氣吸式殘膜回收機(jī)集膜裝置改進(jìn)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

田紹華 王萍 康建明 林向陽 彭強(qiáng)吉 李凱凱

摘要：針對殘膜回收機(jī)回收后的殘膜含雜率高難以利用的問題，改進(jìn)設(shè)計(jì)一種兼具膜雜分離和殘膜收集功能的集膜裝置。對殘膜與雜質(zhì)在氣流場中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行分析，探明物料運(yùn)動(dòng)軌跡的影響因素。以離心風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、隔板到輸膜入口距離、隔板高度為試驗(yàn)因素，以含雜率為試驗(yàn)指標(biāo)進(jìn)行田間試驗(yàn)，結(jié)果表明各因素對含雜率的影響由大到小為：隔板距離、離心風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、隔板高度。利用Design-Expert軟件響應(yīng)曲面圖，進(jìn)行綜合影響效應(yīng)分析，得出離心風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速1 974 r/min，隔板距離767 mm，隔板高度723 mm，在此參數(shù)條件下含雜率為6.97%。研究結(jié)果可為殘膜回收設(shè)備研發(fā)提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：殘膜回收；膜雜分離；集膜裝置；氣吸式

中圖分類號：S223.5

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號：2095-5553 （2023） 04-0001-07

Abstract： Aiming at the problem that the residual film recovered by the residual film recovery machine has high impurity content and is difficult to use， based on the principle of air separation， a film collection device with both film impurity separation and residual film collection functions is improved and designed. By analyzing the motion law of residual film and impurities， the relationship between the material characteristics and the material motion trajectory is clarified. The field test was carried out with centrifugal fan speed， distance from diaphragm to film inlet and diaphragm height as test factors and impurity content as test index. The results showed that the influence of each factor on impurity content from large to small was as follows： distance from diaphragm to film inlet， centrifugal fan speed and diaphragm height. Using the response surface diagram of Design-Expert software， the comprehensive effect analysis was carried out， and the results showed that the centrifugal fan speed was 1 974 r/min， the partition distance was 767 mm， and the partition height was 723 mm. Under these parameters， the impurity content was 6.97%. The research results can provide a basis for the research and development of residual film recovery equipment.

Keywords： residual film recovery; film impurity separation; film collecting device; air suction

0 引言

地膜覆蓋具有蓄水保墑、降低土壤鹽堿度等作用，極大地提高了我國農(nóng)作物產(chǎn)量，但是隨著土壤中殘膜含量的增加，農(nóng)作物產(chǎn)量逐漸降低［1］。國內(nèi)科研院所及企業(yè)依據(jù)殘膜回收技術(shù)，研制了相關(guān)的殘膜回收機(jī)械［2］。但是現(xiàn)階段殘膜回收機(jī)回收的殘膜中秸稈等雜質(zhì)含量仍然偏高，這些雜質(zhì)嚴(yán)重阻礙了后續(xù)的殘膜再利用工作。為降低殘膜回收再利用難度，避免回收后的殘膜對環(huán)境造成二次污染，降低殘膜含雜率是解決殘膜再利用難題的關(guān)鍵［3-4］。

為降低回收殘膜中的雜質(zhì)含量，科研人員進(jìn)行了深入研究。郭文松等［5］設(shè)計(jì)了梳齒起膜氣力脫膜式耕層殘膜回收機(jī)，通過吸膜裝置實(shí)現(xiàn)膜土分離，并建立殘膜在吸膜區(qū)的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，優(yōu)化了其參數(shù)。李姝卓［6］設(shè)計(jì)了挑膜分雜式地膜回收機(jī)，對殘膜與主要雜質(zhì)的摩擦性能參數(shù)進(jìn)行測定，通過挑膜撿拾機(jī)構(gòu)減少雜質(zhì)的夾帶。趙巖等［7］設(shè)計(jì)的CMJY-1500型農(nóng)田殘膜撿拾打包聯(lián)合作業(yè)機(jī)通過其多級膜土分離機(jī)構(gòu)減少泥土等雜質(zhì)的夾雜。唐永飛等［8］設(shè)計(jì)的夾指鏈?zhǔn)綒埬せ厥諜C(jī)脫膜裝置中的往復(fù)擺動(dòng)式膜雜分離機(jī)構(gòu)，通過擋膜簾帶動(dòng)輸膜篩復(fù)擺動(dòng)，進(jìn)行輸膜與膜雜分離作業(yè)。張慧明等［9］設(shè)計(jì)的隨動(dòng)式秸稈還田與殘膜回收聯(lián)合作業(yè)機(jī)的秸稈粉碎裝置減少在收膜過程中的秸稈雜質(zhì)的產(chǎn)生和殘膜撿拾裝置可對殘膜進(jìn)行清除。綜合分析后發(fā)現(xiàn)殘膜機(jī)械化回收時(shí)殘膜含雜率仍有待進(jìn)一步降低。

本文結(jié)合回收后的殘膜及雜質(zhì)在風(fēng)場中的不同運(yùn)動(dòng)特性，對吸膜除雜裝置輸送殘膜的風(fēng)場進(jìn)行利用，改進(jìn)設(shè)計(jì)了一種集膜裝置。并以氣吸式殘膜回收機(jī)為試驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行集膜裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)試驗(yàn)，研究裝置結(jié)構(gòu)對含雜率的影響規(guī)律，尋求最優(yōu)參數(shù)組合，并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，為集膜裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

氣吸式殘膜回收機(jī)主要由懸掛裝置、集膜裝置、吸膜除雜裝置、脫膜裝置、蓋板、鎮(zhèn)壓裝置、輸膜裝置、起膜裝置、行走裝置、傳動(dòng)裝置、割膜裝置、秸稈粉碎還田裝置、機(jī)架等組成。其結(jié)構(gòu)見圖1。

1.2 工作原理

工作時(shí)拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸將動(dòng)力傳遞至變速箱，經(jīng)變速箱減速后分別傳至秸稈粉碎還田裝置和分動(dòng)箱，分動(dòng)箱通過傳動(dòng)系統(tǒng)分別為輸膜裝置和吸膜除雜裝置提供動(dòng)力。秸稈粉碎還田裝置將秸稈粉碎，割膜裝置將膜進(jìn)行分割，為接下來的殘膜被輸膜鏈耙上的彈齒挑起減少阻礙。殘膜隨彈齒上升到一定高度后進(jìn)入吸膜除雜裝置的離心風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的風(fēng)場中，并在風(fēng)場與脫膜裝置的共同作用下從彈齒上脫落。由于膜雜混合物各組分在氣流場中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律不同，秸稈等雜質(zhì)會(huì)落到雜質(zhì)輸送帶上被輸送到機(jī)具一側(cè)實(shí)現(xiàn)秸稈還田，殘膜則會(huì)被吸入離心風(fēng)機(jī)通過輸膜管道送入集膜裝置實(shí)現(xiàn)了一次膜雜分離。而在集膜箱內(nèi)由于殘雜混合物被噴出時(shí)具有一定初速度，殘膜和雜質(zhì)由于運(yùn)動(dòng)軌跡不同會(huì)落入不同腔室，達(dá)到二次膜雜分離的目的。當(dāng)集膜裝置收集的殘膜達(dá)到一定的量時(shí)利用液壓升降機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)集膜箱的翻轉(zhuǎn)并配合打開不同的卸料門將兩個(gè)物料腔室內(nèi)的物料分別卸下。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)及膜雜混合物運(yùn)動(dòng)規(guī)律分析

2.1 集膜裝置設(shè)計(jì)

集膜裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示，集膜裝置主要由集膜箱體、分隔板、液壓升降機(jī)構(gòu)、卸料門Ⅰ、卸料門Ⅱ、上蓋等構(gòu)件組成，在吸膜除雜裝置一側(cè)所對應(yīng)的集膜箱體上有兩個(gè)輸膜入口分別對應(yīng)著吸膜除雜裝置的輸膜管道，隔板安裝在集膜裝置內(nèi)部將割膜裝置分割成兩個(gè)腔室，物料腔室Ⅰ和物料腔室Ⅱ分別對應(yīng)著卸料門Ⅰ和卸料門Ⅱ。

改進(jìn)后的集膜裝置增加了分隔板。夾雜著膜雜混合物的氣流以一定的速度從輸膜管道向外噴出會(huì)形成氣體紊流射流。由于有限空間射流流場中的空氣流動(dòng)易形成渦流而影響膜雜分離效果，將上蓋和兩側(cè)板設(shè)計(jì)成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。根據(jù)前期田間試驗(yàn)表明回收的殘膜面積均大于1 400 mm2，網(wǎng)孔邊長為30 mm［10］。

為避免因氣流擴(kuò)散角引起的膜雜混合物堵塞上蓋網(wǎng)孔情況的發(fā)生，同時(shí)降低機(jī)具運(yùn)行過程中產(chǎn)生的氣流對集膜裝置內(nèi)部流場的影響，集膜箱上蓋為前高后低的斜面，該斜面與水平面的夾角α為15°［11］。

2.2 膜雜混合物運(yùn)動(dòng)規(guī)律分析

工作時(shí)，殘膜和雜質(zhì)分別在自身重力G、空氣推力F、空氣阻力f共同作用下運(yùn)動(dòng)。將膜雜混合物除重力G以外所受的其他力合并成一個(gè)水平方向的力Fx和一個(gè)垂直方向的力Fy，如圖3所示。

2.2.1 有風(fēng)區(qū)膜雜混合物分離成分的運(yùn)動(dòng)分析

物料顆粒在水平方向受氣流作用力的水平分力Fx1的作用，垂直方向受氣流作用力的垂直分力Fy1與重力合力G作用，以輸膜入口處物料所在的位置建立坐標(biāo)系，如圖4所示。

2.2.2 無風(fēng)區(qū)膜雜混合物分離成分的運(yùn)動(dòng)分析

物料顆粒在水平方向受氣流作用力的水平分力Fx2的作用，垂直方向受氣流作用力的垂直分力Fy2與重力合力G作用，以物料顆粒在有風(fēng)區(qū)和無風(fēng)區(qū)交界處的位置建立坐標(biāo)系，如圖5所示。

X、Y所形成的曲線，即為顆粒在流場中的運(yùn)動(dòng)軌跡。從上面的理論式可以得出膜雜混合物各成分運(yùn)動(dòng)的距離受到成分質(zhì)量m、空氣密度ρa(bǔ)、受風(fēng)面積a、氣流的運(yùn)動(dòng)速度v的影響。

3 集膜裝置參數(shù)試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)條件和設(shè)備

2021年4月在山東濱州無棣縣的棉花地按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 25412—2010《殘地膜回收機(jī)》規(guī)定的試驗(yàn)方法進(jìn)行氣吸式殘膜回收機(jī)影響集膜裝置膜雜分離效果的相關(guān)參數(shù)試驗(yàn)。試驗(yàn)基地土壤含水量為14.3%，地膜厚度為0.01 mm。

試驗(yàn)設(shè)備：HSTL-TRCS02-3型便攜式土壤水分測定儀（測量精度：±3%）、手持熱敏式風(fēng)速儀（風(fēng)速測量范圍：0～30 m/s，風(fēng)速測量誤差：±1%）、UT372高精度非接觸式轉(zhuǎn)速儀（測量范圍：0～99 999 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）、電子秤（測量精度：10 g）、鐵鍬等。

3.2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

選取離心風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速A（1 900～2 200 r/min）、隔板到輸膜入口的距離B（400～800 mm）、隔板高度C（600～800 mm）作為試驗(yàn)因素，以含雜率Y′作為集膜裝置作業(yè)性能評價(jià)指標(biāo)。

利用Design-Expert 10.0.3軟件中的Box-Behnken三因素三水平組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案［13］，以含雜率Y′為響應(yīng)值，對離心風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速A、隔板距離B、隔板高度C開展三因素三水平試驗(yàn)研究，并對影響含雜率的主要參數(shù)組合進(jìn)行優(yōu)化，試驗(yàn)因素與水平如表1所示。調(diào)整離心風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、加工三種高度隔板和改變隔板與輸膜入口的裝配距離來實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)因素調(diào)整。

3.3 回歸模型與顯著性分析

各試驗(yàn)因素對含雜率Y′的影響結(jié)果如表2所示，采用Design-Expert 10.0.3軟件進(jìn)行回歸擬合分析［14］。通過對含雜率Y′（因變量）的影響試驗(yàn)指標(biāo)離心風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速A、隔板距離B、隔板高度C這3個(gè)試驗(yàn)因素（自變量）進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)與分析，最終獲得顯著試驗(yàn)因素與評價(jià)指標(biāo)的二次多項(xiàng)式響應(yīng)面回歸模型，如式（9）所示。

回歸模型方差分析結(jié)果如表3所示。由表3可知，含雜率的回歸模型顯著水平小于0.01，表明回歸模型極顯著；失擬項(xiàng)顯著水平P值為0.153 6，大于0.05，說明含雜率回歸模型擬合度較高擬合效果好，能夠反映膜中含雜率Y′與各變量之間的關(guān)系，回歸模型能夠用于對影響集膜裝置膜雜分離效果的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

通過分析各因素P值可知，各因素對膜中含雜率的影響由大到小順序?yàn)椋焊舭寰嚯x、離心風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、隔板高度。

3.4 響應(yīng)面分析

利用Design-Expert 10.0.3軟件的Model Graphs模塊得到3D Surface響應(yīng)面圖如圖6所示，根據(jù)響應(yīng)面圖分析離心風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、隔板距離、隔板高度因素間交互作用對含雜率的影響。

圖6（a）為隔板高度位于中心水平（700 mm）時(shí)，離心風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速與隔板距離兩因素交互作用對含雜率影響的響應(yīng)面圖。在兩因素交互作用影響下，當(dāng)隔板距離逐漸增加時(shí)，含雜率逐漸降低且變化幅度較為明顯。而當(dāng)離心風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速逐漸增加時(shí)含雜率先降低后升高，并且變化幅度相對平緩。含雜率的響應(yīng)曲線沿隔板距離方向的變化較明顯，這表明隔板高度位于中心水平時(shí)，隔板距離對含雜率的影響效果比離心風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的影響效果顯著。

圖6（b）為隔板距離位于中心水平（600 mm）時(shí)，離心風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速與隔板高度兩因素交互作用對含雜率影響的響應(yīng)面圖。在兩因素交互作用影響下，當(dāng)隔板高度逐漸增加時(shí)，含雜率逐漸降低，但變化幅度很不明顯。而當(dāng)離心風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速逐漸增加時(shí)含雜率先緩慢下降再快速升高。含雜率的響應(yīng)曲線沿離心風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速方向的變化較明顯，這表明隔板距離位于中心水平時(shí)，離心風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速對含雜率的影響效果比隔板高度的影響效果顯著。

圖6（c）為離心風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速位于中心水平（2 050 r/min）時(shí)，隔板距離與隔板高度兩因素交互作用對含雜率影響的響應(yīng)面圖。在兩因素交互作用影響下，當(dāng)隔板距離逐漸增加時(shí)，含雜率急劇下降。而當(dāng)隔板高度逐漸增加時(shí)，含雜率下降緩慢。含雜率的響應(yīng)曲線沿隔板距離方向的變化較明顯，這表明離心風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速位于中心水平時(shí)，隔板距離對含雜率的影響效果比隔板高度的影響效果顯著。

3.5 參數(shù)優(yōu)化與試驗(yàn)驗(yàn)證

針對提升含雜率的作業(yè)要求，應(yīng)用Design-Expert 10.0.3軟件的優(yōu)化模塊對影響集膜裝置膜雜分離效果的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化［15］得到最優(yōu)參數(shù)：離心風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 974 r/min，隔板距離為767 mm，隔板高度為723 mm，在此參數(shù)條件下含雜率為6.97%。

為驗(yàn)證優(yōu)化后的參數(shù)可靠性，采用優(yōu)化后的集膜裝置進(jìn)行3次田間重復(fù)驗(yàn)證試驗(yàn)。試驗(yàn)測得含雜率均值為8.3%，與模型理論預(yù)測值6.97%基本一致，試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果表明，回歸模型具有較好的可靠性。經(jīng)試驗(yàn)，改進(jìn)后的集膜裝置相較于之前的集膜裝置能夠?qū)⒑s率降低3%。

4 結(jié)論

1） 介紹了氣吸式殘膜回收機(jī)的整機(jī)結(jié)構(gòu)，對集膜裝置的膜雜分離和卸膜過程進(jìn)行了論述。對分離過程中的膜雜混合物運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行了理論計(jì)算和運(yùn)動(dòng)分析，確定了影響含雜率的相關(guān)試驗(yàn)因素，對集膜箱外部結(jié)構(gòu)進(jìn)行確定。

2） 根據(jù)Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，采用三因素三水平響應(yīng)面分析方法，對不同參數(shù)的集膜裝置膜雜分離性能進(jìn)行試驗(yàn)。通過響應(yīng)曲面分析，得到影響含雜率的因素由大到小依次為：隔板與輸膜入口距離、離心風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、隔板高度。

3） 運(yùn)用Design-Expert 10.0.3軟件進(jìn)行了正交試驗(yàn)和試驗(yàn)結(jié)果分析，并對回歸模型進(jìn)行了優(yōu)化。優(yōu)化后的較優(yōu)參數(shù)組合為：離心風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 974 r/min，隔板距離為767 mm，隔板高度為723 mm，此時(shí)含雜率為6.97%。改進(jìn)后的集膜裝置能夠?qū)埬ず碗s質(zhì)進(jìn)行再次分離，降低了殘膜再利用難度，提高了離心風(fēng)機(jī)動(dòng)能利用率，為殘膜回收裝備設(shè)計(jì)提供了參考。

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