新型殘膜撿拾機構的研究與試驗

高華鋒，張瑞勤，解 燕，劉冬梅，劉加紅，袁會斌，楊麗平，王 猷

(1.云南省煙草公司曲靖市公司，云南 曲靖 655000；2.昆明理工大學，云南 昆明 650093；3.德宏振云科技開發有限公司，云南 德宏 678499)

殘膜撿拾機構是殘膜回收機的關鍵性部件，決定了殘膜收集的效果和設備運行的可靠性，目前國內所采用的殘膜撿拾機構主要采用以下幾種原理：耙齒式、伸縮彈齒式、刮板式、旋耕篩網式、篩土式等。筆者通過對上述機型的機理分析和產品現場測試發現它們普遍存在以下缺陷：撿膜深度較淺，一般不超過5 cm，遠遠達不到實際生產所要求的撿拾深度30 cm的指標；采用格柵、篩網等機械過濾的原理將殘膜與土壤分離，但由于過濾部件網格的物理尺寸固定，而土壤中還共存有大量根茬、石塊、土垡，致使超過網格物理尺寸的物質無法通過，容易造成壅堵；對土壤、地形要求較高，而云南的地形大多為坡地、半坡地，土壤大多為重粘土，導致撿膜部件工作阻力較大，機具作業困難；對碎膜和粘貼、夾雜在土垡表面及內部的殘膜難以撿拾干凈[1-5]。由此看出：現有殘膜撿拾機理并不適用于云南的實際農業生產，必須對現有撿拾機構做出原理性的突破和創新，才能使殘膜回收機的開發具有成效。

1 地膜殘留狀況調查

殘膜撿拾機構的主要功能是將殘膜從土壤中分離出來，所以必須對殘膜在土壤里的存在情況進行分析，為殘膜撿拾機理研究提供依據。

我們選擇云南省有代表性的三種不同土壤性質(砂土、粘土和壤土)的土地各667m2，前三年種植過程中均覆蓋地膜。每種類型的土地以50 cm×50 cm為范圍，采用對角線五點取樣法。以深度0～10 cm，10～20 cm，20～30 cm分別進行三次取樣，每種類型土取樣15個，同時按不同深度的5個取樣混合，形成三個大樣。采用篩網篩土，取出其中的殘膜，清洗干凈、曬干并用電子稱進行稱重。

通過上述實驗和統計總結出以下特點：在各種土壤類型中，各種尺寸的殘膜都有廣泛分布，主要集中在0～30 cm的耕作層，其中5 a以下的殘膜約為3.9 g·m-2，5～10 a的殘膜約為7.3 g·m-2，10 a以上的殘膜約為17.2 g·m-2，而且大多為多年的老化陳膜，即使是人工撿拾也十分困難。壤土中含有的殘膜片數最多，粘土的最少，砂土的居中，我們認為這是對不同土壤的農事勞作習慣造成的：粘質土中農事操作不易，在蓋膜的過程中兩側用較大的土塊壓住，取膜時能將地膜整塊去除，所以殘留的地膜數量相對較少；而壤土需將地膜兩側壓入土中，土壤與地膜牢固地粘接在一起，最終形成碎膜；砂土雖然也是兩側壓土，但粘性較小，對地膜的破壞也小，容易取出。膜在土壤中以獨立存在、表面附著、與土垡板結三種形式存在；新膜與根茬、雜草、陳膜共同存在，甚至互相纏繞，但它們的物理機械性能完全不同。

對于如此復雜的情況，我們認為，僅采用功能單一的傳統殘膜撿拾機構已無實現的可能性，只有將挖掘、破碎、分選等功能集成起來，并對殘膜、根茬、土垡等各種物質實行分類識別和處理，才有實現撿拾的可能性。

2 結構和工作原理

2.1 整體結構

本研究的新型殘膜撿拾機構與拖拉機后部的三點懸掛連接，由拖拉機提供整機行進動力和攪拌刀具的動力，另有一套發電設備和控制系統為風機提供動力和自動控制。主要部件有密封室、攪拌刀具、鼓風機、吸風機、吸風罩、后攔截網、前攔截網等，見圖1。密封室采用五面密閉、后面敞開的結構，在密封室的一側設置三臺鼓風機，另一側設置兩臺吸風機，見圖1a。在攪拌刀具的前后端分別設置前攔截網和后攔截網，攔截網與機架呈一定傾斜角度安裝，見圖1b。

2.2 工作原理

當殘膜撿拾機構在田間作業時，前部的起土鏟將含有殘膜土壤從地面鏟起剝離后移送到輸送帶上，在輸送網帶上方設有一套攪拌刀具，對輸送帶上的土壤進行逆旋耕，并將其拋灑在密封室的吹吸氣流場中，此時有如下現象發生：

首先，攪拌刀具會對大塊土垡做進一步破碎，使夾雜在土垡內部的殘膜得以釋放，并將含膜土壤拋揚到空中，形成繞刀軸軸線的拋物線，在此過程中，由于攪拌刀具轉速較高，能對土壤產生較大的離心力和沖擊力，膜土得以充分分離，使土壤顆粒之間的間隙增大，氣流能充分深入，見圖2(279頁)。

其次，由于殘膜是被土壤夾帶著一起運動，所以它們具有共同的初速度，當到達拋灑的最高點后，土壤和殘膜的速度都變為零，在重力、風力的共同作用下，土垡和較重土壤快速下落，殘膜則按位于土層的位置和形狀的不同，出現明顯的差異性運動：(1)位于拋擲曲線外圍的碎膜很容易從土壤中“逃逸”出來，漂浮在拋擲軌跡的上方，而位于拋擲曲線內部的碎膜則被土壤裹挾著繼續向后運動；(2)位于拋擲曲線外圍的長條殘膜能脫離土壤，向攪拌刀具前方飛出，而位于拋擲曲線內部的長條殘膜則纏繞在攪拌刀軸上；(3)大片殘膜難以脫離土壤束縛，隨土壤一起向后運動，見圖3(279頁)。

1.密封室；2.鼓風機；3.吸風罩；4.吸風機；5.攪拌刀具；6.輸送帶；7.后攔截網；8.前攔截網1.Sealed chamber；2. Blast blower；3. Suction hood；4. Suction fan；5. Rotary blade；6. Conveyor；7. Back interception mesh；8. Front interception mesh圖1 機構整體簡圖和內部示意圖Fig.1 Scheme of the mechanism and interior structure

另外，由于三臺鼓風機產生的鼓入風量始終大于兩臺吸風機的排出風量，根據流體力學原理，在密封室內，輸入風量必須與排出風量相等才能保持平衡，這使得鼓風機產生的風量分為兩條途徑從密封室內排出：一部分通過吸風機排出，其余多余部分則由密封室后部排出，但由于密封室內部存在大量被攪拌刀具拋擲起來的土膜混合物，使吹吸氣流被阻隔、截斷，于是氣流被迫向四周外圍擴散，最終分為四個不同方向流動，實現了自動分風，為不同物理尺寸殘膜的分類處理奠定了基礎，見圖4和圖5。(1)第一部分是位于上部鼓風機的正壓氣流和吸風機的負壓氣流共同作用而形成的吹吸氣流，由于拋起的土壤很少到達這個部位，氣流受到的干擾、阻隔較小，能保持良好的吹吸運動狀態，而且密封室頂罩比較光滑，所以氣流流速很快，根據流體力學的伯努利效應，高速的吹吸氣流能在密封室頂部形成一個風壓較小的區域，將逃離土壤束縛的外部碎膜“吸”上來，再由前向后或向吸風罩方向的氣流分別帶入后攔截網和吸風罩；(2)第二部分是由位于下部的鼓風機產生的正壓氣流，這部分氣流由于被攪拌刀具拋擲土壤所形成的“土墻”所阻礙而向四面散開，風速衰減嚴重，但風壓上升，并與吸風機產生的負壓共同作用，將整個半空中的“土墻”向負壓風機方向推移，有部分氣流能穿透到“土墻”內部，同高速旋轉的攪拌刀具產生的氣流匯聚一起，形成亂流，進一步加劇“土墻”內部土壤顆粒和殘膜之間的無序運動，使膜土分離更加充分；(3)第三部分是鼓風機產生的多余氣流與被“土墻”阻隔的亂流匯合后，在密封室內沒有“出路”，導致密封室內部的風壓逐漸升高，根據氣體的流動特性，風只能向壓力較低的區域流動，于是就形成一股向后氣流，造成后攔截網處出現了一個強大的正壓氣流區域；(4)第四部分是是吸風機產生的負壓氣流，它的主要作用是與正壓氣流共同整理氣流、控制流向，并將吸風罩附近和部分頂部的碎膜吸入吸風罩內。

1.吹吸氣流；2.受阻氣流；3.向后氣流；4.吸風氣流；5.拋灑軌跡；6.攪拌刀具1. Blow-sucking airflow；2. Blocked airflow；3. Backward airflow；4. Suction airflow；5. Soil throwing track；6. Rotary blade圖4 密封室內主要氣流方向示意圖Fig.4 Scheme of the airflow direction in the sealed chamber

1.下部鼓風機；2.下部正壓氣流；3.上部鼓風機；4.頂罩；5.攪拌刀具；6.吹吸氣流；7.拋土區域；8. 吸風氣流；9.吸風罩；10.吸風機1. Lower blower；2. Bottom positive pressure airflow；3. Top blower；4. The top hood；5. Rotary blade；6. Blow-sucking airflow；7. Throwing soil area； 8. Suction airflow；9. Suction hood；10. Suction fan圖5 密封室截面氣流方向示意圖Fig.5 Cross section of airflow in the sealed chamber

最后，由于在拋土區域內部的大部分長條殘膜和大片殘膜是被土壤裹挾著一起做拋擲運動，僅僅靠風力是無法將其分離的，所以在攪拌刀具前后合適位置分別設置前攔截網和后攔截網，當攔截網在受到土膜混合物的沖擊以后能產生一定的變形，增加了沖擊過程的時間，有效地化解了膜土混合物的沖擊力，而攔截網與機架呈70°左右夾角安裝，大于土壤的安息角，使那些無法穿過網孔的土垡、根茬等較大密度物質能下落、翻滾回到輸送帶或田中；同時，由于地膜質量較輕，并有一定的表面積，它所受的風力遠大于所受的重力，所以被正壓氣流“壓死”在攔截網表面，而不會隨著下落的土壤又落回田中，最終實現了殘膜撿拾，見圖6和圖7(279頁) 。

3 重要部件設計

3.1 攪拌刀具計算

根據旋耕運動成立條件公式[6-8]，設刀具在時間t內轉過的角度為θ=ωt，則刀片上任意一點A的速度為：

(1)

1.前攔截網；2.長條殘膜；3；碎膜；4.拋土軌跡；5.攪拌刀具；6.大片殘膜；7.后攔截網1. Front interceptionnet；2. Long plastic film；3. Small plastic film；4. Soil throwing track；5. Rotary blade；6. Large plastic film；7. Back interception mesh圖6 攔截網位置示意圖Fig.6 Location of interception screen

將設備運動參數：υ=1.392 m·s-1，R=0.25 m，n=361 r·min-1代入(1)，得：

所以,λ≈6.8>1，滿足旋耕運動成立條件。

攪拌刀具的功率消耗主要是土壤切削、拋擲，占總功率消耗的80%以上，其他可忽略不計，其功率按下式估算[9]：

(2)

式中,kx為旋耕土壤比阻(kg·cm-2)，取1.2～1.6，在此取1.2；a為耕深(cm)；B為耕幅(m)，取1 m；vm為機組前進速度(m·s-1)。

代入(2)式計算可得攪拌刀具消耗功率約為：N=27.6 kW。

3.2 密封室設計

密封室采用冷軋薄鋼板制造，有如下作用：在相同功率下，使風力作用成倍增加；為吹吸氣流提供一個相對封閉的空間，達到控制氣流流向、自動分流的目的；對拋起的土壤進行屏蔽安全防護。

被拋土垡質點S從起拋點(x0,y0)起拋后，不計空氣阻力和相互碰撞，作為自由落體運動時，被拋土垡質點S的運動方程為：

令拋土瞬時為t，則可確定土壤質點拋出后的運動軌跡：

(3)

式中,x0,y0為土垡被拋出的初始位置坐標；vx,vy為土垡被拋出的初始速度。

由式(3)可知土壤運動軌跡為一條拋物線，這與田間試驗結果吻合，所以側面吹吸風機的位置也應盡量按此軌跡布置。

此外，據試驗觀察，土壤拋起高度為80 cm左右，由此確定氣流室為長方形結構，采用較易實現的水平吹吸方式組織氣流，所以設計氣流室長寬高尺寸為：1 250×1 100×900 mm。鼓風機單臺出風量為4 750 m3·h-1，吸風機單臺排風量為3 000 m3·h-1，則剩余風量為8 250 m3·h-1，尾部出口的風速可按下式估算：

L=v·F

(4)

式中,L為風量，在此約為2.3 m3·s-1；v為風速(m·s-1)；F為出口截面積，在此約為0.72 m2，代入(4)式求得后攔截網處風速為：v=3.2 m·s-1。

除風速外，還應考慮風壓的影響，按相關的空氣動力學理論，風速與風壓的關系公式為：

(5)

式中,w為風壓(KN·m-2)；γ為空氣單位體積的重力，在此按氣壓為101.325 kPa、常溫15℃和絕對干燥的情況，取γ=0.012 018(kN·m-2)；g為重力加速度，取為g=9.8(m·s-2)。

代入式(5)，求得殘膜在攔截網上受到的風壓為：w=0.063 kN·m-2。

3.3 攔截網設計

根據氣流場中物料所受作用力公式：

P=KρA(Va-V)2

(6)

式中,K為阻力系數，與物料顆粒的形狀、表面性質有關；ρ為空氣密度(kg·m-3)；A為物料的受風面積，即物料在氣流方向的投影面積(m2)；Va為氣流速度(m·s-1);V為物料速度(m·s-1)。

由式(6)可以看出，該式僅能對單純物料受到的風力做分析，而土壤顆粒、殘膜的特性、尺寸差異較大，并同時受到氣流壓力、沖擊力、重力的作用，所以用常規的風選理論無法對其進行進一步的分析計算[10-13]，但可以利用該式來進行攔截網的設計。

攔截網采用金屬鏈條制成，網格尺寸為50 mm×50 mm，且帶有短小的尖刺，見圖8。當土壤被拋擲在上面后，尺寸較小的土壤可以穿過網格直接落回田中，而尺寸較大的土垡、根茬和殘膜等物質則被攔截下來，此時它們的速度瞬時為零，慣性力基本消除，僅受重力和風力的作用。由式(6)可以看出：在相同受風面積情況下，土垡等物質的重量遠遠大于殘膜，所以土垡在此主要受重力作用，從而順著網面向下滑落；而殘膜則主要受向后氣流的作用，被風壓固定在攔截網面上，實現了土壤中殘膜的“沉淀”。由于土垡、根茬等較大尺寸的物質不再需要穿過網孔，所以解決了傳統篩網由于物理尺寸固定而發生堵塞的難題。

4 研究結果和討論

本項目研究出的新型殘膜撿拾機構，為機電氣一體化智能設備，由底盤、拋土裝置、風選裝置、密封室、碎膜收集系統、長膜收集系統、動力綜合控制系統等功能單元組成，整合了各個地膜撿拾環節，實現了鏟土、拋揚、氣流分選、地膜篩選、殘膜收集等工序的一體化操作，試驗結果顯示該機能實現在種植前、采收后耕整地時土壤表面地膜和耕作層內殘膜的收集。

項目組于2015～2017年間在云南省保山市潞江壩芒旦村和曲靖市沾益縣大坡鄉針對不同的地形、土壤和前期作物，使用該機進行了多次田間對比測試和不斷改進(見圖9)，并經云南省農業機械產品質量監督檢驗站測試結果表明：該機重約600 kg，尺寸約為2.5×2.0×1.7 m，牽引動力采用50馬力以上拖拉機，作業幅寬1.1 m，工作深度 0～40 cm，碎膜撿拾率≥80%，整膜撿拾率≥90%，作業效率約420 m2·h-1，現已推廣使用面積約141 hm2。

由于該機研究領域涉及面廣，缺乏理論依據和參考樣機，所以進一步研究風選理論、優化氣流參數、提高撿拾效率是改進的方向。通過觀察發現密封室內部工況異常復雜：既有氣流對土壤顆粒運動的影響，也有土壤顆粒對氣流的影響，同時還有土壤顆粒之間以及土壤顆粒與殘膜、刀具之間的碰撞，物料群之間相互的碰撞和摩擦，物料群的動能損失，轉化為聲能、熱能以及變形能等。所以，在氣流、刀具、土壤間存在著復雜的動量交換，它是一種復雜的氣固兩相混沌運動。目前尚未見到能對類似工況做量化分析的報道，但類似的現象在風選領域大量存在[12-18]，如果能加強此方面的理論研究和相關算法，將對設備的優化和推廣應用有很好的指導意義。

1.網繩；2.土垡；3；殘膜；4.向后氣流；5.尖刺；6.土壤1. Net；2. Soil block；3. Residual plastic film；4. Backward airflow；5. Spine；6. Soil圖8 攔截網示意圖Fig.8 Interception net structure

圖2 拋土照片Fig.2 Soil throwing

圖7 攔截網上掛附的地膜Fig.7 Plastic film collected by interception mesh

圖3 土膜分離Fig.3 Separation of soil and plastic film

圖9 田間測試Fig.9 Field test