一种农田地膜回收机膜杂分离机理的研究

明 光，钱 营，梁加栋

（1.武威职业学院，甘肃 武威 733000；2.武威兴东机械有限公司，甘肃 武威 733000）

0 引言

地膜覆盖种植技术是一种改善和优化作物生长环境，克服不良条件影响，实现早熟、高产、优质、高效等效果的先进农业种植技术。该技术不仅可增加有效积温，延长作物的生长期，而且可以起到抑制杂草生长的作用，同时还可以有效利用土地资源和水资源，达到增温保墒的效果。因此，地膜覆盖技术对发展我国的农业，尤其是西北地区的旱地农业有着重要的战略意义。然而由于需要连年铺膜，且使用过的地膜未能及时有效地回收，对农田土壤造成了严重的“白色污染”，最终将导致农作物产量连年下降。因此，地膜回收技术成为农业领域亟需研究的一大重要课题[1-6]。

为了提高农田残膜回收的工作效率并减少作业成本，目前机械化回收残膜无疑是一种最佳的回收方法。常见的传统的机械化地膜回收方式有耙犁式、搂膜式、钉齿式以及滚筒式[7-14]。以上机械化回收地膜的方式虽然能实现地膜回收，但收膜过程中会在地膜中夹杂过多的田间杂物，这也是一个棘手的难题，地膜与杂物难以分离，进而使得已回收的地膜含杂量较高。如果不在田间收膜过程中将地膜与杂物分离，等收集后集中处理时，地膜会与田间杂物混乱掺杂在一起，有的田间杂物如秸秆碎会扎在地膜上，此时更不容易分离，且地膜易缠绕在收膜的工作部件上，进而影响地膜回收机连续回收作业，地膜回收率也较低，难以满足地膜回收要求。

1 总体结构

针对现有农田地膜回收机工作过程中存在的膜杂分离率较低的问题，本文设计了一款膜杂分离式残膜回收机。该机具主要由横向切膜装置、风机除杂装置、起膜集膜装置和收膜装置等组成，结构如图1 所示。

图1 膜杂分离式残膜回收机

2 工作原理

整机作业时，拖拉机通过牵引架与膜杂分离式残膜回收机相连接，其动力输出轴与变速箱相连接，变速箱通过链轮分别与纵向切膜传动系统、膜上除杂传动系统相连接，并与液压控制系统组成作业机组。首先，拖拉机动力输出轴连接变速箱，通过变速箱连接纵向切膜传动系统，带动纵向切膜轮将地膜纵向沿着作物根系连续切断；其次，横向切膜装置依次将地膜按一定间距切开，然后松膜铲将紧贴地面及地膜上黏结的土壤进行疏松；再次，风机吹风口将地膜上的秸秆、枝叶和散碎的土壤从中间吹到地膜边缘；最后，收膜装置整体下落到地膜上，同时多个柔软抓膜齿在液压导杆的作用下往下运动直到限位端，此时整体的收膜装置和内置的抓膜齿同时往上运动一定位置，切开的地膜被抓起呈倾斜状态，上升过程中，原来被吹风口吹到地膜边缘的杂物自然落下，紧接着向左倾斜的液压机构将抓膜机构拉向集膜箱的同时，抓膜软齿收缩，当收膜装置底端到达集膜箱口时，地膜完全脱落到集膜箱内，完成地膜的回收。

3 关键零部件的设计

3.1 切膜与松膜机构

为了便于机具的抓膜机构将地膜收集起来，在机具前端设置了切膜与松膜装置，其结构主要包括纵向切膜轮、横向切膜装置和松膜机构，结构如图2所示。

图2 切膜与松膜机构

在收膜过程中发现，无论采用哪种机械式起膜机构，由于植株根部的阻挡，都或多或少会影响起膜过程。基于此，本机具首先采用纵向切膜机构，沿着植株根部将地膜进行纵向切开。考虑到机具的中间收膜机构，在纵向切膜机构后面紧接着设置了横向切膜装置和松膜机构。横向切膜装置主要包括横切刀、滑轨和上下运动的驱动推杆，作业时每隔一定的距离将地膜横向切断，便于收膜机构进行收膜。另外，因地膜使用后其韧度大大降低，极易扯断，因此利用有一定倾斜角度的松膜铲对地膜下方的土壤进行疏松，将紧贴地膜的土壤疏松后，不易将地膜拉断，更有利于后面的抓膜机构作业。

3.2 除杂与抓膜机构

为了使抓膜机构在抓膜时，除去植株行间距中间膜上的杂物，设置了风机除杂机构，如图3所示。

图3 风机除杂机构

当除杂风机作业时，出风口处出来的风将膜上的枝叶、秸秆等杂物吹到地膜的边缘处，紧接着抓膜机构开始作业。抓膜机构结构图如图4 所示，抓膜机构剖切图如图5 所示。其设计理念是根据人工捡拾回收农田地膜时，通常采用一只手从地面捏住（夹住）地膜，然后将地膜往上提起，紧接着将其输送至另一只手上并且集中抓住（相当于残膜箱），最终将地表上的残膜有效地回收起来，将这一动作反复进行，地表残膜即可被回收。

图4 抓膜机构结构图

图5 抓膜机构剖切图

抓膜机构作业时，需要通过液压驱动推杆推动活塞，活塞下端的抓膜齿伸出穿孔扎过地膜。抓膜齿的下端通道向外撇呈弧形结构，如图6 所示，因此该结构能保证抓膜齿与地膜有足够的接触面，抓膜齿上升时才能保证将地膜顺利提起，不与抓膜齿接触的部位呈坡度倾斜或者自然下垂，作业过程中地膜边缘上的杂物也会自然落下，进而实现膜杂分离。

将抓膜齿上收集的地膜简化为一点M，进行受力分析，如图7 所示。

图7 受力分析图

由受力分析图，可得：

式中，FN为抓膜齿挂起地膜后由地膜重力产生的支撑力，其方向垂直于抓膜齿受力点；Ff为挂起地膜后在受力点切线方向所受的摩擦力；FL为抓膜齿挂起地膜后由地膜重力产生的倾斜下拉力，与Ff共线，方向相反；μ为摩擦系数；θ为抓膜齿作业状态时受力点切线方向与水平方向的夹角，也为抓膜齿通过的弧形滑道与水平方向的夹角。

要使抓膜齿上的地膜在作业时不会滑落，需满足：

由公式（1）～（4），可得：

此处，摩擦系数μ取2，θ≥26°，考虑到抓膜齿的伸出与收缩平滑性以及材料特性，根据实际模型进行试验，发现需满足θ≤40°。综合上述情况，θ=36.5°能够很好地满足抓膜要求。同时，θ也是抓膜齿通过的圆弧通道与水平方向的夹角。

3.3 运膜与收膜机构

当抓膜机构的抓膜齿收集到一定量的地膜时，应及时将收集的地膜运送至集膜箱，运膜与收膜机构结构如图8 所示，主要包括液压驱动杆、连接杆和集膜箱。

图8 运膜与收膜机构

具体作业过程为：活动横梁升起，提起地膜，在液压驱动推杆驱动抓膜套架向集膜箱转动的同时，抓膜套架内置的液压推杆驱动抓膜齿往回收缩，当抓膜机构即将运动到集膜箱边缘上端时，抓膜齿上的地膜随之脱落，进入集膜箱内。

4 总结

本文针对现有农田残膜回收机工作过程中存在的膜杂分离率较低的问题，为了进一步有效提高其膜杂分离效率，依据人工捡拾地膜的特点，研究并设计了一种新型膜杂分离式地膜回收机。重点对机具中的切膜装置、松膜机构、膜上除杂装置和收膜装置等核心部件的工作过程及设计理念进行了理论分析与计算，具体如下：

1）为了避免起膜时扯断地膜以及方便收膜，在机具最前端设置了切膜装置、松膜机构，同时也解决了机械化回收时收膜部件出现地膜缠绕的问题。

2）目前机械化回收地膜的重点应转为提高膜杂分离率，回收后的地膜要得到重复利用或再加工等，因此本机具在收膜装置前设置了除杂风机，将地膜中间上的枝叶、秸秆等杂物吹到待回收的地膜边缘，进一步提高收膜部件收膜后的膜杂分离率。

3）收膜部件是影响机械化地膜回收效果的关键，本机具收膜部件采用了套架内置空腔结构形式，内部活塞周围装有软材料的伸缩齿，伸缩齿底端通过圆弧形通道，弧形通道与水平方向的最佳角度为36.5°，能够较好地满足收膜要求。

综上所述，本机具能够有效实现抓膜、升膜、运膜到最后脱膜的全过程。同时，本机具采用四行收膜，不但提高了工作效率，也提高了收净率和膜杂分离率。