許寧，康建明，張恒，彭強(qiáng)吉，張春艷，張寧寧

(山東省農(nóng)業(yè)機(jī)械科學(xué)研究院，濟(jì)南市，250100)

0 引言

地膜覆蓋栽培技術(shù)自20世紀(jì)70年代末引入我國(guó)以來(lái)[1]，因其具有增溫保墑、抑制雜草，提高糧食產(chǎn)量、顯著改變農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式的作用[2-3]，自開(kāi)始應(yīng)用至今短短40年，該技術(shù)已從北方干旱、半干旱地區(qū)擴(kuò)展到南方高山、冷涼地區(qū)，覆膜作物種類也從最初的經(jīng)濟(jì)作物擴(kuò)大到棉花、玉米和水稻等大田作物。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前我國(guó)地膜覆蓋面積已超過(guò)2 000萬(wàn)hm2，地膜產(chǎn)量和覆蓋面積均為世界第一[4]。然而，隨著地膜覆蓋面積的逐年增加，越來(lái)越多的殘膜滯留田間，破壞土壤結(jié)構(gòu)，阻礙水肥移動(dòng)，影響種子發(fā)芽率和根系的正常生長(zhǎng)，造成的“白色污染”已嚴(yán)重威脅到我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展[5]。

目前多數(shù)農(nóng)戶對(duì)殘膜選擇就地焚燒處理，不僅產(chǎn)生有毒煙氣造成“二次污染”，且浪費(fèi)殘膜資源、易形成火災(zāi)隱患，是個(gè)亟需解決的問(wèn)題[6]。農(nóng)田殘膜污染問(wèn)題已經(jīng)引起政府有關(guān)部門的重視，我國(guó)2014—2019年的中央一號(hào)文件均提出要加大殘膜污染的防治力度,開(kāi)展殘膜回收利用等試點(diǎn)工作[7]。農(nóng)業(yè)農(nóng)村部也將殘膜資源化利用列為打好農(nóng)業(yè)面源污染防治攻堅(jiān)戰(zhàn)工作目標(biāo)“一控兩減三基本”的重點(diǎn)內(nèi)容之一。但從我國(guó)的基本國(guó)情分析，若單純依靠人工對(duì)農(nóng)田殘膜進(jìn)行撿拾回收，存在撿拾成本高、效率低的問(wèn)題，采取機(jī)械化回收的方式能顯著提高殘膜的回收率。

國(guó)外為防止殘膜污染，推廣使用高強(qiáng)度、耐老化地膜，回收以卷收式為主，回收后的地膜可循環(huán)使用[8]。近幾年，國(guó)內(nèi)科研院所已研制出滾筒式[9]、彈齒式[10]、網(wǎng)鏈?zhǔn)絒11]、耙齒式[12]、振動(dòng)篩式等殘膜回收機(jī)械，在一定程度上解決了殘膜的機(jī)械化回收問(wèn)題，但仍存在殘膜撿拾率低、回收后的殘膜中含有大量碎土塊、秸桿等雜質(zhì)的問(wèn)題。

為解決上述問(wèn)題，課題組前期完成了對(duì)氣吸式殘膜回收除雜一體機(jī)的初步研制，但對(duì)其作業(yè)參數(shù)與性能還沒(méi)有進(jìn)行深入的研究分析。為此，本文結(jié)合田間試驗(yàn)進(jìn)一步對(duì)樣機(jī)工作參數(shù)與其作業(yè)性能指標(biāo)(殘膜撿拾率)之間的關(guān)系進(jìn)行試驗(yàn)研究與優(yōu)化。

1 氣吸式殘膜回收除雜一體機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 氣吸式殘膜回收除雜一體機(jī)結(jié)構(gòu)

氣吸式殘膜回收除雜一體機(jī)主要由懸掛裝置、機(jī)架、秸稈粉碎還田裝置、割膜裝置、傳動(dòng)裝置、行走裝置、起膜裝置、輸膜裝置、鎮(zhèn)壓裝置、蓋板、脫膜裝置、吸膜除雜裝置、集膜裝置等組成，其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1，主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 氣吸式殘膜回收除雜一體機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

表1 氣吸式殘膜回收除雜一體機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

1.2 工作原理

工作時(shí)，拖拉機(jī)經(jīng)懸掛機(jī)構(gòu)將動(dòng)力傳遞給氣吸式殘膜回收除雜一體機(jī)，首先利用秸稈粉碎還田裝置將作物秸稈打碎進(jìn)行回收，之后利用割膜裝置將大片的地膜切成小片，便于后續(xù)的殘膜撿拾以及膜雜分離。被切割成片狀的殘膜及部分秸稈雜質(zhì)在撿拾彈齒的作用下被挑起并源源不斷的被輸膜鏈耙送往脫膜裝置，然后在脫膜裝置的作用下膜雜混合物從彈齒上脫落，在下落的過(guò)程中，由于膜雜混合物中殘膜和秸稈等雜質(zhì)在空氣介質(zhì)中的沉降規(guī)律不同，在吸膜除雜裝置的作用下產(chǎn)生一個(gè)大于殘膜懸浮速度而小于棉桿等雜質(zhì)懸浮速度的氣流速度，殘膜會(huì)被離心風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的負(fù)壓吸走，經(jīng)離心風(fēng)機(jī)及風(fēng)管進(jìn)入集膜裝置，而秸稈等雜質(zhì)會(huì)掉落在雜質(zhì)輸送帶上，從而完成殘膜的撿拾和分離工作。

2 撿拾彈齒的運(yùn)動(dòng)分析及關(guān)鍵裝置介紹

2.1 撿拾彈齒運(yùn)動(dòng)分析

如圖2所示，取彈齒鏈轉(zhuǎn)動(dòng)的軸心O點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，x軸與樣機(jī)前進(jìn)方向相同，y軸垂直向上，以C軸水平方向?yàn)槌跏枷辔?，樣機(jī)以速度v2勻速前進(jìn)，彈齒鏈以角速度ω勻速旋轉(zhuǎn)，經(jīng)時(shí)間t后，撿拾彈齒轉(zhuǎn)過(guò)θ(θ=ωt)角，撿拾彈齒齒尖A的運(yùn)動(dòng)軌跡為L(zhǎng)。

撿拾彈齒齒尖A的運(yùn)動(dòng)方程

(1)

殘膜不漏挑的條件

sa=sb≥s0

(2)

將y=-R+h代入式(1)可得

(3)

(4)

將式(4)代入式(1)可得

(5)

(6)

圖2 兩相鄰彈齒運(yùn)動(dòng)軌跡示意圖

由圖2可以看出：Sb=Sa=x1-x2

(7)

將式(5)和式(6)代入式(7)得

(8)

(9)

同理可得

(10)

將式(9)代入式(8)得

(11)

(12)

欲使Sa-S0≥0，則

(13)

由式(13)可求得

(14)

(15)

式中：v2——作業(yè)機(jī)的前進(jìn)速度，m/s；

n——彈齒鏈的轉(zhuǎn)速，r/min；

w——彈齒鏈轉(zhuǎn)動(dòng)角速度，rad/s；

h——撿拾彈齒的入土深度，m。

前期研發(fā)的彈齒式殘膜回收機(jī)實(shí)地試驗(yàn)得出的較優(yōu)經(jīng)驗(yàn)參數(shù)：h=0.02 m，R=180 mm，v2=5 km/h，將其代入式(15)，可得彈齒鏈轉(zhuǎn)速n≥221.5 r/min。

2.2 割膜裝置

針對(duì)殘膜與秸稈等雜質(zhì)易纏繞造成含雜率較高的問(wèn)題，通過(guò)增設(shè)割膜裝置對(duì)大片的殘膜進(jìn)行切割，小片的殘膜利于后期的膜雜分離，割膜裝置主要由連接板、支撐軸、圓筒、割刀等部分組成，根據(jù)覆膜寬度為1 800 mm,初步設(shè)計(jì)圓筒長(zhǎng)1 800 mm,直徑280 mm,割刀長(zhǎng)470 mm，寬170 mm，割刀成螺旋均勻分布于圓筒上，其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3。

圖3 割膜裝置結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 吸膜除雜裝置

由于撿拾彈齒在撿拾殘膜的過(guò)程中同時(shí)將大量的秸稈等雜質(zhì)一起撿拾，造成機(jī)械化回收后的殘膜中含有大量秸稈、碎土塊等雜質(zhì)。為了盡量減少撿拾后殘膜中的秸稈等雜質(zhì)，增設(shè)了吸膜除雜裝置，利用殘膜和秸稈等雜質(zhì)在空氣介質(zhì)中的沉降規(guī)律不同，在吸膜除雜裝置的作用下產(chǎn)生一個(gè)大于殘膜懸浮速度而小于秸稈等雜質(zhì)懸浮速度的氣流速度，殘膜會(huì)被離心風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的負(fù)壓吸走，經(jīng)離心風(fēng)機(jī)及風(fēng)管進(jìn)入集膜裝置，而秸稈等雜質(zhì)會(huì)掉落在雜質(zhì)輸送帶上，從而完成殘膜的撿拾和分離工作。吸膜除雜裝置主要由離心風(fēng)機(jī)、集風(fēng)罩板、雜質(zhì)輸送裝置、脫膜裝置等組成，依據(jù)前期的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，初步設(shè)計(jì)輸送帶寬280 mm,長(zhǎng)2 600 mm，脫膜裝置的毛刷安裝板長(zhǎng)2 260 mm，寬60 mm，離心風(fēng)機(jī)出風(fēng)口風(fēng)管截面長(zhǎng)300 mm，寬240 mm，其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4。

圖4 吸膜除雜裝置結(jié)構(gòu)示意圖

2.4 集膜裝置

撿拾后的殘膜質(zhì)地松散，為保證樣機(jī)連續(xù)作業(yè)并能有效回收殘膜，加裝了增大的集膜裝置。集膜裝置主要由集膜箱、輸膜入口、液壓升降機(jī)構(gòu)等組成，為減少停車卸膜的次數(shù)，初步設(shè)計(jì)集膜箱長(zhǎng)2 600 mm,寬1 300 mm，上側(cè)是開(kāi)孔的蓋板，方便氣流排出，其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖5。此裝置利用液壓升降機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)集膜箱的翻轉(zhuǎn)卸膜，從而將撿拾后的殘膜卸到貨斗內(nèi)，便于運(yùn)到殘膜回收處理加工點(diǎn)進(jìn)行相應(yīng)的分選處理，最終實(shí)現(xiàn)殘膜的回收再利用。

圖5 集膜裝置結(jié)構(gòu)示意圖

3 氣吸式殘膜回收除雜一體機(jī)性能試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)條件及設(shè)備

2020年4月在山東省濟(jì)南市章丘區(qū)的山東省農(nóng)業(yè)機(jī)械科學(xué)研究院試驗(yàn)基地按照國(guó)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)行氣吸式殘膜回收除雜一體機(jī)田間作業(yè)性能試驗(yàn)，如圖6所示。試驗(yàn)基地土壤含水量約為12.6%，地膜厚度為0.01 mm。選取樣機(jī)作業(yè)后的殘膜撿拾率作為氣吸式殘膜回收除雜一體機(jī)作業(yè)性能的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)。

試驗(yàn)設(shè)備主要包括：HSTL-TRCS02-3型便攜式土壤水分測(cè)定儀(華控興業(yè)，精度±3%)、手持熱敏式風(fēng)速儀(風(fēng)速測(cè)量范圍：0～30 m/s，風(fēng)速測(cè)量誤差：±1%，)UT372高精度非接觸式轉(zhuǎn)速儀(測(cè)量范圍：0～999 99 r/min,轉(zhuǎn)速測(cè)量精度0.04%±2)、秒表(測(cè)量精度：0.01 s)、卷尺(測(cè)量精度：1 mm)、天平(測(cè)量精度：10 g)、鐵鍬等。

圖6 氣吸式殘膜回收除雜一體機(jī)田間試驗(yàn)

3.2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

選取前進(jìn)速度A(3～6 km/h)、彈齒鏈轉(zhuǎn)速B(225～240 r/min)、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速C(1 900～2 200 r/min)作為試驗(yàn)因素，以氣吸式殘膜回收除雜一體機(jī)作業(yè)后殘膜撿拾率Y1作為樣機(jī)作業(yè)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)。

(16)

式中：ma——試驗(yàn)區(qū)內(nèi)殘膜的總質(zhì)量，g；

mb——集膜箱內(nèi)回收的殘膜質(zhì)量，g。

通過(guò)駕駛員更換檔位及油門控制實(shí)現(xiàn)樣機(jī)前進(jìn)速度的改變，通過(guò)更換不同傳動(dòng)比的齒輪改變彈齒鏈的轉(zhuǎn)速，離心風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的改變可以通過(guò)調(diào)節(jié)變頻電機(jī)的頻率實(shí)現(xiàn)。氣吸式殘膜回收除雜一體機(jī)性能試驗(yàn)的試驗(yàn)因素與水平如表2所示，選用L16(45)正交表進(jìn)行正交試驗(yàn)[13]，每個(gè)試驗(yàn)重復(fù)3次，取平均值。各試驗(yàn)因素對(duì)樣機(jī)作業(yè)后殘膜撿拾率Y1的影響結(jié)果如表3所示。

表2 試驗(yàn)因素與水平

表3 試驗(yàn)方案與結(jié)果

3.3 極差分析

由表3中的試驗(yàn)結(jié)果和極差分析可知，離心風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的極差為3.4，對(duì)樣機(jī)作業(yè)后殘膜撿拾率影響較小，彈齒鏈轉(zhuǎn)速和前進(jìn)速度兩個(gè)因素的極差較大分別為8.8、5.0，是對(duì)試驗(yàn)影響較大的兩個(gè)因素。3個(gè)因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響為：B>A>C，即彈齒鏈轉(zhuǎn)速>前進(jìn)速度>離心風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速。通過(guò)直觀分析法對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，各因素水平對(duì)殘膜撿拾率的影響順序?yàn)锳3>A1>A4>A2，B1>B2>B4>B3，C1>C2>C4>C3，其最優(yōu)組合方案是B1A3C1。即彈齒鏈轉(zhuǎn)速為225 r/min，前進(jìn)速度為5 km/h，離心風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 900 r/min。

3.4 方差分析

正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的極差分析可以簡(jiǎn)單直觀的描述各試驗(yàn)因素對(duì)殘膜撿拾率的影響順序，同時(shí)具有計(jì)算量小等優(yōu)點(diǎn)，但極差分析對(duì)誤差的大小不能估計(jì)，無(wú)法準(zhǔn)確地估計(jì)各試驗(yàn)因素對(duì)殘膜撿拾率影響的重要程度，這就需要進(jìn)行方差分析[14]，選用DPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行方差分析，結(jié)果如表4所示。

由表4分析和各試驗(yàn)因素P值可知，A(前進(jìn)速度)、B(彈齒鏈轉(zhuǎn)速)對(duì)殘膜撿拾率有極顯著影響，C(離心風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速)對(duì)殘膜撿拾率有顯著影響，各試驗(yàn)因素對(duì)殘膜撿拾率影響的重要程度由大到小依次為:B(彈齒鏈轉(zhuǎn)速)、A(前進(jìn)速度)、C(離心風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速)，和極差分析結(jié)果相同。

表4 殘膜撿拾率方差分析

3.5 試驗(yàn)驗(yàn)證

2020年5月在山東省濱州市無(wú)棣縣西黃一村機(jī)采棉試驗(yàn)基地按照國(guó)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)行氣吸式殘膜回收除雜一體機(jī)田間作業(yè)性能實(shí)地試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)基地面積為20 hm2，土壤含水量約為12.6%，采用一膜三行機(jī)采棉種植模式，種植行距為500 mm，株距95 mm，棉桿高度在750～850 mm之間，試驗(yàn)地膜覆蓋時(shí)間約210 d，厚度為0.01 mm。以彈齒鏈轉(zhuǎn)速為225 r/min，樣機(jī)前進(jìn)速度為5 km/h，離心風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 900 r/min進(jìn)行3次實(shí)地驗(yàn)證試驗(yàn)，殘膜撿拾率、殘膜含雜率分別通過(guò)公式(16)～式(17)計(jì)算，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

(17)

式中：mc——集膜箱內(nèi)物料的總質(zhì)量，g；

md——集膜箱物料中的雜質(zhì)質(zhì)量，g。

表5 實(shí)地驗(yàn)證試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

由表5可得殘膜撿拾率平均值為91.6%，殘膜含雜率平均值為10.5%。氣吸式殘膜回收除雜一體機(jī)撿拾效果見(jiàn)圖7。

圖7 氣吸式殘膜回收除雜一體機(jī)實(shí)地驗(yàn)證試驗(yàn)效果圖

4 結(jié)論

1) 本文通過(guò)增設(shè)割膜裝置、吸膜除雜裝置、集膜裝置，研制了一種氣吸式殘膜回收除雜一體機(jī)，并對(duì)彈齒鏈上撿拾彈齒的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行計(jì)算分析，從而確定了殘膜不漏挑的條件：彈齒鏈轉(zhuǎn)速n≥221.5 r/min。

2) 結(jié)合正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，選用L16(45)正交表對(duì)氣吸式殘膜回收除雜一體機(jī)進(jìn)行撿拾性能試驗(yàn)，通過(guò)正交試驗(yàn)極差分析和方差分析得出影響殘膜撿拾率的因素由大到小依次為:B(彈齒鏈轉(zhuǎn)速)、A(前進(jìn)速度)、C(離心風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速)，其最優(yōu)組合方案是B1A3C1。即彈齒鏈轉(zhuǎn)速為225 r/min，樣機(jī)前進(jìn)速度為5 km/h，離心風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 900 r/min。

3) 實(shí)地試驗(yàn)驗(yàn)證當(dāng)彈齒鏈轉(zhuǎn)速為225 r/min，樣機(jī)前進(jìn)速度為5 km/h，離心風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 900 r/min時(shí)，樣機(jī)撿拾作業(yè)后殘膜撿拾率為91.6%，殘膜含雜率為10.5%，可為殘膜回收相關(guān)設(shè)備的研發(fā)提供參考。