高華鋒，張瑞勤，解 燕，劉冬梅，劉加紅，袁會(huì)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(xué)，云南 昆明 650093；3.德宏振云科技開發(fā)有限公司，云南 德宏 678499)

殘膜撿拾機(jī)構(gòu)是殘膜回收機(jī)的關(guān)鍵性部件，決定了殘膜收集的效果和設(shè)備運(yùn)行的可靠性，目前國(guó)內(nèi)所采用的殘膜撿拾機(jī)構(gòu)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(wǎng)式、篩土式等。筆者通過(guò)對(duì)上述機(jī)型的機(jī)理分析和產(chǎn)品現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)它們普遍存在以下缺陷：撿膜深度較淺，一般不超過(guò)5 cm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到實(shí)際生產(chǎn)所要求的撿拾深度30 cm的指標(biāo)；采用格柵、篩網(wǎng)等機(jī)械過(guò)濾的原理將殘膜與土壤分離，但由于過(guò)濾部件網(wǎng)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(guò)網(wǎng)格物理尺寸的物質(zhì)無(wú)法通過(guò)，容易造成壅堵；對(duì)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(dǎo)致?lián)炷げ考ぷ髯枇^大，機(jī)具作業(yè)困難；對(duì)碎膜和粘貼、夾雜在土垡表面及內(nèi)部的殘膜難以撿拾干凈[1-5]。由此看出：現(xiàn)有殘膜撿拾機(jī)理并不適用于云南的實(shí)際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，必須對(duì)現(xiàn)有撿拾機(jī)構(gòu)做出原理性的突破和創(chuàng)新，才能使殘膜回收機(jī)的開發(fā)具有成效。

1 地膜殘留狀況調(diào)查

殘膜撿拾機(jī)構(gòu)的主要功能是將殘膜從土壤中分離出來(lái)，所以必須對(duì)殘膜在土壤里的存在情況進(jìn)行分析，為殘膜撿拾機(jī)理研究提供依據(jù)。

我們選擇云南省有代表性的三種不同土壤性質(zhì)(砂土、粘土和壤土)的土地各667m2，前三年種植過(guò)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(duì)角線五點(diǎn)取樣法。以深度0～10 cm，10～20 cm，20～30 cm分別進(jìn)行三次取樣，每種類型土取樣15個(gè)，同時(shí)按不同深度的5個(gè)取樣混合，形成三個(gè)大樣。采用篩網(wǎng)篩土，取出其中的殘膜，清洗干凈、曬干并用電子稱進(jìn)行稱重。

通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)和統(tǒng)計(jì)總結(jié)出以下特點(diǎn)：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(shù)最多，粘土的最少，砂土的居中，我們認(rèn)為這是對(duì)不同土壤的農(nóng)事勞作習(xí)慣造成的：粘質(zhì)土中農(nóng)事操作不易，在蓋膜的過(guò)程中兩側(cè)用較大的土塊壓住，取膜時(shí)能將地膜整塊去除，所以殘留的地膜數(shù)量相對(duì)較少；而壤土需將地膜兩側(cè)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(cè)壓土，但粘性較小，對(duì)地膜的破壞也小，容易取出。膜在土壤中以獨(dú)立存在、表面附著、與土垡板結(jié)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(jī)械性能完全不同。

對(duì)于如此復(fù)雜的情況，我們認(rèn)為，僅采用功能單一的傳統(tǒng)殘膜撿拾機(jī)構(gòu)已無(wú)實(shí)現(xiàn)的可能性，只有將挖掘、破碎、分選等功能集成起來(lái)，并對(duì)殘膜、根茬、土垡等各種物質(zhì)實(shí)行分類識(shí)別和處理，才有實(shí)現(xiàn)撿拾的可能性。

2 結(jié)構(gòu)和工作原理

2.1 整體結(jié)構(gòu)

本研究的新型殘膜撿拾機(jī)構(gòu)與拖拉機(jī)后部的三點(diǎn)懸掛連接，由拖拉機(jī)提供整機(jī)行進(jìn)動(dòng)力和攪拌刀具的動(dòng)力，另有一套發(fā)電設(shè)備和控制系統(tǒng)為風(fēng)機(jī)提供動(dòng)力和自動(dòng)控制。主要部件有密封室、攪拌刀具、鼓風(fēng)機(jī)、吸風(fēng)機(jī)、吸風(fēng)罩、后攔截網(wǎng)、前攔截網(wǎng)等，見圖1。密封室采用五面密閉、后面敞開的結(jié)構(gòu)，在密封室的一側(cè)設(shè)置三臺(tái)鼓風(fēng)機(jī)，另一側(cè)設(shè)置兩臺(tái)吸風(fēng)機(jī)，見圖1a。在攪拌刀具的前后端分別設(shè)置前攔截網(wǎng)和后攔截網(wǎng)，攔截網(wǎng)與機(jī)架呈一定傾斜角度安裝，見圖1b。

2.2 工作原理

當(dāng)殘膜撿拾機(jī)構(gòu)在田間作業(yè)時(shí)，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(wǎng)帶上方設(shè)有一套攪拌刀具，對(duì)輸送帶上的土壤進(jìn)行逆旋耕，并將其拋灑在密封室的吹吸氣流場(chǎng)中，此時(shí)有如下現(xiàn)象發(fā)生：

首先，攪拌刀具會(huì)對(duì)大塊土垡做進(jìn)一步破碎，使夾雜在土垡內(nèi)部的殘膜得以釋放，并將含膜土壤拋揚(yáng)到空中，形成繞刀軸軸線的拋物線，在此過(guò)程中，由于攪拌刀具轉(zhuǎn)速較高，能對(duì)土壤產(chǎn)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(yè))。

其次，由于殘膜是被土壤夾帶著一起運(yùn)動(dòng)，所以它們具有共同的初速度，當(dāng)?shù)竭_(dá)拋灑的最高點(diǎn)后，土壤和殘膜的速度都變?yōu)榱?，在重力、風(fēng)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(xiàn)明顯的差異性運(yùn)動(dòng)：(1)位于拋擲曲線外圍的碎膜很容易從土壤中“逃逸”出來(lái)，漂浮在拋擲軌跡的上方，而位于拋擲曲線內(nèi)部的碎膜則被土壤裹挾著繼續(xù)向后運(yùn)動(dòng)；(2)位于拋擲曲線外圍的長(zhǎng)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(nèi)部的長(zhǎng)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(yùn)動(dòng)，見圖3(279頁(yè))。

1.密封室；2.鼓風(fēng)機(jī)；3.吸風(fēng)罩；4.吸風(fēng)機(jī)；5.攪拌刀具；6.輸送帶；7.后攔截網(wǎng)；8.前攔截網(wǎng)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(jī)構(gòu)整體簡(jiǎn)圖和內(nèi)部示意圖Fig.1 Scheme of the mechanism and interior structure

另外，由于三臺(tái)鼓風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的鼓入風(fēng)量始終大于兩臺(tái)吸風(fēng)機(jī)的排出風(fēng)量，根據(jù)流體力學(xué)原理，在密封室內(nèi)，輸入風(fēng)量必須與排出風(fēng)量相等才能保持平衡，這使得鼓風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的風(fēng)量分為兩條途徑從密封室內(nèi)排出：一部分通過(guò)吸風(fēng)機(jī)排出，其余多余部分則由密封室后部排出，但由于密封室內(nèi)部存在大量被攪拌刀具拋擲起來(lái)的土膜混合物，使吹吸氣流被阻隔、截?cái)啵谑菤饬鞅黄认蛩闹芡鈬鷶U(kuò)散，最終分為四個(gè)不同方向流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)分風(fēng)，為不同物理尺寸殘膜的分類處理奠定了基礎(chǔ)，見圖4和圖5。(1)第一部分是位于上部鼓風(fēng)機(jī)的正壓氣流和吸風(fēng)機(jī)的負(fù)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(dá)這個(gè)部位，氣流受到的干擾、阻隔較小，能保持良好的吹吸運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，而且密封室頂罩比較光滑，所以氣流流速很快，根據(jù)流體力學(xué)的伯努利效應(yīng)，高速的吹吸氣流能在密封室頂部形成一個(gè)風(fēng)壓較小的區(qū)域，將逃離土壤束縛的外部碎膜“吸”上來(lái)，再由前向后或向吸風(fēng)罩方向的氣流分別帶入后攔截網(wǎng)和吸風(fēng)罩；(2)第二部分是由位于下部的鼓風(fēng)機(jī)產(chǎn)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(fēng)速衰減嚴(yán)重，但風(fēng)壓上升，并與吸風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的負(fù)壓共同作用，將整個(gè)半空中的“土墻”向負(fù)壓風(fēng)機(jī)方向推移，有部分氣流能穿透到“土墻”內(nèi)部，同高速旋轉(zhuǎn)的攪拌刀具產(chǎn)生的氣流匯聚一起，形成亂流，進(jìn)一步加劇“土墻”內(nèi)部土壤顆粒和殘膜之間的無(wú)序運(yùn)動(dòng)，使膜土分離更加充分；(3)第三部分是鼓風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的多余氣流與被“土墻”阻隔的亂流匯合后，在密封室內(nèi)沒(méi)有“出路”，導(dǎo)致密封室內(nèi)部的風(fēng)壓逐漸升高，根據(jù)氣體的流動(dòng)特性，風(fēng)只能向壓力較低的區(qū)域流動(dòng)，于是就形成一股向后氣流，造成后攔截網(wǎng)處出現(xiàn)了一個(gè)強(qiáng)大的正壓氣流區(qū)域；(4)第四部分是是吸風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的負(fù)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(fēng)罩附近和部分頂部的碎膜吸入吸風(fēng)罩內(nèi)。

1.吹吸氣流；2.受阻氣流；3.向后氣流；4.吸風(fēng)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(nèi)主要?dú)饬鞣较蚴疽鈭DFig.4 Scheme of the airflow direction in the sealed chamber

1.下部鼓風(fēng)機(jī)；2.下部正壓氣流；3.上部鼓風(fēng)機(jī)；4.頂罩；5.攪拌刀具；6.吹吸氣流；7.拋土區(qū)域；8. 吸風(fēng)氣流；9.吸風(fēng)罩；10.吸風(fēng)機(jī)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(qū)域內(nèi)部的大部分長(zhǎng)條殘膜和大片殘膜是被土壤裹挾著一起做拋擲運(yùn)動(dòng)，僅僅靠風(fēng)力是無(wú)法將其分離的，所以在攪拌刀具前后合適位置分別設(shè)置前攔截網(wǎng)和后攔截網(wǎng)，當(dāng)攔截網(wǎng)在受到土膜混合物的沖擊以后能產(chǎn)生一定的變形，增加了沖擊過(guò)程的時(shí)間，有效地化解了膜土混合物的沖擊力，而攔截網(wǎng)與機(jī)架呈70°左右夾角安裝，大于土壤的安息角，使那些無(wú)法穿過(guò)網(wǎng)孔的土垡、根茬等較大密度物質(zhì)能下落、翻滾回到輸送帶或田中；同時(shí)，由于地膜質(zhì)量較輕，并有一定的表面積，它所受的風(fēng)力遠(yuǎn)大于所受的重力，所以被正壓氣流“壓死”在攔截網(wǎng)表面，而不會(huì)隨著下落的土壤又落回田中，最終實(shí)現(xiàn)了殘膜撿拾，見圖6和圖7(279頁(yè)) 。

3 重要部件設(shè)計(jì)

3.1 攪拌刀具計(jì)算

根據(jù)旋耕運(yùn)動(dòng)成立條件公式[6-8]，設(shè)刀具在時(shí)間t內(nèi)轉(zhuǎn)過(guò)的角度為θ=ωt，則刀片上任意一點(diǎn)A的速度為：

(1)

1.前攔截網(wǎng)；2.長(zhǎng)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(wǎng)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(wǎng)位置示意圖Fig.6 Location of interception screen

將設(shè)備運(yùn)動(dòng)參數(shù)：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(yùn)動(dòng)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(jì)，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(jī)組前進(jìn)速度(m·s-1)。

代入(2)式計(jì)算可得攪拌刀具消耗功率約為：N=27.6 kW。

3.2 密封室設(shè)計(jì)

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(fēng)力作用成倍增加；為吹吸氣流提供一個(gè)相對(duì)封閉的空間，達(dá)到控制氣流流向、自動(dòng)分流的目的；對(duì)拋起的土壤進(jìn)行屏蔽安全防護(hù)。

被拋土垡質(zhì)點(diǎn)S從起拋點(diǎn)(x0,y0)起拋后，不計(jì)空氣阻力和相互碰撞，作為自由落體運(yùn)動(dòng)時(shí)，被拋土垡質(zhì)點(diǎn)S的運(yùn)動(dòng)方程為：

令拋土瞬時(shí)為t，則可確定土壤質(zhì)點(diǎn)拋出后的運(yùn)動(dòng)軌跡：

(3)

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

由式(3)可知土壤運(yùn)動(dòng)軌跡為一條拋物線，這與田間試驗(yàn)結(jié)果吻合，所以側(cè)面吹吸風(fēng)機(jī)的位置也應(yīng)盡量按此軌跡布置。

此外，據(jù)試驗(yàn)觀察，土壤拋起高度為80 cm左右，由此確定氣流室為長(zhǎng)方形結(jié)構(gòu)，采用較易實(shí)現(xiàn)的水平吹吸方式組織氣流，所以設(shè)計(jì)氣流室長(zhǎng)寬高尺寸為：1 250×1 100×900 mm。鼓風(fēng)機(jī)單臺(tái)出風(fēng)量為4 750 m3·h-1，吸風(fēng)機(jī)單臺(tái)排風(fēng)量為3 000 m3·h-1，則剩余風(fēng)量為8 250 m3·h-1，尾部出口的風(fēng)速可按下式估算：

L=v·F

(4)

式中,L為風(fēng)量，在此約為2.3 m3·s-1；v為風(fēng)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(wǎng)處風(fēng)速為：v=3.2 m·s-1。

除風(fēng)速外，還應(yīng)考慮風(fēng)壓的影響，按相關(guān)的空氣動(dòng)力學(xué)理論，風(fēng)速與風(fēng)壓的關(guān)系公式為：

(5)

式中,w為風(fēng)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(duì)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(wǎng)上受到的風(fēng)壓為：w=0.063 kN·m-2。

3.3 攔截網(wǎng)設(shè)計(jì)

根據(jù)氣流場(chǎng)中物料所受作用力公式：

P=KρA(Va-V)2

(6)

式中,K為阻力系數(shù)，與物料顆粒的形狀、表面性質(zhì)有關(guān)；ρ為空氣密度(kg·m-3)；A為物料的受風(fēng)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(duì)單純物料受到的風(fēng)力做分析，而土壤顆粒、殘膜的特性、尺寸差異較大，并同時(shí)受到氣流壓力、沖擊力、重力的作用，所以用常規(guī)的風(fēng)選理論無(wú)法對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步的分析計(jì)算[10-13]，但可以利用該式來(lái)進(jìn)行攔截網(wǎng)的設(shè)計(jì)。

攔截網(wǎng)采用金屬鏈條制成，網(wǎng)格尺寸為50 mm×50 mm，且?guī)в卸绦〉募獯蹋妶D8。當(dāng)土壤被拋擲在上面后，尺寸較小的土壤可以穿過(guò)網(wǎng)格直接落回田中，而尺寸較大的土垡、根茬和殘膜等物質(zhì)則被攔截下來(lái)，此時(shí)它們的速度瞬時(shí)為零，慣性力基本消除，僅受重力和風(fēng)力的作用。由式(6)可以看出：在相同受風(fēng)面積情況下，土垡等物質(zhì)的重量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于殘膜，所以土垡在此主要受重力作用，從而順著網(wǎng)面向下滑落；而殘膜則主要受向后氣流的作用，被風(fēng)壓固定在攔截網(wǎng)面上，實(shí)現(xiàn)了土壤中殘膜的“沉淀”。由于土垡、根茬等較大尺寸的物質(zhì)不再需要穿過(guò)網(wǎng)孔，所以解決了傳統(tǒng)篩網(wǎng)由于物理尺寸固定而發(fā)生堵塞的難題。

4 研究結(jié)果和討論

本項(xiàng)目研究出的新型殘膜撿拾機(jī)構(gòu)，為機(jī)電氣一體化智能設(shè)備，由底盤、拋土裝置、風(fēng)選裝置、密封室、碎膜收集系統(tǒng)、長(zhǎng)膜收集系統(tǒng)、動(dòng)力綜合控制系統(tǒng)等功能單元組成，整合了各個(gè)地膜撿拾環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了鏟土、拋揚(yáng)、氣流分選、地膜篩選、殘膜收集等工序的一體化操作，試驗(yàn)結(jié)果顯示該機(jī)能實(shí)現(xiàn)在種植前、采收后耕整地時(shí)土壤表面地膜和耕作層內(nèi)殘膜的收集。

項(xiàng)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(xiāng)針對(duì)不同的地形、土壤和前期作物，使用該機(jī)進(jìn)行了多次田間對(duì)比測(cè)試和不斷改進(jìn)(見圖9)，并經(jīng)云南省農(nóng)業(yè)機(jī)械產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)站測(cè)試結(jié)果表明：該機(jī)重約600 kg，尺寸約為2.5×2.0×1.7 m，牽引動(dòng)力采用50馬力以上拖拉機(jī)，作業(yè)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(yè)效率約420 m2·h-1，現(xiàn)已推廣使用面積約141 hm2。

由于該機(jī)研究領(lǐng)域涉及面廣，缺乏理論依據(jù)和參考樣機(jī)，所以進(jìn)一步研究風(fēng)選理論、優(yōu)化氣流參數(shù)、提高撿拾效率是改進(jìn)的方向。通過(guò)觀察發(fā)現(xiàn)密封室內(nèi)部工況異常復(fù)雜：既有氣流對(duì)土壤顆粒運(yùn)動(dòng)的影響，也有土壤顆粒對(duì)氣流的影響，同時(shí)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(dòng)能損失，轉(zhuǎn)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(fù)雜的動(dòng)量交換，它是一種復(fù)雜的氣固兩相混沌運(yùn)動(dòng)。目前尚未見到能對(duì)類似工況做量化分析的報(bào)道，但類似的現(xiàn)象在風(fēng)選領(lǐng)域大量存在[12-18]，如果能加強(qiáng)此方面的理論研究和相關(guān)算法，將對(duì)設(shè)備的優(yōu)化和推廣應(yīng)用有很好的指導(dǎo)意義。

1.網(wǎng)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(wǎng)示意圖Fig.8 Interception net structure

圖2 拋土照片F(xiàn)ig.2 Soil throwing

圖7 攔截網(wǎng)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(cè)試Fig.9 Field test