机收残膜混合物膜杂分离机械的研究现状

张 佳，胥 俊，黄 勇

（1 新疆工程学院 机电工程学院；2 激光智能制造与再制造工程技术研究中心：新疆乌鲁木齐，830023）

随着农用地膜覆盖技术的不断发展，新疆农作物广泛采用农用地膜种植[1]。截至2021年，仅新疆农作物覆膜面积已达到393 万多hm2，占总播种面积的70%以上，每年使用地膜总质量约25 万t，使用后的地膜容易残留在农田土壤中，对土壤的性质、作物的生长及周边的环境造成较大的破坏[2]。随着残膜回收机械的出现及发展，现有的残膜回收机械很大程度上可以解决棉田中地膜残留问题。

废旧地膜是一种可再生资源。近些年，随着残膜回收再利用技术的提出，棉农们开始采用人工分拣方式将残膜混合物中的残膜分离出来，农民可将其分离后的残膜出售给塑料生产企业。分离后的残膜加工成滴灌带及其他塑料产品，可节约70%的原材料[3-4]。人工分离方式虽然能产生一定效益，但劳动强度大，工作效率低，成本高，很难推广和应用[5]。近些年先后出现了一些膜杂混合物分离机械，利用水洗或者风选的方法进行分离，但都存在残膜分离率不高的问题。为提升我国残膜回收再利用机械化水平，应综合分析机收残膜混合物膜杂分离机械化水平现状，研制适合我国国情的残膜混合物膜杂分离机械，对于提高残膜回收再利用率、改善环境污染问题，具有非常重要的实用意义[6]。

1 残膜混合物成分及膜杂分离要求

1.1 残膜混合物成分

残膜回收机类型较多，各种残膜回收机回收后的残膜混合物成分基本一致，主要由条状或片状的旧膜、棉秆及土块等杂物构成，但混合物中各成分所占比例存在一定差异。研究结果表明[7]：弹齿式残膜回收机回收后的残膜混合物中，土壤约占18%，残膜约占30%，棉秆等杂质约占52%；铲筛式残膜回收机回收后的残膜混合物中，土壤约占25%，残膜约占30%，棉秆等杂质占约45%。（以上均为质量比，以下同）从总体上看，残膜混合物各成分相互缠绕，打结较为严重。

1.2 膜杂分离技术要求

膜杂分离是残膜回收再利用技术的关键环节，具有作业难度大、分离要求高的特点。残膜混合物各成分缠绕打结，如果分离效果不好，需要进行二次分离。因此对膜杂分离作业要求包括：①膜杂分离后残膜的含杂率要低于5%，分离后杂物的含膜率要低于10%，从而减少二次人工分离的劳动强度；②尽量提高膜杂分离效率，缩短分离作业周期；③膜杂分离作业成本要低，从而提高经济效益；④分离后的残膜及棉秆要及时运输、储存。

2 国内膜杂分离机械的研究现状

2.1 国外研究现状

国外为了减少地膜覆盖而引起的残膜对环境污染的问题，农作物种植一直使用高强度、厚度较厚的地膜，在地膜使用后，通过卷收方式进行残膜回收，回收效率高，回收后的残膜含杂率低，可二次使用或者加工成塑料颗粒，因此，未见到有关残膜回收后残膜混合物分离机械的报道[8]。

2.2 国内研究现状

国内对残膜混合物分离技术的研究已经取得一些进展，主要是采用风选分离及水洗分离等方法。风选分离法根据残膜混合物中残膜及棉秆在空气场中的悬浮特性差异大的原理进行分离，水洗分离法根据残膜混合物在液体中漂浮特性不同的原理进行分离[9]。

如图1 所示，张海芸等人设计了一种利用风选分离法的废旧地膜清洁装置[10]，该装置主要包括膜杂分离部件和地膜清理部件，膜杂分离部件包括滚筒、拨杆轮、风机和输送部件。该机构的工作原理为：残膜混合物通过输送部件传送至拨杆轮，风机将输送部件末端的残膜混合物吹向滚筒，滚筒内设置有偏心结构的拨杆轮，在风机风力的作用下，拨杆轮上的拨杆齿将挂住残膜，并旋转将残膜输送至进料口，残膜混合物中的棉秆及土块则从输送部件末端滑落，从而实现残膜混合物的膜杂分离。

图1 残膜清洁机构的结构原理图

如图2 所示，康建明等设计了一种利用风选分离法的农田残膜清杂机构[11]，该机构主要包括机架、除杂部件、打散部件、脱膜部件及风机等部分。该机构的工作原理为：残膜混合物从进料口进入，通过打散部件中的旋转钉辊的旋转打击，将残膜混合物打散，随后，残膜混合物被抛撒到除杂部件中，除杂部件包括除杂滚筒和格条栅，除杂滚筒旋转，将打散后的残膜混合物碾压后送入格条栅，在除杂滚筒较大冲击作用下，棉秆等杂物被排入清杂部件，残膜进入脱膜机构，在脱模滚筒高速旋转下，强制被脱开，进入出料口，由风机将残膜吹入集膜箱。

图2 残膜清杂机构的结构原理图

如图3 所示，石河子大学李俊虹等人设计了一种提升器式膜杂分离装置[12]，主要包括排污泵、膜箱提升部件、箱体、提升部件、电机等部分。该装置的工作原理为：作业时，残膜混合物从进料口进入，螺旋叶片旋转，产生向下推进力，残膜混合物向箱体的下方运动，排污泵工作，将残膜从进口管吸入，输送至收膜箱，棉秆等杂物漂浮于水面上，被螺旋提升器提升至棉秆出料口送出，实现残膜与棉秆的分离。

图3 提升器式膜杂分离机构的结构原理图

如图4 所示，山东省农业机械科学研究院的康建明等人，根据膜杂混合物中各成分空气动力学特性的不同，设计一种气力式膜杂分离装置[13]，主要包括风机、滚筒筛、叶片、外壳、电机及集膜箱等。该装置工作原理为：工作时，风机产生气流，滚筒筛缓慢旋转，残膜混合物从进料口进入滚筒筛，残膜混合物在滚筒筛旋转的状态下做抛体运动，残膜在滚筒筛内处于游离状态，根据残膜与杂质在空气中受力后的沉降规律不同，残膜被风机的气流吹向滚筒筛末端，进入集膜箱内，残膜混合物中的棉秆由叶片推送，从出料口排出，实现残膜与杂质的分离。

图4 气力式膜杂分离装置的结构原理图

如图5 所示，石河子大学李俊虹等人，根据膜杂混合物各成分在液体中漂浮特性的不同，设计一种水洗膜杂分离装置[12]，主要包括集秆箱、集秆板、水位传感器、分离箱、喷头、水泵等。该装置工作原理为：使用前，在分离箱中加入水，工作时，从进料斗中放入残膜混合物，残膜混合物进入分离箱中，漂浮在水面上，在喷头喷射的作用下，残膜与棉秆的姿态改变，棉秆因密度小于水而漂浮在水面，残膜因展开平铺状态而位于水层中间，土块等杂质沉入水底。随着水体流动，残膜混合物到达分离箱末端时，集秆板旋转将漂浮在水面上的棉秆打捞，收集至集秆箱中，残膜则会进入收集箱内，其中，水泵将分离箱中的水吸取，送至喷水管，实现水的循环。

图5 水洗膜杂分离装置的结构原理图

如图6 所示，石河子大学何浩猛等人，在李俊虹等人研制的膜杂分离机构基础上进行改进，根据膜杂混合物在水流作用下的漂浮特性不同，设计一种叶轮驱动式水洗膜杂分离装置[14]，主要包括集膜箱、集秆箱、旋转板、叶轮、分离箱及水泵等。该装置工作原理为：使用前，在分离箱中加入水，工作时，将残膜混合物放入分离箱中，打开水泵及电机开关，水泵产生水流压力，电机驱动叶轮旋转，分离箱中的水流形成螺旋推进力，残膜混合物在水流的作用下，形成沉降分离状态，棉秆因密度小于水而漂浮在水面，残膜因展开平铺状态而位于水层中间，土块等杂质沉入水底。随着水体流动，残膜混合物到达分离箱末端时，集秆板旋转将棉秆打捞，收集至集秆箱中，残膜则会进入集膜箱内，其中，水泵将分离箱中的水吸取，送至喷水管，实现水的循环。

图6 叶轮驱动式水洗膜杂分离装置的结构原理图

3 存在的问题

近些年，研究残膜回收再利用技术的人员逐渐增多，残膜混合物分离机械也逐步在发展，但就目前的发展情况看，仍存在一些问题：第一，农业种植户对环境保护的意识不强，目前还存在将残膜回收机回收的残膜焚烧、填埋的现象；第二，膜杂分离难度大，现有的膜杂分离机械尚不成熟，难以让种植户购买；第三，由于残膜再利用工艺的制约，分离回收后的残膜价格不能达到种植户的心理预期，种植户分离回收的积极性不高。

4 结语

近年来，随着农田环境保护的大力推进，残膜回收再利用技术也在不断发展。目前虽然已有研发人员和研发单位对残膜混合物膜杂分离机械进行了研究和生产，基本功能已经实现，但相关技术还不够成熟，现有的膜杂分离机械还存在分离率不高、含杂率较高等问题。新疆地区棉花种植面积广，年使用地膜总质量约25 万t，残膜再利用率不到10%，造成一定环境污染和资源浪费。面对我国农业对环境要求的进一步提高，促进我国残膜回收再利用技术的发展势在必行。提高种植户的环境保护意识，研究开发适合我国国情的残膜混合物膜杂分离机械，不仅具有重要的战略意义，而且具有重要的现实价值。