蔣德莉 陳學庚,2 顏利民 莫毅松 楊松梅

(1.石河子大學機械電氣工程學院， 石河子 832003； 2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部西北農(nóng)業(yè)裝備重點實驗室， 石河子 832003；3.常州漢森機械有限公司， 常州 213034； 4.吉林大學生物與農(nóng)業(yè)工程學院， 長春 130022)

0 引言

地膜覆蓋栽培技術因具有顯著的增溫保墑、防病抗蟲、抑制雜草，促進作物根系發(fā)育等優(yōu)點，已成為棉花生產(chǎn)的主要種植模式，目前新疆棉田鋪膜率達100%[1-2]。然而，地膜覆蓋種植技術也給自然環(huán)境和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展帶來了一系列問題，如地膜殘留導致的“白色污染”等。殘膜回收是當前農(nóng)業(yè)健康可持續(xù)發(fā)展的首要任務之一[3]。傳統(tǒng)的人工撿拾回收勞動強度大、生產(chǎn)效率低、回收率低，機械化殘膜回收已成為必然趨勢。

國內使用地膜厚度小，回收時殘膜拉伸強度低、膜面破損嚴重，在機械化回收過程中膜雜分離困難[3-4]。而殘膜作為一種可循環(huán)利用材料，只有將殘膜和雜質分離開來，才能實現(xiàn)殘膜的回收利用，減少污染。傳統(tǒng)用人工挑揀和洗膜的方式分離膜雜，或殘膜回收后再利用裝置對棉稈、殘膜等混合物進行分離，工作強度大、效率低，無法實現(xiàn)大規(guī)模作業(yè)。機械化殘膜回收過程中，主要通過重力和振動實現(xiàn)棉稈、土壤等雜質與地膜分離，雜質處于地膜上表面，分離較難，且分離后的雜質掉落地面，對后續(xù)殘膜回收造成二次污染[5-6]。因此急需開發(fā)一種清雜裝置，在殘膜回收作業(yè)中完成膜雜分離，提高作業(yè)效率。

為此，課題組設計了一種隨動式殘膜回收秸稈粉碎聯(lián)合作業(yè)機，地膜撿拾過程中將地膜翻轉180°，在振動條件下實現(xiàn)膜面上的秸稈、土壤等雜質與地膜分離，且設計螺旋清雜裝置，將分離后的雜質輸送到機具兩側，避免雜質二次污染后續(xù)殘膜回收。螺旋清雜裝置的排雜效果與穩(wěn)定性，直接影響隨動式殘膜回收秸稈粉碎聯(lián)合作業(yè)機的工作穩(wěn)定性。對螺旋輸送裝置的研究主要集中在結構和運動參數(shù)優(yōu)化方面，開展此類研究的有：MOYSEY等[7]基于離散元分析了單螺旋擠出機的顆粒在螺桿上橫向和縱向速度分布；劉師多等[8]研究了玉米果穗螺旋摩擦輸送器的葉片高度、導向側板位置角、導向側板傾角、升運角和轉速等對玉米果穗輸送性能的影響；戚江濤等[9]基于EDEM對雙螺旋奶牛飼喂裝置給料性能進行了分析與試驗，研究了40 mm和70 mm螺旋輸送器不同轉速(80、100、120 r/min)的給料穩(wěn)定性。本文在以上研究基礎上，利用離散元方法對螺旋清雜裝置排雜過程進行模擬仿真，探究清雜裝置不同結構參數(shù)對雜質輸送穩(wěn)定性的影響，得到清雜裝置最優(yōu)參數(shù)組合，為殘膜回收清雜裝置設計提供合理的依據(jù)。

1 殘膜回收工作原理與螺旋清雜裝置結構

1.1 殘膜回收工作原理

隨動式殘膜回收秸稈粉碎聯(lián)合作業(yè)機地膜撿拾輸送結構如圖1所示，主要由起膜裝置、地膜撿拾鏈排、驅動滾筒、螺旋清雜裝置、振動裝置和脫膜裝置等組成，前端與棉稈粉碎機連接。作業(yè)時，棉稈粉碎機先將棉稈粉碎，由秸稈粉碎機的螺旋輸送裝置將粉碎后的秸稈輸送到機具兩側，再由其后連接的地膜回收機將地膜撿拾回收。地膜回收作業(yè)時，起膜裝置在重力和彈簧壓力作用下隨地仿形，且起膜齒始終置于土壤中，機具前進時，起膜齒將緊貼地表的地膜起松，地膜撿拾鏈排上的撿拾釘齒扎入土壤中，將地膜挑起，在動力帶動下轉動，挑起的地膜隨鏈排運動向上運輸(箭頭方向)，經(jīng)脫膜裝置完成地膜脫落。撿拾釘齒將地膜挑起的過程中，地膜完成了180°翻轉。

圖1 地膜撿拾輸送結構示意圖Fig.1 Schematic of collecting and transporting structure of plastic film 1.螺旋清雜裝置 2.驅動滾筒 3.起膜齒 4.起膜裝置 5.地膜撿拾鏈排 6.振動裝置 7.撿拾釘齒 8.脫膜裝置 9.土壤 10.地膜

1.2 螺旋清雜裝置結構

螺旋清雜裝置主要由前后落雜導板、雙向螺旋輸送器、軸承支撐座和支架等組成，其結構示意圖如圖2所示。地膜完成撿拾向上輸送過程中，曲柄搖桿結構的振動裝置擊打地膜撿拾鏈排，膜面上附著的棉稈、土壤等雜質在振動作用下落入螺旋清雜裝置中，雙向螺旋輸送器將棉稈、土壤等雜質輸送至機具兩側完成清理工作。

圖2 螺旋清雜裝置結構示意圖Fig.2 Structure diagram of screw cleaning device 1.軸承支撐座 2.雙向螺旋輸送器 3.后落雜導板 4.前落雜導板 5.支架

2 螺旋清雜裝置主要參數(shù)確定

2.1 螺旋葉片直徑

螺旋葉片是雙向螺旋輸送器的主要工件，其型式有滿面式、帶式、月牙式和鋸齒式，根據(jù)輸送雜質的物理特性[10]，選用滿面式螺旋葉片。此種結構產(chǎn)生的推送力大，生產(chǎn)率高。螺旋葉片直徑根據(jù)螺旋輸送器生產(chǎn)能力、輸送物料類型、結構和布置形式等確定為[10]

(1)

式中D0——螺旋葉片直徑，mm

K——物料綜合系數(shù)，取值0.045

Q——輸送能力，t/h

γ——傾斜輸送時的修正系數(shù)

λ——物料松散密度，t/m3

ψ——物料填充度，取值0.35

假設棉稈粉碎后全部隨地膜撿拾進入清雜裝置，則輸送能力Q為13 t/h(根據(jù)棉稈株行距、高度、密度和作業(yè)速度等計算)；該輸送裝置為水平輸送，γ取值1；λ與原料的種類、濕度、切料的長度等多種因素有關[11]，取值1.1 t/m3。將各值代入式(1)，計算可得：D0≥184 mm，設計初值D0=200 mm。

2.2 螺距

螺距不僅決定螺旋的升角，也決定物料運行的滑移面，所以螺距的大小直接影響著物料輸送過程，計算式通常為

P=K1D0

(2)

式中P——螺距，mm

K1——螺距系數(shù)

對于標準的螺旋輸送裝置[11]，通常K1取0.8～1.0，當傾斜布置或輸送物料流動性較差時K1≤0.8。土壤和棉稈流動性較好，取K1=0.85，則雙向螺旋輸送器葉片螺距初始值取170 mm。

2.3 出料口間隙

螺旋清雜裝置在雙向螺旋輸送器的推動下向機具兩側清理輸送棉稈和土壤等雜質，當雜質輸送至兩端時易堆積堵塞，支架出料口尺寸S2影響著雜質輸送堆積程度。螺旋葉片與支架底部間隙設計為4 mm，出料口的尺寸影響著支架出口上部與螺旋葉片間隙，間隙大有利于棉稈的排出，但間隙過大不僅不會增加棉稈的排出速度且會降低支架強度。故需找到適合棉稈排出的合理值，根據(jù)棉稈直徑和要求棉稈在螺旋輸送器兩端具有良好的通過性，出料口間隙取值為30 mm。

3 螺旋清雜過程仿真與分析

3.1 物理模型建立

接觸模型是離散元法的重要基礎，其實質是準靜態(tài)下顆粒固體的接觸力學彈塑性分析結果。參考文獻[12-15]，在仿真中設定顆粒與顆粒之間、顆粒與幾何體模型之間為無滑動的Hertz-Mindlin接觸模型。為加快計算，簡化螺旋清雜裝置的軸承座、安裝孔、螺栓等部分，利用SolidWorks軟件對螺旋清雜裝置進行三維建模，另存為igs格式后導入 EDEM 軟件幾何體模塊中，如圖3a，仿真重力加速度為9.81 m/s2，模型中各部件的材料選擇為steel屬性。設置土壤顆粒半徑為5 mm[15-17],仿真模型如圖3b，根據(jù)粉碎后棉稈物理特性[18-19]，在EDEM仿真中將棉稈物料近似成直徑10 mm、長約150 mm圓柱體，建成的棉稈離散元模型如圖3c所示。

圖3 幾何模型與顆粒模型Fig.3 Geometric model and particle model

3.2 仿真參數(shù)設定

在仿真過程中，材料物理屬性的合理確定是保證仿真結果的重要基礎，參考文獻[20-22]，棉稈、土壤和幾何體等材料屬性設置如表1。在清雜裝置正上方設置顆粒生成平面，屬性虛擬，生成位置隨機。顆粒速度同地膜撿拾鏈排輸送速度，分解到水平和縱向兩個方向，則分別為

(3)

式中vx——地膜撿拾鏈排水平分速度，km/h

vm——地膜撿拾鏈排合速度，km/h

θ——地膜撿拾鏈排與水平方向夾角，為34°

vy——地膜撿拾鏈排縱向分速度，km/h

表1 材料屬性Tab.1 Material attributes

田間試驗時，當隨動式殘膜撿拾速度保持在4～4.4 km/h范圍內，殘膜回收率和工作效率能夠保持較好的平衡，故當?shù)啬焓拜斔玩溑潘俣葀m取4.4 km/h時，計算可得vx=3.65 km/h(1.01 m/s)，vy=2.46 km/h(0.68 m/s)。顆粒生成的同時，雙向螺旋輸送器開始旋轉輸送物料，與實際排雜情況相符。瑞利時間步長設置為25%[23]，顆粒生成和排出過程總仿真時間為18 s。

3.3 仿真試驗設計

基于上述螺旋清雜裝置關鍵參數(shù)設計，初步確定雙向螺旋輸送器葉片直徑D0為200 mm，螺旋軸直徑d為45 mm，螺距P為170 mm，螺旋葉片厚度為2 mm，螺旋葉片與機殼間隙為4 mm，出料口間隙為30 mm。秸稈喂入量最大為13 t/h(3.6 kg/s)，隨動式殘膜回收秸稈粉碎聯(lián)合作業(yè)中，秸稈粉碎機將棉稈粉碎后，其螺旋輸送裝置將粉碎的棉稈輸送拋撒至田間，故膜上殘留棉稈小于10%。為增強清雜裝置的輸送能力，仿真時按棉稈總量20%計算，即秸稈喂入量為0.72 kg/s。土壤最大喂入量為8.2 t/h(2.3 kg/s)，在殘膜的撿拾運輸過程中，絕大部分土壤落入驅動滾筒，螺旋清雜裝置中較少。為模擬雜質的實際輸送過程，在螺旋清雜裝置中，同時生成秸稈和土壤，混合喂入量按0.72 kg/s計算。螺旋軸轉速為120 r/min。選取雙向螺旋輸送器螺距系數(shù)、螺旋葉片直徑和出料口間隙為試驗因素，因素水平如表2所示。

表2 試驗因素水平Tab.2 Factors and levels of orthogonal test

3.4 評價指標

參考文獻[13，21,24]，在螺旋輸送仿真過程中，棉稈和土壤等雜質清理輸送效果和性能由以下參數(shù)評價：

(1)平均顆粒速度V(m/s)：指三維空間內速度矢量和的平均值，表征秸稈和土壤等雜質顆粒移動的快慢。

(2)平均縱向顆粒速度VY(m/s)：指顆粒垂向速度的平均值，與顆粒的垂向運動能力有關。

(3)質量流率qm(kg/s)：等于單位時間內通過與螺旋軸線方向垂直的平面的顆?？傎|量(這個平面位于螺距兩端的周期性邊界的中間位置)。

(4)旋轉軸總力矩T(N·m)：旋轉軸力矩主要由清雜裝置對棉稈和土壤等雜質顆粒向兩端輸送作功而產(chǎn)生，旋轉軸總力矩的大小和波動反映清雜裝置中顆粒的數(shù)量、分布和運動狀態(tài)。

4 仿真結果分析

4.1 可視化輸送過程分析

隨動式秸稈粉碎殘膜回收聯(lián)合作業(yè)時，螺旋清雜裝置將從殘膜中掉落的棉稈和土壤等雜質輸送至撿拾地膜幅寬之外，通過雙向螺旋輸送器向兩側輸送，在機具兩端處拋撒至田間，完成雜質的輸送。其輸送過程如圖4所示，輸送中雜質平均顆粒速度、平均縱向顆粒速度、質量流率和旋轉軸總力矩變化規(guī)律如圖5所示。

由圖4a和圖5b可知，在0.5 s時，由顆粒工廠生成的棉稈和土壤混合顆粒隨機生成并散落在清雜裝置上方，模擬仿真殘膜回收過程中雜質與地膜分離下落的過程，棉稈和土壤混合顆粒在重力的作用下落入螺旋輸送裝置；在0.9 s時，混合顆粒隨雙向螺旋輸送器的兩個反向葉片轉動向兩端運動；在1.6 s時，混合顆粒從兩端出料口排出；在4.0 s時，模擬輸送達到穩(wěn)定狀態(tài)，出料口持續(xù)排出混合顆粒。從模擬過程直觀分析，該裝置設計能夠滿足棉稈和土壤的清雜輸送要求。如圖5c所示，雙向螺旋輸送器出料口的混合顆粒質量流率出現(xiàn)明顯的波動變化，對比清雜輸送動態(tài)過程可發(fā)現(xiàn)，棉稈和土壤混合顆粒從生成下落運動到出料口位置時，顆粒呈“團聚狀”從出料口排出(如圖4a)，此時顆粒質量流率與顆粒速度增大。如圖5d所示，旋轉軸總力矩也呈現(xiàn)明顯波動變化，因旋轉軸力矩主要是清雜裝置對顆粒向兩端輸送作功而產(chǎn)生。

圖4 棉稈和土壤輸送過程模擬Fig.4 Simulation of cotton stalk and soil transport process

圖5 棉稈和土壤輸送過程中監(jiān)測指標變化曲線Fig.5 Changing curves of monitoring indexes during cotton stalk and soil transportation

4.2 正交試驗結果分析

以螺距系數(shù)、螺旋葉片直徑和出料口間隙為因素，暫不考慮各因素之間交互作用，選用四因素三水平正交試驗表 L9(34)，設計包含9 個水平組合的試驗方案，找出較優(yōu)的結構參數(shù)組合，試驗方案與試驗結果如表3所示，表中A、B、C為因素螺距系數(shù)、螺旋葉片直徑、出料口間隙水平值。

表3 四因素三水平正交試驗設計與結果Tab.3 Design and results of four factors and three levels orthogonal experiment

4.2.1極差分析

由表3可知，螺距系數(shù)、螺旋葉片直徑、出料口間隙對平均顆粒速度、平均縱向顆粒速度、質量流率及旋轉軸總力矩均有不同程度的影響。由極差分析可知，螺距系數(shù)對平均顆粒速度、平均縱向顆粒速度及質量流率影響顯著，出料口間隙對平均縱向顆粒速度、質量流率及旋轉軸總力矩均有較顯著的影響，螺旋葉片直徑對平均顆粒速度影響顯著。利用極差分析法分析三因素對各試驗指標的影響。

由表3中平均顆粒速度的極差(R值)可以看出，螺旋葉片直徑對棉稈和土壤混合顆粒的平均速度影響最大，其次是螺距系數(shù)，出料口間隙的影響最小。獲得最高平均顆粒速度的是9號試驗，試驗條件為A3B2C1。

由表3平均縱向顆粒速度的極差(R值)可以看出，出料口間隙對棉稈和土壤混合顆粒的平均縱向速度影響最大，其次是螺旋葉片直徑，螺距系數(shù)的影響最小。獲得最高平均縱向顆粒速度的是9號試驗，試驗條件為A3B2C1。

質量流率反映了雙向螺旋輸送器輸送雜質的能力，質量流率越大，輸送速度越快。由表3質量流率的極差(R值)可知，螺距系數(shù)對棉稈和土壤混合顆粒的輸送影響最大，其次是螺旋葉片直徑，出料口間隙影響最小。獲得最高質量流率的是9號試驗，試驗條件為A3B2C1。

旋轉軸總力矩反映了混合顆粒速度過程中的“團聚”狀態(tài)和功耗情況，總力矩越小，輸送越流暢，能耗越小。由表3旋轉軸總力矩的極差(R值)可知，出料口間隙對輸送過程中旋轉軸總力矩影響最大，其次是螺距系數(shù)，螺旋葉片直徑影響最小。獲得最低旋轉軸總力矩的是5號試驗，試驗條件為A2B3C1。

4.2.2方差分析

從正交試驗表中可以看出，由誤差列對各指標的影響數(shù)值已經(jīng)超出可忽略不計的范圍，因此引入方差分析來彌補極差分析的不足。 用SPSS 19.0數(shù)據(jù)處理軟件對以平均顆粒速度、平均縱向顆粒速度、質量流率及旋轉軸總力矩為指標的正交試驗結果進行方差分析，結果如表4所示。

表4 試驗結果方差分析Tab.4 Variance analysis of test results

注：*表示差異顯著(P<0.05);** 表示差異極顯著(P<0.01)。

方差分析表明螺旋葉片直徑對平均顆粒速度有顯著影響，螺距系數(shù)、出料口間隙對平均顆粒速度影響不顯著；出料口間隙對平均縱向顆粒速度影響極顯著，對旋轉軸總力矩有顯著影響，螺旋葉片直徑和螺距系數(shù)對平均縱向顆粒速度和旋轉軸總力矩影響不顯著；螺距系數(shù)對質量流率有顯著影響，螺旋葉片直徑、出料口間隙對質量流率影響不顯著。

通過綜合平衡法的選取原則[25-26],分析得到三因素影響主次順序為螺旋葉片直徑、螺距系數(shù)、出料口間隙。從各個指標的計算分析、極差分析以及方差分析可知，因素B對各個指標均有影響，尤其對平均顆粒速度影響顯著，B2的平均顆粒速度明顯高于B1與B3，因此取B2；因素A對質量流率影響顯著，且A3質量流率高于A1、A2，故取A3。因素C對平均縱向顆粒速度和旋轉軸總力矩影響最顯著，旋轉軸總力矩越小功耗越小，故取C1。因此，本試驗可得出棉稈和土壤的清理輸送性能最好的結構參數(shù)組合是A3B2C1，即螺距系數(shù)為1.0，葉片直徑為200 mm，出料口間隙為20 mm，經(jīng)計算轉換可得雙向螺旋輸送器結構參數(shù)為：螺距200 mm，螺旋葉片直徑200 mm，出料口直徑220mm。

5 田間試驗

5.1 試驗條件

為檢驗隨動式殘膜回收螺旋清雜裝置的田間作業(yè)性能，驗證其螺旋清雜裝置輸送雜質效果，于2018年5月，在新疆芳草湖農(nóng)場三分場棉花試驗田進行了性能試驗。棉花種植地膜幅寬為2 050 mm，行距為(660+100)mm，每幅膜種植6行。試驗田地面較平整，滴灌帶已回收，田間地膜滯留360～400 d，有一定程度破損，棉稈含水率低、脆性大，膜面棉稈較多。試驗機具為隨動式殘膜回收秸稈粉碎聯(lián)合作業(yè)機(如圖6所示)，根據(jù)仿真試驗獲得的最佳結構參數(shù)組合制造清雜裝置，并將其安裝于試驗機上，配套動力為約翰迪爾904型輪式拖拉機，試驗作業(yè)速度為4.4 km/h。試驗設備包括卷尺(0～50 m)、電子秤(0～7 000 g，精度1 g)和秒表(永康市安郎工貿有限公司)等。

5.2 試驗方法

按照GB/T 25412—2010 《殘地膜回收機》的要求，進行隨動式殘膜回收機田間作業(yè)性能試驗，并測定回收殘膜膜雜分離率，同時考察螺旋清雜裝置輸送雜質情況。

圖6 試驗機具Fig.6 Experiment machine

試驗隨機選取一幅膜，測試區(qū)長度為200 m，每50 m測試1次，一共測試4次，試驗結果取4次測試結果平均值。回收殘膜膜雜分離率[21-22]的計算式為

(4)

式中η——膜雜分離率，%

m1——回收殘膜的質量(人工抖動分離棉稈、土壤等雜質)，g

m2——回收殘膜和棉稈、土壤等雜質的總質量，g

5.3 試驗結果與討論

隨動式殘膜回收秸稈粉碎聯(lián)合作業(yè)機膜雜分離率田間試驗結果如表5所示。

表5 田間試驗結果Tab.5 Results of field trials

由試驗結果可知，隨動式殘膜回收秸稈粉碎聯(lián)合作業(yè)機平均膜雜分離率為89.51%，滿足農(nóng)藝要求。在機具作業(yè)過程中，雙向螺旋輸送器能順利將落入裝置的棉稈、土壤等雜物輸送至機具兩側，并通過出料口拋撒至田間，運行狀況良好，性能穩(wěn)定?；厥諝埬ばЧ兔薅?、土壤等雜質清理輸送效果如圖7。

因試驗在棉花收獲后次年春季進行，棉稈在田間時間較長，含水率低、脆性大，且倒伏較多，與秋季作業(yè)條件相差較大，機具作業(yè)時，倒伏的棉稈隨著殘膜被撿拾；且設計的清雜裝置為雙向排雜，雜質拋撒至機具兩側時，距離機具較近的雜質被二次撿拾回收，因此影響了膜雜分離率。

圖7 田間試驗效果Fig.7 Field experiment results

6 結論

(1)根據(jù)隨動式殘膜回收秸稈粉碎聯(lián)合作業(yè)機，設計了一種螺旋清雜裝置，闡述了其結構組成和工作原理，并對其關鍵部件雙向螺旋輸送器進行了分析和參數(shù)設計。螺旋清雜裝置能有效地將地膜回收中分離的棉稈和土壤等輸送拋撒至田間。

(2)利用EDEM軟件建立了棉稈-土壤-螺旋清雜裝置的三維離散元模型，模擬仿真了棉稈和土壤混合顆粒的清理輸送過程，以螺旋清雜裝置的結構參數(shù)螺距系數(shù)、螺旋葉片直徑和出料口間隙為試驗因素，以平均顆粒速度、平均縱向顆粒速度、質量流率及旋轉軸總力矩為試驗因變量進行正交仿真試驗，分析了3個試驗因素對各項指標影響的顯著性及主次順序，試驗結果顯示螺旋清雜裝置最優(yōu)參數(shù)組合為A3B2C1，即螺距200 mm，螺旋葉片直徑200 mm，出料口直徑為220 mm。

(3)利用仿真優(yōu)化得到的結構參數(shù)制作螺旋清雜裝置，并與隨動式殘膜回收秸稈粉碎聯(lián)合作業(yè)機進行裝配和整機田間試驗，結果表明，清雜裝置清理棉稈、土壤等雜質效果符合設計要求，殘膜回收后平均膜雜分離率為89.51%，滿足殘膜回收作業(yè)要求。