氣吹分離式壟作花生殘膜回收機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

黃嘉寶，王東偉，尚書旗，何曉寧，郭鵬，左百強(qiáng)，趙澤龍，董成

（266109 山東省 青島市 青島農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院）

0 引言

花生是一種重要的油料和經(jīng)濟(jì)作物，2019 年全國花生播植面積約為470.5 萬hm2，在我國種植業(yè)中占有重要地位。山東是我國花生傳統(tǒng)種植區(qū)域，2019 年種植面積達(dá)到92 萬hm2，占全國種植面積的19.77%。由于農(nóng)用覆膜使用面積不斷擴(kuò)張和存留年限不斷提高，殘膜含量達(dá)到23.98 kg/hm2，殘膜已成為影響作物增產(chǎn)增收的一大隱患[1-2]。

使用后的農(nóng)膜較薄、易撕裂，人工回收農(nóng)田殘膜成本高且效率低，國內(nèi)外基本上都使用農(nóng)膜回收機(jī)械來清理。國內(nèi)外研究學(xué)者對殘膜回收機(jī)及其關(guān)鍵部件展開了大量研究，也研發(fā)了適應(yīng)不同種植方式的殘膜回收機(jī)[3-4]。目前市場上占主導(dǎo)地位的還是適用于北方農(nóng)業(yè)環(huán)境的回收機(jī)型，尤其以新疆棉花等作物為主，機(jī)器工作幅寬大，要求機(jī)耕道更寬，但適合山東壟作區(qū)花生殘膜回收機(jī)的研究較少。

另外，國內(nèi)外學(xué)者在研究殘膜回收機(jī)時往往只考慮單一的殘膜分離裝置，例如氣吹式殘膜回收機(jī)利用離心風(fēng)機(jī)的風(fēng)力達(dá)到脫膜，將土壤和殘膜分離[5-6]；鏟篩式殘膜回收機(jī)在田間作業(yè)時，起膜鏟將地膜起出，位于起膜鏟上方的掃刷機(jī)構(gòu)將地膜和土壤雜草混合物拋向輸送機(jī)構(gòu)，輸送機(jī)構(gòu)將雜余篩除，輸送到集膜箱中[7-8]。本文借鑒氣吹式殘膜回收機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，在保留風(fēng)機(jī)的基礎(chǔ)上增加分離滾筒協(xié)同作業(yè)，既保障殘膜回收機(jī)的土壤和殘膜的分離效果，又大大提高了殘膜回收率，為山東壟作區(qū)花生殘膜回收機(jī)的設(shè)計(jì)提供了參考。

1 殘膜回收機(jī)的設(shè)計(jì)

1.1 整機(jī)設(shè)計(jì)

針對現(xiàn)有殘膜回收機(jī)存在的問題，以土中或土上殘膜為主要研究對象，以機(jī)器與地表殘膜的相互作用為研究目標(biāo)，研制出適宜不同用膜方式的聯(lián)合回收機(jī)，為殘膜回收機(jī)的形式提供新思路。該機(jī)具主要由機(jī)架、傳動系統(tǒng)、風(fēng)機(jī)、掘土裝置、輸送裝置、膜土分離裝置、集膜箱、限深輪、支撐輪等部分組成，如圖1 所示。殘膜回收機(jī)由拖拉機(jī)牽引，再由拖拉機(jī)后輸出軸提供動力，動力一路至傳送帶主動輥及風(fēng)機(jī)，另一路經(jīng)傳送帶主動輥另一側(cè)傳至后方分離滾筒主動軸，該部分由一對錐齒輪傳動，滾筒篩外圈安裝錐齒輪齒圈，從而帶動滾筒篩旋轉(zhuǎn)。

圖1 殘膜回收機(jī)側(cè)視圖Fig.1 Side view of residual film recovery machine

1.2 工作原理

作業(yè)過程中，前面的犁刀作為掘土裝置，深入土層將膜土混合物鏟起，其兩側(cè)的限深輪可調(diào)節(jié)，控制犁刀入土深度；犁刀后面焊接的柵條將膜土混合物挑至傳送帶，傳送帶將膜土混合物向后方輸送，在導(dǎo)流板的匯聚作用下，膜土混合物順利進(jìn)入膜土分離滾筒；分離滾筒后部稍向下傾斜，滾筒內(nèi)壁有篩網(wǎng)，滾筒轉(zhuǎn)動，土從網(wǎng)格漏下，殘膜及雜物滑到后部集膜筐；集膜筐滿后，由液壓裝置將集膜筐翻轉(zhuǎn)，將殘膜傾倒至地頭空曠處或者殘膜回收站，完成殘膜回收過程。

2 關(guān)鍵部件有限元分析

起膜鏟工作時需要入土，為了保證其工作可靠，要求起膜鏟有較高的強(qiáng)度。起膜鏟工作過程中，受到土壤的阻力存在一定應(yīng)力和變形，通過傳統(tǒng)方法計(jì)算起膜鏟的應(yīng)力變化非常復(fù)雜，且目前還沒有準(zhǔn)確計(jì)算起膜鏟與土壤間作用力的方法。因此采用有限元軟件對起膜鏟靜強(qiáng)度進(jìn)行分析，有助于預(yù)測起膜鏟的應(yīng)力分布和變形狀況，可為起膜鏟具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

2.1 模型搭建

（1）模型處理。為減小計(jì)算量，對模型進(jìn)行適當(dāng)簡化，對不規(guī)則幾何模型進(jìn)行分割處理，切割成多個零部件，以便劃分結(jié)構(gòu)。提取起膜鏟的關(guān)鍵工作部件，如圖2 所示。將部件導(dǎo)出為stp 格式，并導(dǎo)入到ANSYS 進(jìn)行受力加載分析。

圖2 起膜鏟結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structural drawing of a shovel

（2）網(wǎng)格劃分。上述stp 格式的起膜鏟導(dǎo)入ANSYS 劃分網(wǎng)格，指定網(wǎng)格尺寸對起膜鏟進(jìn)行網(wǎng)格劃分，起膜鏟網(wǎng)格數(shù)量199 133 個，節(jié)點(diǎn)數(shù)量316 972 個，起膜鏟整體網(wǎng)格與局部網(wǎng)格如圖3所示。

圖3 起膜鏟網(wǎng)格劃分效果Fig.3 Meshing effect of film shovel

（3）模型材料及載荷添加。起膜鏟材料為Q235鋼，密度為7.8E-6 kg/mm3，彈性模量為2.1E5 MPa，泊松比為0.3，屈服強(qiáng)度為235 MPa，抗拉強(qiáng)度為466 MPa，延伸率為23%[9]。

起膜鏟機(jī)具在前進(jìn)速度為4 km/h 的情況下，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)選取阻力為4 kN[10]，將該載荷加載于起膜鏟的工作表面，并在起膜鏟左右兩側(cè)及中間部位與整機(jī)連接部位設(shè)置約束，如圖4 所示。

圖4 起膜鏟加載與約束圖示Fig.4 Diagram of loading and restraint of film shovel

2.2 仿真結(jié)果分析

起膜鏟變形仿真結(jié)果如圖5 所示，由于左右起膜鏟在機(jī)架兩端固定安裝，同時在左右起膜鏟交接位置增加與機(jī)架的連接點(diǎn)，因此起膜鏟的最大變形位置應(yīng)該在左右起膜鏟的中間位置，仿真結(jié)果也反映出左右起膜鏟中間位置為最大變形位置，由中間向兩側(cè)逐漸減小。由圖5 可得起膜鏟的最大變形為1.3 mm，但是相對于整體機(jī)架尺寸，變形十分微小。

圖5 起膜鏟變形圖Fig.5 Deformation diagram of film shovel

起膜鏟的應(yīng)力應(yīng)變?nèi)鐖D6、圖7 所示，左右起膜鏟為兩端固定，在起膜鏟表面加載時，最大應(yīng)力應(yīng)變應(yīng)該出現(xiàn)在兩端固定點(diǎn)的位置，由圖6、圖7可知，最大應(yīng)力為125 MPa，最大應(yīng)變?yōu)?.063%，出現(xiàn)在左右起膜鏟的連接部位，其數(shù)值遠(yuǎn)低于真實(shí)抗拉強(qiáng)度466 MPa 與延伸率23%，因此該起膜鏟性能完全滿足要求。

圖6 起膜鏟應(yīng)變圖Fig.6 Strain diagram of film shovel

圖7 起膜鏟應(yīng)力圖Fig.7 Stress diagram of film shovel

3 田間試驗(yàn)與結(jié)果分析

3.1 田間試驗(yàn)方法

田間試驗(yàn)在山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院花生試驗(yàn)基地進(jìn)行，試驗(yàn)品種為魯花9 號。試驗(yàn)地屬于典型花生種植主產(chǎn)區(qū)，試驗(yàn)面積0.05 hm2，土壤含水率15.9%，種植方式為壟作，如圖8 所示。

圖8 大田實(shí)驗(yàn)照片F(xiàn)ig.8 Field experiment photos

田間試驗(yàn)是對前期研究成果的檢驗(yàn)，也是對新型壟作花生殘膜回收機(jī)分離裝置各項(xiàng)指標(biāo)的檢測，可對分離裝置的合理性與科學(xué)性進(jìn)行驗(yàn)證。通過設(shè)計(jì)試驗(yàn)，利用數(shù)據(jù)分析軟件對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化處理，尋找分離裝置的最優(yōu)工作參數(shù)組合。

測定殘膜回收率的方法有質(zhì)量法和面積法。考慮到實(shí)驗(yàn)操作的可行性和數(shù)據(jù)測定的準(zhǔn)確性，在本次試驗(yàn)和測定過程中，采用質(zhì)量法計(jì)算測試區(qū)的殘膜回收率。質(zhì)量法分別將每個測試區(qū)所有塑料袋內(nèi)的殘膜除雜、洗凈、曬干并稱重，然后按式（1）計(jì)算測試區(qū)的殘膜回收率。

式中：N——?dú)埬せ厥章剩?；M——回收殘膜的質(zhì)量，g；M0——未回收殘膜的質(zhì)量，g。

3.2 田間試驗(yàn)設(shè)計(jì)

分離滾筒裝置是殘膜回收機(jī)的重要拾膜部件和動力輸出部件，其工作穩(wěn)定性和連續(xù)可靠性直接影響氣吹式殘膜卷收機(jī)的性能、可靠性以及作業(yè)效率。根據(jù)前期的文獻(xiàn)查閱和理論分析，在實(shí)際作業(yè)中，新型壟作花生殘膜回收機(jī)的性能受到各種因素的影響，如機(jī)具前進(jìn)速度、土壤性能、桿齒結(jié)構(gòu)形狀、起膜部件尺寸、起膜部件入土深度等，其中影響較大的因素是機(jī)具前進(jìn)速度。若機(jī)具前進(jìn)速度較大，殘膜回收機(jī)易發(fā)生打滑且起膜部件與土壤之間的作用阻力較大；若機(jī)具前進(jìn)速度較小，機(jī)具的工作效率較低。對起膜部件工作性能影響較大的另一個因素是分離滾筒的轉(zhuǎn)速，其性能直接決定分離效率，影響殘膜回收效果。根據(jù)前期理論分析和實(shí)際作業(yè)結(jié)果，可得各因素參數(shù)的取值范圍：作業(yè)速度取值4、5、6 km/h；滾筒轉(zhuǎn)速300、400、500 r/min，試驗(yàn)各水平組合如表1 所示。

表1 試驗(yàn)水平組合Tab.1 Test level combinations

3.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

將回收的殘膜及回收后在測試區(qū)撿拾的殘膜帶回實(shí)驗(yàn)室。按標(biāo)簽上每袋殘膜的屬性分別進(jìn)行洗凈、曬干并稱重，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如表2 所示。

表2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)Tab.2 Statistics of test data

對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析采用單一變量法，首先對機(jī)具前進(jìn)速度單一變量影響展開分析，如圖9 所示。對相同滾筒轉(zhuǎn)速、不同機(jī)具行走速度下殘膜回收率進(jìn)行對比，如圖10 所示。

圖9 機(jī)具前進(jìn)速度下殘膜回收率Fig.9 Recovery rate of residual film at forward speed of the machine

由圖9 可以發(fā)現(xiàn)，3 條折線都呈現(xiàn)隨機(jī)具行走速度提高，殘膜回收率先增大后變小，即殘膜回收率：機(jī)具行走速度5 km/h >6 km/s>4 km/s，其中機(jī)具行走速度5 km/h 時殘膜回收率平均值約為89%。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因有2 方面，一是作業(yè)速度增加時，傳送帶震動較大，造成殘膜在輸送時重新落入田間；二是起膜部件與作業(yè)速度不匹配，起膜部件轉(zhuǎn)速一定時，作業(yè)速度越大越會造成漏撿；但作業(yè)速度小時，殘膜回收率較大，同時也必然會降低作業(yè)效率。所以應(yīng)該考慮實(shí)際作業(yè)情況，選擇合適的作業(yè)速度，本機(jī)行走速度選擇5 km/h 最佳。

由圖10 可見，在機(jī)具行走速度相同情況下，3 條折線都呈現(xiàn)隨著滾筒轉(zhuǎn)速提高殘膜回收率先增大后變小，即殘膜回收率：滾筒轉(zhuǎn)速400 r/min>300 r/min>500 r/min。在滾筒轉(zhuǎn)速400 r/min、機(jī)具行走速度5 km/h 工況下，殘膜回收率約為89.3%。在實(shí)際工作狀態(tài)下，滾筒轉(zhuǎn)速過小會造成殘膜和土壤一并掉入田埂，嚴(yán)重影響殘膜回收率和工作效率；當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)速過大時，殘膜離心力大，當(dāng)離心風(fēng)機(jī)風(fēng)速固定時，滾筒中的風(fēng)力難以將殘膜和土壤分離，也會影響殘膜回收率。本機(jī)器最佳工作參數(shù)為滾筒轉(zhuǎn)速400 r/min，機(jī)具行走速度5 km/h。

4 結(jié)論

（1）通過對殘膜回收機(jī)起膜鏟的有限元分析得出：在工作載荷作用下，最大應(yīng)力為125 MPa，最大應(yīng)變?yōu)?.063%，數(shù)值遠(yuǎn)低于真實(shí)抗拉強(qiáng)度466 MPa與延伸率23%，因此該起膜鏟性能完全滿足要求。

（2）完成了樣機(jī)試制。進(jìn)行了田間試驗(yàn)，通過單一變量分析得到作業(yè)速度5 km/h、滾筒轉(zhuǎn)速400 r/min 為本機(jī)器最佳工作參數(shù)，殘膜回收率達(dá)到89%。