垄作花生残膜回收技术原理及试验

　　0 引言

　　花生是我国优势油料作物，据国家粮油信息中心提供的数据，2013 年我国花生种植面积 471 万 hm2,总产 量 1 700 万 t,较 2012 年 增 加 31 万 t,增 幅1. 85%[1].为提高花生产量，我国常采用垄作覆膜种植，但收获时遗留在地表的残膜尚无回收机具。田间残膜影响了花生种子对水分、养分的吸收，影响种子发芽、出苗，造成烂种、烂芽，同时影响了农机具的田间作业质量。我国应用地膜技术的土地多达 1 000 万hm2,随着长年捡拾不净的残膜在田间积累，带来严重的"白色污染"[2 -5].

　　国外地膜质量比较好，因此其残膜回收机结构往往比较简单。日本垄作甘薯时，地膜覆盖期一般为1. 5 ~ 3 个月，使用的地膜均为高强度地膜，回收时地膜能够保持较好的完整性，将甘薯秧蔓打掉后，可直接由卷膜机将残膜回收。澳大利亚 ROCCA 等设计的地膜回收机具通过链式输送装置将地膜输送到机器后部的卷膜辊上，能够方便地回收地膜，并使地膜与其表面的泥土分离。美国、法国、以色列等国也研制了不同类型的地膜回收机具[6 -10].目前，治理地膜污染的主要措施有： 机械回收、人工捡拾地膜和可降解地膜。人工捡拾费时费力。可降解地膜在棉田中有明显的崩裂，小块残膜有脆裂现象； 但其降解成本高、周期较长，且大多数研究集中在可降解地膜对棉花产量的影响，对花生生长过程中生理变化的研究较少。

　　因此，当前机械化回收是解决残膜污染问题的关键[11 -12].国内残膜回收机主要适用于土上作物的残膜回收，如棉花、玉米等，常见的残膜回收机有卷膜辊式、伸缩杆齿式、弹齿式、齿链式、气吸式及夹持式等结构形式[13 -19].国内农膜厚度普遍较薄，收获之后残膜碎膜多，垄作作物收获后垄面残膜残留情况与平作作物相比又有其差异，适用于垄作土下果实如花生、甘薯、白萝卜和大蒜等的残膜回收机具国内鲜有报道。因此，研发能适宜多种收获工艺的垄作残膜回收机具，对于减少土地污染及保持农业生产可持续发展具有十分重要的现实意义。

　　1 垄作花生残膜回收技术研究方案

　　通过系统调研典型地区垄作作物残膜污染情况（ 见图1） ,针对地膜低利用、垄体高、残膜碎片多、埋膜深及收获后残膜二次污染等问题，研究适宜垄作花生残膜治理的种植模式和收获工艺，梳理现有残膜回收机械化生产技术的设备，并针对垄作花生特点，考核 5款购置的残膜回收机主要作业参数、作业顺畅性和适应性，将机具的残膜回收率、生产效率等主要参数进行对比试验，作为垄作花生残膜回收机技术参数的设计依据。通过田间试验不同结构形式残膜回收机的起膜、传动、膜土分离及集膜装置，筛选适宜垄作花生残膜回收机各作业工序的技术装备。

　　2 关键部件原理与结构

　　花生残膜机械化回收是一项复杂的作业过程，对其技术特征和结构性能进行分析，提出相应的残膜治理方案，开发能适宜多种收获工艺的垄作花生残膜回收机，满足国内垄作花生残膜机械化治理需要。调研现有市场残膜回收装备，购置 5 款收膜、集膜结构形式各不相同的残膜回收机，分别为耙齿式残膜回收机、IFMJ -1400 弹齿式残膜回收机、1MC - 70 铲掘筛分式残膜回收机、4CM - 140 残膜回收机及 DMJS -1400 齿链式残膜回收机，用于垄作花生残膜回收机装置设计筛选依据。花生残膜回收机主要由收膜、传动、膜土分离及集膜等装置构成。

　　2. 1 收膜部件

　　残膜回收机收膜部件是影响收膜效果的核心机构，常见的结构形式主要有伸缩杆齿式捡拾滚筒、弹齿式拾膜部件、铲式起茬收膜部件、轮齿式收膜部件及齿链式收膜部件。其中，伸缩弹齿式造价高、结构复杂。弹齿式残膜回收机（ 如 IFMJ - 1400） 田间试验中弹齿作业中遇到硬物会产生变形或跳动，仿形效果不佳，造成不正常工作； 收膜部件有时接触不到地膜，残膜混杂在土壤中，很难得到有效分离； 收膜元件把地膜划破捡不起来，对破损严重的地膜无法捡拾。铲式起茬收膜部件对土壤的性能有一定的要求。轮齿式收膜部件捡拾残膜比较干净，便于残膜的再生利用。齿链式收膜部件结构有利于整地复式作业，既可以前置，也可以纵向设置。针对地膜低利用、垄体高、残膜碎片多、埋膜深、垄作花生收获后地面高低起伏不一等问题，以及购置残膜回收机田间试验情况，在设计垄作花生残膜回收机收膜部件结构时采用铲链组合式。

　　2. 2 传动装置

　　传动部分由变速箱、挖掘输送装置及连接它们的链轮组成。变速箱和链轮需优化设计出合适的传动比，输送装置拟采用杆 - 链 - 带和托链轮组合式（ 见图 2） ; 杆条选用 65Mn 材料，具有一定的强度和韧性；输送提升装置能使膜土有一定的抛送能力，输送链线速度须大于机器前进速度，否则将出现膜土滞留，造成堵塞。线速度过快会将物料抛射太远，输送功率消耗大，链磨损加剧； 线速度过慢会造成残膜回缠。因此，正确选择输送链线速度是保证传动顺畅的关键参数。按抛射运动原理，理论射程为S = V2sin2α /2g其中，S 为理论射程距离； V 输送链线速度； α 为输送链倾角； g 为重力加速度。由于残膜、根茬、杂草和土垡之间相互连接，上述基本公式必须加以修正，通过台架和模拟试验确定修正系数 A,将输送链线速度V 和 α 的参数应用到整机设计中。

　　2. 3 膜土分离装置

　　残膜回收机工作时，伴随着薄膜一起被铲起来的往往还有一些杂质，尤其是附着在根茬或薄膜上的土。这些土不但增加了薄膜的质量，也增加了后面集膜箱的负担，因此在残膜回收机上安装膜土分离机构就显得尤为重要。目前，膜土分离装置主要具有如下几类：

　　1） 铲掘筛分式膜土分离装置，如图 3 所示。内蒙古自治区农牧业机械技术推广站设计研制的 1CM -70 残膜回收机，膜土分离装置采用滚筒筛，作用是把输送链抛送的含膜茬表土，在结构限制的有效空间内进行膜土分离[20].为了防止中心轴缠绕地膜和排料不畅，滚筒筛采用结构为无心定位圆台。为实现最佳分离效果需确定滚筒筛结构和性能参数，如滚筛体积、筛孔尺寸、转速范围及排料角等。

　　2） 针刺式膜土分离装置，如图 4 所示。新疆叶儿羌农机公司研制的针刺式 4CM - 140 残膜回收整地机，拖拉机牵引残膜回收整地机以 15°倾角入土，掘土铲将含有残留地膜的土壤铲起后，由抛送辊将其向后抛出至刮板式输送带上； 输送带将土块、地膜等向上提升，由压碎辊将其中的大土块进行压碎，地膜、杂物等落至针刺式分离输送带上，再由分离输送带后方机架上设置的钢丝刷轮将地膜梳理下来，投放至地膜收集箱内，完成地膜的收集工作[21].
　　
　　3） 抖动筛式膜土分离装置，如图 5 所示。沈阳农业大学设计的一款残膜回收机膜土分离机构由抖动筛、曲柄连杆及皮带轮等组成，通过选择合适的皮带轮传动比，使抖动筛按照设计的频率和振幅进行抖动； 大部分土壤通过筛子上的筛孔在振动的作用下漏入地表，少部分土壤和全部的残膜、残茬在振动筛组的振动作用下和刮板的配合下，被运送到机械的集膜装置[22].

　　2. 4 集膜装置

　　集膜试验中，实现自动集膜并使机具能够连续性作业则成为研制残膜回收机具的关键。常用的集膜装置有毛刷式、疏导齿式等集膜机构[23],但上述结构使用时碎膜很容易缠绕在机构上，使其无法连续工作。经分析比较，拟采用水平带侧输出结构，如图 6所示。其膜土分离后的残膜由胶带向前输送到第2 级横向输送带上，沿着横向输送带从一侧被输出； 到达边缘时，被抛入集膜箱，完成集膜任务。采用水平带集膜机构简单，操作方便[24],不存在缠绕、壅塞等问题； 集膜装置侧输出，而非后置式，便于作业机手监控集膜状况，同时缩短了卸膜时间。

　　3 田间试验及技术指标

　　考核5 款筛选机具的残膜回收率、生产率，以及各机具存在主要问题、优缺点、地表回收条件等主要参数，进行田间对比试验。

　　3. 1 田间试验

　　2014 年 11 月，筛选的 5 款残膜回收机在南京六合区收获后垄作残膜地进行试验。试验地单块膜宽1. 4m,单位薄膜质量为 40. 5g / m2,试验如图 7 所示。

　　1MC - 70 残膜回收机工作幅宽 0. 65m,抖土功能不足，土块不能粉碎，很多大土块收入滚筒，滚筒、筒体支持轮缠膜，铲子入口处堆杂（ 土、膜、秸秆） .耙齿式残膜回收机工作幅宽 1. 05m,配重不足，需要人站在机子上加重，平地效果较好，遇坑或秸秆会漏膜，遇到石头把耙齿顶弯，扯碎的地膜散落一地，清理残膜困难。DMJS - 1400 残膜回收机正转不上膜，限深太高，铲子不入土产生漏膜，被秸秆压住的膜收不上来；改为反转能上膜，限深轮换成小轮子后正常入土效果较好。4CM -140 残膜回收铲子挂膜，输送带缠膜，撞到膜下石头输送带损坏。IFMJ - 1400 庆阳弹齿式残膜回收机铲子缠膜，滚筒上方与前盖板的缝隙处堆杂，逐渐导致弹齿滚筒卡死； 弹齿撞击前盖板边缘，地表秸秆扯膜； 地轮与铲子不在同一水平线上，导致遇到凹地铲子不入土，换上固定排刷脱膜，依然堵塞在排刷处。其改进思路是加大尺寸、高转速脱离滚筒脱膜； 增加压紧滚筒与前盖板间缝隙，由于滚筒不圆，依然会产生间隙，导致堵塞。

　　3. 2 技术指标

　　田间试验记录各残膜回收机的残膜回收率、生产效率等参数，将选取的试验田块分为 4 块，每块铺设一种厚度的农用地膜。5 款机具分别在每块田地试验，测区长度不少于 100m,宽度应满足机具 3 个往返行程的工作宽度。测点采用五点法，从测区 4 个地角沿对角线，在 1/4 ~1/8 对角线长度范围内随机确定 4个测点的位置，再加上该对角线的交点，作为作业前的 5 个测点； 然后在作业前的 5 个测点附近但不重复的区域再选取 5 个测点，作为作业后的 5 个测点。按地表及土层深度 0 ~ 100mm、土层深度 100 ~ 150mm两个层面的分别取出残地膜。将各测点按层取出的残地膜去除尘土和水分后称其质量，求其平均值。表层拾净率和深层拾净率为
　　

　　试验结果作为垄作花生残膜回收机技术参数的设计依据，参照 GB/T 25412 - 2010 制订垄作花生残膜回收机技术指标，如表 1 所示。

　　4 结论

　　1） 目前，研究人员多集中在对收膜机构上的研究上，对残膜的回收利用重视不够。回收的残膜可考虑结捆打包，提供给残膜回收企业，政府应制定一些优惠政策，鼓励回收、加工、利用废旧地膜企业的发展。随着地膜回收机不断推广、改进、提高，机械化残膜回收作业面积的逐年扩大，可以有效解决地膜造成的"白色污染",为垄作地膜栽培技术在农业生产中得到可持续发展起到积极促进作用。

　　2） 液压及电子技术在残膜回收机上的应用还比较少，运用液压控制技术及对回收机械各部件的电子监控技术将大大提升残膜回收机械的自动化程度[25].

　　3） 垄作花生残膜回收机的技术研究可广泛应用于多种垄作土下果实的残膜回收，应用范围广泛，有较好的市场前景。

　　参考文献：
　　[1] 2013 年中国花生、花生油供求情况分析[EB/OL].[2014 -05 - 07].