史增錄,張學(xué)軍,程金鵬,周鑫城,張朝書
(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,新疆 烏魯木齊 830052;2.新疆智能農(nóng)業(yè)裝備重點實驗室,新疆 烏魯木齊 830052;3.阿拉爾市天典農(nóng)機(jī)制造有限責(zé)任公司,新疆 阿拉爾 843013)
地膜覆蓋技術(shù)因其具有增溫、保墑、預(yù)防蟲害、抑制雜草生長等益處在新疆等干旱及半干旱地區(qū)的農(nóng)作物種植生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用[1-3]。地膜使用過程中由于日照風(fēng)化作用導(dǎo)致力學(xué)性能下降,且與作物根茬、土壤混雜在一起回收困難,大量地膜被殘留在農(nóng)田土壤中降低了土壤品質(zhì),已造成嚴(yán)重的農(nóng)田生態(tài)污染問題[4-5]。據(jù)統(tǒng)計,新疆地區(qū)地膜總覆蓋面積達(dá)340.5萬hm2,年地膜投入量超20萬t,是我國殘膜污染的典型地區(qū),促進(jìn)殘膜機(jī)械化回收、提高殘膜回收利用率是有效治理農(nóng)田殘膜污染進(jìn)而實現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的有效手段[6-7]。
近年來,國內(nèi)外學(xué)者針對殘膜回收機(jī)械進(jìn)行了大量研究,但由于國內(nèi)外所使用的地膜力學(xué)特性差異較大,導(dǎo)致國外的殘膜回收機(jī)械在我國不具備有效適用性。因此,研究適用于本土化地況的殘膜回收機(jī)械是解決我國殘膜污染問題的關(guān)鍵[8-9]。目前我國的殘膜回收機(jī)械主要有彈齒式、釘齒式、梳齒式、夾持式、鏈齒式、伸縮桿齒式等[10-12],雖然農(nóng)田殘膜回收技術(shù)已經(jīng)初見成效,但目前所回收的殘膜仍然存在含雜率高、機(jī)收殘膜回收再利用難度大等問題[13-14],尚未形成殘膜回收再利用的產(chǎn)業(yè)鏈,制約了農(nóng)田殘膜污染的有效治理。
為改善上述現(xiàn)狀,重點解決秋收后棉田地表殘膜回收時的含雜率高等問題,設(shè)計了一種垂直雙排鏈?zhǔn)綒埬せ厥諜C(jī),通過垂直輸送鏈及卸膜鏈的合理化布局充分延長膜土分離時間,在完成起膜、輸膜、卸膜、集膜過程的同時可實現(xiàn)殘膜-土壤-秸稈的有效分離,在保證殘膜拾凈率的同時有效降低含雜率,以提高機(jī)收殘膜的再利用率,為農(nóng)田殘膜污染的有效治理提供技術(shù)與裝備。
如圖1所示,垂直雙排鏈?zhǔn)綒埬せ厥諜C(jī)主要由起膜拋送裝置、限深輥、減速箱、雜質(zhì)輸送帶、機(jī)架、垂直輸送鏈、卸膜鏈、行走輪、集膜箱等組成,主要用于秋后棉花收獲及秸稈粉碎還田后的殘膜回收作業(yè),其主要工作參數(shù)如表1所示。
表1 主要工作參數(shù)Table 1 Main working parameters
1.限深輥;2.減速箱;3.起膜拋送裝置;4.雜質(zhì)輸送帶;5.機(jī)架;6.垂直輸送鏈;7.卸膜鏈;8.行走輪;9.限深輪;10.集膜箱1.Depth limiting roller;2.Reducer box;3.Film starting device;4.Impurity conveyor belt;5.Frame;6.Vertical conveying chain;7.Film unloading chain;8.Walking wheel;9.Depth limiting wheel;10.Film collection box圖1 整機(jī)結(jié)構(gòu)Fig.1 Whole machine structure
工作時,起膜拋送裝置將膜雜混合物拋起,在起膜拋送裝置的拋送作用下完成初步雜質(zhì)分離和輸送[15],隨后膜雜混合物被垂直輸送鏈上由釘齒帶動依次完成垂直與水平輸送過程,在此過程中完成二次膜雜分離,秸稈、土壤等雜質(zhì)在垂直輸送階段靠自身重力掉落至橫向輸雜裝置上被排至機(jī)具一側(cè),被水平輸送的殘膜運(yùn)送至卸膜區(qū),在卸膜板主動捋膜及刮膜板逆向卸膜的共同作用下完成卸膜過程,被卸下的殘膜繼續(xù)隨卸膜鏈輸送至末端后在重力作用下掉落至集膜箱,如此循環(huán)完成殘膜連續(xù)回收作業(yè)。
垂直輸送鏈與卸膜鏈相互配合工作,形成雙排鏈回收機(jī)構(gòu),其結(jié)構(gòu)如圖2所示,在鏈條轉(zhuǎn)向作用及卸膜導(dǎo)向板的共同作用下,位于卸膜區(qū)的釘齒在脫膜導(dǎo)向板的作用下轉(zhuǎn)動與卸膜板之間形成一定夾角,釘齒相對卸膜板縮回進(jìn)行主動卸膜,經(jīng)過卸膜區(qū)的殘膜在卸膜板自卸膜及刮膜板刮膜的共同作用下完成二次卸膜過程,有效提高卸膜率,降低含雜率,防止輸膜過程中殘膜脫落造成二次污染。
1.導(dǎo)向輥;2.鏈條;3.鏈輪;4.卸膜板;5.卸膜導(dǎo)向板;6.刮膜板;7.釘齒1.Guide roller;2.Chain;3.Sprocket;4.Film unloading plate;5.Unloading guide plate;6.Film scraper;7.Spike teeth圖2 垂直雙排鏈機(jī)構(gòu)Fig.2 Double-row chain mechanism
2.1.1 釘齒及卸膜板排布 垂直雙排鏈?zhǔn)綒埬せ厥諜C(jī)主要適用于秋后棉花收后及秸稈粉碎還田后地表殘膜回收作業(yè),因此釘齒密度和數(shù)量是影響運(yùn)輸過程中殘膜及雜質(zhì)運(yùn)輸效率的重要因素,釘齒排布過于稀疏會導(dǎo)致殘膜漏輸,排布過密則會導(dǎo)致運(yùn)輸過程中的秸桿、土壤等雜質(zhì)不易掉落而使含雜率升高。結(jié)合大塊殘膜規(guī)格及整機(jī)尺寸的綜合考慮,將釘齒設(shè)定為長度65 mm、粗端直徑10 mm、細(xì)端直徑6 mm的圓錐臺,相鄰釘齒之間間距為220 mm,每排設(shè)定釘齒與卸膜板數(shù)量為5;為提高主動卸膜效果,設(shè)定卸膜板為橡膠材質(zhì),其厚度為5 mm、寬度為80 mm、長度為220 mm,同時為避免從上一級釘齒中脫落的雜質(zhì)掉落至下一級釘齒上被繼續(xù)運(yùn)輸,設(shè)定相鄰釘齒排之間的排列方式為交錯排列,其排布方式如圖3所示。
1.釘齒;2.卸膜板;3.鏈條;4.釘齒桿;5.導(dǎo)向輥1.Spike teeth;2.Film scraper;3.Chains;4.Spike tooth lever;5.Guide roller圖3 釘齒排布圖Fig.3 Nail teeth layout diagram
2.1.2 輸送鏈轉(zhuǎn)運(yùn)角 輸送鏈的轉(zhuǎn)運(yùn)角度排布方式如圖4所示,圖中CA段為升運(yùn)段、AB段為平運(yùn)段、BC段為卸膜段,由前期預(yù)實驗已知當(dāng)卸膜段BC傾角為55°時卸膜效果最佳,因此設(shè)定AB與BC之間夾角α2=55°,則輸送鏈的分布可分為三種情況:在圖4a中,α1>π/2,升運(yùn)段后傾,此時從上一級釘齒中脫落的雜質(zhì)易掉落與下一級釘齒中,逐級積累易造成雜質(zhì)堆積,造成含雜率升高;在圖4b中,α1=π/2,升運(yùn)段豎直,此時位于升運(yùn)段的釘齒逐級有效工作,由于釘齒的交錯排布,在保證殘膜合理輸送的同時能有效避免殘膜中雜質(zhì)的堆積;在圖4c中,α1<π/2,升運(yùn)段前傾,此時有利于雜質(zhì)脫落,降低含雜率,但易導(dǎo)致拾取的殘膜隨雜質(zhì)同時脫落,降低撿拾率,致使機(jī)具作業(yè)性能降低。綜上分析,選擇將升運(yùn)段設(shè)定為豎直排布能有效保證殘膜回收機(jī)的作業(yè)性能,因此初步設(shè)定α1=90°,誤差為5°[16]。
圖4 輸送鏈轉(zhuǎn)運(yùn)角Fig.4 Conveyor chain transfer angle
輸膜過程中膜雜混合物組成及分布如圖5a所示,其受力分析如圖5b所示。
1.卸膜板;2.釘齒;3.殘膜;4.秸稈;5.土壤1.Unloading film plate;2.Nail teeth;3.Residual film;4.Straw 5.Soil圖5 輸膜過程力學(xué)分析Fig.5 Mechanical analysis of membrane delivery process
作業(yè)過程中,膜雜混合物依次經(jīng)過起膜拋送裝置、垂直輸送鏈裝置的起膜拋送、分離輸送等過程,由于此時為膜雜拋送后的狀態(tài),因此忽略土壤粘結(jié)力影響,殘膜在輸送鏈上的受力主要為重力、釘齒摩擦力及支持力。為防止輸送轉(zhuǎn)運(yùn)過程中殘膜滑落的同時避免殘膜斷裂[17],應(yīng)滿足:
Gsinα≤f
(1)
f=F·μ
(2)
F=Gcosα+Fa
(3)
式中,G為膜雜混合物總重量(N);α為此刻輸膜鏈釘齒法向與垂直方向的夾角(°);μ為釘齒與殘膜混合物間的摩擦因數(shù);f為殘膜混合物所受釘齒的摩擦力(N);F為釘齒對膜雜混合物的支持力(N);Fa為殘膜自身張弛力(N)。
聯(lián)立式(1)、(2)、(3)可得:
(4)
式中,膜雜混合物重量G、摩擦因數(shù)μ、釘齒法向與垂直方向夾角α為定值,因此殘膜張馳力Fa可增大釘齒與殘膜間的摩擦力,可有效避免殘膜相對釘齒滑落。殘膜在不發(fā)生塑性變形斷裂的前提下,張馳力Fa的大小與其形變量有關(guān)[17],而釘齒的轉(zhuǎn)動速度是影響殘膜形變量的主要因素,轉(zhuǎn)動速度越高,殘膜發(fā)生彈性變形的程度越大,當(dāng)釘齒的結(jié)構(gòu)參數(shù)一定的前提下,其轉(zhuǎn)動速度受輸膜鏈轉(zhuǎn)速影響,因此對輸膜鏈轉(zhuǎn)速進(jìn)行合理控制可有效提升殘膜的輸送、分離能力,滿足殘膜的可靠輸送與分離要求。
膜雜混合物經(jīng)起膜拋送裝置拋至輸膜鏈釘齒的過程可視為平拋運(yùn)動,在此過程中,拋起的殘膜混合物已經(jīng)進(jìn)行了初步分離,對輸膜過程進(jìn)行運(yùn)動學(xué)分析如圖6所示。
圖6 輸膜過程運(yùn)動學(xué)分析Fig.6 Kinematic analysis of membrane delivery process
圖6中起膜拋送裝置對殘膜混合物的作用可視為平拋運(yùn)動,忽略空氣阻力影響,此過程滿足
v=ω1R1
(5)
ω1=2πn1
(6)
(7)
L1x=vt
(8)
式中,v為混合物水平初速度(m·s-1);ω1為起膜拋送裝置旋轉(zhuǎn)角速度(rad·s-1);R1為起膜拋送裝置回轉(zhuǎn)半徑(m);n1為起膜拋送裝置轉(zhuǎn)速(r·min-1);L1y為膜雜混合物垂直方向位移(m);L1x為膜雜混合物水平方向位移(m);t為混合物運(yùn)動時間(s)。
由于該機(jī)主要應(yīng)用于秋后地表大膜的回收,此時的殘膜完整性高,接觸面積大,力學(xué)性能好,容易被撿拾和運(yùn)輸,在一次起膜拋送過程中,只需有一組輸膜鏈釘齒經(jīng)過殘膜混合物拋送落點區(qū)域,即可有效完成殘膜的回收。因此,在起膜拋送裝置的拋送過程中進(jìn)行運(yùn)動分析如下:
L′≤v′t′
(9)
v′=ω2R2
(10)
ω2=2πn′
(11)
式中,L′為相鄰輸膜鏈釘齒組間距,取220 mm;v′為釘齒轉(zhuǎn)運(yùn)線速度(m·s-1);t′為拋送過程總時間(s);ω2為輸送鏈主動軸轉(zhuǎn)動角速度(rad·s-1);R′為轉(zhuǎn)運(yùn)輸送半徑(m);n′為輸送鏈主動軸轉(zhuǎn)速(r·min-1)。
經(jīng)計算可知,輸送鏈主動軸轉(zhuǎn)速n′≥81.68 r·min-1,但當(dāng)轉(zhuǎn)速過快時會導(dǎo)致鏈傳動振動加劇,使殘膜在輸送過程中掉落,導(dǎo)致輸膜率降低,影響撿拾率,為防止輸膜過程殘膜掉落的同時提高機(jī)具效率,設(shè)定輸送鏈主動軸轉(zhuǎn)速為82~90 r·min-1。
垂直雙排鏈?zhǔn)綒埬せ厥諜C(jī)的卸膜過程由卸膜板的主動捋膜及卸膜鏈的逆向卸膜共同作用完成,如圖7所示,其中卸膜導(dǎo)向板采用與鏈條非平行方式排布,當(dāng)輸膜鏈將殘膜輸送至卸膜區(qū)時,導(dǎo)向輥受卸膜導(dǎo)向板安裝方位的影響,相對卸膜板運(yùn)動方向發(fā)生逆向轉(zhuǎn)動,同時帶動一組釘齒繞釘齒桿逆時針轉(zhuǎn)動,由于卸膜板與輸膜鏈為固定連接,卸膜板在卸膜過程中的運(yùn)動規(guī)律不發(fā)生改變,因此實現(xiàn)釘齒與卸膜板之間的相對運(yùn)動,即釘齒向內(nèi)縮回形成主動卸膜動作。與此同時,位于卸膜鏈上的刮膜板在卸膜區(qū)與釘齒做逆向平行運(yùn)動,將完成主動卸膜動作后處于脫落臨界位置的殘膜反向刮刷并向后運(yùn)輸,完成被動卸膜過程。被動卸膜過程進(jìn)行受力分析如圖8所示。
1.卸膜板;2.導(dǎo)向輥;3.卸膜導(dǎo)向板;4.刮膜板1.Unloading film plate;2.Guide roller;3.Unloading film guide plate;4.Film scraper圖7 組合式卸膜裝置Fig.7 Combined film unloading device
圖8 卸膜過程受力分析Fig.8 Force analysis in the process of unloading film
卸膜時殘膜主要受釘齒拉力、卸膜板吸附力、重力及刮膜板支持力影響,為使殘膜能夠有效被刮膜板刮卸,則其所受力應(yīng)滿足:
F1≥Gcosβ+F2
(12)
式中,G為殘膜重力(N);F1為刮膜板對殘膜支持力(N);F2為殘膜所受釘齒拉力、卸膜板吸附力等綜合作用力(N);β為卸膜鏈傾斜角(°)。
為實現(xiàn)卸膜板與刮膜板的共同卸膜,在卸膜鏈轉(zhuǎn)軸處卸膜板與刮膜板開始接觸,此時可視F1為卸膜板于卸膜鏈旋轉(zhuǎn)軸處離心力,據(jù)文獻(xiàn)[18],刮膜過程中F2≈3G,為確保刮膜效果,設(shè)F2=4G,則式(12)可轉(zhuǎn)化為:
F1=mω2r
(13)
G=mg
(14)
F1≥mgcosβ+4mg
(15)
(16)
ω=2πn
(17)
式中,ω為卸膜鏈旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動角速度(rad·s-1);n為卸膜鏈旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速(r·min-1);r為卸膜的回轉(zhuǎn)半徑(mm),可視為卸膜鏈旋轉(zhuǎn)軸半徑與刮膜板高度之和。
由式(13)~(17)可知,卸膜鏈轉(zhuǎn)速與刮膜板高度對于刮膜過程受力情況有著重要影響,結(jié)合機(jī)具尺寸設(shè)定刮膜板高度為100 mm,同時結(jié)合預(yù)實驗設(shè)定卸膜鏈轉(zhuǎn)速125~135 r·min-1。
垂直雙排鏈?zhǔn)綒埬せ厥諜C(jī)的輸送裝置工作性能受多個因素影響,為驗證各因素對殘膜回收效率的影響關(guān)系,試制了一臺垂直雙排鏈?zhǔn)綒埬せ厥諜C(jī)物理樣機(jī),在阿克蘇市6團(tuán)雙城鎮(zhèn)進(jìn)行田間試驗,試驗田為粘性土壤,采用一膜四行的棉花種植模式,0~10 cm深度含水率為15%~18%,殘膜厚度為0.01 mm,試驗情況如圖9所示。以輸送鏈轉(zhuǎn)速X1、卸膜鏈轉(zhuǎn)速X2、輸送鏈轉(zhuǎn)運(yùn)角度X3為試驗因素,以殘膜拾凈率Y1、含雜率Y2為指標(biāo)進(jìn)行Box-Behnken試驗,試驗因素水平編碼如表2所示。
圖9 田間試驗Fig.9 Field trials
表2 試驗因素及水平Table 2 Test factors and levels
依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 25412-2021《殘地膜回收機(jī)》及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NY/T1227-2019《殘地膜回收機(jī)作業(yè)質(zhì)量》,測定長度為100 m,每組數(shù)據(jù)進(jìn)行三次試驗,對試驗樣品進(jìn)行清洗、晾曬及稱重等環(huán)節(jié),并對殘膜拾凈率及含雜率進(jìn)行計算。
利用Design-Expert軟件對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,試驗結(jié)果如表3所示。由表3可知,垂直雙排鏈?zhǔn)綒埬せ厥諜C(jī)作業(yè)的殘膜拾凈率均值為80.26%,含雜率均值為44.8%。對試驗結(jié)果進(jìn)行多元回歸擬合分析,得出輸送鏈轉(zhuǎn)速、卸膜鏈轉(zhuǎn)速、輸送鏈轉(zhuǎn)運(yùn)角與拾凈率及含雜率的回歸模型,對模型進(jìn)行方差分析,結(jié)果如表4所示。
表3 試驗結(jié)果Table 3 Test results
表4 方差分析Table 4 Variance analysis
由表4可知,拾凈率Y1的回歸模型極顯著,其中X1、X2、X3、X1X3、X12對Y1的影響極顯著,X2X3、X12對Y1的影響顯著;含雜率Y2的回歸模型極顯著,其中X1、X3、X12、X12、X32對Y2的影響極顯著,X2、X1X3對Y2的影響顯著,去除不顯著項,得到輸送鏈轉(zhuǎn)速X1、卸膜鏈轉(zhuǎn)速X2、輸送鏈轉(zhuǎn)運(yùn)角度X3對殘膜拾凈率Y1、含雜率Y2的回歸方程為:
(18)
(19)
為直觀分析各因素的交互作用對于各項評價指標(biāo)的影響,通過Design-Expert軟件繪制輸送鏈轉(zhuǎn)速、卸膜鏈轉(zhuǎn)速、輸送鏈轉(zhuǎn)運(yùn)角對拾凈率及含雜率的響應(yīng)曲面,如圖10所示。
圖10 各因素交互作用對殘膜回收性能的響應(yīng)曲面Fig.10 Response surface of the interaction of various factors on the performance of residual film recovery
由圖10a可以看出,當(dāng)輸膜鏈轉(zhuǎn)運(yùn)角一定時,隨著輸送鏈轉(zhuǎn)速的增加,殘膜拾凈率先增大后減小,具有顯著的變化趨勢;而隨著輸送鏈轉(zhuǎn)運(yùn)角的增加,殘膜拾凈率緩慢降低。由圖10b可以看出,當(dāng)輸送鏈轉(zhuǎn)運(yùn)角一定時,隨著卸膜鏈轉(zhuǎn)速增加,殘膜拾凈率先增加后減小,變化幅度顯著;而隨著輸送鏈轉(zhuǎn)運(yùn)角的增加,殘膜拾凈率逐漸減小,變化趨勢緩慢。由圖10c可以看出,當(dāng)輸送鏈轉(zhuǎn)速一定時,隨著輸送鏈轉(zhuǎn)運(yùn)角的增加,含雜率先減小后增加,變化趨勢顯著;而隨著輸送鏈轉(zhuǎn)運(yùn)角增加,含雜率先減小后增加,變化趨勢緩慢。
為得到影響垂直雙排鏈?zhǔn)綒埬せ厥諜C(jī)回收性能的最佳參數(shù)組合,以提高拾凈率、降低含雜率為目標(biāo),對殘膜回收的輸送鏈轉(zhuǎn)速、卸膜鏈轉(zhuǎn)速及輸送鏈轉(zhuǎn)運(yùn)角進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化分析,得到優(yōu)化模型為:
(20)
通過分析計算,得到最佳參數(shù)組合為:輸送鏈轉(zhuǎn)速86.08 r·min-1、卸膜鏈轉(zhuǎn)速128.97 r·min-1、輸送鏈轉(zhuǎn)運(yùn)角91.92°,此時殘膜拾凈率為86.3%,含雜率為36.57%。
為驗證優(yōu)化結(jié)果,將最佳參數(shù)組合圓整為輸送鏈轉(zhuǎn)速86 r·min-1、卸膜鏈轉(zhuǎn)速129 r·min-1、輸送鏈轉(zhuǎn)運(yùn)角92°進(jìn)行驗證試驗,試驗結(jié)果如表5所示,在較優(yōu)參數(shù)組合下的殘膜拾凈率為86.7%,含雜率為35.9%,滿足國家行業(yè)作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求。
表5 驗證試驗結(jié)果Table 5 Validation test results
1)設(shè)計了一種垂直雙排鏈?zhǔn)綒埬せ厥諜C(jī),并對其輸送裝置進(jìn)行重點研究,介紹了其工作原理,對輸送裝置關(guān)鍵部件建立力學(xué)模型,對輸膜和卸膜過程進(jìn)行力學(xué)和運(yùn)動學(xué)分析,得到了影響殘膜回收性能的主要因素。
2)以輸送鏈轉(zhuǎn)速、卸膜鏈轉(zhuǎn)速、輸送鏈轉(zhuǎn)運(yùn)角為試驗因素,以殘膜拾凈率及含雜率為試驗指標(biāo)進(jìn)行響應(yīng)面試驗,并對試驗結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化,得到影響殘膜回收性能的最佳工作參數(shù)為輸送鏈轉(zhuǎn)速86.08 r·min-1、卸膜鏈轉(zhuǎn)速128.97 r·min-1、輸送鏈轉(zhuǎn)運(yùn)角91.92°,最優(yōu)參數(shù)組合下殘膜拾凈率為86.3%,含雜率為36.57%。
3)在最優(yōu)組合下進(jìn)行田間驗證試驗,得到垂直雙排鏈?zhǔn)綒埬せ厥諜C(jī)在較優(yōu)參數(shù)組合下殘膜拾凈率為86.7%,含雜率為35.9%,優(yōu)化模型得到的結(jié)果和驗證試驗結(jié)果一致,作業(yè)性能指標(biāo)滿足GB/T 25412-2021《殘地膜回收機(jī)》的技術(shù)要求。