残膜振动去土装置的设计应用与研究

敖淑楠，王　敏，黄少华，马龙祥，李宏强，郭　杰

残膜振动去土装置的设计应用与研究

敖淑楠，王敏，黄少华，马龙祥，李宏强，郭杰

(甘肃能源化工职业学院，甘肃 兰州 730207)

针对国内膜土分离装置与残膜回收机共同作业时导致的回收效率偏低等问题，构思和优化设计方案，通过深入分析残膜振动去土分离装置的作业原理和存在的不足，设计出一种有利于残膜资源化利用的残膜振动去土装置，从而为后续的膜杆制粒以及木塑加工制造奠定基础。

残膜回收机；装置；改进设计

20世纪50年代，地膜覆盖栽培技术在世界各国被迅速推广，多年的生产实践表明，其在保墒、灭草等方面发挥了良好的作用，使得作物产量显著提高[1]。1994年，我国地膜覆盖种植面积已跃居世界第一。随着地膜覆土技术的广泛应用，残膜问题日益凸显，我国于20世纪80年代开始了针对残膜回收相关技术的研究[2]。

由于残膜阻碍作物出苗，抑制根系延伸，使得出苗率大大降低，与此同时，也会破坏土壤的物理化学结构，使得土壤的蓄水能力、透气性能降低，最终导致作物减产，农民收益受损，因此残膜回收刻不容缓[3]。国外的地膜较厚，品质较高，使用简单的装置就能实现残膜回收，不适用于解决国内的残膜问题，虽然材料学家努力研制可降解膜，目前已成功研发玉米淀粉降解膜和马铃薯降解膜等，但由于成本过高，暂不具有全面推广的条件。近年来，我国技术人员经过长期的钻研探究，在残膜回收上也取得了一定成果。2010～2014年，我国残膜使用量增加了4100 000t。由于回收后的残膜含有秸秆、杂草、碎土等杂质，其中大部分以碎土为主，所以膜土分离技术成为残膜回收的关键，也是相关技术研发的一大难点，随着残膜机械化回收工作的大力开展，如何有效提高残膜的资源回收利用效率显得更加迫切。

1　残膜回收机存在的问题

为了更好地解决残膜与杂质分离这一问题，国内外专家都进行了大量的研究与试验，也制造出了多种款式的残膜回收机。国外典型的残膜回收机为卷膜机，例如Plastic Mulch Lifter-PR2500型卷膜机就恰当地利用了起膜辊、卷膜辊和松土铲的协同作业，顺利完成残膜的回收，作业效果良好。Kennco公司生产的PS614型双行卷膜辊式残膜回收机，划膜刀被固定在机架上，从中间将残膜一切为二，后端的左右两卷膜装置将带土地膜拎起，卷膜效果好。国外学者针对膜土分离方面的技术也进行了相关研究，Manlio Cerroni团队研发了一种由皮带轮驱动的针刺式拾膜装置，在输送带上分别以大小曲率半径实现土、杂物与残膜的分离，完成输膜任务。Brooks等研制了一种利用网状导土装置将与土分离的地膜回收打包的装置，传送带采用液压驱动，将地膜输送到料斗式集膜筐内进行打包处理。目前，国内的膜土分离装置大多与残膜回收机共同作业，在一定程度上影响了工作效率，故需要研制一种独立的膜土分离装置，对回收后的残膜进行去土加工。

2　残膜振动去土装置的设计

(1)整机结构设计。整体装置主要包括连杆、机架和振动筛3个部分。整机优化的目的是使传动装置和振动装置与机架部分实现更好的结合，在合理分配整机体积的同时，提升工作效率。

(2)振动装置。振动筛是设计的核心，要求其最大限度实现筛分碎土，并将残膜运送到后方的集膜筐中。

(3)传动部分。传动部分主要由曲柄连杆组成，连杆作用是将发动机或者电机的动力输送到振动筛，并使振动筛产生振动。主要的工作流程为：动力经过变速器后传给回收机械，在连杆的作用下将动力传递给振动筛，筛面振动使得膜土分离，完成筛分工作。

(4)机架部分。机架部分主要为整机提供固定支撑作用，装置结构较为简单，国内外可供参考的研究文献和专利等较多，需要根据已有研究文献获取相关参数，因此总体而言设计难点较少。

3　残膜振动去土装置的结构分析

3.1　振动筛类型选择

振动筛的类型、筛分行程、筛面倾角、振幅、频率等因素都对分离结果有所影响，根据目前国内研究现状，将圆孔筛、编织筛和锯齿筛作为备选筛面，如图1所示。筛面应该选择合适的筛孔尺寸，且使筛片间保持合适的间距，如果以上两项参数选择偏大，虽然有利于降低含土率，但会增大残膜从筛片间或筛孔内掉落的概率，还会伴随出现缠膜等现象。如果参数选择过小，会使得膜土分离效果变差，造成拥堵现象，难以实现膜土分离。圆孔筛有较好的分离精度，不易磨损，使用寿命长，但也存在拥堵、分离效果差、输送力不强和两孔之间容易缠膜等缺点。编织筛虽然没有拥堵的缺点，有较好的膜土分离效果，但是其横杆特别容易缠膜，顺畅性得不到保证，严重时会导致方孔堵塞，对残膜的输送和膜土的分离不利。锯齿筛能将整土松碎，增加土壤在筛片间的通过性，锯齿形齿条能够保证残膜不沿倾角向下滑移的同时，增加了筛面对残膜的抛送能力，有利于残膜的输送。通过对比分析可知，锯齿筛在各方面性能都相对优越，所以将筛面类型确定为锯齿筛。

a　圆孔筛；b　锯齿筛；c　编织筛。

3.2　筛分行程分析

筛分行程简称筛程，是指残膜与碎土的混合物从到达筛面到离开筛面的过程，当膜土混合物在筛面上的行进速度保持一定时，适当延长筛程能够增加有效的筛分时间，从而获得更好的膜土分离效果。与筛分行程直接相关的是振动筛长度，但是过长的振动筛又会导致装置体积和制造成本的增加。双筛体结构能很好地解决上述问题，在工作时，混合物依次通过前筛和后筛，最后被传送到集膜筐中，如图2所示。前后筛上下平行放置，前筛的后部与后筛的前部相互重复，防止混合物从交界处掉落。

1　机架；2　驱动轴；3　前筛振动壁；4　连杆组件；5　前筛；6　偏心驱振臂组件；7　后筛驱振臂；8　后筛。

3.3　筛面倾角分析

物料在筛面上的运动形式主要有静止、正向滑动、反向滑动、跳动等。选择双筛体筛面的锯齿式膜土分离装置，大部分混合物中的碎土能从锯齿间隙清选分离，也有一小部分因重力作用在两筛交接处滑落，该部分土壤受后筛筛面倾角的影响较大。如果倾角较小，碎土达不到临界摩擦力而无法滑落，最终会和残膜一起被输送到集膜筐内，无法达到分离效果。如果倾角过大，后筛面残膜无法完成抛送步骤，会给残膜输送造成困难，因此，要想得到良好的膜土分离效果，需要合理选择筛面倾角参数，尤其需要注意影响较大的后筛面倾角参数。

3.4　振动筛振动频率和振幅分析

振动筛应有合理的振动频率，较小的振动频率会造成小膜土无法抛起，振动频率较大时，机具振动更加明显，会降低工件的可靠性。

振动筛应该有合适的振幅，较小的振幅会导致残膜在振动筛的停留时间增加，容易引发缠膜现象，较大的振幅会使残膜在振动筛的停留时间缩短，容易造成膜土分离不彻底。

3.5　土壤湿度分析

残膜振动去土装置作业时应充分考虑土壤的湿度，试验结果证明土壤湿度在14%～25%之间时为最佳，过高的土壤湿度导致土壤难以破碎，无法从筛孔漏出，新疆地区干旱的环境和沙土质有利于膜土的分离。

4　农业残膜振动去土装置改进建议和应用推广

4.1　装置设备的改进建议

残膜振动去土装置的脱膜机制主要通过各机械零件的协同作业实现，而在脱膜时，由于残膜本身的材料性质和脱膜机制的影响，会出现工作效率低下、残膜缠绕、机械堵塞、脱膜不高等问题，改进的建议如下。

(1)强化地膜规范化应用。按照国家强制性《农用地膜》技术规程，严禁使用不符合规定的地膜。合理增加地膜的厚度、力学性能和抗风性，有利于残膜回收时在剥离过程中能够满足残膜回收机的拉扯、缠绕等方面的作业要求，更便于机械式的收膜。

(2)改进脱壳机械材料。由于各残膜的脱膜器对土壤和残膜的吸附力有很大的差别，为了降低残膜的附着和卷曲对机械材料的吸收作用，应尽可能选用与残膜相结合、吸收效率较低的橡胶。

(3)改进机械之间的匹配精度。提高机械的加工精度，使得脱膜机械与其它零件精确匹配，精密的配件可以改善残膜的平滑度，防止零件由于相互的撞击而产生摩擦和变形，从而造成脱膜机械失效，确保残膜的稳定性。

(4)提升脱壳机械的自动化程度。采用液压技术和电子监测技术，提高膜土分离的稳定性，实现装置的自动化、智能化，并可对工作过程进行在线监测，采用机电液一体化的设计理念更符合残膜回收机未来的发展趋势。

(5)增加机械对整个残膜的剥离功能。常规的脱膜机制对整个残膜的剥落作用不明显，在脱膜时的撞击会加重对残膜的破坏，使其产生大量的碎屑，所以需要增加机械对整个残膜的剥离功能，以确保残膜的完整性。

4.2　应用推广措施

(1)政府应制定鼓励可生物降解残膜发展的政策，逐步将塑料膜转变成生物可降解膜。

(2)相关管理部门要加强监管，参照国家强制性《农用地膜》技术规程，要求膜片制造企业按照产品应用标准进行生产。

(3)积极鼓励生产企业和科研院所研发生产残膜分离后的再利用设备。目前，国内大部分的废膜回收装置都是以膜茎混收为主，应加强对膜土分离技术的研究，既能有效地改善膜的再生效果，又能改善土地的肥力。

(4)加大新型废膜回收装置的推广应用力度。现有残膜回收装置的主要作业对象是地表残膜、浅耕层残膜，而对中耕层和深层耕层残膜的回收率较低，从而造成土壤中的残膜逐渐增多。现有废膜回收装置仅对保持完整的残膜和较大的残膜处理效果较好，但残膜的回收使用效率并不高，因此要一进步提高废膜回收装置的高效性、再生性、稳定性，加大新型废膜回收装置的推广应用力度。

(5)注意防范残膜的二次污染。收集后的残膜一般置于野外，如遇大风天气残膜会被四处吹散引起二次污染。在推广应用过程中不但要注意保护环境，更要进一步完善废膜回收装置的打捆、打卷功能，防止对残片对环境的二次污染。

5　结论

随着我国地膜覆盖面积的逐年增加，残膜回收效果不佳对农业生态环境造成的负面影响日益突出，因此，解决残膜回收再利用问题显得尤为迫切。目前，国内外学者已设计研发出各种残膜回收装置，这些装置各有利弊，有待进一步完善。通过分析我国残膜回收装置的发展现状和技术难点，运用互联技术，设计和研究出一款适应性强、稳定性高、功能多样、高效环保的新型残膜回收装置，不但符合农业机械的智能化和自动化发展趋势，而且可有效解决我国农膜回收再利用问题，实现农业的绿色可持续发展。

[1] 陈秀芳.小型高标准农田水利工程建设现状与对策[J].农业工程与装备,2021,48(6):20-22.

[2] 蒋兴加.温室大棚智能采集节点装置设计[J].农业工程与装备,2021,48(2):1-3.

[3] 张惠友,侯书林,那明君,等.收膜整地多功能作业机的研究[J].农业工程学报,2007,23(8):130-134.

Design and application of the residual film vibration desiccating device

AO Shunan, WANG Min, HUANG Shaohua, MA Longxiang, LI Hongqiang, GUO Jie

(Gansu Vocational College of Energy and Chemical Engineering, Lanzhou, Gansu 730207, China)

Aiming at the problem of low recovery efficiency caused by the film and soil separation device working together with the residual film recycling machines in China, the design plan was conceived and optimized. Through in-depth analysis of the operating principle and the existing shortcomings of the residual film vibration desiccating device, a residual film vibration desiccating device was designed to benefit the resource utilization of residual film, which lay the foundation for the subsequent film rod granulation and wood plastic processing and manufacturing.

residual film recycling machine; device; optimized design

S223.5

A

2096–8736(2022)03–0014–04

敖淑楠 （1983—）， 女，辽宁抚顺人，大学本科，讲师，主要研究方向为安全工程。

责任编辑：阳湘晖

英文编辑：吴志立