氣吸式殘膜回收除雜一體機試驗研究*

許寧，康建明，張恒，彭強吉，張春艷，張寧寧

(山東省農(nóng)業(yè)機械科學研究院，濟南市，250100)

0 引言

地膜覆蓋栽培技術自20世紀70年代末引入我國以來[1]，因其具有增溫保墑、抑制雜草，提高糧食產(chǎn)量、顯著改變農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式的作用[2-3]，自開始應用至今短短40年，該技術已從北方干旱、半干旱地區(qū)擴展到南方高山、冷涼地區(qū)，覆膜作物種類也從最初的經(jīng)濟作物擴大到棉花、玉米和水稻等大田作物。據(jù)統(tǒng)計，目前我國地膜覆蓋面積已超過2 000萬hm2，地膜產(chǎn)量和覆蓋面積均為世界第一[4]。然而，隨著地膜覆蓋面積的逐年增加，越來越多的殘膜滯留田間，破壞土壤結(jié)構，阻礙水肥移動，影響種子發(fā)芽率和根系的正常生長，造成的“白色污染”已嚴重威脅到我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展[5]。

目前多數(shù)農(nóng)戶對殘膜選擇就地焚燒處理，不僅產(chǎn)生有毒煙氣造成“二次污染”，且浪費殘膜資源、易形成火災隱患，是個亟需解決的問題[6]。農(nóng)田殘膜污染問題已經(jīng)引起政府有關部門的重視，我國2014—2019年的中央一號文件均提出要加大殘膜污染的防治力度,開展殘膜回收利用等試點工作[7]。農(nóng)業(yè)農(nóng)村部也將殘膜資源化利用列為打好農(nóng)業(yè)面源污染防治攻堅戰(zhàn)工作目標“一控兩減三基本”的重點內(nèi)容之一。但從我國的基本國情分析，若單純依靠人工對農(nóng)田殘膜進行撿拾回收，存在撿拾成本高、效率低的問題，采取機械化回收的方式能顯著提高殘膜的回收率。

國外為防止殘膜污染，推廣使用高強度、耐老化地膜，回收以卷收式為主，回收后的地膜可循環(huán)使用[8]。近幾年，國內(nèi)科研院所已研制出滾筒式[9]、彈齒式[10]、網(wǎng)鏈式[11]、耙齒式[12]、振動篩式等殘膜回收機械，在一定程度上解決了殘膜的機械化回收問題，但仍存在殘膜撿拾率低、回收后的殘膜中含有大量碎土塊、秸桿等雜質(zhì)的問題。

為解決上述問題，課題組前期完成了對氣吸式殘膜回收除雜一體機的初步研制，但對其作業(yè)參數(shù)與性能還沒有進行深入的研究分析。為此，本文結(jié)合田間試驗進一步對樣機工作參數(shù)與其作業(yè)性能指標(殘膜撿拾率)之間的關系進行試驗研究與優(yōu)化。

1 氣吸式殘膜回收除雜一體機結(jié)構及工作原理

1.1 氣吸式殘膜回收除雜一體機結(jié)構

氣吸式殘膜回收除雜一體機主要由懸掛裝置、機架、秸稈粉碎還田裝置、割膜裝置、傳動裝置、行走裝置、起膜裝置、輸膜裝置、鎮(zhèn)壓裝置、蓋板、脫膜裝置、吸膜除雜裝置、集膜裝置等組成，其結(jié)構見圖1，主要技術參數(shù)見表1。

圖1 氣吸式殘膜回收除雜一體機結(jié)構示意圖

表1 氣吸式殘膜回收除雜一體機主要技術參數(shù)

1.2 工作原理

工作時，拖拉機經(jīng)懸掛機構將動力傳遞給氣吸式殘膜回收除雜一體機，首先利用秸稈粉碎還田裝置將作物秸稈打碎進行回收，之后利用割膜裝置將大片的地膜切成小片，便于后續(xù)的殘膜撿拾以及膜雜分離。被切割成片狀的殘膜及部分秸稈雜質(zhì)在撿拾彈齒的作用下被挑起并源源不斷的被輸膜鏈耙送往脫膜裝置，然后在脫膜裝置的作用下膜雜混合物從彈齒上脫落，在下落的過程中，由于膜雜混合物中殘膜和秸稈等雜質(zhì)在空氣介質(zhì)中的沉降規(guī)律不同，在吸膜除雜裝置的作用下產(chǎn)生一個大于殘膜懸浮速度而小于棉桿等雜質(zhì)懸浮速度的氣流速度，殘膜會被離心風機產(chǎn)生的負壓吸走，經(jīng)離心風機及風管進入集膜裝置，而秸稈等雜質(zhì)會掉落在雜質(zhì)輸送帶上，從而完成殘膜的撿拾和分離工作。

2 撿拾彈齒的運動分析及關鍵裝置介紹

2.1 撿拾彈齒運動分析

如圖2所示，取彈齒鏈轉(zhuǎn)動的軸心O點為坐標原點，x軸與樣機前進方向相同，y軸垂直向上，以C軸水平方向為初始相位，樣機以速度v2勻速前進，彈齒鏈以角速度ω勻速旋轉(zhuǎn)，經(jīng)時間t后，撿拾彈齒轉(zhuǎn)過θ(θ=ωt)角，撿拾彈齒齒尖A的運動軌跡為L。

撿拾彈齒齒尖A的運動方程

(1)

殘膜不漏挑的條件

sa=sb≥s0

(2)

將y=-R+h代入式(1)可得

(3)

(4)

將式(4)代入式(1)可得

(5)

(6)

圖2 兩相鄰彈齒運動軌跡示意圖

由圖2可以看出：Sb=Sa=x1-x2

(7)

將式(5)和式(6)代入式(7)得

(8)

(9)

同理可得

(10)

將式(9)代入式(8)得

(11)

(12)

欲使Sa-S0≥0，則

(13)

由式(13)可求得

(14)

(15)

式中：v2——作業(yè)機的前進速度，m/s；

n——彈齒鏈的轉(zhuǎn)速，r/min；

w——彈齒鏈轉(zhuǎn)動角速度，rad/s；

h——撿拾彈齒的入土深度，m。

前期研發(fā)的彈齒式殘膜回收機實地試驗得出的較優(yōu)經(jīng)驗參數(shù)：h=0.02 m，R=180 mm，v2=5 km/h，將其代入式(15)，可得彈齒鏈轉(zhuǎn)速n≥221.5 r/min。

2.2 割膜裝置

針對殘膜與秸稈等雜質(zhì)易纏繞造成含雜率較高的問題，通過增設割膜裝置對大片的殘膜進行切割，小片的殘膜利于后期的膜雜分離，割膜裝置主要由連接板、支撐軸、圓筒、割刀等部分組成，根據(jù)覆膜寬度為1 800 mm,初步設計圓筒長1 800 mm,直徑280 mm,割刀長470 mm，寬170 mm，割刀成螺旋均勻分布于圓筒上，其結(jié)構見圖3。

圖3 割膜裝置結(jié)構示意圖

2.3 吸膜除雜裝置

由于撿拾彈齒在撿拾殘膜的過程中同時將大量的秸稈等雜質(zhì)一起撿拾，造成機械化回收后的殘膜中含有大量秸稈、碎土塊等雜質(zhì)。為了盡量減少撿拾后殘膜中的秸稈等雜質(zhì)，增設了吸膜除雜裝置，利用殘膜和秸稈等雜質(zhì)在空氣介質(zhì)中的沉降規(guī)律不同，在吸膜除雜裝置的作用下產(chǎn)生一個大于殘膜懸浮速度而小于秸稈等雜質(zhì)懸浮速度的氣流速度，殘膜會被離心風機產(chǎn)生的負壓吸走，經(jīng)離心風機及風管進入集膜裝置，而秸稈等雜質(zhì)會掉落在雜質(zhì)輸送帶上，從而完成殘膜的撿拾和分離工作。吸膜除雜裝置主要由離心風機、集風罩板、雜質(zhì)輸送裝置、脫膜裝置等組成，依據(jù)前期的經(jīng)驗參數(shù)，初步設計輸送帶寬280 mm,長2 600 mm，脫膜裝置的毛刷安裝板長2 260 mm，寬60 mm，離心風機出風口風管截面長300 mm，寬240 mm，其結(jié)構見圖4。

圖4 吸膜除雜裝置結(jié)構示意圖

2.4 集膜裝置

撿拾后的殘膜質(zhì)地松散，為保證樣機連續(xù)作業(yè)并能有效回收殘膜，加裝了增大的集膜裝置。集膜裝置主要由集膜箱、輸膜入口、液壓升降機構等組成，為減少停車卸膜的次數(shù)，初步設計集膜箱長2 600 mm,寬1 300 mm，上側(cè)是開孔的蓋板，方便氣流排出，其結(jié)構見圖5。此裝置利用液壓升降機構實現(xiàn)集膜箱的翻轉(zhuǎn)卸膜，從而將撿拾后的殘膜卸到貨斗內(nèi)，便于運到殘膜回收處理加工點進行相應的分選處理，最終實現(xiàn)殘膜的回收再利用。

圖5 集膜裝置結(jié)構示意圖

3 氣吸式殘膜回收除雜一體機性能試驗

3.1 試驗條件及設備

2020年4月在山東省濟南市章丘區(qū)的山東省農(nóng)業(yè)機械科學研究院試驗基地按照國家標準GB/T 25412—2010《殘地膜回收機》規(guī)定的試驗方法進行氣吸式殘膜回收除雜一體機田間作業(yè)性能試驗，如圖6所示。試驗基地土壤含水量約為12.6%，地膜厚度為0.01 mm。選取樣機作業(yè)后的殘膜撿拾率作為氣吸式殘膜回收除雜一體機作業(yè)性能的主要評價指標。

試驗設備主要包括：HSTL-TRCS02-3型便攜式土壤水分測定儀(華控興業(yè)，精度±3%)、手持熱敏式風速儀(風速測量范圍：0～30 m/s，風速測量誤差：±1%，)UT372高精度非接觸式轉(zhuǎn)速儀(測量范圍：0～999 99 r/min,轉(zhuǎn)速測量精度0.04%±2)、秒表(測量精度：0.01 s)、卷尺(測量精度：1 mm)、天平(測量精度：10 g)、鐵鍬等。

圖6 氣吸式殘膜回收除雜一體機田間試驗

3.2 試驗方案設計

選取前進速度A(3～6 km/h)、彈齒鏈轉(zhuǎn)速B(225～240 r/min)、風機轉(zhuǎn)速C(1 900～2 200 r/min)作為試驗因素，以氣吸式殘膜回收除雜一體機作業(yè)后殘膜撿拾率Y1作為樣機作業(yè)性能評價指標。

(16)

式中：ma——試驗區(qū)內(nèi)殘膜的總質(zhì)量，g；

mb——集膜箱內(nèi)回收的殘膜質(zhì)量，g。

通過駕駛員更換檔位及油門控制實現(xiàn)樣機前進速度的改變，通過更換不同傳動比的齒輪改變彈齒鏈的轉(zhuǎn)速，離心風機轉(zhuǎn)速的改變可以通過調(diào)節(jié)變頻電機的頻率實現(xiàn)。氣吸式殘膜回收除雜一體機性能試驗的試驗因素與水平如表2所示，選用L16(45)正交表進行正交試驗[13]，每個試驗重復3次，取平均值。各試驗因素對樣機作業(yè)后殘膜撿拾率Y1的影響結(jié)果如表3所示。

表2 試驗因素與水平

表3 試驗方案與結(jié)果

3.3 極差分析

由表3中的試驗結(jié)果和極差分析可知，離心風機轉(zhuǎn)速的極差為3.4，對樣機作業(yè)后殘膜撿拾率影響較小，彈齒鏈轉(zhuǎn)速和前進速度兩個因素的極差較大分別為8.8、5.0，是對試驗影響較大的兩個因素。3個因素對試驗結(jié)果的影響為：B>A>C，即彈齒鏈轉(zhuǎn)速>前進速度>離心風機轉(zhuǎn)速。通過直觀分析法對試驗結(jié)果進行分析，各因素水平對殘膜撿拾率的影響順序為A3>A1>A4>A2，B1>B2>B4>B3，C1>C2>C4>C3，其最優(yōu)組合方案是B1A3C1。即彈齒鏈轉(zhuǎn)速為225 r/min，前進速度為5 km/h，離心風機轉(zhuǎn)速為1 900 r/min。

3.4 方差分析

正交試驗設計的極差分析可以簡單直觀的描述各試驗因素對殘膜撿拾率的影響順序，同時具有計算量小等優(yōu)點，但極差分析對誤差的大小不能估計，無法準確地估計各試驗因素對殘膜撿拾率影響的重要程度，這就需要進行方差分析[14]，選用DPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進行方差分析，結(jié)果如表4所示。

由表4分析和各試驗因素P值可知，A(前進速度)、B(彈齒鏈轉(zhuǎn)速)對殘膜撿拾率有極顯著影響，C(離心風機轉(zhuǎn)速)對殘膜撿拾率有顯著影響，各試驗因素對殘膜撿拾率影響的重要程度由大到小依次為:B(彈齒鏈轉(zhuǎn)速)、A(前進速度)、C(離心風機轉(zhuǎn)速)，和極差分析結(jié)果相同。

表4 殘膜撿拾率方差分析

3.5 試驗驗證

2020年5月在山東省濱州市無棣縣西黃一村機采棉試驗基地按照國家標準GB/T 25412—2010《殘地膜回收機》規(guī)定的試驗方法進行氣吸式殘膜回收除雜一體機田間作業(yè)性能實地試驗驗證。試驗基地面積為20 hm2，土壤含水量約為12.6%，采用一膜三行機采棉種植模式，種植行距為500 mm，株距95 mm，棉桿高度在750～850 mm之間，試驗地膜覆蓋時間約210 d，厚度為0.01 mm。以彈齒鏈轉(zhuǎn)速為225 r/min，樣機前進速度為5 km/h，離心風機轉(zhuǎn)速為1 900 r/min進行3次實地驗證試驗，殘膜撿拾率、殘膜含雜率分別通過公式(16)～式(17)計算，試驗結(jié)果見表5。

(17)

式中：mc——集膜箱內(nèi)物料的總質(zhì)量，g；

md——集膜箱物料中的雜質(zhì)質(zhì)量，g。

表5 實地驗證試驗測試結(jié)果

由表5可得殘膜撿拾率平均值為91.6%，殘膜含雜率平均值為10.5%。氣吸式殘膜回收除雜一體機撿拾效果見圖7。

圖7 氣吸式殘膜回收除雜一體機實地驗證試驗效果圖

4 結(jié)論

1) 本文通過增設割膜裝置、吸膜除雜裝置、集膜裝置，研制了一種氣吸式殘膜回收除雜一體機，并對彈齒鏈上撿拾彈齒的運動軌跡進行計算分析，從而確定了殘膜不漏挑的條件：彈齒鏈轉(zhuǎn)速n≥221.5 r/min。

2) 結(jié)合正交試驗設計原理，選用L16(45)正交表對氣吸式殘膜回收除雜一體機進行撿拾性能試驗，通過正交試驗極差分析和方差分析得出影響殘膜撿拾率的因素由大到小依次為:B(彈齒鏈轉(zhuǎn)速)、A(前進速度)、C(離心風機轉(zhuǎn)速)，其最優(yōu)組合方案是B1A3C1。即彈齒鏈轉(zhuǎn)速為225 r/min，樣機前進速度為5 km/h，離心風機轉(zhuǎn)速為1 900 r/min。

3) 實地試驗驗證當彈齒鏈轉(zhuǎn)速為225 r/min，樣機前進速度為5 km/h，離心風機轉(zhuǎn)速為1 900 r/min時，樣機撿拾作業(yè)后殘膜撿拾率為91.6%，殘膜含雜率為10.5%，可為殘膜回收相關設備的研發(fā)提供參考。