纸筒式膜土两级分离回收机设计与试验

马浏轩,靳文停,黄德臣,魏晓蕾,廖裴彬

(佳木斯大学 机械工程学院,黑龙江 佳木斯 154007)

0 引言

农用地膜覆盖技术是经济作物增产的有效途径之一[1]。目前,农业地膜原料的主要组成部分为聚乙烯,在自然条件下聚乙烯这种高分子聚合物难以达到自我降解,若不及时对地膜处理会导致土壤分层及破坏土壤物理性质等一些系列问题,且减少种子发芽率、破坏作物根系生长,从而减少农作物产量[2]。为解决地膜对土地的危害,国外采用以下两种方法:一是采用厚度和抗拉伸强度较高的高质量地膜;二是加大对新型可降解地膜的开发。国内则大多采用地膜回收机,且相关部门及各高校研制了各具特色地膜回收机具。以捡拾部件结构形式分类,主要有齿杆链耙式、弹齿滚筒式、密排齿式及钉齿刺式等[3-8]。上述几种回收机针对泥土量较多的地膜时,不易土膜分离,导致回收时松散,回收后不可再利用,且缠绕捡拾部件,导致扯断和回收率低。本文设计的纸筒式膜土两级分离回收机,采用膜土两级膜土分离装置与输送带配合使用,将膜上泥土碾碎、抖落,较好地解决了泥土附着带来的问题,具有工作原理简单、方便操作、回收地膜可再利用或可直接带筒处理等优点。

1 结构及工作原理

1.1 结构

纸筒式膜土两级分离回收机由捡拾装置、膜土一级分离装置、悬挂装置、输送带、膜土二级分离装置及纸筒收集装置等组成,如图1所示。其中,捡拾装置包括齿爪式起膜铲、膜铲角度调节器;膜土一级分离装置、膜土二级分离装置主要由上尼龙辊(表面具有胶钉)、下尼龙辊(表面具有沟槽)、主动齿轮及被动齿轮等组成,膜土一级分离装置较膜土二级分离装置上下尼龙辊间距大;纸筒收集装置由纸筒动力辊、卷膜辊、硬纸筒及弹簧等组成。

1.2 工作原理

纸筒式膜土两级分离回收机工作过程如下:回收机通过悬挂装置与拖拉机连接,地膜被齿爪式起膜铲挑起,并沿起膜铲向上滑移从而脱离土层;当地膜达到膜土一级清理装置被上下相对转动的尼龙辊咬取实现第1次碾压,将地膜上附着的较大土块初步破碎,实现地膜与土的第1次分离;地膜被部分带有倒钩的倾斜输送带向上输送,膜上破碎的土块在向上输送过程沿输送带缝隙落下;当地膜被输送到膜土二级清理装置时进一步对残存的较小土块进行压碎实现第2次膜土分离;第2次膜土分离完成后,地膜沿导流板下滑,地膜在重力作用下运动到下方的地膜收集装置中,缠绕在可更换的硬纸筒上。

2 主要部件设计计算

2.1 捡拾装置

捡拾装置采用齿爪式起膜铲,宽度1 400mm,工作宽幅1 300mm,可以将3～5cm深度以上土壤松动并将地膜铲出;齿尖采用圆角(R=1.5mm),在增加对涂层作用力的同时使粘连的土壤有效落下,且减少了捡拾装置的入土难度;齿间距为100mm,可保证降低地膜遗漏率的同时减少土壤对齿爪的阻力[9]。在捡拾装置两侧的机架上安装了膜铲角度调节器,以适应不同工作条件。

根据齿爪式起膜铲受力分析(见图2)建立平衡方程为

Fcosα-f-Gsinα=0

(1)

FN-Gcosα-Fsinα=0

(2)

f=μ1FN

(3)

式中F—地膜与土壤沿铲面移动所需力(N);

α—入土角(°);

G—铲面上膜土的重力(N);

f—铲面与膜土之间的摩擦力(N);

μ1—铲面与膜土之间的摩擦因数;

FN—铲面对膜土的支持力(N)。

由式(1)～式(3)整理得

(4)

根据式(4)可知:入土角α过大,齿爪式起膜铲的入土性能增强,但前进阻力增大。根据不同土壤,调节不同入土角。根据经验,取入土角α=12°～36°时效果较好。

2.2 纸筒收集装置

纸筒收集装置中,纸筒通过轴承座安装在两侧机架的滑道上,可沿滑槽移动,其轴端的卷膜辊与纸筒动力辊在同一平面。轴承座一端与弹簧连接,另一端卷膜辊与纸筒动力辊紧靠,靠近力为弹簧张力,纸筒动力辊以与前进速度相等的线速度通过摩擦力传给卷膜辊,使纸筒转动完成卷膜工作。随着地膜缠绕,纸筒直径增加使地膜出现拉伸现象,阻力矩不断加大;当阻力矩大于卷膜辊的最大摩擦力矩时,纸筒动力辊与卷膜辊打滑,纸筒停止卷膜;随着机组继续前进,地膜又呈松弛状态,阻力矩减小,卷膜辊与纸筒动力辊又恢复摩擦传动状态,纸筒转动卷膜。该机设计卷膜近500m,卸下硬纸筒与地膜组合体[10],更换硬纸筒,循环上述步骤继续工作,直至收完指定工作面积。由于采用摩擦驱动方式卷膜,防止了地膜堆积和断裂,保证了卷膜过程的连续性[11]。

图2 齿爪式起膜铲受力分析图

纸筒收集装置受力分析如图3所示。

f′=μ2×T′

(5)

0

(6)

式中T—当年回收0.01mm地膜的极限拉伸力(N);

T′—纸筒动力辊对卷膜辊的正压力(弹簧对卷膜辊的正压力)(N);

μ2—橡胶与橡胶间摩擦因数,取μ2=0.5;

f′—卷膜辊与纸筒动力辊间的摩擦力(N)。

图3 纸筒收集装置受力分析图

根据参考文献[12]可知:当年回收0.01mm地膜的极限拉伸力为0.99N[12]。所以,由式(5)、式(6)可知

当卷膜辊对弹簧的正压力大于0N、小于1.98N时,硬卷膜辊与纸筒动力处于摩擦状态,卷膜辊转动带动硬纸筒旋转缠绕地膜。

3 试验

3.1 试验目的

为确定纸筒式膜土两级分离回收机在作业环境中最优参数组合,以机组前进速度、输送带长度及输送带倾斜角为因素进行田间试验。

3.2 试验设计

通过对纸筒式膜土两级分离回收机进行定量分析,将膜土分离率确定为纸筒式膜土两级分离回收机试验指标。试验选用3因素3水平回归正交试验,因素依次设置为机组前进速度(A)、输送带长度(B)、输送带倾斜角(C)。在前期准备工作的基础上,确定试验因素水平如表1所示。

表1 试验因素水平表

3.3 试验结果

地膜回收作业中针对膜土分离得出膜土分离率,结果如表2所示。

表2 试验结果

表2 试验结果

3.4 方差分析

利用Design-Expert8.0.6软件进行相应分析,得到响应曲面模型的方差分析结果,如表3所示。

表3 方差分析结果

由表3可知:A、B、C、AB、AC、A2、C2显著性水平P<0.050 0,表明上述因素对膜土分离率的影响显著;其余项的P>0.100 0,对膜土分离率的影响不显著。根据F值越大对目标函数影响越明显,可以得到各因素的影响顺序为:机组前进速度>输送带倾斜角>输送带长度。

在可信度为0.05的前提下,经F值检验,得到膜土分离率的回归方程为

Y=79.10-6.25X1-0.87X2+1.48X3+1.09X1X2+

0.10X1X3-0.09X2X3-0.54X12+0.78X22-0.02X32

(7)

式中Y—膜土分离率(%);

X1—机组前进速度(km/h);

X2—输送带长度(m);

X3—输送带倾斜角(°)。

3.5 膜土分离率曲面分析

考虑到纸筒式膜土两级分离回收机机组前进速度、输送带长度和输送带倾斜角对膜土分离率交互作用的影响,且由表3可知只有AB、AC交互作用对膜土分离率影响显著,为此对其进行了响应曲面分析。交互因素对膜土分离率的响应曲面如图4所示。

由图4(a)可知:机组前进速度在一范围内,膜土分离率随输送带长度的增加呈现逐渐增强的趋势,但输送带不宜过长,否则输送时间过长,影响回收效率;输送带长度在一范围内,膜土分离率随机组前进速度的增加呈现逐渐减弱的趋势,机组前进速度不宜过慢或过快,过慢泥土经过膜土分离装置容易被压实,过快容易扯断或漏膜,降低回收率。由图4(b)可知:机组前进速度在一范围内,膜土分离率随输送带倾斜角的增加呈现先增强后减弱的趋势;输送带倾斜角在一范围内,膜土分离率随机组前进速度的增加呈现逐渐减弱的趋势,机组前进速度过大,地膜通过膜土两级分离装置及输送带时间短,从而降低膜土分离率。

4 结论

1)纸筒动力辊与卷膜辊之间依靠摩擦传动使硬纸筒产生动力缠绕地膜,在纸筒动力辊与卷膜辊摩擦、打滑作用下解决了堆积、扯断的现象。

2)膜土两级分离装置与输送带配合使用,实现膜土分离。地膜收集时使用一次性硬纸筒,收集后地膜呈筒状卸下,回收后成筒地膜可以再利用或直接带筒直接处理。

3)通过方差分析与相应曲面分析,确定了膜土分离率与各试验因素之间主次关系,得出各因素影响膜土分离率的顺序为:机组前进速度>输送带倾斜角>输送带长度。