現有殘膜回收機作業質量技術研究

喬建偉

（山西省農業機械發展中心，山西 太原 030002）

農用地膜的使用可以在作物出苗、生長階段起到調光、保溫、保水、護根作用，有效提高作物出苗率，降低土壤水分流失，可大幅提高作物的成活率，增加單產和畝產。20世紀50年代，我國開始逐步推廣農用地膜的使用，經過幾十年的發展已是全世界地膜使用量最大的國家，可耕地范圍內大部分地區均有地膜使用，其中新疆、甘肅、內蒙、東北等地區農用地膜使用量大、面積廣，為我國的農業發展起到了很大的促進作用。

目前，在用地膜均為一次性產品，使用后遺留在田間，下次種植時再鋪設新地膜，但是地膜作為塑料制品，無法自然降解，而可降解地膜在田間降解時間也在10年以上，成本是一般地膜為3倍以上，且使用占比很小。如果不對地膜進行回收，地膜長期留田一方面會影響農作物根系的生長，加劇病蟲害，到一定程度時影響畝產單產；另一方面作為化工制品伴隨著農作物生長最終會在農產品中會有一定殘留，嚴重影響農產品安全及質量品質。近年來，廢舊地膜已然成為農田白色污染的重要源頭，地膜的高效、綠色和低成本回收等問題引起了各方面的廣泛關注，而通過殘膜回收機清理地膜是目前唯一在用的方法，也是清理白色污染最經濟、簡單的方法。

殘膜回收機是清理回收農田中殘留地膜的機械，通常以拖拉機為動力源，作業時懸掛或牽引殘膜回收機械，完成土壤表層和淺層農用殘膜的起膜、收集。按起膜時間可分為苗期回收機，收獲后回收機，其中收獲后回收機是目前為止使用最多、需求最大的機具。經過多年的發展已經形成對該產品需求的以下共識：作業方面，不局限于單功能作業，要求多功能一體化的殘膜回收；注重機器的適應性，可應對不同土壤、氣候、作物、地形條件；注重殘膜回收綜合作業成本；注重機器可靠性，更易操作。這些共識也是殘膜回收機具未來發展的重要方向。對目前市場上現有的幾類機具通過分析其結構特定、工作原理，結合實際性能測試，對比分析不同機具的作業效果。

1 現有機具結構特點及其作業原理

通過市場調研近3年的機具產銷情況，目前市場上現有機型可大體分為彈齒收集式、挖掘滾篩式、挖掘打捆式三大類機型，機型機具機構特點及其工作原理如下。

1.1 彈齒收集式殘膜回收機

彈齒收集式殘膜回收機由懸掛機架、2～3排交叉排列的固定式彈齒組成，作業時拖拉機懸掛機具向前運動，通過彈齒與土壤及地膜的接觸，將殘膜鉤纏于彈齒上，作業一段時間后人工清理纏繞在彈齒上的地膜，完成殘膜回收工作。此種結構機型是最早的殘膜回收機型，整機機構輕便、配套動力的要求低，目前全國大部分地區仍有使用。通過多年發展該機型在彈齒前通常配套松土犁、松土鏟，工作時通過松土犁或鏟深入地下將土壤和地膜抖松，梳齒或彈齒輥筒將地膜鉤纏于彈齒或梳齒上，其優點是一方面松動后的土壤便于起膜及收集，另一方面能完成簡單的田間翻整作業。

1.2 挖掘滾篩式殘膜回收機

挖掘滾篩式殘膜回收機由懸掛或牽引機架、動力傳遞機構、挖掘鏟、土膜輸送分離鏈篩、柵條分離滾篩、集膜箱等組成。在拖拉機的牽引下，挖掘鏟將土壤和地膜一同鏟起，土膜輸送分離鏈篩對土壤及地膜完成簡單分離并輸送至分離滾篩，分離滾篩帶動物料旋轉進一步完成土膜的分離、殘膜的收集，并將分離后的地膜送至集膜箱中，完成殘膜回收作業。該類機型近8年才完善推出，較上一種機型可以實現較長時間作業，省去了人工清理機具上纏繞的地膜，大幅度提高了作業效率。

1.3 挖掘繞捆式殘膜回收機

挖掘繞捆式殘膜回收機由牽引機架、動力傳遞機構、挖掘鏟、土膜輸送分離鏈篩、繞捆機構等組成。在拖拉機的牽引下，挖掘鏟將土壤和地膜一同鏟起，土膜輸送分離鏈篩對土壤及地膜完成分離并輸送至繞捆室內，繞捆室內各繞捆輥旋轉，帶動室內殘膜旋轉成捆，當廢膜捆達到規定尺寸時自動排除機外，完成殘膜回收作業。該類機型可實現不停機作業，且收集好的殘膜捆已經形成緊實密度便于二次運輸。

以上3類機具在不同廠家又衍生并改進出了許多不同型號，但是不同機型的改進型號并未嚴重影響到實際殘膜回收作業時性能的嚴重區別，對殘膜回收機進行這3類機型的劃分可以很好地代表現有殘膜回收機的不同產品作業特性[1]。因此，針對以上3類機型在同等作業條件下的性能考核及其參數測定。

2 性能測試

2.1 確定測試方法

為全面有效地反映機具實際作業時的綜合作業效果，測試樣機將在殘膜回收需求較大、氣候土壤條件不同的內蒙、山西、河南3個地區共同進行正常作業情況下的跟機考查，重點測試機具在以上3個區域內的適用性性能參數、連續工作18 h下機具的可靠性等作業情況。

目前，針對殘膜回收機作業質量有2個現行有效的產品技術規范[2]，分別是農業機械推廣鑒定大綱DG/T 149—2021《殘膜回收機》[3]和農業機械產品作業質量標準NY/T 1227—2006《殘地膜回收機 作業質量》[4]，以上2個技術規范性能評價項目均為表層殘膜回收率和深層殘膜回收率，且2個規范測試方法基本相同，而大綱中建議的產品合格指標（表層殘膜回收率≥80%，深層殘膜回收率≥75%）較作業質量標準中合格指標（表層殘膜回收率≥75%，深層殘膜回收率≥65%）要求更嚴，因此針對以上3類機型的性能測試參照大綱執行。具體方法如下：

在測區對角線上取5點，每點按5 m×幅寬面積，按地表及土層深度0～100 mm及100～150 mm分別取出廢膜，去除廢膜上的黏結物，分別計算表層、深層殘膜質量的平均值。

回收機一個行程內等間距選取5個測點，測點按5 m×幅寬面積選取，按地表及土層深度0～100 mm及100～150 mm分別取出廢膜。將各測點按層取出的廢膜去除塵土和水分后稱其質量，求其平均值。按公式（1）分別計算表層和深層殘膜回收率。

式中：J——殘膜回收率，%；

W——作業后的表層或深層殘地膜質量，g/m2；

W0——作業前表層或深層殘地膜質量，g/m2。

此次測試各樣機在各省的殘膜回收純工作時間均考核18 h，清理機具中的殘膜時間及次數單獨記錄，每間隔1 h按照上述方法測定樣機適用性的性能參數1次，結果取同型號2臺測試樣機的平均值，并記錄考查期間內的故障情況及其排除時間。

2.2 樣機選擇

通過2018—2021年為期4年的前期市場調研和使用現場殘膜回收率實地測試，結合各類產品的結構特點及其主要參數配置，選擇出各類殘膜回收機中作業效率高、用戶認可度好、殘膜回收率高的一個型號產品作為測試產品，每個型號產品選擇2臺出廠合格的新機為測試樣機，使用廠家明示的最小動力拖拉機為配套動力。

產品樣機信息見表1。

表1 產品樣機信息

2.3 測試數據及數據分析

2021年9月開始在內蒙古自治區、河南及山西3個地區對6臺樣機均進行18 h的跟機測試。

3款機型適應性及可靠性測試數據見表2。

2.3.1 殘膜回收率分析

經分析殘膜回收機殘膜回收率數據，3款機具在表層殘膜回收率均值指標基本上達到大綱中的技術條件要求，分地區對比后，后兩款機型的樣機表層殘膜回收率數據均明顯高于第一款機具的數據，而后兩款機型在同一作業地區殘膜回收率數據差別并不大。就表層回收率范圍區間來看，彈齒式范圍區間差值基本在10左右，而滾篩式和纏繞式差值基本為5～7，從側面可以反映挖掘式的兩類機型作業質量的穩定性較彈齒式要高。

對深層殘膜回收率數據分析可以看出，彈齒收集式回收率的范圍值和平均值均明顯低于后兩款機型，挖掘式的兩款機型數據差別不大。

結合作業情況并分析淺、表層的殘膜回收率可以得出，地膜在整個回收過程中的完整性在很大程度上會影響殘膜回收率。彈齒式在開始階段第一排彈齒通過拉拽、鉤扯分離土壤和地膜時已將地膜分解成小條，破壞了地膜的完整性，鉤纏地膜量最大的第二、三排彈齒回收后的殘膜均是小條狀的殘膜，較完整的殘膜非常少。而挖掘式的兩款機型樣機通過挖掘鏟將膜和表層土壤一同挖掘，后續的運輸分離清選過程中土壤和地膜一同運動，對地膜的破壞性較小，可以很好地保證地膜的完整性，為后續收集提供了良好的保障，而且收集后殘膜完整性也非常好。

2.3.2 清膜情況分析

在測試過程中，彈齒式殘膜回收機在作業一定面積后必須停機，人工清理纏繞在機具彈齒上的地膜，因為長時間作業時前排彈齒雖然仍能將地膜拉拽、鉤扯出土壤，但是起主要撿拾回收作用的第二、三排彈齒表面已經覆蓋了一定數量的地膜，新分離出的地膜無法繼續鉤纏在彈齒上，當機具繼續前進時新的廢膜只能飄落在地表，回收效果大打折扣。而清理彈齒上纏繞地膜，只能停機后人工清理，且清理的時間較長（5～10 min），和后兩款機型相比嚴重影響作業效率，同時增加了許多工作量。

挖掘滾篩式和挖掘繞捆式因為配備了殘膜收集、回收機構，從表2可以看出清膜時間較彈齒式大大縮短，但是滾篩式殘膜回收機受回收箱容積限制，在回收箱快滿時仍然需用人工清理出回收箱內的地膜，但是單次清理時間（3～6 min）同彈齒式相比較少，而且勞動量較輕。挖掘繞捆式在實際作業中因機具長時間作業時工作部件上有一定的纏繞膜留存，其清膜時間主要是清理留存膜，因此清膜工作同前2款機型有所不同，從嚴格意義上講應該屬于機具保養范圍內的工作時間。對比測試情況挖掘繞捆式樣機效率最高，基本上可以實現不停機作業。

表2 3款機型適應性及可靠性測試數據

2.3.3 收集的膜質量

經分析各樣機收集到的殘廢地膜、形狀、質量，結合各樣機的殘膜回收率，考慮到彈齒式回收率低、收集回的地膜品質較差，而挖掘滾篩式、挖掘繞捆式樣機回收率差別不大，地膜形態較好，且幾款樣機的工作幅寬相同，為進一步分析2款機具的分離、清選及回收地膜效果，因此在考核過程中在6塊種植相同作物、鋪設同等規格地膜的測試地塊，對這兩款機型4臺樣機收獲后的地膜，經過人工去土、除雜、除水后稱質量，得出各測點每畝收集物質量和每畝地膜純質量。

樣機收集物質量分析見表3。

表3 樣機收集物質量分析/kg

經分析每畝收集物質量數據，可以看出挖掘滾篩式收集物中雜質較挖掘繞捆式少，側面反映出挖掘滾篩式分離清選效果更好。結合樣機的實際作業效果及其機型的產品結構，滾篩式機型，由于土壤和殘膜在滾篩內旋轉，較繞捆式有更長的分離清選時間，能夠將雜質及土壤進一步分離。而繞捆式機型僅能在土膜輸送分離鏈篩完成地膜雜質分離，分離后的地膜和雜質會一同進入繞捆機構進行繞捆，繞捆后的地膜內常常夾雜著秸稈、土塊等，同滾篩相比含雜率高，分離清選效果差。

從每畝地膜純質量數據來看，繞捆式收集的純地膜質量較多，而且收獲后地膜的完整性比滾篩式要好，通過分析兩者作業過程，挖掘起膜階段從結構和作業效果來看基本相同，造成這一現象的原因主要集中在分離清選和殘膜回收機構部分。一方面滾篩式殘膜回收機由于分離清選時間較長，雖然能夠有效去除雜質，但是在這一工程中會破壞地膜的完整性，部分地膜在這一過程中隨著滾篩的旋轉會變成小條或小塊，通過篩網間隙從機具中拋離，造成純膜質量減少；另一方面在實際作業過程中滾篩和回收箱中的地膜，會因環境中風向、風力的變換，離開機具。而繞捆式回收機構基本上為封閉式工作，且繞捆后的地膜捆有一定緊實密度，相對來看損失率較低。

2.3.4 可靠性分析

結合作業過程及機具機構來看，彈齒式因為機具結構較為簡單其可靠性相對來看更強。滾篩式由于從變速箱分配后傳動系較多、傳動距離較長，傳動部分出現故障的概率。繞捆式由于繞捆機構裝配質量要求高、運行時速度快，且存在間歇啟動的情況，因此該部分易出現故障情況。

3 結語

綜合以上分析，3類機型均能滿足產品技術規范中對殘膜回收機產品質量的基本要求，在一定程度上能對留田地膜起到清除作用，但是從3類機型對留田地膜的回收質量分析可以看出，挖掘繞捆式機型回收質量最好，挖掘滾篩式次之，彈齒式殘膜回收機最低，造成這一現象的原因主要是3類機型回收工作原理及其清選、收集機構工作不同，在作業的過程中對留田地膜完整性的保護上不同所造成的。從綜合作業效率方面來看，挖掘滾篩式和挖掘繞捆式作業效率相當且較彈齒式操作方便性好，勞動強度低，同時挖掘繞捆式收集后地膜已經纏繞打捆，形成一定密實性，方便二次運輸及轉運，在轉運工程中不易造成地膜的運輸損失。從可靠性角度來看，3類機型純工作18 h后作業故障情況均未明顯顯現，結合產品結構特點及工作原理分析，挖掘繞捆式機型結構較其他2款機型復雜，裝配質量要求高，運動件較多，需要定期保養的零部件數量多，且保養間隔時間短，要是長時間作業下可能會造成故障率的提高。結合作業情況及用戶需求，挖掘繞捆式隨著加工工藝的發展及優化，整機成本的降低，今后該機型更適用于我國殘膜回收的市場需求，將有較大的發展空間。