棉田机械回收残膜与杂质混合物撕碎过程中多刃齿形刀具与残膜缠绕特性分析

《Industrial Crops and Products》：Analysis of wrapping characteristics between multi-edge toothed cutter and residual film during shredding of the mixture of mechanically recovered residual films and impurities in cotton fields

　　

塑料薄膜覆盖是中国提升作物产量与品质的重要农艺措施，棉田高度依赖该措施。多数农用地膜由聚乙烯构成，自然条件下难降解，残膜在新疆棉田表土累积达200 kg·hm?2（最高540 kg·hm?2），远超国标限值75 kg·hm?2，引发土壤理化性质恶化、微塑料迁移及食物链风险。机械回收残膜常与土、棉秆形成异质混合物（残膜-杂质混合物，MRI），撕碎是其资源化预处理关键工序，但残膜高柔性、高延展性致其在多刃齿形刀具撕碎时频繁黏附缠绕，降低设备性能。研究人员分析了撕碎过程残膜-刀具受力机制，辨识缠绕主控因素；以高低速辊转速、刀齿数、动定刀间隙为变量，残膜缠绕率为响应，采用中心复合设计（CCD）开展物理试验，回归方差分析构建缠绕率预测模型，揭示单因素与交互效应，模型与物理试验相对误差7.46%。该研究厘清了MRI撕碎中刀具-残膜缠绕机理，为控缠提供理论与试验支撑。

研究背景方面，棉田地膜覆盖增产显著，但聚乙烯地膜自然降解慢，新疆棉田残膜量200 kg·hm^?2且超标，残膜破碎后成微塑料威胁生态与粮食安全。机械回收所得残膜-杂质混合物（MRI）含土、棉秆，结构松散黏附强，撕碎作为资源化预处理需打破残膜-棉秆缠绕与土黏附，而残膜柔性大、抗冲击、延展高，在多刃齿形刀具撕碎中易黏附缠绕于刀面、刀顶与侧刃，致使设备效率下降、堵塞频发。既有农业柔性物料（马铃薯茎苗、蔗叶、香蕉秆等）防缠研究多聚焦茎秆类，MRI撕碎中刀具-残膜缠绕的主控因素、高低速辊转速、刀齿数、动定刀间隙及其交互效应对缠绕率的定量关系尚不清楚，故研究人员以MRI撕碎刀具-残膜缠绕为对象开展机理与建模研究，论文发表于《Industrial Crops and Products》。

关键技术方法上，研究人员以MRI为样本来源（新疆棉田机械回收残膜混土与棉秆），构建高低速对转多刃齿形刀具撕碎装置；基于二次撕碎区残膜受力假设（忽略瞬时弯曲与冲击阻尼、转速短时恒定、几何平滑变化）建立准稳态力平衡方程，析出离心力F_e1、F_e2与拉伸撕裂力F₁、F₂及重力项；选取高低速辊转速n₁、n₂、刀齿数、动定刀间隙δ为因素，残膜缠绕率为响应，采用中心复合设计（CCD）布置物理试验，经回归方差分析构建可预测模型并验证。

研究结果部分，按原文小节凝练如下。2. 撕碎过程刀具-残膜缠绕机理：研究人员阐明物料经挤压区I进入交错撕碎挤压区II，高低速刀刃前角α、β与间隙δ满足α=β=90°?θ/2=arcsin(r′/(2r)+δ/(2r)·sin(γ/2)+1/2)；残膜在二次撕碎区受固定刀与动刀啮合重剪，对大尺寸高延展残膜或间隙过大时仍发缠绕，据此建立xoy坐标系下力平衡方程组（含F₁cos(180°?ω_1t)+F_e2cos(ω_2t?90°)=F_e1sin(180°?ω_1t)+F₂sin(ω_2t?90°)、竖直向合力零、F_e1=mω₁²r、F_e2=mω₂²r），指出离心力与拉伸撕裂力的方向正交性是缠绕判据核心。研究人员通过CCD物理试验与回归方差分析得出：残膜缠绕率随高低速辊转速升高呈先降后升；刀齿数增加利于切碎脱附使缠绕率下降但有阈值；动定刀间隙δ过大会失效重剪致缠绕率上升；n₁与δ、n₂与刀齿数存在显著交互效应。所建缠绕率预测模型与物理试验值相对误差7.46%。

讨论与结论翻译部分，研究人员讨论指出：MRI撕碎刀具-残膜缠绕源于残膜高延展性与二次撕碎区力系失衡，主控因素为高低速辊转速、刀齿数、动定刀间隙及其交互作用；中心复合设计回归模型可量化各因素主效与交互效应对缠绕率的影响，模型精度满足工程预测。结论为：撕碎过程残膜受离心力F_e1、F_e2与切向拉伸撕裂力F₁、F₂共同控制，当间隙δ与辊速匹配不当且残膜尺寸大时产生缠绕；高低速对转多刃齿形刀具结构中，降低δ至合理值、优化n₁/n₂差速比、适度增加刀齿数可有效抑制缠绕；所构缠绕率预测模型相对误差7.46%，为棉田MRI撕碎控缠与刀具参数设计提供理论及试验依据。