国内残膜回收机脱膜装置的研究现状

周新星，胡志超，严　伟，游兆延，吴　努

(1.南通大学 机械工程学院，江苏 南通　226019；2.农业部 南京农业机械化研究所，南京　210014)



国内残膜回收机脱膜装置的研究现状

周新星1,2，胡志超2，严伟1,2，游兆延2，吴努1

(1.南通大学 机械工程学院，江苏 南通226019；2.农业部 南京农业机械化研究所，南京210014)

摘要：介绍了残膜在农业生产中危害及机械化回收残膜的优势，论述了我国残膜回收机的分类和特点，并指出脱膜装置作为残膜回收机核心部件的重要性。针对国内残膜回收机的研究现状，介绍几种不同结构形式的脱膜装置，并对其在实际作业中所存在的问题进行了分析，总结优缺点，为以后残膜回收机脱膜装置的机构参数优化提供参考。

关键词：残膜；残膜回收机；脱膜装置；研究现状

0引言

从20世纪开始，随着塑料工业的快速发展，地膜覆盖栽培技术被广泛应用于田间生产活动中，其保温、护根、节水、调节光照及增产等特点给农业生产带来了巨大的经济效益[1]。地膜技术从20世纪50年代起在欧洲、美国和日本开始使用，由于经济效益十分显著，很快在世界范围得到了广泛应用[2-4]。目前，中国在地膜覆盖面积和使用量上均是世界第一，在我国东北、西北地区覆膜技术应用尤为广泛，我国使用地膜的耕地面积已有上千万公顷，每年的地膜用量也已达到几百万吨[5-7]。地膜已经成为我国农业生产中必不可少的农业材料之一。

我国绝大部分地区使用的地膜材料是聚乙烯和聚氯乙烯。这种材料在土壤中存留200~400年也不易降解[8]，回收时大量残膜碎片留在泥土中，导致水分流通不顺畅，阻碍土壤与空气交换，使土壤中的微生物难以存活，致使土壤板结，一些区域可能会导致土地的盐碱化，造成农作物产量的大幅下降[9]。特别是经过风吹、掩埋或者焚烧之后在田间地头随处可见，严重污染了农民的生活环境与空气质量，最终导致严重的“白色污染”。

1国内残膜回收机的研究现状

目前国内残膜回收的方法主要有3种[10]，即人工捡拾、使用降解膜和机械化回收。

人工捡拾存在效率低、劳动量大、作业范围受限等缺点，对埋藏在深层土壤里的残膜无法进行回收。这种回收方式在21世纪随着劳动力的减少和农业机械水平的提高而渐渐被淘汰。

降解膜是一种新型的环保地膜，其材质主要是由塑料粒子母料与生物降解母料混合制成，使用后可以极好地分解到土壤中去；但这种降解膜成本较高，技术还不成熟，现阶段很难被广大农户尤其是中小农户所接受，在国内的推广受到了限制。

机械化回收方式具有效率高、成本低的优点，很大程度上弥补了人工回收与降解膜两种回收方式存在的缺点。研发这类经济实用的残膜回收机具与我国现阶段农业科技水平和农民的经济水平不高的国情相适应，也是目前残膜回收最有效的方法[11]。

经过几十年的不断研究，残膜回收机具的种类多达近百种，其中部分机型的功能性技术已经相当成熟，并在我国部分地区进行了推广。通过田间作业试验结果和国内已有残膜回收机具的使用状况来看，国家农机管理部门制定了残膜回收机的技术要求，残膜收净率应当在85%以上；在农膜厚度≥0.007的条件下，作业质量应≥75%[12]，满足这些条件收膜机具才能是合格的残膜回收机。

按照农艺要求和作业时间区别的划分，我国残膜回收机具大致可以分为3大类：①苗期地膜回收机具，一般用于烟叶和玉米苗期收膜；②秋后残膜回收机具，多采用复式作业的方式，可靠性低，结构复杂；③耕后播前残膜回收机具，通常对地表浅层的残膜回收效果显著，对于耕作层大于5cm的残膜回收率较低[13]。

根据回收地膜工作原理的不同又可分为如下几种：

1)弹齿式。工作效率高，结构简单；但其曲线轨迹的滑道制造困难，生产成本高，不符合我国农机国情。

2)耙齿式。适用于秋后的田间作物未收割时节，捡拾率高，结构简单；但其脱膜困难，土质的适应性差。

3)齿轮式。结构比较简单，成本低，适用于整膜回收，对薄膜损伤严重的残膜回收率低。

4)齿链式。有利于整地的复式作业，结构简单且不受季节的限制；但密封帆布壅土，脱膜叶片缠膜现象严重。

5)伸缩杆齿式。结构复杂，拾膜率高；但膜土分离情况不好，壅土严重，工作效率不高，且生产成本高[14]。

6)铲式起膜滚筒筛式。收膜效果显著，结构简单；但滚筒尺寸受限使得作业幅宽很小，作业效率不高，同时滚筒筛缠膜现象严重。

总体而言，我国残膜回收机机型较国外具有多样化的特点，但因受地形、土质、作业工况等其他不定因素的限制，大多数机型在实际工作中收膜的效果并不是很理想，机具性能不够完善，作业可靠性也有待提高，所以可广泛应用于实际生产中的机型并不多。利用残膜回收机对残膜进行回收已经成为了推动我国农村现代化建设与农民增产增收的重要手段之一。而脱模装置是残膜回收机中一个重要的组成部件，脱模装置工作的可靠性在很大程度上影响着残膜回收机作业的效率，脱膜率也成为了评判残膜回收机工作好坏的一项重要指标。

2残膜回收机脱膜装置

2.1　弹齿式收膜机脱膜装置

弹齿式收膜机主要由拾膜轮、推板、松土器3大部件组成，如图1所示。拾膜轮为拾膜部件，其上装有弹齿，每根齿用护板隔开，弹齿的运动轨迹由滑道控制。每根齿的上部有一块推板，作用是协助弹齿脱膜，防止返带，并将捡起的残膜推进集膜箱内。

弹齿式收膜机工作时，先用松土器将垄两侧的膜土疏松。弹齿拾膜轮由行走轮驱动控制，在转动过程中弹齿由拾膜轮后下方入土，将垄面上的残膜向上方挑起，转至上方送入集膜箱内。弹齿以水平状态从护板间隙中抽出来，位于弹齿上方的推板，由护板间隙处从箱体外部向箱内运动，将已捡起的残膜推入箱内；同时协助弹齿脱膜及清除护板间隙中可能存留的残膜，避免弹齿返程时回带，降低拾膜率。集膜箱装满后，可打开箱底门把残膜卸掉，作业30m左右卸一次[15-19]。

1.松土器　2.护板　3.控制杆　4.拾膜轮　5.弹齿　6.集膜箱

2.2　耙齿式收膜机脱膜装置

该残膜回收机包括牵引架、机架、搂膜机构及脱膜机构4个部分，如图2和图3所示。脱膜机构与机架连接，脱膜机构由脱膜杆、脱膜连接架、液压装置及脱膜刮板构成。脱膜刮板为三角状折弯平板，脱膜刮板按照脱膜杆的轴向顺序安装在脱膜杆上，并且半径相同，满足平行四杆结构。脱膜杆一共有3排，前密后疏。液压装置的一边与脱膜装置铰接，另一边与整体机架铰接。作业时，将牵引机悬挂装置中央拉杆的后端孔与收膜机中央拉杆的连接孔用销轴联接起来，用来调节机具工作时的机具前后的高度，方便拆装及下田工作。机具在前进过程中，3排除膜耙齿放入土壤，土壤中的残膜被除膜耙齿勾住并挂在除膜耙齿上，从而达到清除土壤中残膜的目的。同时，通过两边的液压缸推动脱膜连接架，使脱膜杆带动脱膜刮板转动，脱去除膜耙齿上收集到的残膜，完成卸膜[20]。

1.牵引架　2.脱膜杆　3.脱膜连接架　4.液压装置

图3　耙齿式收膜机

该收膜机可用于玉米地、小麦地、瓜地、棉花地等地表的起膜、捡膜、脱膜等工序，具有配套动力广泛、捡膜效果好、安装使用方便、生产效率高等特点，且具备起膜不起茬或起膜又起茬的功能。该机具最大亮点在于其自动脱膜装置，脱膜刮板与耙齿间隙配合，可以最大效率地完成脱膜。脱膜刮板设计为三角状，是为了防止脱膜后耙齿变形而产生错位现象，具有良好的复位作用。同时刮板顶部的加长板也具有限位作用，始终做到脱膜过程中耙齿一直留在刮板当中。两端的液压装置也解决了耙齿收膜时膜缠绕紧，难脱膜的问题，极大的降低了劳动力成本。该机收膜率高，脱膜效果理想，在今后的研发生产中具有良好的前景。

2.3　齿链式收膜机脱膜装置

该残膜回收机包括机架、起膜铲、输膜轮、密封帆布、脱膜轮和集膜箱，如图4、图5所示。输膜轮通过轴承安装在机架前部，起膜铲固装在机架前方、位于输膜轮的后下方，起膜铲的前端面与输膜轮齿的转动轨迹吻合。脱膜轮安装在机架顶端，通过轴承安装在机架上，集膜箱安装在机架后端，集膜箱的开口位于脱膜叶轮正下方。

1.机架　2.输膜轮　3.轴承　4.传动装置

图5　齿链式收膜机

作业时，由牵引机带动机具前进，起膜铲将机具前方的土壤松动。牵引机通过后置的动力输出轴输出动力，再经过变速箱带动起膜链条和卸膜叶轮转动。收膜作业过程中，起膜齿穿透残膜，在前进转动的同时将残膜挑起；挑起的残膜通过起膜齿与盖板之间的间隙向后上方输送，到达集膜箱上侧后，在脱膜叶轮的刮送作用下落入集膜箱；待集膜箱中的残膜堆积到一定程度后，再由人工将残膜取出装袋，机具再继续作业。

脱膜轮由脱膜轮轴和叶片组成，叶片固装在脱膜轮轴上，叶片采用柔性材料，柔性材料可以是橡胶板、锦纶带、编织带和尼龙丝。脱膜轮也可以采用尼龙刷辊[21-23]。脱膜叶轮与轮轴平行安装且脱膜叶轮的宽度与轮轴的宽度相等。弹性刷片高度与起膜齿高度相同，弹性刷片在两者交集的部位开有让起膜齿通过的切口。起膜齿通过卸膜叶轮的弹性刷片上时，弹性刷片的顶端可以刷到起膜齿的根部，从而起到较好的刮送残膜作用。整个收膜过程中，盖板对揭起的残膜保护较好，解决了送膜过程中易丢膜的问题。

如图6所示，该装置的脱膜叶片选用胶皮，经试验能够满足使用要求，同时也较好地解决了以往把硬质材料用于脱膜装置导致捡膜齿与脱膜装置接触时产生碰撞变形的问题。脱膜装置是残膜回收机的重要组成部分，脱膜辊的脱膜叶片使用胶皮能够有效地降低整机的质量，回弹性也极佳，从而降低了拖拉机的载荷，提高脱膜率，有利于机器作业。

图6　梳齿式脱膜装置

通过实验发现，通过橡胶板的弹性变形来完成抓取残膜，其效果比帆布带要好，同时也比毛刷的缠膜率低。因此，最佳的脱膜执行元件应该用橡胶板。更换橡胶板比更换脱膜辊要方便的多，因此可以将橡胶板用螺栓固定在脱膜滚筒上作为一个配件，以方便脱膜叶片的更换。

2.4　轮齿式收膜机脱膜装置

该机由机架、捡膜滚筒、脱膜滚筒、传动机构、拨草杆、搂膜齿、集膜筐和罩盖等主要部件构成，如图7所示。其中，机架由型钢焊接而成；捡膜滚筒由若干片指状捡拾齿排列组成；脱膜滚筒上安装有胶皮材质的脱膜板，工作时其缝隙从片状捡膜齿两侧刮过，将勾起的地膜脱下，并甩入集膜筐中。脱膜滚筒安装在捡拾滚筒的上方机架上，表面均匀分布着软毛刷脱膜齿，脱膜齿与指状捡拾齿相互交错配合，两滚筒在转动的过程中将残膜从捡拾齿上脱下。后方的机架上安装有集膜箱，通过液压缸和连杆做前后翻转运动，将收集的残膜倒出。在捡拾滚筒后上方的机架上安装着输膜叶轮，输膜叶轮与集膜箱的进料口相互配合收集残膜。该脱模装置在脱膜过程中作业平稳顺畅，脱膜干净、残留少，脱下的废膜保存的也比较完整，基本实现了捡膜、脱膜、集膜一体化作业流程[24-25]。

1.指状捡拾齿　2.捡拾滚筒　3.脱膜滚筒　4.脱膜齿

3.5　伸缩杆齿式捡拾滚筒收膜机脱膜装置

伸缩杆齿式捡拾滚筒收膜机由伸缩齿、滚筒、偏心滚筒和集膜箱所组成，如图8、图9所示。作业时，滚筒里的伸缩齿杆随着滚筒的转动扎入地表的残膜，并带动残膜沿滚筒圆周方向运动，并随着齿杆逐渐缩人滚筒，齿杆与残膜分离，残膜被带到脱膜位置，然后由脱送叶轮从捡拾滚筒上脱下并抛送到集膜箱中[26-27]。

1.伸缩齿　2.滚筒　3.偏心滚筒　4.残膜　5.土壤

图9　伸缩杆齿式捡拾滚筒收膜机

脱膜辊是残膜回收的一个重要组成部分，由托膜板、叶片式脱送滚筒、橡胶板构成，如图10所示。

1.膜箱　2.脱膜滚筒　3.托膜板　4.拾膜滚筒

工作时，叶片式脱送装置旋转，其转动方向与挑膜滚筒旋转方向可同向亦可反向；脱送装置上安装的叶片式橡胶板与挑膜滚筒弹性接触，控制好间隙，保证零件之间互不损伤同时又可以很好地抓取挑膜滚筒上的残膜，使残膜脱离挑膜滚筒表面；脱下的残膜在脱送滚筒和护罩形成的输送空间里被输送到膜箱；极少量没进入膜箱的残膜随叶片式脱送装置旋转，经过托膜板后再次进入输送空间。其中，托膜板的作用是防止碎膜卷入皮带与滚筒之间而影响工作。

2.6　铲式起膜旋转滚筒筛收膜机脱膜装置

这台机型是内蒙古自治区农牧业机械化研究所研制的。铲式起膜旋转滚筒筛收膜机将含地膜的表土和根茬从耕地表面一起铲起，送入旋转滚筒筛进行膜土分离，收集大量残膜和少量根茬到集膜箱中。铲式起膜旋转滚筒筛收膜机的结构示意图，如图11、图12所示。

1.土壤　2.起膜铲　3.残膜　4.输送带　5.滚筒

图12　铲式起膜旋转滚筒筛拾膜机

工作时，用拖拉机带动行进，前排的松土铲刀将埋在土壤中的残膜和根茬一并铲出，经过传动机构输送到旋转滚筒筛中。残膜、根茬以及土块在滚筒筛内旋转，通过离心力作用，土块被击碎通过筛网孔甩到地面，而留在滚筒筛里的残膜和根茬被甩到集膜茬筐内；收集满时，由人操作将膜茬卸放成堆，完成地膜回收和起茬作业。

3结语

目前，我国残膜回收机的脱膜机构主要有输送皮带、推膜板、抖动筛、脱膜辊及刮板等。对于伸缩杆齿式收膜机和弹齿式收膜机来说，应用输送皮带和推膜板脱膜比较理想，比用刮板、毛刷等脱膜机构的效果好，且不存在缠绕的问题；轮齿式和齿链式的脱膜部件一般采用刮板轮，耙齿式收膜机的脱膜机构使用刮板轮效果比较理想，可以快速的脱膜，在高速运转的机具中有着广泛的应用。集膜部件主要有两种，分别是集膜箱和卷膜轮。集膜箱适用于收集破损严重，连续性较差的碎膜收集；而对于连续性好，破坏程度小的整膜而言，卷膜轮的收膜效果好。

尽管已经研制出了生物降解、光降解、双降解及植物纤维降解等类型的地膜，但这些地膜的成本太高，很难被农民们所接受。今后，我国农业上仍将使用大量的廉价塑料薄膜，因此有效地收集残膜是现阶段的重要任务。由于现阶段我国农业经济的水平限制，使用小型机具收膜的方法是相对理想的。这就要求我们把提高残膜回收率、农民的收益和机械的工作效率作为残膜回收机械的研究方向，争取早日解决残膜污染问题。

目前，残膜回收机具的种类多达近百种，其关键工作部件的拾膜脱膜机构的种类也有几十种。这些机具适用性单一，不能满足经常变化的作物种植，研究出适用于多种种植方式的残膜回收机具也势在必行。脱膜机构是残膜回收机具的核心部件，其结构的合理性和相互配置的关系直接影响到机具的性能。目前，国内该部分的研究主要依靠农田实验获得的数据进行，研究周期长，理论水平不高。因此，在我国部分地区实行覆膜种植时，应当将农艺规范化，以便于残膜机的配合作业。同时，国家也应该出台相应的政策，带动残膜回收和利用的相关产业，使农民积极配合残膜回收工作[5]。

参考文献：

[1]吕江南,王朝云,易永健. 农用薄膜应用现状及可降解农膜研究进展[J]. 中国麻业科学,2007(3):150-157.

[2]R L Parish.An Automated Machine for Remove of Plastic Mulch.Transactions of ASAE.1998，42(1):49-51.

[3]Brooks T W.Apparatus for removing and baling plastic mulch：U.S.， N0.5452652[P].1995-12-31.

[4]Chrysler R W.Apparatus for removing plastic film from raised plant beds:U.S.,4796711[P].1989-12-13.

[5]侯书林,胡三媛,孔建铭,等.国内残膜回收机研究的现状[J].农业工程学报,2002(3):186-190.

[6]严昌荣,梅旭荣,何文清,等.农用地膜残留污染的现状与防治[J].农业工程学报,2006(11):269-272.

[7]张东兴.农用残膜的回收问题[J].中国农业大学学报,1998(6):103-106.

[8]王频.残膜污染治理的对策和措施[J].农业工程学报,1998(3):190-193.

[9]李明洋,马少辉.我国残膜回收机研究现状及建议[J].农机化研究，2014，36(6)：242-245，252.

[10]秦朝民,王序俭,周亚立. 农用地膜回收的现状与思考[J]. 粮油加工与食品机械, 1999(4):1-2.

[11]张佳,张宇涛,董黎明,等.国内残膜回收机械研究现状及发展趋势[J].农业科技与装备,2014(4):29-30，33.

[12]常立荣,裴泽莲,曹磊.残膜回收机研究发展初探[J].农业科技与装备, 2013(2):37-38.

[13]谢建华,侯书林,刘英超.残膜清理回收机具的研究现状及存在的问题[J].中国农机化,2012(5):41-44.

[14]张艳彬,裴新民,米加金,等.残膜回收机具自动脱膜装置的研究综述[J].轻工科技,2015(4):64-65，67.

[15]白圣男.弹齿式收膜机拾膜装置的试验研究[D].哈尔滨：东北农业大学,2006.

[16]谢建华,侯书林,付宇,等. 残膜回收机弹齿式拾膜机构运动分析与试验[J]. 农业机械学报,2013(S1):94-99.

[17]穆道欢,杨宛章.残膜回收机弹齿式捡拾机构的设计及试验研究[J].农机化研究,2015,37(11):91-94.

[18]李小兵.CMJ-5型春秋两用密排弹齿式残膜回收机[J].新疆农机化,2010(2):12.

[19]侯书林,张淑敏,孔建铭,等.弹齿式收膜机主要结构设计[J].中国农业大学学报, 2004(2):18-22.

[20]李斌.后置链齿耙式残膜回收机工作机理研究[D].石河子：石河子大学,2013.

[21]张磊.链条式薯类残膜回收机的设计[D].泰安：山东农业大学,2014.

[22]何义川,王序俭,王吉亮,等.4SZ-3.0型收膜整地联合作业机的设计与试验[J].甘肃农业大学学报, 2013(4):149-154.

[23]那明君,董欣,杨晓丽,等.收膜整地联合作业机主要工作部件研究[J].农机化研究,2000(3):87-89.

[24]何义川,王序俭,王吉亮,等.4SZ-3.0型收膜整地联合作业机的设计与试验[J].甘肃农业大学学报, 2013(4):149-154.

[25]卢登明,廖应良.整地碎残膜回收联合作业机：中国，CN201805680U[P].2011-04-27.

[26]安世才.1FMJ-850型废膜捡拾机[J]. 粮油加工与食品机械,1999(5):20-21.

[27]安军芳,王赟,张涛,等.残膜回收机伸缩杆式捡拾滚筒的改进设计[J].农业装备与车辆工程,2014(3):7-9.

Research Status of Domestic Residual Film Recovery Machine to Take off the Film Device

Zhou Xinxing1,2，Hu Zhichao2，Yan Wei1,2，You Zhaoyan2，Wu Nu1

(1.College of Mechanical and Engineering, Nantong University, Nantong 226019, China; 2. Nanjing Research Institute for Agricultural Mechanization,Ministry of Agriculture, Nanjing 210014, China)

Abstract：This paper introduced the harm of residual film in agricultural production and the advantage of mechanized recycling of residual film,and discussed the classification and features of the residual film recovery machine in our country,and pointed out the importance of take off the film device as a core component of residual film recovery machine.In view of the research status of domestic residual film recovery machine,introduced a few kinds of different structure forms to take off the film device,and analyzed the existing problems in actual operation,and summarized the advantages and disadvantages,the results provided the reference for mechanism parameter optimization of residual film recovery machine to take off the film device.

Key words：residual film; residual film recovery machine; take off the film device; research status

中图分类号：S233.5

文献标识码：A

文章编号：1003-188X(2016)11-0263-06

作者简介：周新星(1991-)，男，江苏盐城人，硕士研究生，(E-mail)409566849@qq.com。通讯作者：吴努(1957-)，男，江苏南通人，教授，硕士生导师，(E-mail)653534738@qq.com。

基金项目：公益性行业(农业)科研专项(201503105_08)

收稿日期：2015-10-28