葉輪驅(qū)動式機收殘膜水洗分離設(shè)備研究與試驗

何浩猛,胡 斌,李俊虹,蔡 會,羅 昕

(1.石河子大學 機械電氣工程學院,新疆 石河子 832003;2.南京理工大學 機械工程學院,南京 210094)

0 引言

地膜覆蓋農(nóng)藝技術(shù)在帶來增溫保墑便利的同時,也因使用過后沒有及時回收利用,對自然環(huán)境造成了嚴重的“白色污染”[1-2]。廢舊地膜是一種寶貴的可再生資源,分離純凈的地膜可用于發(fā)電、生產(chǎn)清潔燃油和制成其它塑料制品等。自20世紀80年代以來,國內(nèi)外就已有學者致力于研究殘膜回收問題,如美國的Sawyer和Roberson研發(fā)了一種利用卷膜輥將地膜從地表卷起回收的地膜回收機[3-4],國內(nèi)如吉林大學研制的隨動式殘膜回收機[5]、山東省農(nóng)業(yè)機械科學研究院研制的彈齒式殘膜回收機[6],以及石河子大學研制的SMS-1500秸稈粉碎還田與殘膜回收聯(lián)合作業(yè)機[7]等。機械化回收殘膜已成為治理新疆棉田殘膜污染的重要途徑,但機械殘膜回收機的共同特點是將地膜連同棉稈、根茬和土壤混合集堆。針對此問題,國內(nèi)一些企業(yè)和研究所進行了廢舊地膜分選裝置的探究,如張家港市聯(lián)達機械有限公司研發(fā)的廢舊塑料薄膜回收機利用風能將摻雜在塑料中的雜質(zhì)分離[8],楊國武發(fā)明了一種結(jié)合風力分選和干洗系統(tǒng)的塑料分離裝置[9]。因新疆地區(qū)的棉田機收殘膜混合物打結(jié)嚴重,以上殘膜分離技術(shù)未能很好地在新疆地區(qū)推廣應(yīng)用,現(xiàn)階段回收后的地膜主要處理方式為焚燒和廢棄田頭,少部分依靠人工分揀清洗,勞動強度大、工作效率低。

為解決機械回收的殘膜與棉稈等雜質(zhì)纏繞打結(jié)嚴重而難以被分離回收利用的難題,基于片狀柔性殘膜和桿狀木質(zhì)棉稈在水中不同的懸浮特性[10],李俊虹等設(shè)計了一種機收殘膜混合物水洗清選裝置,基本實現(xiàn)了殘膜和棉稈的分離[11]。針對機收殘膜混合物分離效率低的問題,在已有裝置的基礎(chǔ)上,通過分析棉稈和殘膜等物料在水流中的受力情況,提出了一種以葉輪驅(qū)動機收殘膜水洗分離的裝置,并采用BBD(Box-Behnken Design)和響應(yīng)曲面分析(Response Surface Methodology,RSM)對機收殘膜分離性能作優(yōu)化研究,以期為殘膜清洗分離和進一步探究殘膜混合物料隨水流的遷移運動規(guī)律提供參考[12-13]。

1 整機結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 整機結(jié)構(gòu)

依據(jù)固液兩相流流場中固體顆粒的運動規(guī)律[14],以及殘膜和棉稈密度不同的漂旋浮特性[15],課題組研制了葉輪驅(qū)動式機收殘膜水洗分選設(shè)備,主要由機架、射流管道、驅(qū)動電機、葉輪、水循環(huán)管道、驅(qū)動水泵、殘膜回收箱、棉稈回收箱、棉稈回收柵板和水洗分離箱組成,如圖1所示。葉輪作為水洗分離裝置的核心部件,具有水平螺旋推進作用和離心分離作用。水循環(huán)管道包括壓力表和渦街流量計,用于檢測和控制水流流量和速度大小。葉輪轉(zhuǎn)速和射流管道水壓可通過變頻器控制驅(qū)動電機和驅(qū)動水泵變速分級實現(xiàn)。

1.驅(qū)動電機 2.機架 3.水循環(huán)管道 4.驅(qū)動水泵 5.殘膜回收箱 6.棉稈回收箱 7.棉稈回收柵板 8.水洗分離箱 .射流管道 10.葉輪

1.2 工作原理

葉輪驅(qū)動式機收殘膜水洗分選設(shè)備工作前,在水洗分離箱和殘膜回收箱內(nèi)注滿水,啟動驅(qū)動水泵和驅(qū)動電機。在驅(qū)動水泵的水壓作用下,射流管道噴水產(chǎn)生水流沖擊力;驅(qū)動電機帶動葉輪轉(zhuǎn)動,水流分離箱內(nèi)形成旋流和水平方向的螺旋推進力,在驅(qū)動水泵產(chǎn)生的水流沖擊力和驅(qū)動電機的螺旋推進力的共同作用下,水洗分離箱內(nèi)的物料在外力擾動下發(fā)生沉降分離:圓柱形木質(zhì)棉稈因浮力較大處于水面表層或水面上部,殘膜在水中因舒展平鋪狀而位于水層中部,泥沙土壤等因自重較大沉降至水洗分離箱底部。因葉輪的橫向推進力作用,棉稈和殘膜會隨水介質(zhì)橫向遷移至棉稈回收柵板處;棉稈回收柵板快速轉(zhuǎn)動將棉稈收集轉(zhuǎn)移至棉稈回收箱,殘膜隨水流從裝置出口進入殘膜回收箱。設(shè)備工作期間,棉稈回收箱和殘膜回收箱內(nèi)的水在驅(qū)動水泵作用下,通過水循環(huán)管道進入水洗分離箱,確保整機水量處于相對穩(wěn)定平衡狀態(tài),實現(xiàn)水的循環(huán)利用[16]。

2 材料與方法

2.1 試驗材料及設(shè)備

試驗地點選在石河子大學機械電氣工程學院小工廠零件修復(fù)實驗室。試驗殘膜樣本取自于新疆石河子市149團2017年秋收試驗棉田,其厚度為0.010mm,田間使用時間約為180天。為了便于后續(xù)稱重及計算處理,試驗前應(yīng)先清洗物料,晾干,并在TY8000萬能材料試驗機上將殘膜裁剪為片狀。試驗中用到的儀器有111-101-40電子數(shù)顯卡尺(桂林廣陸數(shù)字測控股份有限公司),XK3190-A7電子秤(上海大川衡器有限公司)和自制葉輪驅(qū)動式機收殘膜混合物水洗分離裝置。

2.2 試驗指標

殘膜分離率,即試驗分離收集的殘膜晾干后的質(zhì)量與試驗前投入分離裝置中殘膜的凈質(zhì)量的比值,是衡量分離清選效果的重要評價指標[17],則有

其中,δ為殘膜分離率(%),G′為分離后收集的殘膜的干重(g),G為試驗前投入裝置中的殘膜質(zhì)量(g)。

2.3 試驗設(shè)計

在課題組前期單因素試驗探究的基礎(chǔ)上,選定葉輪轉(zhuǎn)速、射流管道水壓和殘膜破碎尺寸作為考察因素,假設(shè)葉輪轉(zhuǎn)速A、射流管道水壓B、殘膜破碎尺寸C對殘膜分離率R存在一定的函數(shù)關(guān)系Y=f(A,B,C)。根據(jù)Box-Behnken中心組合設(shè)計原理,選擇三因素三水平的響應(yīng)面法試驗,選取15個試驗點,因部分試驗次數(shù)為12,中心點重復(fù)試驗次數(shù)為3。試驗因素水平編碼如表1所示,試驗因素水平編碼和試驗結(jié)果分析如表2所示[18]。

表1 BBD設(shè)計試驗因素水平及編碼

表2 Box-Behnken設(shè)計方案及響應(yīng)值結(jié)果

3 結(jié)果與分析

3.1 回歸模型分析

使用Design-expert軟件對試驗數(shù)據(jù)進行二次多元回歸擬合,對表2的數(shù)據(jù)進行方差分析后得到模型的二次多項回歸方程為

Y=78.65+4.33A+2.87B-1.00C-3.79AB-
1.52AC+1.49BC-8.97A2-6.16B2-5.12C2

3.2 方差分析

表3 方差分析

3.3 響應(yīng)曲面圖分析

圖2是以葉輪轉(zhuǎn)速A、射流管道水壓B和殘膜破碎尺寸C兩兩因素相交互的作用,以殘膜分離率Y為響應(yīng)值得到的響應(yīng)曲面。由圖2可知:當三因素中的其中一個因素保持不變時,殘膜分離率會隨著另外兩個因素的變化而變化;先是隨著兩因素的增大而增大,之后隨著其增大而減小,而轉(zhuǎn)折點即為分離率的最高點,分離效果最好,這與表3所得的結(jié)果是一致的。為提高分離效果,應(yīng)選擇合適的葉輪轉(zhuǎn)速、射流管道水壓和殘膜破碎尺寸,保證殘膜的最大分離率。

圖2 三因素交互作用響應(yīng)曲面

3.4 參數(shù)優(yōu)化

當葉輪轉(zhuǎn)速在600～1 000r/min、射流管道水壓0.15～0.25MPa、殘膜破碎尺寸為45mm×50mm～45mm×100mm時,利用Design-Expert軟件,以殘膜分離率R取最大值為優(yōu)化目標,采用期望函數(shù)法(Desirability Function)實現(xiàn)目標優(yōu)化。經(jīng)尋優(yōu)后可得三因素最佳優(yōu)化參數(shù)組合為:葉輪轉(zhuǎn)速為842.93r/min,射流管道水壓為0.21MPa,殘膜破碎尺寸為45mm×72.33mm時,殘膜分離率最大為79.39%。

3.5 模型驗證

根據(jù)響應(yīng)曲面所得的最優(yōu)條件進行試驗驗證最優(yōu)參數(shù)的可行性。為便于物料的實際處理和操作處理的調(diào)節(jié),對參數(shù)進行圓整取值,取水壓0.21MPa、葉輪轉(zhuǎn)速800r/min、殘膜破碎尺寸45mm×70mm。在自主研制的葉輪驅(qū)動式水洗分離裝置臺架實驗臺(見圖3)進行重復(fù)9次試驗,取9次試驗的平均值為75.8%,所得實際殘膜分離率與預(yù)測值的相對誤差小于5%。因此,所構(gòu)建的殘膜分離模型是合適的,通過響應(yīng)曲面法所得的優(yōu)化參數(shù)也是可行的。

圖3 葉輪驅(qū)動式機收殘膜水洗分選設(shè)備實驗臺

4 結(jié)論

1)設(shè)計了葉輪驅(qū)動式機收殘膜水洗分選整機設(shè)備,介紹了整機機構(gòu)及工作原理,確定了葉輪轉(zhuǎn)速、射流管道水壓和殘膜破碎尺寸等是影響殘膜分離的關(guān)鍵因素。

2)進行了BBD中心組合試驗,確認了葉輪轉(zhuǎn)速、射流管道水壓和殘膜破碎尺寸是殘膜分離率的顯著性影響因素。進一步分析試驗數(shù)據(jù),得到了影響殘膜分離的因素之間存在交互作用。

3)在BBD試驗的基礎(chǔ)上進行了響應(yīng)曲面法優(yōu)化設(shè)計,運用Design-expert軟件尋優(yōu)求得:當葉輪轉(zhuǎn)速為842.93r/min、射流管道水壓為0.21MPa、殘膜破碎尺寸為45mm×72.33mm時,殘膜分離率最大為79.39%。最后,通過臺架試驗確定了最優(yōu)參數(shù)的正確性和模型的可行性。