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残膜回收机拾膜机构研究现状及展望pdf

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残膜回收机拾膜机构研究现状及展望pdf

p残膜回收机拾膜机构研究现状及展望严 伟1, 2, 胡志超2, 周新星1, 2, 徐弘博2, 游兆延2, 吴 努1 1. 南通大学 机械工程学院 , 江苏 南通 226019; 2. 农业部南京农业机械化研究所 , 南京 210014摘 要 拾膜机构是残膜回收机的关键部件 , 其机构形式与作业质量对残膜回收率的提高具有重要作用 , 但长期残留在农田里的残膜会给农业生产带来了严重的危害 。为此 , 分析了国内外残膜回收机拾膜机构的发展现状 , 简要介绍了 6 种拾膜机构的结构形式及工作原理 , 并指出其在田间试验过程中存在的问题 , 为后续拾膜机构的优化与改进提供参考 。关键词 残膜回收机 ; 拾膜机构 ; 研究现状 ; 展望中图分类号 S233.3 文献标识码 A 文章编号 1003 -188X 2016 10 -0258 -050 引言地膜覆盖栽培技术具有保肥 、保湿 、保墒 、增温 、减轻作物病害和抑制杂草生长的作用 , 不但可以减少农作物的生长发育时间 , 使农作物提早上市 , 也可以很大程度上提高作物产量 。膜覆盖栽培技术作为作物提早上市的一项切实可行的技术 , 目前已被广泛运用于花生 、蔬菜 、瓜类 、棉花 、玉米 、烤烟等多种作物种植过程中 。随着近年来气候的反常变化和农业种植结构的不断调整 , 地膜覆盖作物的面积和种类也在逐年增加 ; 但是随着覆膜年限的不断增长及地膜覆盖面积的不断扩大 , 滞留在农田里的残膜给农田和环境造成了严重污染 。田地 、菜地里散布的残膜经风吹后悬挂在建筑物和树木上 , 给农村耕地周围及城市郊区造成了严重的 “白色污染 ”[ 1 -3]。滞留农田里的残膜不但对作物的根系生长 、出苗和产量产生了影响 , 也影响了农田机械化作业的顺利进行 , 因此治理地膜污染刻不容缓 。目前 , 治理地膜污染的主要措施有 机械回收地膜 、人工捡拾地膜和使用可降解地膜 。人工捡拾地膜成本高 , 劳动强度大 , 效率低 , 捡拾不净 ; 可降解地膜在使用过程中随着时间的增长有明显的碎裂现象 , 但其周期较长 、降解成本高 。与前两种方法相比 , 机械化回收地膜具有效率高 、劳动强度小 、成本相对较低收稿日期 2015 -09 -18基金项目 公益性行业 农业 科研专项 201503105_08作者简介 严 伟 1991 - , 男 , 江苏宿迁人 , 硕士研究生 , E - mail974916120 qq. com。通讯作者 吴 努 1957 - , 男 , 江苏南通人 , 教授 , 硕士生导师 , E- mail m99yzy99 163. com。等优点 , 是解决残膜污染问题的关键 。拾膜机构是残膜回收机的主要工作部件 , 其能否可靠地捡拾地膜是评价残膜回收机性能的主要指标 , 拾膜机构的优化与改进对劳动生产率及残膜回收机作业的顺畅性的提高有着重要的意义 。1 国外拾膜机构研究现状提高残膜回收率 、降低残膜对环境的污染 、维持生态平衡是世界各国共同面临的一个现实问题 , 尽管不同的国家采用的方法不同 , 但均对此高度重视 。国外使用的地膜较厚 , 一般在 0. 015mm 以上 , 厚度为0. 008mm 地膜 , 其抗拉强度比 0. 01mm 的地膜低 25以上 。厚地膜具有较好的抗破损性能与较大的抗拉强度 , 利于机械回收 。Parry 在 1972 年研制出一种残膜回收机 , 卷膜辊为其主要拾膜机构 , 工作时将残膜与残膜表面的覆盖物一起卷在残膜回收机的卷膜辊上 ; 在卷膜的过程中 , 大量的土壤 、地表残茬一起被卷起 , 混收现象较为严重 。Roberson 与 Swayer 在 1993 年研制出一种残膜回收机 , 拾膜机构也是卷膜辊 , 拾膜机理是利用卷膜辊将地膜从地表卷起 。这种机具在收膜过程中存在一个比较严重的问题 , 其工作的前进速度和卷膜辊的卷膜线速度不相匹配 , 因此在收膜过程中经常出现残膜被拉断现象 。Lvao 在 1995 年研制了一种残膜回收机 , 在回收残膜时用一个刷子将土壤从地膜上刷去 。这种残膜回收机不但存在起膜率低等问题 , 而且对残膜的抗拉强度有较高的要求 。Brooks 在 1997 年研制出一种残膜回收机 , 其拾膜机理是利用机械振动实行膜土分离 。为了方便回收 , 这种残膜回收机将残膜撕成小片并处理成塑料球 , 但存在成本过高的问题 。R.8522016 年 10 月 农 机 化 研 究 第 10 期DOI10.13427/ki.njyi.2016.10.054L. Parish 在 1998 年设计了一个装置 , 该装置液压马达的转速由液压马达的流量来控制 , 已达到残膜回收机速度和卷膜辊线速度相匹配[ 4 - 9]。总体看来 , 国外的残膜回收机拾膜机构形式比较单一 , 一般由卷膜辊和起膜铲组成 。在工作过程中 ,压在残膜两边的泥土由起膜铲刮除 , 随后由卷膜辊起出残膜 。在卷膜过程中 , 人工将残膜提起并缠绕在卷膜辊上 , 拾膜机构随机组前进 , 地轮带动卷膜辊旋转 ,连续不断地将残膜缠绕在卷膜辊上 , 完成残膜的回收过程[ 10 -15]。国外拾膜机构的典型代表为美国俄亥俄州拖拉机公司 Buckeye Tractor co 生产的用于农用残膜回收的起膜铲与卷膜辊 , 如图 1 所示 。图 1 Buckeye Tractor co 公司生产的农用残膜回收的起膜铲与卷膜辊Fig.1 The film shovel and roll film roller for agricultural film recycling inBuckeye Tractor co2 国内拾膜机构研究现状与国外相比 , 我国目前广泛使用的地膜比较薄 ,厚度为 0. 007 ~0. 01mm, 薄地膜强度较低 , 价格便宜 。厚度不同的地膜在抗拉强度方面存在着巨大的差别 ,所以我国残膜回收机拾膜机构不能沿用国外的卷膜辊式 , 需要根据国情自行研制[ 16 -17]。目前 , 国内残膜回收机拾膜机构的结构形式主要有伸缩杆齿式捡拾滚筒拾膜机构 、弹齿式拾膜机构 、铲式起茬拾膜机构 、轮齿式拾膜机构及齿链式拾膜机构 。调研市场现有的残膜回收装备 , 根据残膜回收机拾膜机构的主要结构形式 , 购置 5 款拾膜机构形式各不相同的残膜回收机 , 分别为 CMJ -5 型密排弹齿式残膜回收机 、4CM -140 轮齿式残膜回收机 、DMJS -1400 齿链式残膜回收机及 1FMJ -850 伸缩杆齿式捡拾滚筒残膜回收机及1MC -70 铲式起茬式残膜回收机 , 用于对国内残膜回收机拾膜机构的主要结构形式及工作原理进行分析 ,为后续残膜回收机拾膜机构优化与创新提供理论依据 。2.1 伸缩杆齿式捡拾滚筒拾膜机构伸缩杆齿式拾膜机构主要由伸缩齿 、滚筒与偏心滚筒组成 , 如图 2 所示 。工作时 , 伸缩杆齿式拾膜机构滚筒逆前进方向旋转 , 杆齿在滚筒和偏心滚筒相互配合作用 ; 杆齿位于滚筒下方时 , 伸出最长 , 将残膜挑起 ; 杆齿位于滚筒上方时 , 杆齿伸出最短 , 将挑起的残膜留在滚筒上方 。1. 伸缩齿 2. 滚筒 3. 偏心滚筒 4. 拾起的残膜 5. 土壤图 2 伸缩杆齿拾膜机构示意图Fig.2 Sketch map of picking - up parts with lengthening & shortening pile工作过程中 , 滚筒在地膜上自由滚动 , 地膜与滚筒之间不存在相对运动 , 因而壅膜 、壅土或拉断地膜的现象不会发生 。同时 , 齿杆的扎膜功能可以解决超薄地膜在回收时的易碎及难以回收的技术难题 。但是 , 在实际田间试验过程中 , 伸缩杆齿式拾膜机构地表仿型能力差 , 只适用于平整的地面 , 不适用于垄沟相间的地面 ; 由于黏附与静电作用 , 伸缩杆齿式收膜部件在杆齿缩进滚筒时 , 发生将膜一并带人滚筒内的问题 ; 弹齿与滚筒间发生带土 、杂草难分离等现象 , 需要设计合理的齿形与运动轨迹 。同时 , 伸缩杆齿拾膜机构的结构复杂 , 造价偏高 。图 3 为 1FMJ -850 伸缩杆齿式拾膜机构田间试验效果 。图 3 1FMJ -850 伸缩杆齿式拾膜机构田间试验效果Fig.3 Field experiment map of picking - up parts with lengthening &shortening pile about 1FMJ -8502.2 弹齿式拾膜机构2.2.1 凸轮滑道弹齿式拾膜机构凸轮滑道弹齿式拾膜机构主要由弹齿 、弹齿轴 、弹齿滑道及弹齿轮组成 , 如图 4 所示 。工作时 , 残膜首先由托膜铲将其沿垄面托起 , 同时地轮驱动弹齿式拾膜机构同向转动 ; 弹齿在凸轮滑道和弹齿轴的共同9522016 年 10 月 农 机 化 研 究 第 10 期作用下 , 由前下方入土 , 将残膜向后方挑起 , 随后再平移 、后退 、反转 , 从而实现拾膜 、输送 、脱膜和回程 4 个工作步骤[ 18 -20], 完成对残膜的捡拾 。1. 弹齿轮 2. 滑道 3. 弹齿 4. 残膜 5. 土壤图 4 凸轮滑道弹齿式拾膜机构示意图Fig.4 Sketch map of picking - up parts with spring finger凸轮滑道弹齿式拾膜机构的拾膜弹齿由地轮带动工作 , 其结构简单 , 残膜拾净率相对较高 。但是 , 在其工作过程中 , 拾膜弹齿的仿形效果较差 , 弹齿在作业中碰到硬物会产生跳动或变形 , 造成不正常工作 ;弹齿工作时有时接触不到残膜 , 通常发生残膜混杂在土壤中的现象 , 给膜土分离带来了一定的困难 ; 弹齿把地膜划破捡不起来 , 对破损严重的地膜无法捡拾 ,无法实现残膜与杂草的分离 。同时 , 为了便于脱膜 ,拾膜机构自身需要一个控制拾膜弹齿工作位置的曲线轨迹滑道 , 这样就给拾膜机构的制造带来一定的困难 。2.2.2 密排弹齿式拾膜机构密排弹齿式拾膜机构主要由弹齿和机架组成 , 如图 5 所示 。密排弹齿式拾膜机构工作时由拖拉机带动 , 弹齿入土 30 ~50mm, 由密排弹齿将地表和浅层的残膜收集于弹齿上 。1. 密排弹齿 2. 机架图 5 密排弹齿式拾膜机构示意图Fig.5 Sketch map of picking - up parts with rake密排弹齿式拾膜机构结构简单 、造价低 , 可以有效地解决堵塞和壅土的问题 , 对于平整地的残膜回收率较高 。但是 , 在实际田间试验过程中 , 密排弹齿式拾膜机构生产效率较低 , 每隔一段时间就需要升起机架进行卸膜 , 且卸膜有一定困难 , 需要人工辅助 ; 密排弹齿式拾膜机构工作幅宽 1. 05m, 配重不足 , 工作时需要在机子上加重物或者人站在机子上加重 ; 在平地拾膜效果较好 , 遇坑或秸秆会出现残膜漏起现象 ; 遇到硬物会产生变形或跳动 , 造成不正常工作 , 扯碎的地膜散落一地 , 清理残膜困难 。图 6 为 CMJ - 5 型密排弹齿式拾膜机构田间试验效果图 。图 6 CMJ -5 型密排弹齿式拾膜机构田间试验效果图Fig.6 Field experiment map of picking - up parts with rake about CMJ -52.3 铲式起茬拾膜机构铲式起茬拾膜机构主要由起茬起膜铲刀 、输送带及分离滚筒组成 , 如图 7 所示 。工作时 , 机器随拖拉机向前运动 , 由铲刀将地表残膜 、根茬及埋在土壤中的残膜一起铲起 , 经输送带输送到分离滚筒内 ; 根茬 、残膜 、土块在滚筒内随滚筒旋转 , 土块由于离心力的作用逐渐破碎并通过滚筒筛网眼被甩出 , 根茬 、残膜沿分离滚筒导入集膜筐 。1. 土壤 2. 起膜铲 3. 残膜 4. 输送带 5. 滚筒图 7 铲式起茬拾膜机构示意图Fig.7 Sketch map of picking - up parts with shovel铲式起茬拾膜机构工作时将残膜 、根茬一起铲起 , 经输送带送入鼠笼式滚筒进行土茬分离 , 其工作可靠 、结构简单 、拾净率高[ 21 -23]。但是 , 实际田间试验过程中 , 机构在工作时 , 铲刀工作阻力较大 , 农村常用的 14. 7、13. 2kW 的拖拉机带动费力 , 根茬 、残膜存在漏起现象 , 而且起膜与膜土分离时扬尘比较严重 。0622016 年 10 月 农 机 化 研 究 第 10 期土壤的性能对起膜 、起茬及膜土分离有一定的影响 在沙壤土中 , 起膜 、起茬及膜土分离效果较好 ; 在黏土中起膜 、起茬及膜土分离效果较差 。同时 , 在集膜筐内 , 残膜与土壤和作物的根茬混合在一起 , 给残膜的再生带来了很大的困难 。收起的残膜与土及作物的根茬混合在一起 , 给残膜的再生利用带来很大困难 。图 8 为 1MC - 70 铲式起茬式拾膜机构田间试验效果 。图 8 1MC -70 铲式起茬式田间实验效果Fig.8 Field experiment map of picking - up parts withshovel about IMC -702.4 轮齿式拾膜机构轮齿式拾膜机构主要由滚轮与拾膜齿组成 , 如图9 所示 。工作时 , 轮齿式拾膜机构随拖拉机向前运动 ,拾膜机构的转向与地轮的转向相同 ; 起膜铲将地膜从土壤中铲起 , 轮齿式拾膜机构依靠收膜轮与地面的摩擦力将由起膜铲铲起的地膜收起 。1. 轮 2. 拾膜齿 3. 残膜 4. 土壤图 9 轮齿式拾膜机构示意图Fig.9 Sketch map of picking - up parts with idler wheel轮齿式拾膜机构具有结构简单及拾起的残膜相对较为清洁等优点 , 有利于残膜的回收利用 , 特别适宜捡拾高粱 、玉米等有硬茬地的秋后收膜 , 对厚度在0. 008mm 以上的标准地膜拾取效果较为理想 。但是 ,实际田间试验过程中由于轮齿式拾膜机构的滚筒半价固定 , 地膜在土中的深度不一 , 在拾膜时容易发生拾膜不均匀现象 ; 对于破损较为严重的碎膜捡拾效果不理想 ; 拖拉机行走过快时容易发生扯膜 。图 10 为4CM -140 轮齿式拾膜机构田间试验效果 。图 10 4CM -140 轮齿式拾膜机构田间试验效果Fig.10 Field experiment map of picking - up parts with idlerwheel about 4CM -402.5 齿链式拾膜机构齿链式拾膜机构主要由拾膜齿 、链轮及托膜板组成 , 如图 11 所示 。当输送链转动时 , 拾膜齿拾起由起膜铲托起的地膜 , 拾膜齿杆上的拾膜齿带动地膜沿输送链方向运动 , 完成收膜动作[ 24 -26]。1. 拾膜齿 2. 输送链轮 3. 残膜 4. 托膜板及集膜箱 5. 土壤图 11 齿链式拾膜机构示意图Fig.11 Sketch map of picking - up parts with chain and spring finger齿链式拾膜机构结构紧凑 、制造简单 、加工方便 ,不但可以用于苗期收膜 , 也可用于秋后收膜 。链齿式拾膜机构在布局方面也具有一定优势 , 由于其可控的挑膜角度及较长的输送行程 , 根据作业要求可以前置 、后置或者纵向设置 , 有利于整地复式作业 。但是 ,在实际田间试验过程中齿链式拾膜机构对碎膜的回收效果不甚理想 , 其拾膜齿无法抓取碎膜或碎膜在输送过程中掉落的现象时有发生 , 在结束残膜回收作业时小的残膜碎片在耕地里还是到处可见 , 回收效果不理想 ; 同时 , 容易将杂物带入拾膜机构 , 给膜杂分离带来困难 。图 12 为 DMJS - 1400 齿链式拾膜机构田间1622016 年 10 月 农 机 化 研 究 第 10 期试验效果 。图 12 DMJS -1400 齿链式田间试验效果Fig.12 Sketch map of picking - up parts with chain andspring finger about DMJS -1400总体来看 , 国内残膜回收机拾膜机构不够完善 ,普遍存在拾膜率较低 、故障率较高 、缠绕率较高 、含杂率较高 、仿形能力较差及对土壤性质要求较高等问题 。长期看来 , 大量的塑料薄膜还需要在农业上使用 。同时 , 地膜的使用数量也在不断增加 , 残膜污染问题越来越严重 。因此 , 拾膜率高 、故障率低 、缠绕率低 、含杂率低 、仿形能力好 、对土壤性质要求低的拾膜机构研发工作迫在眉睫 。3 展望1 推广使用可降解地膜 。几十年来 , 国内外的科技工作者们在可降解地膜方面开展了广泛的研究 , 希望用植物纤维地膜 、生物降解地膜 、光降解地膜及光 /生物双降解地膜来代替传统的塑料地膜 。但是 , 应用这些地膜会大大增加农民们耕作的成本 , 所以很少被农民们所使用 。因此 , 国家需要出台扶持政策来推广可降解地膜 。2 提高拾膜机构的机械自动化程度 。可以考虑在拾膜机构上应用液压与电子技术来控制拾膜齿的入土深度 , 运用液压控制技术及对拾膜机构各部件的电子监控技术将很大程度提升残膜回收机械的自动化水平 。3 研发复合作业的残膜回收机 。复合作业式残膜回收机的研发减少机具的进地次数和对作物及土壤结构的破坏及降低作业成本 , 从而提高残膜回收的经济效益 , 也有益于残膜回收机的普及和推广 。4 提高拾膜机构对碎膜的回收能力 。普通的拾膜机构对于完整性比较好的残膜和大块的残膜回收效果较好 , 对于碎膜回收效果较差 。对于小块碎膜的回收 , 可以采用铲筛式拾膜机构 , 筛面可以利用编织筛加锯齿条组合筛形式 , 锯齿条可以松破土 , 同时对碎膜有一定的输送能力 。锯齿条齿尖部分可以做成圆角形式 , 防止挂膜 。5 提高拾膜机构各个零部件的加工精度 , 规范加工工艺 。加工精度与加工工艺的提高可以有效地降低工作部件的表面粗糙度 , 防止因为毛刺而出现的缠绕问题 , 减少机器故障的发生 , 也可以提高脱模的顺畅性 。参考文献 [ 1] 游兆延 , 顾峰玮 , 吴峰 , 等 . 垄作花生残膜回收技术研究[ J] . 农机化研究 , 2016, 38 1 207 -211.[ 2] 侯书林 , 胡三媛 , 孔建铭 , 等 . 国内残膜回收机研究的现状[ J] . 农业工程学报 , 2002 3 186 -190.[ 3] 杨德秋 . 抖动链式残膜回收机起膜与集膜机构的研究[ D] . 北京 中国农业大学 , 2005.[ 4] Lamont, W. 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College of Engineering; b. Collaborative Innovation Center of Grain and Oil Crops inSouth China; c. Hunan Province Modern Agricultural Equipment Engineering Technology Research Center; d. OilseedsCrops Institute, Changsha 410128, ChinaAbstract In view of the problem that the harvest quality is not high, how to improve the cleaning effect is difficult andimportant. This paper reviewed the study status quo of cleaning equipments and technologies at home and abroad . Itshowed that the cleaning device of our country is complex , the cleaning effect is not good. The development should be to-ward simple and efficient , low consumption applicable comprehensively. The strategies, probing air cleaning mainly tostrengthen study the flow field , with the advanced design software for a reasonable combination of parameters , use Paretolaw to look optimum point of cleaning impurity rate and loss rate, application of intelligent measuring system in cleaningdevice, collaborative research to develop suitable cleaning device, were put forward.Key words small combine harvester; cleaning device; development strategies 上接第 262 页 [ 19] 董欣 , 那明君 , 杨晓丽 , 等 . 残膜回收机械化的探讨 [ J] .农机化研究 , 2001 2 26 -27.[ 20] 高德梅 . 残膜回收机械化现状及存在的问题 [ J] . 新疆农机化 , 2012 3 17 -20.[ 21] 谢建华 , 侯书林 , 刘英超 . 残膜清理回收机具的研究现状及存在的问题 [ J] . 中国农机化 , 2012 5 41 -44.[ 22] 高杰 . 残膜回收机发展现状及存在问题 [ J] . 新疆农机化 , 2007 4 18 -19.[ 23] 谢建华 . 垄作残膜捡拾及脱卸装置的研究 [ D] . 北京 中国农业大学 , 2014.[ 24] 王晓明 . 抖动链式残膜回收机传动系统与膜土分离机构的研究 [ D] . 北京 中国农业大学 , 2005.[ 25] 张磊 . 链条式薯类残膜回收机的设计 [ D] . 泰安 山东农业大学 , 2014.[ 26] 耿端阳 , 郭学团 . 地膜 /残膜回收技术 [ J] . 农机化研究 ,2009, 31 4 218 -221, 225.Abstract ID 1003 -188X 2016 10 -0258 -EAPresent Situation of Research and Expectation on Picking - up Mechanism ofPlastic Film CollectorsYan 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 Ministryof Agriculture, Nanjing 210014, ChinaAbstract Mechanism of picking - up plastic films was a key part of the plastic film collectors. The mechanism and qual-ity 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 pickup film agencies in China and abroad. The paper briefly introduced the six pick up membrane organization mechanism ofmembrane, pointed out its problems existing in the experimental process. Provide the relevant advice for the optimizationand improvement of the mechanism of plastic films in future.Key words the plastic film collectors; mechanism of picking - up plastic films; research status; prospect8622016 年 10 月 农 机 化 研 究 第 10 期/p

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