殘膜回收機拾膜機構研究現狀及展望

嚴　偉，胡志超，周新星，徐弘博，游兆延，吳　努

(1.南通大學 機械工程學院，江蘇 南通　226019；2.農業部南京農業機械化研究所，南京　210014)

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殘膜回收機拾膜機構研究現狀及展望

嚴偉1,2，胡志超2，周新星1,2，徐弘博2，游兆延2，吳努1

(1.南通大學 機械工程學院，江蘇 南通226019；2.農業部南京農業機械化研究所，南京210014)

摘要：拾膜機構是殘膜回收機的關鍵部件，其機構形式與作業質量對殘膜回收率的提高具有重要作用，但長期殘留在農田里的殘膜會給農業生產帶來了嚴重的危害。為此，分析了國內外殘膜回收機拾膜機構的發展現狀，簡要介紹了6種拾膜機構的結構形式及工作原理，并指出其在田間試驗過程中存在的問題，為后續拾膜機構的優化與改進提供參考。

關鍵詞：殘膜回收機；拾膜機構；研究現狀；展望

0引言

地膜覆蓋栽培技術具有保肥、保濕、保墑、增溫、減輕作物病害和抑制雜草生長的作用,不但可以減少農作物的生長發育時間,使農作物提早上市,也可以很大程度上提高作物產量。膜覆蓋栽培技術作為作物提早上市的一項切實可行的技術,目前已被廣泛運用于花生、蔬菜、瓜類、棉花、玉米、烤煙等多種作物種植過程中。隨著近年來氣候的反常變化和農業種植結構的不斷調整,地膜覆蓋作物的面積和種類也在逐年增加；但是隨著覆膜年限的不斷增長及地膜覆蓋面積的不斷擴大,滯留在農田里的殘膜給農田和環境造成了嚴重污染。田地、菜地里散布的殘膜經風吹后懸掛在建筑物和樹木上,給農村耕地周圍及城市郊區造成了嚴重的“白色污染”[1-3]。滯留農田里的殘膜不但對作物的根系生長、出苗和產量產生了影響,也影響了農田機械化作業的順利進行，因此治理地膜污染刻不容緩。

目前，治理地膜污染的主要措施有：機械回收地膜、人工撿拾地膜和使用可降解地膜。人工撿拾地膜成本高，勞動強度大，效率低，撿拾不凈；可降解地膜在使用過程中隨著時間的增長有明顯的碎裂現象，但其周期較長、降解成本高。與前兩種方法相比，機械化回收地膜具有效率高、勞動強度小、成本相對較低等優點，是解決殘膜污染問題的關鍵。拾膜機構是殘膜回收機的主要工作部件,其能否可靠地撿拾地膜是評價殘膜回收機性能的主要指標，拾膜機構的優化與改進對勞動生產率及殘膜回收機作業的順暢性的提高有著重要的意義。

1國外拾膜機構研究現狀

提高殘膜回收率、降低殘膜對環境的污染、維持生態平衡是世界各國共同面臨的一個現實問題，盡管不同的國家采用的方法不同，但均對此高度重視。國外使用的地膜較厚，一般在0.015mm以上，厚度為0.008mm地膜，其抗拉強度比0.01mm的地膜低25%以上。厚地膜具有較好的抗破損性能與較大的抗拉強度,利于機械回收。

Parry在1972年研制出一種殘膜回收機，卷膜輥為其主要拾膜機構，工作時將殘膜與殘膜表面的覆蓋物一起卷在殘膜回收機的卷膜輥上；在卷膜的過程中，大量的土壤、地表殘茬一起被卷起,混收現象較為嚴重。Roberson與Swayer在1993年研制出一種殘膜回收機,拾膜機構也是卷膜輥，拾膜機理是利用卷膜輥將地膜從地表卷起。這種機具在收膜過程中存在一個比較嚴重的問題，其工作的前進速度和卷膜輥的卷膜線速度不相匹配,因此在收膜過程中經常出現殘膜被拉斷現象。Lvao在1995年研制了一種殘膜回收機,在回收殘膜時用一個刷子將土壤從地膜上刷去。這種殘膜回收機不但存在起膜率低等問題,而且對殘膜的抗拉強度有較高的要求。Brooks在1997年研制出一種殘膜回收機,其拾膜機理是利用機械振動實行膜土分離。為了方便回收，這種殘膜回收機將殘膜撕成小片并處理成塑料球，但存在成本過高的問題。R.L.Parish在1998年設計了一個裝置,該裝置液壓馬達的轉速由液壓馬達的流量來控制,已達到殘膜回收機速度和卷膜輥線速度相匹配[4-9]。

總體看來，國外的殘膜回收機拾膜機構形式比較單一，一般由卷膜輥和起膜鏟組成。在工作過程中，壓在殘膜兩邊的泥土由起膜鏟刮除，隨后由卷膜輥起出殘膜。在卷膜過程中，人工將殘膜提起并纏繞在卷膜輥上，拾膜機構隨機組前進，地輪帶動卷膜輥旋轉，連續不斷地將殘膜纏繞在卷膜輥上，完成殘膜的回收過程[10-15]。國外拾膜機構的典型代表為美國俄亥俄州拖拉機公司(Buckeye Tractor co)生產的用于農用殘膜回收的起膜鏟與卷膜輥，如圖1所示。

圖1　Buckeye Tractor co 公司生產的農用殘膜回收的起膜鏟與卷膜輥

2國內拾膜機構研究現狀

與國外相比，我國目前廣泛使用的地膜比較薄，厚度為0.007~0.01mm，薄地膜強度較低，價格便宜。厚度不同的地膜在抗拉強度方面存在著巨大的差別，所以我國殘膜回收機拾膜機構不能沿用國外的卷膜輥式，需要根據國情自行研制[16-17]。目前，國內殘膜回收機拾膜機構的結構形式主要有伸縮桿齒式撿拾滾筒拾膜機構、彈齒式拾膜機構、鏟式起茬拾膜機構、輪齒式拾膜機構及齒鏈式拾膜機構。調研市場現有的殘膜回收裝備，根據殘膜回收機拾膜機構的主要結構形式，購置5款拾膜機構形式各不相同的殘膜回收機，分別為CMJ-5型密排彈齒式殘膜回收機、4CM-140輪齒式殘膜回收機、DMJS-1400齒鏈式殘膜回收機及1FMJ-850伸縮桿齒式撿拾滾筒殘膜回收機及1MC-70鏟式起茬式殘膜回收機，用于對國內殘膜回收機拾膜機構的主要結構形式及工作原理進行分析，為后續殘膜回收機拾膜機構優化與創新提供理論依據。

2.1　伸縮桿齒式撿拾滾筒拾膜機構

伸縮桿齒式拾膜機構主要由伸縮齒、滾筒與偏心滾筒組成，如圖2所示。工作時，伸縮桿齒式拾膜機構滾筒逆前進方向旋轉，桿齒在滾筒和偏心滾筒相互配合作用；桿齒位于滾筒下方時，伸出最長，將殘膜挑起；桿齒位于滾筒上方時，桿齒伸出最短，將挑起的殘膜留在滾筒上方。

1.伸縮齒　2.滾筒　3.偏心滾筒　4.拾起的殘膜　5.土壤

工作過程中，滾筒在地膜上自由滾動，地膜與滾筒之間不存在相對運動，因而壅膜、壅土或拉斷地膜的現象不會發生。同時，齒桿的扎膜功能可以解決超薄地膜在回收時的易碎及難以回收的技術難題。但是，在實際田間試驗過程中，伸縮桿齒式拾膜機構地表仿型能力差，只適用于平整的地面，不適用于壟溝相間的地面；由于黏附與靜電作用，伸縮桿齒式收膜部件在桿齒縮進滾筒時，發生將膜一并帶人滾筒內的問題；彈齒與滾筒間發生帶土、雜草難分離等現象，需要設計合理的齒形與運動軌跡。同時，伸縮桿齒拾膜機構的結構復雜,造價偏高。圖3為1FMJ-850伸縮桿齒式拾膜機構田間試驗效果。

圖3　1FMJ-850伸縮桿齒式拾膜機構田間試驗效果

2.2　彈齒式拾膜機構

2.2.1凸輪滑道彈齒式拾膜機構

凸輪滑道彈齒式拾膜機構主要由彈齒、彈齒軸、彈齒滑道及彈齒輪組成，如圖4所示。工作時，殘膜首先由托膜鏟將其沿壟面托起，同時地輪驅動彈齒式拾膜機構同向轉動；彈齒在凸輪滑道和彈齒軸的共同作用下，由前下方入土，將殘膜向后方挑起，隨后再平移、后退、反轉，從而實現拾膜、輸送、脫膜和回程4個工作步驟[18-20]，完成對殘膜的撿拾。

1.彈齒輪　2.滑道　3.彈齒　4.殘膜　5.土壤

凸輪滑道彈齒式拾膜機構的拾膜彈齒由地輪帶動工作,其結構簡單,殘膜拾凈率相對較高。但是，在其工作過程中，拾膜彈齒的仿形效果較差，彈齒在作業中碰到硬物會產生跳動或變形，造成不正常工作；彈齒工作時有時接觸不到殘膜，通常發生殘膜混雜在土壤中的現象，給膜土分離帶來了一定的困難；彈齒把地膜劃破撿不起來，對破損嚴重的地膜無法撿拾，無法實現殘膜與雜草的分離。同時，為了便于脫膜，拾膜機構自身需要一個控制拾膜彈齒工作位置的曲線軌跡滑道,這樣就給拾膜機構的制造帶來一定的困難。

2.2.2密排彈齒式拾膜機構

密排彈齒式拾膜機構主要由彈齒和機架組成，如圖5所示。密排彈齒式拾膜機構工作時由拖拉機帶動，彈齒入土30~50mm，由密排彈齒將地表和淺層的殘膜收集于彈齒上。

1.密排彈齒　2.機架

密排彈齒式拾膜機構結構簡單、造價低，可以有效地解決堵塞和壅土的問題，對于平整地的殘膜回收率較高。但是，在實際田間試驗過程中，密排彈齒式拾膜機構生產效率較低，每隔一段時間就需要升起機架進行卸膜，且卸膜有一定困難，需要人工輔助；密排彈齒式拾膜機構工作幅寬1.05m，配重不足，工作時需要在機子上加重物或者人站在機子上加重；在平地拾膜效果較好，遇坑或秸稈會出現殘膜漏起現象；遇到硬物會產生變形或跳動，造成不正常工作，扯碎的地膜散落一地，清理殘膜困難。圖6為CMJ-5型密排彈齒式拾膜機構田間試驗效果圖。

圖6　CMJ-5型密排彈齒式拾膜機構田間試驗效果圖

2.3　鏟式起茬拾膜機構

鏟式起茬拾膜機構主要由起茬起膜鏟刀、輸送帶及分離滾筒組成，如圖7所示。工作時，機器隨拖拉機向前運動,由鏟刀將地表殘膜、根茬及埋在土壤中的殘膜一起鏟起,經輸送帶輸送到分離滾筒內；根茬、殘膜、土塊在滾筒內隨滾筒旋轉,土塊由于離心力的作用逐漸破碎并通過滾筒篩網眼被甩出, 根茬、殘膜沿分離滾筒導入集膜筐。

1.土壤　2.起膜鏟　3.殘膜　4.輸送帶　5.滾筒

鏟式起茬拾膜機構工作時將殘膜、根茬一起鏟起，經輸送帶送入鼠籠式滾筒進行土茬分離,其工作可靠、結構簡單、拾凈率高[21-23]。但是，實際田間試驗過程中，機構在工作時，鏟刀工作阻力較大,農村常用的14.7、13.2kW的拖拉機帶動費力,根茬、殘膜存在漏起現象,而且起膜與膜土分離時揚塵比較嚴重。土壤的性能對起膜、起茬及膜土分離有一定的影響：在沙壤土中，起膜、起茬及膜土分離效果較好；在黏土中起膜、起茬及膜土分離效果較差。同時，在集膜筐內，殘膜與土壤和作物的根茬混合在一起，給殘膜的再生帶來了很大的困難。

收起的殘膜與土及作物的根茬混合在一起,給殘膜的再生利用帶來很大困難。圖8為1MC-70鏟式起茬式拾膜機構田間試驗效果。

圖8　1MC-70鏟式起茬式田間實驗效果

2.4　輪齒式拾膜機構

輪齒式拾膜機構主要由滾輪與拾膜齒組成，如圖9所示。工作時，輪齒式拾膜機構隨拖拉機向前運動，拾膜機構的轉向與地輪的轉向相同；起膜鏟將地膜從土壤中鏟起，輪齒式拾膜機構依靠收膜輪與地面的摩擦力將由起膜鏟鏟起的地膜收起。

1.輪　2.拾膜齒　3.殘膜　4.土壤

輪齒式拾膜機構具有結構簡單及拾起的殘膜相對較為清潔等優點，有利于殘膜的回收利用，特別適宜撿拾高粱、玉米等有硬茬地的秋后收膜，對厚度在0.008mm以上的標準地膜拾取效果較為理想。但是，實際田間試驗過程中由于輪齒式拾膜機構的滾筒半價固定，地膜在土中的深度不一，在拾膜時容易發生拾膜不均勻現象；對于破損較為嚴重的碎膜撿拾效果不理想；拖拉機行走過快時容易發生扯膜。圖10為4CM-140輪齒式拾膜機構田間試驗效果。

圖10　4CM-140輪齒式拾膜機構田間試驗效果

2.5　齒鏈式拾膜機構

齒鏈式拾膜機構主要由拾膜齒、鏈輪及托膜板組成，如圖11所示。當輸送鏈轉動時，拾膜齒拾起由起膜鏟托起的地膜，拾膜齒桿上的拾膜齒帶動地膜沿輸送鏈方向運動，完成收膜動作[24-26]。

1.拾膜齒　2.輸送鏈輪　3.殘膜　4.托膜板及集膜箱　5.土壤

齒鏈式拾膜機構結構緊湊、制造簡單、加工方便,不但可以用于苗期收膜,也可用于秋后收膜。鏈齒式拾膜機構在布局方面也具有一定優勢，由于其可控的挑膜角度及較長的輸送行程，根據作業要求可以前置、后置或者縱向設置,有利于整地復式作業。但是，在實際田間試驗過程中齒鏈式拾膜機構對碎膜的回收效果不甚理想，其拾膜齒無法抓取碎膜或碎膜在輸送過程中掉落的現象時有發生，在結束殘膜回收作業時小的殘膜碎片在耕地里還是到處可見，回收效果不理想；同時，容易將雜物帶入拾膜機構，給膜雜分離帶來困難。圖12為DMJS-1400齒鏈式拾膜機構田間試驗效果。

圖12　DMJS-1400齒鏈式田間試驗效果

總體來看，國內殘膜回收機拾膜機構不夠完善，普遍存在拾膜率較低、故障率較高、纏繞率較高、含雜率較高、仿形能力較差及對土壤性質要求較高等問題。長期看來，大量的塑料薄膜還需要在農業上使用。同時，地膜的使用數量也在不斷增加，殘膜污染問題越來越嚴重。因此，拾膜率高、故障率低、纏繞率低、含雜率低、仿形能力好、對土壤性質要求低的拾膜機構研發工作迫在眉睫。

3展望

1)推廣使用可降解地膜。幾十年來，國內外的科技工作者們在可降解地膜方面開展了廣泛的研究，希望用植物纖維地膜、生物降解地膜、光降解地膜及光/生物雙降解地膜來代替傳統的塑料地膜。但是，應用這些地膜會大大增加農民們耕作的成本，所以很少被農民們所使用。因此，國家需要出臺扶持政策來推廣可降解地膜。

2)提高拾膜機構的機械自動化程度。可以考慮在拾膜機構上應用液壓與電子技術來控制拾膜齒的入土深度，運用液壓控制技術及對拾膜機構各部件的電子監控技術將很大程度提升殘膜回收機械的自動化水平。

3)研發復合作業的殘膜回收機。復合作業式殘膜回收機的研發減少機具的進地次數和對作物及土壤結構的破壞及降低作業成本，從而提高殘膜回收的經濟效益，也有益于殘膜回收機的普及和推廣。

4)提高拾膜機構對碎膜的回收能力。普通的拾膜機構對于完整性比較好的殘膜和大塊的殘膜回收效果較好，對于碎膜回收效果較差。對于小塊碎膜的回收，可以采用鏟篩式拾膜機構，篩面可以利用編織篩加鋸齒條組合篩形式，鋸齒條可以松破土，同時對碎膜有一定的輸送能力。鋸齒條齒尖部分可以做成圓角形式，防止掛膜。

5)提高拾膜機構各個零部件的加工精度，規范加工工藝。加工精度與加工工藝的提高可以有效地降低工作部件的表面粗糙度，防止因為毛刺而出現的纏繞問題，減少機器故障的發生，也可以提高脫模的順暢性。

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Abstract ID:1003-188X(2016)10-0258-EA

Present Situation of Research and Expectation on Picking-up Mechanism of Plastic Film Collectors

Yan Wei1,2, Hu Zhichao2, Zhou Xinxing1,2, Xu Hongbo2, You Zhaoyan2, Wu Nu1

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

Abstract：Mechanism of picking-up plastic films was a key part of the plastic film collectors. The mechanism and quality of mechanism of picking-up plastic films has a great significance for improving the quality of plastic film collectors. The article analyzed the residual film to the harm of agricultural production, and the development status of machine pick up film agencies in China and abroad. The paper briefly introduced the six pick up membrane organization mechanism of membrane, pointed out its problems existing in the experimental process. Provide the relevant advice for the optimization and improvement of the mechanism of plastic films in future.

Key words：the plastic film collectors; mechanism of picking-up plastic films; research status; prospect

中圖分類號：S233.3

文獻標識碼：A

文章編號：1003-188X(2016)10-0258-05

作者簡介：嚴偉(1991-)，男，江蘇宿遷人，碩士研究生,(E-mail)974916120@qq.com。通訊作者：吳努(1957-)，男，江蘇南通人，教授，碩士生導師，(E-mail)m99yzy99@163.com。

基金項目：公益性行業(農業)科研專項(201503105_08)

收稿日期：2015-09-18