玉米根茬殘膜回收機(jī)的離散元模擬及性能試驗(yàn)

劉 飛,林 震,張 濤,白相萍,王玉柱

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,呼和浩特 010018;2.內(nèi)蒙古農(nóng)牧業(yè)機(jī)械技術(shù)推廣站,呼和浩特 010020)

0 引言

內(nèi)蒙古自治區(qū)是我國玉米的主要種植區(qū)域,玉米播種面積、產(chǎn)量均居全國第3位。內(nèi)蒙古大部分地區(qū)均屬于北方高寒干旱地區(qū),多數(shù)玉米種植均采用覆膜播種,年地膜使用量高達(dá)10萬t,而作物收獲后殘留的地膜在土壤中難以降解,對土壤造成極大的污染,且對于后續(xù)種植農(nóng)作物的產(chǎn)量也產(chǎn)生了很大影響,因此實(shí)施殘膜回收處理具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

由于玉米根茬較大且根系發(fā)達(dá),殘膜很難和根茬有效分離。為解決玉米等大根茬作物的殘膜回收問題,筆者在前人開發(fā)的鏈齒式殘膜回收機(jī)的基礎(chǔ)上[18-21],重點(diǎn)改進(jìn)起膜鏟部分,設(shè)計(jì)新型的滾刀裝置進(jìn)行根茬和纏膜的撿拾,并通過離散元數(shù)值模擬和殘膜回收性能試驗(yàn)[22],得到適合玉米根茬殘膜回收的作業(yè)參數(shù),以期實(shí)現(xiàn)玉米根茬與殘膜的有效回收。

1 玉米根茬殘膜回收機(jī)的結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵參數(shù)

1.1 玉米根茬殘膜回收機(jī)的要求

根據(jù)農(nóng)業(yè)技術(shù)要求和國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),玉米根茬殘膜回收機(jī)應(yīng)符合以下要求:①維修、保養(yǎng)應(yīng)方便;②運(yùn)輸間隙應(yīng)不小于300mm;③表層拾凈率不低于80%;④深層拾凈率不低于70%;⑤纏膜率不高于2%[13]。

1.2 玉米根茬殘膜回收機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作原理

玉米根茬殘膜回收機(jī)主要由懸掛架、機(jī)架、滾刀裝置、升運(yùn)裝置、收集箱、支撐輪、傳動裝置和摟膜裝置等部分組成,如圖1所示[14-15]。

1.限深輪 2.傳動裝置 3.升運(yùn)裝置 4.支撐輪 5.收集箱 6.摟膜裝置 7.機(jī)架 8.滾刀裝置 9. 懸掛架圖1 玉米根茬殘膜回收機(jī)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of corn stubble residual film recovery machine

該機(jī)是為30～66 kW拖拉機(jī)配套的新型整地機(jī)械,一次性作業(yè)能實(shí)現(xiàn)作物根茬的切段、根茬拋離、收集、整地等農(nóng)田作業(yè),具有傳動平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)合理、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn),能夠達(dá)到根茬切碎還田、根茬拋離、培肥地力及增強(qiáng)土壤有機(jī)質(zhì)的目的。工作時(shí),將機(jī)具與拖拉機(jī)懸掛機(jī)構(gòu)掛接,用傳動軸(萬向節(jié))將拖拉機(jī)的動力輸送到主傳動箱,通過傳動箱減速并改變方向,經(jīng)鏈條將動力傳遞給驅(qū)動變速箱的動力輸出軸,動力輸出軸通過花鍵與刀軸連接,驅(qū)動滾刀裝置中的刀軸旋轉(zhuǎn)工作;同時(shí),傳動箱將動力經(jīng)過2次換向,通過輸送鏈驅(qū)動抖動輸送鏈轉(zhuǎn)動,將殘膜、根茬和部分砂土抖動分離,殘膜和根茬輸送到集料箱收集;在集料箱中物料裝滿后,通過液壓系統(tǒng)驅(qū)動,打開集料箱,將物料卸于地頭,便于集中處理。機(jī)具集料箱后方安裝有漏膜裝置,可摟集泄漏的殘膜[23-29]。

1.3 主要技術(shù)參數(shù)

玉米根茬殘膜回收機(jī)主要技術(shù)如表1所示。

表1 主要技術(shù)規(guī)格Table 1 Main technical specifications

2 離散元數(shù)值模擬

滾刀裝置工作性能對整機(jī)殘膜回收性能有較大影響,但通過試驗(yàn)方法研究滾刀裝置對根茬與殘膜的拋起過程的影響較為困難。本文應(yīng)用離散元軟件模擬滾刀將根茬拋起的工作過程,通過離散元后處理方法分析滾刀裝置對根茬段拋起性能的影響。

2.1 模擬方法

應(yīng)用SolidWorks軟件建立土槽與滾刀裝置三維模型,如圖2所示。由土槽的顆粒工廠部分生成土壤顆粒與根茬段,滾刀裝置在土壤上做直線運(yùn)動與轉(zhuǎn)動,完成根茬段拋起過程。通過離散元后處理得到可視化根茬段與土壤拋起過程,便于分析滾刀裝置的工作性能。

圖2 滾刀裝置三維模型Fig.2 3D model of hob device

2.2 仿真參數(shù)設(shè)定

滾刀裝置工作過程數(shù)值模擬包括3種材料,設(shè)置滾刀及土槽裝置為鋼,顆粒材料分別為土壤與根茬段,土壤顆粒半徑為5 mm,根茬段為個(gè)球面組成的近似直徑為10mm、長50mm的圓柱體。設(shè)置土壤邊框幾何體長度為3000mm,寬度為2000mm。

近日（8月27日-8月31日），中國化肥批發(fā)價(jià)格綜合指數(shù)持穩(wěn)運(yùn)行。9月3日中國化肥批發(fā)價(jià)格綜合指數(shù)（CFCI）為 2193.41點(diǎn)，環(huán)比上漲8.48點(diǎn)，漲幅為0.39%；同比上漲288.24點(diǎn)，漲幅為15.13%；比基期下跌185.46點(diǎn)，跌幅為7.80%。

選擇顆粒與顆粒、顆粒與幾何體的接觸模型為Hertz-Mindin(no slip)built in接觸模型[1]。土壤顆粒與根茬段的顆粒參數(shù)設(shè)置參照已有研究的結(jié)果[2],設(shè)置上述幾種材料的物理參數(shù)如表1所示,物料間接觸參數(shù)如表2所示。

表2 仿真材料參數(shù)設(shè)置Table 2 Simulation material parameter setting

表3 仿真材料接觸參數(shù)設(shè)置Table 3 Setting of contact parameters for simulation materials

2.3 幾何體設(shè)置

仿真設(shè)置的幾何體分別為土壤邊框、顆粒工廠和滾刀裝置。土壤邊框長為3000mm,寬為2000 mm。土壤邊框和滾刀裝置材料設(shè)置為鋼,顆粒工廠設(shè)置為虛擬。顆粒工廠幾何體添加3個(gè)靜態(tài)顆粒生成的顆粒工廠,兩次生成土壤顆粒,生成方式為填充滿幾何體,一次生成根茬顆粒。滾刀裝置幾何體添加兩個(gè)運(yùn)動:一是水平運(yùn)動,速度為1m/s;二是繞軸心的轉(zhuǎn)動,轉(zhuǎn)速為260r/min。

2.4 仿真計(jì)算

設(shè)置仿真計(jì)算時(shí)間步長為6e-5s,仿真總時(shí)間為2s。計(jì)算開始后,共生成土壤顆粒1 945 706個(gè),根茬顆粒2000個(gè),根茬位于土壤表層,土壤與根茬顆粒厚度為300mm。滾刀裝置做直線運(yùn)動與轉(zhuǎn)動,使根茬拋起。設(shè)置仿真區(qū)域上邊界距離滾刀裝置軸線的距離為360 mm,當(dāng)滾刀裝置將根茬拋起高度高于360mm時(shí),根茬段移除仿真區(qū)域,完成根茬段拋起。離散元仿真過程如圖3所示。

圖3 離散元仿真過程Fig.3 Discrete element simulation process

2.5 仿真結(jié)果及分析

應(yīng)用離散元后處理部分,得到仿真開始前與仿真結(jié)束后,滾刀裝置工作區(qū)域根茬段數(shù)量[30]。仿真開始時(shí)刻根茬段分布如圖4(a)所示,仿真結(jié)束后工作區(qū)域根茬段分布如圖4(b)所示。

由離散元可視化后處理可以看出:大部分根茬能夠完成拋起。應(yīng)用離散元后處理部分Setup selections 功能建立網(wǎng)格,統(tǒng)計(jì)分析網(wǎng)格內(nèi)根茬段數(shù)量。滾刀裝置運(yùn)動前,分析區(qū)域根茬段數(shù)量為206個(gè);滾刀裝置工作后,分析區(qū)域根茬段數(shù)量為44個(gè),78.6%的根茬段能夠被拋起。所以,該作業(yè)參數(shù)下,滾刀裝置能夠?qū)崿F(xiàn)對根茬段和地膜的拋起作用。

3 殘膜回收機(jī)性能試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)方案

參照殘地膜回收機(jī)(GB/T 25412-2010)、殘地膜回收機(jī)(DG15/T 24-2013)和殘膜回收機(jī)(DGT 149-219)等農(nóng)業(yè)機(jī)械推廣鑒定大綱和國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試驗(yàn)[16],主要考察表層拾凈率、深層拾凈率和纏膜率。試驗(yàn)條件為:玉米茬地(當(dāng)年殘膜),環(huán)境溫度6.5℃,相對濕度36.5%,地膜厚度0.008mm,土壤堅(jiān)實(shí)度1534kPa,土壤含水率14.6%,機(jī)組作業(yè)速度為4km/h。

3.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)地點(diǎn)位于內(nèi)蒙古烏蘭察布豐鎮(zhèn)市巨寶莊鎮(zhèn),試驗(yàn)現(xiàn)場如圖5所示。

選擇試驗(yàn)測試區(qū)域長度為150m,分別將兩個(gè)測區(qū)內(nèi)作業(yè)前后的各5個(gè)測點(diǎn),按地表及土層深度0～100mm、土層深度100～150mm兩個(gè)層面分別取出殘膜。將各測點(diǎn)按層取出的殘膜去除塵土和水分后稱其質(zhì)量,并求平均值。按式(1)分別計(jì)算表層拾凈率和深層拾凈率,即

(1)

式中J—?dú)埬せ厥章?

W—作業(yè)后的表層或深層殘地膜質(zhì)量(g/m2);

WO—作業(yè)前表層或深層殘地膜質(zhì)量(g/m2)。

(2)

式中C—纏膜率;

m1—測區(qū)內(nèi)纏繞在機(jī)器上地膜的質(zhì)量(g);

m2—測區(qū)內(nèi)集膜箱內(nèi)殘地膜的質(zhì)量(g)。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

按照上述試驗(yàn)方法,根據(jù)式(1)和式(2)統(tǒng)計(jì)計(jì)算殘膜回收機(jī)的各個(gè)性能指標(biāo)值,結(jié)果如表4所示。

表4 試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Test results

試驗(yàn)結(jié)果表明:在機(jī)組作業(yè)速度為3.6km/h的試驗(yàn)條件下,表層拾凈率較標(biāo)準(zhǔn)要求高8個(gè)百分點(diǎn),纏膜率較標(biāo)準(zhǔn)要求低0.2個(gè)百分點(diǎn),深層拾凈率較標(biāo)準(zhǔn)要求高11個(gè)百分點(diǎn),運(yùn)輸離地間隙滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求,這表明,設(shè)計(jì)的殘膜回收機(jī)可以滿足玉米根茬殘膜的回收要求。

4 結(jié)論

1)設(shè)計(jì)的殘膜回收機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)作物根茬的切段、根茬拋離、收集、整地等功能,具有傳動平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)合理及節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。

2)離散元模擬機(jī)器作業(yè)速度為3.6km/h、滾刀裝置轉(zhuǎn)速為260r/min時(shí),78.6 %的根茬段能夠被拋起。

3)試驗(yàn)結(jié)果表明:殘膜表層拾凈率為88%,纏膜率1.8%,深層拾凈率為91%,運(yùn)輸離地間隙為350mm,試驗(yàn)性能指標(biāo)均優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)要求。