滚筒式残膜回收机结构设计与研究

袁佳炜 李叔洋 钱胜 谷芳

摘 要：为解决残膜回收问题，本文设计了一款体积小的滚筒式残膜回收机。该机具采用偏心弹齿挑膜的工作原理，通过起膜齿起膜、弹齿拾膜、脱膜装置脱膜、集膜箱收膜四个过程实现对残膜的回收。本设计在机架上加装耕深调节装置，可调整起膜齿角度与滚筒的离地距离，进而提高机具的适应性能。通过对弹齿运动轨迹与受力进行详细分析，确定了弹齿周向组数，实现了有效挑膜的连续性。该回收机适用于浅耕层、地膜厚度大于0.01mm和田间覆膜宽度600～900mm的残膜回收。该设计可在一定程度上提高残膜回收效率。

关键词：残膜回收机;滚筒式;浅耕层

中图分类号：S223.5文献标识码：A文章编号：1003-5168（2019）11-0046-05

Abstract： In order to solve the problem of residual film recovery， a small drum type residual film recovery machine was designed in this paper. The machine adopted the working principle of eccentric elastic tooth pick-up film， and realized the recovery of residual film through four processes： pick-up film， pick-up film， de-film device and film collecting box. A tillage depth adjusting device was installed on the frame， which could adjust the angle of the film-lifting teeth and the distance from the drum to the ground， thereby improving the adaptability of the machine. Through the detailed analysis of the trajectory and force of the elastic teeth， the circumferential group of the elastic teeth was determined， and the continuity of the effective film picking was realized. The machine is suitable for the recovery of residual film in shallow tillage layer， with film thickness greater than 0.01mm and film width of 600～900mm in the field. The design can improve the recovery efficiency of residual film to a certain extent.

Keywords： residual film recycling machine;drum type;shallow tillage layer

1 研究背景

20世紀70年代末，我国引进地膜覆盖栽培技术。目前，地膜覆盖技术已成为我国重要的栽培技术之一。地膜覆盖技术因具有增温、保墒、保肥、抑制杂草生长和缩短作物生长期等作用而广泛被使用，为农业高产增效发挥了重要作用，我国也成为地膜生产量和使用量第一的国家[1]。地膜覆盖栽培技术在为我国农业发展做出了重大贡献，但同时，由于地膜回收率低，导致农田中残膜量逐渐增加。普通地膜分子量大、性能稳定、生物降解性差，能够在自然条件下在土壤中长期存留，一般情况下，残膜可在土壤中存留200～400年，给农业生产和环境健康带来一系列的危害，即农田的“白色污染”[2]。因此，如何提高残膜回收率就成为一个亟待解决的问题。

近年来，农业部打响了农业面源污染防治攻坚战，启动实施农膜回收行动，各级农业部门不断加大地膜污染治理力度。目前，我国农业残膜的回收方式主要有人工耙锄残膜、人机结合回收和机械回收三种形式。王文艳[3]论述了柳林县农机局开展农田残膜回收（处理）技术装备引进试验考核项目的成效，得出人机残膜回收效率比为1∶60[3]。人工结合机械回收方式主要是农民先采用机械耙地，将残膜与根茬等混合物分多次堆积于田间，然后再进行人工分拣和焚烧。在农村劳动力日渐减少和防止残膜焚烧二次污染的情况下，以上两种回收方法已难以满足要求，机械回收成为必然趋势。目前，我国残膜回收机根据收膜部件工作原理的不同，可分为弹齿式、伸缩杆式、齿链式、气力式、卷辊式和铲式等多种形式;根据作业时期的不同，可分为作物苗期残膜回收、作物果实收获后残膜回收和春季播种前残膜回收[4]。机械回收残膜在捡拾效率上明显优于人工回收，尤其在大规模作业时，效果显著。苏国樟等人[5]的研究发现，田间表层0～10cm土层中的残膜量占0～25cm土层中的残膜总量的92.2%。贺怀杰等人[6]的研究发现，随着覆膜年限的增加，棉田土壤中残膜的数量和密度均呈逐年上升趋势，表层土壤中面积较大的残膜在耕作过程中逐年碎裂并向深层土壤下移且均匀分布;同时，随着覆膜年限的增加，在35～40cm深层土壤中面积和质量较小的残膜呈明显增多的趋势。因此，残膜分布情况与地膜厚度、覆膜年限、耕作方式、作物种类、机具使用情况以及回收情况有关。

目前，我国对田间残膜回收的机械化率仍然比较低，主要由于残膜回收机存在适应性差，对种前回收、育苗期揭膜、秋后收膜和耕层残膜回收等分类不明确，导致机具实际使用性能不够稳定，回收效率不高，因此难以大范围推广。结合以上情况和农业部2017年出台农用地膜厚度不得小于0.01mm的规定，在现有研究的基础上，设计了一款体积小、适应性强、适用于田间浅耕层内残膜回收的滚筒式薄膜回收机，并对其结构设计和主要零部件运动与受力进行理论研究，旨在为残膜回收机的设计提供理论依据。

2 总体设计与工作原理

2.1 总体设计

滚筒式田间残膜回收机采用偏心式弹齿与滚筒配合工作，主要由机架、地轮、耕深调节装置、起膜齿、拾捡装置、脱膜装置和集膜装置等构成，如图1所示。

其中，拾捡装置由滚筒、弹齿、半轴、连杆、偏心轴及轴承等构件组成。滚筒式残膜回收机的拾膜过程主要包括起膜齿起膜、弹齿拾膜、弹齿脱膜及集膜回收四个过程。起膜齿起膜、弹齿拾膜和脱膜装置脱膜是影响残膜回收效率的重要核心部件。

2.2 技术参数及工作原理

2.2.1 技术参数。本文旨在设计一款体积小、性能稳定、适用于田间耕层内残膜回收的滚筒式薄膜回收机。为保证回收率，机具工作时要求运行平稳且作业速度较慢。因此，选定山东瑞联重工生产的15马力小四轮柴油拖拉机作为配套动力机，设计捡拾齿入土深度0～10cm，其他具体参数设计如表1所示。

2.2.2 工作原理。机具在工作过程中由地轮带动传动半轴和滚筒做回转运动，通过连杆传动带动偏心轴绕传动半轴做旋转运动，弹齿固定于偏心轴上并与该轴一起做偏心旋转运动，弹齿在逐渐接近地面的过程中逐渐从桶壁预先设定的小孔内伸出，将地上的残膜挑起，然后逐步缩回滚筒内，使滚弹齿上拾起的残膜逐步与弹齿分离，同时脱膜板将拾起的残膜从滚筒壁上拨下，并将其送入集膜箱内。撿拾机构示意图如图2所示。

3 主要零部件设计

执行机构主要由起膜机构（起膜齿）、捡拾机构（主要由滚筒、支撑轴、连杆、偏心轴和弹齿等构成）及分离机构（脱膜装置）三部分组成。本文主要对起膜齿、弹齿、脱模装置及耕深调节等对机具效率有显著影响的零部件进行设计和分析。

3.1 起膜齿设计

起膜齿安装在机架的后边，齿向朝前，工作时起膜齿深入土壤，将地表0～100mm内的地膜挑起，推挤并沿起膜齿上升，便于捡拾装置的弹齿在伸出位置更好地接触残膜，残膜更容易捡拾，与土分离，同时松碎土壤，减小对起膜弹齿的冲击。

影响起膜齿性能的主要参数是起膜齿倾角、土壤性能参数及相关配套动力参数等。对起膜齿起膜过程中土壤与杆齿的相互作用进行受力分析得出[7]：起膜齿承受的总牵引阻力F的大小仅与起膜齿倾角[α]有关，当起膜齿倾角[α]减小时，总的牵引阻力减小。相关文献研究表明[8]，起膜铲入土角[α]为10°～35°时，起膜效果最好。因此，本设计通过试验，确定起膜铲入土角[α]取15°。

3.2 脱膜装置设计

对市面上已有的残膜回收机进行调研发现，膜回带是影响当前田间残膜回收机回收率的重要因素，因此加强对防膜回带机构的研究和优化设计具有重要意义。对现有残膜回收机防回带机构主要原理及工作形式进行分析，按其防回带机构的结构形式不同可分为回转式、隔离式、推板式、气力式和其他形式防回带机构。其中，回转式防回带机构常见于轮齿式和齿链式残膜回收机，其主体为可转动的回转构件，按其转动方向可分为逆向回转和顺向回转式防回带机构[9]。

本设计采用由中心轴和几个绕轴的脱膜刮板构成的旋转结构。工作时，脱膜轮和拾膜滚筒同向转动，脱膜轮上安装的脱膜刮板沿滚筒壁将残膜与弹齿和滚筒分离并送向集膜箱。脱膜刮板与弹齿、滚筒壁互相配合，通过刮板作用防止残膜随弹齿回带及与滚筒缠绕。脱膜装置与滚筒的径向关系如图3所示。

图中O点为滚筒壁旋转中心轴，C为弹齿组件的旋转中心轴，虚线圆为弹齿尖端的工作轨迹，[O1]为脱膜装置的旋转中心轴。脱膜装置工作时承受的载荷类型为连续轻载，其强度刚度设计要求均较低，设计时根据各零部件间的相互配合及位置关系要求确定尺寸。脱膜装置安装在水平上方向夹角45°处。根据滚筒的设计可知，弹齿与刮板交汇点为与水平夹角47°处，刮板与弹齿微量接触，方便卸膜。根据对残膜回收机的作业过程进行分析，单位时间内滚筒拾起的残膜与脱膜装置卸下的残膜量应相等才不会造成残膜在滚筒壁上的堆积缠绕。原有的三刮板脱模轮，工作时拾膜齿与脱膜刮板相遇次数较少，易造成残膜回带和缠绕。本次设计增加了1个刮板，并提高脱膜轮转速，使脱膜装置与滚筒壁间的接触频率增加，提高了刮板的工作效率。在脱膜板的前部加装橡胶卸膜板，将卸膜装置与弹齿、滚筒壁间的刚性接触转为弹性接触，且橡胶卸膜板磨损后调整更换容易，成本更低。脱膜轮的实体图如图4所示。

3.3 耕深调节装置设计

为适应不同地形与地质情况，提高机具的适用性，尽可能将耕层内的残膜捡拾干净，在机架上安装了耕深调节装置，通过该装置上的限位孔来调节滚筒与地面间的距离。由于起膜齿与弹齿入土深度为0～10cm，所以设计的调节器的调节角度为0°～30°，最大限度地满足起膜齿角度调节（起膜齿最佳角度10°～35°[8]）与滚筒离地距离的调整需求，进而有效实现对不同地形地质上残膜的回收，使捡拾效率更加高效。耕深调节装置与机架装配关系如图5所示。

4 弹齿运动轨迹与受力特性分析

4.1 弹齿的设计

4.1.1 弹齿排布设计。弹齿的合理布局对捡拾性能起着关键作用，若轴向相邻弹齿间距过小，则会导致捡拾过多土块和杂物，不仅会造成机械功耗过大，而且会增加机具磨损，给后期膜杂分离带来困难;若相邻弹齿间距离过大，则会容易造成漏捡，捡拾率不高，不能满足生产要求。残膜碎片大小与耕作方式、地膜厚度、回收时间等综合因素有关。因残膜过碎、块状小、性状不一等因素限制，设计弹齿轴向排布的轴向配置间距要适度减小，避免出现漏捡情况。本机具用于厚度0.01mm的薄膜回收，其抗拉强度大，为适应不同种植模式田间作业，应均匀排布弹齿。弹齿的直径大小影响残膜的捡拾率，过大不利于捡拾残膜但便于脱膜，过小虽然利于捡拾残膜，但脱膜时残膜很难脱离。参考张新超等的研究结果[10]，弹齿直径取12mm。

4.1.2 弹齿回转运动轨迹分析及偏心距离的确定。为满足设计要求，将耕层0～100mm范围内残膜捡拾干净，设计弹齿伸出最长时到滚筒壁的距离为100mm。弹齿回缩点过低，易导致残膜从滚筒壁脱下无法拾起;若回缩点过高，则分离装置的设计安装受限，无法顺利脱膜。结合滚筒壁与起膜齿之间距离与回缩位置，进行弹齿运动轨迹设计，当弹齿与水平方向夹角大于45°时，残膜与滚筒附着力加大，弹齿完全缩入滚筒壁内，可得到最佳工作效果。轨迹分析示意图如图6所示。

4.1.3 弹齿的运动轨迹分析及弹齿组数确定。为保证弹齿拾捡动作的连续性、减少漏捡现象，避免机具重复作业降低工作效率，需要确定合理的弹齿周向组数。因此，对机具作业时弹齿的运动轨迹进行分析。弹齿实际作业运动轨迹为从入土到挑起残膜出土，即D到[D1]段的圆弧。设从弹齿入土距离h>50mm以下的区域为最佳收膜区域，即从G点到[G1]点。为保证拾捡动作的连续性，在第一组弹齿顶端离开最佳拾膜区域之前，下一组弹齿顶端应进入最佳拾膜区域。设弹齿顶点从G点到[G1]点所用时间为[t1]，弹齿间夹角为[φ]，弹齿入土时与垂直方向夹角为[θ]，弹齿从D点旋转[τ]角度到达G点，弹齿转过[φ+τ]角所用时间为[t]，当[t1≤t]时，实现弹齿拾捡动作的连续性。弹齿的工作运动轨迹分析如图7所示。

5 结论

本文设计了一款适用于田间浅耕层内残膜回收的滚筒式薄膜回收机，并介绍了滚筒残膜回收机的工作原理，对关键部件进行设计与分析。通过分析可以得出以下结论。

①起膜齿承受阻力大小仅与起膜倾角[α]有关，当起膜倾角[α]减小时，总的牵引阻力减小。起膜铲入土角[α]为10°～35°时，起膜效果最好。通过试验，本设计确定起膜铲入土角[α]取15°，降低阻力。

②为提高残膜与机具的附着性，脱膜装置安装在与水平上方向夹角45°处，计算得出弹齿与刮板交汇点为与水平夹角47°处，卸膜效果较好;同时，增加刮板数量，提高脱膜轮转速，使脱膜装置工作效率得以提高。

③通过对弹齿工作运动轨迹进行分析和计算得出，弹齿组数位为6时，可以实现弹齿连续捡膜功能。

④弹齿在垂直向下与滚筒壁的接触点处受力最大，为弹齿受力分析提供理论依据。

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