鏈齒式殘膜回收機膜土分離裝置的設計及試驗研究

劉家強，張學軍，靳 偉，鄢金山，趙攸樂

(新疆農業大學 機電工程學院，烏魯木齊 830052)

0 引言

地膜覆蓋種植技術在我國已經得到了廣泛的推廣和應用，地膜的推廣和使用對我國的農業生產起到了積極的促進作用。目前，我國使用的大部分地膜是0.006mm和0.008mm，地膜[1-6]的抗拉強度和厚度都普遍不高。薄地膜不僅為前期地膜的鋪蓋造成難度，還為后期地膜回收制造了難度。破碎的地膜不但無法成功地回收并利用，且還會造成環境的污染，對土壤結構和作物的生長發育都會產生不良的影響。因此，設計一種性能可靠的殘膜回收機械具有十分重要的意義。膜土分離裝置作為殘膜回收機械的關鍵工作部件，其性能的好壞將會直接影響殘膜回收機械的作業效果。因此，膜土分離[7]已成為殘膜回收過程中急需解決的問題。

1 機構總體結構

本機構主要由牽引裝置、輸送裝置、傳動裝置、碾壓裝置、行走裝置、膜土分離機構和集膜箱等部分組成，如圖1所示。工作時，由機構前端的入土鏟把膜土混合物從試驗地中運輸至升運鏈，通過升運鏈把混合物運送至物料箱中；膜土混合物通過物料箱落至碾壓裝置進行碾壓，對收集的膜土混合物中的土塊進行有效的擠壓處理，便于后續的膜土分離。

1.碾壓滾筒 2.物料箱 3.升運鏈 4.傳動裝置 5.機架 6.減速器 7.牽引架 8.入土鏟 9.行走輪 10.液壓馬達 11.集膜箱 12.膜土分離裝置圖1 鏈齒式殘膜回收機結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of chain tooth residual film recycling machine

2 膜土分離機構的結構設計及工作原理

2.1 膜土分離基本結構

膜土分離裝置[8]主要由摩擦帶滾筒軸、軸承座、摩擦帶及機架組成，如圖2所示。膜土分離裝置主要通過摩擦帶進行土膜的分離，摩擦帶通過滾筒軸帶動，動力由拖拉機輸出，通過液壓馬達由前滾筒軸輸入來帶動摩擦帶運動。

1.軸承座 2.支架 3.頂桿螺栓 4.摩擦帶 5.滾筒軸 6.掛銷軸 7.連接軸圖2 膜土分離裝置機構簡圖Fig.2 Membrane soil separation device mechanism diagram

2.2 工作原理

膜土分離裝置由拖拉機帶動，動力為55.13kW，采用牽引式作業。機構在行進過程中，升運鏈將膜土等混合物運送到物料箱中，經碾壓滾筒碾壓，把從土壤中收集的殘膜、雜物及碎土和土塊混合物進行處理，最終運送到膜土分離裝置上，通過摩擦帶進行有效的分離。

膜土分離裝置的轉向與機構的運行方向相反，摩擦帶通過液壓馬達來帶動，由拖拉機提供動力給液壓馬達。摩擦帶通過頂桿螺栓進行張緊，膜土分離裝置通過軸承座與前面機構進行連接。膜土混合物拋送到膜土分離裝置上，由于土塊及碎土、雜物和殘膜的質量相差懸殊，所以土壤等在重力和初加速度的作用下被拋送的距離較殘膜要相對較遠。通過設計好摩擦帶的長度，使土壤等從膜土分離裝置分離到地面，而殘膜則隨膜土分離裝置的運動最終收集入集膜箱中。

膜土分離裝置的主要作用是將與殘膜混雜在一起的土塊及雜物進行有效地分離,通過調節液壓馬達的速度改變摩擦帶的轉速；通過調節碾壓滾筒的轉速改變混合物的拋送速度，通過調節張緊螺栓的長度改變摩擦帶與地面的高度從而改變摩擦帶的角度,最終確定膜土分離裝置的最佳工作位置，從而對膜土進行有效的分離。

3 關鍵性機構的分析

3.1 碾壓滾筒分析

碾壓滾筒的作用是把由升運鏈運送過來的膜土混合物進行充分的碾壓處理,滾筒的旋轉方向與升運鏈的旋轉方向相反，利于后續拋送膜土混合物。膜土分離裝置的角度是可調的，通過調節裝置的角度和速度，從而找到最佳配合方案，進而來調節膜土分離的效果。

3.2 機構運動及受力分析

本次試驗地點為新疆阿克蘇地區，土質干燥，含水量相對較低，膜桿較易與土壤進行分離。本次試驗地為種植多年的棉花地，裝置在工作前，試驗地已經耙過，試驗地中殘留的棉稈已經所剩無幾。

膜土等混合物從碾壓滾筒中拋出時的運動方式為斜拋運動[9]，斜拋運動在水平方向上做勻速直線運動，在豎直方向上做豎直上拋運動。在不考慮空氣阻力的情況下，選拋射點為坐標原點，運動方式如圖3所示。

圖3 運動分析Fig.3 Motion analysis

膜土分離裝置工作時，首先通過碾壓滾筒裝置把膜土混合物進行碾壓，然后以一定的速度拋送到膜土分離機構上，拋送時膜土混合物與水平面成一定的夾角，所以物料做斜拋運動。設膜土混合物斜拋時的初速度為v0，與水平方向的夾角為θ，當把混合物看作為質點，則質點的運動方程為

(1)

式中m—質點的質量(g)；

vx—速度在水平方向上的分速度(m/s)；

vy—速度在豎直方向上的分速度(m/s)；

t—質點運動的時間(s)。

由初始條件得

t=0，x0=y0=0，v0x=v0cosθ，v0y=v0sinθ

式中x0—質點初始水平方向位移(m)；

y0—質點初始豎直方向位移(m)；

v0—質點初始速度(m/s)；

v0x—v0水平方向分速度(m/s)；

v0y—v0豎直方向分速度(m/s)；

θ—質點初始速度與水平方向夾角(°)。

式(1)積分一次得

(2)

再積分一次得

(3)

式中x—質點水平方向位移(m)；

y—質點豎直方向位移(m)。

式(3)消去時間t得

(4)

式(4)表明軌跡方程為拋物線。

需求最大高度時，可由式(2)令vy=0，得

(5)

式中H—質點達到最大高度(m)。

需求最大水平射程時，可由式(3)令y=0， 得

式中t1—質點達最大高度時間(s)；

t2—質點達最大水平射程時間(s)。

代入式(3)得最大水平射程為

(6)

式中X—最大水平射程(m)。

此時質點速度大小為

(7)

方向為

質點經過斜拋運動回到拋出點時，此時距摩擦帶還有一段距離，所以質點還會繼續運動直至拋送到摩擦帶上時，再沿摩擦帶進行運動。設質點在這段距離運動的時間為t3。當膜土混合物經過斜拋運動后以一定的速度與摩擦帶接觸，由于試驗地的情況比較復雜，且土塊的大小及形狀也各不相同，所以土塊的受力分析也比較麻煩。現在假設土塊和殘膜都是具有一定質量的質點，由于殘膜與土塊的質量不同則膜土混合物在摩擦帶上的受力情況也不同，從而達到膜土的分離。當膜土混合物以一定的速度vtx及具有方向的撞擊在摩擦帶上時，此時摩擦帶也以一定的速度vm進行運動。膜土混合物在摩擦帶上的受力分析[10]如圖4所示。

圖4 速度分析Fig.4 Speed Analysis

已知傳送帶的長度為L，摩擦帶與膜土混合物的拋出點在同一水平線上，由于混合物與摩擦帶都具有一定的速度，且兩者的速度大小與方向都不相同，則要求混合物先做減速運動，之后與摩擦帶保持相同的速度進行運動。設混合物的速度大于摩擦帶的速度，即vtx>vm。開始時混合物的運動為勻減速直線運動，直到速度減到與摩擦帶的速度相同時，此后混合物隨摩擦帶一起運動。則有

(8)

式中vt—質點運動至摩擦上的速度(m/s)。

vty=vycosθm

則

(9)

式中vtx—膜土混合物的速度在摩擦帶方向上的分速度(m/s)；

t3—質點達到最大射程時到運動至摩擦的帶時間(s)。

由于拋出點高于混合物的落地點，當混合物由拋出點運動至摩擦帶的過程中得

(10)

式中h—質點從拋出點到摩擦帶上的垂直方向的距離(m)。

由式(10)得

(11)

式中x1—膜土混合物由拋出點運動至摩擦帶的水平位移(m)；

x2—位移x1在摩擦帶方向上的分位移(m)；

α—摩擦帶與水平方向的夾角(°)。

當膜土混合物運動至摩擦帶上時，要保證土塊不被摩擦帶反帶到集膜箱中去，殘膜可以沿著摩擦帶回到集膜箱中，由于土塊與殘膜質量不同，所受的摩擦力不同，則土塊和殘膜各自的受力分析如下。

由牛頓第二定律得

m1gsinθm-μm1gcosθm=m1a1

(12)

式中m1—土塊的質量(g)；

θm—重力與垂直摩擦帶方向的夾角(°)，且α=θm；

μ—土塊與摩擦帶間的動摩擦因數；

a1—土塊的加速度(m/s2)。

(13)

式中x3—土塊在摩擦帶上的下滑位移(m)；

vm—摩擦帶速度(m/s)。

m2gsinθm-μ1m2gcosθm=m2a2

(14)

式中m2—殘膜的質量(g)；

μ1—殘膜與摩擦帶間的動摩擦因數；

a2—殘膜的加速度(m/s2)。

(15)

式中x4—殘膜在摩擦帶上的下滑位移(m)。

由上面分析可得，設計摩擦帶長度時應保證摩擦帶不能回帶，要保證殘膜能通過摩擦帶反帶回膜箱中，土塊通過摩擦帶時被分離回試驗地中，則摩擦帶長度L應滿足設計要求。

摩擦帶設計的長度為

(16)

當摩擦帶的長度為L時，此時土塊剛好與摩擦帶的速度相等。為了保證土塊等能與殘膜進行分離，則摩擦帶的設計長度要小于L。

當不考慮外界阻力影響時，斜拋運動只有重力做功，所以機械能守恒。由動能定理得

(17)

當機構在工作過程中考慮空氣阻力等原因時，由于殘膜與土塊等雜物的質量相差較大，導致它們所受的阻力有所區別，所以殘膜被拋送到摩擦帶上的位置也會較土塊拋送到摩擦帶上的位置略有不同。

4 膜土分離裝置試驗

4.1 膜土分離裝置的正交試驗

膜土分離裝置的分離效果的好壞與碾壓滾筒的拋送速度、膜土分離裝置的角度，以及轉速有著至關重要的聯系。所以，要想得到膜土分離率就需要通過試驗得到裝置的相關參數，求出最佳組合的試驗方法，從而解決膜土分離的問題。試驗主要研究的因素有膜土分離裝置角度、膜土分離裝置轉速及拋送速度。膜土分離率的好壞與以上因素有著至關重要的聯系。

試驗采用三因素四水平的正交試驗[11]方法，試驗的因素與水平如表1所示；表2為正交試驗的結果。

表1 試驗因素水平Table 1 Test factor level

表2 正交試驗結果Table 2 Orthogonal test results

由表2可知:各因素對分離率的影響的主次順序為膜土分離裝置的角度、轉速及拋送速度。其中,膜土分離裝置的角度對膜土分離率的影響最為顯著。

4.2 膜土分離裝置的方差分析

為了進一步檢驗試驗樣本各因素差別的顯著性，需要對各因素進行方差[12-13]分析，如表3所示。

表3 方差分析表和顯著性檢驗Table 3 Variance analysisTable and significance test

方差分析中,F比越高的因素，對分離率的影響越顯著。膜土分離裝置的角度的F比和裝置的轉速的F比大于F0.01(2,20)，對膜土分離率具有高度顯著的影響，拋送速度的F比大于F0.05(2,20)，對膜土分離率具有顯著影響。

由方差分析可知：影響因素中轉速和角度兩個對膜土分離率具有高度顯著的影響，而拋送速度對膜土分離率具有顯著的影響。3個因素的主次關系是：轉速>角度>拋送速度。

5 結論

1)通過試驗分析可得：利用摩擦帶進行膜土分離具有明顯的效果，可以有效地進行膜土的分離。通過以上對膜土分離裝置的試驗分析可得，膜土分離裝置的轉速對膜土分離率的影響最為顯著。

2)當膜土分離裝置的轉速為540r/min、膜土分離裝置的角度為35°，拋送速度為1.5m/s時，組合方式為最佳，此時膜土分離效果最佳，膜土分離率達到94.4%。