机收农田残膜混合物膜杂分离机械的研究与发展

麦尔耶姆·艾萨

本文对机收农田残膜混合物膜杂分离机械的研究与发展进行分析，最先针对机收农田残膜混合物膜杂分离的要求进行阐述与分析，之后以国内外研究现状作为主要的基础，对现今我国的膜杂分离机械总体设计与零部件设计进行分析，旨在提升机收农田残膜混合物膜杂分离机械的运行质量与效率，进而有效提升农田种植率。

农田在种植时，为了提高产量，通常会使用地膜进行覆盖。但是在使用完成之后，需要将机收农田中的地膜收集撤掉。在该过程中，由于残膜混合物的处理与收集技术不佳，会导致周边的环境污染，而且残膜也得不到良好的使用，对于种植业以及能源回收不具有良好的效果。因此需要加强残膜混合物膜杂分离机械的研究，对残膜起到良好的回收作用。

一、机收农田残膜混合物膜杂分离要求

我国的地膜回收利用起步较晚，目前每年的废旧地膜产量高达3000 万吨，约占全世界废弃金属矿产资源总量的1/3，这些废弃的金属矿产资源大部分被用于生产建材、钢铁、有色冶金、化工、机械及建筑材料等行业，同时也产生了巨大的环境污染。由于我国目前还没有残膜回收利用技术及产品产业化开发，导致大量的废旧地膜没有得到有效的回收和利用，造成了严重的浪费和环境污染。据统计，每年有大约3 亿吨废旧农用地膜未被回收利用或不完全分解降解而残留于土壤中，约占农作物播种面积的40%。我国每年使用的废弃农用残膜约为6000 万吨，其中残留在农田土壤中的残膜总量达8000 万吨。由于废旧农用残膜中含有大量有毒有害物质和难降解有机物质，因此造成了严重的生态污染和环境破坏现象。我国废旧农用残膜回收机械化作业程度较低，由于地膜残留后会严重影响农作物生长，降低作物产量和品质。据统计2009 年我国一年就有3 亿吨残留在土壤中未被分解降解的地膜污染环境。因此研制开发高效、低成本、无污染、可连续作业、适应性强的残膜回收机械和装置是我国农膜回收机械化实现技术突破与产业化应用所面临重要课题。据统计我国每年农膜损失量约为3 亿吨（含焚烧），而且农膜对农作物生长造成不良影响，农民收入以及农民生活水平提高都有很大负面影响。

二、机收农田残膜混合物膜杂分离机械研究与发展

1、膜杂分离机械研究现状

①国外研究现状

国外在机收农田的残膜混合物膜杂分离机械研究方面的进度相对较慢，因为在国外种植业中，其采用地膜来对种植地进行保护，该种地膜在实际的应用中具备良好的保护性，且厚度足够，在回收残膜的过程中能够遗留较少的杂物，并且回收率较高，回收后的膜分离需求不大，因此在膜杂分离机械方面的探究与发展相对不足。

②国内研究现状

国内针对膜杂分离机械的研究已相对成熟，能够通过不同的手段针对膜杂分离机械进行更新研究。在实际的研究中，主要可以分为风选分离以及水洗分离两种模式。其中风选分离方式是通过气流的悬浮特性以及气压差来分离膜杂。而水洗分离则是根据水中不同的物体漂浮特性来进行分离。其中风选分离机械中主要使用到风机以及输送部件。在实际操作过程中，风机可以将残膜混合物吹向滚筒，由于风力的悬浮特性，能够让膜杂分离开。而水洗分离需要将混合物放入到分离装置中，借助水体漂浮作用，在喷射作用下实现自身的状态变化，实现膜杂分离。

2、整体总机设计方案

①工作原理

我国现有农用残膜回收机械主要是在原有农用残膜抛洒播撒机和残膜机基础上改进设计和开发制造出了专用于联合收获机使用的系列农用残膜回收机和农膜杂分离机械设备以及专用机具等系列产品，其主要工作原理是：通过传动机构将农膜堆或残膜抛洒装置中的残膜（包括地膜垃圾、残膜块、碎残物）进行强制破碎分离成小于3mm 左右颗粒或粉状固体杂质后进行分离处理。

②总体结构

机收农田残膜混合物膜杂分离机械总体结构主要由滚筒、机架、动力系统，以及分离装置等组成。该机设计合理，功能齐全，能够将各种类型的残膜、地膜及残土有效地进行分离，实现了残膜回收机械化作业。同时，该机采用了先进的控制系统和液压系统，可以方便进行检修和维护。另外，本机还具有整机重量轻、体积小，安装方便等特点。但是膜杂分离装置的设计是通过机械结构实现将膜和膜杂分离，在不影响使用效果的前提下可以有效的解决二次污染问题，同时也有利于提高机器使用寿命。由于膜杂分离装置采用了机械结构设计的方式，可使膜与膜之间相互碰撞而造成二次污染。但使用过程中也存在着一些问题。由于回收物是湿的，在收集后由于高温和高压也会导致膜上吸附的杂质脱落下来进入空气导致二次污染。另外膜杂分离装置采用机械结构，在操作过程中存在一定的危险性；由于设备的密封性差，可能会造成操作人员或者其他机械发生意外等影响正常工作。

3、零部件设计

①收膜装置

将残膜混合物与各种杂质分离开来，是当前提高地膜回收率、实现地膜清洁生产的关键。残膜混合物与各种杂质不能分离开来，就无法从根本上解决问题，从而不能实现地膜清洁生产。在这个过程中，需要对膜上附着的各种颗粒、残膜等物质进行分选、脱杂处理。该系列机械可在土壤和作物上直接进行作业，无需对土壤、作物进行复杂的加工和分离。该系列机械可采用振动分选系统对作物残膜、杂草等混合物进行分选收集，实现了残膜级的连续分离；并以机械为核心，通过对土壤、作物上附着的各种杂质进行深度处理去除农膜等各种杂质，可实现农膜及残布清洁生产和清洁回收。

采用膜分离技术回收废旧地膜，可实现膜的回收、运输和利用一体化，避免了废膜的二次污染。采用膜分离技术回收废旧地膜对农业生产有重大意义，可以有效保护土壤环境，降低地膜残留对我国生态环境的影响。采用膜分离机对残膜进行分离、收集、运输和利用，将残膜混合物与杂质分开，可有效避免由于物理、化学方法收集过程中产生的二次污染。对于使用机械破碎回收废旧地膜的机械设备而言，采用非连续式粉碎方式将其破碎至小于5mm 大小后，将其送入残膜机进行收集处理；对于使用连续式收购方法处理废旧地膜而言，在对机器进行粉碎时必须将其粉碎至小于3mm 左右才可以进行回收，否则容易使机器产生堵塞等问题。连续式残膜收集一体机通过液压系统自动控制，工作时，先通过输送链将残膜和薄膜混合物送入到粉碎机中，粉碎机开盖后自动将残膜混合物输送进集捡器里。粉碎机内的粉碎室内装有高速旋转粉碎刀片，可以将残膜和薄膜混合物以一定速度粉碎成直径小于5mm 的碎块，然后送入集捡器内进行收集，这样可以实现连续化作业。该系列产品采用了PLC 控制，机械设计合理，安全可靠；工作效率高，一次可完成回收废旧地膜和粉碎废料2 次作业；操作简单，安全可靠，不伤手、不污染环境、不损坏耕地、操作简单等特点。

②台架装置

机收农田残膜混合物膜杂分离机械台架装置，采用斜撑杆将整个机体支撑在底座上。斜撑杆由二个斜撑杆槽组成，各槽中有四根支柱，之间通过二根斜撑杆连接。一、二、三槽支撑架分别由两个斜撑杆槽和一根斜撑杆槽组成，各斜撑杆通过二根立柱与二槽支承在一起。支撑架由二个立柱支承，在一根立柱上装上横撑和竖撑，横支下面装有横撑。四个立柱支承各设一只斜撑的顶端设有水平调整装置，可在两个支点之间调节高度。四个立柱支承均为对称结构，其侧方和顶部分别设一个水平调整杆。五个立柱支承均采用圆钢管作材料，底部设有4cm×8cm 的垫块和一个底脚螺栓固定在底座上。五个立柱支承均采用四根圆钢管和两根方木做材料的支撑架来支撑机体。机身安装后为便于拆卸和维修，在机体下面设有两支斜撑杆的斜撑杆槽和一根方木作支撑架。斜撑的斜度可根据需要调节，可调范围为4°-15°。为便于拆卸和维修，每个立柱上还设有一个固定螺丝。底座为高8cm的圆柱形，底座上设有二个直径分别是10cm 和20cm 的螺栓孔。每根立柱上可装一只横撑，横柱下面还设有一只横撑槽孔，每只横撑杆下面设有一个横柱孔。横撑和横柱孔距立柱高度均为8cm，斜撑槽和立柱支承的距离为20cm。机体安装后，每个立柱上各安装一个方木，之间用螺栓连接。

横撑和竖撑通过可调连接件与立柱支承焊接在一起，横杆上的可调节装置可以调整两个横撑的高度。横撑和竖杆之间的高度调节器装有可调连接件，可通过旋转调节手柄来调节两个横撑和竖撑的高度。横撑、竖杆之间的连接部位为一个螺母，上有三个螺栓，分别与三个可调连接件相结合，螺母下面有垫圈，下面还有一个螺母座。该装置的主要特征在于：横、竖杆间采用可调连接件与立柱支承焊接在一起，横、竖杆之间安装高度调节器；横撑处两支横撑中间装有一个可调整手柄；横撑处三支横撑中间装有两只可调连接件；横撑处两支斜撑中间装有一只可调节高度的螺丝。

③输送装置机构

输送装置是其中传动箱包括一台传动轴，一只带有传动链轮的皮带轮和一只具有导向齿的带轮（即行走齿条），皮带轮上设有一组齿轮（即行走齿条）。动力输出系统：由电机、变速装置和动力换挡变速箱组成，其变速装置包括一个带有齿轮的轴和一个带有皮碗机构来驱动齿轮。传动系统：由链轮变速箱同步器2、离合器等组成：其中同步器由二只带传动齿轮组成；驱动系统包括电机以及离合器1 和离合器2，其主要作用是使变速箱内的发动机与传动轴通过同步带驱动齿轮啮合，从而将变速箱内的传动系统传递给各驱动电机来推动车辆前进；变速装置：有两只皮带轮，一只带有皮碗机构来驱动两只皮带轮。

④分离装置结构

目前国内外常用的膜材料有聚丙烯、聚氯乙烯、聚偏二氯乙烯等材质，常用塑料为PVDF 树脂，采用PVDF 树脂作为原料生产出来的膜材具有低收缩率、高强度、耐老化特性，适用于化工行业废水的预处理。通过不同方式的过滤，对含有悬浮物等污染物的水进行预处理，将其降至可以循环利用的水平，以满足后续处理系统工艺条件的要求。通过反渗透膜处理工艺，可对各种工业用水和市政生活用水进行深度净化与回用。用于城市供水管网末梢的节水灌溉，提高了水资源的利用率。利用超滤膜过滤技术，可以处理生活污水和工业废水。通过膜分离技术来达到污水资源化的目的，该技术在化工行业废水处理中得到了广泛采用。利用膜分离技术可以有效地回收和再利用化工废水中的有用物质，包括有机物和无机物，回收成本低。机械膜分离技术是一种应用广泛的水处理技术，被广泛用于工业、农业和日常生活用水等领域。采用膜过滤的方法来处理废水，既可以减少废水处理费用，又可以提高处理效率。机械膜过滤技术具有很多优点：它可以在短时间内有效地除去水中的悬浮物、有机物、细菌等有害物质；同时还可通过机械膜法对不同成分的水中进行分离。此外，这种方法还具有操作简单、不受水源水质限制等优点。

膜杂分离装置采用了具有自清洗功能的过滤方式，从而可以在分离前就对分离装置进行清洗。该装置采用了新型的自清洗过滤系统，该系统能自动保持其过滤效果并能保证其工作过程中不会因为物料吸附而降低其过滤效果。机械膜杂分离装置由于自身结构设计及加工制造上的特点，因而具有良好的防尘性能、耐高温性能、防堵塞性能；在生产过程中，由于采用了防堵技术对过滤介质进行冲洗，使得机械膜杂分离设备具有良好的防尘效果。膜杂分离装置作为一种新型的分离设备，已在农业上得到了广泛应用。同时，根据国内外研究现状，膜杂分离装置具有较好的发展前景。机收农田残膜混合物膜杂分离机械膜杂分离装置是由两台（一高、一低）分离机组成的，分离出的残膜混合物从高处进入下置的集料收集箱。两台分离机分别是：一台高分离机和一台低分离机。高分离机由刮板、链轮链传动装置、链板驱动装置；低分离机采用双链条传动，链轮固定在高分离机上，链条通过齿轮直接与链条啮合运动。两台分离机收获的残膜混合物都是由一个输送箱运至收集箱，然后分别进入不同的输送箱、分拣盒内，经输送箱内的传送带将残膜混合物送至不同收集容器。两台分离机都是由电机带动，在正常工作状态下（无负载）不会产生噪音，在工作状态下会发出低噪声或杂音。该设备能够有效保证机械运行时没有噪声和振动产生并将其消除；能够有效减少机器磨损，延长机器使用寿命；能够有效提高机器工作效率、降低能耗、减少物料损失。

该机可根据需要配置不同的分离机，满足不同作业要求；可根据用户需求配备不同规格的收集容器（圆筒状），用于收集玉米秸秆等多种生物质残膜，便于进行二次利用；该机在分离过程中无物料飞溅，不会对环境造成污染。该机可加装光电检测装置，用于检测筛分过程中的残膜混合物的浓度，以便进行调整和报警。由于采用液压驱动，在正常工作状态下，系统不产生振动、噪声，不会出现机械部件的损伤和磨损，降低了物料损失、延长了机器使用寿命。传动形式为链条式+链轮；传动距离较远。由于是由两台机器联合作业，提高了工作效率，增加了作业量，增加了产量。分离效果好：分离出来的残膜混合物颗粒细小均匀，破碎率高（破碎后能达到95%以上），残膜的长度一般在5-10cm 之间。分离效果好：使用该装置能将作物秸秆、杂草和麦秸等完全分离开来，避免了二次污染。操作简单，劳动强度低：采用机械驱动方式，操作非常简单方便，没有复杂的装置和零件组装等工序过程。维修方便：该装置可以对分离后的物料进行单独分开放置。适应性强：本产品可在农田中进行作业，无需担心环境的影响。

总而言之，机收农田残膜混合物膜杂分离机械的研究与应用需要加强，以提升农田中残膜的处理效率，因此需要就膜杂分离机械的研究以及发展情况进行全面分析，就其总体结构设计以及主要零部件的设计进行分析，将其中运行原理与残膜处理的效果明确，为后续的机收农田残膜混合物的发展提供参考。