气吸式残膜回收机集膜装置改进设计与试验

田绍华 王萍 康建明 林向阳 彭强吉 李凯凯

摘要：针对残膜回收机回收后的残膜含杂率高难以利用的问题，改进设计一种兼具膜杂分离和残膜收集功能的集膜装置。对残膜与杂质在气流场中的运动规律进行分析，探明物料运动轨迹的影响因素。以离心风机转速、隔板到输膜入口距离、隔板高度为试验因素，以含杂率为试验指标进行田间试验，结果表明各因素对含杂率的影响由大到小为：隔板距离、离心风机转速、隔板高度。利用Design-Expert软件响应曲面图，进行综合影响效应分析，得出离心风机转速1 974 r/min，隔板距离767 mm，隔板高度723 mm，在此参数条件下含杂率为6.97%。研究结果可为残膜回收设备研发提供依据。

关键词：残膜回收；膜杂分离；集膜装置；气吸式

中图分类号：S223.5

文献标识码：A

文章编号：2095-5553 （2023） 04-0001-07

Abstract： Aiming at the problem that the residual film recovered by the residual film recovery machine has high impurity content and is difficult to use， based on the principle of air separation， a film collection device with both film impurity separation and residual film collection functions is improved and designed. By analyzing the motion law of residual film and impurities， the relationship between the material characteristics and the material motion trajectory is clarified. The field test was carried out with centrifugal fan speed， distance from diaphragm to film inlet and diaphragm height as test factors and impurity content as test index. The results showed that the influence of each factor on impurity content from large to small was as follows： distance from diaphragm to film inlet， centrifugal fan speed and diaphragm height. Using the response surface diagram of Design-Expert software， the comprehensive effect analysis was carried out， and the results showed that the centrifugal fan speed was 1 974 r/min， the partition distance was 767 mm， and the partition height was 723 mm. Under these parameters， the impurity content was 6.97%. The research results can provide a basis for the research and development of residual film recovery equipment.

Keywords： residual film recovery; film impurity separation; film collecting device; air suction

0 引言

地膜覆盖具有蓄水保墒、降低土壤盐碱度等作用，极大地提高了我国农作物产量，但是随着土壤中残膜含量的增加，农作物产量逐渐降低［1］。国内科研院所及企业依据残膜回收技术，研制了相关的残膜回收机械［2］。但是现阶段残膜回收机回收的残膜中秸秆等杂质含量仍然偏高，这些杂质严重阻碍了后续的残膜再利用工作。为降低残膜回收再利用难度，避免回收后的残膜对环境造成二次污染，降低残膜含杂率是解决残膜再利用难题的关键［3-4］。

为降低回收残膜中的杂质含量，科研人员进行了深入研究。郭文松等［5］设计了梳齿起膜气力脱膜式耕层残膜回收机，通过吸膜装置实现膜土分离，并建立残膜在吸膜区的运动学方程，优化了其参数。李姝卓［6］设计了挑膜分杂式地膜回收机，对残膜与主要杂质的摩擦性能参数进行测定，通过挑膜捡拾机构减少杂质的夹带。赵岩等［7］设计的CMJY-1500型农田残膜捡拾打包联合作业机通过其多级膜土分离机构减少泥土等杂质的夹杂。唐永飞等［8］设计的夹指链式残膜回收机脱膜装置中的往复摆动式膜杂分离机构，通过挡膜帘带动输膜筛复摆动，进行输膜与膜杂分离作业。张慧明等［9］设计的随动式秸秆还田與残膜回收联合作业机的秸秆粉碎装置减少在收膜过程中的秸秆杂质的产生和残膜捡拾装置可对残膜进行清除。综合分析后发现残膜机械化回收时残膜含杂率仍有待进一步降低。

本文结合回收后的残膜及杂质在风场中的不同运动特性，对吸膜除杂装置输送残膜的风场进行利用，改进设计了一种集膜装置。并以气吸式残膜回收机为试验平台，进行集膜装置结构参数试验，研究装置结构对含杂率的影响规律，寻求最优参数组合，并进行试验验证，为集膜装置结构设计提供参考。

1 整机结构及工作原理

1.1 整机结构

气吸式残膜回收机主要由悬挂装置、集膜装置、吸膜除杂装置、脱膜装置、盖板、镇压装置、输膜装置、起膜装置、行走装置、传动装置、割膜装置、秸秆粉碎还田装置、机架等组成。其结构见图1。

1.2 工作原理

工作时拖拉机动力输出轴将动力传递至变速箱，经变速箱减速后分别传至秸秆粉碎还田装置和分动箱，分动箱通过传动系统分别为输膜装置和吸膜除杂装置提供动力。秸秆粉碎还田装置将秸秆粉碎，割膜装置将膜进行分割，为接下来的残膜被输膜链耙上的弹齿挑起减少阻碍。残膜随弹齿上升到一定高度后进入吸膜除杂装置的离心风机产生的风场中，并在风场与脱膜装置的共同作用下从弹齿上脱落。由于膜杂混合物各组分在气流场中的运动规律不同，秸秆等杂质会落到杂质输送带上被输送到机具一侧实现秸秆还田，残膜则会被吸入离心风机通过输膜管道送入集膜装置实现了一次膜杂分离。而在集膜箱内由于残杂混合物被喷出时具有一定初速度，残膜和杂质由于运动轨迹不同会落入不同腔室，达到二次膜杂分离的目的。当集膜装置收集的残膜达到一定的量时利用液压升降机构实现集膜箱的翻转并配合打开不同的卸料门将两个物料腔室内的物料分别卸下。

2 关键部件设计及膜杂混合物运动规律分析

2.1 集膜装置设计

集膜装置结构如图2所示，集膜装置主要由集膜箱体、分隔板、液压升降机构、卸料门Ⅰ、卸料门Ⅱ、上盖等构件组成，在吸膜除杂装置一侧所对应的集膜箱体上有两个输膜入口分别对应着吸膜除雜装置的输膜管道，隔板安装在集膜装置内部将割膜装置分割成两个腔室，物料腔室Ⅰ和物料腔室Ⅱ分别对应着卸料门Ⅰ和卸料门Ⅱ。

改进后的集膜装置增加了分隔板。夹杂着膜杂混合物的气流以一定的速度从输膜管道向外喷出会形成气体紊流射流。由于有限空间射流流场中的空气流动易形成涡流而影响膜杂分离效果，将上盖和两侧板设计成网状结构。根据前期田间试验表明回收的残膜面积均大于1 400 mm2，网孔边长为30 mm［10］。

为避免因气流扩散角引起的膜杂混合物堵塞上盖网孔情况的发生，同时降低机具运行过程中产生的气流对集膜装置内部流场的影响，集膜箱上盖为前高后低的斜面，该斜面与水平面的夹角α为15°［11］。

2.2 膜杂混合物运动规律分析

工作时，残膜和杂质分别在自身重力G、空气推力F、空气阻力f共同作用下运动。将膜杂混合物除重力G以外所受的其他力合并成一个水平方向的力Fx和一个垂直方向的力Fy，如图3所示。

2.2.1 有风区膜杂混合物分离成分的运动分析

物料颗粒在水平方向受气流作用力的水平分力Fx1的作用，垂直方向受气流作用力的垂直分力Fy1与重力合力G作用，以输膜入口处物料所在的位置建立坐标系，如图4所示。

2.2.2 无风区膜杂混合物分离成分的运动分析

物料颗粒在水平方向受气流作用力的水平分力Fx2的作用，垂直方向受气流作用力的垂直分力Fy2与重力合力G作用，以物料颗粒在有风区和无风区交界处的位置建立坐标系，如图5所示。

X、Y所形成的曲线，即为颗粒在流场中的运动轨迹。从上面的理论式可以得出膜杂混合物各成分运动的距离受到成分质量m、空气密度ρa、受风面积a、气流的运动速度v的影响。

3 集膜装置参数试验

3.1 试验条件和设备

2021年4月在山东滨州无棣县的棉花地按照国家标准GB/T 25412—2010《残地膜回收机》规定的试验方法进行气吸式残膜回收机影响集膜装置膜杂分离效果的相关参数试验。试验基地土壤含水量为14.3%，地膜厚度为0.01 mm。

试验设备：HSTL-TRCS02-3型便携式土壤水分测定仪（测量精度：±3%）、手持热敏式风速仪（风速测量范围：0～30 m/s，风速测量误差：±1%）、UT372高精度非接触式转速仪（测量范围：0～99 999 r/min，转速测量精度：0.04%±2）、秒表（测量精度：0.01 s）、卷尺（测量精度：1 mm）、电子秤（测量精度：10 g）、铁锹等。

3.2 试验方案设计

选取离心风机转速A（1 900～2 200 r/min）、隔板到输膜入口的距离B（400～800 mm）、隔板高度C（600～800 mm）作为试验因素，以含杂率Y′作为集膜装置作业性能评价指标。

利用Design-Expert 10.0.3软件中的Box-Behnken三因素三水平组合试验设计方案［13］，以含杂率Y′为响应值，对离心风机转速A、隔板距离B、隔板高度C开展三因素三水平试验研究，并对影响含杂率的主要参数组合进行优化，试验因素与水平如表1所示。调整离心风机的转速、加工三种高度隔板和改变隔板与输膜入口的装配距离来实现试验因素调整。

3.3 回归模型与显著性分析

各试验因素对含杂率Y′的影响结果如表2所示，采用Design-Expert 10.0.3软件进行回归拟合分析［14］。通过对含杂率Y′（因变量）的影响试验指标离心风机转速A、隔板距离B、隔板高度C这3个试验因素（自变量）进行显著性检验与分析，最终获得显著试验因素与评价指标的二次多项式响应面回归模型，如式（9）所示。

回归模型方差分析结果如表3所示。由表3可知，含杂率的回归模型显著水平小于0.01，表明回归模型极显著；失拟项显著水平P值为0.153 6，大于0.05，说明含杂率回归模型拟合度较高拟合效果好，能够反映膜中含杂率Y′与各变量之间的关系，回归模型能够用于对影响集膜装置膜杂分离效果的参数进行优化。

通过分析各因素P值可知，各因素对膜中含杂率的影响由大到小顺序为：隔板距离、离心风机转速、隔板高度。

3.4 响应面分析

利用Design-Expert 10.0.3软件的Model Graphs模块得到3D Surface响应面图如图6所示，根据响应面图分析离心风机转速、隔板距离、隔板高度因素间交互作用对含杂率的影响。

图6（a）为隔板高度位于中心水平（700 mm）时，离心风机转速与隔板距离两因素交互作用对含杂率影响的响应面图。在两因素交互作用影响下，当隔板距离逐渐增加时，含杂率逐渐降低且变化幅度较为明显。而当离心风机转速逐渐增加时含杂率先降低后升高，并且变化幅度相对平缓。含杂率的响应曲线沿隔板距离方向的变化较明显，这表明隔板高度位于中心水平时，隔板距离对含杂率的影响效果比离心风机转速的影响效果显著。

图6（b）为隔板距离位于中心水平（600 mm）时，离心风机转速与隔板高度两因素交互作用对含杂率影响的响应面图。在两因素交互作用影响下，当隔板高度逐渐增加时，含杂率逐渐降低，但变化幅度很不明显。而当离心风机转速逐渐增加时含杂率先缓慢下降再快速升高。含杂率的响应曲线沿离心风机转速方向的变化较明显，这表明隔板距离位于中心水平时，离心风机转速对含杂率的影响效果比隔板高度的影响效果显著。

图6（c）为离心风机转速位于中心水平（2 050 r/min）时，隔板距离与隔板高度两因素交互作用对含杂率影响的响应面图。在两因素交互作用影响下，当隔板距离逐渐增加时，含杂率急剧下降。而当隔板高度逐渐增加时，含杂率下降缓慢。含杂率的响应曲线沿隔板距离方向的变化较明显，这表明离心风机转速位于中心水平时，隔板距离对含杂率的影响效果比隔板高度的影响效果显著。

3.5 参数优化与试验验证

针对提升含杂率的作业要求，应用Design-Expert 10.0.3软件的优化模块对影响集膜装置膜杂分离效果的参数进行优化［15］得到最优参数：离心风机转速为1 974 r/min，隔板距离为767 mm，隔板高度为723 mm，在此参数条件下含杂率为6.97%。

为验证优化后的参数可靠性，采用优化后的集膜装置进行3次田间重复验证试验。试验测得含杂率均值为8.3%，与模型理论预测值6.97%基本一致，试验验证结果表明，回归模型具有较好的可靠性。经试验，改进后的集膜装置相较于之前的集膜装置能够将含杂率降低3%。

4 结论

1） 介绍了气吸式残膜回收机的整机结构，对集膜装置的膜杂分离和卸膜过程进行了论述。对分离过程中的膜杂混合物运动规律进行了理论计算和运动分析，确定了影响含杂率的相关试验因素，对集膜箱外部结构进行确定。

2） 根据Box-Behnken试验设计原理，采用三因素三水平响应面分析方法，对不同参数的集膜装置膜杂分离性能进行试验。通过响应曲面分析，得到影响含杂率的因素由大到小依次为：隔板与输膜入口距离、离心風机转速、隔板高度。

3） 运用Design-Expert 10.0.3软件进行了正交试验和试验结果分析，并对回归模型进行了优化。优化后的较优参数组合为：离心风机转速为1 974 r/min，隔板距离为767 mm，隔板高度为723 mm，此时含杂率为6.97%。改进后的集膜装置能够对残膜和杂质进行再次分离，降低了残膜再利用难度，提高了离心风机动能利用率，为残膜回收装备设计提供了参考。

参 考 文 献

［1］ 徐阳， 何新林， 杨丽莉， 等. 残膜对棉田土壤水盐、氮素及产量的影响［J］. 水土保持学报， 2021， 35（5）： 312-319， 327.

Xu Yang， He Xinlin， Yang Lili， et al. Effects of residual film on soil water-salt， nitrogen and yield in cotton field ［J］. Journal of Soil and Water Conservation， 2021， 35（5）： 312-319， 327.

［2］ 李东， 赵武云， 辛尚龙， 等. 农田残膜回收技术研究现状与展望［J］. 中国农机化学报， 2020， 41（5）： 204-209.

Li Dong， Zhao Wuyun， Xin Shanglong， et al. Current situation and prospect of recycling technology of farmland residual film ［J］. Journal of Chinese Agricultural Mechanization， 2020， 41（5）： 204-209.

［3］ 赵岩， 陈学庚， 温浩军， 等. 农田残膜污染治理技术研究现状与展望［J］. 农业机械学报， 2017， 48（6）： 1-14.

Zhao Yan， Chen Xuegeng， Wen Haojun， et al. Research status and prospect of control technology for residual plastic film pollution in farmland ［J］. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery， 2017， 48（6）： 1-14.

［4］ 张恒， 康建明， 张国海， 等.黄淮海地区农膜污染现状及对策分析［J］.中国农机化学报， 2019， 40（1）： 156-161.

Zhang Heng， Kang Jianming， Zhang Guohai， et al. Analysis of present situation and countermeasures of agricultural film pollution in Huang-Huai-Hai area ［J］. Journal of Chinese Agricultural Mechanization， 2019， 40（1）： 156-161.

［5］ 郭文松， 贺小伟， 王龙， 等. 梳齿起膜气力脱膜式耕层残膜回收机研制［J］. 农业工程学报， 2020， 36（18）： 1-10.

Guo Wensong， He Xiaowei， Wang Long， et al. Development of a comb tooth loosening and pneumatic stripping plough layer residual film recovery machine ［J］. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering， 2020， 36（18）： 1-10.

［6］ 李姝卓. 挑膜分杂式地膜回收机关键部件的设计与研究［D］. 石河子： 石河子大学， 2020.

Li Shuzhuo. Design and research on key components of film picking and separating film recycling machine ［D］. Shihezi： Shihezi University， 2020.

［7］ 赵岩， 郑炫， 陈学庚， 等. CMJY-1500型农田残膜捡拾打包联合作业机设计与试验［J］. 农业工程学报， 2017， 33（5）： 1-9.

Zhao Yan， Zheng Xuan， Chen Xuegeng， et al. Design and test of CMJY-1500 type plastic film residue collecting and balling machine ［J］. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering， 2017， 33（5）： 1-9.

［8］ 唐永飞， 赵永满， 王吉奎， 等. 夹指链式残膜回收机脱膜裝置设计与试验［J］. 农业工程学报， 2020， 36（13）： 11-19.

Tang Yongfei， Zhao Yongman， Wang Jikui， et al. Design and experiment of film removing device for clamping finger-chain type residual film collector ［J］. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering， 2020， 36（13）： 11-19.

［9］ 张慧明， 陈学庚， 颜利民， 等. 随动式秸秆还田与残膜回收联合作业机设计与试验［J］. 农业工程学报， 2019， 35（19）： 11-19.

Zhang Huiming， Chen Xuegeng， Yan Limin， et al. Design and test of master-slave straw returning and residual film recycling combine machine ［J］. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering， 2019， 35（19）： 11-19.

［10］ 严昌荣， 梅旭荣， 何文清， 等. 农用地膜残留污染的现状与防治［J］. 农业工程学报， 2006， 22（11）： 269-272.

Yan Changrong， Mei Xurong， He Wenqing， et al. Present situation of residue pollution of mulching plastic film and controlling measures ［J］. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering， 2006， 22（11）： 269-272.

［11］ 何洪川. 高大空间空气处理单元空气射流流场测试与模拟分析研究［D］. 青岛： 青岛理工大学， 2015.

He Hongchuan. Test and simulation analysis of the air jet flow field of large space air handing unit ［D］. Qingdao： Qingdao Technological University， 2015.

［12］ 杨先海. 城市生活垃圾压缩和分选技术及机械设备研究［D］. 西安： 西安理工大学， 2004.

Yang Xianhai. Research on MSW compacting separating technology and corresponding mechanical equipment ［D］. Xian： Xian University of Technology， 2004.

［13］ 康建明， 陈学庚， 温浩军， 等. 基于响应面法的梳齿式采棉机采收台优化设计［J］. 农业机械学报， 2013， 44（S2）： 57-61.

Kang Jianming， Chen Xuegeng， Wen Haojun， et al. Optimization of comb-type cotton picker device based on response surface methodology ［J］. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery， 2013， 44（S2）： 57-61.

［14］ 任露泉. 试验优化设计与分析［M］. 北京： 高等教育出版社， 2003.

［15］ 由佳翰， 张本华， 温浩军， 等. 铲齿组合式残膜捡拾装置设计与试验优化［J］. 农业机械学报， 2017， 48（11）： 97-104.

You Jiahan， Zhang Benhua， Wen Haojun， et al. Design and test optimization on spade and tine combined residual plastic film device ［J］. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery， 2017， 48（11）： 97-104.