紙筒式膜土兩級(jí)分離回收機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

馬瀏軒,靳文停,黃德臣,魏曉蕾,廖裴彬

(佳木斯大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,黑龍江 佳木斯 154007)

0 引言

農(nóng)用地膜覆蓋技術(shù)是經(jīng)濟(jì)作物增產(chǎn)的有效途徑之一[1]。目前,農(nóng)業(yè)地膜原料的主要組成部分為聚乙烯,在自然條件下聚乙烯這種高分子聚合物難以達(dá)到自我降解,若不及時(shí)對(duì)地膜處理會(huì)導(dǎo)致土壤分層及破壞土壤物理性質(zhì)等一些系列問題,且減少種子發(fā)芽率、破壞作物根系生長(zhǎng),從而減少農(nóng)作物產(chǎn)量[2]。為解決地膜對(duì)土地的危害,國(guó)外采用以下兩種方法:一是采用厚度和抗拉伸強(qiáng)度較高的高質(zhì)量地膜;二是加大對(duì)新型可降解地膜的開發(fā)。國(guó)內(nèi)則大多采用地膜回收機(jī),且相關(guān)部門及各高校研制了各具特色地膜回收機(jī)具。以撿拾部件結(jié)構(gòu)形式分類,主要有齒桿鏈耙式、彈齒滾筒式、密排齒式及釘齒刺式等[3-8]。上述幾種回收機(jī)針對(duì)泥土量較多的地膜時(shí),不易土膜分離,導(dǎo)致回收時(shí)松散,回收后不可再利用,且纏繞撿拾部件,導(dǎo)致扯斷和回收率低。本文設(shè)計(jì)的紙筒式膜土兩級(jí)分離回收機(jī),采用膜土兩級(jí)膜土分離裝置與輸送帶配合使用,將膜上泥土碾碎、抖落,較好地解決了泥土附著帶來的問題,具有工作原理簡(jiǎn)單、方便操作、回收地膜可再利用或可直接帶筒處理等優(yōu)點(diǎn)。

1 結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)

紙筒式膜土兩級(jí)分離回收機(jī)由撿拾裝置、膜土一級(jí)分離裝置、懸掛裝置、輸送帶、膜土二級(jí)分離裝置及紙筒收集裝置等組成,如圖1所示。其中,撿拾裝置包括齒爪式起膜鏟、膜鏟角度調(diào)節(jié)器;膜土一級(jí)分離裝置、膜土二級(jí)分離裝置主要由上尼龍輥(表面具有膠釘)、下尼龍輥(表面具有溝槽)、主動(dòng)齒輪及被動(dòng)齒輪等組成,膜土一級(jí)分離裝置較膜土二級(jí)分離裝置上下尼龍輥間距大;紙筒收集裝置由紙筒動(dòng)力輥、卷膜輥、硬紙筒及彈簧等組成。

1.2 工作原理

紙筒式膜土兩級(jí)分離回收機(jī)工作過程如下:回收機(jī)通過懸掛裝置與拖拉機(jī)連接,地膜被齒爪式起膜鏟挑起,并沿起膜鏟向上滑移從而脫離土層;當(dāng)?shù)啬み_(dá)到膜土一級(jí)清理裝置被上下相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的尼龍輥咬取實(shí)現(xiàn)第1次碾壓,將地膜上附著的較大土塊初步破碎,實(shí)現(xiàn)地膜與土的第1次分離;地膜被部分帶有倒鉤的傾斜輸送帶向上輸送,膜上破碎的土塊在向上輸送過程沿輸送帶縫隙落下;當(dāng)?shù)啬け惠斔偷侥ね炼?jí)清理裝置時(shí)進(jìn)一步對(duì)殘存的較小土塊進(jìn)行壓碎實(shí)現(xiàn)第2次膜土分離;第2次膜土分離完成后,地膜沿導(dǎo)流板下滑,地膜在重力作用下運(yùn)動(dòng)到下方的地膜收集裝置中,纏繞在可更換的硬紙筒上。

2 主要部件設(shè)計(jì)計(jì)算

2.1 撿拾裝置

撿拾裝置采用齒爪式起膜鏟,寬度1 400mm,工作寬幅1 300mm,可以將3～5cm深度以上土壤松動(dòng)并將地膜鏟出;齒尖采用圓角(R=1.5mm),在增加對(duì)涂層作用力的同時(shí)使粘連的土壤有效落下,且減少了撿拾裝置的入土難度;齒間距為100mm,可保證降低地膜遺漏率的同時(shí)減少土壤對(duì)齒爪的阻力[9]。在撿拾裝置兩側(cè)的機(jī)架上安裝了膜鏟角度調(diào)節(jié)器,以適應(yīng)不同工作條件。

根據(jù)齒爪式起膜鏟受力分析(見圖2)建立平衡方程為

Fcosα-f-Gsinα=0

(1)

FN-Gcosα-Fsinα=0

(2)

f=μ1FN

(3)

式中F—地膜與土壤沿鏟面移動(dòng)所需力(N);

α—入土角(°);

G—鏟面上膜土的重力(N);

f—鏟面與膜土之間的摩擦力(N);

μ1—鏟面與膜土之間的摩擦因數(shù);

FN—鏟面對(duì)膜土的支持力(N)。

由式(1)～式(3)整理得

(4)

根據(jù)式(4)可知:入土角α過大,齒爪式起膜鏟的入土性能增強(qiáng),但前進(jìn)阻力增大。根據(jù)不同土壤,調(diào)節(jié)不同入土角。根據(jù)經(jīng)驗(yàn),取入土角α=12°～36°時(shí)效果較好。

2.2 紙筒收集裝置

紙筒收集裝置中,紙筒通過軸承座安裝在兩側(cè)機(jī)架的滑道上,可沿滑槽移動(dòng),其軸端的卷膜輥與紙筒動(dòng)力輥在同一平面。軸承座一端與彈簧連接,另一端卷膜輥與紙筒動(dòng)力輥緊靠,靠近力為彈簧張力,紙筒動(dòng)力輥以與前進(jìn)速度相等的線速度通過摩擦力傳給卷膜輥,使紙筒轉(zhuǎn)動(dòng)完成卷膜工作。隨著地膜纏繞,紙筒直徑增加使地膜出現(xiàn)拉伸現(xiàn)象,阻力矩不斷加大;當(dāng)阻力矩大于卷膜輥的最大摩擦力矩時(shí),紙筒動(dòng)力輥與卷膜輥打滑,紙筒停止卷膜;隨著機(jī)組繼續(xù)前進(jìn),地膜又呈松弛狀態(tài),阻力矩減小,卷膜輥與紙筒動(dòng)力輥又恢復(fù)摩擦傳動(dòng)狀態(tài),紙筒轉(zhuǎn)動(dòng)卷膜。該機(jī)設(shè)計(jì)卷膜近500m,卸下硬紙筒與地膜組合體[10],更換硬紙筒,循環(huán)上述步驟繼續(xù)工作,直至收完指定工作面積。由于采用摩擦驅(qū)動(dòng)方式卷膜,防止了地膜堆積和斷裂,保證了卷膜過程的連續(xù)性[11]。

圖2 齒爪式起膜鏟受力分析圖

紙筒收集裝置受力分析如圖3所示。

f′=μ2×T′

(5)

0

(6)

式中T—當(dāng)年回收0.01mm地膜的極限拉伸力(N);

T′—紙筒動(dòng)力輥對(duì)卷膜輥的正壓力(彈簧對(duì)卷膜輥的正壓力)(N);

μ2—橡膠與橡膠間摩擦因數(shù),取μ2=0.5;

f′—卷膜輥與紙筒動(dòng)力輥間的摩擦力(N)。

圖3 紙筒收集裝置受力分析圖

根據(jù)參考文獻(xiàn)[12]可知:當(dāng)年回收0.01mm地膜的極限拉伸力為0.99N[12]。所以,由式(5)、式(6)可知

當(dāng)卷膜輥對(duì)彈簧的正壓力大于0N、小于1.98N時(shí),硬卷膜輥與紙筒動(dòng)力處于摩擦狀態(tài),卷膜輥轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)硬紙筒旋轉(zhuǎn)纏繞地膜。

3 試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

為確定紙筒式膜土兩級(jí)分離回收機(jī)在作業(yè)環(huán)境中最優(yōu)參數(shù)組合,以機(jī)組前進(jìn)速度、輸送帶長(zhǎng)度及輸送帶傾斜角為因素進(jìn)行田間試驗(yàn)。

3.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

通過對(duì)紙筒式膜土兩級(jí)分離回收機(jī)進(jìn)行定量分析,將膜土分離率確定為紙筒式膜土兩級(jí)分離回收機(jī)試驗(yàn)指標(biāo)。試驗(yàn)選用3因素3水平回歸正交試驗(yàn),因素依次設(shè)置為機(jī)組前進(jìn)速度(A)、輸送帶長(zhǎng)度(B)、輸送帶傾斜角(C)。在前期準(zhǔn)備工作的基礎(chǔ)上,確定試驗(yàn)因素水平如表1所示。

表1 試驗(yàn)因素水平表

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

地膜回收作業(yè)中針對(duì)膜土分離得出膜土分離率,結(jié)果如表2所示。

表2 試驗(yàn)結(jié)果

表2 試驗(yàn)結(jié)果

3.4 方差分析

利用Design-Expert8.0.6軟件進(jìn)行相應(yīng)分析,得到響應(yīng)曲面模型的方差分析結(jié)果,如表3所示。

表3 方差分析結(jié)果

由表3可知:A、B、C、AB、AC、A2、C2顯著性水平P<0.050 0,表明上述因素對(duì)膜土分離率的影響顯著;其余項(xiàng)的P>0.100 0,對(duì)膜土分離率的影響不顯著。根據(jù)F值越大對(duì)目標(biāo)函數(shù)影響越明顯,可以得到各因素的影響順序?yàn)?機(jī)組前進(jìn)速度>輸送帶傾斜角>輸送帶長(zhǎng)度。

在可信度為0.05的前提下,經(jīng)F值檢驗(yàn),得到膜土分離率的回歸方程為

Y=79.10-6.25X1-0.87X2+1.48X3+1.09X1X2+

0.10X1X3-0.09X2X3-0.54X12+0.78X22-0.02X32

(7)

式中Y—膜土分離率(%);

X1—機(jī)組前進(jìn)速度(km/h);

X2—輸送帶長(zhǎng)度(m);

X3—輸送帶傾斜角(°)。

3.5 膜土分離率曲面分析

考慮到紙筒式膜土兩級(jí)分離回收機(jī)機(jī)組前進(jìn)速度、輸送帶長(zhǎng)度和輸送帶傾斜角對(duì)膜土分離率交互作用的影響,且由表3可知只有AB、AC交互作用對(duì)膜土分離率影響顯著,為此對(duì)其進(jìn)行了響應(yīng)曲面分析。交互因素對(duì)膜土分離率的響應(yīng)曲面如圖4所示。

由圖4(a)可知:機(jī)組前進(jìn)速度在一范圍內(nèi),膜土分離率隨輸送帶長(zhǎng)度的增加呈現(xiàn)逐漸增強(qiáng)的趨勢(shì),但輸送帶不宜過長(zhǎng),否則輸送時(shí)間過長(zhǎng),影響回收效率;輸送帶長(zhǎng)度在一范圍內(nèi),膜土分離率隨機(jī)組前進(jìn)速度的增加呈現(xiàn)逐漸減弱的趨勢(shì),機(jī)組前進(jìn)速度不宜過慢或過快,過慢泥土經(jīng)過膜土分離裝置容易被壓實(shí),過快容易扯斷或漏膜,降低回收率。由圖4(b)可知:機(jī)組前進(jìn)速度在一范圍內(nèi),膜土分離率隨輸送帶傾斜角的增加呈現(xiàn)先增強(qiáng)后減弱的趨勢(shì);輸送帶傾斜角在一范圍內(nèi),膜土分離率隨機(jī)組前進(jìn)速度的增加呈現(xiàn)逐漸減弱的趨勢(shì),機(jī)組前進(jìn)速度過大,地膜通過膜土兩級(jí)分離裝置及輸送帶時(shí)間短,從而降低膜土分離率。

4 結(jié)論

1)紙筒動(dòng)力輥與卷膜輥之間依靠摩擦傳動(dòng)使硬紙筒產(chǎn)生動(dòng)力纏繞地膜,在紙筒動(dòng)力輥與卷膜輥摩擦、打滑作用下解決了堆積、扯斷的現(xiàn)象。

2)膜土兩級(jí)分離裝置與輸送帶配合使用,實(shí)現(xiàn)膜土分離。地膜收集時(shí)使用一次性硬紙筒,收集后地膜呈筒狀卸下,回收后成筒地膜可以再利用或直接帶筒直接處理。

3)通過方差分析與相應(yīng)曲面分析,確定了膜土分離率與各試驗(yàn)因素之間主次關(guān)系,得出各因素影響膜土分離率的順序?yàn)?機(jī)組前進(jìn)速度>輸送帶傾斜角>輸送帶長(zhǎng)度。