我國殘膜撿拾機構研究現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，我國科研人員設計了200余種殘膜撿拾機構。撿拾機構是殘膜撿拾機的核心部件，其機理形式和操作質量對提高殘膜回收率起著重要作用。本文分析了國內外殘膜回收機殘膜收集機構的發展現狀，將撿拾機構分為機械式和非機械式，對機械式殘膜撿拾機構中典型機構纏繞式、夾指帶式、伸縮桿式、彈齒式、輪齒式和滾筒式的結構、工作原理和應用進行比對分析;介紹了負壓式和靜電吸附式兩種非機械式殘膜撿拾機構，并提出長時間鋪設的地膜其沿非壟作方向的拉伸載荷強度與斷裂標稱應變皆高于壟作方向，因此非壟作方向的殘膜撿拾機將成為殘膜撿拾機的重要研究方向。本研究為今后薄膜收集機制的優化和改進提供了相關建議。

關鍵詞：殘膜撿拾;典型機構;非壟向

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

1 引言

隨著地膜覆蓋技術的廣泛應用，地膜殘留造成的“白色污染”問題越來越嚴重。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，惡化了土壤結構，影響種子發芽和根系生長。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，殘膜對耕種機具的使用也有較大的影響。一方面，殘膜阻礙農用機具的前進，導致農機具的功耗增大。另一方面，殘膜容易纏繞在田間作業機械的零部件上，使農用機具頻繁停車清理。這些影響大大降低了農機的作業效率[8-12]。

現階段國內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性能差、造價高以及降解條件難以控制等原因，在技術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發展戰略有一定的阻礙作用，還將影響我國農業的可持續發展，給國家農業生產帶來不必要的損失。

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，勞動強度高，回收成本高，工作環境差，效率低，而且只能提取地表殘膜。機械化回收殘膜主要通過機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，減輕了農民的勞動強度，大大增加了撿拾效率，因此機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作物使用地膜覆蓋種植，也最先認識到殘膜的污染問題。各國為保護其農業生態環境，根據耕種工藝和自然條件設計了多種適合本國的殘膜撿拾機。發達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，其地膜的力學性能較好，抗拉強度大，不易破碎，易于回收。因此，歐美國家的殘膜撿拾機結構簡單、撿拾率高，通過卷膜機構就能對殘膜進行有效回收。

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，抗拉強度低，因此國外殘膜撿拾機不適用于中國的農藝要求。中國農機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[21，22]。通過近三十年的設計研發以及推廣應用，我國市面上常見的撿拾機有200余種，這些撿拾設備按撿拾原理可分為機械式和非機械式。

2 機械式撿拾機構

我國常用的撿拾機構典型機構有纏繞式、夾指帶式、伸縮桿式、彈齒式、輪齒式和滾筒式。

2.1 纏繞式殘膜撿拾機構

纏繞式殘膜撿拾機構是通過卷膜輥纏繞的方式收集殘膜，其主要由卷膜輥、機架、弧形導膜板、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結構簡單、造價低廉，但只能應用于地膜保存完好且厚度達到0.01mm的標準聚乙烯農用地膜的場合。同時，卷膜輥式殘膜撿拾機在撿拾的起始階段和中途發生殘膜斷裂，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地區。新疆在2013年以后開始大力推行0.01mm以上的達標地膜，地膜的加厚給卷膜輥式殘膜撿拾機的研發帶了機遇，比較典型的是石河子大學設計的揭膜式殘膜回收機，其撿拾率高達96.8%，對土壤環境的保護有顯著效果[23]。

2.2 夾指帶式殘膜撿拾機構

夾指帶式殘膜撿拾機構由機架、專用撿拾帶以及Y型殘膜夾指機構組成，如圖2所示。

2.3 伸縮桿式殘膜撿拾機

伸縮桿式殘膜撿拾機構由滾筒、伸縮撿拾桿、導向槽、滾動軸承以及心軸組成，其核心部件如圖3所示。滾筒內部下側安裝有心軸，滾筒外壁設置有導向槽;伸縮撿拾桿一側焊接在滾動軸承外側，滾動軸承安裝在心軸上;伸縮撿拾桿的另一側穿過導向槽伸出到滾筒外側。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。

因伸縮桿強度比其他類型的殘膜撿拾齒強度高，因此縮桿齒式殘膜回收機構大多在秋后回收中應用。伸縮桿齒式殘膜回收機的應用主要集中在新疆、內蒙古、甘肅和山西等北方省份，比較典型的有新疆農機化所研制的4JSM型撿拾機和甘肅省農機推廣站研制的1FMG-850型殘膜回收機。

2.4 彈齒式殘膜收集機構

彈齒式殘膜收集機構是最簡易、最常見的小型殘膜撿拾機構，廣泛應用于北方山地丘陵地區。彈齒式殘膜收集機構按結構分為單排、雙排和多排，殘膜撿拾率隨排數的增加而提高。三排彈齒撿拾機構由機架、牽引掛架、短彈齒排、中等長度彈齒排以及長彈齒排組成，機架上側安裝牽引掛架;機架下側前部安裝短彈齒排，機架下側中部安裝中等長度彈齒排，機架下側后部安裝長彈齒排。

彈齒式殘膜撿拾機結構簡單、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殘膜漏起現象和跳動現象，卸膜需要人工參與，連續工作性能差，效率低。

2.5 輪齒式膜撿拾機

輪齒式膜撿拾機由外殼裝置、殘膜撿拾輥機構以及柔性脫膜輥機構組成。外殼裝置內側前部安裝殘膜撿拾輥機構，在殘膜撿拾機構后部安裝柔性脫膜輥機構，其結構如圖5所示：

輪齒式拾膜機構結構簡單，連續撿拾能力強，具有自動卸膜能力。輪齒式拾膜機的缺點是在收膜過程中容易摻雜桔梗碎塊，不易撿拾細碎的殘膜，容易發生拾膜不均的現象，且撿拾輥的旋轉速度與拖拉機的行進速度很難確定配比，經常發生扯膜現象。

2.6 滾筒式拾膜機構

滾筒式拾膜機構又稱為鏟式起茬拾膜機構，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，從鼠籠式滾筒側壁縫隙掉落。

滾筒式拾膜機構工作可靠、結構簡單、故障率低、拾凈率高、普及范圍廣。但工作阻力巨大，能耗高，需要大功率農機帶動，對于黏土地撿拾分離效果差，噪音大、煙塵大。

3 非機械式撿拾機構

非機械式又分為負壓式和靜電吸附式。

3.1 負壓式殘膜撿拾機構

負壓式殘膜撿拾機構由由集膜室、濾膜網、風機安裝口、卸膜擋板、安裝架以及吸膜口組成。集膜室后側設置有濾膜網;濾膜網外部安裝有風機安裝口;集膜室前部設置有吸膜口;集膜室兩側設置有安裝架;集膜室底部設置卸膜擋板。

負壓式撿拾機構結構復雜較為復雜，容易撿拾桔梗碎塊或草梗但應用范圍廣，不僅可作為耕地殘膜撿拾機構，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構

靜電吸附式殘膜撿拾機構由機架、導線、分離輥、靜電吸附帶和粉碎揚塵輥組成。如圖8所示。

目前市場主流為機械式殘膜撿拾，非機械式殘膜撿拾尚處于實驗室階段，很多技術瓶頸和推廣應用適應性問題、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、模式識別和人工智能技術的進步，殘膜撿拾機未來將越來越智能，但其核心殘膜撿拾機構在未來的一段時間內還將采用機械式撿拾。目前，市面上絕大多數的撿拾機構沿牽引機械運動方向進行撿拾，即沿壟作方向對殘膜進行鉤掛撿拾。地膜在使用過程中力學性能發生變化，從文獻檢索和實際調研結果來看，殘膜撿拾機構的拾膜率與地膜鋪設時間以及撿拾方向與殘膜鋪設夾角的影響，地膜力學性能是提高殘膜撿拾率的重要因素。除此之外，現存的殘膜回收機有些雖然存在邊膜破土裝置，但實際應用中效果不明顯。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特性進行研究與測試的基礎上，建立殘膜的本構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模型，并根據模型設計撿拾機構的運動軌跡。非壟向殘膜撿拾能夠有效解決殘膜回收機具存在的無法有效回收邊膜以及拾膜機構工作撿拾率低的問題，為殘膜撿拾機的設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：農業機械化。

基金項目：內蒙古自治區高等學院科學研究項目（NJZY21130）;內蒙古自治區自然科學基金面上項目（2021MS05001）;內蒙古自治區高等學校青年科技英才支持計劃資助（NJYT22117）;赤峰市服務地方經濟重大項目（cfxyfc201844）

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