靳 偉 張學(xué)軍 丁幼春 白圣賀 劉偉鵬 周鑫城

(1.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，武漢 430070；2.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，烏魯木齊 830052；3.新疆農(nóng)業(yè)工程裝備創(chuàng)新設(shè)計重點(diǎn)實驗室，烏魯木齊 830052；4.中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司土壤植物機(jī)器系統(tǒng)技術(shù)國家重點(diǎn)實驗室，北京 100083)

0 引言

隨著政府高度關(guān)注殘膜污染環(huán)境的問題，國家制定了一系列農(nóng)田殘膜污染治理的相關(guān)政策，明確了殘膜回收和再利用的目標(biāo)。目前，科技工作者對治理殘膜污染的研究主要集中在殘膜回收裝備，對殘膜與雜質(zhì)的分離研究較少[1-2]，但回收的殘膜含雜量較大、再利用困難，亟需對殘膜和土壤等混合物分離方法進(jìn)行深入研究，為殘膜資源化再利用提供清潔原料[3-4]。

經(jīng)過科技工作者的不懈努力，殘膜回收機(jī)的工作性能和殘膜回收率顯著提升[5-7]，但回收的殘膜與土壤、秸稈等雜質(zhì)混合在一起，致使回收的殘膜含雜量較高、不能循環(huán)再利用或循環(huán)再利用成本較高[8-9]。無害化處理殘膜的方式主要有：借鑒廢棄塑料高溫裂解處理技術(shù)，殘膜高溫裂解后獲取產(chǎn)物油可以替代石油燃料，但回收殘膜含雜量較高，利用殘膜高溫裂解獲取燃料油比較困難；利用清洗設(shè)備去除殘膜混合物中的雜質(zhì)，將殘膜擠壓成型顆粒，但消耗的能源較大、成本較高。目前，殘膜與土壤的分離問題研究較少，還沒有一種成熟的方案能夠解決殘膜與土壤分離的難題；大量殘膜回收后無有效方案進(jìn)行處理[10-12]。

國內(nèi)外學(xué)者對物料氣固耦合特性及懸浮速度的測定進(jìn)行了大量研究[13-20]，文獻(xiàn)中通常采用公式計算、軟件仿真、試驗測定等方法獲取懸浮速度。公式計算懸浮速度主要針對球狀物料，在求解非球狀物料的懸浮速度時需要引入修正系數(shù)，但農(nóng)業(yè)物料的形狀類別很多，并且相同形狀類別物料的體積差別較大，物料懸浮速度的理論計算值與實際值之間的誤差較大；利用懸浮速度測定試驗裝置可測定物料懸浮速度范圍，但存在試驗次數(shù)較多、計算量大、試驗設(shè)備價格較高且操作復(fù)雜等問題[21-22]；應(yīng)用EDEM-Fluent氣固耦合軟件仿真分析物料懸浮速度成為研究熱點(diǎn)。簡化計算過程、降低氣力式清選機(jī)械的研發(fā)成本，為測定物料懸浮速度提供新思路。通過對懸浮速度仿真結(jié)果與理論計算值對比與分析，簡化試驗次數(shù)、驗證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，對分析混合物料氣固耦合現(xiàn)象具有重要意義。殘膜與土壤等雜質(zhì)在比重特性、懸浮速度和流動特性等方面差異較大，滿足混合物料基于氣固耦合分離的條件，可借助氣固耦合懸浮分離方法，在殘膜與土壤、秸稈等雜質(zhì)被撿拾裝置拋送、下落的過程中實現(xiàn)有效分離，物料的懸浮速度是設(shè)計分離裝置、設(shè)定氣流速度等關(guān)鍵參數(shù)的重要基礎(chǔ)和依據(jù)。

本文根據(jù)回收殘膜含土壤、秸稈等雜質(zhì)的比例測定結(jié)果，選取含雜量分別為40%、60%和80%的殘膜為研究對象，分別進(jìn)行殘膜懸浮速度理論計算，殘膜與土壤、秸稈等雜質(zhì)懸浮分離耦合仿真，以及殘膜與雜質(zhì)懸浮分離速度臺架試驗研究，以驗證基于EDEM-Fluent耦合的殘膜與雜質(zhì)混合物懸浮分離速度測定試驗方法的可行性，并為殘膜與雜質(zhì)混合物懸浮分離提供參數(shù)基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗選用殘膜與土壤、秸稈混合物為研究對象，3種混合物中土壤和秸稈總質(zhì)量占比分別為40%(其中土壤占30%)、60%(其中土壤占50%)和80%(其中土壤占70%)；土壤含水率和碎土率分別為9.67%、70.56%，土壤顆粒為尺寸10～30 mm不規(guī)則幾何體；秸稈選用新疆矮化密植棉花秸稈，直徑12～20 mm、含水率約14.75%；殘膜厚度0.008 mm、長度30～40 mm、寬度10～20 mm。選用物料懸浮速度測定試驗臺、量筒、游標(biāo)卡尺、天平等設(shè)備和測量儀器，通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，利用選用的測量儀器獲取殘膜、棉花秸稈、土壤顆粒等材料的彈性模量和泊松比等參數(shù)[23-29]，得到試驗材料特性參數(shù)如表1所示。

表1 試驗材料特性參數(shù)Tab.1 Characteristic parameters of test material

1.2 物料懸浮速度測定方法

1.2.1理論計算法

在物料懸浮狀態(tài)條件下，根據(jù)受力平衡原理對其受力分析可知，物料豎直向下的重力等于物料浸在空氣中豎直向上的浮力與豎直向上的氣流阻力之和。在求解非球狀物料的懸浮速度時引入修正系數(shù)，采用等效粒徑法和懸浮速度分區(qū)計算法選取氣流阻力系數(shù)，將物料和氣流特性參數(shù)代入受力平衡方程并計算懸浮速度，即獲取物料懸浮速度理論計算值，計算式為

(1)

式中G1——物料重力，N

FZ——物料空氣阻力，N

Ff——物料空氣浮力，N

Cq——空氣阻力系數(shù)

ρq——空氣密度，kg/m3

S——物料迎風(fēng)面積，m2

vf——物料懸浮速度，m/s

對式(1)進(jìn)行替換和整理，推導(dǎo)出物料懸浮速度理論計算公式為

(2)

1.2.2仿真分析法

參考并借鑒吉林大學(xué)利用EDEM-Fluent軟件分別模擬硫酸鉀、尿素、磷酸二銨3種顆粒肥料氣固耦合懸浮特性的方法[15]，確定殘膜混合物氣固耦合懸浮分離模擬方案，把流場導(dǎo)入離散元仿真軟件中并進(jìn)行懸浮分離仿真，主要分為流場與離散元建模。在EDEM中設(shè)置仿真顆粒參數(shù)，建立顆粒模型；在三維建模軟件中直接構(gòu)建流場域模型，使用網(wǎng)格自動劃分(即使用ANSYS Workbench中的Mesh自動劃分網(wǎng)格)，在劃分網(wǎng)格的同時設(shè)置INLET、OUTLET和WALL并導(dǎo)出網(wǎng)格，將網(wǎng)格文件讀入ANSYS Fluent軟件并設(shè)置參數(shù)；EDEM-Fluent氣固耦合模擬選用Lagrangian模型，氣流對固體顆粒的作用選取Free-stream模型；根據(jù)EDEM與Fluent耦合數(shù)據(jù)傳遞的時間匹配要求，土壤顆粒、秸稈與殘膜在EDEM中的時間步長分別設(shè)置為5×10-6、1×10-5、1×10-5s，土壤顆粒、秸稈與殘膜在Fluent中的時間步長分別設(shè)置為2×10-4、5×10-4、5×10-4s；根據(jù)前期試驗效果，設(shè)置入風(fēng)口風(fēng)速為5～6 m/s，運(yùn)行軟件并獲取殘膜混合物氣固耦合懸浮分離仿真結(jié)果。

1.2.3試驗測定法

氣吸式物料懸浮速度測定試驗臺如圖1所示，選取250 g殘膜、土壤和棉花秸稈混合物放入懸浮速度測定試驗臺的物料盤中，啟動風(fēng)機(jī)、逐漸增加空氣流量，通過透明的錐形窗觀察物料的運(yùn)動狀況，待殘膜穩(wěn)定懸浮在錐形觀察窗某一位置時，測量該位置觀察窗的橫截面直徑；根據(jù)密封通風(fēng)管道各截面處空氣流量相等，推導(dǎo)出物料懸浮速度為

圖1 氣吸式物料懸浮速度測定試驗臺Fig.1 Suspension separation test bed of residual film mixture1.流量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu) 2.風(fēng)機(jī) 3.上通風(fēng)管 4.錐形觀察窗 5.機(jī)架 6.導(dǎo)線 7.氣流壓力計 8.下通風(fēng)管 9.控制箱

(3)

式中rf——物料懸浮位置處觀察窗橫截面半徑，m

rm——錐形觀察窗最小橫截面半徑，m

vm——錐形觀察窗最小橫截面處氣流速度，m/s

測定殘膜與土壤、秸稈混合物懸浮分離速度，即獲得物料懸浮分離速度試驗測量值。

2 殘膜懸浮速度計算與混合物分離仿真

2.1 殘膜懸浮速度計算

新疆矮化密植棉田回收的殘膜夾雜土壤、棉花秸稈和其他雜質(zhì)，殘膜與雜質(zhì)混合物的分離效果與其懸浮速度密切相關(guān)，懸浮速度是殘膜與雜質(zhì)空氣動力學(xué)重要的參數(shù)之一，是殘膜與雜質(zhì)氣固耦合懸浮分離的重要參考依據(jù)。殘膜懸浮時受力及迎風(fēng)面積計算式為

(4)

式中G2——?dú)埬ぶ亓Γ琋

ρM——?dú)埬っ芏?，kg/m3

r1——?dú)埬らL度，m

r2——?dú)埬挾?，m

h——?dú)埬ず穸?，m

g——重力加速度，m/s2

FMf——?dú)埬た諝飧×?，N

SM——?dú)埬びL(fēng)面積，m2

將式(4)代入式(2)并推導(dǎo)得殘膜懸浮速度的計算公式為

(5)

式中vMf——?dú)埬腋∷俣?，m/s

已知?dú)埬っ芏葹?.32×103kg/m3、厚度為8×10-6m，重力加速度取9.81 m/s2，通常情況下空氣密度約為1.21×103kg/m3。參考文獻(xiàn)[15]，獲取空氣的阻力系數(shù)為0.75，將以上參數(shù)代入式(5)得殘膜懸浮速度為5.36 m/s。

2.2 殘膜與雜質(zhì)混合物懸浮分離仿真

2.2.1耦合仿真方法及特性參數(shù)

利用EDEM離散元和Fluent流體力學(xué)仿真軟件耦合的方法模擬殘膜與雜質(zhì)混合物懸浮分離試驗過程，具體方法見1.2節(jié)所述。殘膜混合物懸浮分離仿真主要包括建立流場模型和離散元模型，利用SolidWorks建立殘膜混合物懸浮分離試驗臺三維仿真模型、另存為.igs格式并導(dǎo)入EDEM軟件，分析殘膜與雜質(zhì)混合物的顆粒運(yùn)動特性，在ANSYS Workbench軟件中建立流場域模型并將流場導(dǎo)入離散元軟件中。

為了使殘膜與雜質(zhì)分離仿真結(jié)果與臺架試驗更加符合，建立殘膜、棉花秸稈與土壤顆粒三維模型，其尺寸和密度等與臺架試驗材料一致。利用軟件分別建立土壤顆粒直徑為10、20、30 mm球體SolidWorks模型；棉花秸稈直徑×長度為12 mm×20 mm、16 mm×30 mm、20 mm×40 mm圓柱體SolidWorks模型；殘膜長度×寬度為30 mm×10 mm、35 mm×15 mm、40 mm×20 mm，厚度均為0.008 mm的長方體SolidWorks模型。上述建立的土壤顆粒、棉花秸稈和殘膜模型另存為.igs格式并導(dǎo)入EDEM，3種不同尺寸顆粒質(zhì)量各占?xì)埬?、棉花秸稈、土壤顆?？傎|(zhì)量的33.33%，即獲取殘膜、棉花秸稈與土壤顆粒混合物尺寸分布模型。

在EDEM離散元軟件中設(shè)置土壤、秸稈與殘膜之間接觸特征參數(shù)和重力方向，物料之間無粘結(jié)力并且顆粒之間接觸采用無滑動接觸模型，查閱文獻(xiàn)[30-33]，獲取物料仿真參數(shù)如表2所示。

表2 耦合仿真特性參數(shù)Tab.2 Parameters of coupling simulation used in simulation

物料懸浮分離試驗臺三維仿真模型設(shè)置材料為PVC，其結(jié)構(gòu)包括上通風(fēng)管(圓柱形)、錐形觀察窗和下通風(fēng)管(圓柱形)；上通風(fēng)管直徑320 mm、高度750 mm，下通風(fēng)管直徑190 mm、高度900 mm，錐形觀察窗直徑190～320 mm、高度1 000 mm。物料懸浮分離試驗臺仿真模型流體域使用網(wǎng)格自動劃分(即使用ANSYS Workbench中的Mesh自動劃分網(wǎng)格)，在劃分網(wǎng)格的同時設(shè)置INLET、OUTLET和WALL并導(dǎo)出網(wǎng)格；將導(dǎo)出的網(wǎng)格文件讀入ANSYS Fluent軟件并設(shè)置參數(shù)，進(jìn)行EDEM-Fluent耦合仿真。

2.2.2殘膜與雜質(zhì)懸浮分離仿真

回收的殘膜混合物中雜質(zhì)的種類和含量不同，影響殘膜與雜質(zhì)的分離效果。為了研究殘膜混合物中雜質(zhì)的含量與分離效果及殘膜懸浮分離速度的關(guān)系，仿真試驗時將殘膜、棉花秸稈和土壤顆粒按照設(shè)定的比例和性能參數(shù)添加至分離管道的底盤中，在氣流上升的過程中觀察殘膜與雜質(zhì)混合物顆粒的分離效果、懸浮位置及運(yùn)動狀況。

根據(jù)秸稈和土壤在殘膜混合物中的含量，殘膜與雜質(zhì)混合物分離仿真分為3種情況，3種混合物中土壤和秸稈雜質(zhì)總質(zhì)量占比分別為40%(其中土壤占30%)、60%(其中土壤占50%)和80%(其中土壤占70%)，混合物中殘膜質(zhì)量保持不變，混合物料的尺寸分布見2.2.1節(jié)所述。依據(jù)殘膜懸浮速度理論計算值和預(yù)仿真試驗效果，分別設(shè)置3種仿真試驗入口風(fēng)速為5.1、5.5、6.2 m/s，殘膜懸浮在物料上層、秸稈和土壤下落至管道底部，殘膜與秸稈、土壤懸浮分離仿真效果與殘膜懸浮位置如圖2所示。

圖2 殘膜混合物懸浮分離仿真效果Fig.2 Simulation effects of suspension separation of residual film mixture

在殘膜混合物懸浮分離EDEM-Fluent耦合仿真過程中，若入口風(fēng)速設(shè)置小于4 m/s時，殘膜與秸稈、土壤混合在一起靜止在底盤，殘膜混合物分離率較低、殘膜不會穩(wěn)定懸浮在通風(fēng)管道某一位置處；若入口風(fēng)速設(shè)置大于8 m/s時，殘膜與秸稈由出風(fēng)口飛出，小顆粒土壤在通風(fēng)管道中上下運(yùn)動，分離的殘膜含秸稈和小顆粒土壤較多，殘膜不會穩(wěn)定懸浮在通風(fēng)管道某一位置處。利用EDEM-Fluent耦合仿真獲取殘膜不同含雜量情況下的懸浮位置，如圖2所示，殘膜與秸稈、土壤能夠?qū)崿F(xiàn)有效分離，當(dāng)入口風(fēng)速為6.2 m/s時，殘膜穩(wěn)定懸浮的區(qū)域增大，殘膜在通風(fēng)管道內(nèi)上下浮動范圍較大；當(dāng)入口風(fēng)速范圍為5.1～6.2 m/s時，3種不同混合物料中的殘膜能夠穩(wěn)定懸浮在管道某一位置，殘膜懸浮速度隨殘膜含雜量的增加而緩慢增加。

在氣流由下通風(fēng)管向上運(yùn)動并通過錐形觀察窗的過程中，由于錐形觀察窗的橫截面直徑不斷增大，氣流的速度逐漸減小，殘膜在此區(qū)域可處于懸浮狀態(tài)；若殘膜處于懸浮狀態(tài)且繼續(xù)增大入口風(fēng)速時，則殘膜懸浮的區(qū)域進(jìn)一步擴(kuò)大，殘膜處于不穩(wěn)定懸浮狀態(tài)，上下浮動的殘膜數(shù)量增多。通風(fēng)管壁處的氣流速度小于管道截面中心區(qū)域氣流速度，所以殘膜和小顆粒秸稈沿著管道壁向上移動，貼著管壁懸浮在某一位置；當(dāng)氣流速度降低時，殘膜沿著管道傾斜壁向下滑動，下滑至氣流速度大于殘膜懸浮速度區(qū)域，殘膜向上移動至懸浮狀態(tài)。

2.2.3殘膜懸浮速度模擬

當(dāng)混合物料中殘膜處于穩(wěn)定懸浮狀態(tài)時，棉花秸稈和土壤顆粒降落至物料底盤中，利用EDEM-Fluent氣固耦合計算、分析流場分布和殘膜速度，3種不同混合物料中的殘膜穩(wěn)定懸浮位置與氣流速度場如圖3所示。

圖3 殘膜懸浮位置與氣流速度場分布Fig.3 Residual film suspension position and field distribution of airflow velocity

如圖3，根據(jù)殘膜懸浮位置并參照對應(yīng)氣流速度，獲取殘膜懸浮速度。當(dāng)3種混合物料中的殘膜處于懸浮狀態(tài)時，記錄殘膜在分離管道中的位置，在Fluent氣流速度云圖中獲取殘膜懸浮時對應(yīng)位置的氣流速度，即殘膜懸浮分離速度。由圖3可以得出，3種混合物中土壤和秸稈雜質(zhì)總質(zhì)量占比為40%、60%和80%時，殘膜懸浮速度為4.77～5.83 m/s、4.89～6.46 m/s、5.31～7.40 m/s。殘膜懸浮速度理論計算值在殘膜混合物懸浮分離速度仿真結(jié)果范圍之內(nèi)，即理論計算數(shù)值與仿真數(shù)值相吻合，研究結(jié)果為殘膜與雜質(zhì)懸浮分離試驗提供了參考。

3 殘膜與雜質(zhì)懸浮分離臺架試驗

3.1 試驗材料與方法

3.1.1試驗材料

測定殘膜與雜質(zhì)氣固耦合懸浮分離速度的器材包括：氣吸式物料懸浮速度試驗臺、JA2003型精密電子天平、KC34-36型電子數(shù)顯卡尺、塑料袋、篩網(wǎng)、便攜式計算機(jī)等。

殘膜、棉花秸稈、土壤等測試物料來源于新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第一師六團(tuán)和昌吉市大西渠鎮(zhèn)，棉花采用矮化密植特色種植模式，在棉花收獲后播種前的田間，挖取殘膜與雜質(zhì)混合物作為試驗材料，如圖4所示。秸稈的直徑、長度范圍分別為12～20 mm、20～40 mm，含水率約14.75%；土壤顆粒的直徑范圍1～30 mm、土壤含水率約9.67%；殘膜厚度為0.008 mm、長度為30～40 mm、寬度為10～20 mm。

圖4 田間獲取的試驗材料Fig.4 Acquiring test materials from field

3.1.2試驗方法

殘膜與雜質(zhì)懸浮分離試驗方法見1.2節(jié)。殘膜與秸稈、土壤混合物分離試驗采用氣吸式物料懸浮速度測定試驗臺進(jìn)行，殘膜與雜質(zhì)混合物懸浮分離仿真試驗的過程中發(fā)現(xiàn)，混合物含雜量、雜質(zhì)顆粒的粒徑對殘膜穩(wěn)定懸浮狀態(tài)的影響比較顯著。利用KC34-36型電子數(shù)顯卡尺、篩網(wǎng)和天平等儀器測量秸稈、土壤顆粒和殘膜的尺寸和質(zhì)量，按照試驗表格中的因素和水平進(jìn)行分組試驗。每組試驗物料的總質(zhì)量為250 g，將物料放入懸浮分離試驗臺的底盤中，記錄物料穩(wěn)定懸浮的位置并測量該位置處的錐形觀察窗橫截面半徑，將參數(shù)代入式(3)并計算物料懸浮速度。

3.2 試驗結(jié)果與分析

3.2.1秸稈和土壤顆粒懸浮速度測定

臺架試驗測定不同尺寸秸稈、土壤顆粒和殘膜懸浮速度如表3，小顆粒秸稈的懸浮速度與殘膜懸浮速度數(shù)值比較接近。殘膜懸浮速度理論計算值、仿真值和臺架試驗值均小于秸稈和土壤顆粒的懸浮速度，土壤懸浮速度最大、殘膜懸浮速度最小，滿足殘膜混合物料氣固耦合懸浮分離的條件。

表3 不同尺寸物料的懸浮速度Tab.3 Suspension speed of materials in different sizes

3.2.2殘膜懸浮分離速度測定試驗

臺架試驗選用的殘膜混合物料見1.1節(jié)，3種殘膜混合物料中土壤和秸稈雜質(zhì)總質(zhì)量占比分別為40%、60%、80%。每次試驗混合物料的總質(zhì)量為250 g，按照表3進(jìn)行殘膜懸浮分離速度仿真與臺架測定試驗。在棉花秸稈和土壤顆粒不同體積的條件下，仿真和臺架試驗測定3種混合物料中殘膜懸浮分離速度，將殘膜懸浮分離速度仿真結(jié)果與試驗測定結(jié)果進(jìn)行對比，3種混合物料中殘膜與雜質(zhì)懸浮分離速度仿真模擬結(jié)果與臺架試驗結(jié)果如表4所示。

采用中心數(shù)值方法計算相對誤差[15]，殘膜懸浮分離速度測定值與仿真值之間的相對誤差計算式為

(6)

其中

式中v1——懸浮速度仿真值范圍中心值，m/s

v2——懸浮速度臺架測定值范圍中心值，m/s

v1s——懸浮速度仿真值上限值，m/s

v1x——懸浮速度仿真值下限值，m/s

v2s——懸浮速度臺架測定值上限值，m/s

v2x——懸浮速度臺架測定值下限值，m/s

3.2.3試驗分析

由表4可知，在3種不同殘膜混合物料條件下，殘膜懸浮分離速度仿真值分別為4.77～5.83 m/s、4.89～6.46 m/s和5.31～7.40 m/s，臺架試驗值分別為4.67～5.77 m/s、4.88～6.37 m/s和5.29～7.22 m/s。在殘膜懸浮分離臺架試驗過程中，殘膜較柔軟且易變形，殘膜的變形量大于仿真軟件中的殘膜虛擬模型變形量，所以臺架試驗過程中殘膜體積較小、迎風(fēng)面積較小，殘膜處于穩(wěn)定懸浮的位置較高，即臺架試驗測定殘膜懸浮分離速度數(shù)值較小。殘膜懸浮分離速度仿真值與臺架測定試驗值之間的相對誤差為0.77%～4.79%。殘膜含雜量對殘膜懸浮分離速度影響很大，殘膜懸浮分離速度仿真與臺架試驗值之間存在一定的誤差，為了使EDEM-Fluent耦合仿真數(shù)值更加準(zhǔn)確，需計算修正系數(shù)。

表4 殘膜懸浮分離速度測定試驗結(jié)果Tab.4 Experiment results of residual film suspension separation speed

3.3 修正系數(shù)計算

殘膜懸浮分離速度仿真值與臺架測定試驗值之間的相對誤差范圍較小且可以近似為定值，所以可以通過混合物料不規(guī)則形狀及相互作用修正系數(shù)對殘膜混合物料懸浮分離速度仿真值進(jìn)行修正。由表4可知，3種不同殘膜混合物料懸浮速度仿真值上限值與臺架試驗的上限值比較接近，其下限值相差較大，因為雜質(zhì)改變殘膜的形變量、運(yùn)動特性，從而影響殘膜的懸浮速度和位置。殘膜混合物料懸浮速度仿真值下限值與臺架試驗的下限值相差較大，選取仿真結(jié)果與臺架試驗的下限值計算修正系數(shù)

(7)

其中

式中δ——懸浮速度修正系數(shù)

將表4試驗結(jié)果代入式(7)計算得3種殘膜混合物料中土壤和秸稈雜質(zhì)總質(zhì)量占比分別為40%、60%和80%的修正系數(shù)分別為0.94、0.97、0.95，即殘膜混合物料懸浮分離速度的修正系數(shù)取其均值為0.95[15]。

4 田間試驗

以殘膜懸浮速度理論計算值、殘膜與雜質(zhì)分離仿真和臺架試驗結(jié)果為基礎(chǔ)，設(shè)計基于氣固耦合的殘膜與雜質(zhì)分離裝置，如圖5所示。為了驗證殘膜與雜質(zhì)的分離效果，2019年9月在新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第一師六團(tuán)耕整后的棉田中進(jìn)行試驗，選用約翰迪爾5-754型輪式拖拉機(jī)提供動力，拖拉機(jī)牽引殘膜與雜質(zhì)分離裝置完成殘膜與雜質(zhì)分離、回收殘膜作業(yè)。采用變頻器改變風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、調(diào)整通風(fēng)管道出風(fēng)口的風(fēng)速；利用AS836型手持式葉輪式風(fēng)速測量儀測量通風(fēng)管道出風(fēng)口的風(fēng)速。

圖5 殘膜與雜質(zhì)分離裝置Fig.5 Separation device of residual film and impurity

分離后的殘膜中仍含有少量秸稈與土壤顆粒，其分離后的殘膜和少量雜質(zhì)隨氣流落入殘膜回收箱中。參考GB/T 25412—2010《殘地膜回收機(jī)》，在試驗地隨機(jī)選取5個區(qū)域，即5個測量行程，每個區(qū)域長度和寬度分別為10 m和2 m，試驗裝置在每個區(qū)域內(nèi)分別完成殘膜與雜質(zhì)分離以及回收分離后的殘膜，分別收集5個作業(yè)行程后殘膜回收箱中殘膜和雜質(zhì)，膜箱中殘膜的質(zhì)量記為m11、m12、m13、m14和m15，膜箱中雜質(zhì)的質(zhì)量記為m21、m22、m23、m24和m25；在試驗地未回收殘膜作業(yè)區(qū)域隨機(jī)選取5個面積為1 m2的區(qū)域并且收集地表至耕層150 mm內(nèi)殘膜，將收集的殘膜洗凈、曬干并稱量，記為m31、m32、m33、m34和m35；分別在作業(yè)后的5個區(qū)域內(nèi)選取面積為1 m2的區(qū)域，收集地表至耕層150 mm內(nèi)未回收殘膜，將收集的殘膜洗凈、曬干并稱量，記為m41、m42、m43、m44和m45。設(shè)計殘膜與雜質(zhì)分離、殘膜回收田間試驗，將拖拉機(jī)的前進(jìn)速度、管道出風(fēng)口風(fēng)速、雜質(zhì)尺寸作為試驗的3個因素，殘膜與雜質(zhì)分離后殘膜(即殘膜回收箱中回收的殘膜)中含雜率和殘膜回收率作為試驗指標(biāo)，其計算公式為

(8)

其中

(9)

式中η——?dú)埬せ厥障渲袣埬ずs率，%

m1i——?dú)埬せ厥障渲须s質(zhì)質(zhì)量，g

m2i——?dú)埬せ厥障渲袣埬べ|(zhì)量，g

(10)

其中

(11)

式中β——?dú)埬せ厥章剩?

m3i——撿拾殘膜作業(yè)前隨機(jī)1 m2區(qū)域殘膜質(zhì)量，g

m4i——撿拾殘膜作業(yè)后隨機(jī)1 m2區(qū)域殘膜質(zhì)量，g

在試驗棉田耕整地時將土壤和秸稈等雜質(zhì)顆粒粉碎，滿足殘膜與雜質(zhì)分離試驗中土壤和秸稈等雜質(zhì)尺寸要求；管道出風(fēng)口速度通過改變電機(jī)轉(zhuǎn)速獲取，其數(shù)值通過AS836型手持式風(fēng)速儀測量；當(dāng)拖拉機(jī)處于慢Ⅱ和慢Ⅳ擋位時，前進(jìn)速度為0.5、1 m/s左右，即可滿足殘膜與雜質(zhì)分離試驗條件和要求。

殘膜含雜率與回收率田間試驗結(jié)果如表5所示，通過分析試驗數(shù)據(jù)可知：

表5 殘膜含雜率和回收率田間試驗結(jié)果Tab.5 Field experiment results of recovered film contains impurities rate and film recovery rate

(1)在土壤顆粒和秸稈尺寸、拖拉機(jī)前進(jìn)速度等試驗參數(shù)不變的條件下，出風(fēng)口風(fēng)速為3～5 m/s時，殘膜與雜質(zhì)豎直向下的重力大于其豎直向上的浮力與氣流阻力之和，殘膜與雜質(zhì)纏繞在一起無法完全分離，僅有約61.88%的殘膜會隨氣流移動至殘膜回收箱中，分離后的殘膜含雜率最低(即出風(fēng)口風(fēng)速為3～5 m/s時，殘膜含雜率均值為13.66%)，但殘膜回收率很低，不能滿足殘膜回收的要求，因此，出風(fēng)口風(fēng)速3～5 m/s不是殘膜與雜質(zhì)分離、殘膜回收的最佳風(fēng)速。

(2)在土壤顆粒和棉稈尺寸、拖拉機(jī)前進(jìn)速度等試驗參數(shù)不變的條件下，出風(fēng)口風(fēng)速取5～7 m/s時，殘膜與雜質(zhì)能夠完全分離，分離后的殘膜含雜率較低(殘膜含雜率均值為20.47%)，殘膜回收率最高(殘膜回收率均值為83.62%)，能夠滿足殘膜與雜質(zhì)分離、殘膜回收的要求。因此，出風(fēng)口風(fēng)速5～7 m/s是殘膜與雜質(zhì)分離、殘膜回收的最佳風(fēng)速。

(3)土壤顆粒和秸稈尺寸、出風(fēng)口風(fēng)速等試驗因素和水平對試驗指標(biāo)影響很大，在拖拉機(jī)前進(jìn)速度和出風(fēng)口風(fēng)速等試驗參數(shù)不變的條件下，回收的殘膜含雜率隨土壤顆粒和秸稈尺寸的增大而減小。

5 結(jié)論

(1)根據(jù)物料懸浮狀態(tài)受力平衡條件，推導(dǎo)出殘膜懸浮分離速度公式并計算殘膜懸浮速度。利用EDEM-Fluent耦合的方法模擬殘膜與雜質(zhì)混合物懸浮分離的過程，3種混合物料中土壤和秸稈雜質(zhì)總質(zhì)量占比分別為40%(其中土壤占30%)、60%(其中土壤占50%)和80%(其中土壤占70%)時，殘膜懸浮速度仿真值為4.77～5.83 m/s、4.89～6.46 m/s和5.31～7.40 m/s；殘膜混合物懸浮分離速度臺架測定試驗值為4.67～5.77 m/s、4.88～6.37 m/s和5.29～7.22 m/s。

(2)基于EDEM-Fluent耦合方法的殘膜懸浮分離速度模擬值與臺架測定試驗數(shù)值之間的相對誤差為0.77%～4.79%，其修正系數(shù)均值為0.95，驗證了基于EDEM-Fluent耦合法模擬殘膜混合物懸浮分離速度的可行性。

(3)通過殘膜與雜質(zhì)分離田間試驗可得，殘膜與雜質(zhì)分離、殘膜回收的最佳風(fēng)速為5～7 m/s，回收的殘膜含雜率均值為20.47%、殘膜回收率均值為83.62%；田間試驗結(jié)果驗證了殘膜懸浮分離速度理論計算值、仿真模擬數(shù)值的準(zhǔn)確性。