我國殘膜撿拾機(jī)構(gòu)研究現(xiàn)狀與非壟向研究展望

姜曼 張亞新 王勐 董鴻飛

摘 要：為解決殘膜回收問題，我國科研人員設(shè)計了200余種殘膜撿拾機(jī)構(gòu)。撿拾機(jī)構(gòu)是殘膜撿拾機(jī)的核心部件，其機(jī)理形式和操作質(zhì)量對提高殘膜回收率起著重要作用。本文分析了國內(nèi)外殘膜回收機(jī)殘膜收集機(jī)構(gòu)的發(fā)展現(xiàn)狀，將撿拾機(jī)構(gòu)分為機(jī)械式和非機(jī)械式，對機(jī)械式殘膜撿拾機(jī)構(gòu)中典型機(jī)構(gòu)纏繞式、夾指帶式、伸縮桿式、彈齒式、輪齒式和滾筒式的結(jié)構(gòu)、工作原理和應(yīng)用進(jìn)行比對分析;介紹了負(fù)壓式和靜電吸附式兩種非機(jī)械式殘膜撿拾機(jī)構(gòu)，并提出長時間鋪設(shè)的地膜其沿非壟作方向的拉伸載荷強(qiáng)度與斷裂標(biāo)稱應(yīng)變皆高于壟作方向，因此非壟作方向的殘膜撿拾機(jī)將成為殘膜撿拾機(jī)的重要研究方向。本研究為今后薄膜收集機(jī)制的優(yōu)化和改進(jìn)提供了相關(guān)建議。

關(guān)鍵詞：殘膜撿拾;典型機(jī)構(gòu);非壟向

中圖分類號：TH12;S223.5? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? 文章編號：1673-260X（2022）02-0017-05

1 引言

隨著地膜覆蓋技術(shù)的廣泛應(yīng)用，地膜殘留造成的“白色污染”問題越來越嚴(yán)重。我國地膜使用量占世界總量的90%以上，但殘膜回收率不足60%[1-3]。耕作土壤中大量殘留的地膜阻礙了作物根系的水肥流動，惡化了土壤結(jié)構(gòu)，影響種子發(fā)芽和根系生長。殘膜容易混入飼料中，造成大量牲畜因誤食而生病或死亡[4-7]。不僅如此，殘膜對耕種機(jī)具的使用也有較大的影響。一方面，殘膜阻礙農(nóng)用機(jī)具的前進(jìn)，導(dǎo)致農(nóng)機(jī)具的功耗增大。另一方面，殘膜容易纏繞在田間作業(yè)機(jī)械的零部件上，使農(nóng)用機(jī)具頻繁停車清理。這些影響大大降低了農(nóng)機(jī)的作業(yè)效率[8-12]。

現(xiàn)階段國內(nèi)外使用的覆蓋地膜主要是聚乙烯材料制成的普通地膜和可降解地膜[13]?？山到獾啬ひ蛄W(xué)性能差、造價高以及降解條件難以控制等原因，在技術(shù)瓶頸突破前很難大范圍推廣[14-18]。聚乙烯材料制成的地膜在一定時期內(nèi)將會長期大范圍使用，但這種地膜在自然條件下分解需要200～400年[19，20]。如果殘膜得不到有效治理，不僅對國家的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略有一定的阻礙作用，還將影響我國農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，給國家農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來不必要的損失。

目前殘膜撿拾采用的主要方法是人工回收和機(jī)械回收。人工回收殘膜通過撿拾或簡單工具回收殘膜，這種方法撿拾殘膜需要大量的人力資源，勞動強(qiáng)度高，回收成本高，工作環(huán)境差，效率低，而且只能提取地表殘膜。機(jī)械化回收殘膜主要通過機(jī)械自動化方法使殘膜從地表或田地土層下部鉤掛起，并輸送至殘膜回收箱，減輕了農(nóng)民的勞動強(qiáng)度，大大增加了撿拾效率，因此機(jī)械化殘膜撿拾是解決殘膜污染問題的有效途徑。

歐美國家最先開始對農(nóng)作物使用地膜覆蓋種植，也最先認(rèn)識到殘膜的污染問題。各國為保護(hù)其農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境，根據(jù)耕種工藝和自然條件設(shè)計了多種適合本國的殘膜撿拾機(jī)。發(fā)達(dá)國家采用的地膜厚度一般為0.02～0.08mm，并在地膜中加入了抗老化劑，其地膜的力學(xué)性能較好，抗拉強(qiáng)度大，不易破碎，易于回收。因此，歐美國家的殘膜撿拾機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、撿拾率高，通過卷膜機(jī)構(gòu)就能對殘膜進(jìn)行有效回收。

我國大范圍使用的地膜都是厚度為0.008～0.01mm的薄地膜。薄地膜易老化、易破碎，抗拉強(qiáng)度低，因此國外殘膜撿拾機(jī)不適用于中國的農(nóng)藝要求。中國農(nóng)機(jī)科研人員需要從零開始研制適用于我國國情的殘膜撿拾機(jī)[21，22]。通過近三十年的設(shè)計研發(fā)以及推廣應(yīng)用，我國市面上常見的撿拾機(jī)有200余種，這些撿拾設(shè)備按撿拾原理可分為機(jī)械式和非機(jī)械式。

2 機(jī)械式撿拾機(jī)構(gòu)

我國常用的撿拾機(jī)構(gòu)典型機(jī)構(gòu)有纏繞式、夾指帶式、伸縮桿式、彈齒式、輪齒式和滾筒式。

2.1 纏繞式殘膜撿拾機(jī)構(gòu)

纏繞式殘膜撿拾機(jī)構(gòu)是通過卷膜輥纏繞的方式收集殘膜，其主要由卷膜輥、機(jī)架、弧形導(dǎo)膜板、地膜鏟、牽引裝置和支撐輪組成，如圖1所示。

卷膜輥式殘膜撿拾機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、造價低廉，但只能應(yīng)用于地膜保存完好且厚度達(dá)到0.01mm的標(biāo)準(zhǔn)聚乙烯農(nóng)用地膜的場合。同時，卷膜輥式殘膜撿拾機(jī)在撿拾的起始階段和中途發(fā)生殘膜斷裂，需要人工參與，大大降低了撿拾效率，增加了人工成本，因此在中國推廣范圍僅限于新疆等少數(shù)地區(qū)。新疆在2013年以后開始大力推行0.01mm以上的達(dá)標(biāo)地膜，地膜的加厚給卷膜輥式殘膜撿拾機(jī)的研發(fā)帶了機(jī)遇，比較典型的是石河子大學(xué)設(shè)計的揭膜式殘膜回收機(jī)，其撿拾率高達(dá)96.8%，對土壤環(huán)境的保護(hù)有顯著效果[23]。

2.2 夾指帶式殘膜撿拾機(jī)構(gòu)

夾指帶式殘膜撿拾機(jī)構(gòu)由機(jī)架、專用撿拾帶以及Y型殘膜夾指機(jī)構(gòu)組成，如圖2所示。

2.3 伸縮桿式殘膜撿拾機(jī)

伸縮桿式殘膜撿拾機(jī)構(gòu)由滾筒、伸縮撿拾桿、導(dǎo)向槽、滾動軸承以及心軸組成，其核心部件如圖3所示。滾筒內(nèi)部下側(cè)安裝有心軸，滾筒外壁設(shè)置有導(dǎo)向槽;伸縮撿拾桿一側(cè)焊接在滾動軸承外側(cè)，滾動軸承安裝在心軸上;伸縮撿拾桿的另一側(cè)穿過導(dǎo)向槽伸出到滾筒外側(cè)。工作時，伸縮撿拾桿在滾筒和心軸相互配合作用使伸縮撿拾桿相對于滾筒發(fā)生相對運動。伸縮撿拾桿伸出時，將殘膜挑起;伸縮撿拾桿縮回時，將挑起的殘膜留在滾筒上方，完成膜齒分離。

因伸縮桿強(qiáng)度比其他類型的殘膜撿拾齒強(qiáng)度高，因此縮桿齒式殘膜回收機(jī)構(gòu)大多在秋后回收中應(yīng)用。伸縮桿齒式殘膜回收機(jī)的應(yīng)用主要集中在新疆、內(nèi)蒙古、甘肅和山西等北方省份，比較典型的有新疆農(nóng)機(jī)化所研制的4JSM型撿拾機(jī)和甘肅省農(nóng)機(jī)推廣站研制的1FMG-850型殘膜回收機(jī)。

2.4 彈齒式殘膜收集機(jī)構(gòu)

彈齒式殘膜收集機(jī)構(gòu)是最簡易、最常見的小型殘膜撿拾機(jī)構(gòu)，廣泛應(yīng)用于北方山地丘陵地區(qū)。彈齒式殘膜收集機(jī)構(gòu)按結(jié)構(gòu)分為單排、雙排和多排，殘膜撿拾率隨排數(shù)的增加而提高。三排彈齒撿拾機(jī)構(gòu)由機(jī)架、牽引掛架、短彈齒排、中等長度彈齒排以及長彈齒排組成，機(jī)架上側(cè)安裝牽引掛架;機(jī)架下側(cè)前部安裝短彈齒排，機(jī)架下側(cè)中部安裝中等長度彈齒排，機(jī)架下側(cè)后部安裝長彈齒排。

彈齒式殘膜撿拾機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、造價低、故障率低，可以有效地解決堵塞和壅土的問題。彈齒式殘膜撿拾機(jī)對于平整地的殘膜回收率較高，但在凹凸不平的耕地會出現(xiàn)殘膜漏起現(xiàn)象和跳動現(xiàn)象，卸膜需要人工參與，連續(xù)工作性能差，效率低。

2.5 輪齒式膜撿拾機(jī)

輪齒式膜撿拾機(jī)由外殼裝置、殘膜撿拾輥機(jī)構(gòu)以及柔性脫膜輥機(jī)構(gòu)組成。外殼裝置內(nèi)側(cè)前部安裝殘膜撿拾輥機(jī)構(gòu)，在殘膜撿拾機(jī)構(gòu)后部安裝柔性脫膜輥機(jī)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖5所示：

輪齒式拾膜機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，連續(xù)撿拾能力強(qiáng)，具有自動卸膜能力。輪齒式拾膜機(jī)的缺點是在收膜過程中容易摻雜桔梗碎塊，不易撿拾細(xì)碎的殘膜，容易發(fā)生拾膜不均的現(xiàn)象，且撿拾輥的旋轉(zhuǎn)速度與拖拉機(jī)的行進(jìn)速度很難確定配比，經(jīng)常發(fā)生扯膜現(xiàn)象。

2.6 滾筒式拾膜機(jī)構(gòu)

滾筒式拾膜機(jī)構(gòu)又稱為鏟式起茬拾膜機(jī)構(gòu)，它由鼠籠式滾筒以及地膜鏟組成，如圖6所示。地膜鏟隨滾筒一起轉(zhuǎn)動并將地膜及土塊從地面鏟起。地膜及土塊混合物在慣性作用下進(jìn)入鼠籠式滾筒中。地膜在鼠籠式滾筒的作用下從鼠籠式滾筒后方排出，土塊在鼠籠式滾筒的作用下，從鼠籠式滾筒側(cè)壁縫隙掉落。

滾筒式拾膜機(jī)構(gòu)工作可靠、結(jié)構(gòu)簡單、故障率低、拾凈率高、普及范圍廣。但工作阻力巨大，能耗高，需要大功率農(nóng)機(jī)帶動，對于黏土地?fù)焓胺蛛x效果差，噪音大、煙塵大。

3 非機(jī)械式撿拾機(jī)構(gòu)

非機(jī)械式又分為負(fù)壓式和靜電吸附式。

3.1 負(fù)壓式殘膜撿拾機(jī)構(gòu)

負(fù)壓式殘膜撿拾機(jī)構(gòu)由由集膜室、濾膜網(wǎng)、風(fēng)機(jī)安裝口、卸膜擋板、安裝架以及吸膜口組成。集膜室后側(cè)設(shè)置有濾膜網(wǎng);濾膜網(wǎng)外部安裝有風(fēng)機(jī)安裝口;集膜室前部設(shè)置有吸膜口;集膜室兩側(cè)設(shè)置有安裝架;集膜室底部設(shè)置卸膜擋板。

負(fù)壓式撿拾機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜較為復(fù)雜，容易撿拾桔梗碎塊或草梗但應(yīng)用范圍廣，不僅可作為耕地殘膜撿拾機(jī)構(gòu)，同時對于耕地邊緣、路邊，以及矮樹叢的殘膜撿拾。

3.2 靜電吸附式殘膜撿拾機(jī)構(gòu)

靜電吸附式殘膜撿拾機(jī)構(gòu)由機(jī)架、導(dǎo)線、分離輥、靜電吸附帶和粉碎揚(yáng)塵輥組成。如圖8所示。

目前市場主流為機(jī)械式殘膜撿拾，非機(jī)械式殘膜撿拾尚處于實驗室階段，很多技術(shù)瓶頸和推廣應(yīng)用適應(yīng)性問題、可靠性問題尚未解決。

4 非壟向撿拾研究展望

隨著傳感器技術(shù)、模式識別和人工智能技術(shù)的進(jìn)步，殘膜撿拾機(jī)未來將越來越智能，但其核心殘膜撿拾機(jī)構(gòu)在未來的一段時間內(nèi)還將采用機(jī)械式撿拾。目前，市面上絕大多數(shù)的撿拾機(jī)構(gòu)沿牽引機(jī)械運動方向進(jìn)行撿拾，即沿壟作方向?qū)埬みM(jìn)行鉤掛撿拾。地膜在使用過程中力學(xué)性能發(fā)生變化，從文獻(xiàn)檢索和實際調(diào)研結(jié)果來看，殘膜撿拾機(jī)構(gòu)的拾膜率與地膜鋪設(shè)時間以及撿拾方向與殘膜鋪設(shè)夾角的影響，地膜力學(xué)性能是提高殘膜撿拾率的重要因素。除此之外，現(xiàn)存的殘膜回收機(jī)有些雖然存在邊膜破土裝置，但實際應(yīng)用中效果不明顯。破土裝置破土后殘膜與土塊形成新的組合體，更加難以撿拾，這是造成邊膜的回收率較低的主要原因，也是殘膜回收率低的重要原因。

非壟向撿拾研究就是對不同厚度、不同使用時間、與壟向呈不同角度方向殘膜的物理力學(xué)特性進(jìn)行研究與測試的基礎(chǔ)上，建立殘膜的本構(gòu)特征和撿拾齒在采用不同方向拾膜過程中與地膜間非線性接觸動力學(xué)模型，并根據(jù)模型設(shè)計撿拾機(jī)構(gòu)的運動軌跡。非壟向殘膜撿拾能夠有效解決殘膜回收機(jī)具存在的無法有效回收邊膜以及拾膜機(jī)構(gòu)工作撿拾率低的問題，為殘膜撿拾機(jī)的設(shè)計提供一種新的撿拾理論和方法。

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收稿日期：2021-10-25

通訊作者：張亞新（1981-），男，副教授，碩士研究生，研究方向：農(nóng)業(yè)機(jī)械化。

基金項目：內(nèi)蒙古自治區(qū)高等學(xué)院科學(xué)研究項目（NJZY21130）;內(nèi)蒙古自治區(qū)自然科學(xué)基金面上項目（2021MS05001）;內(nèi)蒙古自治區(qū)高等學(xué)校青年科技英才支持計劃資助（NJYT22117）;赤峰市服務(wù)地方經(jīng)濟(jì)重大項目（cfxyfc201844）

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