在全膜双垄沟中，利用DEM-MBD耦合方法对残留膜回收机的膜拾取装置进行了仿真与实验研究

《Industrial Crops and Products》：Simulation and experiment on the film-picking device of residual film recovery machine in the full-film double-ridge furrow using DEM-MBD coupling

　　潘海富|戴飞|赵五云|张世林|史瑞杰|宋学峰|周恒山|王峰|陈娟
甘肃农业大学机电工程学院，兰州730070，中国

**摘要**
塑料薄膜覆盖技术，尤其是全膜双垄沟种植技术，已被广泛采用作为一种有效的抗旱措施，以缓解中国西北部雨养农业区的水资源短缺问题。覆盖后残留塑料薄膜的不完全回收会干扰土壤水分和养分的传输，以及作物根系的发育。本研究利用离散元方法（DEM）建立了土壤垄和塑料薄膜的模型，并通过DEM-MBD耦合模拟分析了四种不同薄膜回收装置在土壤扰动和残留薄膜回收方面的性能。结果表明，薄膜回收装置的最佳运行速度为1.5米/秒（15转/秒）。在这种条件下，T1配置（锥形薄膜回收齿排列）产生的平均颗粒速度为0.132米/秒，断裂率为23.90%，对垄的变形影响最小，土壤扰动也最小。T3配置（锥形薄膜回收齿间隔排列）表现出最低且最稳定的平均颗粒速度、最高的薄膜展开程度、最低的杂质含量以及最小的薄膜损坏，断裂率为3.69%。此外，该模型还显示出最低的峰值压力和压缩力，证明了其优越的操作稳定性和可靠性。因此，在旋转齿全膜双垄残留薄膜机中加入锥形薄膜回收齿可以提高残留薄膜的回收率和机器的稳定性，确保高效且有效地回收残留薄膜。

**1. 引言**
塑料薄膜覆盖在农业生产中得到广泛应用，是与农药、化肥和改良种子一起提高作物产量的关键方法。全膜双垄沟种植技术在中国西北部干旱地区被广泛采用，作为一种有效的抗旱技术。该方法结合了薄膜覆盖以限制蒸发、垄和沟内的雨水收集以及垄沟耕作，为抗旱提供了综合解决方案（Dai et al., 2021, Dai et al., 2019, Zhang et al., 2020, Shi et al., 2022）。与传统覆盖方式相比，该技术可使作物产量提高近30%，同时防止地下水过度消耗和土壤中干层的形成（Pan et al., 2022, Zhou et al., 2025）。

随着塑料薄膜覆盖在农业生产中的普遍应用，作物收获后田间残留薄膜的积累日益严重，导致土壤和环境污染。残留塑料薄膜对土壤渗透性、保水性及渗透性产生不利影响，阻碍水分和养分的移动，增加土壤压实度，最终抑制作物根系的生长和发育（Li et al., 2012, Wang et al., 2017, Wang et al., 2017），从而直接影响作物生长和产量。Gu等人（2024）研究了残留薄膜对土壤物理化学性质和根系生长的影响，发现残留薄膜使作物产量平均减少了13.46%，水分利用效率降低了9.21%。此外，每平方米土壤中残留薄膜量每增加1000公斤，作物产量约减少14%，表明残留薄膜污染对中国西北部干旱地区的可持续农业生产构成了严重威胁。目前，残留薄膜回收机主要分为三种类型：育苗期回收机、收获后回收机和播种前回收机（Hu et al., 2013）。现有回收设备主要集中在收获后和播种前操作，研究重点包括弹簧齿型、滚筒型、链型和振动筛型残留薄膜回收机。

弹簧齿残留薄膜回收机结构简单，但回收率和塑料薄膜与杂质的分离效率较低。Wang等人（2017, Wang et al., 2017）设计了轮廓地面轮以适应地形，并配备调节手柄机制来控制弹簧齿的插入深度。Shi等人（2017）为耙齿残留薄膜回收机开发了自动薄膜释放机制，采用了反向V形刮板。Kang等人（2018）将回收齿固定在薄膜输送链耙上，创造了移动式薄膜提升机构（Kang et al., 2018）。链型残留薄膜回收机虽具有较高的薄膜回收率，但容易发生薄膜回收齿和输送链缠绕。Wang等人设计了使用薄膜刮刀进行提升、抛射滚筒刀进行卸料的残留薄膜回收机，解决了薄膜缠绕和卸料困难的问题（Wang et al., 2018）。振动筛型残留薄膜回收机主要用于回收碎裂或嵌入耕作层中的薄膜。虽然回收效率高，但杂质含量较高且能耗较大。Yan等人优化了铲筛式残留薄膜回收机的设计，分析了振动频率和齿板间距对薄膜缠绕和土壤含量的影响，并进行了相应的改进（Yan et al., 2017）。滚筒型残留薄膜回收机的薄膜提升部件通常由偏心机制或凸轮部件组成，结合伸缩杆齿，确保了薄膜提升的可靠性并解决了部件缠绕问题。Zhang等人设计了旋转齿盘式土壤层残留薄膜回收机，核心部件为旋转齿薄膜提升装置和薄膜释放装置（Zhang, 2018）。Wang等人设计了玉米全膜双垄沟残留薄膜回收机，其薄膜提升单元具有跟随地形的功能，解决了根部残茬被提升、土壤堆积和堵塞等问题。现有研究中关于旋转齿残留薄膜回收机的研究较少（Wang et al., 2021）。

近年来，现代农业设备的数字化设计成为农业工程领域的重点研究方向之一，特别是离散元方法（DEM）的应用，这是一种基于不连续性假设的计算机数值模拟方法（Zeng et al., 2021, Zhang et al., 2023）。目前，关于使用DEM进行残留薄膜回收的研究相对较少。Guo Wensong等人基于DEM构建了虚拟塑料薄膜模型，并模拟了其物理和机械性能（Guo et al., 2020）。Jin Wei等人基于EDEM-Fluent耦合方法进行了残留薄膜和杂质悬浮分离的模拟和实验（Jin et al., 2022）。Wang Feng等人使用EDEM对典型薄膜提升部件的薄膜回收性能进行了模拟分析（Wang et al., 2023）。Zhou Pengfei等人根据EDEM校准了筛选后残留薄膜混合物的颗粒接触参数（Zhou et al., 2023）。Fang等人利用DEM-MBD耦合技术研究了链型土壤层残留薄膜回收机的薄膜提升装置的土壤扰动和设备优化（Fang et al., 2024）。Huang等人使用EDEM和Rocky的土壤抛射机制机械模型优化了犁层残留薄膜回收机的薄膜提升装置参数（Huang et al., 2024）。在上述建模和模拟研究中，很少进行大面积塑料薄膜的建模和模拟，现有建模方法无法满足全膜双垄沟种植技术的农艺要求。然而，大多数现有研究仅初步建立了残留薄膜的离散元模型和留在耕作层中的残留薄膜模型，且建立的薄膜离散元模型规模较小（Shen et al., 2026, Fang et al., 2024, Fang et al., 2025, Huang et al., 2024）。很少有研究为覆盖在土壤表面的大块塑料薄膜建立离散元模型。尽管Zhou等人（2026）使用EDEM-ADAMS耦合模拟分析了不同前进速度和滚筒转速下的回收性能并优化了操作参数，但该模型是针对平地种植建立的。很少有研究为全膜双垄沟种植这种特殊的农艺实践建立离散元模型，以研究薄膜、土壤和机械之间的相互作用机制。

在前期学者工作的基础上，本研究采用DEM-MBD耦合方法，以玉米全膜双垄沟种植技术为背景，以土壤和残留薄膜为主要研究对象，分析和研究薄膜提升装置、残留薄膜和土壤之间的相互作用机制。将建立土壤垄-塑料薄膜-旋转齿薄膜提升组件系统的模型，以研究旋转齿组件的薄膜提升过程。将探讨不同薄膜提升齿几何形状和空间排列对土壤扰动和薄膜提升效率的影响，并比较薄膜提升齿在工作过程中的应力分布。此外，还将进行田间实验，以优化组件的结构参数，为残留塑料薄膜的机械化回收提供理论参考。

**2. 材料与方法**
**2.1. 全膜双垄种植的农艺要求**
根据全膜双垄种植技术的农艺要求，大垄宽700毫米，高度在100至150毫米之间；小垄宽400毫米，高度在150至200毫米之间。用于覆盖垄表面的塑料薄膜为1200毫米宽的聚乙烯（PE）薄膜。在大垄中心及垄沟内，通过施用和压实土壤来固定薄膜（Song et al., 2023, Zhang et al., 2020, Dai et al., 2024）。一个种植周期后，大垄和小垄的高度都会从其原始尺寸减小，如图1所示。然而，玉米根部残茬和秸秆残余物仍留在垄沟和垄面上，这会降低残留薄膜的回收率，并增加残留薄膜中的杂质含量。

**图1. 收获前后全膜双垄沟的农艺特征示意图。**
**图2. 土壤垄-薄膜离散元模型。a. 土壤垄离散元模型；b. 塑料薄膜离散元模型。**

**2.2. 仿真模型的建立**
为了简化模型并缩短仿真时间，仅考虑了机械、PE塑料薄膜和土壤之间的相互作用。塑料薄膜和土壤的材料参数来自相关文献（Jin et al., 2022, Wang et al., 2023），见表1。

| 材料参数 | 数值 |
|---------|------|
| 水分含量（%） | 11～15 |
| 密度（kg/m3） | 2600 |
| 泊松比 | 0.3 |
| 剪切模量（Pa） | 5.0×10? |
| PE薄膜密度（kg/m3） | 930～950 |
| 泊松比 | 0.41 |
| 剪切模量（Pa） | 5.5～8.65×10? |

在建立全膜双垄土壤垄和塑料薄膜的模型时，首先在SolidWorks中开发了土壤垄和塑料薄膜的三维模型，然后导入ANSYS Workbench进行网格划分，最后在EDEM中进行快速颗粒填充。为了模拟塑料薄膜的灵活变形和破碎，采用了Hertz-Mindlin带粘合模型来约束颗粒的运动和粘合力，从而表征其性能。为了简化模型并减少计算量，将土壤颗粒的半径设为5毫米，土壤垄模型的尺寸为1100×1000×380毫米。塑料薄膜颗粒的半径设为1毫米（单层颗粒）。土壤垄与塑料薄膜之间的接触参数见表2。

| 项目 | 值 |
|---------|-----|
| 土壤接触参数 | |
| 静摩擦 | 0.68 |
| 动摩擦系数 | 0.27 |
| 恢复系数 | 0.21 |
| 土壤粘合参数 | |
| 粘合刚度（N/m3） | 5.0×10? |
| 粘合临界应力（Pa） | 3.0×10? |
| 粘合半径（mm） | 6 |
| PE薄膜粘合参数 | |
| 粘合刚度（N/m3） | 3.12×10? |
| 粘合临界应力（Pa） | 7.25×10? |
| 粘合半径（mm） | 1.5 |

**2.3. 残留薄膜回收机的结构和工作原理**
旋转齿残留薄膜回收机设计为在一次操作中完成多个功能，包括薄膜提升、运输、滚动和卸料。该机器主要由旋转齿膜提升装置、膜输送链、膜滚动辊和液压自动卸载系统组成。整个机器的3D模型在SolidWorks中按1:1的比例创建，如图3所示。机器的总体尺寸为长度2100毫米，宽度1200毫米，高度1350毫米。下载：下载高分辨率图片（167KB）下载：下载全尺寸图片图3. 旋转齿全膜双垄残膜收割器。在残膜回收过程中，膜收割装置是影响回收效率和杂质含量的关键组件。为了防止膜缠绕并实现自动膜分离，旋转齿膜收割装置是根据偏置颗粒调节轮的结构设计的，确保每个收割齿在整个操作过程中保持垂直方向。该装置主要由收割齿梁轴、收割齿、支撑盘、活动盘、固定盘、摇臂和收割齿轴等部件组成，如图4所示。支撑盘和活动盘构成一个四杆连杆机构。在操作过程中，支撑盘不仅旋转，还随着活动盘的运动在平行于平面的方向上平移，从而保持收割齿始终垂直向下。这种结构设计在提升过程中最小化了对地面膜的损坏，并有效防止了膜缠绕或粘附在收割齿上。下载：下载高分辨率图片（81KB）下载：下载全尺寸图片图4. 旋转齿膜收割器的示意图。在操作过程中，膜收割装置的运动是由于全膜双垄残膜回收机器的前进运动与膜收割装置本身的旋转相结合造成的。如图5所示，通过将收割齿尖端到地面的水平距离（R）作为坐标原点来分析收割齿尖端的运动路径。x轴代表回收机器的前进方向，而y轴垂直于x轴并通过原点。收割齿从一个给定点开始移动，其轨迹与圆路径相切。膜收割装置上任意一点的轨迹方程可以表示为：(1){x=Vmt+Rcosωt=y=R+h?Rsinωt}其中，Vm是残膜回收机器的前进速度，单位m/s；R是膜收割装置的半径，单位m；ω是膜收割装置的角速度，单位rad/s；h是收割齿的向上位移，单位m；t是膜收割装置的操作时间，单位s。下载：下载高分辨率图片（61KB）下载：下载全尺寸图片图5. 收割齿的轨迹图。通过对方程(1)求导，可以得到膜收割装置的水平速度和垂直速度，如方程(2)所示。(2){Vx=dx/dt=Vm?Rωsinωt Vy=dy/dt=?Rωcosωt}设Vb表示膜收割装置的切向速度，Vm表示残膜回收机器的前进速度。然后使用方程(3)计算膜收割装置的速度比λ。(3)λ=Vb/Vm=Rω/Vm膜收割装置上任意一点的运动轨迹受速度比λ的控制。根据偏置颗粒调节轮的设计原理，λ应大于1，在这种情况下，轨迹呈现摆线形状。为了确定膜收割装置的旋转速度，假设机器的前进速度为1.5 m/s。旋转速度对膜收割性能至关重要：如果旋转速度过高，地面膜容易撕裂，导致能耗增加和机械磨损加剧；相反，如果旋转速度过低，虽然能耗和机器磨损都会减少，但施加在地面膜上的惯性力不足以有效提升膜，导致膜遗漏。因此，必须仔细设计膜收割装置的旋转速度，以避免膜撕裂和泄漏。收割齿是膜收割装置中的关键工作元件，其几何形状直接影响膜的回收效率和土壤穿透性能。目前，收割齿通常采用标准圆锥形配置。在操作过程中，齿首先穿透土壤，然后旋转到最低位置，随后开始提升地面膜。收割齿的受力分析如图6所示。当收割齿进入土壤时，其运动可以分解为水平向右的分量和垂直向下的分量，产生垂直的土壤阻力F2和水平阻力F1，合力表示为F。当收割齿离开土壤时，其速度可以分解为水平向右的分量和垂直向上的分量。在提升过程中，它受到水平阻力F3和土壤施加的摩擦力F4的作用。下载：下载高分辨率图片（273KB）下载：下载全尺寸图片图6. 收割齿在土壤穿透阶段和离开土壤阶段的受力分析。收割齿的长度是另一个影响膜回收性能的关键参数。如果收割齿太短，它无法从垄沟中提起膜，导致膜遗漏；相反，过长的齿会造成较大的土壤扰动并增加能耗。根据全膜双垄耕作的农艺要求，小垄高度为150–200毫米，大垄高度为100–150毫米。一个生长季节后，由于人为踩踏和田间机械的压实，收获时垄的高度通常会降低到100毫米以下。因此，收割齿的长度应至少设计为100毫米。在本研究中，长度定为120毫米。收割齿是一个易磨损的部分，为了便于更换和安装，收割齿的一端带有螺纹，并用螺栓固定在收割齿梁轴上。收割齿之间的间距是影响膜回收性能的关键参数。间距过大可能导致膜泄漏，降低回收效率；而间距过小则会导致作物秸秆与土壤相互作用，造成堵塞，从而影响回收率和杂质含量。根据全膜双垄耕作的农艺要求，小垄宽度为300毫米，大垄宽度为700毫米。在膜安装过程中，小垄在两侧对称中心对齐，两张膜片的接合处对应于大垄表面的中心。为了便于提升膜，在两个垄沟上都布置了收割齿。相邻齿之间的间距定为150毫米， resulting in a工作宽度为1200毫米，每排有七个均匀分布的收割齿。膜收割装置的直径影响机器的总体尺寸和膜输送系统的安装位置。如果直径太小，收割齿和收割齿轴之间可能会发生干涉。膜收割装置的直径应满足以下条件，如图7所示：(4)D≥2(a+l+r+10)其中，D是膜收割装置的直径，单位mm；a是收割齿梁轴的厚度，单位mm；r是收割齿轴的半径，单位mm。下载：下载高分辨率图片（66KB）下载：下载全尺寸图片图7. 膜收割装置直径的示意图。3. 仿真结果3.1. 模型开发通过选择不同形状的收割齿（圆锥形、尖爪形）和不同的收割齿排列方式（对齐排列、间隔排列），创建的模型被导入Recurdyn多体动力学仿真软件中。在Recurdyn中，为膜收割组件模型添加约束和运动参数，然后将其导入包含全膜双垄垄沟苗床模型的EDEM仿真软件中。打开耦合接口以实现EDEM-RecurDyn耦合仿真。根据收割齿的不同形状及其在收割齿梁轴上的排列方式，定义了四种不同的模型，如图8所示：圆锥形齿对齐排列（膜收割装置T1）、尖爪形齿对齐排列（膜收割装置T2）、圆锥形齿间隔排列（膜收割装置T3）和尖爪形齿间隔排列（膜收割装置T4）。下载：下载高分辨率图片（161KB）下载：下载全尺寸图片图8. 膜收割装置模型。a. T1装置 b. T2装置 c. T3装置 d. T4装置。在本研究中，为了优化膜收割装置、减少收割阻力并提高膜回收性能，主要使用了两种类型的收割齿：标准圆锥形收割齿和尖爪形收割齿。这两种收割齿在收割齿梁轴上的排列方式可以是対齐排列或间隔排列。膜收割装置的旋转速度决定了膜回收的质量。旋转速度过快或过慢都会影响膜回收质量，如图9所示。为了防止膜撕裂和泄漏，简化后的旋转齿膜收割装置模型被导入Recurdyn软件中。根据机器的操作要求，将机器的前进速度设置为1.5 m/s，旋转速度分别设置为8 r/s、15 r/s和20 r/s。仿真结果如图10所示。下载：下载高分辨率图片（327KB）下载：下载全尺寸图片图9. 膜收割旋转速度对回收性能的影响。下载：下载高分辨率图片（48KB）下载：下载全尺寸图片图10. 不同速度下收割齿尖端的轨迹。a. 8 r/s；b. 15 r/s；c. 20 r/s。根据上述结果，当旋转速度为15 r/s时，收割齿尖端的运动轨迹呈现摆线形状，从而获得最佳的膜回收性能并满足设计要求。3.2. 土壤垄扰动分析膜收割装置对垄形状的破坏越严重，土壤扰动越大，这不利于土壤水分保持和下一季作物的种植。为了研究不同收割齿及其排列方式对土壤垄的影响，将简化模型导入Recurdyn软件中。添加运动参数后，使用EDEM-Recurdyn软件对无塑料膜的全膜双垄垄沟土壤垄模型进行仿真。仿真的初始位置将模型放置在土壤垄的左侧，前进速度为1.5 m/s，旋转速度为15 r/s。小垄的中心与膜收割装置的中心对齐，如图11所示，其中a代表T1仿真模型，b代表T2仿真模型，c代表T3仿真模型，d代表T4仿真模型。下载：下载高分辨率图片（349KB）下载：下载全尺寸图片图11. 膜收割装置模型与全膜双垄垄沟土壤垄模型的相互作用模型。a. T1装置 b. T2装置 c. T3装置 d. T4装置。经过EDEM-RecurDyn软件耦合仿真和后处理后，对无塑料膜的土壤垄的垄形状损伤进行了分析，仿真过程如图13所示。为了便于观察垄形状，沿XZ平面将以100毫米的厚度切分垄形状，如图12所示。对土壤垄模型的截面进行灰度处理后，提取了垄模型截面的轮廓。从垄形状损伤分析来看，在T1和T2模型运动后，土壤垄的总体形状保持完整，只是中间部分被分割。然而，与T2相比，T1装置运动后的垄完整性更好，土壤垄的损伤较小。特别是对于T1装置，小垄在运动后基本保持完整。而在T3和T4模型运动后，土壤垄的形状完全被破坏。可以看出，与两种对齐排列的装置相比，两种间隔排列的膜收割装置对土壤垄形状的损伤更大。对齐排列的薄膜拾取装置对土垄形状的损害较小，而锥形薄膜拾取装置的损害也比尖爪形薄膜拾取装置要小。下载：下载高分辨率图片（407KB）下载：下载全尺寸图片

图12. 薄膜拾取装置运动后土垄模型的横截面。a. T1装置 b. T2装置 c. T3装置 d. T4装置（虚线表示土垄的原始形状轨迹）。

下载：下载高分辨率图片（372KB）下载：下载全尺寸图片

图13. 未使用塑料薄膜覆盖时的土壤扰动测试过程。

3.3. 土壤扰动分析
3.3.1. 土壤颗粒平均速度
土壤颗粒的平均速度是反映薄膜拾取装置对土垄和土壤扰动程度的一个重要参数。颗粒速度越小，对土壤的扰动就越小；相反，速度越大，扰动就越大。EDEM-Recurdyn耦合模拟结果显示在图14中。当四种薄膜拾取装置运动到大约0.4秒时，土壤颗粒的速度达到最大值。在0.4秒时，T4装置的土壤颗粒平均速度为0.361米/秒，分别比T3、T2和T1装置的最大速度快37.2%、54.4%和63.5%。T4装置造成的土壤扰动最大，而T1装置造成的扰动最小。T2和T4装置的最大平均颗粒速度高于T1和T3装置，锥形薄膜拾取装置的土壤扰动也比尖爪形薄膜拾取装置小。下载：下载高分辨率图片（111KB）下载：下载全尺寸图片

图14. 土壤颗粒平均速度。

薄膜拾取过程中薄膜拾取齿的运动通常可以分为两个阶段：一是插入土壤，二是拾起薄膜，如图15所示。薄膜拾取装置对土壤的扰动也发生在这两个阶段。耦合模拟后，模型被切片如图16所示。在0.1-0.6秒的时间内，土壤颗粒的最大速度主要发生在两种情况下：首先，当薄膜拾取齿插入土壤时，靠近齿的土壤颗粒速度最高；其次，当薄膜拾取齿提起薄膜时，土壤颗粒堆积并随齿的运动向上飞起。土壤颗粒的最大速度与平均颗粒速度的模式相似。T4装置运动时的最大颗粒速度最高，为8.44米/秒，而T1装置运动时的最大颗粒速度最低，为7.88米/秒。对于尖爪形薄膜拾取齿，两种排列方式下的最大颗粒速度都高于锥形薄膜拾取齿。由于土壤颗粒在薄膜拾取齿前方的堆积，有助于薄膜拾取装置从沟底提起薄膜，减少了薄膜拾取装置与薄膜之间的直接接触，从而降低了薄膜的损坏率。下载：下载高分辨率图片（42KB）下载：下载全尺寸图片

图15. 薄膜拾取过程轨迹示意图。

下载：下载高分辨率图片（609KB）下载：下载全尺寸图片

图16. 不同薄膜拾取齿排列方式下的土壤颗粒速度分布。a. T1装置 b. T2装置 c. T3装置 d. T4装置。

3.3.2. 土壤结合力断裂分析
土壤颗粒通过结合链接相互连接，共生成了1,322,872个结合链接。不同薄膜拾取装置运动后，结合链接的断裂数量有所不同。断裂的结合链接越多，对土壤的扰动就越大，如图17所示。T3和T4装置运动后，分别有410,479个和453,598个结合链接断裂，断裂率分别为31.03%和34.29%。T1和T2装置运动后，分别有316,160个和347,405个结合链接断裂，断裂率分别为23.90%和26.26%。对于两种锥形薄膜拾取齿的排列方式，断裂的结合链接数量都少于尖爪形薄膜拾取齿的两种排列方式。其中，T1装置断裂的结合链接数量最少，对土垄模型的损害最小，扰动也最小。下载：下载高分辨率图片（193KB）下载：下载全尺寸图片

图17. 土垄结合链接断裂示意图。

3.4. 薄膜拾取状态分析
在残膜回收机的设计中，薄膜拾取装置是关键组件之一，其回收效果取决于该装置的工作性能。如图18所示，一层薄膜被铺设在土垄表面，通过第2.4节的分析发现，薄膜拾取装置不会扰动深层的土壤颗粒。为了加快模拟速度，在EDEM中减少了土垄模型的厚度，从而减少了颗粒数量和颗粒之间的结合链接数量。然后使用EDEM-Recurdyn耦合模拟不同形状和排列方式的薄膜拾取装置，研究其对薄膜拾取性能的影响。下载：下载高分辨率图片（485KB）下载：下载全尺寸图片

图18. 覆有薄膜的试验场和土垄模型。

薄膜拾取装置在运行过程中的运动是复合运动，包括薄膜拾取装置的旋转运动和残膜回收机器的前进运动。如图19所示，薄膜拾取装置的水平速度分量从v1逐渐减小到v3，而垂直速度分量从v1逐渐增加到v3。在薄膜拾取装置中，薄膜拾取齿始终保持垂直位置。当薄膜拾取齿首次接触薄膜时，如图20所示，其运动可以分解为向右的水平运动和向上的垂直运动。薄膜拾取齿接触薄膜颗粒后，对薄膜颗粒的作用力分析如图21a所示。薄膜拾取齿通过水平运动对薄膜产生惯性力F5，这导致薄膜颗粒与薄膜拾取齿之间存在摩擦力F6。这种摩擦力的方向与重力mg相反，合力方向为F"，导致薄膜颗粒的速度如图21b所示。薄膜颗粒的速度为v'，可以分解为水平分量v4和垂直分量v5，虚线表示薄膜颗粒的轨迹。下载：下载高分辨率图片（51KB）下载：下载全尺寸图片

图19. 薄膜拾取装置的速度分解。

下载：下载高分辨率图片（308KB）下载：下载全尺寸图片

图20. 塑料薄膜的应力状态图。

下载：下载高分辨率图片（62KB）下载：下载全尺寸图片

图21. 薄膜拾取齿接触薄膜颗粒后的作用力分析。

通过四个模型的模拟，结果如图22和图23所示。薄膜拾取装置在0秒时开始拾膜过程，到0.4秒时几乎完成了整个拾膜过程。如图22所示，分析了整个拾膜过程中薄膜颗粒的平均速度。薄膜拾取装置的旋转速度和前进速度相同，不同的薄膜拾取齿及其排列方式对薄膜颗粒的速度有显著影响。从薄膜拾取装置首次接触薄膜的0秒开始，薄膜颗粒的平均速度逐渐增加，在0.3秒左右达到最大值，然后逐渐减小。在整个过程中，T3和T4装置的薄膜颗粒平均速度小于T1和T2装置。在所有四种装置中，T3装置的薄膜颗粒平均速度最小，且速度最稳定。下载：下载高分辨率图片（97KB）下载：下载全尺寸图片

图22. 薄膜拾取过程中的薄膜颗粒平均速度。

下载：下载高分辨率图片（311KB）下载：下载全尺寸图片

图23. 四种装置拾膜过程中薄膜颗粒的速度分布。a. T1装置 b. T2装置 c. T3装置 d. T4装置。

如图22所示，由于薄膜拾取齿的结构特点，T2和T4装置的薄膜拾取齿尖端向前弯曲，使得拾膜更加容易。从薄膜拾取装置接触薄膜的那一刻到0.2秒，这两种装置的薄膜颗粒平均速度大于T1和T3装置。在0.2秒左右，除了T3装置外，其他三种装置的薄膜颗粒平均速度大致相同。在0.3秒左右达到最大平均速度后，T1和T3装置的薄膜颗粒平均速度迅速下降，而T2和T4装置的下降速度较慢。薄膜颗粒的平均速度越大，拾膜性能越好。然而，对薄膜的冲击越大，薄膜撕裂的可能性也越大，导致留在表面的薄膜碎片增多，从而降低薄膜回收率。因此，T3装置的拾膜性能相对较好。此外，图24显示了薄膜拾取齿的间距排列与垄形以及全膜双垄沟中的作物残茬之间的位置关系，这有助于巧妙地避开残茬并提起沟中被硬化土块覆盖的残膜。下载：下载高分辨率图片（74KB）下载：下载全尺寸图片

图24. 薄膜拾取装置与垄之间的位置关系示意图。

3.5. 薄膜损坏分析
作物收获后，薄膜的机械性能会减弱。在拾膜过程中，薄膜拾取装置的移动部件会直接接触薄膜，造成一定的损坏，如图25所示。薄膜颗粒通过粘合链接连接在一起，总共形成了1,990,672个粘合链接。薄膜拾取装置的结构影响薄膜损坏的程度。断裂的粘合链接越多，薄膜损坏越严重。T3和T4装置运动后，分别有73,445个和73,089个粘合链接断裂，断裂率分别为3.69%和3.67%。T1和T2装置运动后，分别有77,917个和76,375个粘合链接断裂，断裂率分别为3.91%和3.84%。数据显示，T4装置对薄膜的损坏最小，而T1装置造成的损坏最大。这是因为T4装置的排列方式使得拾膜性能较弱，每个拾取齿都会与薄膜接触，导致更大的损坏。然而，爪形薄膜拾取装置具有特殊的尖锐形状，使其拾膜性能更好，对薄膜的损坏更小。下载：下载高分辨率图片（361KB）下载：下载全尺寸图片

图25. 拾膜过程中的薄膜损坏情况。

不同的薄膜拾取装置具有不同的拾膜性能，这也影响了薄膜被拾起的高度。当装置以相同的旋转速度和前进速度运动时，拾膜性能越好，薄膜被拾起的高度越高，从而更容易将其输送到传送链上。在EDEM后处理过程中，选择了薄膜最左边缘的颗粒，如图26所示。沿着薄膜边缘、沟渠和小垄顶部（图中黑色圈出的区域），每10个颗粒选取一个颗粒。在其他位置，每20个颗粒选取一个颗粒。提取出这些颗粒的轨迹，如图27所示。薄膜边缘的颗粒轨迹可以代表薄膜边缘的运动轨迹。模拟结果显示，每个薄膜拾取装置捕获的薄膜轨迹大致相似：首先被拾起，薄膜达到最高点，然后缓慢下落。使用EDEM后处理中的“尺子”工具，提取了四组模拟结果中粒子轨迹的最高点。图中的坐标显示，Z方向坐标的差异代表了薄膜被拾起的高度。T2装置将薄膜拾起到582毫米的高度，而T3装置将薄膜拾起到530毫米的高度。然而，分析粒子轨迹的整体形状后发现，T2装置的粒子轨迹最为分散。Juan Chen：概念化设计。
Feng Wang：调研与概念化工作。
Hengshan Zhou：方法论制定及数据整理。
Xuefeng Song：数据可视化处理、验证工作以及相关软件的开发。
Ruijie Shi：方法论制定及数据整理工作。