顧 滿,胡志超,游兆延,徐弘博,姬廣碩,吳 努

(1.南通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,江蘇 南通 226019;2.農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所,南京 210014)

0 引言

農(nóng)作物覆膜技術(shù)在引入我國后得到了廣泛推廣與大面積使用。北方地區(qū)氣候干燥多嚴(yán)寒,是覆膜技術(shù)的推廣使用區(qū),也是受殘膜污染影響最大的區(qū)域,殘膜造成嚴(yán)重的白色污染污染周邊環(huán)境,滯留田間污染土地影響作物生長[1-3]。采用人工回收殘膜成本高、效率低,而可降解膜、一膜多用、替代覆膜等技術(shù)受制于成本、技術(shù)及適應(yīng)范圍等因素還無法得到大規(guī)模推廣,目前殘膜回收的主要途徑仍以機(jī)械化回收為主[4-6]。

目前,國內(nèi)使用塑料薄膜厚度在0.008mm以下,主要收回期為作物收獲以后,地膜破損嚴(yán)重,且大部分地膜在地表以下,為殘膜回收帶來一定的困難。國內(nèi)殘膜回收機(jī)械的類型主要有桿齒式、齒鏈?zhǔn)健馕郊搬槾淌降?沙土地為我國主要土地類型,而網(wǎng)鏈?zhǔn)綒埬せ厥諜C(jī)在沙土地地區(qū)具有良好的作業(yè)效果,且對(duì)深層薄膜有良好的回收效果,應(yīng)用前景廣泛[7]。

為此,以本單位所研制的1MSWL-165型網(wǎng)鏈?zhǔn)綒埬せ厥諜C(jī)為研究對(duì)象,對(duì)直線型二級(jí)網(wǎng)鏈結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),優(yōu)化結(jié)果為三拐點(diǎn)式二級(jí)網(wǎng)鏈結(jié)構(gòu)進(jìn)行膜土膜土輸送與分離。同時(shí),分析兩種機(jī)構(gòu)作業(yè)方式及原理,并進(jìn)行兩種機(jī)型的田間對(duì)比試驗(yàn),為網(wǎng)鏈?zhǔn)綒埬せ厥諜C(jī)進(jìn)一步改進(jìn)和優(yōu)化提供依據(jù)。

1 網(wǎng)鏈?zhǔn)綒埬せ厥諜C(jī)

1MSWL-165網(wǎng)鏈?zhǔn)綒埬せ厥諜C(jī)主要由起膜鏟、碎土輥、二級(jí)網(wǎng)鏈輸膜機(jī)構(gòu)及集膜箱組成,如圖1所示。其中,以二級(jí)網(wǎng)鏈輸膜機(jī)構(gòu)為主體完成膜土輸送與分離,網(wǎng)鏈由鏈桿和鋼絲網(wǎng)組合而成。前期研究表明：其殘膜輸送效果極大增加,在網(wǎng)鏈輸送過程中通過三重作用增強(qiáng)了膜土分離效果：碎土輥與網(wǎng)鏈結(jié)構(gòu)配合作用實(shí)現(xiàn)大土塊碾壓破碎使土壤漏過增加了去土效果;抖土裝置與網(wǎng)鏈結(jié)構(gòu)作用增強(qiáng)了網(wǎng)鏈表面振動(dòng),增加膜土分離效果;大傾角二級(jí)網(wǎng)鏈結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)土塊沿第2級(jí)網(wǎng)鏈表面滾落,進(jìn)一步增強(qiáng)了去土效果。

殘膜輸送與分離是網(wǎng)鏈?zhǔn)綒埬せ厥諜C(jī)作業(yè)過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[8],影響其作業(yè)效果的主要原因是：膜土混合物在第1級(jí)網(wǎng)鏈輸送時(shí)抖動(dòng)不徹底造成膜土混合物無法有效分離,土塊沿第一級(jí)網(wǎng)鏈拋出后沒有沿第2級(jí)網(wǎng)鏈表面及時(shí)滾落而被收集進(jìn)集膜箱中,長殘膜碎片在網(wǎng)鏈末端存在回帶影響收膜效果。為此,對(duì)1MSWL-165型網(wǎng)鏈?zhǔn)綒埬せ厥諜C(jī)進(jìn)行改進(jìn),得到1MSWL-165A型殘膜回收機(jī)圖,如圖2所示。

1.變速箱 2.懸掛架 3.機(jī)架 4.傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 5.第1級(jí)網(wǎng)鏈 6.第2級(jí)網(wǎng)鏈 7.集膜箱 8.液壓推桿 9.地輪 10.擋板 11.碎土輥 12.起膜鏟圖2 1MSLM-165A型網(wǎng)鏈?zhǔn)綒埬せ厥諜C(jī)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structural diagram of 1MSWL-165 typed network chain type residual plastic film collector

2 膜土輸分機(jī)構(gòu)優(yōu)化

在前期設(shè)計(jì)中,輸膜機(jī)構(gòu)采用直線型二級(jí)網(wǎng)鏈結(jié)構(gòu),主要由二級(jí)網(wǎng)鏈及雙作用激振裝置組成。工作時(shí),網(wǎng)鏈起膜鏟起膜后,殘膜和土塊沿網(wǎng)鏈表面?zhèn)鲃?dòng),通過雙作用激振裝置使網(wǎng)鏈表面振動(dòng)達(dá)到膜土分離,雙作用激振裝置由驅(qū)動(dòng)輪帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)軸完成振動(dòng)。前期研究中,通過ADAMS仿真等方法確定激振裝置振幅25mm。雙作用激振裝置存在易磨損及振動(dòng)周期長等缺點(diǎn),同時(shí)直線型網(wǎng)鏈結(jié)構(gòu)存在殘膜回帶、第1級(jí)網(wǎng)鏈拋出土塊難以滾落等問題。為解決以上問題,優(yōu)化膜土輸分機(jī)構(gòu)為三拐點(diǎn)式二級(jí)網(wǎng)鏈結(jié)構(gòu),以提高膜土輸送與分離效果。

三拐點(diǎn)式二級(jí)網(wǎng)鏈結(jié)構(gòu)如圖3所示。直線式二級(jí)網(wǎng)鏈結(jié)構(gòu)保留了大傾角二級(jí)網(wǎng)鏈結(jié)構(gòu)及碎土輥等裝置,兩級(jí)網(wǎng)鏈均配置成三拐點(diǎn)形式,第1級(jí)網(wǎng)鏈固定,第2級(jí)網(wǎng)鏈設(shè)置橫向調(diào)節(jié)裝置和縱向調(diào)節(jié)裝置調(diào)節(jié)網(wǎng)鏈傾角。

1.起膜鏟 2.變速箱 3.傳送系統(tǒng) 4.橫向調(diào)節(jié)裝置 5.第2級(jí)拐點(diǎn)機(jī)構(gòu)支撐軸 6.縱向調(diào)節(jié)裝置 7.第1級(jí)拐點(diǎn)機(jī)構(gòu)支撐軸 8.抖土輥圖3 三拐點(diǎn)式二級(jí)網(wǎng)鏈結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structural diagram of two-stage network chain with three inflexions

網(wǎng)鏈?zhǔn)綒埬せ厥諜C(jī)在輸膜過程中采用網(wǎng)鏈與鏈桿結(jié)構(gòu)組合的配置形式,殘膜支撐度與輸送效果良好,對(duì)土壤有良好的透過效果。其主要通過3方面增強(qiáng)殘膜輸送及膜土分離效果：①減少殘膜在輸膜過程中殘膜與圓弧段依附長度;②減小隨第一級(jí)網(wǎng)鏈拋出的土塊在第二級(jí)網(wǎng)鏈表面的減速距離,避免土塊與殘膜作用而嵌入網(wǎng)孔;③增加抖土裝置的抖土頻率。

2.1 降低殘膜依附長度

1MSWL-165型網(wǎng)鏈?zhǔn)綒埬せ厥諜C(jī)采用大升角二級(jí)網(wǎng)鏈結(jié)構(gòu),膜土混合物經(jīng)第1級(jí)網(wǎng)鏈抖土分離后,殘膜、碎土壤和土塊被拋出到第2級(jí)升運(yùn)網(wǎng)鏈,在二級(jí)升運(yùn)網(wǎng)鏈表面殘膜與碎土壤為靜摩擦;殘膜隨二級(jí)網(wǎng)鏈向上運(yùn)輸,碎土壤在網(wǎng)鏈表面運(yùn)輸過程中進(jìn)一步漏下,土塊為滾動(dòng)摩擦,沿二級(jí)網(wǎng)鏈表面滾落[0-11]。在前期研究中,較長的殘膜碎片在前部分脫離網(wǎng)鏈末端時(shí)后部分仍在網(wǎng)鏈上,導(dǎo)致前部分殘膜重新吸附在網(wǎng)鏈表面圓弧段,亦或是在殘膜經(jīng)過圓弧段時(shí)嵌入網(wǎng)鏈內(nèi)側(cè)形成回帶。采用兩種形式網(wǎng)鏈結(jié)構(gòu)殘膜回帶示意圖,如圖4所示。

圖4 殘膜回帶示意圖Fig.4 Diagram of returned film

采用三拐點(diǎn)式二級(jí)網(wǎng)鏈結(jié)構(gòu),圓弧段依附距離為

(1)

直線式網(wǎng)鏈結(jié)構(gòu),圓弧段依附距離為

(2)

其中,r1、r2分別為三拐點(diǎn)式網(wǎng)鏈結(jié)構(gòu)與直線式網(wǎng)鏈結(jié)構(gòu)網(wǎng)鏈末端傳動(dòng)輪半徑;α1為第1級(jí)網(wǎng)鏈升運(yùn)角(rad);β1為第1級(jí)網(wǎng)鏈下傾方向與水平面夾角(rad)。在網(wǎng)鏈傳動(dòng)軸之間存在抖土裝置,有r2>r1,由式(1)、式(2)分析可知：S1

2.2 減小拋出土塊的減速距離

第2級(jí)網(wǎng)鏈對(duì)大土塊分離起關(guān)鍵作用,在二級(jí)升運(yùn)網(wǎng)鏈表面土塊為滾動(dòng)摩擦,沿二級(jí)網(wǎng)鏈表面滾落[12-14]。設(shè)殘膜及土塊以第1級(jí)網(wǎng)鏈線速度拋出后落在二級(jí)網(wǎng)鏈上,土塊受重力影響,在網(wǎng)鏈表面先減速隨后滾落,采用二級(jí)網(wǎng)鏈結(jié)構(gòu)。對(duì)土塊進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析,如圖5所示。

設(shè)土塊拋出第1級(jí)網(wǎng)鏈后無速度變化,在第2級(jí)網(wǎng)鏈表面,將土塊運(yùn)動(dòng)速度v1沿二級(jí)網(wǎng)鏈升運(yùn)方向分解,設(shè)其落在二級(jí)網(wǎng)鏈上初始速度v0,則有

v0=v1cos(β1+α2)

(3)

其中,β1為一級(jí)升運(yùn)鏈降運(yùn)角(°),β1=8°;α2為二級(jí)升運(yùn)鏈升運(yùn)角(°),α2=35°。

殘膜為滑動(dòng)摩擦,土塊為滾動(dòng)摩擦,殘膜隨網(wǎng)鏈向上運(yùn)動(dòng),土塊沿網(wǎng)鏈表面反向加速后沿網(wǎng)鏈表面滾落,則有

(4)

其中,s為土塊沿二級(jí)網(wǎng)鏈表面減速距離(m);a為土塊沿二級(jí)網(wǎng)鏈表面加速度(m2/s);g為重力加速度,g=9.8m/s2;f為土塊與網(wǎng)鏈動(dòng)摩擦因數(shù),取f=0.1。

采用直線型二級(jí)網(wǎng)鏈結(jié)構(gòu),土塊減速距離為

(5)

采用兩種結(jié)構(gòu)形式,土塊減速距離差為

(6)

帶入數(shù)據(jù),由式(3)～式(6)可計(jì)算出兩種形式土塊在二級(jí)網(wǎng)鏈上減速距離距離差為193mm。三拐三拐點(diǎn)式網(wǎng)鏈結(jié)構(gòu)較直線結(jié)構(gòu)減速距離降低47%,通過有效減少土塊在二級(jí)網(wǎng)鏈表面的減速距離,使土塊及時(shí)滾落以增加去土效果。

圖5 土塊速度分析Fig.5 Velocity analysis of clod

2.3 增加抖土頻率

為增大膜土分離效果,設(shè)計(jì)三頭型抖土輥,主要由傳動(dòng)輪、傳動(dòng)軸、抖土輥及固定支座組成,如圖6所示。在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中,傳動(dòng)軸每轉(zhuǎn)動(dòng)1圈抖土輥與網(wǎng)鏈作用3次,網(wǎng)鏈由直線狀態(tài)變?yōu)檎劬€狀態(tài)以達(dá)到抖動(dòng)增加膜土分離效果[15-17]。

設(shè)抖土輥與網(wǎng)鏈在接觸時(shí)無相對(duì)滑動(dòng),即抖土輥與網(wǎng)鏈接觸點(diǎn)線速度為網(wǎng)鏈線速度v1,則有

(7)

其中,v1為第1級(jí)網(wǎng)鏈線速度(m/s),v1=2;r為抖土輥抖動(dòng)半徑(m);n為抖土輥轉(zhuǎn)速(r/min)。

三頭型抖土輥的抖土頻率為

(8)

為達(dá)到理想膜土分離效果,設(shè)計(jì)抖土輥抖土半徑為r=0.10m,由式(7)和式(8)計(jì)算得三頭型抖土輥抖動(dòng)頻率為9.55Hz。

1.傳動(dòng)輪 2.傳動(dòng)軸 3.抖土輥 4.固定支座圖6 三頭型抖土輥結(jié)構(gòu)簡圖Fig.6 Structural diagram of three - head soil - shaking roller

3 田間對(duì)比試驗(yàn)

通過對(duì)網(wǎng)鏈?zhǔn)綒埬せ厥諜C(jī)膜土輸分機(jī)構(gòu)機(jī)理分析及優(yōu)化,在相同條件下對(duì)1MSWL-165型及改進(jìn)型1MSWL-165A型殘膜回收機(jī)進(jìn)行試驗(yàn),以檢驗(yàn)?zāi)ね凛斔团c分離效果,如圖7所示。以拾膜率、殘膜回帶率、膜土比為作業(yè)指標(biāo),驗(yàn)證優(yōu)化結(jié)果,旨在為網(wǎng)鏈?zhǔn)綒埬せ厥諜C(jī)膜土輸分機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

圖7 田間試驗(yàn)Fig.7 Field test

3.1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)地點(diǎn)為遼寧省錦州市義縣,選取試驗(yàn)田為沙土土壤壟作花生,所覆薄膜為0.008mm厚度黑膜。選定試驗(yàn)區(qū)長度為20m,為減少不必要因素影響,在測區(qū)前后各5m長度范圍內(nèi)人工清理出殘膜。試驗(yàn)儀器設(shè)備主要有東方紅LY1104拖拉機(jī)、1MSWL-165型及改進(jìn)型1MSWL-165A型網(wǎng)鏈?zhǔn)綒埬せ厥諜C(jī)、電子天平、皮尺及塑料袋等。

3.2 試驗(yàn)指標(biāo)與方法

根據(jù)前文對(duì)網(wǎng)鏈?zhǔn)綒埬せ厥諜C(jī)的作業(yè)機(jī)理分析及優(yōu)化設(shè)計(jì),試驗(yàn)分別測定相同工作參數(shù)下兩種殘膜回收機(jī)拾膜率、回帶率及膜土比,拖拉機(jī)前進(jìn)速度為1m/s,挖掘鏟挖掘深度為20cm。試驗(yàn)指標(biāo)分析方法如下：

1)拾膜率Y1。拾膜率為檢驗(yàn)機(jī)具收膜效果指標(biāo),每次試驗(yàn)結(jié)束后收集集膜箱內(nèi)殘膜及測區(qū)未撿拾殘膜,洗凈、晾曬、稱重,計(jì)算拾膜率。

(9)

其中,Y1為拾膜率(%),m0為集膜箱中殘膜質(zhì)量(g),m2為測區(qū)未撿拾殘膜質(zhì)量(g)。

2)回帶率Y2?；貛蕿闄z驗(yàn)機(jī)具防止殘膜回帶效果指標(biāo),在機(jī)具網(wǎng)鏈輸膜機(jī)構(gòu)下加裝一集膜柵條框,土壤漏過,收集回帶殘膜,進(jìn)行洗凈、晾曬、稱重。

(10)

其中,Y2為殘膜回帶率(%),m0為集膜箱中殘膜質(zhì)量(g),m1為柵條框內(nèi)收集的回帶膜質(zhì)量(g)。

3)膜土比Y3。膜土混合物分離為殘膜回收過程中關(guān)鍵環(huán)節(jié),機(jī)具作業(yè)后集膜箱中膜土比為檢驗(yàn)機(jī)具收膜效果指標(biāo),在計(jì)算中將秸稈等雜物按土壤處理計(jì)算膜土比,即

(11)

其中,Y3為膜土比,M為集膜箱中土壤與殘膜總質(zhì)量(g)。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

采用兩種形式殘膜回收機(jī)進(jìn)行試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。由表1可知：經(jīng)改進(jìn)后的1MSWL-165A型殘膜回收機(jī)收膜效果較1MSWL-165型殘膜回收機(jī)防止殘膜回帶效果良好,拾膜率、膜土比都有較大提高。且改進(jìn)后的機(jī)具工作性能穩(wěn)定、波動(dòng)小。

3.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

由表1及圖8～圖12分析可知：網(wǎng)鏈?zhǔn)綒埬せ厥諜C(jī)采用起膜鏟與二級(jí)網(wǎng)鏈結(jié)構(gòu)組合,起膜深度大,一般為20cm以上,對(duì)深層殘膜撿拾效果良好,兩種機(jī)具拾膜率平均值都達(dá)90%以上。

表1 兩種殘膜回收機(jī)試驗(yàn)結(jié)果結(jié)果Table 1 Test results of two kinds of residual plastic film collector

圖8 兩種殘膜回收機(jī)拾膜率及膜土比平均值對(duì)比Fig.8 Comparison of average residual plastic film recovery rate and film soil ratio between two kinds of residual film collector

圖9 兩種殘膜回收機(jī)回帶率平均值對(duì)比Fig.9 Comparison of average rate of returned film between two kinds of residual plastic film collector

圖10 兩種殘膜回收機(jī)拾膜率對(duì)比Fig.10 Comparison of residual plastic film recovery rate between two kinds of residual plastic film collector

圖11 兩種殘膜回收機(jī)回帶率對(duì)比Fig.11 Comparison of rate of returned film between two kinds of residual plastic film collector

圖12 兩種殘膜回收機(jī)膜土比對(duì)比Fig.12 Comparison of film soil ratio between two kinds of residual plastic film collector

網(wǎng)鏈?zhǔn)綒埬せ厥諜C(jī)輸膜過程中采用的網(wǎng)鏈結(jié)構(gòu)容易形成回帶,影響作業(yè)效果,減少殘膜回帶可顯著提高機(jī)具拾膜效果及收膜質(zhì)量。改進(jìn)機(jī)型采用三拐點(diǎn)式二級(jí)網(wǎng)鏈結(jié)構(gòu),較直線型式網(wǎng)鏈結(jié)構(gòu),其殘膜回帶率平均值減少60%以上,防回帶效果良好。

網(wǎng)鏈?zhǔn)綒埬せ厥諜C(jī)在輸膜過程中,機(jī)具完成膜土分離與輸送,網(wǎng)鏈結(jié)構(gòu)在基本不影響土壤透過條件下,極大增大殘膜輸送效果;采用三拐點(diǎn)式結(jié)構(gòu),拋出土塊的減速距離較直線結(jié)構(gòu)大幅減小;三頭型抖土輥性能穩(wěn)定,抖土頻率高,工作性能良好,有利于提高收膜質(zhì)量,增大膜土比。

4 結(jié)論

1)針對(duì)直線式網(wǎng)鏈結(jié)構(gòu)易回帶的問題,對(duì)回帶機(jī)理進(jìn)行分析,設(shè)計(jì)了三拐點(diǎn)式二級(jí)網(wǎng)鏈結(jié)構(gòu)以減少殘膜回帶的問題,并對(duì)第1級(jí)網(wǎng)鏈拋出土塊減速距離進(jìn)行計(jì)算,進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)以增加去土效果。

2)對(duì)1MSWL-165型殘膜回收機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化,采用三拐點(diǎn)式二級(jí)網(wǎng)鏈結(jié)構(gòu),對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果顯示：拾膜率、膜土比都有顯著提高,且殘膜回帶減少,提高了機(jī)具作業(yè)質(zhì)量。

3)網(wǎng)鏈?zhǔn)綒埬せ厥諜C(jī)作業(yè)幅寬大、作業(yè)質(zhì)量好,具有廣泛應(yīng)用前景,但對(duì)機(jī)具工作效率與網(wǎng)鏈轉(zhuǎn)動(dòng)線速度大小關(guān)系缺少研究,且在實(shí)際工作中機(jī)具對(duì)不同地區(qū)土地壟寬適應(yīng)性不夠理想,后續(xù)工作應(yīng)綜合考慮提高機(jī)具適應(yīng)性和提高工作效率。