关键词：
废旧地膜
破碎技术
物理特性
碎后尺寸
含杂率
摘要：
回收废旧地膜(以下简称废旧地膜)的大规模掩埋和堆积造成了严重的土壤和空气污染,严重威胁着环境安全和人类健康。废旧地膜回收装备的应用虽在一定程度上缓解了相关污染问题,但机械回收后的废旧地膜裹缠严重,含杂量大,直接资源化利用难,必须对其进行初处理。破碎技术作为废旧地膜初处理的必要手段,可以极大地缓解膜杂分离困难的问题。然而,废旧地膜中地膜和棉秆的物理特性差异较大,适用于废旧地膜的破碎技术仍缺乏完整的系统研究和专用技术,破碎过程仍处于探索阶段,亟需针对废旧地膜初处理破碎技术开展相关研究。因此,本研究通过对废旧地膜相关物理特性的深入研究,分析地膜与棉秆的断裂条件;借鉴相关破碎设备,设计搭建单辊齿板式地膜破碎试验台;借助有限元仿真分析及破碎过程动力学分析,揭示设备参数对破碎效果的影响规律;通过参数优化试验及验证试验,获取单辊齿板式地膜破碎设备最优参数组合。本研究提出了废旧地膜破碎设备设计与优化的创新思路,研究结果为废旧地膜原料化工艺提供应用基础,并为废旧地膜资源化利用进程提供关键技术和装备支持。具体研究内容如下:
(1)以新疆棉田废旧地膜为研究对象,测定其主要组分质量占比,获取不同厚度不同老化程度地膜的力学性能,构建老化时间-厚度交互影响下的力学特性模型,对比不同部位棉秆的剪切力学特性差异,分析棉秆在包裹地膜后的剪切特性。研究结果表明,未经初处理的废旧地膜含杂量较高,超过了70%,废旧地膜主要构成为地膜、棉秆、土杂和石子及其余杂质,各组分含量范围分别为15.6%～30.9%、17.5%～37.2%、29.4%～57.1%和3.6%～17.2%。地膜受到紫外光照射后,其力学性能呈非线性的波动衰减趋势,且衰减速率逐渐减慢。棉花茎秆和根茎的抗剪性能在包裹地膜后明显提高,总体提高了186.89%和67.39%,而根须在包裹地膜后总体仅提升了6.25%。
(2)基于地膜与作物茎秆的力学特性及结构特征,创制齿板式破碎刀具,对破碎辊进行结构设计及模态分析,计算出料斗出口风速,搭建可以实现一键启停和自动清堵的控制系统,构建单辊齿板式地膜破碎试验台。研究结果表明:通过动刀与定刀齿板相互配合的方式,对废旧地膜进行撕扯、揉搓和剪切,实现对废旧地膜的共同破碎。冲击与剪切组合型的破碎方式能够在保证废旧地膜破碎效果的同时减缓刀具刃口损伤。刀齿数量分别为6、12和18的破碎辊前六阶固有频率范围分别为[401.71,1265.4]Hz、[400.73,1260.5]Hz和[400.75,1264.0]Hz,最小激振转速分别为24103 r/min、24044 r/min和24045 r/min。出料斗出口风速范围为2.48 m/s～3.72 m/s,可以实现碎后地膜和杂质的初步分离。搭建地膜破碎设备控制系统,能够实现设备一键启停、自动清堵和状态检测等功能。阐述控制系统的主要工作元件、交互系统设计、程序控制原理和电路接线方式。完成地膜破碎试验台整体搭建,可为仿真分析、动力学分析和设备参数优化试验提供装备支持。
(3)构建地膜物料喂入及破碎过程的动力学模型,阐述地膜破碎过程中的喂入运动特征及破碎力学特性,获取破碎过程中影响破碎效果的主要因素,利用ABAQUS搭建基于Hill48屈服准则的地膜破碎仿真模型,分析破碎辊转速、喂入速度和破碎辊齿数对地膜破碎效果的影响关系。研究结果表明:破碎辊转速、喂入速度和破碎辊刀齿数量为影响破碎效果的主要机构参数。材料参数的标定具有较高的准确性与可信度,0°、45°和90°三组试验与仿真的Pearson相关系数分别为0.9988、0.9981和0.9969。随着破碎辊转速的提高,地膜的碎后尺寸逐渐减小,随着喂入速度的提高,地膜的碎后尺寸逐渐增大,随着破碎辊齿数的增多,地膜破碎后尺寸逐渐减小。
(4)根据破碎过程动力学理论分析及仿真模拟结果,以地膜碎后尺寸合格率、碎后含杂率为指标,确定需要优化的机构参数取值范围,开展多目标参数优化试验,建立各因素对评价指标影响的多元回归模型,获取最佳破碎效果的机构参数组合,验证了优化方案的可行性与有效性。研究结果表明:碎后地膜尺寸合格率的影响显著性从大到小依次是刀齿板数量,破碎辊转速和喂入速度。对碎后地膜含杂率的影响显著性从大到小依次是破碎辊转速,刀齿数量和喂入速度。优化后的理论地膜尺寸合格率为87.94%,碎后地膜含杂率为8.83%。结合实际试验条件确定最优参数组合如下:喂入速度为0.30 m/s(约0.30 kg/s)、刀齿板数量为12、破碎辊转速为815 r/min。验证试验得出碎后地膜的尺寸合格率为82.55%,含杂率为9.57%,与预测值的误差分别为6.13%和8.38%,两指标误差均未超过9%,说明优化模型具有良好的可靠性与预测性。
