气吸式残膜回收除杂一体机试验研究*

许宁，康建明，张恒，彭强吉，张春艳，张宁宁

(山东省农业机械科学研究院，济南市，250100)

0 引言

地膜覆盖栽培技术自20世纪70年代末引入我国以来[1]，因其具有增温保墒、抑制杂草，提高粮食产量、显著改变农业生产方式的作用[2-3]，自开始应用至今短短40年，该技术已从北方干旱、半干旱地区扩展到南方高山、冷凉地区，覆膜作物种类也从最初的经济作物扩大到棉花、玉米和水稻等大田作物。据统计，目前我国地膜覆盖面积已超过2 000万hm2，地膜产量和覆盖面积均为世界第一[4]。然而，随着地膜覆盖面积的逐年增加，越来越多的残膜滞留田间，破坏土壤结构，阻碍水肥移动，影响种子发芽率和根系的正常生长，造成的“白色污染”已严重威胁到我国农业生产的可持续发展[5]。

目前多数农户对残膜选择就地焚烧处理，不仅产生有毒烟气造成“二次污染”，且浪费残膜资源、易形成火灾隐患，是个亟需解决的问题[6]。农田残膜污染问题已经引起政府有关部门的重视，我国2014—2019年的中央一号文件均提出要加大残膜污染的防治力度,开展残膜回收利用等试点工作[7]。农业农村部也将残膜资源化利用列为打好农业面源污染防治攻坚战工作目标“一控两减三基本”的重点内容之一。但从我国的基本国情分析，若单纯依靠人工对农田残膜进行捡拾回收，存在捡拾成本高、效率低的问题，采取机械化回收的方式能显著提高残膜的回收率。

国外为防止残膜污染，推广使用高强度、耐老化地膜，回收以卷收式为主，回收后的地膜可循环使用[8]。近几年，国内科研院所已研制出滚筒式[9]、弹齿式[10]、网链式[11]、耙齿式[12]、振动筛式等残膜回收机械，在一定程度上解决了残膜的机械化回收问题，但仍存在残膜捡拾率低、回收后的残膜中含有大量碎土块、秸杆等杂质的问题。

为解决上述问题，课题组前期完成了对气吸式残膜回收除杂一体机的初步研制，但对其作业参数与性能还没有进行深入的研究分析。为此，本文结合田间试验进一步对样机工作参数与其作业性能指标(残膜捡拾率)之间的关系进行试验研究与优化。

1 气吸式残膜回收除杂一体机结构及工作原理

1.1 气吸式残膜回收除杂一体机结构

气吸式残膜回收除杂一体机主要由悬挂装置、机架、秸秆粉碎还田装置、割膜装置、传动装置、行走装置、起膜装置、输膜装置、镇压装置、盖板、脱膜装置、吸膜除杂装置、集膜装置等组成，其结构见图1，主要技术参数见表1。

图1 气吸式残膜回收除杂一体机结构示意图

表1 气吸式残膜回收除杂一体机主要技术参数

1.2 工作原理

工作时，拖拉机经悬挂机构将动力传递给气吸式残膜回收除杂一体机，首先利用秸秆粉碎还田装置将作物秸秆打碎进行回收，之后利用割膜装置将大片的地膜切成小片，便于后续的残膜捡拾以及膜杂分离。被切割成片状的残膜及部分秸秆杂质在捡拾弹齿的作用下被挑起并源源不断的被输膜链耙送往脱膜装置，然后在脱膜装置的作用下膜杂混合物从弹齿上脱落，在下落的过程中，由于膜杂混合物中残膜和秸秆等杂质在空气介质中的沉降规律不同，在吸膜除杂装置的作用下产生一个大于残膜悬浮速度而小于棉杆等杂质悬浮速度的气流速度，残膜会被离心风机产生的负压吸走，经离心风机及风管进入集膜装置，而秸秆等杂质会掉落在杂质输送带上，从而完成残膜的捡拾和分离工作。

2 捡拾弹齿的运动分析及关键装置介绍

2.1 捡拾弹齿运动分析

如图2所示，取弹齿链转动的轴心O点为坐标原点，x轴与样机前进方向相同，y轴垂直向上，以C轴水平方向为初始相位，样机以速度v2匀速前进，弹齿链以角速度ω匀速旋转，经时间t后，捡拾弹齿转过θ(θ=ωt)角，捡拾弹齿齿尖A的运动轨迹为L。

捡拾弹齿齿尖A的运动方程

(1)

残膜不漏挑的条件

sa=sb≥s0

(2)

将y=-R+h代入式(1)可得

(3)

(4)

将式(4)代入式(1)可得

(5)

(6)

图2 两相邻弹齿运动轨迹示意图

由图2可以看出：Sb=Sa=x1-x2

(7)

将式(5)和式(6)代入式(7)得

(8)

(9)

同理可得

(10)

将式(9)代入式(8)得

(11)

(12)

欲使Sa-S0≥0，则

(13)

由式(13)可求得

(14)

(15)

式中：v2——作业机的前进速度，m/s；

n——弹齿链的转速，r/min；

w——弹齿链转动角速度，rad/s；

h——捡拾弹齿的入土深度，m。

前期研发的弹齿式残膜回收机实地试验得出的较优经验参数：h=0.02 m，R=180 mm，v2=5 km/h，将其代入式(15)，可得弹齿链转速n≥221.5 r/min。

2.2 割膜装置

针对残膜与秸秆等杂质易缠绕造成含杂率较高的问题，通过增设割膜装置对大片的残膜进行切割，小片的残膜利于后期的膜杂分离，割膜装置主要由连接板、支撑轴、圆筒、割刀等部分组成，根据覆膜宽度为1 800 mm,初步设计圆筒长1 800 mm,直径280 mm,割刀长470 mm，宽170 mm，割刀成螺旋均匀分布于圆筒上，其结构见图3。

图3 割膜装置结构示意图

2.3 吸膜除杂装置

由于捡拾弹齿在捡拾残膜的过程中同时将大量的秸秆等杂质一起捡拾，造成机械化回收后的残膜中含有大量秸秆、碎土块等杂质。为了尽量减少捡拾后残膜中的秸秆等杂质，增设了吸膜除杂装置，利用残膜和秸秆等杂质在空气介质中的沉降规律不同，在吸膜除杂装置的作用下产生一个大于残膜悬浮速度而小于秸秆等杂质悬浮速度的气流速度，残膜会被离心风机产生的负压吸走，经离心风机及风管进入集膜装置，而秸秆等杂质会掉落在杂质输送带上，从而完成残膜的捡拾和分离工作。吸膜除杂装置主要由离心风机、集风罩板、杂质输送装置、脱膜装置等组成，依据前期的经验参数，初步设计输送带宽280 mm,长2 600 mm，脱膜装置的毛刷安装板长2 260 mm，宽60 mm，离心风机出风口风管截面长300 mm，宽240 mm，其结构见图4。

图4 吸膜除杂装置结构示意图

2.4 集膜装置

捡拾后的残膜质地松散，为保证样机连续作业并能有效回收残膜，加装了增大的集膜装置。集膜装置主要由集膜箱、输膜入口、液压升降机构等组成，为减少停车卸膜的次数，初步设计集膜箱长2 600 mm,宽1 300 mm，上侧是开孔的盖板，方便气流排出，其结构见图5。此装置利用液压升降机构实现集膜箱的翻转卸膜，从而将捡拾后的残膜卸到货斗内，便于运到残膜回收处理加工点进行相应的分选处理，最终实现残膜的回收再利用。

图5 集膜装置结构示意图

3 气吸式残膜回收除杂一体机性能试验

3.1 试验条件及设备

2020年4月在山东省济南市章丘区的山东省农业机械科学研究院试验基地按照国家标准GB/T 25412—2010《残地膜回收机》规定的试验方法进行气吸式残膜回收除杂一体机田间作业性能试验，如图6所示。试验基地土壤含水量约为12.6%，地膜厚度为0.01 mm。选取样机作业后的残膜捡拾率作为气吸式残膜回收除杂一体机作业性能的主要评价指标。

试验设备主要包括：HSTL-TRCS02-3型便携式土壤水分测定仪(华控兴业，精度±3%)、手持热敏式风速仪(风速测量范围：0～30 m/s，风速测量误差：±1%，)UT372高精度非接触式转速仪(测量范围：0～999 99 r/min,转速测量精度0.04%±2)、秒表(测量精度：0.01 s)、卷尺(测量精度：1 mm)、天平(测量精度：10 g)、铁锹等。

图6 气吸式残膜回收除杂一体机田间试验

3.2 试验方案设计

选取前进速度A(3～6 km/h)、弹齿链转速B(225～240 r/min)、风机转速C(1 900～2 200 r/min)作为试验因素，以气吸式残膜回收除杂一体机作业后残膜捡拾率Y1作为样机作业性能评价指标。

(16)

式中：ma——试验区内残膜的总质量，g；

mb——集膜箱内回收的残膜质量，g。

通过驾驶员更换档位及油门控制实现样机前进速度的改变，通过更换不同传动比的齿轮改变弹齿链的转速，离心风机转速的改变可以通过调节变频电机的频率实现。气吸式残膜回收除杂一体机性能试验的试验因素与水平如表2所示，选用L16(45)正交表进行正交试验[13]，每个试验重复3次，取平均值。各试验因素对样机作业后残膜捡拾率Y1的影响结果如表3所示。

表2 试验因素与水平

表3 试验方案与结果

3.3 极差分析

由表3中的试验结果和极差分析可知，离心风机转速的极差为3.4，对样机作业后残膜捡拾率影响较小，弹齿链转速和前进速度两个因素的极差较大分别为8.8、5.0，是对试验影响较大的两个因素。3个因素对试验结果的影响为：B>A>C，即弹齿链转速>前进速度>离心风机转速。通过直观分析法对试验结果进行分析，各因素水平对残膜捡拾率的影响顺序为A3>A1>A4>A2，B1>B2>B4>B3，C1>C2>C4>C3，其最优组合方案是B1A3C1。即弹齿链转速为225 r/min，前进速度为5 km/h，离心风机转速为1 900 r/min。

3.4 方差分析

正交试验设计的极差分析可以简单直观的描述各试验因素对残膜捡拾率的影响顺序，同时具有计算量小等优点，但极差分析对误差的大小不能估计，无法准确地估计各试验因素对残膜捡拾率影响的重要程度，这就需要进行方差分析[14]，选用DPS数据处理系统进行方差分析，结果如表4所示。

由表4分析和各试验因素P值可知，A(前进速度)、B(弹齿链转速)对残膜捡拾率有极显著影响，C(离心风机转速)对残膜捡拾率有显著影响，各试验因素对残膜捡拾率影响的重要程度由大到小依次为:B(弹齿链转速)、A(前进速度)、C(离心风机转速)，和极差分析结果相同。

表4 残膜捡拾率方差分析

3.5 试验验证

2020年5月在山东省滨州市无棣县西黄一村机采棉试验基地按照国家标准GB/T 25412—2010《残地膜回收机》规定的试验方法进行气吸式残膜回收除杂一体机田间作业性能实地试验验证。试验基地面积为20 hm2，土壤含水量约为12.6%，采用一膜三行机采棉种植模式，种植行距为500 mm，株距95 mm，棉杆高度在750～850 mm之间，试验地膜覆盖时间约210 d，厚度为0.01 mm。以弹齿链转速为225 r/min，样机前进速度为5 km/h，离心风机转速为1 900 r/min进行3次实地验证试验，残膜捡拾率、残膜含杂率分别通过公式(16)～式(17)计算，试验结果见表5。

(17)

式中：mc——集膜箱内物料的总质量，g；

md——集膜箱物料中的杂质质量，g。

表5 实地验证试验测试结果

由表5可得残膜捡拾率平均值为91.6%，残膜含杂率平均值为10.5%。气吸式残膜回收除杂一体机捡拾效果见图7。

图7 气吸式残膜回收除杂一体机实地验证试验效果图

4 结论

1) 本文通过增设割膜装置、吸膜除杂装置、集膜装置，研制了一种气吸式残膜回收除杂一体机，并对弹齿链上捡拾弹齿的运动轨迹进行计算分析，从而确定了残膜不漏挑的条件：弹齿链转速n≥221.5 r/min。

2) 结合正交试验设计原理，选用L16(45)正交表对气吸式残膜回收除杂一体机进行捡拾性能试验，通过正交试验极差分析和方差分析得出影响残膜捡拾率的因素由大到小依次为:B(弹齿链转速)、A(前进速度)、C(离心风机转速)，其最优组合方案是B1A3C1。即弹齿链转速为225 r/min，样机前进速度为5 km/h，离心风机转速为1 900 r/min。

3) 实地试验验证当弹齿链转速为225 r/min，样机前进速度为5 km/h，离心风机转速为1 900 r/min时，样机捡拾作业后残膜捡拾率为91.6%，残膜含杂率为10.5%，可为残膜回收相关设备的研发提供参考。