喬建偉

（山西省農(nóng)業(yè)機(jī)械發(fā)展中心，山西 太原 030002）

農(nóng)用地膜的使用可以在作物出苗、生長(zhǎng)階段起到調(diào)光、保溫、保水、護(hù)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(chǎn)和畝產(chǎn)。20世紀(jì)50年代，我國(guó)開(kāi)始逐步推廣農(nóng)用地膜的使用，經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展已是全世界地膜使用量最大的國(guó)家，可耕地范圍內(nèi)大部分地區(qū)均有地膜使用，其中新疆、甘肅、內(nèi)蒙、東北等地區(qū)農(nóng)用地膜使用量大、面積廣，為我國(guó)的農(nóng)業(yè)發(fā)展起到了很大的促進(jìn)作用。

目前，在用地膜均為一次性產(chǎn)品，使用后遺留在田間，下次種植時(shí)再鋪設(shè)新地膜，但是地膜作為塑料制品，無(wú)法自然降解，而可降解地膜在田間降解時(shí)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(duì)地膜進(jìn)行回收，地膜長(zhǎng)期留田一方面會(huì)影響農(nóng)作物根系的生長(zhǎng)，加劇病蟲(chóng)害，到一定程度時(shí)影響畝產(chǎn)單產(chǎn)；另一方面作為化工制品伴隨著農(nóng)作物生長(zhǎng)最終會(huì)在農(nóng)產(chǎn)品中會(huì)有一定殘留，嚴(yán)重影響農(nóng)產(chǎn)品安全及質(zhì)量品質(zhì)。近年來(lái)，廢舊地膜已然成為農(nóng)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(wèn)題引起了各方面的廣泛關(guān)注，而通過(guò)殘膜回收機(jī)清理地膜是目前唯一在用的方法，也是清理白色污染最經(jīng)濟(jì)、簡(jiǎn)單的方法。

殘膜回收機(jī)是清理回收農(nóng)田中殘留地膜的機(jī)械，通常以拖拉機(jī)為動(dòng)力源，作業(yè)時(shí)懸掛或牽引殘膜回收機(jī)械，完成土壤表層和淺層農(nóng)用殘膜的起膜、收集。按起膜時(shí)間可分為苗期回收機(jī)，收獲后回收機(jī)，其中收獲后回收機(jī)是目前為止使用最多、需求最大的機(jī)具。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展已經(jīng)形成對(duì)該產(chǎn)品需求的以下共識(shí)：作業(yè)方面，不局限于單功能作業(yè)，要求多功能一體化的殘膜回收；注重機(jī)器的適應(yīng)性，可應(yīng)對(duì)不同土壤、氣候、作物、地形條件；注重殘膜回收綜合作業(yè)成本；注重機(jī)器可靠性，更易操作。這些共識(shí)也是殘膜回收機(jī)具未來(lái)發(fā)展的重要方向。對(duì)目前市場(chǎng)上現(xiàn)有的幾類(lèi)機(jī)具通過(guò)分析其結(jié)構(gòu)特定、工作原理，結(jié)合實(shí)際性能測(cè)試，對(duì)比分析不同機(jī)具的作業(yè)效果。

1 現(xiàn)有機(jī)具結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其作業(yè)原理

通過(guò)市場(chǎng)調(diào)研近3年的機(jī)具產(chǎn)銷(xiāo)情況，目前市場(chǎng)上現(xiàn)有機(jī)型可大體分為彈齒收集式、挖掘滾篩式、挖掘打捆式三大類(lèi)機(jī)型，機(jī)型機(jī)具機(jī)構(gòu)特點(diǎn)及其工作原理如下。

1.1 彈齒收集式殘膜回收機(jī)

彈齒收集式殘膜回收機(jī)由懸掛機(jī)架、2～3排交叉排列的固定式彈齒組成，作業(yè)時(shí)拖拉機(jī)懸掛機(jī)具向前運(yùn)動(dòng)，通過(guò)彈齒與土壤及地膜的接觸，將殘膜鉤纏于彈齒上，作業(yè)一段時(shí)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(jié)構(gòu)機(jī)型是最早的殘膜回收機(jī)型，整機(jī)機(jī)構(gòu)輕便、配套動(dòng)力的要求低，目前全國(guó)大部分地區(qū)仍有使用。通過(guò)多年發(fā)展該機(jī)型在彈齒前通常配套松土犁、松土鏟，工作時(shí)通過(guò)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(yōu)點(diǎn)是一方面松動(dòng)后的土壤便于起膜及收集，另一方面能完成簡(jiǎn)單的田間翻整作業(yè)。

1.2 挖掘滾篩式殘膜回收機(jī)

挖掘滾篩式殘膜回收機(jī)由懸掛或牽引機(jī)架、動(dòng)力傳遞機(jī)構(gòu)、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(jī)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(duì)土壤及地膜完成簡(jiǎn)單分離并輸送至分離滾篩，分離滾篩帶動(dòng)物料旋轉(zhuǎn)進(jìn)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(yè)。該類(lèi)機(jī)型近8年才完善推出，較上一種機(jī)型可以實(shí)現(xiàn)較長(zhǎng)時(shí)間作業(yè)，省去了人工清理機(jī)具上纏繞的地膜，大幅度提高了作業(yè)效率。

1.3 挖掘繞捆式殘膜回收機(jī)

挖掘繞捆式殘膜回收機(jī)由牽引機(jī)架、動(dòng)力傳遞機(jī)構(gòu)、挖掘鏟、土膜輸送分離鏈篩、繞捆機(jī)構(gòu)等組成。在拖拉機(jī)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(duì)土壤及地膜完成分離并輸送至繞捆室內(nèi)，繞捆室內(nèi)各繞捆輥旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)室內(nèi)殘膜旋轉(zhuǎn)成捆，當(dāng)廢膜捆達(dá)到規(guī)定尺寸時(shí)自動(dòng)排除機(jī)外，完成殘膜回收作業(yè)。該類(lèi)機(jī)型可實(shí)現(xiàn)不停機(jī)作業(yè)，且收集好的殘膜捆已經(jīng)形成緊實(shí)密度便于二次運(yùn)輸。

以上3類(lèi)機(jī)具在不同廠家又衍生并改進(jìn)出了許多不同型號(hào)，但是不同機(jī)型的改進(jìn)型號(hào)并未嚴(yán)重影響到實(shí)際殘膜回收作業(yè)時(shí)性能的嚴(yán)重區(qū)別，對(duì)殘膜回收機(jī)進(jìn)行這3類(lèi)機(jī)型的劃分可以很好地代表現(xiàn)有殘膜回收機(jī)的不同產(chǎn)品作業(yè)特性[1]。因此，針對(duì)以上3類(lèi)機(jī)型在同等作業(yè)條件下的性能考核及其參數(shù)測(cè)定。

2 性能測(cè)試

2.1 確定測(cè)試方法

為全面有效地反映機(jī)具實(shí)際作業(yè)時(shí)的綜合作業(yè)效果，測(cè)試樣機(jī)將在殘膜回收需求較大、氣候土壤條件不同的內(nèi)蒙、山西、河南3個(gè)地區(qū)共同進(jìn)行正常作業(yè)情況下的跟機(jī)考查，重點(diǎn)測(cè)試機(jī)具在以上3個(gè)區(qū)域內(nèi)的適用性性能參數(shù)、連續(xù)工作18 h下機(jī)具的可靠性等作業(yè)情況。

目前，針對(duì)殘膜回收機(jī)作業(yè)質(zhì)量有2個(gè)現(xiàn)行有效的產(chǎn)品技術(shù)規(guī)范[2]，分別是農(nóng)業(yè)機(jī)械推廣鑒定大綱DG/T 149—2021《殘膜回收機(jī)》[3]和農(nóng)業(yè)機(jī)械產(chǎn)品作業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)NY/T 1227—2006《殘地膜回收機(jī) 作業(yè)質(zhì)量》[4]，以上2個(gè)技術(shù)規(guī)范性能評(píng)價(jià)項(xiàng)目均為表層殘膜回收率和深層殘膜回收率，且2個(gè)規(guī)范測(cè)試方法基本相同，而大綱中建議的產(chǎn)品合格指標(biāo)（表層殘膜回收率≥80%，深層殘膜回收率≥75%）較作業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中合格指標(biāo)（表層殘膜回收率≥75%，深層殘膜回收率≥65%）要求更嚴(yán)，因此針對(duì)以上3類(lèi)機(jī)型的性能測(cè)試參照大綱執(zhí)行。具體方法如下：

在測(cè)區(qū)對(duì)角線上取5點(diǎn)，每點(diǎn)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(jié)物，分別計(jì)算表層、深層殘膜質(zhì)量的平均值。

回收機(jī)一個(gè)行程內(nèi)等間距選取5個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)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(cè)點(diǎn)按層取出的廢膜去除塵土和水分后稱(chēng)其質(zhì)量，求其平均值。按公式（1）分別計(jì)算表層和深層殘膜回收率。

式中：J——?dú)埬せ厥章剩?；

W——作業(yè)后的表層或深層殘地膜質(zhì)量，g/m2；

W0——作業(yè)前表層或深層殘地膜質(zhì)量，g/m2。

此次測(cè)試各樣機(jī)在各省的殘膜回收純工作時(shí)間均考核18 h，清理機(jī)具中的殘膜時(shí)間及次數(shù)單獨(dú)記錄，每間隔1 h按照上述方法測(cè)定樣機(jī)適用性的性能參數(shù)1次，結(jié)果取同型號(hào)2臺(tái)測(cè)試樣機(jī)的平均值，并記錄考查期間內(nèi)的故障情況及其排除時(shí)間。

2.2 樣機(jī)選擇

通過(guò)2018—2021年為期4年的前期市場(chǎng)調(diào)研和使用現(xiàn)場(chǎng)殘膜回收率實(shí)地測(cè)試，結(jié)合各類(lèi)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其主要參數(shù)配置，選擇出各類(lèi)殘膜回收機(jī)中作業(yè)效率高、用戶(hù)認(rèn)可度好、殘膜回收率高的一個(gè)型號(hào)產(chǎn)品作為測(cè)試產(chǎn)品，每個(gè)型號(hào)產(chǎn)品選擇2臺(tái)出廠合格的新機(jī)為測(cè)試樣機(jī)，使用廠家明示的最小動(dòng)力拖拉機(jī)為配套動(dòng)力。

產(chǎn)品樣機(jī)信息見(jiàn)表1。

表1 產(chǎn)品樣機(jī)信息

2.3 測(cè)試數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)分析

2021年9月開(kāi)始在內(nèi)蒙古自治區(qū)、河南及山西3個(gè)地區(qū)對(duì)6臺(tái)樣機(jī)均進(jìn)行18 h的跟機(jī)測(cè)試。

3款機(jī)型適應(yīng)性及可靠性測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

2.3.1 殘膜回收率分析

經(jīng)分析殘膜回收機(jī)殘膜回收率數(shù)據(jù)，3款機(jī)具在表層殘膜回收率均值指標(biāo)基本上達(dá)到大綱中的技術(shù)條件要求，分地區(qū)對(duì)比后，后兩款機(jī)型的樣機(jī)表層殘膜回收率數(shù)據(jù)均明顯高于第一款機(jī)具的數(shù)據(jù)，而后兩款機(jī)型在同一作業(yè)地區(qū)殘膜回收率數(shù)據(jù)差別并不大。就表層回收率范圍區(qū)間來(lái)看，彈齒式范圍區(qū)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(cè)面可以反映挖掘式的兩類(lèi)機(jī)型作業(yè)質(zhì)量的穩(wěn)定性較彈齒式要高。

對(duì)深層殘膜回收率數(shù)據(jù)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(jī)型，挖掘式的兩款機(jī)型數(shù)據(jù)差別不大。

結(jié)合作業(yè)情況并分析淺、表層的殘膜回收率可以得出，地膜在整個(gè)回收過(guò)程中的完整性在很大程度上會(huì)影響殘膜回收率。彈齒式在開(kāi)始階段第一排彈齒通過(guò)拉拽、鉤扯分離土壤和地膜時(shí)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(jī)型樣機(jī)通過(guò)挖掘鏟將膜和表層土壤一同挖掘，后續(xù)的運(yùn)輸分離清選過(guò)程中土壤和地膜一同運(yùn)動(dòng)，對(duì)地膜的破壞性較小，可以很好地保證地膜的完整性，為后續(xù)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(cè)試過(guò)程中，彈齒式殘膜回收機(jī)在作業(yè)一定面積后必須停機(jī)，人工清理纏繞在機(jī)具彈齒上的地膜，因?yàn)殚L(zhǎng)時(shí)間作業(yè)時(shí)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(jīng)覆蓋了一定數(shù)量的地膜，新分離出的地膜無(wú)法繼續(xù)鉤纏在彈齒上，當(dāng)機(jī)具繼續(xù)前進(jìn)時(shí)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(jī)后人工清理，且清理的時(shí)間較長(zhǎng)（5～10 min），和后兩款機(jī)型相比嚴(yán)重影響作業(yè)效率，同時(shí)增加了許多工作量。

挖掘滾篩式和挖掘繞捆式因?yàn)榕鋫淞藲埬な占?、回收機(jī)構(gòu)，從表2可以看出清膜時(shí)間較彈齒式大大縮短，但是滾篩式殘膜回收機(jī)受回收箱容積限制，在回收箱快滿時(shí)仍然需用人工清理出回收箱內(nèi)的地膜，但是單次清理時(shí)間（3～6 min）同彈齒式相比較少，而且勞動(dòng)量較輕。挖掘繞捆式在實(shí)際作業(yè)中因機(jī)具長(zhǎng)時(shí)間作業(yè)時(shí)工作部件上有一定的纏繞膜留存，其清膜時(shí)間主要是清理留存膜，因此清膜工作同前2款機(jī)型有所不同，從嚴(yán)格意義上講應(yīng)該屬于機(jī)具保養(yǎng)范圍內(nèi)的工作時(shí)間。對(duì)比測(cè)試情況挖掘繞捆式樣機(jī)效率最高，基本上可以實(shí)現(xiàn)不停機(jī)作業(yè)。

表2 3款機(jī)型適應(yīng)性及可靠性測(cè)試數(shù)據(jù)

2.3.3 收集的膜質(zhì)量

經(jīng)分析各樣機(jī)收集到的殘廢地膜、形狀、質(zhì)量，結(jié)合各樣機(jī)的殘膜回收率，考慮到彈齒式回收率低、收集回的地膜品質(zhì)較差，而挖掘滾篩式、挖掘繞捆式樣機(jī)回收率差別不大，地膜形態(tài)較好，且?guī)卓顦訖C(jī)的工作幅寬相同，為進(jìn)一步分析2款機(jī)具的分離、清選及回收地膜效果，因此在考核過(guò)程中在6塊種植相同作物、鋪設(shè)同等規(guī)格地膜的測(cè)試地塊，對(duì)這兩款機(jī)型4臺(tái)樣機(jī)收獲后的地膜，經(jīng)過(guò)人工去土、除雜、除水后稱(chēng)質(zhì)量，得出各測(cè)點(diǎn)每畝收集物質(zhì)量和每畝地膜純質(zhì)量。

樣機(jī)收集物質(zhì)量分析見(jiàn)表3。

表3 樣機(jī)收集物質(zhì)量分析/kg

經(jīng)分析每畝收集物質(zhì)量數(shù)據(jù)，可以看出挖掘滾篩式收集物中雜質(zhì)較挖掘繞捆式少，側(cè)面反映出挖掘滾篩式分離清選效果更好。結(jié)合樣機(jī)的實(shí)際作業(yè)效果及其機(jī)型的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，滾篩式機(jī)型，由于土壤和殘膜在滾篩內(nèi)旋轉(zhuǎn)，較繞捆式有更長(zhǎng)的分離清選時(shí)間，能夠?qū)㈦s質(zhì)及土壤進(jìn)一步分離。而繞捆式機(jī)型僅能在土膜輸送分離鏈篩完成地膜雜質(zhì)分離，分離后的地膜和雜質(zhì)會(huì)一同進(jìn)入繞捆機(jī)構(gòu)進(jìn)行繞捆，繞捆后的地膜內(nèi)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(zhì)量數(shù)據(jù)來(lái)看，繞捆式收集的純地膜質(zhì)量較多，而且收獲后地膜的完整性比滾篩式要好，通過(guò)分析兩者作業(yè)過(guò)程，挖掘起膜階段從結(jié)構(gòu)和作業(yè)效果來(lái)看基本相同，造成這一現(xiàn)象的原因主要集中在分離清選和殘膜回收機(jī)構(gòu)部分。一方面滾篩式殘膜回收機(jī)由于分離清選時(shí)間較長(zhǎng)，雖然能夠有效去除雜質(zhì)，但是在這一工程中會(huì)破壞地膜的完整性，部分地膜在這一過(guò)程中隨著滾篩的旋轉(zhuǎn)會(huì)變成小條或小塊，通過(guò)篩網(wǎng)間隙從機(jī)具中拋離，造成純膜質(zhì)量減少；另一方面在實(shí)際作業(yè)過(guò)程中滾篩和回收箱中的地膜，會(huì)因環(huán)境中風(fēng)向、風(fēng)力的變換，離開(kāi)機(jī)具。而繞捆式回收機(jī)構(gòu)基本上為封閉式工作，且繞捆后的地膜捆有一定緊實(shí)密度，相對(duì)來(lái)看損失率較低。

2.3.4 可靠性分析

結(jié)合作業(yè)過(guò)程及機(jī)具機(jī)構(gòu)來(lái)看，彈齒式因?yàn)闄C(jī)具結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單其可靠性相對(duì)來(lái)看更強(qiáng)。滾篩式由于從變速箱分配后傳動(dòng)系較多、傳動(dòng)距離較長(zhǎng)，傳動(dòng)部分出現(xiàn)故障的概率。繞捆式由于繞捆機(jī)構(gòu)裝配質(zhì)量要求高、運(yùn)行時(shí)速度快，且存在間歇啟動(dòng)的情況，因此該部分易出現(xiàn)故障情況。

3 結(jié)語(yǔ)

綜合以上分析，3類(lèi)機(jī)型均能滿足產(chǎn)品技術(shù)規(guī)范中對(duì)殘膜回收機(jī)產(chǎn)品質(zhì)量的基本要求，在一定程度上能對(duì)留田地膜起到清除作用，但是從3類(lèi)機(jī)型對(duì)留田地膜的回收質(zhì)量分析可以看出，挖掘繞捆式機(jī)型回收質(zhì)量最好，挖掘滾篩式次之，彈齒式殘膜回收機(jī)最低，造成這一現(xiàn)象的原因主要是3類(lèi)機(jī)型回收工作原理及其清選、收集機(jī)構(gòu)工作不同，在作業(yè)的過(guò)程中對(duì)留田地膜完整性的保護(hù)上不同所造成的。從綜合作業(yè)效率方面來(lái)看，挖掘滾篩式和挖掘繞捆式作業(yè)效率相當(dāng)且較彈齒式操作方便性好，勞動(dòng)強(qiáng)度低，同時(shí)挖掘繞捆式收集后地膜已經(jīng)纏繞打捆，形成一定密實(shí)性，方便二次運(yùn)輸及轉(zhuǎn)運(yùn)，在轉(zhuǎn)運(yùn)工程中不易造成地膜的運(yùn)輸損失。從可靠性角度來(lái)看，3類(lèi)機(jī)型純工作18 h后作業(yè)故障情況均未明顯顯現(xiàn)，結(jié)合產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及工作原理分析，挖掘繞捆式機(jī)型結(jié)構(gòu)較其他2款機(jī)型復(fù)雜，裝配質(zhì)量要求高，運(yùn)動(dòng)件較多，需要定期保養(yǎng)的零部件數(shù)量多，且保養(yǎng)間隔時(shí)間短，要是長(zhǎng)時(shí)間作業(yè)下可能會(huì)造成故障率的提高。結(jié)合作業(yè)情況及用戶(hù)需求，挖掘繞捆式隨著加工工藝的發(fā)展及優(yōu)化，整機(jī)成本的降低，今后該機(jī)型更適用于我國(guó)殘膜回收的市場(chǎng)需求，將有較大的發(fā)展空間。