機收殘膜混合物膜雜分離機械的研究現狀

張 佳，胥 俊，黃 勇

（1 新疆工程學院 機電工程學院；2 激光智能制造與再制造工程技術研究中心：新疆烏魯木齊，830023）

隨著農用地膜覆蓋技術的不斷發展，新疆農作物廣泛采用農用地膜種植[1]。截至2021年，僅新疆農作物覆膜面積已達到393 萬多hm2，占總播種面積的70%以上，每年使用地膜總質量約25 萬t，使用后的地膜容易殘留在農田土壤中，對土壤的性質、作物的生長及周邊的環境造成較大的破壞[2]。隨著殘膜回收機械的出現及發展，現有的殘膜回收機械很大程度上可以解決棉田中地膜殘留問題。

廢舊地膜是一種可再生資源。近些年，隨著殘膜回收再利用技術的提出，棉農們開始采用人工分揀方式將殘膜混合物中的殘膜分離出來，農民可將其分離后的殘膜出售給塑料生產企業。分離后的殘膜加工成滴灌帶及其他塑料產品，可節約70%的原材料[3-4]。人工分離方式雖然能產生一定效益，但勞動強度大，工作效率低，成本高，很難推廣和應用[5]。近些年先后出現了一些膜雜混合物分離機械，利用水洗或者風選的方法進行分離，但都存在殘膜分離率不高的問題。為提升我國殘膜回收再利用機械化水平，應綜合分析機收殘膜混合物膜雜分離機械化水平現狀，研制適合我國國情的殘膜混合物膜雜分離機械，對于提高殘膜回收再利用率、改善環境污染問題，具有非常重要的實用意義[6]。

1 殘膜混合物成分及膜雜分離要求

1.1 殘膜混合物成分

殘膜回收機類型較多，各種殘膜回收機回收后的殘膜混合物成分基本一致，主要由條狀或片狀的舊膜、棉稈及土塊等雜物構成，但混合物中各成分所占比例存在一定差異。研究結果表明[7]：彈齒式殘膜回收機回收后的殘膜混合物中，土壤約占18%，殘膜約占30%，棉稈等雜質約占52%；鏟篩式殘膜回收機回收后的殘膜混合物中，土壤約占25%，殘膜約占30%，棉稈等雜質占約45%。（以上均為質量比，以下同）從總體上看，殘膜混合物各成分相互纏繞，打結較為嚴重。

1.2 膜雜分離技術要求

膜雜分離是殘膜回收再利用技術的關鍵環節，具有作業難度大、分離要求高的特點。殘膜混合物各成分纏繞打結，如果分離效果不好，需要進行二次分離。因此對膜雜分離作業要求包括：①膜雜分離后殘膜的含雜率要低于5%，分離后雜物的含膜率要低于10%，從而減少二次人工分離的勞動強度；②盡量提高膜雜分離效率，縮短分離作業周期；③膜雜分離作業成本要低，從而提高經濟效益；④分離后的殘膜及棉稈要及時運輸、儲存。

2 國內膜雜分離機械的研究現狀

2.1 國外研究現狀

國外為了減少地膜覆蓋而引起的殘膜對環境污染的問題，農作物種植一直使用高強度、厚度較厚的地膜，在地膜使用后，通過卷收方式進行殘膜回收，回收效率高，回收后的殘膜含雜率低，可二次使用或者加工成塑料顆粒，因此，未見到有關殘膜回收后殘膜混合物分離機械的報道[8]。

2.2 國內研究現狀

國內對殘膜混合物分離技術的研究已經取得一些進展，主要是采用風選分離及水洗分離等方法。風選分離法根據殘膜混合物中殘膜及棉稈在空氣場中的懸浮特性差異大的原理進行分離，水洗分離法根據殘膜混合物在液體中漂浮特性不同的原理進行分離[9]。

如圖1 所示，張海蕓等人設計了一種利用風選分離法的廢舊地膜清潔裝置[10]，該裝置主要包括膜雜分離部件和地膜清理部件，膜雜分離部件包括滾筒、撥桿輪、風機和輸送部件。該機構的工作原理為：殘膜混合物通過輸送部件傳送至撥桿輪，風機將輸送部件末端的殘膜混合物吹向滾筒，滾筒內設置有偏心結構的撥桿輪，在風機風力的作用下，撥桿輪上的撥桿齒將掛住殘膜，并旋轉將殘膜輸送至進料口，殘膜混合物中的棉稈及土塊則從輸送部件末端滑落，從而實現殘膜混合物的膜雜分離。

圖1 殘膜清潔機構的結構原理圖

如圖2 所示，康建明等設計了一種利用風選分離法的農田殘膜清雜機構[11]，該機構主要包括機架、除雜部件、打散部件、脫膜部件及風機等部分。該機構的工作原理為：殘膜混合物從進料口進入，通過打散部件中的旋轉釘輥的旋轉打擊，將殘膜混合物打散，隨后，殘膜混合物被拋撒到除雜部件中，除雜部件包括除雜滾筒和格條柵，除雜滾筒旋轉，將打散后的殘膜混合物碾壓后送入格條柵，在除雜滾筒較大沖擊作用下，棉稈等雜物被排入清雜部件，殘膜進入脫膜機構，在脫模滾筒高速旋轉下，強制被脫開，進入出料口，由風機將殘膜吹入集膜箱。

圖2 殘膜清雜機構的結構原理圖

如圖3 所示，石河子大學李俊虹等人設計了一種提升器式膜雜分離裝置[12]，主要包括排污泵、膜箱提升部件、箱體、提升部件、電機等部分。該裝置的工作原理為：作業時，殘膜混合物從進料口進入，螺旋葉片旋轉，產生向下推進力，殘膜混合物向箱體的下方運動，排污泵工作，將殘膜從進口管吸入，輸送至收膜箱，棉稈等雜物漂浮于水面上，被螺旋提升器提升至棉稈出料口送出，實現殘膜與棉稈的分離。

圖3 提升器式膜雜分離機構的結構原理圖

如圖4 所示，山東省農業機械科學研究院的康建明等人，根據膜雜混合物中各成分空氣動力學特性的不同，設計一種氣力式膜雜分離裝置[13]，主要包括風機、滾筒篩、葉片、外殼、電機及集膜箱等。該裝置工作原理為：工作時，風機產生氣流，滾筒篩緩慢旋轉，殘膜混合物從進料口進入滾筒篩，殘膜混合物在滾筒篩旋轉的狀態下做拋體運動，殘膜在滾筒篩內處于游離狀態，根據殘膜與雜質在空氣中受力后的沉降規律不同，殘膜被風機的氣流吹向滾筒篩末端，進入集膜箱內，殘膜混合物中的棉稈由葉片推送，從出料口排出，實現殘膜與雜質的分離。

圖4 氣力式膜雜分離裝置的結構原理圖

如圖5 所示，石河子大學李俊虹等人，根據膜雜混合物各成分在液體中漂浮特性的不同，設計一種水洗膜雜分離裝置[12]，主要包括集稈箱、集稈板、水位傳感器、分離箱、噴頭、水泵等。該裝置工作原理為：使用前，在分離箱中加入水，工作時，從進料斗中放入殘膜混合物，殘膜混合物進入分離箱中，漂浮在水面上，在噴頭噴射的作用下，殘膜與棉稈的姿態改變，棉稈因密度小于水而漂浮在水面，殘膜因展開平鋪狀態而位于水層中間，土塊等雜質沉入水底。隨著水體流動，殘膜混合物到達分離箱末端時，集稈板旋轉將漂浮在水面上的棉稈打撈，收集至集稈箱中，殘膜則會進入收集箱內，其中，水泵將分離箱中的水吸取，送至噴水管，實現水的循環。

圖5 水洗膜雜分離裝置的結構原理圖

如圖6 所示，石河子大學何浩猛等人，在李俊虹等人研制的膜雜分離機構基礎上進行改進，根據膜雜混合物在水流作用下的漂浮特性不同，設計一種葉輪驅動式水洗膜雜分離裝置[14]，主要包括集膜箱、集稈箱、旋轉板、葉輪、分離箱及水泵等。該裝置工作原理為：使用前，在分離箱中加入水，工作時，將殘膜混合物放入分離箱中，打開水泵及電機開關，水泵產生水流壓力，電機驅動葉輪旋轉，分離箱中的水流形成螺旋推進力，殘膜混合物在水流的作用下，形成沉降分離狀態，棉稈因密度小于水而漂浮在水面，殘膜因展開平鋪狀態而位于水層中間，土塊等雜質沉入水底。隨著水體流動，殘膜混合物到達分離箱末端時，集稈板旋轉將棉稈打撈，收集至集稈箱中，殘膜則會進入集膜箱內，其中，水泵將分離箱中的水吸取，送至噴水管，實現水的循環。

圖6 葉輪驅動式水洗膜雜分離裝置的結構原理圖

3 存在的問題

近些年，研究殘膜回收再利用技術的人員逐漸增多，殘膜混合物分離機械也逐步在發展，但就目前的發展情況看，仍存在一些問題：第一，農業種植戶對環境保護的意識不強，目前還存在將殘膜回收機回收的殘膜焚燒、填埋的現象；第二，膜雜分離難度大，現有的膜雜分離機械尚不成熟，難以讓種植戶購買；第三，由于殘膜再利用工藝的制約，分離回收后的殘膜價格不能達到種植戶的心理預期，種植戶分離回收的積極性不高。

4 結語

近年來，隨著農田環境保護的大力推進，殘膜回收再利用技術也在不斷發展。目前雖然已有研發人員和研發單位對殘膜混合物膜雜分離機械進行了研究和生產，基本功能已經實現，但相關技術還不夠成熟，現有的膜雜分離機械還存在分離率不高、含雜率較高等問題。新疆地區棉花種植面積廣，年使用地膜總質量約25 萬t，殘膜再利用率不到10%，造成一定環境污染和資源浪費。面對我國農業對環境要求的進一步提高，促進我國殘膜回收再利用技術的發展勢在必行。提高種植戶的環境保護意識，研究開發適合我國國情的殘膜混合物膜雜分離機械，不僅具有重要的戰略意義，而且具有重要的現實價值。