網(wǎng)鏈式殘膜回收機膜土輸分機構(gòu)優(yōu)化與對比試驗

顧 滿,胡志超,游兆延,徐弘博,姬廣碩,吳 努

(1.南通大學 機械工程學院,江蘇 南通 226019;2.農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機械化研究所,南京 210014)

0 引言

農(nóng)作物覆膜技術在引入我國后得到了廣泛推廣與大面積使用。北方地區(qū)氣候干燥多嚴寒,是覆膜技術的推廣使用區(qū),也是受殘膜污染影響最大的區(qū)域,殘膜造成嚴重的白色污染污染周邊環(huán)境,滯留田間污染土地影響作物生長[1-3]。采用人工回收殘膜成本高、效率低,而可降解膜、一膜多用、替代覆膜等技術受制于成本、技術及適應范圍等因素還無法得到大規(guī)模推廣,目前殘膜回收的主要途徑仍以機械化回收為主[4-6]。

目前,國內(nèi)使用塑料薄膜厚度在0.008mm以下,主要收回期為作物收獲以后,地膜破損嚴重,且大部分地膜在地表以下,為殘膜回收帶來一定的困難。國內(nèi)殘膜回收機械的類型主要有桿齒式、齒鏈式、氣吸式及針刺式等,沙土地為我國主要土地類型,而網(wǎng)鏈式殘膜回收機在沙土地地區(qū)具有良好的作業(yè)效果,且對深層薄膜有良好的回收效果,應用前景廣泛[7]。

為此,以本單位所研制的1MSWL-165型網(wǎng)鏈式殘膜回收機為研究對象,對直線型二級網(wǎng)鏈結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設計,優(yōu)化結(jié)果為三拐點式二級網(wǎng)鏈結(jié)構(gòu)進行膜土膜土輸送與分離。同時,分析兩種機構(gòu)作業(yè)方式及原理,并進行兩種機型的田間對比試驗,為網(wǎng)鏈式殘膜回收機進一步改進和優(yōu)化提供依據(jù)。

1 網(wǎng)鏈式殘膜回收機

1MSWL-165網(wǎng)鏈式殘膜回收機主要由起膜鏟、碎土輥、二級網(wǎng)鏈輸膜機構(gòu)及集膜箱組成,如圖1所示。其中,以二級網(wǎng)鏈輸膜機構(gòu)為主體完成膜土輸送與分離,網(wǎng)鏈由鏈桿和鋼絲網(wǎng)組合而成。前期研究表明：其殘膜輸送效果極大增加,在網(wǎng)鏈輸送過程中通過三重作用增強了膜土分離效果：碎土輥與網(wǎng)鏈結(jié)構(gòu)配合作用實現(xiàn)大土塊碾壓破碎使土壤漏過增加了去土效果;抖土裝置與網(wǎng)鏈結(jié)構(gòu)作用增強了網(wǎng)鏈表面振動,增加膜土分離效果;大傾角二級網(wǎng)鏈結(jié)構(gòu)實現(xiàn)土塊沿第2級網(wǎng)鏈表面滾落,進一步增強了去土效果。

殘膜輸送與分離是網(wǎng)鏈式殘膜回收機作業(yè)過程中的關鍵環(huán)節(jié)[8],影響其作業(yè)效果的主要原因是：膜土混合物在第1級網(wǎng)鏈輸送時抖動不徹底造成膜土混合物無法有效分離,土塊沿第一級網(wǎng)鏈拋出后沒有沿第2級網(wǎng)鏈表面及時滾落而被收集進集膜箱中,長殘膜碎片在網(wǎng)鏈末端存在回帶影響收膜效果。為此,對1MSWL-165型網(wǎng)鏈式殘膜回收機進行改進,得到1MSWL-165A型殘膜回收機圖,如圖2所示。

1.變速箱 2.懸掛架 3.機架 4.傳動機構(gòu) 5.第1級網(wǎng)鏈 6.第2級網(wǎng)鏈 7.集膜箱 8.液壓推桿 9.地輪 10.擋板 11.碎土輥 12.起膜鏟圖2 1MSLM-165A型網(wǎng)鏈式殘膜回收機結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structural diagram of 1MSWL-165 typed network chain type residual plastic film collector

2 膜土輸分機構(gòu)優(yōu)化

在前期設計中,輸膜機構(gòu)采用直線型二級網(wǎng)鏈結(jié)構(gòu),主要由二級網(wǎng)鏈及雙作用激振裝置組成。工作時,網(wǎng)鏈起膜鏟起膜后,殘膜和土塊沿網(wǎng)鏈表面?zhèn)鲃?通過雙作用激振裝置使網(wǎng)鏈表面振動達到膜土分離,雙作用激振裝置由驅(qū)動輪帶動驅(qū)動軸完成振動。前期研究中,通過ADAMS仿真等方法確定激振裝置振幅25mm。雙作用激振裝置存在易磨損及振動周期長等缺點,同時直線型網(wǎng)鏈結(jié)構(gòu)存在殘膜回帶、第1級網(wǎng)鏈拋出土塊難以滾落等問題。為解決以上問題,優(yōu)化膜土輸分機構(gòu)為三拐點式二級網(wǎng)鏈結(jié)構(gòu),以提高膜土輸送與分離效果。

三拐點式二級網(wǎng)鏈結(jié)構(gòu)如圖3所示。直線式二級網(wǎng)鏈結(jié)構(gòu)保留了大傾角二級網(wǎng)鏈結(jié)構(gòu)及碎土輥等裝置,兩級網(wǎng)鏈均配置成三拐點形式,第1級網(wǎng)鏈固定,第2級網(wǎng)鏈設置橫向調(diào)節(jié)裝置和縱向調(diào)節(jié)裝置調(diào)節(jié)網(wǎng)鏈傾角。

1.起膜鏟 2.變速箱 3.傳送系統(tǒng) 4.橫向調(diào)節(jié)裝置 5.第2級拐點機構(gòu)支撐軸 6.縱向調(diào)節(jié)裝置 7.第1級拐點機構(gòu)支撐軸 8.抖土輥圖3 三拐點式二級網(wǎng)鏈結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structural diagram of two-stage network chain with three inflexions

網(wǎng)鏈式殘膜回收機在輸膜過程中采用網(wǎng)鏈與鏈桿結(jié)構(gòu)組合的配置形式,殘膜支撐度與輸送效果良好,對土壤有良好的透過效果。其主要通過3方面增強殘膜輸送及膜土分離效果：①減少殘膜在輸膜過程中殘膜與圓弧段依附長度;②減小隨第一級網(wǎng)鏈拋出的土塊在第二級網(wǎng)鏈表面的減速距離,避免土塊與殘膜作用而嵌入網(wǎng)孔;③增加抖土裝置的抖土頻率。

2.1 降低殘膜依附長度

1MSWL-165型網(wǎng)鏈式殘膜回收機采用大升角二級網(wǎng)鏈結(jié)構(gòu),膜土混合物經(jīng)第1級網(wǎng)鏈抖土分離后,殘膜、碎土壤和土塊被拋出到第2級升運網(wǎng)鏈,在二級升運網(wǎng)鏈表面殘膜與碎土壤為靜摩擦;殘膜隨二級網(wǎng)鏈向上運輸,碎土壤在網(wǎng)鏈表面運輸過程中進一步漏下,土塊為滾動摩擦,沿二級網(wǎng)鏈表面滾落[0-11]。在前期研究中,較長的殘膜碎片在前部分脫離網(wǎng)鏈末端時后部分仍在網(wǎng)鏈上,導致前部分殘膜重新吸附在網(wǎng)鏈表面圓弧段,亦或是在殘膜經(jīng)過圓弧段時嵌入網(wǎng)鏈內(nèi)側(cè)形成回帶。采用兩種形式網(wǎng)鏈結(jié)構(gòu)殘膜回帶示意圖,如圖4所示。

圖4 殘膜回帶示意圖Fig.4 Diagram of returned film

采用三拐點式二級網(wǎng)鏈結(jié)構(gòu),圓弧段依附距離為

(1)

直線式網(wǎng)鏈結(jié)構(gòu),圓弧段依附距離為

(2)

其中,r1、r2分別為三拐點式網(wǎng)鏈結(jié)構(gòu)與直線式網(wǎng)鏈結(jié)構(gòu)網(wǎng)鏈末端傳動輪半徑;α1為第1級網(wǎng)鏈升運角(rad);β1為第1級網(wǎng)鏈下傾方向與水平面夾角(rad)。在網(wǎng)鏈傳動軸之間存在抖土裝置,有r2>r1,由式(1)、式(2)分析可知：S1

2.2 減小拋出土塊的減速距離

第2級網(wǎng)鏈對大土塊分離起關鍵作用,在二級升運網(wǎng)鏈表面土塊為滾動摩擦,沿二級網(wǎng)鏈表面滾落[12-14]。設殘膜及土塊以第1級網(wǎng)鏈線速度拋出后落在二級網(wǎng)鏈上,土塊受重力影響,在網(wǎng)鏈表面先減速隨后滾落,采用二級網(wǎng)鏈結(jié)構(gòu)。對土塊進行運動分析,如圖5所示。

設土塊拋出第1級網(wǎng)鏈后無速度變化,在第2級網(wǎng)鏈表面,將土塊運動速度v1沿二級網(wǎng)鏈升運方向分解,設其落在二級網(wǎng)鏈上初始速度v0,則有

v0=v1cos(β1+α2)

(3)

其中,β1為一級升運鏈降運角(°),β1=8°;α2為二級升運鏈升運角(°),α2=35°。

殘膜為滑動摩擦,土塊為滾動摩擦,殘膜隨網(wǎng)鏈向上運動,土塊沿網(wǎng)鏈表面反向加速后沿網(wǎng)鏈表面滾落,則有

(4)

其中,s為土塊沿二級網(wǎng)鏈表面減速距離(m);a為土塊沿二級網(wǎng)鏈表面加速度(m2/s);g為重力加速度,g=9.8m/s2;f為土塊與網(wǎng)鏈動摩擦因數(shù),取f=0.1。

采用直線型二級網(wǎng)鏈結(jié)構(gòu),土塊減速距離為

(5)

采用兩種結(jié)構(gòu)形式,土塊減速距離差為

(6)

帶入數(shù)據(jù),由式(3)～式(6)可計算出兩種形式土塊在二級網(wǎng)鏈上減速距離距離差為193mm。三拐三拐點式網(wǎng)鏈結(jié)構(gòu)較直線結(jié)構(gòu)減速距離降低47%,通過有效減少土塊在二級網(wǎng)鏈表面的減速距離,使土塊及時滾落以增加去土效果。

圖5 土塊速度分析Fig.5 Velocity analysis of clod

2.3 增加抖土頻率

為增大膜土分離效果,設計三頭型抖土輥,主要由傳動輪、傳動軸、抖土輥及固定支座組成,如圖6所示。在轉(zhuǎn)動過程中,傳動軸每轉(zhuǎn)動1圈抖土輥與網(wǎng)鏈作用3次,網(wǎng)鏈由直線狀態(tài)變?yōu)檎劬€狀態(tài)以達到抖動增加膜土分離效果[15-17]。

設抖土輥與網(wǎng)鏈在接觸時無相對滑動,即抖土輥與網(wǎng)鏈接觸點線速度為網(wǎng)鏈線速度v1,則有

(7)

其中,v1為第1級網(wǎng)鏈線速度(m/s),v1=2;r為抖土輥抖動半徑(m);n為抖土輥轉(zhuǎn)速(r/min)。

三頭型抖土輥的抖土頻率為

(8)

為達到理想膜土分離效果,設計抖土輥抖土半徑為r=0.10m,由式(7)和式(8)計算得三頭型抖土輥抖動頻率為9.55Hz。

1.傳動輪 2.傳動軸 3.抖土輥 4.固定支座圖6 三頭型抖土輥結(jié)構(gòu)簡圖Fig.6 Structural diagram of three - head soil - shaking roller

3 田間對比試驗

通過對網(wǎng)鏈式殘膜回收機膜土輸分機構(gòu)機理分析及優(yōu)化,在相同條件下對1MSWL-165型及改進型1MSWL-165A型殘膜回收機進行試驗,以檢驗膜土輸送與分離效果,如圖7所示。以拾膜率、殘膜回帶率、膜土比為作業(yè)指標,驗證優(yōu)化結(jié)果,旨在為網(wǎng)鏈式殘膜回收機膜土輸分機構(gòu)優(yōu)化設計提供參考。

圖7 田間試驗Fig.7 Field test

3.1 試驗條件

試驗地點為遼寧省錦州市義縣,選取試驗田為沙土土壤壟作花生,所覆薄膜為0.008mm厚度黑膜。選定試驗區(qū)長度為20m,為減少不必要因素影響,在測區(qū)前后各5m長度范圍內(nèi)人工清理出殘膜。試驗儀器設備主要有東方紅LY1104拖拉機、1MSWL-165型及改進型1MSWL-165A型網(wǎng)鏈式殘膜回收機、電子天平、皮尺及塑料袋等。

3.2 試驗指標與方法

根據(jù)前文對網(wǎng)鏈式殘膜回收機的作業(yè)機理分析及優(yōu)化設計,試驗分別測定相同工作參數(shù)下兩種殘膜回收機拾膜率、回帶率及膜土比,拖拉機前進速度為1m/s,挖掘鏟挖掘深度為20cm。試驗指標分析方法如下：

1)拾膜率Y1。拾膜率為檢驗機具收膜效果指標,每次試驗結(jié)束后收集集膜箱內(nèi)殘膜及測區(qū)未撿拾殘膜,洗凈、晾曬、稱重,計算拾膜率。

(9)

其中,Y1為拾膜率(%),m0為集膜箱中殘膜質(zhì)量(g),m2為測區(qū)未撿拾殘膜質(zhì)量(g)。

2)回帶率Y2?；貛蕿闄z驗機具防止殘膜回帶效果指標,在機具網(wǎng)鏈輸膜機構(gòu)下加裝一集膜柵條框,土壤漏過,收集回帶殘膜,進行洗凈、晾曬、稱重。

(10)

其中,Y2為殘膜回帶率(%),m0為集膜箱中殘膜質(zhì)量(g),m1為柵條框內(nèi)收集的回帶膜質(zhì)量(g)。

3)膜土比Y3。膜土混合物分離為殘膜回收過程中關鍵環(huán)節(jié),機具作業(yè)后集膜箱中膜土比為檢驗機具收膜效果指標,在計算中將秸稈等雜物按土壤處理計算膜土比,即

(11)

其中,Y3為膜土比,M為集膜箱中土壤與殘膜總質(zhì)量(g)。

3.3 試驗結(jié)果

采用兩種形式殘膜回收機進行試驗,試驗結(jié)果如表1所示。由表1可知：經(jīng)改進后的1MSWL-165A型殘膜回收機收膜效果較1MSWL-165型殘膜回收機防止殘膜回帶效果良好,拾膜率、膜土比都有較大提高。且改進后的機具工作性能穩(wěn)定、波動小。

3.4 試驗結(jié)果分析

由表1及圖8～圖12分析可知：網(wǎng)鏈式殘膜回收機采用起膜鏟與二級網(wǎng)鏈結(jié)構(gòu)組合,起膜深度大,一般為20cm以上,對深層殘膜撿拾效果良好,兩種機具拾膜率平均值都達90%以上。

表1 兩種殘膜回收機試驗結(jié)果結(jié)果Table 1 Test results of two kinds of residual plastic film collector

圖8 兩種殘膜回收機拾膜率及膜土比平均值對比Fig.8 Comparison of average residual plastic film recovery rate and film soil ratio between two kinds of residual film collector

圖9 兩種殘膜回收機回帶率平均值對比Fig.9 Comparison of average rate of returned film between two kinds of residual plastic film collector

圖10 兩種殘膜回收機拾膜率對比Fig.10 Comparison of residual plastic film recovery rate between two kinds of residual plastic film collector

圖11 兩種殘膜回收機回帶率對比Fig.11 Comparison of rate of returned film between two kinds of residual plastic film collector

圖12 兩種殘膜回收機膜土比對比Fig.12 Comparison of film soil ratio between two kinds of residual plastic film collector

網(wǎng)鏈式殘膜回收機輸膜過程中采用的網(wǎng)鏈結(jié)構(gòu)容易形成回帶,影響作業(yè)效果,減少殘膜回帶可顯著提高機具拾膜效果及收膜質(zhì)量。改進機型采用三拐點式二級網(wǎng)鏈結(jié)構(gòu),較直線型式網(wǎng)鏈結(jié)構(gòu),其殘膜回帶率平均值減少60%以上,防回帶效果良好。

網(wǎng)鏈式殘膜回收機在輸膜過程中,機具完成膜土分離與輸送,網(wǎng)鏈結(jié)構(gòu)在基本不影響土壤透過條件下,極大增大殘膜輸送效果;采用三拐點式結(jié)構(gòu),拋出土塊的減速距離較直線結(jié)構(gòu)大幅減小;三頭型抖土輥性能穩(wěn)定,抖土頻率高,工作性能良好,有利于提高收膜質(zhì)量,增大膜土比。

4 結(jié)論

1)針對直線式網(wǎng)鏈結(jié)構(gòu)易回帶的問題,對回帶機理進行分析,設計了三拐點式二級網(wǎng)鏈結(jié)構(gòu)以減少殘膜回帶的問題,并對第1級網(wǎng)鏈拋出土塊減速距離進行計算,進行優(yōu)化設計以增加去土效果。

2)對1MSWL-165型殘膜回收機進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化,采用三拐點式二級網(wǎng)鏈結(jié)構(gòu),對比試驗結(jié)果顯示：拾膜率、膜土比都有顯著提高,且殘膜回帶減少,提高了機具作業(yè)質(zhì)量。

3)網(wǎng)鏈式殘膜回收機作業(yè)幅寬大、作業(yè)質(zhì)量好,具有廣泛應用前景,但對機具工作效率與網(wǎng)鏈轉(zhuǎn)動線速度大小關系缺少研究,且在實際工作中機具對不同地區(qū)土地壟寬適應性不夠理想,后續(xù)工作應綜合考慮提高機具適應性和提高工作效率。