殘膜回收機防膜回帶機構分析及發展思考

顧 滿，胡志超，姬廣碩，游兆延，徐弘博，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)

0 引言

農用地膜覆蓋技術從20世紀50年代開始興起于日本和西方國家，應用地膜可使土壤保溫、保濕，對農作物有防病、防草的作用。地膜覆蓋技術逐漸改變了傳統農業的生產方式，生產水平大大提高[1]。我國從1978年開始從日本引進農用地膜覆蓋技術，到目前已應用到百余種作物的種植當中。隨著產業結構調整及高分子聚合物的發展，地膜覆蓋物的種植面積也在不斷增加。目前，在我國應用地膜的作物種植面積超過200萬hm2，大約占全球的90%[2]。使用過后的農用塑料薄膜自然條件下極難降解，在土壤中可保存超過200年，隨著時間的增長，土地間殘留的地膜逐漸積累，田間散布的地膜被風吹遍布周邊，隨處懸掛給環境帶來了嚴重的“白色污染”。與此同時，殘存土壤深處的地膜污染了土地環境、降低了土壤質量、干擾了作物生長、降低了農作物產量，為農業生產帶來了諸多不便[3-4]。因此，解決殘膜污染問題對環境保護、保證作物穩產高產及農業可持續發展具有重要意義[5-7]。

目前，國內外為解決殘膜污染問題采取了一系列措施，近幾十年的研究主要集中在以機械化回收代替人工撿拾。同時，隨著材料科學的發展，我國及西方的一些國家也在積極研發可降解、無毒害的薄膜，如光降解薄膜和生物降解薄膜以及植物纖維薄膜[8]；同時，在近幾年里，一膜多用、減量覆蓋、替代覆膜技術逐步投入使用，并取得良好效果，為解決殘膜污染問題提出新的發展思路。但受成本、推廣可行性及成熟度的影響，在目前階段，機械化回收仍是目前國內外的主要處理方式[9-10]。

殘膜回收機的主要工作步驟為：拾膜→輸膜→脫膜→集膜→卸膜。對市面上已出現的殘膜回收機，膜回帶已成為制約田間殘膜撿拾率、可靠回收殘膜的重要影響因素，對防膜回帶機構的研究和優化設計對殘膜回收機工作可靠性的提高有重要意義。

1 防膜回帶機構主要類型及特點

在國外，歐美、日本等發達國家對地膜覆蓋技術研究從20世紀50年代開始，對殘留土地間地膜采用綜合治理，應用地膜厚度大，抗拉強度高，其殘膜回收機形式較為單一，采用起膜鏟加圈膜輥結構[11-12]。工作時，起膜鏟刮土并鏟起薄膜，人工將地膜纏繞在卷膜輥上，依靠圈膜輥轉動收集薄膜，其工作示意圖如圖1所示。由于其薄膜完整率高，采用卷膜輥結構在殘膜回收過程中不存在膜回帶問題。

與國外相比，我國采用地膜標準厚度為0.006～0.012mm，屬于超薄聚乙烯地膜，其厚度和抗拉強度小，殘膜易損壞。另外，收膜時間多為秋收后，此時殘膜破損嚴重，在回收過程中地膜損壞，無法采用卷膜輥式收膜機構。市場上較為常見的殘膜回收機類型有齒鏈式、彈齒式、鏈輪刮帶式、伸縮桿齒式、鏟式起茬式、鏟篩式及耙齒式殘膜回收機[13-16]，其殘膜回收過程主要存在問題是殘膜壅堵、膜土分離不徹底、殘膜回帶及收膜含雜率高等問題。總體而言，我國殘膜回收機與國外相比更為多樣，且受地形、土質、環境等因素影響，不同殘膜回收機展現不同的特點[17-18]。對于耙齒式和鏟篩式殘膜回收機，其拾膜部件作業過程為單次作業，殘膜回收時不存在膜回帶問題。對于其他形式的殘膜回收機，拾膜、輸膜、脫膜構件都有不同，且工作過程為循環作業，大多數機型在實際工作中由于設計結構不同、轉速控制及工作環境等因素，殘膜在回收過程中存在回帶問題。對現有殘膜回收機防回帶機構主要原理及工作形式進行分析，按其防回帶機構的結構形式不同可分為回轉式、隔離式、推板式、氣力式和其他形式防回帶機構，總結其類型和特點，可為后續結構優化與創新提供理論參照。

圖1 卷膜輥示意圖Fig.1 Sketch map of roll film roller

1.1 回轉式防回帶機構

回轉式防回帶機構常見于輪齒式和齒鏈式殘膜回收機，其主體為可轉動的回轉構件，按其轉動方向可分為逆向回轉和順向回轉式防回帶機構。

1.1.1 逆向回轉式防回帶機構

逆向回轉式防回帶機構采用脫膜滾筒和拾膜滾筒同向轉動機理，脫膜齒或脫膜刷與拾膜齒在殘膜交接處相對速度方向相反，常見于齒鏈式殘膜回收機，如圖2所示。其結構主要由起膜、拾膜和脫膜裝置組合而成。工作時，脫膜輪和拾膜輪通過鏈傳動同向轉動，脫膜輪上安裝有脫膜葉片，葉片常采用柔性材料(如橡膠、尼龍等)，也可采用脫膜刷結構。轉動過程中，拾膜齒從脫膜葉片間隙中穿過，殘膜與拾膜齒分離，殘膜被帶入集膜箱。脫膜葉片與拾膜齒互相配合，通過葉片的刮刷作用防止殘膜隨拾膜齒回帶。

逆向回轉式防回帶機構由于脫膜葉片或脫膜刷的刮帶作用，在脫膜過程中起到了一定的防回帶效果。從作業次數上講，其作業方式屬于單次作業方式，拾膜齒與脫膜齒或脫膜刷工作時相遇1次，殘膜不易與拾膜機構分離，且遇到多層殘膜累積時容易堵塞，從而造成殘膜回帶。

1.機架 2.輸膜輪 3.軸承 4.傳動裝置 5.起膜鏟 6.脫膜輪 7.集膜箱

1.1.2 順向回轉式防回帶機構

順向回轉式防回帶機構采用脫膜葉片與拾膜齒在交接處相對速度相同的機理。例如,新疆石河子大學李斌等人設計的SMS—1500型秸稈粉碎還田與殘膜回收聯合作業機[19-20]，其殘膜回收部分如圖3虛線所示。工作時，采用脫膜刮板帶裝置，刮板帶上側的葉片與殘膜輸送方向相同，使鏈輪上側刮帶板葉片運動線速度高于拾膜齒，對拾膜齒上殘膜順向打擊；由于葉片速度高于殘膜隨拾膜齒輸送速度，在輸送鏈頂端，殘膜在脫膜齒和離心力作用下克服拾膜齒對殘膜的掛連，殘膜與其分離進入集膜箱，避免了拾膜齒對殘膜的回帶。

圖3 SMS-1500型殘膜回收機結構簡圖Fig.3 Structural sketch of plastic film collector about SMS-1500

順向回轉式防回帶機構可實現對同一處的殘膜作業多次，有效避免了殘膜纏繞回帶，降低了殘膜與拾膜齒的吸附作用；但采用順向回轉式機構，葉片高速旋轉下產生強烈氣流，部分殘膜在氣流的作用下會落至拾膜輸送帶并隨之回帶。

1.2 隔離式防回帶機構

隔離式防回帶機構防回帶主要機理是通過隔離實現殘膜與撿拾機構隔離開，從而達到防回帶效果。按其隔離構件不同可分為導軌隔離式防回帶機構和滾筒隔離式防回帶機構。

1.2.1 導軌隔離式防回帶機構

山東農業大學呂釗欽設計的馬鈴薯秋后地膜回收機采用了導軌隔離機構來起到防回帶效果，如圖4所示[21]。工作時，由起膜鏟起膜，拾膜齒刺穿拾起鏟起的薄膜，殘膜在卸膜導軌和托板之間向斜后方運動；運動至集膜箱上方時，拾膜齒逐漸縮回至卸膜導軌內部，拾膜齒纏掛的殘膜被環形導軌隔離而防止殘膜隨拾膜齒回帶。

1.懸掛架 2.變速箱 3.角度調節桿 4、12.鏈條 5.固定架 6.送膜鏈條 7.調節桿 8.拾膜齒 9.密封罩 10.支架 11.卸膜導軌 13.葉輪 14.集膜箱 15.限深輪 16.托板彈簧 17.限位桿 18.托板 19.起膜鏟 20.機架

導軌隔離式防回帶機構由導軌和拾膜齒配合使用，結構形式簡單，有效解決了殘膜的纏繞滯留和回帶問題，且對碎膜、深膜都起到了較好的回收效果；但使其配合托板使用運輸殘膜，會對殘膜輸送和膜土分離起到一定的影響。

1.2.2 滾筒隔離式防回帶機構

滾筒隔離式防回帶機構應用于伸縮桿齒式殘膜回收機，主體是拾膜滾筒和拾膜桿齒。桿齒在滾筒內均勻排列或交錯排列，并與滾筒同步旋轉；桿齒在滾筒的下方伸出最長，在旋轉至滾筒上方時逐漸縮短直至完全縮回滾筒內，桿齒上的殘膜沿著滾筒外徑自下而上運動，同時完成了殘膜撿拾、輸送、脫膜工作，并有效防止了回帶。

滾筒隔離式防回帶機構可分為偏心式和凸輪式機構。新疆農墾科學院機械裝備研究所趙巖等設計的CMJY-1500型農田殘膜撿拾打包聯合作業機采用桿齒固定機構與脫膜滾筒偏心配置的形式[22-23]。新疆農業大學謝建華等人對伸縮桿齒式殘膜回收機進行改進設計，采用擺桿凸輪機構，如圖5所示。

1.挑膜齒組 2.滾輪 3.滾筒 4.凸輪輪盤 5.凸輪盤心軸

偏心式和凸輪式滾筒防回帶機構利用滾筒的隔離作用，都起到了良好的防回帶效果，并且對拾膜、脫膜的工作過程都有優勢。采用滾筒式防回帶機構對桿齒的運動規律、桿齒與滾筒的配合要求較高，可達到最好的回收效果。桿齒在土壤中運動時受力復雜，長時間工作之后彈齒受摩擦變形，且部分膜土等雜物沿桿齒縫隙進入滾筒內，會發生纏繞，長時間積累對機器造成影響。

1.3 推板式防回帶機構

推板式防回帶機構主體為起推膜作用的推板，配置形式有曲柄推板和液壓推板兩種。

1.3.1 曲柄推板式

推板防回帶機構常見應用于彈齒式殘膜回收機，如圖6所示。工作時，彈齒拾膜輪和曲柄由地輪驅動提供動力，通過拾膜輪彈齒拾膜，在拾膜輪轉動過程中彈齒在拾膜輪后下方入土，將壟面上的殘膜挑起，轉至集膜箱上方；此時彈齒保持水平狀態，推板運動至拾膜齒上方，與拾膜齒相對運動速度方向相反，拾膜齒穿過推板間隙，同時推板推過，將帶起的殘膜推入集膜箱并清除護板間隙中存留的殘膜，避免殘膜隨拾膜齒回帶，降低拾膜率[24-26]。

1.松土器 2.護板 3.控制桿 4.拾膜輪 5.彈齒 6.集膜箱 7.曲柄 8.推板 9.鏈條 10.滑道 11.脫膜鏟 12.地輪

曲柄推板式機構采用推板與彈齒配合的配置形式，提高了殘膜撿拾率，但對機構運動設計要求較高，并要求推板與彈齒配合準確，不回帶殘膜。推板式防回帶機構需由曲柄帶動推板往復運動，同時曲柄連桿機構存在設計問題，在長時間工作后會出現推板位置偏移，從而影響殘膜回收發生回帶。

1.3.2 液壓推桿式

釘刺式液壓推桿機構[27]主要由指狀撿拾齒、推拉連桿、滾筒及推板組成，如圖7所示。釘刺式液壓推桿機構運行時，焊接在滾筒上的指狀撿拾齒扎住殘膜，待殘膜扎滿滾筒后，啟動清理裝置；液壓缸推動拉桿運動，拉桿與空心軸固聯做水平運動，滑槽板與推拉連桿鉸接，推拉連桿帶動推膜滑塊上下運動將殘膜從滾筒上卸下，殘膜脫離撿拾齒，防止殘膜隨撿拾齒回帶。

與現有技術相比，該裝置結構簡單，作業效果好，滾筒上的指狀拾膜齒的扎膜功能解決了殘膜隨撿拾齒回帶的問題，并對超薄殘膜易碎、難以回收的技術問題有了較好處理，可以應用于各種殘膜回收機具上，也可以集成到其他聯合整地作業機械或類似作業機械上；但其拾膜和脫膜過程不能同時進行，作業速度慢，且其殘膜在撿拾完成后需多個液壓桿組合使用，對其可靠性要求較高。同時，若土壤濕度過高，殘膜與土壤可能會隨液壓推桿沿孔隙進入滾筒，產生夾膜現象。

1.指狀撿拾齒 2.滑槽板 3.滾筒 4.空心軸 5.推膜滑塊 6.推拉連桿

1.4 其他形式防回帶機構

1.4.1 氣力式防回帶機構

氣力式防回帶機構采用氣力裝置將殘膜吸入或吹出，實現拾膜或脫膜，減少殘膜回收過程中的機械性接觸，以此來達到防回帶的目的。新疆建設兵團修造廠研制的4MQ-L5型氣吸式殘膜回收機，拾膜輪將殘膜挑起帶到吸風口處，殘膜在風力作用下被吸入到集膜箱。新疆石河子大學張新超等人設計的釘齒式殘膜回收機采用拾膜輪釘齒拾膜，同樣采用風機吸風實現殘膜回收[28-29]。吉林省機械研究院曹文龍等人設計一種氣吸式拾膜滾筒，并進行了流體仿真，證明了氣吸式殘膜回收的優點和可行性。

氣吹式機構主體為一風機，配合拾膜、輸膜裝置完成殘膜的收集工作。新疆石河子大學明光[30]等人研究設計的夾持輸送式殘膜回收機氣力脫膜裝置，如圖8所示。工作時，轉動的夾持板拾膜齒將起離地面的殘膜向輸送帶刮送，隨著夾持板與輸送帶的運動，殘膜被夾在夾持板與輸送帶之間，并沿著輸送帶向上輸送；在輸送帶頂端，風機吹風，在氣力作用下，殘膜與夾持輸送裝置分離，避免了沿夾持板回帶。

氣力式防回帶機構設計合理，結構簡單，有效避免了殘膜與機器零部件的機械接觸，防止殘膜纏繞和殘膜回帶；但采用氣吸式機構容易將土雜等吸入，影響殘膜回收效率。氣吹式機構對封口風速要求較高，在實際工作中易受外界環境影響。

1.起膜風機 2.集膜箱 3.殘膜輸送鏈 4.起膜鏟 5.機架 6.刮板輸送鏈 7.夾持板拾膜齒

1.4.2 刮板帶機構

甘肅農業大學吳建民、李濤等人設計的適用于全膜雙壟溝地的小型地膜回收機采用刮板帶機構起到防回帶作用，如圖9所示[31]。工作時，起膜叉起膜，起膜滾筒旋轉，挑膜齒帶動殘膜至輸送帶；地輪旋轉為刮板帶提供動力，刮膜帶與輸送帶保持壓緊狀態，與輸送帶同步移動，殘膜被輸送至集膜箱上方時刮板與輸膜帶分離，殘膜至集膜箱上方，在輸送帶末端刮板與輸送帶分離失去對殘膜約束，殘膜依靠自身重力及離心力落下；刮板在輸送帶上方，刮板與拾膜滾筒分離，無拾膜作用，有效防止了殘膜隨刮板回帶。

刮板帶機構采用刮板與輸送帶擠壓完成輸送，拾膜和輸膜過程分開有效解決了傳統齒鏈式機構拾膜和輸膜造成的回帶，避免了刮板對殘膜的纏繞，其防回帶效果好，但需考慮膜土分離工作的進行。

1.機架 2.齒輪箱 3.輸出軸 4.一級鏈傳動系統 5.挑膜滾筒 6.起膜叉排 7.輸膜帶 8.刮膜帶 9.尾輪 10.摟耙式摟膜齒 11.二級鏈傳動系統 12.集膜箱

1.4.3 兩級式機構

農業部南京農業機械化研究所對鏟鏈式挖掘收獲機進行優化設計，在原有單網鏈式輸膜機構基礎上改進為兩級網鏈式輸膜機構，改進大升運角并實現可調式后級網鏈輸膜和膜土分離機構，解決了鏟鏈式挖掘收獲機用于收膜作業時鏟鏈升運角小造成土塊進入集膜箱問題，實現了大土塊與殘膜有效分離，減少了進入集膜箱土塊。改進后的鏟鏈式殘膜回收機機構簡圖如圖10所示。其在兩級升運鏈上方處轉向下，較之傳統單條上升式輸送網鏈能有效減少殘膜回帶，提高殘膜撿拾率。

2 存在問題

1)拾膜部件回帶。拾膜部件是殘膜回收機的核心部件，常見結構形式有伸縮桿齒式撿拾滾筒、彈齒式拾膜部件、鏟式收膜部件、輪齒式收膜部件和齒鏈式收膜部件。對于一體式拾膜部件，可將地面殘膜直接挑起并進行殘膜的空間輸送，如輪齒和齒鏈式拾膜部件。獨立式拾膜部件在拾起殘膜后直接與脫膜部件交接以完成殘膜回收，如伸縮桿齒式、彈齒式拾膜部件，拾膜過程靠桿齒或輪齒的扎膜作用拾起殘膜。在工作過程中，由于機構的運動會引起殘膜的黏附和靜電作用發生纏繞，在隨著滾筒的旋轉過程中部分殘膜會隨之被帶回土壤。

2)輸膜部件回帶。輸膜部件的作用是帶動殘膜和土雜在機具內部發生空間位置的轉移，為進一步脫膜和集膜提供條件。常見的輸膜部件主要有輸送鏈和輸送帶。輸送帶能很好地實現膜土雜的輸送且回帶率低，但是收集的殘膜含雜率過高。輸送鏈采用網狀式結構，膜土雜在網鏈上運動，土雜在網孔落下，殘膜隨網鏈輸送至集膜箱；但在實際工作中，受結構和網鏈轉速的影響，殘膜隨網鏈的轉動回帶率過高。

3)脫膜部件回帶。脫膜部件與拾膜部件在結構上和工藝上有密切聯系，也是殘膜回收機中重要組成部件，常見的脫膜部件由脫膜輪配合脫膜齒刷部件完成脫膜。在實際工作中，脫膜部件的結構是造成殘膜回帶的主要原因，其工作性能很大程度上影響殘膜回收機的工作效率，有效脫膜也是降低殘膜回帶的重要保證。與拾膜部件回帶類似，殘膜的纏繞和吸附同樣會使殘膜隨脫膜部件回帶。

1.變速箱 2.機架 3.傳動系統 >4.一級升運鏈 5.二級升運鏈 6.二級升運鏈 7.集膜箱

3 發展思考

1)部件優化。主要從兩個方面考慮：一是從運動學角度優化拾膜和脫膜部件的形狀、排布方式和運動軌跡；二是從加工方面優化部件，使部件交接過程緊密，提高加工精度，減少毛刺等，以達到防止殘膜纏繞發生回帶的效果。

2)增設一體式機構。目前，殘膜回收機的種類多樣，對其關鍵部件的設計一直集中在拾膜和脫膜部件上，且拾膜、輸膜、脫膜機構分開設計，獨立運行，若交接不暢，加之殘膜回收機設計時缺少相應的防回帶機構，很容易導致殘膜隨部件回帶 。設置一體式機構組合式部件，使拾膜、輸膜一體化，可有效減少輸膜過程膜回帶。若能有效組合拾膜部件的挑膜、摟膜、扎膜等功能，不僅對防止膜回帶有幫助，也能有效提高殘膜回收機撿拾效率。

3)發展網鏈式殘膜回收機機，其裝置結構簡單，撿拾效率高，不僅可用于多種土下果實的收獲，還可用于殘膜回收，并且膜土分離效果好。網鏈式挖掘收獲機的兩級式機構大幅提升防回帶效果，保證了拾膜率和集膜質量。應用網鏈式挖掘收獲機，有利于實現一機多能，降低農業生產成本。

4 結論

目前，殘膜回收機的主要研究集中在提高拾膜率、膜土分離質量、除雜及收膜質量上，對膜回帶重視度不夠。在殘膜回收機的設計中，應予以加強，尤其是針對回轉類構件容易發生殘膜纏繞堵塞、隨構件回帶問題，應不斷改進，提高設計質量，減少殘膜回帶量。殘膜回收問題關乎土地資源利用的可持續發展，短時間內不能看到收益，且是制約殘膜回收機具發展的重要因素，發展機械化殘膜回收技術是解決殘膜污染的主要途徑。