《Computers and Electronics in Agriculture》：Simulation design and experiment of Dual-Roller and Guide-Rail type residual film pickup mechanism
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残膜回收双滚轮导轨机构设计与优化。针对传统滚筒式设备缠绕率高、结构复杂、可靠性差的问题，提出双滚轮与导轨协同的残膜回收机构，通过运动学模型开发优化设计软件，结合三维建模和虚拟仿真验证机构运动轨迹，采用EDEM-ADAMS耦合仿真优化分离参数，最终研制原型机在7 km/h前进速度、45 rpm滚筒转速下实现92.26%回收率，0.836%缠绕率（低于行业标准2%），15.75%杂质含量，验证了高效可靠的工作性能。
周迈乐|杨世宇|王贵斌|陈学庚
江苏省镇江市江苏大学农业工程学院，212013，中国
摘要
塑料薄膜覆盖技术极大地促进了农业发展，但也导致了严重的残膜污染问题。由于成本低、效率高等原因，机械化回收残膜已成为主要的回收方法。现有的滚筒式残膜回收技术和设备存在结构复杂、薄膜容易缠绕在滚筒上以及运行可靠性差等问题。为了解决这些问题，本研究提出了一种双滚筒导轨式残膜回收机构。该机构采用双滚筒和导轨组成的连杆结构，替代了复杂的传动系统，从而实现了耙齿的周期性伸缩，从根本上避免了薄膜的缠绕。同时，通过使用旋转连接和滚动配合方式提高了传动的可靠性和运动学兼容性。基于建立的回收机构运动学模型，开发了优化设计软件，得出了该机构的一组最佳结构参数。在此基础上进行了三维建模和虚拟原型仿真，验证了理论分析的有效性。此外，通过EDEM-ADAMS联合仿真分析了薄膜捡拾和杂质分离过程，并相应优化了机构的运行参数。最终制造了残膜回收机构的原型并进行了现场测试。测试结果表明，当机器以7公里/小时的速度运行且滚筒转速为45转/分钟时，捡拾率达到92.26%，薄膜缠绕率仅为0.836%（远低于行业标准NY/T 1227–2019规定的2%限制），杂质含量为15.75%，显示出优异的运行性能和高工作效率。
引言
塑料薄膜覆盖技术具有提高土壤温度、增强水分保持能力、增加水分储存量和有效控制杂草等优点，显著提升了作物产量和农民收入，在干旱地区的农业发展中发挥着重要作用[Zhou等，2025；Hu等，2019]。自20世纪70年代以来，塑料薄膜覆盖技术得到了快速发展。然而，由于收集不及时或不足，导致土壤中积累了大量塑料残膜，引发了严重的“白色污染”[Yang等，2024；Wang等，2017]。残留在农田中的塑料薄膜会破坏土壤结构，影响水分和养分的传输效率，对作物生长产生不利影响。因此，这一问题已成为农业可持续发展的主要制约因素[Lv等，2026；Zhang等，2025；Huang等，2024a]。残膜污染主要通过人工收集、机械回收或可生物降解地膜进行管理[Brodhagen等，2017；Wang等，2022]。人工收集劳动强度大且效率低下，而可生物降解地膜成本较高且需要进一步研究[Huang等，2024b]。因此，机械回收已成为主流方法。
对于厚度为0.02毫米或以上的薄膜，其优异的拉伸强度和延展性使其可以通过滚动方式回收[Jiang等，2025；Picuno，2014]。然而，有些薄膜的厚度小于0.01毫米，无法满足缠绕要求，因此主要通过耙除、提升或穿刺等方法进行回收。根据回收组件的不同，残膜回收机构可分为耙齿型、齿链型、振动筛型和滚筒型等[Chen等，2020；Shi等，2017]。耙齿型残膜回收机构利用弹簧耙齿将薄膜耙起，虽然结构简单，但捡拾效率低且分离薄膜困难[Tian等，2018；Luo等，2017]。齿链型残膜回收机构利用输送链上的耙齿或弹簧齿捡拾薄膜，虽然捡拾效率高，但薄膜容易缠绕[You等，2017]。振动筛型残膜回收机构通过振动筛实现薄膜与土壤的分离，具有较好的土壤清洁效果，但薄膜输送能力差且能耗较高[Yan等，2017]。
滚筒式残膜回收机被广泛使用。大多数此类机器通过偏心凸轮或滑轨控制捡拾组件的伸缩以实现残膜回收，但存在结构复杂和薄膜容易缠绕在滚筒上的问题[Gou等，2024；Gao等，2025]。为了解决这些问题，设计了一种双滚筒导轨式残膜回收机构（DGPM）。与传统滚筒式回收机构相比，DGPM采用双滚筒和导轨来控制耙齿的周期性伸缩，简化了传动系统，并从根本上解决了薄膜缠绕问题。此外，关键部件采用旋转连接和滚动配合方式，有效提高了设备的运行稳定性和可靠性。
结构与工作原理
DGPM由回收组件、导轨和滚筒组成。回收组件包括双滚筒、摇臂和杆状耙齿。DGPM的工作原理如图1所示。动力通过滚筒的中心轴输入，驱动滚筒旋转。当回收组件随滚筒围绕中心轴完全旋转时，在双滚筒和导轨的共同作用下，摇臂进行往复运动，从而实现薄膜的捡拾。
捡拾轨迹分析
通过虚拟原型仿真和优化设计软件得到的轨迹进行了比较（图6）。图6(a)显示了仿真得到的轨迹，图6(b)展示了虚拟原型仿真得到的轨迹。对比结果显示，虚拟原型仿真得到的相对运动轨迹与理论模型构建的运动轨迹高度一致，最大偏差仅为0.3毫米。
结论
1. 提出了一种双滚筒导轨式残膜回收机构。该机构利用双滚筒沿导轨滑动，驱动耙齿从滚筒上伸出或收回。由于其结构简单，可以有效解决传统滚筒式回收机构存在的薄膜缠绕和可靠性差的问题。
2. 基于建立的运动学模型，开发了优化设计软件，并得出了满足要求的结构参数。
作者贡献声明
周迈乐：撰写 – 审稿与编辑、监督、方法论、资金获取、概念构思。杨世宇：撰写 – 原稿撰写、软件开发、方法论、数据分析。王贵斌：撰写 – 审稿与编辑、概念构思。陈学庚：撰写 – 审稿与编辑、监督、概念构思。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
