大于網孔直徑的土壤顆粒進入收集裝置內造成網孔的阻塞。為驗證這一猜想，將在現場試驗時增大風速觀察驗證結果。

圖8 試驗因素均值主效應圖

2.3 現場試驗結果分析

根據實際工況，本次試驗采用了孔隙率為50%的網篩，并在渦舌延伸角度為115°、擋土板傾斜角度為30°、進口風速為14m/s的條件下進行了兩次試驗，對收集裝置的工作性能進行了驗證，結果如表4所示。

表4 現場試驗結果

由表4可知：該收集裝置的工作效率可達85%以上，基本滿足設計要求。收集殘膜的效果如圖9所示。

現場試驗結果表明：當風速增加到15m/s時，會有一定數量的尺寸大于網篩孔徑的土壤顆粒進入收集裝置(見圖10)，導致網孔堵塞影響殘膜收集效果。

圖9 最佳條件下收集的殘膜

圖10 進入網篩的土壤顆粒

3 結論與展望

1)利用Fluent仿真軟件對播前殘膜清理機的收集裝置結構及工作參數進行正交仿真試驗，結果表明：在當前試驗因素水平條件下，網篩孔隙率60%、渦舌延伸角度115°、擋土板傾斜角度為30°和進口風速14m/s時收集裝置達到了最佳工作性能。

2)由于網篩孔隙率和進口風速在本次設定的水平區間內對試驗指標的效應呈現線性增長趨勢，說明在此試驗因素水平區間內沒有達到最優，故根據裝置實際工作條件對其進行了限定：孔隙率限定為50%，進口風速限定為12～14m/s。在此條件下，現場試驗驗證結果表明：殘膜平均清理率達到88.17%。

3)由于現場試驗采用的條件與仿真試驗所得最優組合有所區別，今后將根據實際工作情況對網篩孔隙率和進口風速的最優組合進行深入探究。

參考文獻：

[1] 嚴昌榮,梅旭榮,何文清,等.農用地膜殘留污染的現狀與防治[J].農業工程學報, 2006, 22(11): 269-272.

[2] 王鵬, 曹衛彬, 張鵬,等.新疆兵團殘膜機械化回收現狀分析[J].農機化研究,2013,35(9): 237-242.

[3] 周明冬,秦曉輝,候洪,等.新疆農田廢舊地膜污染治理現狀及建議[J].環境與可持續發展, 2014 (5): 171-174.

[4] 張江華, 蔣平安,申玉熙,等.新疆農田地膜污染現狀及對策[J].新疆農業科學,2010,47(8): 1656-1659.

[5] 謝建華, 侯書林,劉英超.殘膜清理回收機具的研究現狀及存在的問題[J].中國農機化, 2012 (5): 41-44.

[6] 周智祥, 楊志城, 楊宛章,等.氣吹式春播前殘膜回收機的研制[J].新疆農業大學學報, 2005, 28(1):61-65.

[7] 周新星, 胡志超, 嚴偉, 等.國內殘膜回收機脫膜裝置的研究現狀[J].農機化研究, 2016,38(11):53.

[8] 蔣國振,胡耀華,劉玉鳳,等.基于 CFD 的下沉式日光溫室保溫性能分析[J].農業工程學報,2011, 27(12): 275-281.

[9] 李驊,張美娜,尹文慶,等.基于 CFD 的風篩式清選裝置氣流場優化[J].農業機械學報, 2013, 44(2): 12-16.

[10] 李源,楊菁,管崇武,等.基于 CFD 的養殖污水凈化內循環流化床反應器結構優化[J].農業工程學報, 2014,30(22):44-52.

[11] 羅小燕,王德成,王光輝,等.苜蓿轉筒干燥時莖葉分離出口氣流場模擬與優化[J].農業機械學報, 2009,40(10): 71-74.

[12] 沈培玉,趙浩,張裕中.農產品物料高速切割粉碎流場數值模擬與試驗[J].農業機械學報, 2010(9): 60-65.

[13] Lim B Y, Shamsudin R, Baharudin B T H T, et al. Performance evaluation and cfd multiphase modeling for Multistage Jatropha Fruit Shelling Machine[J]. Industrial Crops and Products, 2016, 85: 125-138.

[14] Zhao D H, Li G L, Li N F. Optimization Analysis on Distribution of Temperature of a Corn Based on Fluent[J].International Journal of Smart Home, 2016,10(6):329-336.

[15] Floresvelázquez J, Rojano A. Computational Fluid Dynamics Achievements Applied to Optimal Crop Production in a Greenhouse[J].American Journal of Kidney Diseases, 2015:A33-A33.

[16] 董全成, 馮顯英.基于 CFD 離散相模型的氣流式皮棉清理機參數優化[J].農業工程學報,2014, 30(2):9-16.

[17] 張若宇,坎雜,郭文松,等.機采籽棉殘膜分離機籽棉帶出機理仿真[J].農業工程學報, 2012, 28(1): 17-21.

[18] 許承.離心壓縮機渦殼的設計與發展[J].通用機械,2008(9):69-74.