石 鑫，牛長河，王學(xué)農(nóng)，張海春，楊會(huì)民

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滾筒篩式廢舊地膜與雜質(zhì)風(fēng)選裝置設(shè)計(jì)

石 鑫，牛長河※，王學(xué)農(nóng)，張海春，楊會(huì)民

（1. 新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，烏魯木齊 830091；2. 農(nóng)業(yè)部林果棉與設(shè)施農(nóng)業(yè)裝備技術(shù)科學(xué)觀測實(shí)驗(yàn)站，烏魯木齊 830091）

回收后的廢舊地膜與棉秸稈、根茬等雜質(zhì)纏繞不易分離，不能實(shí)現(xiàn)二次利用，為實(shí)現(xiàn)廢舊地膜循環(huán)再利用和從根源上解決廢舊地膜對(duì)土壤環(huán)境的污染問題，通過對(duì)棉秸稈、根茬及地膜在風(fēng)場中進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，測定其懸浮速度，并以此為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)了滾筒篩式廢舊地膜雜質(zhì)風(fēng)選裝置，介紹了機(jī)具的整體結(jié)構(gòu)、工作原理及關(guān)鍵部件。通過正交試驗(yàn)確定了最優(yōu)工作參數(shù)組合，試驗(yàn)結(jié)果表明當(dāng)旋轉(zhuǎn)篩筒轉(zhuǎn)速為30 r/min，風(fēng)管出口風(fēng)速15 m/s時(shí)，物料喂入量為250 kg/h時(shí)，作業(yè)后膜中含雜率、雜中含膜率及廢舊地膜產(chǎn)量效果最佳，將最優(yōu)參數(shù)組合帶入實(shí)際生產(chǎn)中進(jìn)行驗(yàn)證，試驗(yàn)表明該機(jī)具各項(xiàng)指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求，分離后的廢舊地膜膜中含雜率為13.71%，雜中含膜率為0.133%，廢舊地膜產(chǎn)量可達(dá)35.8 kg/h。

機(jī)械化；設(shè)計(jì)；滾筒篩；廢舊地膜；風(fēng)選；試驗(yàn)

0 引 言

地膜覆蓋栽培技術(shù)自20世紀(jì)70年代末引入中國以來被大面積推廣[1-2]，2015年中國農(nóng)作物地膜覆蓋面積為1 831.8萬hm2，地膜使用量達(dá)145.5萬t，主要分布在東北、華北、西南和西北干旱地區(qū)[3]。新疆屬西北干旱地區(qū)，數(shù)據(jù)顯示截止2014年新疆地膜覆蓋面積達(dá)350余萬hm2，年使用量達(dá)33萬t，其中棉花種植地膜覆蓋面積達(dá)190余萬hm2，100%采用地膜覆蓋技術(shù)[4-10]。

機(jī)械化殘膜回收技術(shù)的推廣可有效解決殘膜從農(nóng)田中清理出來的問題，但回收的廢舊地膜中包含大量的秸稈、根茬、土壤等雜質(zhì)，不能直接再利用，90%都被隨意堆放、掩埋、焚燒或者再次流入田間，對(duì)環(huán)境造成二次污染。因此回收后的廢舊地膜能否有效再利用是從根本上治理殘膜污染的關(guān)鍵[11-15]。

國外為防止地膜污染，長期推廣使用高強(qiáng)度、耐老化地膜，地膜厚度約為0.12 mm，回收時(shí)地膜仍有較大強(qiáng)度，采用卷膜機(jī)將地膜成卷回收，含雜量較低，可反復(fù)使用或直接再造粒，不需要將廢舊地膜與雜質(zhì)分離[16-21]。

中國目前多采用厚度為0.008（±0.003）mm的地膜，地膜抗拉強(qiáng)度低，經(jīng)一個(gè)作業(yè)季回收時(shí)地膜已嚴(yán)重老化、斷裂，并與秸稈、根茬等纏繞在一起，只能將地膜連同秸稈、根茬、土壤等混合物一起集堆收回。目前國內(nèi)對(duì)廢舊地膜雜質(zhì)分離采用人工分離法，尚無成熟的機(jī)械化分離裝備。

本文針對(duì)新疆種植面積較大的棉花地收獲后，采用機(jī)械化收集的廢舊地膜和棉秸稈、根茬等雜質(zhì)，為實(shí)現(xiàn)廢舊地膜與雜質(zhì)的有效分離，設(shè)計(jì)了滾筒篩式廢舊地膜雜質(zhì)風(fēng)選裝置，確定了關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)與參數(shù)，并通過試驗(yàn)確定了最優(yōu)工作參數(shù)組合。

1 風(fēng)選裝置結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 風(fēng)選裝置結(jié)構(gòu)

滾筒篩式廢舊地膜雜質(zhì)風(fēng)選裝置整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由機(jī)架、風(fēng)機(jī)、電機(jī)、進(jìn)料斗、旋轉(zhuǎn)篩筒、外罩、秸稈根茬出料口、秸稈根茬輸送帶、細(xì)小雜物輸送帶、廢舊地膜出料口等組成。旋轉(zhuǎn)篩筒水平放置由托輪支撐于機(jī)架上，能夠繞自身的軸線旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)篩筒上開有直徑為3 cm的小孔，其內(nèi)壁上設(shè)置有若干螺旋葉片，旋轉(zhuǎn)篩筒前端與風(fēng)機(jī)風(fēng)管的出風(fēng)口相連，進(jìn)料斗位于風(fēng)管出風(fēng)口上，廢舊地膜出料斗位于旋轉(zhuǎn)篩筒末端，秸稈根茬出料口位于旋轉(zhuǎn)篩筒前端的正下方，秸稈根茬輸送帶和細(xì)小雜物輸送帶位于機(jī)架底部。

1.2 工作原理

現(xiàn)有的棉田殘膜回收機(jī)回收的廢舊地膜包含大量棉秸稈、根茬和土壤，其中地膜多為長條狀，棉秸稈和根茬的長度也都在15 cm以上，并且枝椏、須根較多，容易與長條狀的地膜相互纏繞，無法直接分離，需預(yù)先將地膜與秸稈、根茬的混合物剪切粉碎，切斷長度為40～60 mm，以便于后期分離使用。

1.風(fēng)機(jī) 2.風(fēng)管 3.電機(jī) 4.進(jìn)料斗 5.齒圈 6.旋轉(zhuǎn)篩筒 7.螺旋葉片 8.機(jī)架 9.機(jī)架調(diào)節(jié)裝置 10.地膜出料口 11.外罩 12.減速機(jī) 13.托輪 14.細(xì)小雜物輸送帶 15.秸稈根茬出料口 16.秸稈根茬輸送帶

作業(yè)時(shí)，旋轉(zhuǎn)篩筒在電機(jī)的帶動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)料斗向旋轉(zhuǎn)篩筒內(nèi)提供待分離物料；旋轉(zhuǎn)篩筒內(nèi)壁上設(shè)置有若干螺旋葉片，由于是內(nèi)螺旋，螺旋葉片與旋轉(zhuǎn)篩筒沒有形成閉合的空腔，因此將螺距作為影響物料輸送能力的主要因素，而螺旋葉片寬度作為次要因素。根據(jù)功能要求，旋轉(zhuǎn)篩筒內(nèi)壁上的螺旋采用分段式螺旋，前段螺旋主要作用為輸送大量的秸稈、根茬等雜質(zhì)，后段螺旋主要作用為翻轉(zhuǎn)攪拌混合物料、再次把少量的秸稈根茬等雜質(zhì)輸送至螺旋前段。螺旋的螺距越大，混合物料輸送速度越快，但前段螺旋螺距不易太大，因?yàn)槁菥嗵髸?huì)造成風(fēng)機(jī)來不及將廢舊地膜吹送到旋轉(zhuǎn)篩筒后段就同秸稈和根茬一起被送出篩筒，影響分離效果。前段螺旋葉片將大量的秸稈和根茬推送至秸稈根茬出料口，后段螺旋葉片不斷將待分離物料帶起至旋轉(zhuǎn)篩筒上方。

由于混合物料在空氣介質(zhì)中受力后的沉降規(guī)律不同，密度越小的物料在水平方向的運(yùn)動(dòng)距離越遠(yuǎn)，密度越大的物料在水平方向的運(yùn)動(dòng)距離越近，因此密度最小的地膜被吹向旋轉(zhuǎn)篩筒末端，由地膜出料口送出；懸浮速度較大的秸稈、根茬落至旋轉(zhuǎn)篩筒的中部，再由螺旋葉片從旋轉(zhuǎn)篩筒的前端推出，經(jīng)秸稈根茬輸送帶輸出；細(xì)小的秸稈和泥土從旋轉(zhuǎn)篩筒的篩孔中漏下，經(jīng)細(xì)小雜物輸送帶輸出，從而實(shí)現(xiàn)物料的有效分離；外罩設(shè)置在旋轉(zhuǎn)篩筒的外部，用于防止廢舊地膜和塵土四處飛揚(yáng)。風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、旋轉(zhuǎn)篩筒轉(zhuǎn)速可通過變頻器調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)。機(jī)架下方的4個(gè)角各設(shè)有一套升降機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)由搖桿、絲桿、螺母、套管、底座等零件組成，通過調(diào)節(jié)絲桿與螺母之間的相對(duì)位置升降機(jī)架，從而達(dá)到調(diào)節(jié)篩筒傾角的目的[22-23]。

2 混合物料在風(fēng)場中的動(dòng)力學(xué)分析及關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)

2.1 混合物料動(dòng)力學(xué)分析

以機(jī)械化回收的棉田廢舊地膜為試驗(yàn)材料，要求棉田廢舊地膜混合物料含水率≥20%，手工挑選出混合物料中各種成分，分別進(jìn)行懸浮速度測定，測定結(jié)果為粗棉稈的懸浮速度為12～15 m/s，細(xì)棉稈的懸浮速度為8～10 m/s，棉葉懸浮速度為6～9 m/s，地膜的懸浮速度為2～4 m/s，廢舊地膜迎風(fēng)面積大，懸浮速度小。建立混合物料風(fēng)選試驗(yàn)臺(tái)，對(duì)混合物料進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析[24-26]。利用不同物料的懸浮速度差和在空氣介質(zhì)中受力后的沉降規(guī)律差異將它們分離。物料在下落過程中先通過高風(fēng)區(qū)獲得向前運(yùn)動(dòng)的初速度，然后通過低風(fēng)區(qū)，通過水平運(yùn)動(dòng)距離的差異實(shí)現(xiàn)不同物料的分離。物料在旋轉(zhuǎn)篩筒中受力如圖2所示。

圖2 物料在旋轉(zhuǎn)篩筒中的運(yùn)動(dòng)分析

當(dāng)入風(fēng)口氣流0，即入風(fēng)口氣流為水平時(shí)，設(shè)物料的重力為，質(zhì)量為，在風(fēng)場中物料受氣流的作用力風(fēng)為

式中為阻力系數(shù)；a為空氣密度，kg/m3；為物料受風(fēng)面積，m2；為物料與氣流相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度，m/s。

根據(jù)被風(fēng)選的物料的密度不同，可建立高風(fēng)區(qū)水平和垂直方向的物料的運(yùn)動(dòng)方程如下：

高風(fēng)區(qū)水平方向運(yùn)動(dòng)距離1

式中為氣流傾斜角，(°)；1為物料在高風(fēng)區(qū)的運(yùn)動(dòng)時(shí)間，s。

高風(fēng)區(qū)垂直方向運(yùn)動(dòng)距離1

低風(fēng)區(qū)水平和垂直方向的物料的運(yùn)動(dòng)方程如下

式中2為物料在低風(fēng)區(qū)的運(yùn)動(dòng)時(shí)間；1為物料在進(jìn)入低風(fēng)區(qū)時(shí)的速度。

通過風(fēng)選試驗(yàn)臺(tái)預(yù)試驗(yàn)，當(dāng)>0時(shí)，密度最小的地膜被吹到旋轉(zhuǎn)篩筒壁上，由于筒壁對(duì)地膜產(chǎn)生摩擦，導(dǎo)致地膜被掛到筒壁上，不向篩筒末端運(yùn)動(dòng)，不利于廢舊地膜的分離；當(dāng)=0時(shí)，即水平氣流吹送混合物料，廢舊地膜與棉秸稈在水平方向的運(yùn)動(dòng)距離差最大，分離效果最好。

2.2 旋轉(zhuǎn)篩筒尺寸的確定

旋轉(zhuǎn)篩筒采用圓形筒體，篩筒上均布篩孔，其內(nèi)壁上設(shè)置有若干螺旋葉片，篩筒兩端由托輪支撐于機(jī)架上，利用電機(jī)驅(qū)動(dòng)減速機(jī)，減速機(jī)帶動(dòng)齒輪傳動(dòng)，實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)篩筒轉(zhuǎn)動(dòng)，結(jié)構(gòu)和尺寸示意如圖3所示。

圖3 旋轉(zhuǎn)篩筒結(jié)構(gòu)尺寸示意圖

篩筒采用厚度為3 mm的鋼板，篩孔的大小根據(jù)破碎機(jī)破碎物料的尺寸為40～60 mm，確定篩孔直徑為30 mm，采用沖壓成形。由于設(shè)計(jì)要求的生產(chǎn)率與篩筒直徑、篩筒轉(zhuǎn)速和篩筒傾角有關(guān)，根據(jù)式（6）計(jì)算出篩筒直徑[27-31]

式中為篩筒生產(chǎn)率，kg/h；為篩筒直徑，mm；為混合物料容重，通過對(duì)回收來的混合物（包括廢舊地膜、棉秸稈、根茬和泥土）進(jìn)行測定，棉秸稈及雜質(zhì)混合物的容重為0.2～0.3 t/m3；為篩筒傾角，(°)；為混合物料在篩筒中的厚度，m；為篩筒轉(zhuǎn)速，r/min。

由式（6）導(dǎo)出

根據(jù)生產(chǎn)率設(shè)計(jì)要求250 kg/h，傾角可調(diào)范圍0～10°，篩筒轉(zhuǎn)速可調(diào)范圍30～50 r/min，帶入式（7）通過計(jì)算得出旋轉(zhuǎn)篩筒最大直徑為1 236 mm，根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)螺旋直徑制成標(biāo)準(zhǔn)，最終確定旋轉(zhuǎn)篩筒直徑=1 250mm。結(jié)合物料在風(fēng)場中的動(dòng)力學(xué)特性及在高、低風(fēng)區(qū)水平方向的運(yùn)動(dòng)方程，確定旋轉(zhuǎn)篩筒長度=3 750 mm。

2.3 螺旋葉片螺距的設(shè)計(jì)

影響旋轉(zhuǎn)篩筒作業(yè)效果的主要因素是螺旋的螺距，螺距越大輸送能力越強(qiáng)，次要因素是螺旋葉片的寬度，螺距決定著螺旋升角的大小，而螺旋升角影響物料受力水平方向分力的大小，進(jìn)而影響物料的輸送性能[32]?；旌衔锪线M(jìn)入旋轉(zhuǎn)篩筒受到螺旋輸送葉片法向推力P、摩擦力P、物料自身重力和風(fēng)機(jī)風(fēng)力風(fēng)的作用，受力如圖4所示。

注：α為螺旋升角，(°)；G為物料自身重力，N；F風(fēng)為風(fēng)機(jī)對(duì)物料產(chǎn)生的風(fēng)力，N；Pf為旋轉(zhuǎn)篩筒對(duì)物料的摩擦力，N；PN為螺旋輸送葉片對(duì)物料的法向推力，N。

當(dāng)Pcosα+Psin風(fēng)時(shí)物料沿旋轉(zhuǎn)篩筒軸向并向篩筒前端移動(dòng)，即混合物料中受摩擦力P和法向推力P較大的秸稈和根茬被推送到旋轉(zhuǎn)篩筒前端，由秸稈根茬出料口排出。當(dāng)Psinα>Pcos時(shí)，物料被螺旋葉片帶起至旋轉(zhuǎn)篩筒上方，不斷翻滾，在風(fēng)力的作用下將密度較小的地膜吹向旋轉(zhuǎn)篩筒末端，從地膜出料口排出。

根據(jù)功能和設(shè)計(jì)要求，采用分段式螺旋，前段螺旋主要作用為輸送大量秸稈、根茬等雜質(zhì)，后段螺旋主要作用為翻轉(zhuǎn)攪拌混合物料以及輸送少量的秸稈、根茬等雜質(zhì)，前段螺旋螺距不易太大，因?yàn)槁菥嘣酱笪锘旌狭陷斔偷脑娇?，?dǎo)致風(fēng)機(jī)來不及將廢舊地膜吹送到旋轉(zhuǎn)篩筒后段就同秸稈和根茬一起被送出篩筒，造成分離效果差。故前段螺旋螺距小于后段螺距，確定前段最大螺旋螺距要滿足2個(gè)條件：一是能夠克服雜質(zhì)的軸向摩擦力，二是使得秸稈、根茬等雜質(zhì)具有最合理的速度分量，通過滿足這兩個(gè)條件得到的經(jīng)驗(yàn)公式是=(0.8～1)，根據(jù)篩筒直徑=1 250 mm，旋轉(zhuǎn)篩筒長度=3 750 mm，確定前段螺距為1 250 mm，螺旋圈數(shù)為1.5圈。后段螺旋的螺距為2 500 mm，螺旋圈數(shù)為0.75圈，考慮后段螺旋主要功能為翻轉(zhuǎn)物料，同時(shí)需要具備一定的輸送能力，故后段螺旋設(shè)計(jì)為2條，結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 導(dǎo)流螺旋葉片示意圖

3 試驗(yàn)與分析

3.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

影響篩分效果的主要因素有旋轉(zhuǎn)篩筒轉(zhuǎn)速、篩筒傾角、篩筒長度以及風(fēng)管出口風(fēng)速和喂入量，其中篩筒長度為不可調(diào)因素，通過預(yù)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)滾筒傾角對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響不明顯，為得到最佳的篩分效果與裝置工作參數(shù)之間的關(guān)系，選擇旋轉(zhuǎn)篩筒轉(zhuǎn)速、風(fēng)管出口風(fēng)速及喂入量為試驗(yàn)因素，以膜中含雜率和雜中含膜率為試驗(yàn)指標(biāo)，確定影響廢舊地膜與棉秸稈根茬等雜質(zhì)分離的主次因素，通過正交試驗(yàn)確定最優(yōu)參數(shù)組合，并將最優(yōu)組合帶入實(shí)際生產(chǎn)中，進(jìn)行驗(yàn)證。

3.2 試驗(yàn)條件

2016年10月15日，在新疆巴州尉犁縣，選擇收獲后的棉花地，采用地膜回收機(jī)將廢舊地膜連同秸稈、根茬、土壤的混合物集堆裝箱，通過取樣，手工挑選出混合物料中各種成分，測定各種成分所占質(zhì)量百分比，運(yùn)用SPSS軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，混合物料中地膜約占17%（未清洗），秸稈占31%，棉葉、根茬、棉鈴殼占6%，砂土占46%。

廢舊地膜混合物料主要由長條狀的地膜與根須狀的秸稈根茬纏繞在一起，分離難度大，因此必須將原始物料剪切破碎處理，試驗(yàn)前先將物料投入剪切式物料粉碎機(jī)，進(jìn)行剪切破碎，將長條狀的廢舊地膜破碎成塊狀，將秸稈破碎成小段，破碎長度為40～60 mm。將試驗(yàn)樣機(jī)安裝并調(diào)試到正常工作狀態(tài)。對(duì)混合物料取樣，采用SH-20A水分快速測定儀（生產(chǎn)廠家：上海菁華科技儀器有限公司，稱量可讀性0.001 g，水分可讀性0.01%，溫控精度±1°）測定含水率；采用AS836手持風(fēng)速儀測風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口的風(fēng)速（生產(chǎn)廠家：深圳聚茂源科技有限公司，風(fēng)速測定范圍：0～45 m/s，精度：±3%），采用的其他儀器有：SE-2500非接觸式轉(zhuǎn)速儀（生產(chǎn)廠家：東莞市塘廈瑞泰儀器廠，測量范圍：1～19 999 r/min，精度0.05%±1）、0～100 kg電子秤（生產(chǎn)廠家：上海先悅機(jī)電有限公司，精度：10 g）、0～1 kg電子天平（生產(chǎn)廠家：上海先悅機(jī)電有限公司，精度：0.1 g）。

3.3 試驗(yàn)方案

選擇旋旋轉(zhuǎn)篩筒轉(zhuǎn)速、風(fēng)管出口風(fēng)速及物料喂入量三因素作為研究對(duì)象，進(jìn)行正交試驗(yàn)。根據(jù)前期基礎(chǔ)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，旋轉(zhuǎn)篩筒轉(zhuǎn)速分別取30、40和50 r/min；風(fēng)管出口風(fēng)速分別取15、20和25 m/s；物料喂入量分別取200、250和300 kg/h。試驗(yàn)后統(tǒng)計(jì)分離后物料的膜中含雜率，記為1；雜中含膜率記為2。

3.4 結(jié)果與分析

采用正交表L9（34）來安排試驗(yàn)，排除其他因素的干擾，確定機(jī)具最佳工作參數(shù)[33]，因素水平表如表1所示，試驗(yàn)方案及結(jié)果及極差分析如表2所示。

表1 試驗(yàn)與因素水平

表2 試驗(yàn)方案及結(jié)果

根據(jù)表2所示的極差分析結(jié)果可以看出，影響膜中含雜率的主次順序?yàn)?>，即物料喂入量>旋轉(zhuǎn)篩筒轉(zhuǎn)速>風(fēng)管出口風(fēng)速，分析所得最優(yōu)處理組合為112；同理得出影響雜中含膜率因素的主次順序>>，即旋轉(zhuǎn)篩筒轉(zhuǎn)速>風(fēng)管出口風(fēng)速﹥即物料喂入量，分析可得最優(yōu)處理組合為132。3種試驗(yàn)因素對(duì)滾筒篩式廢舊地膜雜質(zhì)分選裝置分離效果總體影響趨勢如下：

1）旋轉(zhuǎn)篩筒轉(zhuǎn)速由30 增加到50 r/min時(shí)，膜中含雜率增大，雜中含膜率急劇上升；原因是旋轉(zhuǎn)篩筒轉(zhuǎn)速提高，導(dǎo)致物料在篩筒中停留時(shí)間縮短，單位時(shí)間內(nèi)旋轉(zhuǎn)篩筒物料填充系數(shù)減小，部分混合物料尚未完全分離即從雜質(zhì)排出口排出，地膜出料口排出的廢舊地膜總量減少，分離效果降低。

2）風(fēng)管出口風(fēng)速由15增加到25 m/s時(shí)，膜中含雜率上升，雜中含膜率下降。原因是風(fēng)速過大使密度較大的棉秸稈、根茬在篩筒中的水平運(yùn)動(dòng)距離增大，使其從地膜排出口排出，增大膜中含雜率。由于風(fēng)管出口風(fēng)速較大，大部分地膜被吹向篩筒末端，因此雜中含膜率下降。

3）物料喂入量由200增加到300 kg/h時(shí)，膜中含雜率呈上升趨勢，原因是單位時(shí)間內(nèi)旋轉(zhuǎn)篩筒混合物料填充系數(shù)較大，導(dǎo)致螺旋葉片不能有效地將物料帶起，部分物料堆積在篩筒底部，風(fēng)機(jī)起不到吹送作用，物料在螺旋葉片及風(fēng)機(jī)的作用下相互擠壓運(yùn)動(dòng)，大部分混合物料從秸稈根茬出料口排出，被擠到篩筒末端的物料從地膜出口排出。物料喂入量由200增加到300 kg/h雜中含膜率變化不大，原因是地膜與秸稈根茬未進(jìn)行有效的分離就從秸稈根茬出料口排出，由于地膜密度小，在計(jì)算雜中含膜率時(shí)地膜占混合物料總質(zhì)量的比重較小，因此雜中含膜率變化不大。

通過以上分析得出各試驗(yàn)因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)影響的最優(yōu)組合，再通過方差分析，分別對(duì)影響滾筒篩式廢舊地膜雜質(zhì)風(fēng)選裝置膜中含雜率和雜中含膜率各因素進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，結(jié)果見表3所示。

表3 膜中含雜率及雜中含膜率方差分析

注：*表示顯著相關(guān)（<0.05），**表示極顯著相關(guān)（<0.01）

Note:* represents significant correlation (<0.05); ** represents highly significant correlation (<0.01)

膜中含雜率方差分析結(jié)果表明，旋轉(zhuǎn)篩筒轉(zhuǎn)速和物料喂入量對(duì)膜中含雜率影響極顯著，而風(fēng)管出口風(fēng)速對(duì)膜中含雜率影響也是顯著的。同理從雜中含膜率方差分析結(jié)果可知，旋轉(zhuǎn)篩筒轉(zhuǎn)速和風(fēng)管出口風(fēng)速對(duì)雜中含膜率的影響極顯著，物料喂入量對(duì)雜中含膜率的影響顯著。

對(duì)以上試驗(yàn)結(jié)果采用綜合平衡法，考慮到回收后廢舊地膜需再利用，因此優(yōu)先將膜中含雜率作為主要評(píng)價(jià)指標(biāo)，分析得到最優(yōu)的組合方案為112，即旋轉(zhuǎn)篩筒轉(zhuǎn)速為30 r/min，風(fēng)管出口風(fēng)速15 m/s，喂入量為250 kg/h，試驗(yàn)后膜中含雜率和雜中含膜率作業(yè)效果最佳。

3.5 對(duì)比驗(yàn)證試驗(yàn)

通過正交試驗(yàn)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析得出旋轉(zhuǎn)篩筒轉(zhuǎn)速和風(fēng)管出口風(fēng)速選擇因素水平中的低臨界值即旋轉(zhuǎn)篩筒轉(zhuǎn)速為30 r/min，風(fēng)管出口風(fēng)速15 m/s，喂入量為250 kg/h，試驗(yàn)后膜中含雜率和雜中含膜率作業(yè)效果最佳。由于旋轉(zhuǎn)篩筒轉(zhuǎn)速和風(fēng)管出口風(fēng)速為臨界值，考慮到可能存在比最低臨界值更好的因素水平，因此增加2組對(duì)比試驗(yàn)。分別選擇旋轉(zhuǎn)篩筒轉(zhuǎn)速為20、25 r/min，出口風(fēng)速10、12.5 m/s與旋轉(zhuǎn)篩筒轉(zhuǎn)速為30 r/min，風(fēng)管出口風(fēng)速15 m/s進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，喂入量均為250 kg/h，對(duì)比驗(yàn)證試驗(yàn)實(shí)際作業(yè)情況見圖6，試驗(yàn)后測定膜中含雜率、雜中含膜率和廢舊地膜產(chǎn)量，對(duì)比分析試驗(yàn)結(jié)果，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表4。

通過表4對(duì)比驗(yàn)證試驗(yàn)可以看出，對(duì)比試驗(yàn)1和對(duì)比試驗(yàn)2試驗(yàn)后的膜中含雜率比臨界值試驗(yàn)后的膜中含雜率有所降低，雜中含膜率上升較快，尤其是單位時(shí)間內(nèi)的廢舊地膜產(chǎn)量急劇下降。其主要原因是風(fēng)管出口風(fēng)速小，不足以將棉秸稈、根茬吹到旋轉(zhuǎn)篩筒末端，而是通過旋轉(zhuǎn)篩筒前段的螺旋葉片輸送到秸稈根茬出料口，因此膜中含雜率稍有降低。當(dāng)風(fēng)管出口風(fēng)速降低到10 m/s時(shí)，部分廢舊地膜也未能吹被送到旋轉(zhuǎn)篩筒末端，而是纏繞在棉秸稈和根茬上，由旋轉(zhuǎn)篩筒前段的螺旋葉片輸送到秸稈根茬出料口，因此雜中含膜率上升。由于部分廢舊地膜和棉秸稈、根茬纏繞在一起從秸稈根茬出料口排出，因此廢舊地膜產(chǎn)量急劇下降。

表4 對(duì)比驗(yàn)證試驗(yàn)

注：臨界值為旋轉(zhuǎn)篩筒轉(zhuǎn)速為30 r·min-1，風(fēng)管出口風(fēng)速15 m·s-1；對(duì)比值1為篩筒轉(zhuǎn)速為25 r·min-1，風(fēng)管出口風(fēng)速12.5 m·s-1；對(duì)比值2為篩筒轉(zhuǎn)速為20 r·min-1，風(fēng)管出口風(fēng)速10 m·s-1。

Note: Critical value :Rotating sieve cylinder speed was 30 r·min-1, and outlet velocity of wind pipe was 15 m·s-1. Contrast value 1: Rotating sieve cylinder speed was 25 r·min-1, and outlet velocity of wind pipe was 12.5 m·s-1. Contrast value 2: Rotating sieve cylinder speed was 20 r·min-1, and outlet velocity of wind pipe was 10 m·s-1.

通過對(duì)比驗(yàn)證試驗(yàn)可知組合方案112，即旋轉(zhuǎn)篩筒轉(zhuǎn)速為30 r/min，風(fēng)管出口風(fēng)速15 m/s，喂入量為250 kg/h為最優(yōu)參數(shù)，試驗(yàn)后所得的膜中含雜率、雜中含膜率及廢舊地膜產(chǎn)量明顯比對(duì)比試驗(yàn)及其他參數(shù)組合下的作業(yè)效果好，分離后的廢舊地膜膜中含雜率為13.71%，雜中含膜率為0.133%，廢舊地膜產(chǎn)量可達(dá)35.8 kg/h。

4 結(jié)論與討論

1）本文研制了一種滾筒篩式廢舊地膜雜質(zhì)分選裝置，可實(shí)現(xiàn)廢舊地膜與棉秸稈、根茬等雜質(zhì)的有效分離，填補(bǔ)了目前國內(nèi)在該領(lǐng)域的空白，減少了回收來的廢舊地膜對(duì)環(huán)境造成的二次污染，提高了廢舊地膜的利用率。

2）通過正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)和分析確定了最優(yōu)參數(shù)組合方案：旋轉(zhuǎn)篩筒轉(zhuǎn)速為30 r/min，風(fēng)管出口風(fēng)速為15 m/s，喂入量為250 kg/h。驗(yàn)證試驗(yàn)表明，該機(jī)在旋轉(zhuǎn)篩筒轉(zhuǎn)速為30 r/min，風(fēng)管出口風(fēng)速15 m/s，喂入量為250 kg/h時(shí)，作業(yè)效果最佳，分離后的廢舊地膜膜中含雜率為13.71%，雜中含膜率為0.133%，廢舊地膜產(chǎn)量達(dá)35.8 kg/h。

廢舊地膜分離綜合利用屬環(huán)保領(lǐng)域，社會(huì)效益高而經(jīng)濟(jì)效益低，機(jī)具的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)效率較低而功耗較高，需要在這方面進(jìn)一步改進(jìn)。

[1] 嚴(yán)昌榮，梅旭榮，何文清，等.農(nóng)用地膜殘留污染的現(xiàn)狀與防治[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2006，22(11)：269－272.

Yan Changrong, Mei Xurong, He Wenqing, et al. Presentsituation of residue pollution of plastic filming plastic filmand controlling measures[J]. Transactions of the ChineseSociety of Agricultural Engineering (Transactions of theCSAE), 2006, 22(11): 269－272. (in Chinese with Englishabstract)

[2] 嚴(yán)昌榮，劉恩科，舒帆，等. 我國地膜覆蓋和殘留污染特點(diǎn)與防控技術(shù)[J]. 農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境學(xué)報(bào)，2014，31(2)：95－102.

Yan Changrong, Liu Enke, Shu Fan, et al.Review of agricultural plastic mulching and its residual pollution and prevention measures in China[J]. Journal of Agro-Environment Science, 2014, 31(2): 95－102. (in Chinese with English abstract)

[3] 薛穎昊，曹肆林，徐志宇，等. 地膜殘留污染防控技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J]. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2017，36(8)：1595－1600.

Xue Yinghao, Cao Silin, Xu Zhiyu, et al. Status and trends in application of technology to prevent plastic film residual pollution[J]. Journal of Agro-Environment Science, 2017, 36(8): 1595－1600. (in Chinese with English abstract)

[4] 石鑫，牛長河，喬園園，等. 塑料垃圾分選技術(shù)在廢舊地膜與雜質(zhì)分離中的應(yīng)用研究進(jìn)展[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2016，32(增刊2)：22－31.

Shi Xin, Niu Changhe, Qiao Yuanyuan, et al. Discussion on application of plastic waste sorting technology in separating waste plastic film from trash[J]. Transactions of the ChineseSociety of Agricultural Engineering (Transactions of theCSAE), 2016, 32(Supp.2): 22－31. (in Chinese with Englishabstract)

[5] 中國農(nóng)業(yè)統(tǒng)計(jì)資料2015. 農(nóng)業(yè)出版社[M].中華人民共和國農(nóng)業(yè)部編，2016.

[6] 董合干，劉彤，李勇冠.新疆棉田地膜殘留對(duì)棉花產(chǎn)量及土壤理化性質(zhì)的影響[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2013，29(8)：91－99.

Dong Hegan, Liu Tong, Li Yongguan, et al. Effects of plasticfilm residue on cotton yield and soil physical and chemicalproperties in Xinjiang[J]. Transactions of the Chinese Societyof Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE), 2013,29(8): 91－99. (in Chinese with English abstract)

[7] 王鵬，曹衛(wèi)彬，張振國.新疆建設(shè)兵團(tuán)地膜殘留特點(diǎn)的研究[J].農(nóng)機(jī)化研究，2012，34(8)：107－110，115.

Wang Peng, Cao Weibin, Zhang Zhenguo.Research thecharacteristics of mulch residue of Xinjiang production andconstruction group[J].Transactions of the Journal ofAgricultural Mechanization Research, 2012，34(8):107－110,115. (in Chinese with English abstract)

[8] 李斌，王吉奎，蔣蓓. 新疆棉區(qū)殘膜污染及其治理技術(shù)[J].農(nóng)機(jī)化研究，2012，34(5)：228－232.

Li Bin, Wang Jikui, Jiang Bei. The plastic film pollution andtreatment technology in Xinjiang cotton area[J]. Journal ofAgricultural Mechanization Research, 2012,34(5): 228－232. (inChinese with English abstract)

[9] 周明冬，秦曉輝，侯洪，等.新疆農(nóng)田廢舊地膜污染治理現(xiàn)狀及建議[J].環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展，2014(5)：171－174.

Zhou Mingdong,Qin Xiaohui,Hou Hong,et al. Policy and present situation of pollution treatment of recycled plastic film in agricultural fields in Xinjiang[J]. Environment and Sustainability, 2014(5): 171－174.(in Chinese with Englishabstract)

[10] 何文清，嚴(yán)昌榮，劉爽，等.典型棉區(qū)地膜應(yīng)用及污染現(xiàn)狀的研究[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2009，28(8)：1618－1622.

He Wenqing, Yan Changrong, Liu Shuang,et al.The use ofplastic film in typical cotton planting regions and theassociated environment pollution[J]. Journal of Agro-Environment Science, 2009, 28(8): 1618－1622. (in Chinesewith English abstract)

[11] 梁志宏，王勇.我國農(nóng)田地膜殘留危害及防治研究綜述[J].中國棉花，2012，39(1)：3－8.

Liang Zhihong,Wang Yong.Research summary of damageand control of the remainder of plastic film in farmland inChina[J]. Transactions of the China Cotton,2012, 39(1): 3－8.(in Chinese with English abstract)

[12] 葉邦興，唐海明，湯小明，等.中國農(nóng)田污染的現(xiàn)狀及防治對(duì)策初探[J].中國農(nóng)學(xué)通報(bào)，2010，26(7)：295－298.

Ye Bangxing,Tang Haiming,Tang Xiaoming, et al. Statusand prevention measurements of farmland pollution inChina[J]. Chinese Agricultural Science Bulletin, 2010,26(7):295－298. (in Chinese with English abstract)

[13] 吳巖，杜立宇，高明和，等.農(nóng)業(yè)面源污染現(xiàn)狀及其防治措施[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境與發(fā)展，2011(1)：64－67.

Wu Yan,Du Liyu,Gao Minghe,et al. Agricultural pollutionand its prevention and control measures[J].Agricultural Environment and Development, 2011(1): 64－67.(in Chinesewith English abstract)

[14] 王頻. 殘膜污染治理的對(duì)策和措施[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，1998，14(3)：190－193.

Wang Pin. Countermeasures and measures for the treatmentof residual membrane pollution[J]. Transactions of the ChineseSociety of Agricultural Engineering (Transactions of theCSAE),1998,14(3):190－193.(inChinese with English abstract)

[15] 尹昌斌，周穎，劉利花. 我國循環(huán)農(nóng)業(yè)發(fā)展理論與實(shí)踐[J].中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2013，21(1)：47－53.

Yin Changbin, Zhou Ying, Liu Lihua. Theory and practice ofrecycle agriculture in China[J].Chinese Journal ofEco-Agriculture, 2013,21(1):47－53.(in Chinese with Englishabstract)

[16] Brooks R W. Apparatus for removing and baling plastic mulch: 5452652[P]. 1995-12-31.

[17] Brooks R W. Apparatus for recycling previously used agricultural plastic film mulch: 5635224[P].1997-08-26.

[18] Parish R L. An automated machine for remove of plastic mulch[J]. Transactions of ASAE, 1999, 42(1): 49－51.

[19] 薛振彥. 殘膜機(jī)械化回收與造粒再生利用試驗(yàn)示范[J]. 農(nóng)機(jī)科技推廣，2015(11)：34－36.

Xue Zhenyan. Test and demonstration of mechanical recycling of waste film and granulation[J]. Agriculture Machinery Technology Extension, 2015(11): 34－36. (inChinese with English abstract)

[20] 張峰. 廢舊地膜回收利用技術(shù)的應(yīng)用[J]. 中國資源綜合利用，2013(5)：36－38.

Zhang Feng. Application of recycling technology of waste plastic film[J]. China Resources Comprehensive Utilization, 2013(5): 36－38. (in Chinese with English abstract)

[21] 馬芳，劉玉琴. 殘膜機(jī)械化回收與造粒加工再生利用的試驗(yàn)示范[J]. 養(yǎng)殖技術(shù)顧問，2013(2)：219.

Ma Fang, Liu Yuqing. Test and demonstration of mechanical recovery of waste film and recycling of granulation[J]. Technical Advisor for Animal Husbandry, 2013(2): 219. (in Chinese with English abstract)

[22] 陳今朝，宋強(qiáng). 風(fēng)力分選垃圾技術(shù)的探討[J]. 中國資源綜合利用，2009(3)：25－27.

Chen Jinzhao, Song Qiang. Discussion on the technology of separating garbage by wind power[J].Comprehensive Utilization of Resources in China, 2009(3): 25－27. (in Chinese with English abstract)

[23] 張林海，薛黨勤，馬世榜，等. 農(nóng)作物秸稈物料雜質(zhì)及滾筒篩分研究[J]. 太陽能學(xué)報(bào)，2014，35(3)：433－438.

Zhang Hailin, Xue Dangqin, Ma Shibang, et al. Study on the trash and drum screening of crop straw[J]. Journal of Solar Energy, 2014, 35(3): 433－438. (in Chinese with English abstract)

[24] 劉紅，楊先海，黃朋濤，等. 廢舊塑料薄膜混合物風(fēng)選參數(shù)研究[J]. 山東理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2012，26(3)：60－63.

Liu Hong, Yang Xianhai, Huang Pengtao,et al. Study on the mixture parameters of winnowing waste plastics film[J]. Journal of Shandong University of Technology: Natural Science Edition, 2012, 26(3): 60－63. (in Chinese with English abstract)

[25] 楊先海，呂傳毅. 塑料優(yōu)化分選設(shè)備風(fēng)選運(yùn)動(dòng)特性分析和試驗(yàn)[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2007，43(2)：132－135.

Yang Xianhai, Lü Chuanyi. Optimization analysis and test of sorting equipment for plastic winnowing[J]. Chinese Journal of Mechanical Engineering, 2007, 43(2): 132－135. (in Chinese with English abstract)

[26] 李春花，楊先海，徐鵬. 廢塑料薄膜在分選室中運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)研究[J]. 機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2013，32(5)：744－750.

Li Chunhua, Yang Xianhai, Xu Peng. Kinetic study of waste plastic film in separation chamber[J]. Mechanical Science and Technology, 2013, 32(5): 744－750. (in Chinese with English abstract)

[27] 付王瑩. 城市生活垃圾塑料分選技術(shù)及設(shè)備研究[D]. 淄博：山東理工大學(xué)，2004.

Fu Wangying. Research on Plastic Separation Technology and Equipment of Municipal Solid Waste[D].Zibo:Shandong University of Technology,2004. (in Chinese with English abstract)

[28] 李兵. 生活垃圾深度分選及設(shè)備優(yōu)化組合技術(shù)研究[D]. 上海：同濟(jì)大學(xué)，2006.

Li Bing. Integrated Mechanical Separation and Parameter Optimization for Municipal Solid Wastes[D]. Shanghai: Tongji University, 2006. (in Chinese with English abstract)

[29] 李兵. 城市生活垃圾滾筒篩分選特性研究[J]. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2011，31(10)：2268－2274.

Li Bing. Study on the separation characteristics of drum screen for municipal solid waste[J]. Journal of Environmental Science, 2011, 31(10): 2268－2274. (in Chinese with English abstract)

[30] 唐紅俠，趙由才. 滾筒篩篩分生活垃圾的理論研究[J]. 環(huán)境工程學(xué)報(bào)，2007(12)：124－127.

Tang Hongxia, Zhao Youcai. Study on the screening of domestic waste by roller screen[J]. Journal of Environmental Engineering, 2007(12): 124－127. (in Chinese with English abstract)

[31] 郭文松，坎雜，張若宇，等. 網(wǎng)狀滾筒式籽棉殘膜分離機(jī)物料特性分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2011，27(增刊2)：1－5.

Guo Wensong, Kan Za, Zhang Ruoyu, et al. Analysis of material character based on mesh roller-type cotton and film remnant separator[J]. Transactions of the ChineseSociety of Agricultural Engineering (Transactions of theCSAE), 2011, 27(Supp.2): 1－5. (in Chinese with English abstract)

[32] 陳志. 農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M]. 北京：中國農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)出版社，2007.

[33] 李云雁，胡傳榮. 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2011：134.

Design of roller sieve waste plastic film and trash winnowing machine

Shi Xin, Niu Changhe※, Wang Xuenong, Zhang Haichun, Yang Huimin

(1.,,830091,; 2.830091)

Plastic film mulching technique has been used widely in China because of its notable benefits such as raising soil temperature, inhibiting weed growth, promoting crop maturity and increasing production, especially in the field of cotton cultivation, almost all of them used plastic film mulching technique in XinJiang. Recycled waste plastic film and cotton straw, stubble and other trash were difficult to separate, this problem caused difficulty in reutilization of waste plastic film. A large number of recycled waste plastic films were buried or burned randomly in field which lead to secondary environment pollution. In order to separate the waste plastic film from cotton straw, stubble and other trash, realize recycling of waste plastic film and solve the problem of environment pollution results from waste plastic film at source. The movement state and trajectory of cotton straw, stubble and plastic film were simulated through building of wind field device, and suspension velocity of cotton straw, stubble and plastic film were measured in wind field. The mathematical model of separation conditions was established through analysis of stress condition of different materials in wind field and law of settling of different materials in air medium. High speed dynamic camera was used to observe the movement of the material in the wind field, the feasibility of the principle was verified. Based on results of researches above, a type of roller sieve waste plastic film and trash winnowing machine was designed. In this paper, the overall structure and working principle of the machine were introduced, the structure and size parameters of the key components of rotating sieve cylinder and the helix in rotating sieve cylinder were determined. In order to determine the relationship between the best separation effect with rotating sieve cylinder speed, the outlet velocity of wind pipe, and the material feed quantity, an orthogonal test with rotating sieve cylinder speed, the outlet velocity of wind pipe, and the material feed quantity as the experimental factors were carried out, the raw material composition after mechanical harvesting was analyzed as test condition. Primary and secondary order of plastic film rate in trash and rate of trash in plastic film were confirmed through analysis of test results. Reasons of change were analyzed, and significance tests were done for factors of plastic film rate in trash and rate of trash in plastic film. Finally, the optimal parameter combination was determined. The results proved that when the rotating sieve cylinder speed was 30 r/min, the outlet velocity of wind pipe was 15 m/s, and the material feed quantity was 250 kg/h, the operation effect was best, the rate of trash in plastic film was the least, the plastic film rate in trash was minimum, the waste plastic film production was maximum. The machine was adjusted to the best working parameters for conducting production test and verifying the foregoing conclusion. The results showed that all indexes were met the design requirements, the rate of trash in plastic film was 13.71%, the plastic film rate in trash was 0.133%, the production of waste plastic film upped to 35.8 kg/h after separating. In summary, we designed roller sieve waste plastic film and trash winnowing machine, it can realized separation of waste plastic film from cotton straw, stubble and other trash effectively. This research fills gaps in this area in China. The secondary pollution causes by waste plastic film recycling can be reduced if the machined used, the utilization rate of waste plastic film can be improved greatly.

mechanization; design; roller sieve; waste plastic film; separator; experiment

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.18.003

S223.5

A

1002-6819(2017)-18-0019-08

2017-02-13

2017-08-05

新疆農(nóng)機(jī)新技術(shù)新機(jī)具項(xiàng)目（Xnj2015007）；烏魯木齊市科技局科技攻關(guān)項(xiàng)目（G151010002）

石 鑫，漢族，新疆 烏魯木齊人，助理研究員，主要從事循環(huán)農(nóng)業(yè)技術(shù)與裝備的研究。Email：18999111523@189.cn

牛長河，漢族，新疆 烏魯木齊人，副研究員，主要從事農(nóng)業(yè)機(jī)械化技術(shù)與裝備的研究。Email：15999133007@139.com