回收膜捆高效破碎装置的研制与试验.pdf

新疆农机化圆园24 年第 2 期doi:10.13620/ki.issn1007-7782.2024.02.006中图分类号:S223.5文献标识码:A0 引言地膜覆盖技术可增温保墒、抑制杂草、预防病虫害，对促进作物生长及提高作物产量具有重要作用1-2，据统计，2021 年我国地膜使用量达 132.03 万 t，新疆地膜使用量 24.04 万 t，居全国首位3。随着地膜使用年限及推广应用面积的增加，棉田中大量地膜残留积聚，对农田土壤结构和作物生长发育负效应显著4-5。以残膜回收打捆技术为主流的秋后棉田残膜回收装备的应用虽然在一定程度上缓解了新疆棉田残膜污染问题，但大部分机具回收的膜捆中裹挟大量棉秆及杂质，后续无法进行有效处理，而回收膜捆多采用集中堆放、焚烧、填埋和人工分拣等方式处理，易造成二次污染且不符合国家政策要求，现有的膜捆破碎装置存在破碎过程中刀辊易堵塞、破碎不均匀以及生产效率低等问题，因此亟需开展对膜捆破碎技术的研究与装置开发，促进残膜高效分离及资源化利用，推动农田残膜污染闭环治理。国外农用地膜厚度大、强度高，大多数地膜在当年作物收获后可进行回收再利用，减少了农田中地膜残留，该阶段回收的农田残膜完整性好且含杂量低，采用普通废旧塑料加工设备即可对其破碎6，故国外对残膜破碎或机收膜捆破碎技术研究与装置开发鲜有报道。为满足不同作业环境及物料破碎，国内各高校及企业针对塑料等柔性物料破碎装置进行了大量研究。于恒志等对 SG-4390 型塑料粉碎装置进行了开发，提出一种变频结构设计方案用于降低粉碎装置无用功输出，改进了六刀架轴及 V 型粉碎刀，提高了粉碎效率7。姜科文等设计了一种具有避让、防缠绕及分选功能的物文章编号院1007-7782渊2024冤02-0021-03回收膜捆高效破碎装置的研制与试验何玉泽，卢勇涛，王 敏，营雨琨，王吉亮，秦朝民，薛 理（新疆农垦科学院机械装备研究所，新疆 石河子 832000）摘要院残膜回收机回收膜捆含杂率高、人工分拣费工费时，而现有膜捆破碎装置破碎过程中存在刀辊易堵塞卡死、破碎不够均匀、生产效率低等问题，结合回收膜捆中残膜、棉秆、土杂等物料特性研制了一种回收膜捆高效破碎装置，主要用于回收膜捆的高效破碎，为后续膜杂高效分离及资源化利用奠定基础。文中介绍了破碎装置的结构组成、工作原理、关键部件、主要技术特点、样机试制与试验情况。研究结果可为相关破碎装置设计提供参考，有利于推动农田残膜污染闭环治理进程。关键词院回收膜捆；破碎装置；设计；试验Developmentandtestofhigh-efficiencyrecycledfilmbundlecrushingdeviceHe Yuze,Lu Yongtao,Wang Min,Ying Yukun,Wang Jiliang,Qin Chaomin,Xue Li(Mechanical Equipment Research Institute,Xinjiang Academy of Agricultural and Reclamation Science,Shihezi,832000,Xinjiang,China)Abstract:Aiming at the problems of high impurity content of recycled film bundle in residual film recycling machine,time-consuming and labor-consuming manual sorting,and the existing film bundle crushing device in the process of the kniferollers are easy to be blocked and jammed,uneven crushing,low production efficiency,etc.,combined with the characteristics ofresidual film,cotton stalk,soil impurities and other materials in recycled film bundle,a high-efficiency recycled device wasdeveloped,which ismainly used for high-efficiency crushing ofrecycled film bundle,laying a foundation for subsequent efficientseparation and resource utilization of film impurities.The structure composition,working principle,key components,technicalfeature,prototype trial production and test of the crushing device were introduced in this paper.The research results can providereference for the design of related crushing devices,which is conducive to promote the process of closed-loop management ofresidualfilmpollutioninfarmland.Key words:Recycling film bundle;Crushing device;Design;Test通讯作者院卢勇涛基金项目院兵团重点领域科技攻关计划（2022AB020）；新疆农垦科学院院级科研项目（2023YJ017）修回日期院2023-11-06窑 残膜回收机械化 窑21援援新疆农机化圆园24 年第 2 期料粉碎机，该机在避免柔性物料缠绕齿辊的同时实现了柔性物料粉碎8。王昌佑等研制了一种高效整卷边角塑料粉碎机组，可一次性完成塑料等柔性物料的整卷上料、粉碎、过筛、称重及缝包等加工环节9。刘公雨等设计了一种挤压式薄膜塑料剪切粉碎机，该机采用高速旋转的切碎刀对由挤压部件挤出的塑料等柔性物料进行剪切10。高树根等设计了一种柔性塑料粉碎机，以高速旋转的钢丝绳完成垃圾袋和包装袋等塑性材料的粉碎11。彭祥彬等设计了一种棉田机收膜杂除土装置，该机采用多筛体交错运动完成膜杂物料打散、膜秆后抛输送和除土作业12。国内外相关学者及科研院所对不同结构形式及利用场景的破碎装置进行了研究与开发，但上述破碎装置只适用于装箱式残膜回收机回收的散料，对于打捆的残膜回收物由于膜杂物料结构特征、力学特性及成型方式等差异性较大，因此对膜捆直接破碎的相关研究较少。为解决回收膜捆或膜杂散料集中堆放、焚烧、填埋和人工分拣等处理方式造成的二次污染及回收残膜资源化利用率低等问题，结合膜捆基本物料特性，本文研制了一种回收膜捆高效破碎装置，为膜杂高效分离及资源化利用奠定基础。1 整机结构回收膜捆高效破碎装置主要由机架、电机、输送机构、喂料压辊、破碎定刀组件、破碎机构、破碎腔、传送皮带和出料口等工作部件组成，破碎装置整体结构如图 1。图 1 回收膜捆高效破碎装置结构示意1.机架2.输送机构3.喂料压辊4.破碎定刀组件5.输送电机6.喂料电机7.破碎机构8.破碎腔9.出料口10.破碎电机11.传送皮带该机主要技术参数如下：破碎方式外形尺寸（长伊宽伊高，mm）整机重量（kg）刀轴转速（r/min）配套动力（kW）生产效率（t/h）可破碎膜捆最大直径（cm）破碎后膜片最大外廓尺寸臆50cm 的合格率（%）2 工作原理破碎装置作业时启动电控系统，电机通过传送皮带或链条将动力分别传递至输送机构、喂料压辊和破碎机构，输送机构将膜捆输送至喂料压辊下方，在喂料压辊压实作用下将膜捆强制喂入破碎腔，高速旋转的破碎机构将膜捆撕裂，再通过破碎机构与定刀组件的切割作用对破捆后的物料进行切割破碎，完成对膜捆的高效破碎。破碎后的物料在惯性离心力和气流的作用下离开破碎腔，同时利用高速旋转的气流对膜杂混料中的杂质进行清理，实现膜杂初分离，破碎后的膜片从出料口排出并被收集，为后续膜杂高效分离和资源化利用创造良好条件。3 关键部件3.1 喂料压辊喂料压辊包括压辊主体、压辊转轴和多个径向喂料齿条，结构如图 2。压辊主体套接于压辊转轴上，压辊转轴的两端分别通过轴承座安装于破碎腔侧壁上，破碎腔的两侧壁设有用于安装轴承座的导向槽，轴承座能够沿导向槽上下移动使喂料压辊能够根据膜捆直径大小自动调节其高度，便于破碎不同直径的膜捆，压辊主体的外周面沿轴向间隔设置多个径向喂料齿条，在压实的同时可将膜捆强制喂入破碎腔。图 2 喂料压辊结构示意1.喂料齿条2.压辊主体3.压辊转轴4.导向槽5.破碎腔侧壁3.2 破碎机构破碎机构包括破碎刀辊、转轴和多组 Y 型甩刀（图3）。转轴的两端分别通过带座轴承安装于破碎腔侧壁上，转轴的外周面采用交错排列的方式固定连接有多组 Y 型甩刀，可有效提升破碎效率，改善破碎效果以及防止腔体堵塞。定刀组中的每个定刀通过螺母固定1234567891011高速旋转切削破碎3 500伊1 800伊2 5002 0001 500逸70逸1.5臆35逸8012331245窑 残膜回收机械化 窑22援援新疆农机化圆园24 年第 2 期于破碎腔下方，通过替换不同长度的螺栓定刀调整其长度，实际应用中可根据破碎需要调整定刀组件的定刀数量和定刀长度等参数以提升膜捆破碎的质量。图 3破碎机构刀轴结构示意1.破碎腔侧壁2.Y型甩刀3.刀座4.破碎机构转轴5.定刀4 主要技术特点（1）该膜捆破碎装置喂料压辊能够根据膜捆直径自动调节高度，输送机构与破捆粉碎机构在压辊的作用下实现对不同膜捆的连续破碎作业，扩大应用范围。（2）破碎机构设计了“Y 型甩刀+定刀组件”的刀轴结构方式，保障破捆破碎效果的同时能利用破碎腔产生的风力清理膜杂混料中的杂质，实现膜杂初分离。可通过调节定刀组件的定刀数量和定刀长度来改变膜片破碎尺寸，满足残膜资源化利用要求。（3）该破碎装置采用三相异步电机，通过大带轮连接小带轮的方法，使用带轮传动增加扭矩，实现对回收膜捆的高效破碎。5 试制与试验情况新疆农垦科学院机械装备研究所与石河子开发区锐益达机械装备有限公司联合研发并完成回收膜捆高效破碎装置试制，2022 年 5 月在该公司试验场地进行试验，试验膜捆采用 4MKJ 残膜回收打捆与秸秆粉碎联合作业机上一年秋季回收的膜捆，残膜回收地点选定为新疆维吾尔自治区呼图壁县种牛场棉花收获后的根茬地，回收及试验时天气状况良好，膜捆较干燥，试验作业效果如图 4。试验结果显示该膜捆破碎装置作业时运行稳定、破碎均匀、生产高效，各项指标符合设计要求，在匹配功率为 75 kW 电机工作时可破碎膜捆最大直径达 35 cm，破碎后膜片最大外廓尺寸小于50 cm 的合格率达 80%以上，满足市场上主流残膜回收机回收膜捆的直径要求及后续残膜资源化利用的膜片尺寸要求。6 结论现阶段残膜回收机回收的膜捆或膜杂散料含杂率高，不能满足残膜加工企业需求，针对现有残膜水洗处理方式成本高、效益差等残膜再利用发展现状以及残膜处理设备在工作时故障率高、破碎不均匀和生产效率低等问题研制了一种回收膜捆高效破碎装置并进行了试验验证。试验结果表明破碎装置总体设计合理，性能稳定可靠，对解决现阶段回收残膜二次污染严重、生产效率低以及资源化利用率低等问题具有重要的实际意义。参考文献院1薛颖昊袁曹肆林袁徐志宇袁等.地膜残留污染防控技术现状及发展趋势J援农业环境科学学报袁2017袁36渊08冤:1595-1600.2张金瑞袁任思洋袁戴吉照袁等.地膜对农业生产的影响及其污染控制J援中国农业科学袁2022袁55渊20冤院3983-3996.3国家统计局农村社会经济调查司.中国农村统计年鉴M.北京院中国统计出版社袁1985原2021.4严昌荣袁梅旭荣袁何文清袁等.农用地膜残留污染的现状与防治J.农业工程学报袁2006袁22渊11冤院269原272援5毕继业袁王秀芬袁朱道林.地膜覆盖对农作物产量的影响J.农业工程学报袁2008袁24渊11冤院172原175援6梁荣庆.多刃齿刀式棉田机收膜杂切碎特性研究D援石河子院石河子大学袁2022.7于志恒袁钱苏翔袁黄风立袁等援基于动态特性分析的 SG-4390型粉碎机刀架轴刀片布置设计J援机床与液压袁2015袁43渊14冤院9-12援8姜科文袁谢建中袁卿燕玲袁等援城市袋装生活垃圾破袋破碎分选设备的开发与研制J援矿山机械袁2014 渊1冤院14-16援9王昌佑袁王淮贤.高效整卷边角塑料粉碎机组的研发与应用J援装备制造技术袁2012 渊12冤院114-117援10刘公雨袁马明旭袁刘红林袁等.剪切式薄膜塑料粉碎机设计J.机械设计与制造袁 2015 渊5冤院32-35援11高根树袁任悦袁刘中明袁等.生活垃圾分选线上柔性破袋机的原理与设计J.环境工程学报袁2017袁11 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