機(jī)收殘膜混合物膜雜分離機(jī)械的研究現(xiàn)狀

張 佳，胥 俊，黃 勇

（1 新疆工程學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院；2 激光智能制造與再制造工程技術(shù)研究中心：新疆烏魯木齊，830023）

隨著農(nóng)用地膜覆蓋技術(shù)的不斷發(fā)展，新疆農(nóng)作物廣泛采用農(nóng)用地膜種植[1]。截至2021年，僅新疆農(nóng)作物覆膜面積已達(dá)到393 萬(wàn)多hm2，占總播種面積的70%以上，每年使用地膜總質(zhì)量約25 萬(wàn)t，使用后的地膜容易殘留在農(nóng)田土壤中，對(duì)土壤的性質(zhì)、作物的生長(zhǎng)及周邊的環(huán)境造成較大的破壞[2]。隨著殘膜回收機(jī)械的出現(xiàn)及發(fā)展，現(xiàn)有的殘膜回收機(jī)械很大程度上可以解決棉田中地膜殘留問(wèn)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(shù)的提出，棉農(nóng)們開(kāi)始采用人工分揀方式將殘膜混合物中的殘膜分離出來(lái)，農(nóng)民可將其分離后的殘膜出售給塑料生產(chǎn)企業(yè)。分離后的殘膜加工成滴灌帶及其他塑料產(chǎn)品，可節(jié)約70%的原材料[3-4]。人工分離方式雖然能產(chǎn)生一定效益，但勞動(dòng)強(qiáng)度大，工作效率低，成本高，很難推廣和應(yīng)用[5]。近些年先后出現(xiàn)了一些膜雜混合物分離機(jī)械，利用水洗或者風(fēng)選的方法進(jìn)行分離，但都存在殘膜分離率不高的問(wèn)題。為提升我國(guó)殘膜回收再利用機(jī)械化水平，應(yīng)綜合分析機(jī)收殘膜混合物膜雜分離機(jī)械化水平現(xiàn)狀，研制適合我國(guó)國(guó)情的殘膜混合物膜雜分離機(jī)械，對(duì)于提高殘膜回收再利用率、改善環(huán)境污染問(wèn)題，具有非常重要的實(shí)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(jī)類型較多，各種殘膜回收機(jī)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(gòu)成，但混合物中各成分所占比例存在一定差異。研究結(jié)果表明[7]：彈齒式殘膜回收機(jī)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(zhì)約占52%；鏟篩式殘膜回收機(jī)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(zhì)占約45%。（以上均為質(zhì)量比，以下同）從總體上看，殘膜混合物各成分相互纏繞，打結(jié)較為嚴(yán)重。

1.2 膜雜分離技術(shù)要求

膜雜分離是殘膜回收再利用技術(shù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，具有作業(yè)難度大、分離要求高的特點(diǎn)。殘膜混合物各成分纏繞打結(jié)，如果分離效果不好，需要進(jìn)行二次分離。因此對(duì)膜雜分離作業(yè)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(dòng)強(qiáng)度；②盡量提高膜雜分離效率，縮短分離作業(yè)周期；③膜雜分離作業(yè)成本要低，從而提高經(jīng)濟(jì)效益；④分離后的殘膜及棉稈要及時(shí)運(yùn)輸、儲(chǔ)存。

2 國(guó)內(nèi)膜雜分離機(jī)械的研究現(xiàn)狀

2.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

國(guó)外為了減少地膜覆蓋而引起的殘膜對(duì)環(huán)境污染的問(wèn)題，農(nóng)作物種植一直使用高強(qiáng)度、厚度較厚的地膜，在地膜使用后，通過(guò)卷收方式進(jìn)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(jiàn)到有關(guān)殘膜回收后殘膜混合物分離機(jī)械的報(bào)道[8]。

2.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)對(duì)殘膜混合物分離技術(shù)的研究已經(jīng)取得一些進(jìn)展，主要是采用風(fēng)選分離及水洗分離等方法。風(fēng)選分離法根據(jù)殘膜混合物中殘膜及棉稈在空氣場(chǎng)中的懸浮特性差異大的原理進(jìn)行分離，水洗分離法根據(jù)殘膜混合物在液體中漂浮特性不同的原理進(jìn)行分離[9]。

如圖1 所示，張海蕓等人設(shè)計(jì)了一種利用風(fēng)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(fēng)機(jī)和輸送部件。該機(jī)構(gòu)的工作原理為：殘膜混合物通過(guò)輸送部件傳送至撥桿輪，風(fēng)機(jī)將輸送部件末端的殘膜混合物吹向滾筒，滾筒內(nèi)設(shè)置有偏心結(jié)構(gòu)的撥桿輪，在風(fēng)機(jī)風(fēng)力的作用下，撥桿輪上的撥桿齒將掛住殘膜，并旋轉(zhuǎn)將殘膜輸送至進(jìn)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(shí)現(xiàn)殘膜混合物的膜雜分離。

圖1 殘膜清潔機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)原理圖

如圖2 所示，康建明等設(shè)計(jì)了一種利用風(fēng)選分離法的農(nóng)田殘膜清雜機(jī)構(gòu)[11]，該機(jī)構(gòu)主要包括機(jī)架、除雜部件、打散部件、脫膜部件及風(fēng)機(jī)等部分。該機(jī)構(gòu)的工作原理為：殘膜混合物從進(jìn)料口進(jìn)入，通過(guò)打散部件中的旋轉(zhuǎn)釘輥的旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)，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(jìn)入脫膜機(jī)構(gòu)，在脫模滾筒高速旋轉(zhuǎn)下，強(qiáng)制被脫開(kāi)，進(jìn)入出料口，由風(fēng)機(jī)將殘膜吹入集膜箱。

圖2 殘膜清雜機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)原理圖

如圖3 所示，石河子大學(xué)李俊虹等人設(shè)計(jì)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(jī)等部分。該裝置的工作原理為：作業(yè)時(shí)，殘膜混合物從進(jìn)料口進(jìn)入，螺旋葉片旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生向下推進(jìn)力，殘膜混合物向箱體的下方運(yùn)動(dòng)，排污泵工作，將殘膜從進(jìn)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(shí)現(xiàn)殘膜與棉稈的分離。

圖3 提升器式膜雜分離機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)原理圖

如圖4 所示，山東省農(nóng)業(yè)機(jī)械科學(xué)研究院的康建明等人，根據(jù)膜雜混合物中各成分空氣動(dòng)力學(xué)特性的不同，設(shè)計(jì)一種氣力式膜雜分離裝置[13]，主要包括風(fēng)機(jī)、滾筒篩、葉片、外殼、電機(jī)及集膜箱等。該裝置工作原理為：工作時(shí)，風(fēng)機(jī)產(chǎn)生氣流，滾筒篩緩慢旋轉(zhuǎn)，殘膜混合物從進(jìn)料口進(jìn)入滾筒篩，殘膜混合物在滾筒篩旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)下做拋體運(yùn)動(dòng)，殘膜在滾筒篩內(nèi)處于游離狀態(tài)，根據(jù)殘膜與雜質(zhì)在空氣中受力后的沉降規(guī)律不同，殘膜被風(fēng)機(jī)的氣流吹向滾筒篩末端，進(jìn)入集膜箱內(nèi)，殘膜混合物中的棉稈由葉片推送，從出料口排出，實(shí)現(xiàn)殘膜與雜質(zhì)的分離。

圖4 氣力式膜雜分離裝置的結(jié)構(gòu)原理圖

如圖5 所示，石河子大學(xué)李俊虹等人，根據(jù)膜雜混合物各成分在液體中漂浮特性的不同，設(shè)計(jì)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(shí)，從進(jìn)料斗中放入殘膜混合物，殘膜混合物進(jìn)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(tài)改變，棉稈因密度小于水而漂浮在水面，殘膜因展開(kāi)平鋪狀態(tài)而位于水層中間，土塊等雜質(zhì)沉入水底。隨著水體流動(dòng)，殘膜混合物到達(dá)分離箱末端時(shí)，集稈板旋轉(zhuǎn)將漂浮在水面上的棉稈打撈，收集至集稈箱中，殘膜則會(huì)進(jìn)入收集箱內(nèi)，其中，水泵將分離箱中的水吸取，送至噴水管，實(shí)現(xiàn)水的循環(huán)。

圖5 水洗膜雜分離裝置的結(jié)構(gòu)原理圖

如圖6 所示，石河子大學(xué)何浩猛等人，在李俊虹等人研制的膜雜分離機(jī)構(gòu)基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，根據(jù)膜雜混合物在水流作用下的漂浮特性不同，設(shè)計(jì)一種葉輪驅(qū)動(dòng)式水洗膜雜分離裝置[14]，主要包括集膜箱、集稈箱、旋轉(zhuǎn)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(shí)，將殘膜混合物放入分離箱中，打開(kāi)水泵及電機(jī)開(kāi)關(guān)，水泵產(chǎn)生水流壓力，電機(jī)驅(qū)動(dòng)葉輪旋轉(zhuǎn)，分離箱中的水流形成螺旋推進(jìn)力，殘膜混合物在水流的作用下，形成沉降分離狀態(tài)，棉稈因密度小于水而漂浮在水面，殘膜因展開(kāi)平鋪狀態(tài)而位于水層中間，土塊等雜質(zhì)沉入水底。隨著水體流動(dòng)，殘膜混合物到達(dá)分離箱末端時(shí)，集稈板旋轉(zhuǎn)將棉稈打撈，收集至集稈箱中，殘膜則會(huì)進(jìn)入集膜箱內(nèi)，其中，水泵將分離箱中的水吸取，送至噴水管，實(shí)現(xiàn)水的循環(huán)。

圖6 葉輪驅(qū)動(dòng)式水洗膜雜分離裝置的結(jié)構(gòu)原理圖

3 存在的問(wèn)題

近些年，研究殘膜回收再利用技術(shù)的人員逐漸增多，殘膜混合物分離機(jī)械也逐步在發(fā)展，但就目前的發(fā)展情況看，仍存在一些問(wèn)題：第一，農(nóng)業(yè)種植戶對(duì)環(huán)境保護(hù)的意識(shí)不強(qiáng)，目前還存在將殘膜回收機(jī)回收的殘膜焚燒、填埋的現(xiàn)象；第二，膜雜分離難度大，現(xiàn)有的膜雜分離機(jī)械尚不成熟，難以讓種植戶購(gòu)買；第三，由于殘膜再利用工藝的制約，分離回收后的殘膜價(jià)格不能達(dá)到種植戶的心理預(yù)期，種植戶分離回收的積極性不高。

4 結(jié)語(yǔ)

近年來(lái)，隨著農(nóng)田環(huán)境保護(hù)的大力推進(jìn)，殘膜回收再利用技術(shù)也在不斷發(fā)展。目前雖然已有研發(fā)人員和研發(fā)單位對(duì)殘膜混合物膜雜分離機(jī)械進(jìn)行了研究和生產(chǎn)，基本功能已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，但相關(guān)技術(shù)還不夠成熟，現(xiàn)有的膜雜分離機(jī)械還存在分離率不高、含雜率較高等問(wèn)題。新疆地區(qū)棉花種植面積廣，年使用地膜總質(zhì)量約25 萬(wàn)t，殘膜再利用率不到10%，造成一定環(huán)境污染和資源浪費(fèi)。面對(duì)我國(guó)農(nóng)業(yè)對(duì)環(huán)境要求的進(jìn)一步提高，促進(jìn)我國(guó)殘膜回收再利用技術(shù)的發(fā)展勢(shì)在必行。提高種植戶的環(huán)境保護(hù)意識(shí)，研究開(kāi)發(fā)適合我國(guó)國(guó)情的殘膜混合物膜雜分離機(jī)械，不僅具有重要的戰(zhàn)略意義，而且具有重要的現(xiàn)實(shí)價(jià)值。