一種農(nóng)田地膜回收機膜雜分離機理的研究

明 光，錢 營，梁加棟

（1.武威職業(yè)學院，甘肅 武威 733000；2.武威興東機械有限公司，甘肅 武威 733000）

0 引言

地膜覆蓋種植技術是一種改善和優(yōu)化作物生長環(huán)境，克服不良條件影響，實現(xiàn)早熟、高產(chǎn)、優(yōu)質、高效等效果的先進農(nóng)業(yè)種植技術。該技術不僅可增加有效積溫，延長作物的生長期，而且可以起到抑制雜草生長的作用，同時還可以有效利用土地資源和水資源，達到增溫保墑的效果。因此，地膜覆蓋技術對發(fā)展我國的農(nóng)業(yè)，尤其是西北地區(qū)的旱地農(nóng)業(yè)有著重要的戰(zhàn)略意義。然而由于需要連年鋪膜，且使用過的地膜未能及時有效地回收，對農(nóng)田土壤造成了嚴重的“白色污染”，最終將導致農(nóng)作物產(chǎn)量連年下降。因此，地膜回收技術成為農(nóng)業(yè)領域亟需研究的一大重要課題[1-6]。

為了提高農(nóng)田殘膜回收的工作效率并減少作業(yè)成本，目前機械化回收殘膜無疑是一種最佳的回收方法。常見的傳統(tǒng)的機械化地膜回收方式有耙犁式、摟膜式、釘齒式以及滾筒式[7-14]。以上機械化回收地膜的方式雖然能實現(xiàn)地膜回收，但收膜過程中會在地膜中夾雜過多的田間雜物，這也是一個棘手的難題，地膜與雜物難以分離，進而使得已回收的地膜含雜量較高。如果不在田間收膜過程中將地膜與雜物分離，等收集后集中處理時，地膜會與田間雜物混亂摻雜在一起，有的田間雜物如秸稈碎會扎在地膜上，此時更不容易分離，且地膜易纏繞在收膜的工作部件上，進而影響地膜回收機連續(xù)回收作業(yè)，地膜回收率也較低，難以滿足地膜回收要求。

1 總體結構

針對現(xiàn)有農(nóng)田地膜回收機工作過程中存在的膜雜分離率較低的問題，本文設計了一款膜雜分離式殘膜回收機。該機具主要由橫向切膜裝置、風機除雜裝置、起膜集膜裝置和收膜裝置等組成，結構如圖1 所示。

圖1 膜雜分離式殘膜回收機

2 工作原理

整機作業(yè)時，拖拉機通過牽引架與膜雜分離式殘膜回收機相連接，其動力輸出軸與變速箱相連接，變速箱通過鏈輪分別與縱向切膜傳動系統(tǒng)、膜上除雜傳動系統(tǒng)相連接，并與液壓控制系統(tǒng)組成作業(yè)機組。首先，拖拉機動力輸出軸連接變速箱，通過變速箱連接縱向切膜傳動系統(tǒng)，帶動縱向切膜輪將地膜縱向沿著作物根系連續(xù)切斷；其次，橫向切膜裝置依次將地膜按一定間距切開，然后松膜鏟將緊貼地面及地膜上黏結的土壤進行疏松；再次，風機吹風口將地膜上的秸稈、枝葉和散碎的土壤從中間吹到地膜邊緣；最后，收膜裝置整體下落到地膜上，同時多個柔軟抓膜齒在液壓導桿的作用下往下運動直到限位端，此時整體的收膜裝置和內置的抓膜齒同時往上運動一定位置，切開的地膜被抓起呈傾斜狀態(tài)，上升過程中，原來被吹風口吹到地膜邊緣的雜物自然落下，緊接著向左傾斜的液壓機構將抓膜機構拉向集膜箱的同時，抓膜軟齒收縮，當收膜裝置底端到達集膜箱口時，地膜完全脫落到集膜箱內，完成地膜的回收。

3 關鍵零部件的設計

3.1 切膜與松膜機構

為了便于機具的抓膜機構將地膜收集起來，在機具前端設置了切膜與松膜裝置，其結構主要包括縱向切膜輪、橫向切膜裝置和松膜機構，結構如圖2所示。

圖2 切膜與松膜機構

在收膜過程中發(fā)現(xiàn)，無論采用哪種機械式起膜機構，由于植株根部的阻擋，都或多或少會影響起膜過程?；诖?，本機具首先采用縱向切膜機構，沿著植株根部將地膜進行縱向切開。考慮到機具的中間收膜機構，在縱向切膜機構后面緊接著設置了橫向切膜裝置和松膜機構。橫向切膜裝置主要包括橫切刀、滑軌和上下運動的驅動推桿，作業(yè)時每隔一定的距離將地膜橫向切斷，便于收膜機構進行收膜。另外，因地膜使用后其韌度大大降低，極易扯斷，因此利用有一定傾斜角度的松膜鏟對地膜下方的土壤進行疏松，將緊貼地膜的土壤疏松后，不易將地膜拉斷，更有利于后面的抓膜機構作業(yè)。

3.2 除雜與抓膜機構

為了使抓膜機構在抓膜時，除去植株行間距中間膜上的雜物，設置了風機除雜機構，如圖3所示。

圖3 風機除雜機構

當除雜風機作業(yè)時，出風口處出來的風將膜上的枝葉、秸稈等雜物吹到地膜的邊緣處，緊接著抓膜機構開始作業(yè)。抓膜機構結構圖如圖4 所示，抓膜機構剖切圖如圖5 所示。其設計理念是根據(jù)人工撿拾回收農(nóng)田地膜時，通常采用一只手從地面捏?。▕A?。┑啬ぃ缓髮⒌啬ね咸崞?，緊接著將其輸送至另一只手上并且集中抓住（相當于殘膜箱），最終將地表上的殘膜有效地回收起來，將這一動作反復進行，地表殘膜即可被回收。

圖4 抓膜機構結構圖

圖5 抓膜機構剖切圖

抓膜機構作業(yè)時，需要通過液壓驅動推桿推動活塞，活塞下端的抓膜齒伸出穿孔扎過地膜。抓膜齒的下端通道向外撇呈弧形結構，如圖6 所示，因此該結構能保證抓膜齒與地膜有足夠的接觸面，抓膜齒上升時才能保證將地膜順利提起，不與抓膜齒接觸的部位呈坡度傾斜或者自然下垂，作業(yè)過程中地膜邊緣上的雜物也會自然落下，進而實現(xiàn)膜雜分離。

將抓膜齒上收集的地膜簡化為一點M，進行受力分析，如圖7 所示。

圖7 受力分析圖

由受力分析圖，可得：

式中，F(xiàn)N為抓膜齒掛起地膜后由地膜重力產(chǎn)生的支撐力，其方向垂直于抓膜齒受力點；Ff為掛起地膜后在受力點切線方向所受的摩擦力；FL為抓膜齒掛起地膜后由地膜重力產(chǎn)生的傾斜下拉力，與Ff共線，方向相反；μ為摩擦系數(shù)；θ為抓膜齒作業(yè)狀態(tài)時受力點切線方向與水平方向的夾角，也為抓膜齒通過的弧形滑道與水平方向的夾角。

要使抓膜齒上的地膜在作業(yè)時不會滑落，需滿足：

由公式（1）～（4），可得：

此處，摩擦系數(shù)μ取2，θ≥26°，考慮到抓膜齒的伸出與收縮平滑性以及材料特性，根據(jù)實際模型進行試驗，發(fā)現(xiàn)需滿足θ≤40°。綜合上述情況，θ=36.5°能夠很好地滿足抓膜要求。同時，θ也是抓膜齒通過的圓弧通道與水平方向的夾角。

3.3 運膜與收膜機構

當抓膜機構的抓膜齒收集到一定量的地膜時，應及時將收集的地膜運送至集膜箱，運膜與收膜機構結構如圖8 所示，主要包括液壓驅動桿、連接桿和集膜箱。

圖8 運膜與收膜機構

具體作業(yè)過程為：活動橫梁升起，提起地膜，在液壓驅動推桿驅動抓膜套架向集膜箱轉動的同時，抓膜套架內置的液壓推桿驅動抓膜齒往回收縮，當抓膜機構即將運動到集膜箱邊緣上端時，抓膜齒上的地膜隨之脫落，進入集膜箱內。

4 總結

本文針對現(xiàn)有農(nóng)田殘膜回收機工作過程中存在的膜雜分離率較低的問題，為了進一步有效提高其膜雜分離效率，依據(jù)人工撿拾地膜的特點，研究并設計了一種新型膜雜分離式地膜回收機。重點對機具中的切膜裝置、松膜機構、膜上除雜裝置和收膜裝置等核心部件的工作過程及設計理念進行了理論分析與計算，具體如下：

1）為了避免起膜時扯斷地膜以及方便收膜，在機具最前端設置了切膜裝置、松膜機構，同時也解決了機械化回收時收膜部件出現(xiàn)地膜纏繞的問題。

2）目前機械化回收地膜的重點應轉為提高膜雜分離率，回收后的地膜要得到重復利用或再加工等，因此本機具在收膜裝置前設置了除雜風機，將地膜中間上的枝葉、秸稈等雜物吹到待回收的地膜邊緣，進一步提高收膜部件收膜后的膜雜分離率。

3）收膜部件是影響機械化地膜回收效果的關鍵，本機具收膜部件采用了套架內置空腔結構形式，內部活塞周圍裝有軟材料的伸縮齒，伸縮齒底端通過圓弧形通道，弧形通道與水平方向的最佳角度為36.5°，能夠較好地滿足收膜要求。

綜上所述，本機具能夠有效實現(xiàn)抓膜、升膜、運膜到最后脫膜的全過程。同時，本機具采用四行收膜，不但提高了工作效率，也提高了收凈率和膜雜分離率。