摘 要： 主要介绍筛面物料的运动规律和试验方法的研究现状，分析了几种现有的筛分装置的工作原理，研究了现有的振动筛结构及工作参数的优化方案。同时，基于现有的研究成果为残膜机械的研究工作提供几点建议。
关键词： 残膜回收； 振动筛； 筛分效率
引言
改革开放以来，我国新疆地区的棉花产业从种植面积到平均产量都得到了极大的提高，地膜覆盖种植技术也伴随着棉花产业的发展一直沿用至今[1].地膜覆盖虽然在水土保持等方面有利于棉花的生长，但长期的残膜积累会在土壤中形成密集的阻隔层，破坏农田土壤结构，从而影响棉花的根系发育和水分吸收，长此以往这种白色污染最终会导致土地污染、耕地荒废[2].因此，从 1983 年地膜种植方法的开始应用起，残膜回收机的研制工作就已经开始，截至目前已经取得了显着的成效，大量的机械已经投入到生产使用中。根据使用时期的不同，残膜回收机械大致分为 3 类： 苗期残膜回收机械、秋后残膜回收机械及春播前残膜回收机械[3].由于苗期棉苗较小，此时回收地膜易损伤棉苗，降低棉花产量，限制了苗期残膜回收机械的应用，所以目前的研究重点主要集中在后两类机械。
1 振动筛物料分离相关研究
1. 1 筛面物料的运动规律
焦红光、赵跃民[4]利用计算机仿真技术对筛面上颗粒物料的运动状态进行了模拟，将颗粒物料群简化为单颗粒物料在筛面上的运动，通过建立数学模型，利用 VC + + . Net 软件模拟仿真，最终得到不同粒度颗粒在筛面上运动的轨迹差异，并再一次的验证了单颗粒混沌理论。沈有柏、李耀明[5]等采用 ADMS 软件对颗粒物料在三自由度振动筛筛面上的运动状态进行了仿真试验，最终得到物料与筛面碰撞后沿筛面径向位移和速度的变化特征，验证了三自由度振动筛更有利于颗粒物料沿径向碰撞离散这一结论，为设计筛分率更高的新型振动筛设备提供了理论参考。张文斌等[6]建立了分筛式清选装置中物料与筛面碰撞的运动模型，并对物料与筛面运动进行力学分析； 结果表明： 物料在筛面上的运动遵循定常运动规律及非线性运动规律； 最后采用高速摄像技术和图像处理的方法仔细观察物料在筛面的运动轨迹，进一步验证了这一结论。刘满银[7]将旋振筛筛面的颗粒物料群同样简化为单颗粒物料模型，并对单颗粒物料的运动规律做了力学计算与分析，运用计算机模拟得到了颗粒运动的轨迹曲线； 分析得出： 偏心夹角、偏心质量、偏心半径、以及旋振筛的转动惯量是影响物料在筛面运动轨迹的主要因素。筛面物料存在宏观输送运动和微观翻滚运动的两种形式，前者轨迹近似为螺旋线，后者轨迹近似为正余弦曲线。丁应生[8]详细研究了 SG 型高频振动筛筛面物料运动情况，通过计算机编程得到了筛面物料在不同参数下的运动状态； 结果表明： 筛面物料被抛起时的位移、高度、周期、以及抛射速度、入筛角度的大小是物料在筛面呈现不同运动状态的直接原因，并由此提出了入筛角这一观点。孙刚、李世争[9]等运用非线性数学工具对物料颗粒在强化筛筛面上的运动规律进行了分析，采用料群碰撞筛网的运动模型，由此推导出颗粒在强化筛中的递推公式，用混沌分析方法对强化筛中的物料运动规律进行数值计算； 最终得出： 料群对筛网的碰撞是一个极其复杂的过程，仅仅依靠数学工具对其运动状态进行描述是不准确的，目前为止不易被广泛的采用。苏振东、马学东[10]对高频筛物料的运动做了合理的假设与分析，简要地对物料在筛面向上挑起的条件作了叙述，通过对筛分机构的抛射强度进行详细计算，并选取GPS1645 型高频振动筛的实例计算验证，最终确定了高频振动筛最佳抛射强度的取值范围。
不同类型振动筛，在不同工作参数下，物料在筛面上的运动状态也不一样，正确地分析物料在筛面上的运动状态有利于各类型振动筛的优化设计。通常物料在筛面上的运动形式主要有相对静止、正向滑动、反向滑动及跳动等[11].目前，物料运动的研究方法并不是很多，在以往的试验中大都采用物料追踪法来研究物料的运动状态，较为突出的研究理论有单颗粒物料在筛面跳动模型理论和料群在筛面上碰撞模型理论两种[12].前者是将单颗粒物料作为研究对象，建立筛面上单颗粒跳动模型，推导出质点的运动方程，最终确定单颗粒物料在筛面运动的相关参数； 后者是将筛分过程分为分层和透筛两个阶段，把物料群体作为研究对象，建立筛面上物料碰撞的力学模型，充分考虑筛面上物料颗粒间的相互作用，推导出物料在料层中运动的相关参数。两种理论模型相比而言，料群碰撞理论的力学模型概念更为清晰，数学方法也较为简单，实用性较强[13].
1. 2 振动筛筛分方法的研究现状
筛分方法的研究主要有等厚筛分法和概率筛分法两种。等厚筛分法是由法国人 E 布斯特莱因提出的，筛分原理是在入料端口对即将进入的物料施以足够大的加速度，且具有不同的抛射强度，或者对筛面提供足够大的倾角，为快速分层创造必要的条件，已在工农业生产中被广泛使用[14].概率筛分法是由瑞典人摩根森提出的，是利用统计的数学方法对由不同大小不同形状的物料颗粒构成的物料群通过筛面上筛孔的概率加以研究，并以此作为筛分的理论基础，采用这种筛分方法设计出来的振动筛叫做概率筛。在概率筛的设计过程中，根据透筛统计概率原理将振动筛筛孔设计成变尺寸筛孔，并对网孔进行优化布局，最终使物料迅速分层，从而达到提高筛分率的目的[15].
2 振动筛分装置的研究现状
2. 1 筛分装置的分类及特点
振动筛分装置主要应用于农业生产以及工业制造当中，根据不同的分类标准，振动筛可分为如下几种：
1） 按可移动与不可移动，分为固定筛与活动筛两种。固定筛主要有棒条筛和条缝筛两种形式，主要优点是使用寿命长、不消耗动力、无运动部件、设备成本低； 但其生产能力及筛分效率不高。活动筛安装时要求与水平面有一定的夹角，既可以粗筛物料，也可以精细的筛分物料。工作时，物料在自身重力和动力机构对筛面提供的动力、筛面的摩擦力、系统自身的惯性力的共同作用下最终实现物料的分离。
2） 按质点的运动轨迹，通常分为直线振动筛和圆振筛两种。直线振动筛工作时物料各质点的运动轨迹呈直线型，工作量大，筛分效率不高； 圆振筛工作时物料各质点运动轨迹呈圆形或者椭圆形，工作量小，筛分效率高。
3） 按振动器的形式，可分为单轴振动筛与双轴振动筛两种。单轴振动筛利用单不平衡振动器激振，使机构振动、筛面倾斜，物料的运动轨迹为圆形或者椭圆形，其结构简单，制造相对容易； 双轴振动筛则是利用同步异向的双不平衡重激振，使得筛面能够上下或左右往复运动，从而使物料分离，物料轨迹为直线，振动筛机构的动力平衡以及物料在筛面上的运动状况相对较好。
此外，也可以按照振动筛的质量、用途等分类，分类依据各不相同，因此振动筛分装置在日常生活中种类繁多、特点不一。
2. 2 振动筛分装置的研究现状
在机械制造业十分发达的德国，申克公司研制了260 余种振动筛设备。KUP 和海因勒公司均设计并制造出了双倾角筛分设备，其比单倾角筛分设备更容易实现等厚筛分，同时还具有更高的筛分效率。日本的公司研制了垂直料流筛，把旋转运动和回旋运动结合起来，对细的物料进行一次性分离； 试验结果证明，分离效果较为显着。
在国内，基于残膜回收机的研究现状，塔里木大学张学军、马少辉[16]等教师在充分考虑新疆地区土壤特征的条件下，研制了一台清田整地残膜回收样机。
该样机采用曲柄连杆机构（ 由飞轮组成） 、传动连杆机构和分离筛连杆机构共同构成 3 级连杆传动机构，由拖拉机传动轴作为动力的输出装置，带动曲柄连杆机构运动，从而驱动分离筛，实现了 3 级传动。目前，振动筛的大部分机构设计都包含曲柄连杆机构和双摇杆机构，能够产生纵向垂直振幅，此类机构由于筛体横向无位移，将会导致物料只在纵向进行筛选，不利于筛面物料的均匀分布。针对这一现象，由许静、熊龙彪等[17]设计的一种谷物横向平面清选筛机构，改进了驱动电机动力输出的方向和偏心传动机构中偏心轴的安装位置，同时对筛体结构进行了调整，最终达到筛面可以产生横向位移、物料可以进行横向筛选的要求。试验表明： 此种谷物横向平面清选振动筛具有处理量大、筛分效率高的优点，能够基本满足农业生产要求。李菊等[18]设计的三维并联谷物振动筛跳出了以往采用平面连杆机构设计振动筛的思维模式，采用多自由度多维筛面运动的谷物清选方式，展开了传统直线筛和1 自由度三维并联振动筛样机上谷物筛分的对比试验。试验结果证明： 并联振动筛对于谷物筛分具有很好的筛分效果。因此，对振动筛式分离装置进行进一步的深入研究就显得极为的重要和迫切。
2. 3 振动筛结构及工作参数优化
筛分效率是衡量振动筛工作性能的一项重要指标，决定着筛分作业进行的程度和筛分产品的质量。
在振动筛研制过程中，提高筛分效率是设计者追求的主要目标之一，通常振动筛的结构参数（ 如筛面倾角度、振动方向角度、筛孔尺寸、筛面的长度和宽度等）和工作参数（ 振动幅度、振动频率、传动机构输出的动力值等） 都将影响最终的筛分效率。
为了优化振动筛结构及其工作参数，沈惠平、张慧芳等[19]对传统的直线振动筛和圆形振动筛分别进行了试验研究。试验结果表明： 传统振动筛存在着轨迹单一、筛分效率不高的缺陷。对于这一弊端的存在，他们计算分析了并联运动振动筛的筛分规律，模拟仿真其真实的工作过程。结论表明： 物料在筛箱内部做三维空间运动，运动轨迹为复杂曲线，具有更好的筛分效果； 与传统的振动筛相比，并联运动振动筛具有理想的筛分运动和更高的工作效率。张学军、吴成武等[14]对残膜分离筛运动机械筛面物料运动条件进行计算分析，并得到了相关参数，建立分离筛三维模型，加载数据后进行运动仿真，最终得出最优参数：
在传动机构飞轮转速为 175r/min、筛面加速度为 12 ~14m / s 时分离筛的分离效果最好，为残膜分离筛的设计提供了扎实的理论基础。王志伟、孟玲琴等[20]在研究振动筛选机的优化设计中，分别对振动筛面上物料存的几种运动形式进行数学分析，确定相应的约束条件，建立基本参数（ 如振动圆频率、振幅、振动方向角、1计目标函数，计算得到直线振动筛选机的最优参数。
即： 物料相对于筛面的平均速度由传统的 0. 152m/s提高到 0. 186m/s 后筛分效率提高约 22% ; 在 1 个振动周 期 内，物 料 相 对 于 筛 面 的 滑 动 路 程 每 增 加432mm,物料与筛孔的接触机会增加 43% ,为筛选效率的提高创造了条件。邓春香、高英武等[21]对谷物清选风车进行了优化设计，在原有设计的基础上对振动筛曲柄的结构尺寸做了全面分析，以最小传动角为最大寻优目标，利用 visual basic 软件进行优化设计，最终得出结论： 在谷物清选风车中，当曲柄、连杆、摇杆分别取 10、225、275mm 时，振动筛分效率可得到较大的提高。
2. 4 风筛式分离装置相关研究
不同性质的物料其选用的清选方法也各不相同，在我国的工农业生产中常用的物料清选方法有风选和筛选两种。其中，风选方法主要用于农业生产中谷物的清选，而筛选则用于质量较大的颗粒物料的清选。但是，单纯的风选和筛选的效果往往不佳，不能满足生产生活的实际需要，因此新型的风筛式清选装置应运而生，工作原理示意图如图 1 所示。其在振动筛和气流场的共同作用下实现物料的筛分。通过研究风筛式清选装置内气流场的分布、物料的运动轨迹、机构本身的结构尺寸和工作参数，最终设计制造出效率更高的筛分机构。在风筛式分离装置的相关研究中，李洪昌、李耀明等[22]对振动筛加载气流场中的物料，运用流体力学和颗粒离散元耦合的方法进行了数值模拟和仿真。
结果表明： 增加风机的风速有利于提高物料处理能力，但同时也会增加籽粒的损失。李骅等[23]使用 Flu-ent 软件对不同参数 （ 风机倾角、转速、以及鱼鳞筛夹角） 下 4L -1. 0 型风筛式清选装置中的气流场进行了数值计算，并分析计算结果，得出各参数对气流场的影响规律，并根据试验结论优化气流场。结果表明：
风机倾角对气流清选的影响最大，并且在风机转速200r / min、风机倾角 25°、鱼鳞筛夹角 25° 时最有利于谷物的分离。唐伦、官春云等[24]研究了油菜清选装置振动筛的气流场分布状况，测得筛面不同区域风速，并用 Lstlpot 软件进行数值拟合，得到了风速分布方程，并采用 MatLap 软件绘制风速方程对应的曲线，描绘出气流分布的大致趋势。由此得出结论： 风机对筛面上的气流分布没有影响，主要是对通过筛面的气流速度产生影响。杜小强、肖梦华等[25]对贯流式谷物清选装置气固两相流进行了数值进行了模拟研究，建立数学模型，设定边界条件，模拟气流流动模型，并利用双向耦合拉格朗日法追踪到颗粒的运动轨迹以及气流场的流速分布。计算结果显示，清选室上下壁附近流速低、中部流速高、层内流场分布平稳、无明显涡流产生，而且不同组分颗粒在清选室内的运动轨迹差异很大。成芳、王俊[26]等通过理论方法分析了风筛式清选装置的筛面气流场，采用试验方法研究了曲柄转速、风机转速及风机出口倾角对筛面气流场分布的影响规律，最终得出风筛式清选装置最合理的气流场分布，为研究和改善清选装置的工作性能提供了理论支持。马晓霞、李耀明、徐立章[27]等用 ANSYS 软件中流体动力学仿真方法对联合收割机风筛式清选装置中的气流流场进行仿真研究，得到了理想的气流分布状态，为研究分析风筛式清选装置中气流场的分布情况提供了理论支持。
3 建议
一是基于农民的经济基础，最大限度地降低使用成本，提高机械利用率； 二是提高残膜回收效率，减少作业次数和费用； 三是扩大残膜机械的使用范围，可完成蔬菜、大豆、棉花等作物的残膜回收； 四是研制操作简易的残膜回收机械，提高机械的安全系数。
4 结语
综上所述，长期的残膜积累不仅会对生态环境造成严重威胁，还会改变农田土壤结构，影响农作物收成。因此，残膜回收机械逐步成为国内外学者研究的热点。现有的残膜回收机械虽能在一定程度上实现残膜的回收； 但效率低，成本高。本文研究了最新的残膜筛分装置的工作原理及优化方案，为残膜机械的研究工作提供了几点可行的建议，以期为残膜回收提供参考。
参考文献：
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[4] 焦红光，赵跃民。 筛面上颗粒运动的计算机仿真研究及试验验证[J]. 矿冶，2006（ 3） : 63 -67.
[5] 沈有柏，李耀明。 颗粒物料在三自由度振动筛面上的运动仿真[J]. 农机化研究，2010,32（ 2） : 21 -23.
