残膜回收机防膜回带机构分析及发展思考

顾 满，胡志超，姬广硕，游兆延，徐弘博，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)

0 引言

农用地膜覆盖技术从20世纪50年代开始兴起于日本和西方国家，应用地膜可使土壤保温、保湿，对农作物有防病、防草的作用。地膜覆盖技术逐渐改变了传统农业的生产方式，生产水平大大提高[1]。我国从1978年开始从日本引进农用地膜覆盖技术，到目前已应用到百余种作物的种植当中。随着产业结构调整及高分子聚合物的发展，地膜覆盖物的种植面积也在不断增加。目前，在我国应用地膜的作物种植面积超过200万hm2，大约占全球的90%[2]。使用过后的农用塑料薄膜自然条件下极难降解，在土壤中可保存超过200年，随着时间的增长，土地间残留的地膜逐渐积累，田间散布的地膜被风吹遍布周边，随处悬挂给环境带来了严重的“白色污染”。与此同时，残存土壤深处的地膜污染了土地环境、降低了土壤质量、干扰了作物生长、降低了农作物产量，为农业生产带来了诸多不便[3-4]。因此，解决残膜污染问题对环境保护、保证作物稳产高产及农业可持续发展具有重要意义[5-7]。

目前，国内外为解决残膜污染问题采取了一系列措施，近几十年的研究主要集中在以机械化回收代替人工捡拾。同时，随着材料科学的发展，我国及西方的一些国家也在积极研发可降解、无毒害的薄膜，如光降解薄膜和生物降解薄膜以及植物纤维薄膜[8]；同时，在近几年里，一膜多用、减量覆盖、替代覆膜技术逐步投入使用，并取得良好效果，为解决残膜污染问题提出新的发展思路。但受成本、推广可行性及成熟度的影响，在目前阶段，机械化回收仍是目前国内外的主要处理方式[9-10]。

残膜回收机的主要工作步骤为：拾膜→输膜→脱膜→集膜→卸膜。对市面上已出现的残膜回收机，膜回带已成为制约田间残膜捡拾率、可靠回收残膜的重要影响因素，对防膜回带机构的研究和优化设计对残膜回收机工作可靠性的提高有重要意义。

1 防膜回带机构主要类型及特点

在国外，欧美、日本等发达国家对地膜覆盖技术研究从20世纪50年代开始，对残留土地间地膜采用综合治理，应用地膜厚度大，抗拉强度高，其残膜回收机形式较为单一，采用起膜铲加圈膜辊结构[11-12]。工作时，起膜铲刮土并铲起薄膜，人工将地膜缠绕在卷膜辊上，依靠圈膜辊转动收集薄膜，其工作示意图如图1所示。由于其薄膜完整率高，采用卷膜辊结构在残膜回收过程中不存在膜回带问题。

与国外相比，我国采用地膜标准厚度为0.006～0.012mm，属于超薄聚乙烯地膜，其厚度和抗拉强度小，残膜易损坏。另外，收膜时间多为秋收后，此时残膜破损严重，在回收过程中地膜损坏，无法采用卷膜辊式收膜机构。市场上较为常见的残膜回收机类型有齿链式、弹齿式、链轮刮带式、伸缩杆齿式、铲式起茬式、铲筛式及耙齿式残膜回收机[13-16]，其残膜回收过程主要存在问题是残膜壅堵、膜土分离不彻底、残膜回带及收膜含杂率高等问题。总体而言，我国残膜回收机与国外相比更为多样，且受地形、土质、环境等因素影响，不同残膜回收机展现不同的特点[17-18]。对于耙齿式和铲筛式残膜回收机，其拾膜部件作业过程为单次作业，残膜回收时不存在膜回带问题。对于其他形式的残膜回收机，拾膜、输膜、脱膜构件都有不同，且工作过程为循环作业，大多数机型在实际工作中由于设计结构不同、转速控制及工作环境等因素，残膜在回收过程中存在回带问题。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，总结其类型和特点，可为后续结构优化与创新提供理论参照。

图1 卷膜辊示意图Fig.1 Sketch map of roll film roller

1.1 回转式防回带机构

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。

1.1.1 逆向回转式防回带机构

逆向回转式防回带机构采用脱膜滚筒和拾膜滚筒同向转动机理，脱膜齿或脱膜刷与拾膜齿在残膜交接处相对速度方向相反，常见于齿链式残膜回收机，如图2所示。其结构主要由起膜、拾膜和脱膜装置组合而成。工作时，脱膜轮和拾膜轮通过链传动同向转动，脱膜轮上安装有脱膜叶片，叶片常采用柔性材料(如橡胶、尼龙等)，也可采用脱膜刷结构。转动过程中，拾膜齿从脱膜叶片间隙中穿过，残膜与拾膜齿分离，残膜被带入集膜箱。脱膜叶片与拾膜齿互相配合，通过叶片的刮刷作用防止残膜随拾膜齿回带。

逆向回转式防回带机构由于脱膜叶片或脱膜刷的刮带作用，在脱膜过程中起到了一定的防回带效果。从作业次数上讲，其作业方式属于单次作业方式，拾膜齿与脱膜齿或脱膜刷工作时相遇1次，残膜不易与拾膜机构分离，且遇到多层残膜累积时容易堵塞，从而造成残膜回带。

1.机架 2.输膜轮 3.轴承 4.传动装置 5.起膜铲 6.脱膜轮 7.集膜箱

1.1.2 顺向回转式防回带机构

顺向回转式防回带机构采用脱膜叶片与拾膜齿在交接处相对速度相同的机理。例如,新疆石河子大学李斌等人设计的SMS—1500型秸秆粉碎还田与残膜回收联合作业机[19-20]，其残膜回收部分如图3虚线所示。工作时，采用脱膜刮板带装置，刮板带上侧的叶片与残膜输送方向相同，使链轮上侧刮带板叶片运动线速度高于拾膜齿，对拾膜齿上残膜顺向打击；由于叶片速度高于残膜随拾膜齿输送速度，在输送链顶端，残膜在脱膜齿和离心力作用下克服拾膜齿对残膜的挂连，残膜与其分离进入集膜箱，避免了拾膜齿对残膜的回带。

图3 SMS-1500型残膜回收机结构简图Fig.3 Structural sketch of plastic film collector about SMS-1500

顺向回转式防回带机构可实现对同一处的残膜作业多次，有效避免了残膜缠绕回带，降低了残膜与拾膜齿的吸附作用；但采用顺向回转式机构，叶片高速旋转下产生强烈气流，部分残膜在气流的作用下会落至拾膜输送带并随之回带。

1.2 隔离式防回带机构

隔离式防回带机构防回带主要机理是通过隔离实现残膜与捡拾机构隔离开，从而达到防回带效果。按其隔离构件不同可分为导轨隔离式防回带机构和滚筒隔离式防回带机构。

1.2.1 导轨隔离式防回带机构

山东农业大学吕钊钦设计的马铃薯秋后地膜回收机采用了导轨隔离机构来起到防回带效果，如图4所示[21]。工作时，由起膜铲起膜，拾膜齿刺穿拾起铲起的薄膜，残膜在卸膜导轨和托板之间向斜后方运动；运动至集膜箱上方时，拾膜齿逐渐缩回至卸膜导轨内部，拾膜齿缠挂的残膜被环形导轨隔离而防止残膜随拾膜齿回带。

1.悬挂架 2.变速箱 3.角度调节杆 4、12.链条 5.固定架 6.送膜链条 7.调节杆 8.拾膜齿 9.密封罩 10.支架 11.卸膜导轨 13.叶轮 14.集膜箱 15.限深轮 16.托板弹簧 17.限位杆 18.托板 19.起膜铲 20.机架

导轨隔离式防回带机构由导轨和拾膜齿配合使用，结构形式简单，有效解决了残膜的缠绕滞留和回带问题，且对碎膜、深膜都起到了较好的回收效果；但使其配合托板使用运输残膜，会对残膜输送和膜土分离起到一定的影响。

1.2.2 滚筒隔离式防回带机构

滚筒隔离式防回带机构应用于伸缩杆齿式残膜回收机，主体是拾膜滚筒和拾膜杆齿。杆齿在滚筒内均匀排列或交错排列，并与滚筒同步旋转；杆齿在滚筒的下方伸出最长，在旋转至滚筒上方时逐渐缩短直至完全缩回滚筒内，杆齿上的残膜沿着滚筒外径自下而上运动，同时完成了残膜捡拾、输送、脱膜工作，并有效防止了回带。

滚筒隔离式防回带机构可分为偏心式和凸轮式机构。新疆农垦科学院机械装备研究所赵岩等设计的CMJY-1500型农田残膜捡拾打包联合作业机采用杆齿固定机构与脱膜滚筒偏心配置的形式[22-23]。新疆农业大学谢建华等人对伸缩杆齿式残膜回收机进行改进设计，采用摆杆凸轮机构，如图5所示。

1.挑膜齿组 2.滚轮 3.滚筒 4.凸轮轮盘 5.凸轮盘心轴

偏心式和凸轮式滚筒防回带机构利用滚筒的隔离作用，都起到了良好的防回带效果，并且对拾膜、脱膜的工作过程都有优势。采用滚筒式防回带机构对杆齿的运动规律、杆齿与滚筒的配合要求较高，可达到最好的回收效果。杆齿在土壤中运动时受力复杂，长时间工作之后弹齿受摩擦变形，且部分膜土等杂物沿杆齿缝隙进入滚筒内，会发生缠绕，长时间积累对机器造成影响。

1.3 推板式防回带机构

推板式防回带机构主体为起推膜作用的推板，配置形式有曲柄推板和液压推板两种。

1.3.1 曲柄推板式

推板防回带机构常见应用于弹齿式残膜回收机，如图6所示。工作时，弹齿拾膜轮和曲柄由地轮驱动提供动力，通过拾膜轮弹齿拾膜，在拾膜轮转动过程中弹齿在拾膜轮后下方入土，将垄面上的残膜挑起，转至集膜箱上方；此时弹齿保持水平状态，推板运动至拾膜齿上方，与拾膜齿相对运动速度方向相反，拾膜齿穿过推板间隙，同时推板推过，将带起的残膜推入集膜箱并清除护板间隙中存留的残膜，避免残膜随拾膜齿回带，降低拾膜率[24-26]。

1.松土器 2.护板 3.控制杆 4.拾膜轮 5.弹齿 6.集膜箱 7.曲柄 8.推板 9.链条 10.滑道 11.脱膜铲 12.地轮

曲柄推板式机构采用推板与弹齿配合的配置形式，提高了残膜捡拾率，但对机构运动设计要求较高，并要求推板与弹齿配合准确，不回带残膜。推板式防回带机构需由曲柄带动推板往复运动，同时曲柄连杆机构存在设计问题，在长时间工作后会出现推板位置偏移，从而影响残膜回收发生回带。

1.3.2 液压推杆式

钉刺式液压推杆机构[27]主要由指状捡拾齿、推拉连杆、滚筒及推板组成，如图7所示。钉刺式液压推杆机构运行时，焊接在滚筒上的指状捡拾齿扎住残膜，待残膜扎满滚筒后，启动清理装置；液压缸推动拉杆运动，拉杆与空心轴固联做水平运动，滑槽板与推拉连杆铰接，推拉连杆带动推膜滑块上下运动将残膜从滚筒上卸下，残膜脱离捡拾齿，防止残膜随捡拾齿回带。

与现有技术相比，该装置结构简单，作业效果好，滚筒上的指状拾膜齿的扎膜功能解决了残膜随捡拾齿回带的问题，并对超薄残膜易碎、难以回收的技术问题有了较好处理，可以应用于各种残膜回收机具上，也可以集成到其他联合整地作业机械或类似作业机械上；但其拾膜和脱膜过程不能同时进行，作业速度慢，且其残膜在捡拾完成后需多个液压杆组合使用，对其可靠性要求较高。同时，若土壤湿度过高，残膜与土壤可能会随液压推杆沿孔隙进入滚筒，产生夹膜现象。

1.指状捡拾齿 2.滑槽板 3.滚筒 4.空心轴 5.推膜滑块 6.推拉连杆

1.4 其他形式防回带机构

1.4.1 气力式防回带机构

气力式防回带机构采用气力装置将残膜吸入或吹出，实现拾膜或脱膜，减少残膜回收过程中的机械性接触，以此来达到防回带的目的。新疆建设兵团修造厂研制的4MQ-L5型气吸式残膜回收机，拾膜轮将残膜挑起带到吸风口处，残膜在风力作用下被吸入到集膜箱。新疆石河子大学张新超等人设计的钉齿式残膜回收机采用拾膜轮钉齿拾膜，同样采用风机吸风实现残膜回收[28-29]。吉林省机械研究院曹文龙等人设计一种气吸式拾膜滚筒，并进行了流体仿真，证明了气吸式残膜回收的优点和可行性。

气吹式机构主体为一风机，配合拾膜、输膜装置完成残膜的收集工作。新疆石河子大学明光[30]等人研究设计的夹持输送式残膜回收机气力脱膜装置，如图8所示。工作时，转动的夹持板拾膜齿将起离地面的残膜向输送带刮送，随着夹持板与输送带的运动，残膜被夹在夹持板与输送带之间，并沿着输送带向上输送；在输送带顶端，风机吹风，在气力作用下，残膜与夹持输送装置分离，避免了沿夹持板回带。

气力式防回带机构设计合理，结构简单，有效避免了残膜与机器零部件的机械接触，防止残膜缠绕和残膜回带；但采用气吸式机构容易将土杂等吸入，影响残膜回收效率。气吹式机构对封口风速要求较高，在实际工作中易受外界环境影响。

1.起膜风机 2.集膜箱 3.残膜输送链 4.起膜铲 5.机架 6.刮板输送链 7.夹持板拾膜齿

1.4.2 刮板带机构

甘肃农业大学吴建民、李涛等人设计的适用于全膜双垄沟地的小型地膜回收机采用刮板带机构起到防回带作用，如图9所示[31]。工作时，起膜叉起膜，起膜滚筒旋转，挑膜齿带动残膜至输送带；地轮旋转为刮板带提供动力，刮膜带与输送带保持压紧状态，与输送带同步移动，残膜被输送至集膜箱上方时刮板与输膜带分离，残膜至集膜箱上方，在输送带末端刮板与输送带分离失去对残膜约束，残膜依靠自身重力及离心力落下；刮板在输送带上方，刮板与拾膜滚筒分离，无拾膜作用，有效防止了残膜随刮板回带。

刮板带机构采用刮板与输送带挤压完成输送，拾膜和输膜过程分开有效解决了传统齿链式机构拾膜和输膜造成的回带，避免了刮板对残膜的缠绕，其防回带效果好，但需考虑膜土分离工作的进行。

1.机架 2.齿轮箱 3.输出轴 4.一级链传动系统 5.挑膜滚筒 6.起膜叉排 7.输膜带 8.刮膜带 9.尾轮 10.搂耙式搂膜齿 11.二级链传动系统 12.集膜箱

1.4.3 两级式机构

农业部南京农业机械化研究所对铲链式挖掘收获机进行优化设计，在原有单网链式输膜机构基础上改进为两级网链式输膜机构，改进大升运角并实现可调式后级网链输膜和膜土分离机构，解决了铲链式挖掘收获机用于收膜作业时铲链升运角小造成土块进入集膜箱问题，实现了大土块与残膜有效分离，减少了进入集膜箱土块。改进后的铲链式残膜回收机机构简图如图10所示。其在两级升运链上方处转向下，较之传统单条上升式输送网链能有效减少残膜回带，提高残膜捡拾率。

2 存在问题

1)拾膜部件回带。拾膜部件是残膜回收机的核心部件，常见结构形式有伸缩杆齿式捡拾滚筒、弹齿式拾膜部件、铲式收膜部件、轮齿式收膜部件和齿链式收膜部件。对于一体式拾膜部件，可将地面残膜直接挑起并进行残膜的空间输送，如轮齿和齿链式拾膜部件。独立式拾膜部件在拾起残膜后直接与脱膜部件交接以完成残膜回收，如伸缩杆齿式、弹齿式拾膜部件，拾膜过程靠杆齿或轮齿的扎膜作用拾起残膜。在工作过程中，由于机构的运动会引起残膜的黏附和静电作用发生缠绕，在随着滚筒的旋转过程中部分残膜会随之被带回土壤。

2)输膜部件回带。输膜部件的作用是带动残膜和土杂在机具内部发生空间位置的转移，为进一步脱膜和集膜提供条件。常见的输膜部件主要有输送链和输送带。输送带能很好地实现膜土杂的输送且回带率低，但是收集的残膜含杂率过高。输送链采用网状式结构，膜土杂在网链上运动，土杂在网孔落下，残膜随网链输送至集膜箱；但在实际工作中，受结构和网链转速的影响，残膜随网链的转动回带率过高。

3)脱膜部件回带。脱膜部件与拾膜部件在结构上和工艺上有密切联系，也是残膜回收机中重要组成部件，常见的脱膜部件由脱膜轮配合脱膜齿刷部件完成脱膜。在实际工作中，脱膜部件的结构是造成残膜回带的主要原因，其工作性能很大程度上影响残膜回收机的工作效率，有效脱膜也是降低残膜回带的重要保证。与拾膜部件回带类似，残膜的缠绕和吸附同样会使残膜随脱膜部件回带。

1.变速箱 2.机架 3.传动系统 >4.一级升运链 5.二级升运链 6.二级升运链 7.集膜箱

3 发展思考

1)部件优化。主要从两个方面考虑：一是从运动学角度优化拾膜和脱膜部件的形状、排布方式和运动轨迹；二是从加工方面优化部件，使部件交接过程紧密，提高加工精度，减少毛刺等，以达到防止残膜缠绕发生回带的效果。

2)增设一体式机构。目前，残膜回收机的种类多样，对其关键部件的设计一直集中在拾膜和脱膜部件上，且拾膜、输膜、脱膜机构分开设计，独立运行，若交接不畅，加之残膜回收机设计时缺少相应的防回带机构，很容易导致残膜随部件回带 。设置一体式机构组合式部件，使拾膜、输膜一体化，可有效减少输膜过程膜回带。若能有效组合拾膜部件的挑膜、搂膜、扎膜等功能，不仅对防止膜回带有帮助，也能有效提高残膜回收机捡拾效率。

3)发展网链式残膜回收机机，其装置结构简单，捡拾效率高，不仅可用于多种土下果实的收获，还可用于残膜回收，并且膜土分离效果好。网链式挖掘收获机的两级式机构大幅提升防回带效果，保证了拾膜率和集膜质量。应用网链式挖掘收获机，有利于实现一机多能，降低农业生产成本。

4 结论

目前，残膜回收机的主要研究集中在提高拾膜率、膜土分离质量、除杂及收膜质量上，对膜回带重视度不够。在残膜回收机的设计中，应予以加强，尤其是针对回转类构件容易发生残膜缠绕堵塞、随构件回带问题，应不断改进，提高设计质量，减少残膜回带量。残膜回收问题关乎土地资源利用的可持续发展，短时间内不能看到收益，且是制约残膜回收机具发展的重要因素，发展机械化残膜回收技术是解决残膜污染的主要途径。