1MSD-1.1型殘膜回收機關鍵部件設計與試驗*

王文麗，畢方淇，李志，張立凱，宮玉敏，陳金利

(淄博市農業機械研究所,山東淄博,255086)

0 引言

為達到增產、增收效果,在我國東北、華北、西北等旱作地區,地膜覆蓋栽培技術得到廣泛應用。據統計,2021年,我國地膜使用量1 320 kt,地膜覆蓋面積17 282.2 khm2[1]。隨著使用年限的增加,地膜帶來的負面影響越來越凸顯出來,如自然分解時間極長,影響土壤的理化性質,影響農作物的生長發育和可持續發展等[2-6]。

然而,農戶的地膜回收意愿雖高,行動卻很少[7-9],單純依靠農戶撿拾地膜,很難達到地膜治理要求,地膜機械化撿拾勢在必行。經過多年研究,殘膜回收機撿拾方式已發展為包括彈齒式、滾筒式、釘齒式、齒鏈式和篩網式等多種方式[10-13]。其中,武靈燕等[14]通過試驗探究了適宜回收的地膜厚度,發現0.015 mm以上地膜回收特性較好,且厚度越大,地膜縱、橫向斷裂伸長率保留率較好。然而,現有殘膜回收機在作業過程中,依然存在回收深度較淺、無法回收耕層內殘膜的問題[15-18]。國外對于殘地膜的研究較少,研究地區也多針對中國區域,這是因為國外大量采用可降解地膜,但是由于國內可降解地膜推廣較晚,價格較高,暫時還沒有大面積應用,而難降解地膜在土壤內大量堆積,依然需要采用人工或機械的方式進行回收[19-22]。

針對深層殘膜回收問題,研發了1MSD-1.1型殘膜回收機。該機適用于北方褐土區域玉米、花生田殘膜回收,回收前需要清除作物殘茬。工作時,通過調節牽引限深輪的高度,使深松鏟進入耕層進行翻松,滾筒式地膜撿拾機構和殘膜撿拾機構分別對地膜和殘膜進行撿拾,有效回收耕層內殘膜。

1 1MSD-1.1型殘膜回收機結構與工作原理

1.1 整機結構

1MSD-1.1型殘膜回收機整機結構如圖 1 所示,主要包括機架、牽引限深輪、深松鏟、滾筒式地膜撿拾機構、地膜輸送收集機構、殘膜撿拾機構、殘膜輸送機構、破碎收集機構、收集壓縮倉、雜物收集倉、行走輪組成。

其中,牽引限深輪用于調整整機入土深度,調整范圍200～250 mm;深松鏟用于翻松土層;滾筒式地膜撿拾機構由液壓馬達驅動,轉速可調節,用于撿拾地膜;地膜輸送收集機構用于運輸和收集地膜并將其輸送到收集壓縮倉;收集壓縮倉可在工作結束后,將松散的地膜壓實,便于轉運和處理;殘膜撿拾機構用于撿拾翻松土層中夾雜有殘膜的大塊土壤;殘膜輸送機構將這些土塊輸送至破碎收集機構,破碎土塊,篩落土壤,刮纏殘膜,并將雜物收集至雜物收集倉;行走輪在拖拉機的牽引下,支撐殘膜回收機的重量,保證機器沿地面運行。

1.2 工作原理

1MSD-1.1型殘膜回收機由拖拉機牽引至作業地塊,首先調節牽引限深輪高度。作業時,拖拉機牽引殘膜回收機延地膜鋪設方向前進,同時,通過動力輸出裝置(Power Take-Off,PTO)將動力傳遞到地膜輸送收集機構、殘膜輸送機構和破碎收集機構,然后通過拖拉機液壓系統帶動滾筒式地膜撿拾機構處的液壓馬達,液壓馬達驅動滾筒式地膜撿拾機構轉動,撿拾殘膜。具體工作分為兩級,分別為地膜撿拾和殘膜撿拾。

地膜撿拾流程為:調整牽引限深輪,到達指定深度后,拖拉機開始前進并帶動相關機構工作。此時,土壤耕層經由深松鏟將土壤翻松,但不改變土層,翻松后凸起的土層將地膜抬起,滾筒式地膜撿拾機構的挑膜齒將地膜挑起,送入地膜輸送機構,地膜最終進入收集壓縮倉。

殘膜撿拾流程為:地膜被撿拾后,耕層土壤中包含殘膜的土塊被撿拾機構鏟起,由于北方土壤屬于褐土,黏性較大,塊狀結構多,這些夾雜有殘膜的土塊進入殘膜輸送機構,后輸送至破碎收集機構,破碎收集機構通過旋轉破碎土塊,刮纏殘膜,殘膜將附著在破碎收集機構上,完成殘膜回收,如果土塊內有其他大塊雜質,將被甩入雜物收集倉。

1.3 主要技術參數

結合當前市面鋪膜機地膜鋪設模式[23-24]、現行地膜標準[25]和殘地膜回收機標準[26]等,確定殘膜回收機的主要技術參數,如表1所示。

表1 1MSD-1.1型殘膜回收機技術參數Tab. 1 Technical parameters of 1MSD-1.1 residual plastic film collector

2 關鍵部件設計及參數計算

2.1 深松鏟設計及牽引阻力計算

深松鏟如圖2所示,該機構工作時,扎入土壤耕層,將深層土壤上下翻松,但不亂土層。

圖2 深松鏟

深松鏟工作時,對設備前進造成一定牽引阻力。其阻力還沒有形成具體公式[27],多由試驗得出。為此,參照前人研究,取單個深松鏟在入土深度0.35 m時,阻力值5.66 kN。

參考齊關宇等建立的關于入土深度與牽引阻力回歸公式如式(1)所示。

y=59x2-12.28x+1.034 3

(1)

式中:y——牽引阻力,N;

x——入土深度,m。

由式(1)可得,在入土深度為0.25 m時,5個深松鏟總牽引阻力

Pt=5×5.66×

≈11.8 kN

因此,全部深松鏟工作時總阻力約為11.8 kN。

2.2 殘膜撿拾機構設計及牽引阻力計算

殘膜撿拾機構如圖3所示,該機構工作時,扎入土壤耕層,將深松鏟翻松的土塊鏟起時,翻松的土壤會反作用于殘膜撿拾機構,形成牽引阻力。

圖3 殘膜撿拾機構

殘膜撿拾機構牽引阻力計算公式如式(2)所示[28]。

Rc=SLρgtan(α+φ)+KS

(2)

(3)

式中:Rc——殘膜撿拾機構牽引阻力,N;

S——土壤沉切面積,m2;

L——殘膜撿拾機構長度,0.6 m;

ρ——土壤密度,取1 500 kg/m3;

g——重力加速度,取9.8 m/s2;

α——殘膜撿拾機構傾角,取24.6°;

φ——內摩擦角,取26°;

K——犁溝土壤比阻,取中等結實土最大值,30 kPa;

b——殘膜撿拾機構實際幅寬,0.42 m;

d——入土深度,0.25 m;

β——前失效面傾角,取34°。

經計算

Rc=0.187 5×0.42×1 500×9.8×tan(50.6°)+

30 000×0.187 5

≈7.03 kN

2.3 滾筒式地膜撿拾機構設計

本文設計的滾筒式地膜撿拾機構如圖4所示,內部為直線往復結構,該結構主要由滾筒、曲軸、連接鉸鏈、挑膜齒組成。挑膜齒安裝在滾筒內的曲軸上,隨滾筒一同轉動。當轉至滾筒左上方時,挑膜齒逐漸露出滾筒壁,轉至滾筒底部時,挑膜齒達到最大外露長度,扎入土壤和地膜,隨著滾筒繼續轉動,挑膜齒將地膜挑起,并逐漸收縮,直至回到左上方時,挑膜齒完全收回,地膜被地膜輸送收集機構刮下并運輸。

圖4 滾筒式地膜撿拾機構

其中,滾筒直徑600 mm,挑膜齒共6排,每排5根,直徑16 mm,最大伸出長度90 mm。

當滾筒式地膜撿拾機構工作時,挑膜齒插入土中,會形成牽引阻力,其計算公式如式(4)所示。

(4)

式中:F3——挑膜齒牽引阻力,N;

n——挑膜齒個數,8;

k——耕比阻,60 000 N/m2;

a——耕深,0.09 m;

w——耕幅,0.016 m;

ηt——牽引力利用系數,0.95。

經計算,挑膜齒造成的牽引阻力

2.4 最小牽引力計算

殘膜回收機與土壤共有5個接觸點,分別為:牽引限深輪、行走輪、深松鏟、滾筒式地膜撿拾機構和殘膜撿拾機構。以此列出最小牽引力計算公式

F≥F1+F2+Pt+Rc+F3

(5)

F1=G1f

(6)

F2=G2f

(7)

式中:F——最小牽引力,N;

F1——行走輪與土壤間摩擦力,N;

F2——牽引限深輪與土壤間摩擦力,N;

G1——作用在行走輪上的重力,13 654 N;

G2——作用在牽引限深輪上的重力,12 108 N;

f——摩擦系數,行走輪、牽引限深輪與土壤之間摩擦系數,取0.1。

由于摩擦系數取值相同,式(6)和式(7)可以合并計算,因此,F1+F2=(G1+G2)f=(13 654+12 108)×0.1≈2.58 kN。

綜上,F≥11.8+7.03+2.58+0.73=22.14 kN。常規58.8 kW拖拉機額定牽引力為22.4 kN,可滿足使用要求。

3 試驗與分析

3.1 試驗基本條件

2022年6月,在淄博市農機研究所花生試驗田進行試驗。過往花生種植壟高12 cm、壟距80 cm、壟面寬50 cm,一壟雙行,行距30 cm,穴距15 cm,地膜厚度0.01 mm,寬度1 m。過往對地膜處理方式為人工收集,但無法收集完整,依然有殘余,旋耕翻地時被翻入耕層內。

為進行殘膜回收機試驗,未種植花生,僅在原試驗田位置覆蓋地膜,以測試試驗效果。

3.2 試驗方案

根據地膜回收核心影響因素和作業標準[26],將殘膜回收機前進速度、入土深度、滾筒式地膜撿拾機構轉動速度作為試驗因素。

滾筒式地膜撿拾機構是地膜撿拾作業的核心機構。殘膜回收機運行過程中,挑膜齒插入地膜后,只有當地膜接觸點線速度與拖拉機行駛速度保持一致時,才能保證地膜在回收時不積壓、不破損,完整回收地膜。但實際操作中,很難保證兩者速度完全一致。為此,當滾筒式地膜撿拾機構線速度大于殘膜回收機前進速度時,地膜可穩定進入回收機內。殘膜回收機前進速度由拖拉機決定,分別為0.6 m/s、0.9 m/s、1.2 m/s,為保證滾筒轉速可匹配殘膜回收機最大前進速度,滾筒線速度應大于1.2 m/s,滾筒轉速不應低于38.2 r/min,最終選擇滾筒轉速為45 r/min、50 r/min、55 r/min。依據作業標準,入土深度不得低于200 mm,考慮能耗因素,入土深度分別為200 mm、225 mm、250 mm。

將表層拾凈率、深層拾凈率、纏膜率作為目標值,進行3因素3水平的Box-Behnken試驗,試驗因素水平編碼表,如表2所示。

表2 試驗因素水平Tab. 2 Level of test factors

根據GB/T 25412—2021[26],測區長度應不少于100 m,測點采用五點法,從測區四個地角延對角線,在四分之一至八分之一對角線長度內隨機確定四個測點的位置,再加上該對角線的焦點,作為作業前的5個測點,然后在作業前的5個測點附近但不重疊的區域再選取5個測點,作為作業后的5個測點。測點長度5 m,寬度為一個作業幅寬。

表層(深層)拾凈率的測定,分別將測區內作業前、后的各5個測點,按地表及土層深度0～100 mm、土層深度100～200 mm兩個層面分別取出地膜和殘膜。將各測點按層取出的地膜和殘膜洗去塵土,晾干后稱其質量。按式(8)分別計算表層拾凈率和深層拾凈率,取平均值。

(8)

式中:C——拾凈率(質量分數),%;

W——作業后的表層或深層地膜和殘膜質量,g;

W0——作業前的表層或深層地膜和殘膜質量,g。

纏膜率通過測定區時機器上纏繞的地膜收集,洗凈晾干后稱其質量,按式(9)計算地膜和殘膜回收纏膜率,取平均值。

(9)

式中:Cm——纏膜率(質量分數),%;

C1——測區內纏繞在機器上地膜的平均值,g。

3.3 試驗結果與分析

3.3.1 試驗結果與數據分析

根據Box-Behnken Design試驗原理,共包括17組試驗,試驗安排與結果如表3所示。

表3 試驗安排與結果Tab. 3 Arrangement and results of test

采用Design-Expert擬合表3中的試驗數據,進行方差分析,建立各因素與目標值之間的二次線性回歸關系模型,回歸模型的顯著性檢驗結果如表4所示。

表4 回歸模型顯著性分析Tab. 4 Significant analysis of regression model

根據表4中P值可發現,殘膜回收機工作過程中,表層拾凈率為目標值時,X1對其影響達到顯著水平,X2、X3、X1X2、X1X3影響極顯著,其他項不顯著。刪除不顯著項后,得到試驗因素與表面拾凈率關系模型為

Y1=82.2-0.651 2X1-1.07X2-0.78X3+1.61X1X2+1.47X1X3

深層拾凈率為目標值時,X1X3、X22對其影響達到顯著水平,X1、X3影響極顯著,其他項不顯著。刪除不顯著項后,得到試驗因素與表面拾凈率關系模型為

Y2=76.704-2.303 75X1-2.651 25X3-1.59X1X3-1.48X22

纏膜率為目標值時,X1、X3、X1X2、X2X3、X12、X22影響極顯著,其他項不顯著。刪除不顯著項后,得到試驗因素與表面拾凈率關系模型為

Y2=9.522+0.642 5X1+0.152 5X2-

0.382 5X3+0.662 5X1X2+0.407 5X2X3+0.53X12+0.445X22

綜上,在殘膜回收機工作時,影響最顯著的兩個因素為前進速度和滾筒轉速,其次為入土深度。結合表4,對于該試驗因素,當入土深度為200 mm時,表層拾凈率反而比250 mm深度時效果要好。通過觀察發現當入土深度為200 mm時,翻起的土層與滾筒之間留有一定空隙,使得挑膜齒可良好與地膜接觸;隨著入土深度增加,該空隙會逐漸減小,當入土深度達到250 mm時,在殘膜回收機行進過程中,該處易發生土壤堆積,堆積的土壤有時會將地膜翻壓入土中,反而不利于地膜的回收。

入土深度對深層拾凈率影響不顯著。通過后續對W0(作業前的表層或深層地膜和殘膜質量)的測定,發現試驗區土壤中地膜主要位于0～140 mm的土層內,這是由于一般中小型旋耕機的耕深在10～15 cm,大型設備耕深15～25 cm,以180旋耕機為例,旱地最大耕深160 mm,即使在旋耕時將地膜打碎帶入土壤中,地膜最大深度也不易超過160 mm,因此,過深的入土深度只會空耗能源,而無法達到更好的撿拾效果。因此,在不同地塊內使用殘膜回收機時,應首先對其土層取樣,確定殘膜主要分布深度,再進行殘膜回收作業。

纏膜率受殘膜回收機前進速度、滾筒式地膜撿拾機構轉動速度影響較大,據推測,這是由于不同的機構運動速度會產生不同的氣流擾動,無論氣流過小或過大,都不利于殘膜在各機構中的運動,進而發生纏膜情況。

3.3.2 地膜撿膜過程分析

滾筒式地膜撿拾機構是地膜撿拾作業的核心機構。殘膜回收機運行過程中,挑膜齒插入地膜后,只有當地膜接觸點線速度與拖拉機行駛速度保持一致時,才能保證地膜在回收時不積壓、不破損,完整回收地膜。試驗過程中,選擇的較快滾筒轉速,雖然有效挑起地膜,但也造成了地膜的破損,從而導致拾凈率下降,破碎的地膜有時會纏繞在其他部件上,進而造成纏膜率的提高。

3.3.3 殘膜撿拾過程分析

破碎收集機構是殘膜撿拾作業核心機構。該機構通過旋轉破碎殘膜輸送機構運輸上來的夾雜有殘膜的土塊,靠外壁上的橫桿破碎土塊,刮纏殘膜。試驗中發現,由于橫桿之間間隙較大,這種方法可以有效回收土壤中體積稍大的殘膜,對于破碎、年份久的殘膜,收集依然較為困難。

4 參數優化驗證

根據之前建立的試驗因素與目標值關系模型,采用Design-Expert中的目標優化法求解最優作業參數,并再次進行試驗。

其中試驗因素約束條件為:前進速度0.6～1.2 m/s,入土深度200～250 mm;滾筒轉速45～55 r/min;評價指標表層拾凈率求得最大值;深層拾凈率求得最大值;纏膜率求得最小值。最終優化得到3個試驗因素參數值分別為:前進速度0.6 m/s,入土深度229 mm,滾筒轉速45 r/min,最佳表層拾凈率85.7%,深層拾凈率80.06%,纏膜率9.98%。

利用求解獲得的最優試驗參數進行田間驗證試驗,最終得到最佳表層拾凈率84.97%,深層拾凈率79.06%,纏膜率10.32%。

5 結論

1) 設計了一款可用于耕層殘膜回收的殘膜回收機,有效實現表層拾凈率≥80%,深層拾凈率≥70%。著重對深松鏟、殘膜撿拾機構、滾筒式地膜撿拾機構進行了結構設計,并計算了其牽引阻力,得出深松鏟工作阻力為11.8 kN,殘膜撿拾機構工作阻力為7.03 kN,挑膜齒造成的牽引阻力為0.73 kN,最小牽引阻力為22.14 kN,可用58.8 kW拖拉機牽引作業。

2) 通過Box-Behnken試驗分析,建立了殘膜回收機前進速度、入土深度、滾筒式地膜撿拾機構轉動速度與表層拾凈率、深層拾凈率、纏膜率之間的關系模型,并分析了各試驗因素對目標值影響顯著性情況。并認為,過大的入土深度不利于殘膜回收。作業前,應首先對作業土層采樣,確定殘膜主要分布深度,再確定作業深度,進行回收作業。

3) 通過Design-Expert獲得了預測最優作業參數(前進速度0.6 m/s,入土深度229 mm,滾筒轉速45 r/min),并進行了試驗,得到表層拾凈率84.97%、深層拾凈率79.06%、纏膜率10.32%的作業結果。