基于气力脱膜与残膜物料特性相关的研究

段文献，王吉奎，明 光，，李 阳，，龚贺贺，牛海龙，罗 威

(石河子大学 机电学院，新疆 石河子 832000)



基于气力脱膜与残膜物料特性相关的研究

段文献，王吉奎，明 光，，李 阳，，龚贺贺，牛海龙，罗 威

(石河子大学 机电学院，新疆 石河子 832000)

针对农田残膜回收中存在脱膜效果不佳的问题，研究并设计了一种新型夹持式残膜回收机且采用气力脱膜。首先，通过运用空气动力学及试验的方法并结合残膜物料的特性相关特性，重点对气力脱膜时所需气流作用力大小进行了研究；然后，进行了田间试验验证。结果表明：当采用橡胶材料制作的夹持板，在气流作用力大小为1.35N时，能够很好地满足脱膜作业要求。本研究可为研制有关气力脱膜的残膜回收机提供参考。

残膜回收；气力脱膜；残膜特性

0 引言

地膜覆盖种植技术是一种改善恶劣环境、创造良好生长条件且被广泛应用的农业生产技术，具有保墒、保水、保肥、减少作物病害及抑制杂草等优点，是农业生产取得高产、稳产的重要措施之一[1-2]。新疆大田作物种植全部采用地膜覆盖技术，仅棉花生产每年新增残膜约10万t，还不包括玉米、甜菜等作物种植产生的残膜。滞留在农田里的残膜若不能及时回收，将会破坏土壤结构，造成严重的白色污染。

目前，国内已研制出多种类型的残膜回收机具，主要包括起膜、捡膜、脱膜、卸膜等作业工序[3-5]。因残膜具有轻、柔软、易吸附和缠绕等特性，所以研制脱膜工序已成为研发残膜回收机具中的一个关键性环节。现有残膜回收机采用的脱膜方法主要有人工脱膜、伸缩杆齿脱膜和脱膜叶片脱膜。人工脱膜劳动强度大、效率低；伸缩杆齿脱膜机构制造成本高、故障率高；整体或独立叶片脱膜大部分采用逆向脱膜，效果差，不能达到脱膜装置作业要求[6-7]。因此，研究残膜回收机脱膜机构、分析探讨脱膜机理，对于研发新型残膜回收机、提升设备技术水平、满足农业生产要求具有重要现实意义。本文的创新之处是依据残膜轻、柔软、易缠绕和粘附的特点，采用气力脱膜方式，防止残膜二次缠绕，以提高脱膜的可靠性。

1 总体结构与工作原理

1.1 总体结构

该机具主要包括牵引装置、传动系统、机架、残膜箱、秸秆粉碎与输送装置及残膜回收装置，如图1所示。

1.牵引装置 2.传动系统 3.刀轴 4.刀片 5.护罩 6.机架 7.秸秆输送装置 8.尾溜板 9.风机 10.夹持主动链轮 11.气流出口 12.新型 13.输送主动链轮 14.起膜架 15.夹持板链 16.夹持板 17.链支架 18.输送带链 19.输送带 20.起膜齿 21.拉杆 22.输送从动链轮 23.挡土板 24.夹持从动链轮 25.行走轮

1.2 工作原理

拖拉机与该残膜回收机组成作业机组。作业时,机组顺着作物苗行前进,秸秆粉碎装置的刀轴带动刀片做回转运动,刀片将作物秸秆打碎；打碎的秸秆在护罩的作用下被抛撒至刮板输送装置,刮板输送装置将抛撒过来的秸秆输送至尾溜板,秸秆顺着尾溜板滑落到残膜箱后侧的地面上；同时,夹持板和输送带分别在夹持板链和输送带链的带动下相对运动,残膜回收装置的起膜齿进入到秸秆粉碎后的地表土壤,将残膜从地表抬离地面一定高度,并被夹持板刮向输送带；随着夹持板与输送带的转动,残膜被夹在夹持板与输送带之间,并沿着输送带向上输送；当残膜输送至上侧的风口处时,在气力作用下残膜落入残膜箱中,实现残膜的夹持输送式回收。

2 气力脱膜与残膜物料的相关特性

2.1 气流作用力

气流对残膜的气流作用力可以通过下面的公式求得[8]，则

F=mk0v2

(4)

式中 F—气流对质点的作用力；

m—物体的质量；

k0—漂浮系数；

v —物料与气流的相对速度。

在气流垂直向上时，物料悬浮于空中，气体对物体的作用力与重力平衡[9]，则

(5)

式中 VL—物料的悬浮速度。

由式(5)可得

(6)

因此，气流对对质点的作用力方程为

(7)

2.2 残膜的悬浮速度

由于轻、柔软的残膜在气流流场中运动时实际受力面积非常不易确定，因此残膜的悬浮速度测量过程比较困难。同时，在实际测量中由于地膜与有机玻璃之间存在着流场压力、静电力等耦合作用[9-10]，所以测量结果必定会存在一定的误差范围。本研究所采用的测试装置为石河子大学机电学院实训中心的PS-20型物料临界速度试验台(见图2)；试验所用的残膜为随机采集大田作物里已经使用时间较长的农用地膜，对试样不进行处理保持原来状态。由于采集来的农用地膜存在不同的形状，因此在测量残膜的面积方法上，本研究将残膜展开后的最大尺寸选为长度尺寸，则与长度方向垂直的最小尺寸为残膜的宽度，最后进行残膜悬浮速度的测定。本研究借助于试验统计软件SPSS对试验结果进行分析，其结果如表1～表3所示。

1.风机 2.风管 3.孔板式节流装置 4.支架 5.稳压管 6.筛网 7.试验段 8.静压测嘴

序号残膜面/mm2残膜悬浮速/m·s-11840.1922400.413480.3241350.175790.8261830.7672750.7382180.6591930.3210570.29

表2 残膜面积与残膜悬浮速度的相关性

Table 2 Correlation between residual film area and suspended velocity of residual film

残膜面积悬浮速度残膜面积Pearson相关性显著性(双侧)N110-0.3980.25410悬浮速度Pearson相关性显著性(双侧)N-0.3980.25410110

表3 残膜的悬浮速度与其质量的关系试验

续表3

由表2可知：残膜悬浮速度和残膜面积的相关系数为R=-0.398，两者呈负相关；从显著性(双侧)可知0.254 > 0.01，因此两者的相关性程不显著。

残膜面积与残膜悬浮速度的散点图如图3所示，相关性性如表4所示。

图3 残膜面积与残膜悬浮速度的散点图

由图3可知：两者不呈线性关系，残膜的悬浮速度与残膜面积大小没有相关性。

表4 残膜面积与残膜悬浮速度的相关性

Table 4 Correlation between residual film area and suspended velocity of residual film

残膜质量悬浮速度/m·s-1残膜质量Pearson相关性显著性(双侧)N1100.980**0.00010

续表4

**.在0.1水平(双侧)上显著相关。

由表4可以看出：残膜的悬浮速度与残膜的质量有很大的相关性，其相关系数为R=0.980，两者程正相关；从显著(双侧)可以得知0.00 < 0.01，因此两者程显著相关。

图4 残膜质量与残膜悬浮速度的拟合图

残膜质量与残膜悬浮速度的拟合图如图4所示。由图4可清楚地看到两者呈线性关系，其线性方程为

y=0.661x-0.658

(8)

基于以上分析可知：残膜的悬浮速度与残膜的质量有显著相关性，而与残膜的面积之间没有显著的相关性。

2.3 残膜的吸附特性

当夹持板把夹持的残膜输送到气力脱膜装置的气流出口处时，由于残膜具有易吸附特点，在气流速度大小不足时残膜将不会被吹落掉，进而会缠绕在运动的夹持板上，最终影响残膜的回收率[11-13]。因此，研究残膜的吸附性对气力脱膜确定气流作用于残膜的相对速度有重要意义。本文针对不同材质制作的夹持板探究残膜对其吸附特性的差异，进而得出利于气力脱膜的夹持板的最佳材料。本文主要对铁质材料、橡胶帆布材料和硬质塑料材料制成的夹持板进行研究。通过试验装置测得以上3种材料制成的夹持板，其在气力脱膜时气流速度大小与残膜脱净率之间的关系如表5所示。

表5 不同材料残膜脱净率与风速大小的关系

Table 5 Different materials plastic film off the net rate relationship with the size of the wind speed

(a)铁质材料制成的夹持板

(b)塑料材料制成的夹持板

(c)橡胶帆布材料制成的夹持板

由表5 可知：采用铁质材料制作的夹持板对脱膜效果较差，采用塑料材料和橡胶帆布材料制成的夹持板对脱膜效果较好。但是，考虑到田间实际作业的情况，采用塑料制作的夹持板容易遭到破坏，则不宜选用。最后，综合考虑选橡胶帆布材料制作的夹持板为最佳材料。当采用橡胶材料制作夹持板进行作业时，结合实际田间试验最终确定气流风速大小选为10.5m/s时对脱膜较适宜。根据公式(7)可得气力脱膜所需的临界气流作用力，公式中 VL=2.2m/s，v=10.5m/s，m=5.01×10-3kg，g=9.8N/kg，则脱膜最小气流作用力大小为

因此，气力脱膜的所需的气流作用力至少为1.12 N。

3 试验验证

2015年11月20日，在新疆生产建设兵团农八师143团10连棉花收获后的棉田中进行了田间验证试验。试验对各个气流出口处的气流作用力大小进行多次测定，结果表明：当气流出口处的气流作用力大小为1.35N时，能够很好地满足脱膜作业要求。这与理论计算所得的一致，验证了理论计算的正确性。

图5 田间试验

4 总结

1)通过残膜的悬浮特性试验，得出了残膜的悬浮速度与残膜的质量呈正相关，而与残膜的面积没有相关性。

2)通过残膜的吸附特性试验，得出采用橡胶材料制作的夹持板用于刮送残膜对于气力脱膜效果较好。

3)通过田间试验表明：当气力脱膜所需气流作用力为1.35N时，该夹持式残膜回收机能够很好地满足其作业要求。

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Abstract： Aiming at the existence of farmland residual film recycling membrane complex and take off the film effect is not ideal, which the author researches and designs a new kind of clamping type residual film recycling and the use of pneumatic stripping machine. First, through the use of aerodynamics and a method of testing the binding properties of plastic film material and relevant characteristics, focusing on the gas flow required stripping strength of the size of the study. Then, a field test verification.Finally, the results showed that: when the rubber material holding plate in the size of the force is 1.35N when airflow, can satisfy the operational requirements stripping.In addition,this research can be developed for other about membrane impurity separation and strength to take off the film residual film recycling machinery to provide the reference.

ID:1003-188X(2017)04-0051-EA

Research on Air Force Separating Residual Film and Material Properties of the Film

Duan Wenxian, Wang Jikui, Ming Guang, Li Yang, Gong Hehe, Niu Hailong, Luo Wei

(Electrical and Mechanical College, Shihezi University, Shehezi 832000,China)

plastic film residue recovery; air force separating residual film; material properties of membrane

2016-03-21

国家自然科学基金项目(51465050)

段文献(1988-)，男，山东聊城人，硕士研究生，(E-mail)dwx342977542@126.com。

王吉奎(1970- )，男，新疆玛纳斯人，教授，(E-mail)shzwjk@126.com。

S223.5

A

1003-188X(2017)04-0051-04