基于氣力脫膜與殘膜物料特性相關(guān)的研究

段文獻，王吉奎，明 光，，李 陽，，龔賀賀，牛海龍，羅 威

(石河子大學(xué) 機電學(xué)院，新疆 石河子 832000)

?

基于氣力脫膜與殘膜物料特性相關(guān)的研究

段文獻，王吉奎，明 光，，李 陽，，龔賀賀，牛海龍，羅 威

(石河子大學(xué) 機電學(xué)院，新疆 石河子 832000)

針對農(nóng)田殘膜回收中存在脫膜效果不佳的問題，研究并設(shè)計了一種新型夾持式殘膜回收機且采用氣力脫膜。首先，通過運用空氣動力學(xué)及試驗的方法并結(jié)合殘膜物料的特性相關(guān)特性，重點對氣力脫膜時所需氣流作用力大小進行了研究；然后，進行了田間試驗驗證。結(jié)果表明：當采用橡膠材料制作的夾持板，在氣流作用力大小為1.35N時，能夠很好地滿足脫膜作業(yè)要求。本研究可為研制有關(guān)氣力脫膜的殘膜回收機提供參考。

殘膜回收；氣力脫膜；殘膜特性

0 引言

地膜覆蓋種植技術(shù)是一種改善惡劣環(huán)境、創(chuàng)造良好生長條件且被廣泛應(yīng)用的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)，具有保墑、保水、保肥、減少作物病害及抑制雜草等優(yōu)點，是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)取得高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)的重要措施之一[1-2]。新疆大田作物種植全部采用地膜覆蓋技術(shù)，僅棉花生產(chǎn)每年新增殘膜約10萬t，還不包括玉米、甜菜等作物種植產(chǎn)生的殘膜。滯留在農(nóng)田里的殘膜若不能及時回收，將會破壞土壤結(jié)構(gòu)，造成嚴重的白色污染。

目前，國內(nèi)已研制出多種類型的殘膜回收機具，主要包括起膜、撿膜、脫膜、卸膜等作業(yè)工序[3-5]。因殘膜具有輕、柔軟、易吸附和纏繞等特性，所以研制脫膜工序已成為研發(fā)殘膜回收機具中的一個關(guān)鍵性環(huán)節(jié)?，F(xiàn)有殘膜回收機采用的脫膜方法主要有人工脫膜、伸縮桿齒脫膜和脫膜葉片脫膜。人工脫膜勞動強度大、效率低；伸縮桿齒脫膜機構(gòu)制造成本高、故障率高；整體或獨立葉片脫膜大部分采用逆向脫膜，效果差，不能達到脫膜裝置作業(yè)要求[6-7]。因此，研究殘膜回收機脫膜機構(gòu)、分析探討脫膜機理，對于研發(fā)新型殘膜回收機、提升設(shè)備技術(shù)水平、滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)要求具有重要現(xiàn)實意義。本文的創(chuàng)新之處是依據(jù)殘膜輕、柔軟、易纏繞和粘附的特點，采用氣力脫膜方式，防止殘膜二次纏繞，以提高脫膜的可靠性。

1 總體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 總體結(jié)構(gòu)

該機具主要包括牽引裝置、傳動系統(tǒng)、機架、殘膜箱、秸稈粉碎與輸送裝置及殘膜回收裝置，如圖1所示。

1.牽引裝置 2.傳動系統(tǒng) 3.刀軸 4.刀片 5.護罩 6.機架 7.秸稈輸送裝置 8.尾溜板 9.風機 10.夾持主動鏈輪 11.氣流出口 12.新型 13.輸送主動鏈輪 14.起膜架 15.夾持板鏈 16.夾持板 17.鏈支架 18.輸送帶鏈 19.輸送帶 20.起膜齒 21.拉桿 22.輸送從動鏈輪 23.擋土板 24.夾持從動鏈輪 25.行走輪

1.2 工作原理

拖拉機與該殘膜回收機組成作業(yè)機組。作業(yè)時,機組順著作物苗行前進,秸稈粉碎裝置的刀軸帶動刀片做回轉(zhuǎn)運動,刀片將作物秸稈打碎；打碎的秸稈在護罩的作用下被拋撒至刮板輸送裝置,刮板輸送裝置將拋撒過來的秸稈輸送至尾溜板,秸稈順著尾溜板滑落到殘膜箱后側(cè)的地面上；同時,夾持板和輸送帶分別在夾持板鏈和輸送帶鏈的帶動下相對運動,殘膜回收裝置的起膜齒進入到秸稈粉碎后的地表土壤,將殘膜從地表抬離地面一定高度,并被夾持板刮向輸送帶；隨著夾持板與輸送帶的轉(zhuǎn)動,殘膜被夾在夾持板與輸送帶之間,并沿著輸送帶向上輸送；當殘膜輸送至上側(cè)的風口處時,在氣力作用下殘膜落入殘膜箱中,實現(xiàn)殘膜的夾持輸送式回收。

2 氣力脫膜與殘膜物料的相關(guān)特性

2.1 氣流作用力

氣流對殘膜的氣流作用力可以通過下面的公式求得[8]，則

F=mk0v2

(4)

式中 F—氣流對質(zhì)點的作用力；

m—物體的質(zhì)量；

k0—漂浮系數(shù)；

v —物料與氣流的相對速度。

在氣流垂直向上時，物料懸浮于空中，氣體對物體的作用力與重力平衡[9]，則

(5)

式中 VL—物料的懸浮速度。

由式(5)可得

(6)

因此，氣流對對質(zhì)點的作用力方程為

(7)

2.2 殘膜的懸浮速度

由于輕、柔軟的殘膜在氣流流場中運動時實際受力面積非常不易確定，因此殘膜的懸浮速度測量過程比較困難。同時，在實際測量中由于地膜與有機玻璃之間存在著流場壓力、靜電力等耦合作用[9-10]，所以測量結(jié)果必定會存在一定的誤差范圍。本研究所采用的測試裝置為石河子大學(xué)機電學(xué)院實訓(xùn)中心的PS-20型物料臨界速度試驗臺(見圖2)；試驗所用的殘膜為隨機采集大田作物里已經(jīng)使用時間較長的農(nóng)用地膜，對試樣不進行處理保持原來狀態(tài)。由于采集來的農(nóng)用地膜存在不同的形狀，因此在測量殘膜的面積方法上，本研究將殘膜展開后的最大尺寸選為長度尺寸，則與長度方向垂直的最小尺寸為殘膜的寬度，最后進行殘膜懸浮速度的測定。本研究借助于試驗統(tǒng)計軟件SPSS對試驗結(jié)果進行分析，其結(jié)果如表1～表3所示。

1.風機 2.風管 3.孔板式節(jié)流裝置 4.支架 5.穩(wěn)壓管 6.篩網(wǎng) 7.試驗段 8.靜壓測嘴

序號殘膜面/mm2殘膜懸浮速/m·s-11840.1922400.413480.3241350.175790.8261830.7672750.7382180.6591930.3210570.29

表2 殘膜面積與殘膜懸浮速度的相關(guān)性

Table 2 Correlation between residual film area and suspended velocity of residual film

殘膜面積懸浮速度殘膜面積Pearson相關(guān)性顯著性(雙側(cè))N110-0.3980.25410懸浮速度Pearson相關(guān)性顯著性(雙側(cè))N-0.3980.25410110

表3 殘膜的懸浮速度與其質(zhì)量的關(guān)系試驗

續(xù)表3

由表2可知：殘膜懸浮速度和殘膜面積的相關(guān)系數(shù)為R=-0.398，兩者呈負相關(guān)；從顯著性(雙側(cè))可知0.254 > 0.01，因此兩者的相關(guān)性程不顯著。

殘膜面積與殘膜懸浮速度的散點圖如圖3所示，相關(guān)性性如表4所示。

圖3 殘膜面積與殘膜懸浮速度的散點圖

由圖3可知：兩者不呈線性關(guān)系，殘膜的懸浮速度與殘膜面積大小沒有相關(guān)性。

表4 殘膜面積與殘膜懸浮速度的相關(guān)性

Table 4 Correlation between residual film area and suspended velocity of residual film

殘膜質(zhì)量懸浮速度/m·s-1殘膜質(zhì)量Pearson相關(guān)性顯著性(雙側(cè))N1100.980**0.00010

續(xù)表4

**.在0.1水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)。

由表4可以看出：殘膜的懸浮速度與殘膜的質(zhì)量有很大的相關(guān)性，其相關(guān)系數(shù)為R=0.980，兩者程正相關(guān)；從顯著(雙側(cè))可以得知0.00 < 0.01，因此兩者程顯著相關(guān)。

圖4 殘膜質(zhì)量與殘膜懸浮速度的擬合圖

殘膜質(zhì)量與殘膜懸浮速度的擬合圖如圖4所示。由圖4可清楚地看到兩者呈線性關(guān)系，其線性方程為

y=0.661x-0.658

(8)

基于以上分析可知：殘膜的懸浮速度與殘膜的質(zhì)量有顯著相關(guān)性，而與殘膜的面積之間沒有顯著的相關(guān)性。

2.3 殘膜的吸附特性

當夾持板把夾持的殘膜輸送到氣力脫膜裝置的氣流出口處時，由于殘膜具有易吸附特點，在氣流速度大小不足時殘膜將不會被吹落掉，進而會纏繞在運動的夾持板上，最終影響殘膜的回收率[11-13]。因此，研究殘膜的吸附性對氣力脫膜確定氣流作用于殘膜的相對速度有重要意義。本文針對不同材質(zhì)制作的夾持板探究殘膜對其吸附特性的差異，進而得出利于氣力脫膜的夾持板的最佳材料。本文主要對鐵質(zhì)材料、橡膠帆布材料和硬質(zhì)塑料材料制成的夾持板進行研究。通過試驗裝置測得以上3種材料制成的夾持板，其在氣力脫膜時氣流速度大小與殘膜脫凈率之間的關(guān)系如表5所示。

表5 不同材料殘膜脫凈率與風速大小的關(guān)系

Table 5 Different materials plastic film off the net rate relationship with the size of the wind speed

(a)鐵質(zhì)材料制成的夾持板

(b)塑料材料制成的夾持板

(c)橡膠帆布材料制成的夾持板

由表5 可知：采用鐵質(zhì)材料制作的夾持板對脫膜效果較差，采用塑料材料和橡膠帆布材料制成的夾持板對脫膜效果較好。但是，考慮到田間實際作業(yè)的情況，采用塑料制作的夾持板容易遭到破壞，則不宜選用。最后，綜合考慮選橡膠帆布材料制作的夾持板為最佳材料。當采用橡膠材料制作夾持板進行作業(yè)時，結(jié)合實際田間試驗最終確定氣流風速大小選為10.5m/s時對脫膜較適宜。根據(jù)公式(7)可得氣力脫膜所需的臨界氣流作用力，公式中 VL=2.2m/s，v=10.5m/s，m=5.01×10-3kg，g=9.8N/kg，則脫膜最小氣流作用力大小為

因此，氣力脫膜的所需的氣流作用力至少為1.12 N。

3 試驗驗證

2015年11月20日，在新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團農(nóng)八師143團10連棉花收獲后的棉田中進行了田間驗證試驗。試驗對各個氣流出口處的氣流作用力大小進行多次測定，結(jié)果表明：當氣流出口處的氣流作用力大小為1.35N時，能夠很好地滿足脫膜作業(yè)要求。這與理論計算所得的一致，驗證了理論計算的正確性。

圖5 田間試驗

4 總結(jié)

1)通過殘膜的懸浮特性試驗，得出了殘膜的懸浮速度與殘膜的質(zhì)量呈正相關(guān)，而與殘膜的面積沒有相關(guān)性。

2)通過殘膜的吸附特性試驗，得出采用橡膠材料制作的夾持板用于刮送殘膜對于氣力脫膜效果較好。

3)通過田間試驗表明：當氣力脫膜所需氣流作用力為1.35N時，該夾持式殘膜回收機能夠很好地滿足其作業(yè)要求。

[1] 候書林,胡三媛,孔建銘,等.國內(nèi)殘膜回收機研究的現(xiàn)狀[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2002,18(3):186-189．

[2] 張佳,張宇濤,董黎明,等.國內(nèi)殘膜回收機械研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].農(nóng)業(yè)科技與裝備,2014(4):29-31.

[3] 張佳喜,謝建華,薛黨勤,等.國內(nèi)外地膜應(yīng)用及回收裝備的發(fā)展現(xiàn)狀[J].農(nóng)機化研究,2013,35(12):237-240.

[4] 李明洋,馬少輝.我國殘膜回收機研究現(xiàn)狀及建議[J].農(nóng)機化研究,2014,36(6):242-245.

[5] 李斌,王吉奎,胡 凱,等.殘膜回收機順向脫膜機理分析與試驗[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2012,28(21):23-28.

[6] 司明理. 氣吹式春播前殘地膜回收機理論分析及試驗研究[D].烏魯木齊:新疆農(nóng)業(yè)大學(xué),2007.

[7] 周智祥,楊志誠,楊宛章,等. 氣吹式春播前殘膜回收機的研制[J].新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報,2005,28(1):61-65.

[8] 傅立敏.汽車空氣動力學(xué)計算[M].北京:北京理工大學(xué)出版社,2001.

[9] 趙學(xué)篤,張魁學(xué),張振京.短莖稈的氣動特性及其在氣流場中的運動[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報,1982(2):55-65.

[10] 塔娜,秀榮,張志耀.糧食顆粒懸浮速度測試分析[J].農(nóng)機化研究,2009,31(8):147-150.[11] 王澤南,張鵬.農(nóng)業(yè)物料球形顆粒臨界速度動力特性的仿真[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2002,18(4):14-17.

[12] 趙學(xué)篤,陳元生,張守勤.農(nóng)業(yè)物料學(xué)[M].北京:機械工業(yè)出版社,1987:76-80.

[13] 徐偉.農(nóng)用殘膜回收機主要結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué),2006.

[14] 魯亞云,楊志誠,楊宛章,等. 氣吹式秋后殘膜回收機的研究[J].新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報,2005,28(1):57-60.

[15] 李天文,丁雙雙,高明勇,等.基于Flow Simulation的氣力脫膜裝置流場分析[J].農(nóng)機化研究,2015,37(4):40-43.

Abstract： Aiming at the existence of farmland residual film recycling membrane complex and take off the film effect is not ideal, which the author researches and designs a new kind of clamping type residual film recycling and the use of pneumatic stripping machine. First, through the use of aerodynamics and a method of testing the binding properties of plastic film material and relevant characteristics, focusing on the gas flow required stripping strength of the size of the study. Then, a field test verification.Finally, the results showed that: when the rubber material holding plate in the size of the force is 1.35N when airflow, can satisfy the operational requirements stripping.In addition,this research can be developed for other about membrane impurity separation and strength to take off the film residual film recycling machinery to provide the reference.

ID:1003-188X(2017)04-0051-EA

Research on Air Force Separating Residual Film and Material Properties of the Film

Duan Wenxian, Wang Jikui, Ming Guang, Li Yang, Gong Hehe, Niu Hailong, Luo Wei

(Electrical and Mechanical College, Shihezi University, Shehezi 832000,China)

plastic film residue recovery; air force separating residual film; material properties of membrane

2016-03-21

國家自然科學(xué)基金項目(51465050)

段文獻(1988-)，男，山東聊城人，碩士研究生，(E-mail)dwx342977542@126.com。

王吉奎(1970- )，男，新疆瑪納斯人，教授，(E-mail)shzwjk@126.com。

S223.5

A

1003-188X(2017)04-0051-04