機收膜雜混合物分離裝置設計與試驗

摘要：針對目前膜雜分離裝置存在分離率較低、含雜率高的問題，設計一種膜雜混合物分離裝置。介紹膜雜分離裝置的整機結構及工作原理，闡述關鍵部件滾筒篩的結構及參數確定，并對其進行運動學分析，確定影響膜雜分離率和含雜率的主要作業因素。制作試驗樣機，以滾筒篩進風口風速、滾筒篩傾角以及轉速作為試驗因素，以膜雜分離率和含雜率為試驗指標，開展正交試驗。試驗結果表明：影響膜雜分離率和含雜率的主次順序為滾筒篩進風口風速、滾筒篩傾角和轉速，最優參數組合為滾筒篩進風口風速10m/s、滾筒篩最優傾角10°以及滾筒篩轉速45r/min，在較優因素組合參數下進行重復驗證試驗，結果表明，膜雜分離率為92.4%，含雜率為6.5%。

關鍵詞：殘膜回收；分離裝置；滾筒篩；膜雜混合物；正交試驗

中圖分類號：S223.5

文獻標識碼：A

文章編號：20955553 （2024） 070009

06

Design and test of separation device for mechanically collecting membrane miscellaneous mixture

Zhang Jia， Xu Jun， Xiao Ping， Zhao Xiaojun

（School of Mechanical and Electrical Engineering， Xinjiang Institute of Engineering， Urumqi， 830023， China）

Abstract：

Aiming at the problems of low separation rate and high impurity content in the current membrane impurity separation device， a membrane impurity mixture separation device was designed. This paper introduced the whole machine structure and working principle of the membrane impurity separation device， elaborated on the structure of the key components of the trommel screen and the determination of the main structure and parameters， and carried out a kinematic analysis to determine the main operating factors affecting the separation rate of the membrane impurity and impurity rate. The test prototype was made， and the wind speed at the inlet of the tumbler screen， the tilt angle of the tumbler screen and the rotational speed of the tumbler screen were taken as the test factors， and the membrane impurity separation rate and the impurity rate were taken as the test indexes to carry out the orthogonal test， and the test results showed that the main and secondary orders affecting the separation rate of the membrane impurities and the impurity rate were the wind speed at the inlet of the tumbler screen， the tilt angle of the tumbler screen and the rotational speed of the tumbler screen， and the optimal parameter combinations through the analysis of the tests were wind speed at the inlet of the tumbler screen. The optimal combination of parameters is drum screen inlet air velocity of 10 m/s， drum screen optimal inclination angle of 10° and drum screen rotational speed of 45 r/min. The repeated validation tests have been carried out under the optimal combination of parameters， and the results show that the membrane impurity separation rate is 92.4% and the impurity rate is 6.5%.

Keywords：

residual film; separation device; rotary sieve; membrane miscellaneous mixtures; orthogonal test

0 引言

隨著農用地膜覆蓋技術的不斷發展，新疆農作物普遍采用農用地膜種植［1］。2023年新疆棉花種植面積約2333.33khm2，占我國棉花總種植面積的83.2%，每年使用地膜總重量約175kt［1］，使用后的地膜容易殘留在農田土壤中，對土壤的性質、作物的生長以及周邊的環境造成較大的破壞［2］。現有的殘膜回收機很大程度可以解決棉田中地膜殘留問題，但殘膜回收機回收后的殘膜大部分被焚燒或者填埋，造成二次環境污染［3， 4］。殘膜回收再利用是指將農田中的殘膜回收后，經過漂洗，化工制造成滴灌帶等塑料制品，不僅可以二次利用，還有效地改善環境污染問題。但由于殘膜回收機回收后的膜雜混合物混合在一起，很難將殘膜進行分離收集，導致殘膜回收再利用率還不到20%，造成環境污染和資源浪費［5］。

國外為了減少地膜覆蓋而引起的殘膜回收導致環境污染問題，農作物種植一直使用高強度、厚度較厚的地膜，在地膜使用后，通過卷收方式進行殘膜回收，回收效率高，回收后的殘膜含雜率低，可二次使用或者加工成塑料顆粒，因此，未見到有關殘膜回收后膜雜混合物分離機械的報道［6］。國內在膜雜混合物分離技術的研究已經取得一些進展，主要是利用風選分離以及水洗分離等方法［7］。張海蕓等［8］設計了一種利用風選分離法的廢舊地膜清潔裝置，在風機風力的作用下，撥桿棍上的撥桿齒將掛住殘膜，膜雜混合物中的棉稈以及土塊則從輸送部件末端滑落，從而實現膜雜混合物的分離；康建明等［9， 10］設計一種氣力式膜雜分離裝置，根據殘膜與碎石塊在空氣中受力后的沉降規律不同，實現殘膜與雜質的分離。

綜上所述，國內研究人員在機收膜雜混合物分離技術上取得一些成果，但仍存在膜雜分離機理不清，結構復雜、分離率較低，含雜率高等缺點。在前人研究的基礎上，本文利用殘膜混合物各成分物理特性不同，設計一種結構簡單、分離率較高且含雜率低的膜雜分離裝置并進行樣機試驗，研究其結構參數及運動參數對膜雜分離率和殘膜含雜率的影響規律，確定膜雜分離裝置最佳技術方案及參數組合，為實現高效膜雜分離機械設計及優化提供參考。

1 整機結構及工作原理

1.1 整機結構

膜雜分離裝置主要由機架、風機、滾筒篩、滾筒部件電機、切斷部件電機、進料斗以及切斷部件組成，如圖1所示。滾筒篩與機架傾斜設置，通過滾筒部件電機驅動滾筒篩沿自身軸線旋轉，在滾筒篩的內壁上還安裝有螺旋葉片，滾筒篩的下端開口中心處安裝有風機，滾筒篩的上端與集膜筒相通，集膜筒的最外側壁上開設有多個通孔，集膜筒上還開設有進料口以及出料口，切斷部件與集膜筒上的進料口相通。

1.2 工作原理

工作時，打開電源開關，調節風機、滾筒部件電機以及切斷部件電機轉速，將機收膜雜混合物放入切斷部件的進料口，切斷部件將膜雜混合物碾壓并切斷成60～100mm左右的段狀結構，切斷的膜雜混合物隨后進入集膜筒，由于集膜筒傾斜設置，切斷的膜雜混合物依靠重力進入滾筒篩，在風機氣流以及滾筒篩旋轉的復合作用下，膜雜混合物受氣流場、離心力以及重力的作用下出現分層，由于土塊以及棉稈重量大于殘膜重量，更貼近于滾筒篩內壁，隨著螺旋葉片的運動，不斷被輸送至滾筒篩下方出口，而混合物中的殘膜由于密度小以及重量輕，更容易漂浮在滾筒篩中心處，在受到風機氣力的作用下，殘膜被吹向上方的集膜筒，從集膜筒的下料口落下。

2 滾筒篩結構設計及運動分析

2.1 滾筒篩結構設計及參數確定

2.1.1 滾筒篩整體結構

滾筒篩是膜雜分離裝置的關鍵部件，其作用是將膜雜混合物進行有效分離，并將殘膜以及秸稈等雜質進行分開輸送。滾筒篩采用鋼板折彎焊接而形成的圓柱形結構，通過軸承傾斜安裝在機架上，滾筒篩可沿自身軸線旋轉，其內壁上焊接有螺旋葉片，結構如圖2所示。

2.1.2 滾筒篩轉速的確定

被切斷部件切斷后的膜雜混合物進入滾筒篩內，在滾筒篩的旋轉驅動下，膜雜混合物被不斷翻轉，此過程中，對膜雜混合物進行動力學分析，以膜雜混合物空間上的某一點O為研究對象，設水平方向為x軸，垂直方向為y軸，膜雜混合物受到重力G，壓力N以及離心力F，具體受力分析如圖3所示。

膜雜混合物在受到滾筒篩驅動力的作用下隨滾筒篩旋轉，當膜雜混合物離開滾筒篩時，膜雜混合物受到的壓力N=0，膜雜混合物收到的重力G的分量與離心力F相等，可得式（1）［11］。

mgcosβ=mv2R

G=mg

v=Rπn30

（1）

式中：

m——混合物質量，kg；

g——重力加速度，m/s2；

β——分離角，（°）；

v——混合物線速度，m/s；

R——滾筒篩半徑，m；

n——滾筒篩轉速，r/min。

由式（1）可得

n=30πgcosβR

（2）

當膜雜混合物到達滾筒篩上方頂點時，分離角β為0°，滾筒篩的轉速為滾筒篩的臨界轉速，如式（3）所示。

n=30πgR

（3）

已知滾筒篩輥筒直徑為375mm，代入式（3）中，計算得到滾筒篩的臨界轉速為48.8r/min，即滾筒篩小于該臨界轉速下，膜雜混合物不會緊貼滾筒篩內壁。由圖3分析可知，滾筒篩的轉速過高或過低，都會導致膜雜混合物在滾筒篩內拋灑不充分，影響膜雜分離效率以及含雜率，因此，滾筒篩的轉速n選取35～45r/min。

2.1.3 滾筒篩直徑及長度的確定

滾筒篩的直徑D和長度L也是影響膜雜分離率以及分離效果的因素，結合膜雜混合物物料成分分析以及滾筒篩的直徑計算方法［12］，可得式（4）。

D=2h35Q3ρntan2θ2

（4）

式中：

Q——生產率，kg/h；

h——

膜雜混合物在滾筒篩內的厚度，mm；

ρ——容積密度，kg/m3；

θ——滾筒篩傾角，（°）。

本文膜雜分離裝置的生產率為100kg/h，滾筒篩傾角θ以15°進行計算。通過測定，膜雜混合物容積密度ρ取值范圍為35～45kg/m3，取40kg/m3，膜雜混合物在滾筒篩內的厚度約90mm，滾筒篩轉速取35r/min，將上述數據代入式（4）得出滾筒篩的最大直徑D約為1097mm，考慮到膜雜分離裝置的整體尺寸以及螺旋葉片直徑制成標準，最終確定滾筒篩的直徑為750mm。

通過滾筒篩長度經驗公式［13］L=（3～5）D，可計算得出滾筒篩長度L為2250～3750mm，考慮到分離裝置結構尺寸限制，確定滾筒篩長度L為2300mm。

2.1.4 螺旋葉片參數的確定

當膜雜混合物在滾筒篩內不斷被翻滾，秸稈以及土塊等雜質由于重量大，受離心力的作用貼合與滾筒篩內壁，螺旋葉片的作用是將秸稈以及土塊等雜質進行向下輸送，螺旋葉片的結構參數如圖2所示，主要包括葉片長度Ly、內徑Dy、葉片寬度H以及螺距Px。考慮到秸稈、土塊等雜質的尺寸大小，葉片寬度H取100mm，根據滾筒篩的直徑以及長度，螺旋葉片內徑Dy設計為550mm，葉片長度Ly設計為2000mm。螺旋葉片螺距Px的不同會影響膜雜混合物運動速度的變化，螺旋輸送時螺距的計算如式（5）所示。

Px=KDy

（5）

式中：

K——系數，0.8～1.0；

Dy——螺旋葉片內徑，mm。

根據已有的設計經驗［14］，系數K取0.8，可得到螺旋葉片螺距Px為440mm。

2.2 膜雜混合物在滾筒篩中的運動分析

膜雜混合物在滾筒篩內受到風機的氣力作用，依據殘膜與秸稈在滾筒篩內的懸浮速度以及沉降規律差異不同，實現將殘膜與秸稈等雜質進行分離，因此，需要對膜雜混合物進行運動學分析［15］，如圖4所示。

以滾筒篩內的膜雜混合物上的某一點o點為研究對象，水平方向為x軸，豎直方向為y軸，滾筒篩傾角為θ，滾筒篩進風口風速為vf，膜雜混合物的相對速度為vr，絕對速度為va，膜雜混合物受到自身重力G，在空氣場風力F風計算如式（6）所示。

F風=μρ空Svf2

（6）

式中：

μ——風阻系數；

ρ空——空氣密度，kg/m3；

S——混合物迎風面積，m2。

設定膜雜混合物中殘膜質量為m1，密度為ρ1，建立滾筒篩內殘膜的運動方程，殘膜的水平方向運動距離x1計算如式（7）所示。

x1=vft1cosθ-m1D′lnm1+D′t1vfcosθm1

（7）

式中：

m1——殘膜質量，kg；

t1——殘膜在空氣中的運動時間，s；

D′——常數，D′=μρ1S。

殘膜的豎直方向運動距離y1計算如式（8）所示。

y1=m1D′lnx2C-vft1cosθ

C=mgD′

x=

（C+vfcosθ）exp（Ct1）+（C-vfcosθ）

exp（-Ct1）

（8）

同理可得到膜雜混合物中秸稈的運動方程，通過對殘膜以及秸稈的運動方程分析可知，殘膜在滾筒篩內水平方向距離越大，且秸稈在滾筒篩內水平方向距離越小，膜雜混合物的分離效果越好。通過式（7）以及式（8）分析可知，膜雜混合物的分離效果與風速vf、殘膜質量、秸稈質量、滾筒篩傾角θ以及受風面積S有關。風速vf越大，膜雜混合物在水平方向運動距離的就越大，滾筒篩傾角θ越大，膜雜混合物在水平方向運動距離就越小，經單因素試驗，風速vf在5～15m/s時以及滾筒篩傾角θ為5°～15°時，可達到較好的膜雜分離效果。

3 分離裝置試驗

3.1 試驗條件

參照GB/T 5262—2008《農業機械試驗條件測定方法的一般規定》試驗方法，2022年4月在新疆工程學院實驗樓進行試驗。以石河子地區秸稈粉碎殘膜回收機回收的膜雜混合物為試驗對象，首先將膜雜混合物進行切斷，膜雜混合物中的秸稈以及殘膜長度控制在100mm以內，試驗所需設備有光合手持式風速儀（風速測量范圍：0～45m/s，精度：±3%）、德力西轉速表（轉速測量范圍：2.5～99999r/min，精度：0.1%）、其他設備還有電子秤等常規試驗儀器。

3.2 試驗設計

3.2.1 試驗指標

膜雜分離率是衡量膜雜混合物分離裝置分離效果的重要指標，即分離出來的殘膜重量與分離前膜雜混合物中所有殘膜重量的比值；含雜率是衡量膜雜混合物分離裝置分離質量的關鍵指標，是指分離后殘膜中雜質重量與膜雜混合物總重量之間的比值。因此，設定試驗指標為分離率η1以及含雜率η2，計算如式（9）所示。

η1=M1M2×100%

η2=N1N2×100%

（9）

式中：

M1——

出膜口的膜雜物料中的殘膜重量，g；

M2——

分離前膜雜混合物中所有殘膜的重量，g；

N1——

出膜口的膜雜物料中的雜質重量，g；

N2——出膜口的膜雜物料總重量，g。

3.2.2 試驗因素

根據理論分析結果和單因素試驗結果，以滾筒篩進風口風速、滾筒篩傾角以及滾筒篩轉速作為試驗因子，確定滾筒篩進風口風速范圍為5～15m/s，滾筒篩傾角為5°～15°，滾筒篩轉速為35～45r/min，因素編碼表如表1所示。

3.2.3 試驗方法

按照膜雜分離裝置設計的功能要求，選取2kg的膜雜混合物進行試驗，試驗結束后，將出膜口的殘膜以及棉稈等雜質稱重，可測得出膜口的膜雜物料總重量N2，之后將出膜口的膜雜物料進行人工挑選，將出膜口的膜雜物料中的殘膜以及雜質挑出，得到出膜口的膜雜物料中的雜質重量N1，出膜口的膜雜物料中的殘膜重量M1，測得出雜口處的殘膜重量M3，出膜口的膜雜物料中的殘膜重量M1與出雜口處的殘膜重量M3之和，即為分離前膜雜混合物中所有殘膜的重量M2。通過式（9）可算出分離率η1以及含雜率η2。

3.3 試驗結果與分析

考慮試驗結果可能有誤差引起，設計正交試驗表時增加一空白列。按照正交試驗L9（34）建立正交表［16， 17］，共進行9組試驗，試驗數據為每一種組合重復3次試驗，并求其平均值取值得到，具體試驗方案和試驗結果如表2所示，試驗結果方差分析如表3所示。其中A、B、C為各因素編碼值。

由表2可知，在試驗設定的條件下，膜雜分離裝置的分離率η1為84.8%～93.7%，各因素主次大小順序為A、B、C，膜雜分離較優方案為A2B2C3，即滾筒篩進風口風速為15m/s，滾筒篩傾角為10°，滾筒篩轉速為45r/min。同時，膜雜分離裝置的含雜率η2為5.3%～12.7%，各因素主次大小順序為A、B、C，較優方案為A1B3C3，即滾筒篩進風口風速為10m/s，滾筒篩傾角為15°，滾筒篩轉速為45r/min。

由樣機試驗結果可知，滾筒篩進風口風速以及滾筒篩傾角是影響膜雜分離率以及含雜率的顯著因素，滾筒篩進風口風力的作用是將滾筒篩內分離后的殘膜吹入到集膜筒，滾筒篩進風口風速越大，殘膜越容易被吹入到集膜筒，試驗觀測中發現，當滾筒篩進風口風速超過10m/s時，滾筒篩內的小段秸稈也開始向集膜筒方向移動，考慮對殘膜含雜率的影響，滾筒篩進風口最優風速選為10m/s。

因素滾筒篩傾角越大，滾筒篩內的殘膜相對于秸稈更容易被吹向集膜筒，但當滾筒篩傾角超過10°時，殘膜容易被吹向滾筒篩內壁，膜雜分離率開始下降。滾筒篩傾角越大，秸稈受重力影響，加快向滾筒篩進風口處滑落，殘膜含雜率則會越低，綜合考慮膜雜分離率以及含雜率，滾筒篩最優傾角選為10°。

因素滾筒篩轉速為35～45r/min，膜雜分離率以及含雜率相對較為穩定，經過測試發現，當滾筒篩轉速超過50r/min時，膜雜混合物開始出現緊貼滾筒篩內壁，導致膜雜分離率下降，這與理論分析結果一致。綜合分析，滾筒篩轉速選為45r/min。

3.4 試驗驗證

為進一步驗證正交試驗結果的準確性，對較優因素組合進行了驗證試驗，最優試驗因素選為滾筒篩進風口風速10m/s、滾筒篩最優傾角10°以及滾筒篩轉速45r/min，試驗3次取平均值，結果表明：在較優因素組合參數下，膜雜分離率為92.4%，含雜率為6.5%。

4 結論

1） 利用機收膜雜混合物各成分物理特性不同，設計一種結構簡單、分離率較高且含雜率低的膜雜分離裝置，通過先將膜雜混合物進行切斷，再進行風選分離，從而提高膜雜分離裝置的分離率以及降低含雜率。

2） 以滾筒篩進風口風速、滾筒篩傾角以及滾筒篩轉速作為試驗因素，以膜雜分離率以及含雜率為試驗指標，開展正交試驗。試驗結果表明：影響膜雜分離率以及含雜率的主次順序為滾筒篩進風口風速、滾筒篩傾角和滾筒篩轉速，最優參數組合為滾筒篩進風口風速10m/s、滾筒篩最優傾角10°以及滾筒篩轉速45r/min。

3） 驗證試驗結果表明：在最優參數組合下，膜雜分離率為92.4%，含雜率為6.5%，證明最優參數組合的可靠性，滿足膜雜分離作業要求。

參 考 文 獻

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