張亞萍, 胡志超, 游兆延, 顧峰瑋, 吳 峰, 陳有慶
(農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所,江蘇南京 210014)
覆膜種植是一種農(nóng)業(yè)種植模式,具有保溫、保墑、提高土壤肥力、減輕病蟲害、抑制雜草生長(zhǎng)的作用,能夠有效提高作物產(chǎn)量和農(nóng)民收入。覆膜種植技術(shù)的應(yīng)用產(chǎn)生了巨大效益,但同時(shí)也帶來了一系列新的問題,殘留在田間地頭的塑料薄膜是主要的農(nóng)業(yè)污染源之一。從2010年至2014年,我國農(nóng)用塑料薄膜的使用量約增加了410萬t,殘膜的高效回收與再利用成為科研人員面臨的新挑戰(zhàn)[1-5]。目前,我國殘膜回收已經(jīng)由人工挖掘撿拾逐步向機(jī)械化收獲發(fā)展。本研究通過對(duì)國內(nèi)殘膜回收機(jī)的廣泛調(diào)研分析,介紹了2種典型的鏟篩組合式殘膜回收機(jī),并對(duì)這2種機(jī)具的工作性能進(jìn)行了對(duì)比分析。
國內(nèi)殘膜回收機(jī)種類較多,按照分離輸送裝置的結(jié)構(gòu)形式,一般分為鏟篩組合式殘膜回收機(jī)、鏟鏈組合式殘膜回收機(jī)、鏟柵一體式殘膜回收機(jī)和耙齒式殘膜回收機(jī)。鏟篩式挖掘收獲機(jī)可以將振動(dòng)分離篩做成可更換的形式,因此容易實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用,從而延長(zhǎng)機(jī)具的工作時(shí)間,提高機(jī)器的利用率,有利于改善機(jī)具短時(shí)工作、長(zhǎng)時(shí)閑置的現(xiàn)狀,適應(yīng)了目前我國農(nóng)業(yè)機(jī)械產(chǎn)品向多用途多功能方向發(fā)展的趨勢(shì)[6-8]。
本研究介紹的是2種鏟篩組合式殘膜回收機(jī),以農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所研制的2種機(jī)型為例:一種是1MCS-100型殘膜回收機(jī),另一種是1MCDS-100A型殘膜回收機(jī)。2種機(jī)型均是將挖掘鏟固定在機(jī)架前部,鏟后方配置分離輸送裝置,該裝置由篩板和篩床組成,篩床與機(jī)架固定,篩板通過螺栓固定在篩床上,可根據(jù)作業(yè)環(huán)境和具體收獲對(duì)象更換不同形式和參數(shù)的篩板,因此可完成不同作業(yè)對(duì)象的收獲,作業(yè)過程中篩床和篩板一同抖動(dòng)完成收獲物的分離輸送。
殘膜回收機(jī)在中國起步較晚,國內(nèi)對(duì)鏟篩組合式殘膜回收機(jī)的研究較少。因此,對(duì)2種常見的鏟篩組合式殘膜回收機(jī)進(jìn)行田間對(duì)比試驗(yàn)和性能分析,可以為殘膜回收機(jī)的后續(xù)研制提供參考,具有重要意義。
選用1MCS-100型、1MCDS-100A型殘膜回收機(jī)進(jìn)行田間對(duì)比試驗(yàn)。這2種機(jī)型是目前國內(nèi)常用鏟篩組合式殘膜回收機(jī)的主要類型,具有一定的代表性。
1MCS-100型殘膜回收機(jī)為單篩型鏟篩組合式殘膜回收機(jī),主要由挖掘裝置、分離輸送裝置、驅(qū)振裝置、集膜裝置4個(gè)部分組成,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。其中,驅(qū)振裝置由1對(duì)關(guān)于機(jī)架中心線左右對(duì)稱安裝的連桿機(jī)構(gòu)組成,帶動(dòng)振動(dòng)篩往復(fù)抖動(dòng),偏心塊用來平衡連桿機(jī)構(gòu)往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的慣性力;分離輸送裝置為16 mm間距的鋸齒篩,鋸齒可以破土、碎土,并有利于殘膜的向后輸送。機(jī)具在田間作業(yè)時(shí),需要提供配套動(dòng)力源,一般為中小型農(nóng)用拖拉機(jī)。機(jī)具的懸掛裝置與拖拉機(jī)通過三點(diǎn)懸掛聯(lián)接,整機(jī)在拖拉機(jī)的牽引下前行。拖拉機(jī)的動(dòng)力輸出軸通過萬向節(jié)將動(dòng)力傳輸給機(jī)具,驅(qū)動(dòng)機(jī)具內(nèi)部結(jié)構(gòu)的運(yùn)轉(zhuǎn)。作業(yè)時(shí),挖掘裝置將土壤和殘膜同時(shí)掘起,通過鏟后方的分離柵條對(duì)掘起物進(jìn)行初步膜土分離,剩余物料繼續(xù)向后運(yùn)動(dòng),到達(dá)往復(fù)抖動(dòng)的分離輸送裝置時(shí),進(jìn)行更徹底的膜土分離,并將殘膜和殘余土雜向后輸送到集膜裝置內(nèi),集膜裝置布滿小孔,以篩去夾雜的碎土。當(dāng)集膜裝置裝滿殘膜后,手動(dòng)調(diào)節(jié)卸膜裝置進(jìn)行卸膜。
1MCDS-100A型殘膜回收機(jī)為雙篩型鏟篩組合式殘膜回收機(jī),結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2所示。在結(jié)構(gòu)組成上,該機(jī)具除分離輸送裝置、驅(qū)振裝置和卸膜裝置以外,其他部分機(jī)構(gòu)和 1MCS-100型殘膜回收機(jī)類似。1MCDS-100A型殘膜回收機(jī)的分離輸送裝置由上下平行排布的前篩和后篩2個(gè)部分組成,篩型采用16 mm鋸齒篩,且前篩后端和后篩前端上下重疊,兩篩在驅(qū)振裝置的作用下反向同頻等幅振動(dòng);驅(qū)振裝置由飛輪、連桿機(jī)構(gòu)和1對(duì)偏心驅(qū)振臂組成;卸膜裝置由電動(dòng)推桿、控制器和開關(guān)組成,可以實(shí)現(xiàn)集膜裝置的自動(dòng)卸膜。田間工作時(shí),機(jī)具由拖拉機(jī)牽引作業(yè),挖起裝置將殘膜和部分土雜掘起后向后輸送,通過前篩和后篩進(jìn)行較為充分的膜土分離,分離后的殘膜被送入到集膜裝置內(nèi),卸膜時(shí)按下開關(guān),電動(dòng)推桿收縮,驅(qū)動(dòng)集膜裝置完成卸膜動(dòng)作。
田間試驗(yàn)是機(jī)具在真實(shí)作業(yè)環(huán)境下進(jìn)行的試驗(yàn)研究,其試驗(yàn)結(jié)果是評(píng)價(jià)機(jī)具機(jī)械性能的重要指標(biāo),也是機(jī)具研制與優(yōu)化提升的重要依據(jù)。在試驗(yàn)過程中,應(yīng)選擇環(huán)境條件較均勻的試驗(yàn)田,盡量避免土壤條件等因素對(duì)試驗(yàn)的干擾,同時(shí)需要進(jìn)行合理的重復(fù)試驗(yàn),以減小試驗(yàn)誤差對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響[9-10]。
在相同條件下,對(duì)2種殘膜回收機(jī)進(jìn)行田間試驗(yàn),確定并對(duì)比2種機(jī)型的殘膜回收率、膜土比、振動(dòng)加速度。綜合分析試驗(yàn)結(jié)果,比較2種機(jī)型的田間作用性能,為鏟篩式殘膜回收機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。
2016年7月,在山東省青島市膠州膠萊鎮(zhèn)進(jìn)行殘膜回收試驗(yàn),所選試驗(yàn)田較為平整,土壤濕度、肥力較均勻,土壤類型為沙壤土,含水率7.31%,平均堅(jiān)實(shí)度為0.41 MPa。該試驗(yàn)田為收獲后的馬鈴薯地,一壟雙行覆膜種植,壟作技術(shù)參數(shù):壟距900 mm,小行距300 mm,株距250 mm,開溝深80 mm,溝寬250 mm。所覆膜為厚度0.008 mm的白色地膜,膜寬700 mm。
本試驗(yàn)所用主要試驗(yàn)設(shè)備如表1所示。
在相同條件下,通過田間試驗(yàn),確定2種不同機(jī)型的殘膜回收率、膜土比、振動(dòng)加速度,對(duì)比2種機(jī)型的試驗(yàn)結(jié)果,綜合分析機(jī)具的田間作業(yè)性能, 為鏟篩式殘膜回收機(jī)的后續(xù)研究和優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。
表1 主要試驗(yàn)設(shè)備
本試驗(yàn)的試驗(yàn)指標(biāo)為殘膜回收率、膜土比、均方根加速度。
試驗(yàn)時(shí)參考《殘地膜回收機(jī)》(GB/T 25412—2010)和《殘地膜回收機(jī) 作業(yè)質(zhì)量》(NY/T 1227—2006),分別測(cè)定2種機(jī)型的殘膜回收率、膜土比、振動(dòng)加速度。測(cè)區(qū)長(zhǎng)度取 100 m,測(cè)區(qū)寬度滿足機(jī)具3個(gè)往返的工作寬度。測(cè)點(diǎn)確定采用五點(diǎn)法,在離田塊四邊1~2 m遠(yuǎn)處,隨機(jī)選擇5個(gè)點(diǎn),作為作業(yè)前的5個(gè)測(cè)點(diǎn),在這5個(gè)點(diǎn)附近但不重疊的區(qū)域再隨機(jī)選取5個(gè)測(cè)點(diǎn),作為作業(yè)后的5個(gè)測(cè)點(diǎn)。測(cè)點(diǎn)長(zhǎng)5 m,寬為1個(gè)膜幅[11-14]。按照上述方法另取1個(gè)測(cè)區(qū),進(jìn)行重復(fù)試驗(yàn)。
2.5.1 殘膜回收率的測(cè)定 在殘膜回收作業(yè)前與作業(yè)后,分別對(duì)兩測(cè)區(qū)內(nèi)作業(yè)前、作業(yè)后的各10個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行取樣,取樣深度150 mm。將各測(cè)點(diǎn)取出的地膜洗凈晾干后稱質(zhì)量,并記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。按公式(1)計(jì)算各測(cè)點(diǎn)殘膜回收率。
(1)
式中:η為殘膜回收率(%);X為作業(yè)后測(cè)點(diǎn)區(qū)域內(nèi)地膜質(zhì)量(g);X0為作業(yè)前測(cè)點(diǎn)區(qū)域內(nèi)地膜質(zhì)量(g)。
2.5.2 膜土比的測(cè)定 殘膜回收作業(yè)過程中,當(dāng)集膜裝置裝滿物料時(shí),需要停機(jī)卸膜。卸膜時(shí)將所卸物料收集稱質(zhì)量,然后將地膜揀出洗凈晾干后再進(jìn)行稱質(zhì)量。隨機(jī)選取10次卸膜時(shí)的物料分別稱質(zhì)量,處理后稱取地膜凈質(zhì)量。按公式(2)計(jì)算膜土比。
τ=Y:(Y0-Y)。
(2)
式中:τ為膜土比;Y為地膜凈質(zhì)量(g);Y0為土雜凈質(zhì)量(g)。
2.5.3 振動(dòng)加速度的測(cè)定 作業(yè)開始前,通過控制拖拉機(jī)油門,將驅(qū)振軸的轉(zhuǎn)速固定為200 r/min。作業(yè)時(shí)對(duì)兩機(jī)具分別隨機(jī)選取10個(gè)工作時(shí)間段,利用DH5902動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)記錄儀測(cè)試記錄機(jī)具的振動(dòng)加速度,時(shí)間段的長(zhǎng)度以數(shù)據(jù)穩(wěn)定后為準(zhǔn)。以機(jī)具前后方向?yàn)閤軸,左右方向?yàn)閥軸,垂直方向?yàn)閦軸,沿3個(gè)方向在機(jī)架上布置傳感器,機(jī)架測(cè)試方位坐標(biāo)示意圖如圖3所示。測(cè)試完成后,通過筆記本電腦上的軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)回收,并對(duì)各測(cè)點(diǎn)3個(gè)方向的振動(dòng)加速度求均方根,得到均方根加速度值,以此評(píng)價(jià)機(jī)具振動(dòng)大小。
由表2可以看出,1MCS-100型殘膜回收機(jī)回收效果較好,殘膜回收率高于國家標(biāo)準(zhǔn)的最高值(表土層拾凈率80%)。單篩體做平面往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的慣性力較大,沒有進(jìn)行有效的平衡處理,整機(jī)振動(dòng)較大,帶動(dòng)拖拉機(jī)一起振動(dòng),駕駛的舒適性較差,同時(shí)也影響整機(jī)作業(yè)的穩(wěn)定性。該機(jī)作業(yè)時(shí)輸膜較為順暢,但膜土分離效果有待提升,集膜裝置內(nèi)含土雜較多。
1MCDS-100A型殘膜回收機(jī)回收效果與1MCS-100效果差別不大,但前者分離輸送裝置采用雙篩體結(jié)構(gòu),兩篩往復(fù)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的慣性力相互抵消,整機(jī)振動(dòng)較小,工作性能穩(wěn)定,駕駛員駕駛時(shí)沒有明顯的不適。此外,1MCDS-100A型殘膜回收機(jī)膜土分離效果明顯優(yōu)于1MCS-100殘膜回收機(jī),集膜裝置內(nèi)含土較少。
表2 2種殘膜回收機(jī)試驗(yàn)結(jié)果
由表2及圖4至圖9分析可得,對(duì)于殘膜回收率而言,2臺(tái)機(jī)具都達(dá)到了國家標(biāo)準(zhǔn)要求,1MCS-100型殘膜回收機(jī)略低于1MCDS-100A型殘膜回收機(jī),2臺(tái)機(jī)具的表現(xiàn)差異不大;1MCS-100型殘膜回收機(jī)膜土比約為1 ∶9,1MCDS-100A型殘膜回收機(jī)膜土比約為1 ∶4,后者明顯大于前者,且較前者穩(wěn)定,說明后者膜土分離效果明顯優(yōu)于前者;對(duì)于均方根加速度而言,1MCS-100型殘膜回收機(jī)明顯大于1MCDS-100A型殘膜回收機(jī),約為后者3倍,說明后者整機(jī)振動(dòng)大小遠(yuǎn)小于前者,作業(yè)舒適性和機(jī)具穩(wěn)定性較好,同時(shí)說明了分離輸送裝置采用雙篩體機(jī)構(gòu)性能夠有效平衡慣性力,減小整機(jī)振動(dòng)。
通過對(duì)2種鏟篩式殘膜回收機(jī)進(jìn)行田間試驗(yàn)和性能對(duì)比分析,可得到以下結(jié)論:(1)2種機(jī)型的結(jié)構(gòu)形式均為鏟篩式,篩體由篩床和篩板組成,篩板拆卸方便,可根據(jù)具體收獲對(duì)象和作業(yè)條件更換相應(yīng)的篩板,因此可以一機(jī)多用,提高了機(jī)器利用率,適應(yīng)了目前我國農(nóng)機(jī)產(chǎn)品向多功能多用途方向發(fā)展的趨勢(shì),例如可以更換桿條篩用來收獲馬鈴薯。(2)在實(shí)際工作效果上,1MCDS-100A型殘膜回收機(jī)整體上要優(yōu)于1MCS-100型殘膜回收機(jī)。從殘膜回收率看,1MCDS-100A型略高于1MCS-100型,兩者差異不明顯,均達(dá)國家標(biāo)準(zhǔn)要求;從膜土比看,1MCDS-100A型性能明顯優(yōu)于1MCS-100型;從均方根加速度看,1MCS-100型約為1MCDS-100A型的3倍,作業(yè)過程中整機(jī)振動(dòng)明顯較后者劇烈,因此后者性能較優(yōu)。1MCDS-100A 型殘膜回收機(jī)分離輸送裝置采用雙篩體自平衡結(jié)構(gòu),一方面,雙篩體延長(zhǎng)了篩分行程,土壤破碎、篩分更為充分,膜土分離效果較好;另一方面,雙篩體平行配置,同頻等幅反向運(yùn)動(dòng),兩篩往復(fù)運(yùn)動(dòng)的慣性力互相抵消,具有明顯的減振效果。(3)2種鏟篩式殘膜回收機(jī)作業(yè)效果受土壤類型影響較大,適宜作業(yè)的土壤類型為沙土或沙壤土,黏性土壤作業(yè)效果不理想。此外,機(jī)具作業(yè)效果還與種植模式、作物種類等因素有關(guān),需要作業(yè)人員根據(jù)具體條件合理調(diào)整機(jī)具參數(shù),建議相關(guān)科研人員在后續(xù)研發(fā)中提高機(jī)具的適應(yīng)性。