敖淑楠，王　敏，黃少華，馬龍祥，李宏強(qiáng)，郭　杰

殘膜振動(dòng)去土裝置的設(shè)計(jì)應(yīng)用與研究

敖淑楠，王敏，黃少華，馬龍祥，李宏強(qiáng)，郭杰

(甘肅能源化工職業(yè)學(xué)院，甘肅 蘭州 730207)

針對(duì)國內(nèi)膜土分離裝置與殘膜回收機(jī)共同作業(yè)時(shí)導(dǎo)致的回收效率偏低等問題，構(gòu)思和優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，通過深入分析殘膜振動(dòng)去土分離裝置的作業(yè)原理和存在的不足，設(shè)計(jì)出一種有利于殘膜資源化利用的殘膜振動(dòng)去土裝置，從而為后續(xù)的膜桿制粒以及木塑加工制造奠定基礎(chǔ)。

殘膜回收機(jī)；裝置；改進(jìn)設(shè)計(jì)

20世紀(jì)50年代，地膜覆蓋栽培技術(shù)在世界各國被迅速推廣，多年的生產(chǎn)實(shí)踐表明，其在保墑、滅草等方面發(fā)揮了良好的作用，使得作物產(chǎn)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(shù)的廣泛應(yīng)用，殘膜問題日益凸顯，我國于20世紀(jì)80年代開始了針對(duì)殘膜回收相關(guān)技術(shù)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(shí)，也會(huì)破壞土壤的物理化學(xué)結(jié)構(gòu)，使得土壤的蓄水能力、透氣性能降低，最終導(dǎo)致作物減產(chǎn)，農(nóng)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(zhì)較高，使用簡(jiǎn)單的裝置就能實(shí)現(xiàn)殘膜回收，不適用于解決國內(nèi)的殘膜問題，雖然材料學(xué)家努力研制可降解膜，目前已成功研發(fā)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(shù)人員經(jīng)過長(zhǎng)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(zhì)，其中大部分以碎土為主，所以膜土分離技術(shù)成為殘膜回收的關(guān)鍵，也是相關(guān)技術(shù)研發(fā)的一大難點(diǎn)，隨著殘膜機(jī)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(jī)存在的問題

為了更好地解決殘膜與雜質(zhì)分離這一問題，國內(nèi)外專家都進(jìn)行了大量的研究與試驗(yàn)，也制造出了多種款式的殘膜回收機(jī)。國外典型的殘膜回收機(jī)為卷膜機(jī)，例如Plastic Mulch Lifter-PR2500型卷膜機(jī)就恰當(dāng)?shù)乩昧似鹉ぽ?、卷膜輥和松土鏟的協(xié)同作業(yè)，順利完成殘膜的回收，作業(yè)效果良好。Kennco公司生產(chǎn)的PS614型雙行卷膜輥式殘膜回收機(jī)，劃膜刀被固定在機(jī)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(xué)者針對(duì)膜土分離方面的技術(shù)也進(jìn)行了相關(guān)研究，Manlio Cerroni團(tuán)隊(duì)研發(fā)了一種由皮帶輪驅(qū)動(dòng)的針刺式拾膜裝置，在輸送帶上分別以大小曲率半徑實(shí)現(xiàn)土、雜物與殘膜的分離，完成輸膜任務(wù)。Brooks等研制了一種利用網(wǎng)狀導(dǎo)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(qū)動(dòng)，將地膜輸送到料斗式集膜筐內(nèi)進(jìn)行打包處理。目前，國內(nèi)的膜土分離裝置大多與殘膜回收機(jī)共同作業(yè)，在一定程度上影響了工作效率，故需要研制一種獨(dú)立的膜土分離裝置，對(duì)回收后的殘膜進(jìn)行去土加工。

2　殘膜振動(dòng)去土裝置的設(shè)計(jì)

(1)整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。整體裝置主要包括連桿、機(jī)架和振動(dòng)篩3個(gè)部分。整機(jī)優(yōu)化的目的是使傳動(dòng)裝置和振動(dòng)裝置與機(jī)架部分實(shí)現(xiàn)更好的結(jié)合，在合理分配整機(jī)體積的同時(shí)，提升工作效率。

(2)振動(dòng)裝置。振動(dòng)篩是設(shè)計(jì)的核心，要求其最大限度實(shí)現(xiàn)篩分碎土，并將殘膜運(yùn)送到后方的集膜筐中。

(3)傳動(dòng)部分。傳動(dòng)部分主要由曲柄連桿組成，連桿作用是將發(fā)動(dòng)機(jī)或者電機(jī)的動(dòng)力輸送到振動(dòng)篩，并使振動(dòng)篩產(chǎn)生振動(dòng)。主要的工作流程為：動(dòng)力經(jīng)過變速器后傳給回收機(jī)械，在連桿的作用下將動(dòng)力傳遞給振動(dòng)篩，篩面振動(dòng)使得膜土分離，完成篩分工作。

(4)機(jī)架部分。機(jī)架部分主要為整機(jī)提供固定支撐作用，裝置結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，國內(nèi)外可供參考的研究文獻(xiàn)和專利等較多，需要根據(jù)已有研究文獻(xiàn)獲取相關(guān)參數(shù)，因此總體而言設(shè)計(jì)難點(diǎn)較少。

3　殘膜振動(dòng)去土裝置的結(jié)構(gòu)分析

3.1　振動(dòng)篩類型選擇

振動(dòng)篩的類型、篩分行程、篩面傾角、振幅、頻率等因素都對(duì)分離結(jié)果有所影響，根據(jù)目前國內(nèi)研究現(xiàn)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(yīng)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(xiàng)參數(shù)選擇偏大，雖然有利于降低含土率，但會(huì)增大殘膜從篩片間或篩孔內(nèi)掉落的概率，還會(huì)伴隨出現(xiàn)纏膜等現(xiàn)象。如果參數(shù)選擇過小，會(huì)使得膜土分離效果變差，造成擁堵現(xiàn)象，難以實(shí)現(xiàn)膜土分離。圓孔篩有較好的分離精度，不易磨損，使用壽命長(zhǎng)，但也存在擁堵、分離效果差、輸送力不強(qiáng)和兩孔之間容易纏膜等缺點(diǎn)。編織篩雖然沒有擁堵的缺點(diǎn)，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(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致方孔堵塞，對(duì)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(shí)，增加了篩面對(duì)殘膜的拋送能力，有利于殘膜的輸送。通過對(duì)比分析可知，鋸齒篩在各方面性能都相對(duì)優(yōu)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(jiǎn)稱篩程，是指殘膜與碎土的混合物從到達(dá)篩面到離開篩面的過程，當(dāng)膜土混合物在篩面上的行進(jìn)速度保持一定時(shí)，適當(dāng)延長(zhǎng)篩程能夠增加有效的篩分時(shí)間，從而獲得更好的膜土分離效果。與篩分行程直接相關(guān)的是振動(dòng)篩長(zhǎng)度，但是過長(zhǎng)的振動(dòng)篩又會(huì)導(dǎo)致裝置體積和制造成本的增加。雙篩體結(jié)構(gòu)能很好地解決上述問題，在工作時(shí)，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(fù)，防止混合物從交界處掉落。

1　機(jī)架；2　驅(qū)動(dòng)軸；3　前篩振動(dòng)壁；4　連桿組件；5　前篩；6　偏心驅(qū)振臂組件；7　后篩驅(qū)振臂；8　后篩。

3.3　篩面傾角分析

物料在篩面上的運(yùn)動(dòng)形式主要有靜止、正向滑動(dòng)、反向滑動(dòng)、跳動(dòng)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(dá)不到臨界摩擦力而無法滑落，最終會(huì)和殘膜一起被輸送到集膜筐內(nèi)，無法達(dá)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(huì)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(shù)，尤其需要注意影響較大的后篩面傾角參數(shù)。

3.4　振動(dòng)篩振動(dòng)頻率和振幅分析

振動(dòng)篩應(yīng)有合理的振動(dòng)頻率，較小的振動(dòng)頻率會(huì)造成小膜土無法拋起，振動(dòng)頻率較大時(shí)，機(jī)具振動(dòng)更加明顯，會(huì)降低工件的可靠性。

振動(dòng)篩應(yīng)該有合適的振幅，較小的振幅會(huì)導(dǎo)致殘膜在振動(dòng)篩的停留時(shí)間增加，容易引發(fā)纏膜現(xiàn)象，較大的振幅會(huì)使殘膜在振動(dòng)篩的停留時(shí)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(dòng)去土裝置作業(yè)時(shí)應(yīng)充分考慮土壤的濕度，試驗(yàn)結(jié)果證明土壤濕度在14%～25%之間時(shí)為最佳，過高的土壤濕度導(dǎo)致土壤難以破碎，無法從篩孔漏出，新疆地區(qū)干旱的環(huán)境和沙土質(zhì)有利于膜土的分離。

4　農(nóng)業(yè)殘膜振動(dòng)去土裝置改進(jìn)建議和應(yīng)用推廣

4.1　裝置設(shè)備的改進(jìn)建議

殘膜振動(dòng)去土裝置的脫膜機(jī)制主要通過各機(jī)械零件的協(xié)同作業(yè)實(shí)現(xiàn)，而在脫膜時(shí)，由于殘膜本身的材料性質(zhì)和脫膜機(jī)制的影響，會(huì)出現(xiàn)工作效率低下、殘膜纏繞、機(jī)械堵塞、脫膜不高等問題，改進(jìn)的建議如下。

(1)強(qiáng)化地膜規(guī)范化應(yīng)用。按照國家強(qiáng)制性《農(nóng)用地膜》技術(shù)規(guī)程，嚴(yán)禁使用不符合規(guī)定的地膜。合理增加地膜的厚度、力學(xué)性能和抗風(fēng)性，有利于殘膜回收時(shí)在剝離過程中能夠滿足殘膜回收機(jī)的拉扯、纏繞等方面的作業(yè)要求，更便于機(jī)械式的收膜。

(2)改進(jìn)脫殼機(jī)械材料。由于各殘膜的脫膜器對(duì)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(duì)機(jī)械材料的吸收作用，應(yīng)盡可能選用與殘膜相結(jié)合、吸收效率較低的橡膠。

(3)改進(jìn)機(jī)械之間的匹配精度。提高機(jī)械的加工精度，使得脫膜機(jī)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(chǎn)生摩擦和變形，從而造成脫膜機(jī)械失效，確保殘膜的穩(wěn)定性。

(4)提升脫殼機(jī)械的自動(dòng)化程度。采用液壓技術(shù)和電子監(jiān)測(cè)技術(shù)，提高膜土分離的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)裝置的自動(dòng)化、智能化，并可對(duì)工作過程進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，采用機(jī)電液一體化的設(shè)計(jì)理念更符合殘膜回收機(jī)未來的發(fā)展趨勢(shì)。

(5)增加機(jī)械對(duì)整個(gè)殘膜的剝離功能。常規(guī)的脫膜機(jī)制對(duì)整個(gè)殘膜的剝落作用不明顯，在脫膜時(shí)的撞擊會(huì)加重對(duì)殘膜的破壞，使其產(chǎn)生大量的碎屑，所以需要增加機(jī)械對(duì)整個(gè)殘膜的剝離功能，以確保殘膜的完整性。

4.2　應(yīng)用推廣措施

(1)政府應(yīng)制定鼓勵(lì)可生物降解殘膜發(fā)展的政策，逐步將塑料膜轉(zhuǎn)變成生物可降解膜。

(2)相關(guān)管理部門要加強(qiáng)監(jiān)管，參照國家強(qiáng)制性《農(nóng)用地膜》技術(shù)規(guī)程，要求膜片制造企業(yè)按照產(chǎn)品應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行生產(chǎn)。

(3)積極鼓勵(lì)生產(chǎn)企業(yè)和科研院所研發(fā)生產(chǎn)殘膜分離后的再利用設(shè)備。目前，國內(nèi)大部分的廢膜回收裝置都是以膜莖混收為主，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)膜土分離技術(shù)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(yīng)用力度?，F(xiàn)有殘膜回收裝置的主要作業(yè)對(duì)象是地表殘膜、淺耕層殘膜，而對(duì)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?，F(xiàn)有廢膜回收裝置僅對(duì)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(jìn)步提高廢膜回收裝置的高效性、再生性、穩(wěn)定性，加大新型廢膜回收裝置的推廣應(yīng)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(fēng)天氣殘膜會(huì)被四處吹散引起二次污染。在推廣應(yīng)用過程中不但要注意保護(hù)環(huán)境，更要進(jìn)一步完善廢膜回收裝置的打捆、打卷功能，防止對(duì)殘片對(duì)環(huán)境的二次污染。

5　結(jié)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(duì)農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境造成的負(fù)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(nèi)外學(xué)者已設(shè)計(jì)研發(fā)出各種殘膜回收裝置，這些裝置各有利弊，有待進(jìn)一步完善。通過分析我國殘膜回收裝置的發(fā)展現(xiàn)狀和技術(shù)難點(diǎn)，運(yùn)用互聯(lián)技術(shù)，設(shè)計(jì)和研究出一款適應(yīng)性強(qiáng)、穩(wěn)定性高、功能多樣、高效環(huán)保的新型殘膜回收裝置，不但符合農(nóng)業(yè)機(jī)械的智能化和自動(dòng)化發(fā)展趨勢(shì)，而且可有效解決我國農(nóng)膜回收再利用問題，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)的綠色可持續(xù)發(fā)展。

[1] 陳秀芳.小型高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田水利工程建設(shè)現(xiàn)狀與對(duì)策[J].農(nóng)業(yè)工程與裝備,2021,48(6):20-22.

[2] 蔣興加.溫室大棚智能采集節(jié)點(diǎn)裝置設(shè)計(jì)[J].農(nóng)業(yè)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(yè)機(jī)的研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),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(xué)本科，講師，主要研究方向?yàn)榘踩こ獭?/p>

責(zé)任編輯：陽湘暉

英文編輯：吳志立