葉輪擾動水介質(zhì)對地膜與棉稈沉降聚集行為影響與試驗

何浩猛，胡 斌,2※，潘 峰，羅 昕,2，郭孟宇,2，解彥宇，陳學庚,2

（1. 石河子大學機械電氣工程學院，石河子 832003；2. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部西北農(nóng)業(yè)裝備重點實驗室，石河子 832003）

0 引言

機械化回收地膜已成為治理新疆棉田白色污染的重要途徑和有效方法，其工作特點是將地膜連同棉稈、棉鈴、棉殼和土壤等雜質(zhì)一同回收[1-2]。因膜雜混合物中地膜和棉稈（簡稱“地膜與棉稈”）相互纏繞打結(jié)不易分離，且缺少有效的分離方法及設備等問題，回收后的地膜無法進一步實現(xiàn)回收再利用，多采用棄置田間地頭或焚燒處理，間接對環(huán)境造成了二次污染[3]。

國外地膜回收均以卷收式為主且含雜量較低，可直接回收再利用，尚未有關(guān)此方面研究[4]。針對地膜收而未用等問題，國內(nèi)學者主要從兩方面開展研究，一類是通過研制聯(lián)合作業(yè)機在收膜過程實現(xiàn)地膜和雜質(zhì)相分離，如陳學庚院士團隊研制的隨動式殘膜回收聯(lián)合作業(yè)機，該機型已取得了不錯田間試驗效果，但目前尚未進行市場推廣[5-7]；另一類是對回收集堆后的膜雜混合物先粉碎破結(jié)再進行機械分離，如石鑫等[8]和彭強吉等[9]根據(jù)地膜、棉稈和土塊等風力懸浮速度差異，設計并研制了滾筒篩式風選裝置，機具試驗發(fā)現(xiàn)分離效率低但功耗高。胡斌[10]和羅昕[11]從研究機收地膜與棉稈混合物物料物理參數(shù)屬性出發(fā)，基于固液兩相流運動基本理論，提出了以水介質(zhì)作用，實現(xiàn)膜雜固固分離和清洗的方法。李俊虹等[12-13]設計了一種水射流和葉輪驅(qū)動復合式機收膜雜水洗分離裝置，可基本實現(xiàn)殘膜與雜質(zhì)的分離，結(jié)果表明在研究地膜與棉稈水洗分離時可把地膜與棉稈物料屬性、外部流場和機械裝置三者視為一個統(tǒng)一系統(tǒng)，其相互作用和影響，即地膜與棉稈水洗分離是地膜與棉稈物料屬性、外部流場和機械裝置的復合函數(shù)作用的過程，但其相互影響關(guān)系并未得到證明。

膜雜分離研究處于初步階段，通過水介質(zhì)作用實現(xiàn)地膜的清洗和分離的研究更為鮮見。又因膜雜水洗分離流場域環(huán)境復雜不可控且影響因素多，現(xiàn)今缺乏相關(guān)基礎性研究成果，故在室內(nèi)可控條件下進行重復性機理試驗是研究膜雜水洗分離運動規(guī)律的有效方法。本研究通過借鑒造紙纖維懸浮液動力學和河流泥沙動力學領(lǐng)域相對成熟理論分析方法，研究了外部流場和物料屬性對地膜與棉稈分離效果的影響，所得結(jié)果可為后續(xù)的機械裝置設計提供相關(guān)參數(shù)。進一步地通過錄像后期處理，將地膜與棉稈在沉降聚集過程中的姿態(tài)、軌跡變換情況及地膜與棉稈分離全過程進行系統(tǒng)再現(xiàn)，所得結(jié)論可為地膜與棉稈分離方案的實際應用提供相關(guān)理論基礎。

1 材料與方法

1.1 地膜與棉稈水洗分離理論基礎

當?shù)啬づc棉稈投入裝水的立式圓筒后，由表1可知其密度和比重均比水小，兩者皆漂浮在水面。當對圓筒中的水介質(zhì)施加機械擾動時，由拜爾定律和茶葉悖論知[14-16]，棉稈在水介質(zhì)挾裹下運動至圓筒中部中央附近，地膜則運動至底部中央附近。當機械擾動停止后，地膜與棉稈在浮力、壓力梯度力、Magnus升力、Saffman升力和離心力等作用下向水面作聚集恢復運動。

表1 地膜和棉稈物理參數(shù)對比 Table 1 Comparison of physical parameters between plastic film and cotton stalk

棉稈屬細長剛性圓柱體，體積大，具有三維旋轉(zhuǎn)自由度，力學響應周期短，可快速達到自身運動穩(wěn)定狀態(tài)，不易受外界流場影響而改變；地膜屬不規(guī)則柔性體，體積較小但與水接觸面積大，相對水介質(zhì)有較大跟隨性，力學響應周期長，易受流場環(huán)境影響而改變自身運動軌跡。故此可知地膜與棉稈的外觀體積和抗彎強度等物理屬性不同，兩者對水介質(zhì)傳遞力作用時有不同的恢復響應差異。在二維垂向平面時，這種差異具體表現(xiàn)為響應時間差和位移差。參考于此，可以借助因地膜與棉稈在外部流場中因物料物理參數(shù)差異而產(chǎn)生的時間差和位移差對地膜與棉稈混合物進行分時或分層分離回收。

1.2 試驗裝置

試驗裝置主要由葉輪、聯(lián)軸器、葉輪軸、立式亞克力圓筒（直徑為200 mm、高為500 mm、壁厚為5 mm，上?？掠袡C玻璃制作中心）、57步進電機（J-5718HB2401，溫州普菲德電氣有限公司）及配套驅(qū)動器和直流電源、可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controllers，PLC）和EOS M6佳能數(shù)碼相機（日本）組成（圖1）。立式亞克力圓筒為透明且貼有標尺刻度，便于錄像、觀察液面高度讀數(shù)及確定地膜與棉稈物料位置；葉輪軸通過聯(lián)軸器和螺栓分別與步進電機和葉輪實現(xiàn)可拆卸式連接，試驗中通過更換葉輪軸實現(xiàn)葉輪在不同位置擾動作用；通過三菱觸摸屏畫面設計軟件GT Designer繪制操作界面寫入三菱觸摸屏；利用三菱觸摸屏編程軟件GX Works編寫程序?qū)懭隤LC，實現(xiàn)對步進電機的啟停、擾動時長和轉(zhuǎn)速大小控制；直流電源為步進電機提供動力。

試驗用水提前12 h置入圓筒中，以使氣泡消失并達到熱平衡。試驗時將地膜與棉稈投入圓筒內(nèi)，啟動步進電機帶動葉輪轉(zhuǎn)動，試驗由數(shù)碼相機（圖像分辨率為1280×720，幀速率為每秒50幀）錄像，拍攝時間為葉輪開始轉(zhuǎn)動到地膜與棉稈恢復至相對穩(wěn)定狀態(tài)。每次試驗后關(guān)閉電源停機，待地膜與棉稈恢復靜止，再進行重復試驗。

1.3 試驗材料

為便于試驗觀測，優(yōu)先選擇埋鋪黑色地膜的棉田進行取樣。2019年10月對石河子市145團3分場1LMLG-7型立桿摟膜機作業(yè)后的膜雜混合物隨機取樣3份，每份1000 g。棉花種植品種為新陸早49號，雜質(zhì)中棉稈直徑分布為4～5 mm，其含水率 ＜ 20%；地膜厚度為0.01 mm，田間使用時長約180 d。為減小棉稈含水率對地膜與棉稈分離效果的影響，每組材料只進行1次試驗，不作重復使用。

1.4 試驗評價指標

參照造紙纖維懸浮液動力學[20-21]、河流泥沙運動力學理論研究[22-24]以及殘膜作業(yè)機膜雜分離質(zhì)量要求[6-7]，選用地膜與棉稈馳豫時間差（Δt，s）和最大垂向位移差（Δd，cm）作為評價指標，其計算如式（1）～式（4）

式中t1和t3分別為地膜下降至最深時和恢復至穩(wěn)定狀態(tài)的時刻，s；t2和t4分別為棉稈下降至最深時和恢復至穩(wěn)定狀態(tài)的時刻，s；d1和d2分別為t1時刻下地膜和棉稈的在圓筒內(nèi)的刻度值，cm；td為地膜馳豫時長，s；tm為棉稈馳豫時長，s。為便于試驗數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計，以地膜與棉稈的質(zhì)心為基準，通過圓筒刻度估讀其垂向位移，不保留小數(shù)位。

1.5 單因素試驗

在圓筒水深為350 mm，葉輪位于圓筒刻度線30 cm處，擾動時長為10 s，轉(zhuǎn)速為200 r/min，葉輪葉數(shù)為3葉，棉稈直徑約為5 mm、長60 mm[25]，長條形黑色地膜面積為1413 mm2的條件下進行試驗，通過錄像后處理計算其地膜與棉稈馳豫時間差和最大垂向位移差。

采用控制變量法和對比分析方法，以地膜與棉稈馳豫時間差或地膜與棉稈最大垂向位移差為響應指標，分別進行4組如下的外部流場特性單因素試驗：1）葉輪分別位于圓筒刻度線35、30、25、20、15和10 cm處；2）擾動時長分別為5、10、15、20和25 s；3）葉輪轉(zhuǎn)速分別為100、150、200、250和300 r/min；4）葉數(shù)分別為2、3和4葉；每組試驗重復3次，取其平均值作為試驗結(jié)果。3組地膜與棉稈物料屬性單因素試驗：1）取面積為1413 mm2的地膜，分別裁為半徑為21.2 mm的圓形，長為45.0 mm、寬為31.4 mm的長條形，兩對角線分別為50.0和40.4 mm的正菱形和邊長為57.0 mm的正三角形；2）保持地膜寬度31.4 mm不變，分別取面積為471、942、1413、1884、2355和2826 mm2長條形地膜；3）取直徑約為5 mm，長分別為20、40、60、80和100 mm的棉稈，其對應長徑比[26]分別為4、8、12、16和20；每組試驗重復5次，取其平均值作為試驗結(jié)果。采用數(shù)據(jù)處理軟件Design Expert V10.0.4下General Factorial模塊對各單因素試驗數(shù)據(jù)進行方差分析，得到響應指標的檢驗統(tǒng)計量（FA）。通過F分布表查得各顯著性水平（α）下的臨界值（Fα），并根據(jù)FA和Fα的相對大小，判斷各因素對試驗指標影響是否顯著。

1.6 正交試驗

1.6.1 試驗方案設計

根據(jù)單因素試驗結(jié)果，以地膜與棉稈馳豫時間差和最大垂向位移差為響應指標，選定顯著性影響因素：葉輪轉(zhuǎn)速（A, r/min）、地膜面積（B, mm2）和棉稈長徑比（C）為自變量，進行3因素5水平中心組合設計（Central Composite Design，CCD）正交試驗。根據(jù)響應曲面法中的CCD試驗設計要求[27-28]，共進行20組試驗，其中析因部分試驗次數(shù)為8，星號點次數(shù)為6，中心點重復次數(shù)為6，每組試驗重復3次，取其平均值作為該組試驗結(jié)果。采用Design Expert V10.0.4軟件進行數(shù)據(jù)處理，建立試驗因素與響應指標間的擬合回歸方程。并通過軟件對回歸擬合方程的檢驗統(tǒng)計量F值、P值、校正決定系數(shù)（adjusted coefficient of determination，RAdj2）和變異系數(shù)（Coefficient of Variance，CV）進行計算并做出評價，判斷是否可進行后續(xù)優(yōu)化研究。F值和P值表示其相關(guān)系數(shù)的顯著性[28]，F(xiàn)值越大，P值越小，其顯著性越高，當P＜ 0.01為極顯著；RAdj2值越大，說明擬合回歸方程的相關(guān)性越好[29]；CV值表示試驗的精確度，其值越小，代表試驗可靠性越高[29]。

各試驗因素的實際水平值通過式（5）進行編碼[27]，其結(jié)果如表2所示。

式中zj為因素水平的編碼值；xj為因素水平的實際值；xj0、xj1、xj2、xjγ、x-jγ分別為試驗因素xj的零水平、上水平、下水平、上星號臂水平和下星號臂水平；Δj為試驗因素xj的變化間距；γ為星號臂長，根據(jù)試驗因素個數(shù)和中心點次數(shù)，γ取值為1.682[27]。

表2 中心組合設計的試驗因素水平及編碼 Table 2 Level and coding of experimental factors for the Central Composite Design (CCD)

1.6.2 參數(shù)優(yōu)化與驗證

為獲得地膜與棉稈分離最佳的外部流場和地膜與棉稈物料特性參數(shù)，以地膜與棉稈最大馳豫時間差和最大垂向位移差為優(yōu)化目標，利用Design Expert V10.0.4軟件下Optimization-Numerical模塊，采用期望函數(shù)法進行參數(shù)優(yōu)化求解，其約束條件和目標函數(shù)如式（6）所示

為檢驗參數(shù)優(yōu)化求解后的可靠性，運用所得的優(yōu)化參數(shù)組合在地膜與棉稈懸浮水力特性試驗臺進行試驗驗證，每組試驗重復5次，取其平均值作為試驗結(jié)果，并對比優(yōu)化求解的預測值與試驗平均值間的相對誤差判斷其是否可靠。

1.7 地膜與棉稈馳豫過程分析

通過視頻編輯軟件Adobe Premiere CC 2015對錄像進行逐幀分析，依次記錄葉輪啟停時刻、地膜與棉稈向下沉降和向上聚集時刻、以及其運動軌跡和姿態(tài)變化的情況。研究內(nèi)容為1）葉輪轉(zhuǎn)速對地膜與棉稈分離效果影響的單因素試驗時分別在150和250 r/min試驗條件下，對錄像每15幀截取1張圖片，觀測并記錄葉輪轉(zhuǎn)動時棉稈向下沉降和向上聚集馳豫過程；2）地膜相同形狀下，不同面積對其馳豫時間影響的單因素試驗時，對錄像每30幀截取1張圖片，觀測并記錄地膜的復雜運動過程；3）在正交試驗條件下，對錄像每35幀截取1張圖片，觀測并記錄葉輪停轉(zhuǎn)后地膜的恢復運動姿態(tài)及軌跡變化；以及對錄像每30幀截取1張圖片，觀測并研究地膜與棉稈沉降聚集馳豫分離全過程。

2 結(jié)果與分析

2.1 外部流場特性單因素試驗結(jié)果分析

2.1.1 葉輪擾動位置對地膜與棉稈分離的影響

隨著葉輪擾動位置在水中的變化，地膜與棉稈馳豫時間差和位移差呈現(xiàn)出先升后降趨勢（圖2）。當葉輪位于刻度線30 cm（距水面5 cm）左右時，最優(yōu)地膜與棉稈馳豫時間差和位移差分別為3.92 s和20 cm。葉輪擾動位置靠近筒底時，地膜與棉稈只能跟隨表層水形成的渦流運動，且膜在桿的上方；擾動位置靠近水面時，葉輪在水表面旋轉(zhuǎn)濺起水浪，達不到地膜與棉稈分離效果。

2.1.2 葉輪擾動時長對地膜與棉稈分離的影響

隨擾動時長的變化，地膜與棉稈馳豫時間差先增后平緩，位移差隨擾動時長先增后減（圖3）。當擾動時長在10 s左右時，最佳地膜與棉稈馳豫時間差為4.62 s，位移差為23 cm。擾動時間過短時，地膜與棉稈來不及向下沉降但葉輪擾動已結(jié)束；當?shù)啬づc棉稈達到穩(wěn)定狀態(tài)后，馳豫時間和位移不再隨擾動時長增長而變化。

2.1.3 葉輪轉(zhuǎn)速對地膜與棉稈分離的影響

隨葉輪轉(zhuǎn)速的增大，地膜與棉稈馳豫時間差先增大至平緩再減小，位移差先增后減（圖4）。當葉輪轉(zhuǎn)速為200 r/min時，最優(yōu)馳豫時間差和位移差分別為4.32 s和19 cm。葉輪轉(zhuǎn)速低于200 r/min時，擾動強度過小不足以形成渦流，此時地膜無法越過葉輪向下沉降；葉輪轉(zhuǎn)速高于200 r/min時，擾動強度過大，地膜在葉輪和水面的空間作振蕩運動或吸附于葉輪隨其一起運動，地膜與棉稈分離效果不明顯。單因素方差分析可得葉輪轉(zhuǎn)速對其馳豫時間差和位移差的檢驗統(tǒng)計量FA值分別為18.11和12.64。當顯著性水平α= 0.01時，F(xiàn)0.01(2,6) = 10.92，F(xiàn)A＞F0.01，故葉輪轉(zhuǎn)速是影響地膜與棉稈馳豫時間差和位移差的極顯著因素。

2.1.4 葉輪葉數(shù)對地膜與棉稈分離的影響

當葉數(shù)為3葉時地膜與棉稈馳豫時間差和垂向位移差的試驗效果最優(yōu)，分別為3.94 s和21 cm（表3）。相同條件下2葉葉輪比3葉產(chǎn)生的渦流小，無法滿足地膜與棉稈分離所需渦流強度要求；4葉時可達到足夠的渦流強度，但因葉輪截面面積過大，地膜越過葉輪平面時有更大概率碰撞葉輪并吸附表面隨其運動，造成分離效果不明顯。

2.2 地膜與棉稈物料屬性單因素試驗結(jié)果分析

2.2.1 相同面積下地膜形狀對其馳豫時間影響

地膜馳豫時間隨其形狀變化而波動（圖5），但影響效果不顯著。圓形地膜馳豫時間略小于長條形、菱形和三角形地膜，三角形地膜馳豫時間波動較大，這是因為其在迎流方向的相對長度不同，迎流長度越長越易達到穩(wěn)定狀態(tài)，馳豫時間波動越小。長條形和菱形地膜馳豫時間較長且穩(wěn)定，考慮到試驗中長條形更易于量化測試，實際生產(chǎn)中長條形地膜的破結(jié)粉碎更易于實現(xiàn)，所以后續(xù)研究選用長條形地膜。

2.2.2 相同形狀下，地膜面積對其馳豫時間影響

地膜的不同面積是影響其馳豫時間的重要因素。當?shù)啬っ娣e分別為942、1413和1884 mm2時，其馳豫時間保持在7.00～7.60 s，波動較小；面積為471 mm2的地膜馳豫時間波動較大，這是因為地膜面積過小時，更易在筒底和水表面間振蕩，且運動軌跡隨機性更大；面積為2826 mm2的地膜更快達到穩(wěn)定狀態(tài)，馳豫時間最短，分析可知地膜面積越大，其與水介質(zhì)間摩擦力越大，越易達到穩(wěn)定狀態(tài)（圖6）。單因素方差分析可得地膜面積對其馳豫時間影響的檢驗統(tǒng)計量FA值為10.28。當顯著性水平α=0.05時，F(xiàn)0.05(2,12) = 3.89，F(xiàn)A＞F0.05，故地膜面積是影響地膜與棉稈馳豫時間差的顯著因素。

表3 不同葉輪葉數(shù)對馳豫時間差和垂向位移差的影響 Table 3 Effect of different number of impellers on time difference and vertical displacement difference

2.2.3 棉稈長徑比對其馳豫時間影響

棉稈長徑比對其馳豫時間影響較大且隨其變化而波動（圖7），當棉稈長徑比分別為8、12和16時，其馳豫時間均約為3.30 s，其中當長徑比為12時棉稈馳豫時間較穩(wěn)定。長徑比為4和20的棉稈馳豫時間均約為2.10 s，但長徑比為4的棉稈馳豫時間波動較大，長徑比為20的棉稈馳豫時間最穩(wěn)定，這種現(xiàn)象也是因棉稈不同體積與水介質(zhì)間不同摩擦力造成的。單因素方差分析可得棉稈長徑比對其馳豫時間的檢驗統(tǒng)計量FA值為6.10。當顯著性水平α=0.05時，查F分布表知F0.05(2,12) = 3.89，F(xiàn)A＞F0.05，故棉稈長徑比是影響地膜與棉稈馳豫時間的顯著因素。

2.3 正交試驗結(jié)果分析

2.3.1 試驗結(jié)果及回歸方差分析

CCD正交試驗設計方案及其結(jié)果如表4所示。通過對表4中試驗的響應值進行回歸方差分析，分別建立葉輪轉(zhuǎn)速、地膜面積和棉稈長徑比與地膜與棉稈馳豫時間差（Δt，s）和最大位移差（Δd，cm）之間的擬合回歸方程為

由地膜與棉稈馳豫時間差擬合回歸方程一次項系數(shù)可知，在所選取的因素水平范圍內(nèi)各影響因素的檢驗統(tǒng)計量由大到小依次為FA、FB和FC，故各因素對地膜與棉稈馳豫時間差的影響由大到小依次為葉輪轉(zhuǎn)速、地膜面積和棉稈長徑比；同理可知影響地膜與棉稈最大垂向位移差的因素由大到小依次為葉輪轉(zhuǎn)速、棉稈長徑比和地膜面積。

在用上述擬合回歸方程預測各因素與響應值之間的變化關(guān)系時（表5），可知其檢驗統(tǒng)計量F值分別為46.38和22.38，相對應的P值均 ＜ 0.0001，說明該擬合方程的相關(guān)系數(shù)是極顯著的?；貧w擬合方程的RAdj2值分別為0.956和0.910，說明該方程可解釋95.6%和91.0%的地膜與棉稈馳豫時間差和垂向最大位移差的波動變化，擬合性良好。CV值分別為1.37%和12.8%，試驗操作可信。

表4 中心組合設計試驗表及結(jié)果 Table 4 Center composite design matrix and experimental results

表5 擬合回歸方程的方差可信度分析 Table 5 Variance reliability analysis of fitted regression equation

2.3.2 參數(shù)優(yōu)化與驗證結(jié)果分析

1）參數(shù)優(yōu)化

尋優(yōu)后得到的因素最優(yōu)組合響應曲面如圖8所示。其中，當棉稈長徑比為13不變，葉輪轉(zhuǎn)速和地膜面積分別為202 r/min和1271.4 mm2時，地膜與棉稈馳豫時間差最優(yōu)為4.20 s（圖8a）；當?shù)啬っ娣e為1413 mm2不變，葉輪轉(zhuǎn)速和棉稈長徑比分別為202 r/min和13時，地膜與棉稈最大垂向位移差最優(yōu)為22.1 cm（圖8b）；最終得到的最佳參數(shù)組合：葉輪轉(zhuǎn)速為202 r/min，地膜面積為1271.4 mm2，棉稈長徑比為13。

2）試驗驗證

在滿足客觀試驗條件和便于試驗進行的前提下，對優(yōu)化求解后的組合數(shù)據(jù)進行圓整取值：葉輪轉(zhuǎn)速為200 r/min，地膜面積為1256 mm2（長為40.0 mm，寬為31.4 mm），棉稈長徑比為13（棉稈直徑約為5.0 mm，長為65.0 mm），其對應的地膜與棉稈馳豫時間差和最大垂向位移差預測值分別為4.20 s和22.1 cm。試驗所測得地膜與棉稈馳豫時間差和最大垂向位移差的試驗平均值分別為4.34 s和21.2 cm（表6），與預測值相對誤差分別為3.23%和4.25%，均＜5%，表明優(yōu)化條件選擇合理。最優(yōu)參數(shù)組合下，通過試驗錄像可觀測到顯著的地膜與棉稈分離效果，故所建立的回歸擬合方程是合適的，所得到的優(yōu)化分離參數(shù)也是可行的。

表6 優(yōu)化參數(shù)下地膜與棉稈馳豫時間差和最大垂向位移差的預測值及試驗平均值 Table 6 Predicted and experimental means of relaxation time difference and maximum vertical displacement difference under optimal condition

2.4 地膜與棉稈的沉降聚集馳豫過程影像分析

2.4.1 葉輪擾動下棉稈的向下沉降和向上聚集錄像分析

棉稈在沉降聚集過程中，其姿態(tài)是在運動和穩(wěn)定取向間相互轉(zhuǎn)換的（圖9）。如圖9a中數(shù)字3，棉稈運動取向為自身中心軸平行于葉輪軸（豎直）方向，且在達到平行時的聚集（沉降）速度最大；如圖9b中數(shù)字9，其在運動取向的向上聚集過程中甚至會因慣性加速度而躍遷出水面；如圖9a中數(shù)字6和圖9b中數(shù)字12，穩(wěn)定取向為自身中心軸垂直于葉輪軸（水平）方向，這與林建忠[20]在研究無碰撞作用下圓柱狀顆粒的沉降規(guī)律時得到的結(jié)論是一致的。

葉輪開始轉(zhuǎn)動后，如圖9a中數(shù)字2～4，棉稈姿態(tài)從穩(wěn)定取向的水平方向逐漸轉(zhuǎn)為運動取向的豎直方向，并跟隨渦流向下螺旋沉降，馳豫時長為1.00～1.10 s，垂向下降深度為3～8 cm，并在此水平面內(nèi)保持并作回轉(zhuǎn)運動，如圖9a中數(shù)字5，馳豫時長為1.20～1.30 s，垂向位移在此過程無明顯變化。如圖9b所示，棉稈向上聚集過程中運動姿態(tài)變換與向下沉降過程相同，但總用時略短為0.90～1.00 s，向上運動恢復至穩(wěn)定后在水平面內(nèi)一端貼葉輪軸固定，另一端繞葉輪軸作回轉(zhuǎn)圓周運動，運動軌跡為一組同心圓線。此外，棉稈在沉降聚集過程中不旋轉(zhuǎn)或以較小角速度繞自身中心軸旋轉(zhuǎn)，對其運動過程影響不明顯，在后續(xù)的研究中可忽略不計。

2.4.2 葉輪停轉(zhuǎn)后地膜的向上聚集和復雜運動錄像分析

地膜的向上聚集運動是一個緩慢且復雜的內(nèi)螺旋周期上升過程（圖10）。如圖10a中數(shù)字2、7、9，地膜在向上聚集過程中運動姿態(tài)是不斷變化的：運動取向為長邊平行于葉輪軸方向，地膜一邊隨渦流回轉(zhuǎn)，一邊沿豎直方向向上作聚集恢復運動，馳豫時長為0.30～0.40 s，垂向上升位移2～4 cm；如圖10a中數(shù)字1、6、10，地膜穩(wěn)定取向為長邊垂直于葉輪軸方向，只隨渦流在水平面內(nèi)作回轉(zhuǎn)運動，馳豫時長為1.60～1.70 s，垂向位移無明顯變化。歸納其向上聚集運動的1個周期：地膜先以運動取向姿態(tài)在垂向方向上升2～4 cm，再以穩(wěn)定取向姿態(tài)在水平面內(nèi)保持作回轉(zhuǎn)運動。重復以上周期3～6次，至其垂向位移不再發(fā)生變化或停止作水平離心擴散運動。此外如圖10a中數(shù)字6和7，地膜在運動過程中以葉輪軸為中心在三維空間翻轉(zhuǎn)，運動軌跡為一組同心螺旋線，且自身姿態(tài)與水平水面始終保持垂向最小接觸面積，這可能是因葉輪轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的渦流內(nèi)不均勻的壓力梯度力造成的。

如圖10b中數(shù)字1～4，地膜在穩(wěn)定取向階段作回轉(zhuǎn)運動時，自身會發(fā)生形變但并不相互吸附折疊；如圖10b中數(shù)字5～10，地膜運動姿態(tài)重復無規(guī)律的彎曲-舒展-彎曲交互過程，可能是因地膜在此階段所受張力遠大于靜電力，這一現(xiàn)象符合Arlov等[30]和Forgacs等[31]對不同撓性強度的纖維運動軌跡分類下柔性纖維S型復雜運動結(jié)論。

2.4.3 葉輪擾動下地膜與棉稈沉降聚集分離過程錄像分析

地膜與棉稈沉降聚集分離過程中其運動軌跡及姿態(tài)變化如圖11所示。在葉輪擾動圓筒內(nèi)的水形成渦流的同時，地膜開始向下沉降，其沉降時間早于棉稈0.80～1.00 s，如圖11中數(shù)字2所示，這一現(xiàn)象表明棉稈具有遲滯沉降效應。圖11中數(shù)字2～4為發(fā)生沉降后的棉稈快速恢復至穩(wěn)定狀態(tài)（隨渦流在葉輪軸處作回轉(zhuǎn)運動），馳豫時長為2.00～2.40 s，垂向位移變化為3～8 cm，而此時的渦流才剛達到穩(wěn)定狀態(tài)。如圖11中數(shù)字5～10，向下沉降后的地膜首先吸附于葉輪做回轉(zhuǎn)運動，運動時間同葉輪轉(zhuǎn)動時間；葉輪停轉(zhuǎn)后渦流減弱消散，地膜脫離葉輪沿圓筒內(nèi)壁作螺旋運動并再次向下沉降至最深，后向上聚集恢復至穩(wěn)定狀態(tài)，馳豫時長為7.00～7.20 s，垂向位移變化為20～30 cm。

結(jié)合圖9～圖11可知，地膜與棉稈在馳豫過程中相同點為1）沉降聚集過程中地膜與棉稈姿態(tài)是不斷變化的。穩(wěn)定取向均為垂直于葉輪軸方向的水平方向，運動取向均為自身平行于葉輪軸的豎直方向；2）聚集過程中均以葉輪軸為中心隨渦流作往復回轉(zhuǎn)運動，運動軌跡則是以葉輪軸為中心的一組同心圓螺旋線。不同點為1）相較于棉稈的直接快速沉降聚集，地膜則更為間歇緩慢，間接的體現(xiàn)為其馳豫時間差和位移差，這一現(xiàn)象也對地膜與棉稈跟隨性和響應周期差異性進行了試驗驗證；2）地膜與棉稈在水平往復回轉(zhuǎn)運動中，棉稈基本不發(fā)生旋轉(zhuǎn)或以較小角速度繞自身中心軸旋轉(zhuǎn)；地膜則因離心擴散作用貼筒壁作圓周運動，且在三維空間翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象明顯。

2.4.4 葉輪擾動下地膜與棉稈特殊馳豫現(xiàn)象分析

一般試驗條件下，棉稈馳豫時間和垂向位移的變化范圍均小于地膜，且始終位于其上方。在進行葉輪擾動位置對其分離效果影響的單因素試驗時，當葉輪處于圓筒刻度線10 cm時，觀測到如圖12的現(xiàn)象：葉輪擾動作用時地膜始終位于棉稈上方，且有較明顯的分層現(xiàn)象，如圖12中數(shù)字3～6，但運動狀態(tài)和軌跡遵循前述規(guī)律。葉輪停轉(zhuǎn)后地膜與棉稈立即恢復為水平取向的穩(wěn)定狀態(tài)。地膜與棉稈只在葉輪轉(zhuǎn)動時有分離現(xiàn)象，且持續(xù)時間較短，此時葉輪擾動位置和擾動時長對地膜與棉稈分離效果影響均變得顯著，可能是因渦流場中壓力梯度力和重力綜合作用造成的。

3 結(jié)論

1）本研究以地膜與棉稈馳豫時間差和最大垂向位移差為試驗評價指標，系統(tǒng)地開展了4組外部流場特性和3組地膜與棉稈物料屬性單因素試驗，確定了影響地膜與棉稈分離效果的顯著性因素為葉輪轉(zhuǎn)速、地膜面積和棉稈長徑比。

2）在單因素試驗結(jié)果上進行正交試驗，基于回歸方程分析，確定了影響地膜與棉稈馳豫時間的因素由大到小為葉輪轉(zhuǎn)速、地膜面積和棉稈長徑比，影響地膜與棉稈最大垂向位移差的因素由大到小為葉輪轉(zhuǎn)速、棉稈長徑比和地膜面積。通過尋優(yōu)獲得最佳參數(shù)組合：葉輪轉(zhuǎn)速為202 r/min，地膜面積為1271.4 mm2，棉稈長徑比為13，相對應的地膜與棉稈馳豫時間差和最大垂向位移差預測值分別為4.20 s和22.1 cm。經(jīng)試驗驗證，最優(yōu)組合參數(shù)試驗下的平均值分別為4.34 s和21.2 cm，與預測值的相對誤差分別為3.23%和4.25%，以上參數(shù)組合可滿足地膜與棉稈水洗分離方案的要求。當?shù)啬づc棉稈物料在文中研究變化范圍內(nèi)，地膜與棉稈水洗分離效果主要受外部流場影響，在確定的試驗場地和作業(yè)條件下，可通過合理設計機械裝置改變外部流場特性以期達到地膜與棉稈最優(yōu)分離效果。

3）通過對試驗錄像后期處理，對地膜與棉稈水洗分離理論分析部分進行了驗證，并獲得了棉稈向下沉降和向上聚集過程、地膜向上聚集和復雜運動過程、地膜與棉稈向下沉降分離過程以及在特定試驗條件下膜在桿上6種試驗現(xiàn)象。進一步對比分析地膜與棉稈運動過程中的異同點：地膜向下沉降時間早于棉稈0.80～1.00 s，棉稈具有遲滯沉降效應，但地膜響應周期更長。棉稈馳豫時長為2.00～2.40 s，垂向位移變化為3～8 cm，地膜馳豫時長為7.00～7.20 s，垂向位移變化為20～30 cm。

本研究系屬新疆棉田殘膜污染治理下新方案的嘗試與探索。通過借鑒固液多相流領(lǐng)域相關(guān)理論，定量開展流場和物料的可重復試驗研究，并對地膜與棉稈運動過程進行了定性分析。研究結(jié)果為今后將殘膜回收機的農(nóng)業(yè)機械與棉田水利灌溉的農(nóng)藝相結(jié)合，如通過在農(nóng)業(yè)灌溉用水地表引水渠中裝設機械裝置，實現(xiàn)一次作業(yè)完成機收地膜的清洗、分離和回收奠定了基礎。