殘膜振動去土裝置的設計應用與研究

敖淑楠，王　敏，黃少華，馬龍祥，李宏強，郭　杰

殘膜振動去土裝置的設計應用與研究

敖淑楠，王敏，黃少華，馬龍祥，李宏強，郭杰

(甘肅能源化工職業學院，甘肅 蘭州 730207)

針對國內膜土分離裝置與殘膜回收機共同作業時導致的回收效率偏低等問題，構思和優化設計方案，通過深入分析殘膜振動去土分離裝置的作業原理和存在的不足，設計出一種有利于殘膜資源化利用的殘膜振動去土裝置，從而為后續的膜桿制粒以及木塑加工制造奠定基礎。

殘膜回收機；裝置；改進設計

20世紀50年代，地膜覆蓋栽培技術在世界各國被迅速推廣，多年的生產實踐表明，其在保墑、滅草等方面發揮了良好的作用，使得作物產量顯著提高[1]。1994年，我國地膜覆蓋種植面積已躍居世界第一。隨著地膜覆土技術的廣泛應用，殘膜問題日益凸顯，我國于20世紀80年代開始了針對殘膜回收相關技術的研究[2]。

由于殘膜阻礙作物出苗，抑制根系延伸，使得出苗率大大降低，與此同時，也會破壞土壤的物理化學結構，使得土壤的蓄水能力、透氣性能降低，最終導致作物減產，農民收益受損，因此殘膜回收刻不容緩[3]。國外的地膜較厚，品質較高，使用簡單的裝置就能實現殘膜回收，不適用于解決國內的殘膜問題，雖然材料學家努力研制可降解膜，目前已成功研發玉米淀粉降解膜和馬鈴薯降解膜等，但由于成本過高，暫不具有全面推廣的條件。近年來，我國技術人員經過長期的鉆研探究，在殘膜回收上也取得了一定成果。2010～2014年，我國殘膜使用量增加了4100 000t。由于回收后的殘膜含有秸稈、雜草、碎土等雜質，其中大部分以碎土為主，所以膜土分離技術成為殘膜回收的關鍵，也是相關技術研發的一大難點，隨著殘膜機械化回收工作的大力開展，如何有效提高殘膜的資源回收利用效率顯得更加迫切。

1　殘膜回收機存在的問題

為了更好地解決殘膜與雜質分離這一問題，國內外專家都進行了大量的研究與試驗，也制造出了多種款式的殘膜回收機。國外典型的殘膜回收機為卷膜機，例如Plastic Mulch Lifter-PR2500型卷膜機就恰當地利用了起膜輥、卷膜輥和松土鏟的協同作業，順利完成殘膜的回收，作業效果良好。Kennco公司生產的PS614型雙行卷膜輥式殘膜回收機，劃膜刀被固定在機架上，從中間將殘膜一切為二，后端的左右兩卷膜裝置將帶土地膜拎起，卷膜效果好。國外學者針對膜土分離方面的技術也進行了相關研究，Manlio Cerroni團隊研發了一種由皮帶輪驅動的針刺式拾膜裝置，在輸送帶上分別以大小曲率半徑實現土、雜物與殘膜的分離，完成輸膜任務。Brooks等研制了一種利用網狀導土裝置將與土分離的地膜回收打包的裝置，傳送帶采用液壓驅動，將地膜輸送到料斗式集膜筐內進行打包處理。目前，國內的膜土分離裝置大多與殘膜回收機共同作業，在一定程度上影響了工作效率，故需要研制一種獨立的膜土分離裝置，對回收后的殘膜進行去土加工。

2　殘膜振動去土裝置的設計

(1)整機結構設計。整體裝置主要包括連桿、機架和振動篩3個部分。整機優化的目的是使傳動裝置和振動裝置與機架部分實現更好的結合，在合理分配整機體積的同時，提升工作效率。

(2)振動裝置。振動篩是設計的核心，要求其最大限度實現篩分碎土，并將殘膜運送到后方的集膜筐中。

(3)傳動部分。傳動部分主要由曲柄連桿組成，連桿作用是將發動機或者電機的動力輸送到振動篩，并使振動篩產生振動。主要的工作流程為：動力經過變速器后傳給回收機械，在連桿的作用下將動力傳遞給振動篩，篩面振動使得膜土分離，完成篩分工作。

(4)機架部分。機架部分主要為整機提供固定支撐作用，裝置結構較為簡單，國內外可供參考的研究文獻和專利等較多，需要根據已有研究文獻獲取相關參數，因此總體而言設計難點較少。

3　殘膜振動去土裝置的結構分析

3.1　振動篩類型選擇

振動篩的類型、篩分行程、篩面傾角、振幅、頻率等因素都對分離結果有所影響，根據目前國內研究現狀，將圓孔篩、編織篩和鋸齒篩作為備選篩面，如圖1所示。篩面應該選擇合適的篩孔尺寸，且使篩片間保持合適的間距，如果以上兩項參數選擇偏大，雖然有利于降低含土率，但會增大殘膜從篩片間或篩孔內掉落的概率，還會伴隨出現纏膜等現象。如果參數選擇過小，會使得膜土分離效果變差，造成擁堵現象，難以實現膜土分離。圓孔篩有較好的分離精度，不易磨損，使用壽命長，但也存在擁堵、分離效果差、輸送力不強和兩孔之間容易纏膜等缺點。編織篩雖然沒有擁堵的缺點，有較好的膜土分離效果，但是其橫桿特別容易纏膜，順暢性得不到保證，嚴重時會導致方孔堵塞，對殘膜的輸送和膜土的分離不利。鋸齒篩能將整土松碎，增加土壤在篩片間的通過性，鋸齒形齒條能夠保證殘膜不沿傾角向下滑移的同時，增加了篩面對殘膜的拋送能力，有利于殘膜的輸送。通過對比分析可知，鋸齒篩在各方面性能都相對優越，所以將篩面類型確定為鋸齒篩。

a　圓孔篩；b　鋸齒篩；c　編織篩。

3.2　篩分行程分析

篩分行程簡稱篩程，是指殘膜與碎土的混合物從到達篩面到離開篩面的過程，當膜土混合物在篩面上的行進速度保持一定時，適當延長篩程能夠增加有效的篩分時間，從而獲得更好的膜土分離效果。與篩分行程直接相關的是振動篩長度，但是過長的振動篩又會導致裝置體積和制造成本的增加。雙篩體結構能很好地解決上述問題，在工作時，混合物依次通過前篩和后篩，最后被傳送到集膜筐中，如圖2所示。前后篩上下平行放置，前篩的后部與后篩的前部相互重復，防止混合物從交界處掉落。

1　機架；2　驅動軸；3　前篩振動壁；4　連桿組件；5　前篩；6　偏心驅振臂組件；7　后篩驅振臂；8　后篩。

3.3　篩面傾角分析

物料在篩面上的運動形式主要有靜止、正向滑動、反向滑動、跳動等。選擇雙篩體篩面的鋸齒式膜土分離裝置，大部分混合物中的碎土能從鋸齒間隙清選分離，也有一小部分因重力作用在兩篩交接處滑落，該部分土壤受后篩篩面傾角的影響較大。如果傾角較小，碎土達不到臨界摩擦力而無法滑落，最終會和殘膜一起被輸送到集膜筐內，無法達到分離效果。如果傾角過大，后篩面殘膜無法完成拋送步驟，會給殘膜輸送造成困難，因此，要想得到良好的膜土分離效果，需要合理選擇篩面傾角參數，尤其需要注意影響較大的后篩面傾角參數。

3.4　振動篩振動頻率和振幅分析

振動篩應有合理的振動頻率，較小的振動頻率會造成小膜土無法拋起，振動頻率較大時，機具振動更加明顯，會降低工件的可靠性。

振動篩應該有合適的振幅，較小的振幅會導致殘膜在振動篩的停留時間增加，容易引發纏膜現象，較大的振幅會使殘膜在振動篩的停留時間縮短，容易造成膜土分離不徹底。

3.5　土壤濕度分析

殘膜振動去土裝置作業時應充分考慮土壤的濕度，試驗結果證明土壤濕度在14%～25%之間時為最佳，過高的土壤濕度導致土壤難以破碎，無法從篩孔漏出，新疆地區干旱的環境和沙土質有利于膜土的分離。

4　農業殘膜振動去土裝置改進建議和應用推廣

4.1　裝置設備的改進建議

殘膜振動去土裝置的脫膜機制主要通過各機械零件的協同作業實現，而在脫膜時，由于殘膜本身的材料性質和脫膜機制的影響，會出現工作效率低下、殘膜纏繞、機械堵塞、脫膜不高等問題，改進的建議如下。

(1)強化地膜規范化應用。按照國家強制性《農用地膜》技術規程，嚴禁使用不符合規定的地膜。合理增加地膜的厚度、力學性能和抗風性，有利于殘膜回收時在剝離過程中能夠滿足殘膜回收機的拉扯、纏繞等方面的作業要求，更便于機械式的收膜。

(2)改進脫殼機械材料。由于各殘膜的脫膜器對土壤和殘膜的吸附力有很大的差別，為了降低殘膜的附著和卷曲對機械材料的吸收作用，應盡可能選用與殘膜相結合、吸收效率較低的橡膠。

(3)改進機械之間的匹配精度。提高機械的加工精度，使得脫膜機械與其它零件精確匹配，精密的配件可以改善殘膜的平滑度，防止零件由于相互的撞擊而產生摩擦和變形，從而造成脫膜機械失效，確保殘膜的穩定性。

(4)提升脫殼機械的自動化程度。采用液壓技術和電子監測技術，提高膜土分離的穩定性，實現裝置的自動化、智能化，并可對工作過程進行在線監測，采用機電液一體化的設計理念更符合殘膜回收機未來的發展趨勢。

(5)增加機械對整個殘膜的剝離功能。常規的脫膜機制對整個殘膜的剝落作用不明顯，在脫膜時的撞擊會加重對殘膜的破壞，使其產生大量的碎屑，所以需要增加機械對整個殘膜的剝離功能，以確保殘膜的完整性。

4.2　應用推廣措施

(1)政府應制定鼓勵可生物降解殘膜發展的政策，逐步將塑料膜轉變成生物可降解膜。

(2)相關管理部門要加強監管，參照國家強制性《農用地膜》技術規程，要求膜片制造企業按照產品應用標準進行生產。

(3)積極鼓勵生產企業和科研院所研發生產殘膜分離后的再利用設備。目前，國內大部分的廢膜回收裝置都是以膜莖混收為主，應加強對膜土分離技術的研究，既能有效地改善膜的再生效果，又能改善土地的肥力。

(4)加大新型廢膜回收裝置的推廣應用力度。現有殘膜回收裝置的主要作業對象是地表殘膜、淺耕層殘膜，而對中耕層和深層耕層殘膜的回收率較低，從而造成土壤中的殘膜逐漸增多。現有廢膜回收裝置僅對保持完整的殘膜和較大的殘膜處理效果較好，但殘膜的回收使用效率并不高，因此要一進步提高廢膜回收裝置的高效性、再生性、穩定性，加大新型廢膜回收裝置的推廣應用力度。

(5)注意防范殘膜的二次污染。收集后的殘膜一般置于野外，如遇大風天氣殘膜會被四處吹散引起二次污染。在推廣應用過程中不但要注意保護環境，更要進一步完善廢膜回收裝置的打捆、打卷功能，防止對殘片對環境的二次污染。

5　結論

隨著我國地膜覆蓋面積的逐年增加，殘膜回收效果不佳對農業生態環境造成的負面影響日益突出，因此，解決殘膜回收再利用問題顯得尤為迫切。目前，國內外學者已設計研發出各種殘膜回收裝置，這些裝置各有利弊，有待進一步完善。通過分析我國殘膜回收裝置的發展現狀和技術難點，運用互聯技術，設計和研究出一款適應性強、穩定性高、功能多樣、高效環保的新型殘膜回收裝置，不但符合農業機械的智能化和自動化發展趨勢，而且可有效解決我國農膜回收再利用問題，實現農業的綠色可持續發展。

[1] 陳秀芳.小型高標準農田水利工程建設現狀與對策[J].農業工程與裝備,2021,48(6):20-22.

[2] 蔣興加.溫室大棚智能采集節點裝置設計[J].農業工程與裝備,2021,48(2):1-3.

[3] 張惠友,侯書林,那明君,等.收膜整地多功能作業機的研究[J].農業工程學報,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，遼寧撫順人，大學本科，講師，主要研究方向為安全工程。

責任編輯：陽湘暉

英文編輯：吳志立