殘膜撿拾打包聯(lián)合作業(yè)技術(shù)

康建明　彭強(qiáng)吉　李濤　張寧寧　張春艷　王小瑜

摘 要：當(dāng)前殘膜回收多以人工撿拾或機(jī)器摟聚為主，集條（堆）殘膜質(zhì)地松散、儲(chǔ)運(yùn)成本高，本文針對(duì)回收后的殘膜無(wú)法循環(huán)利用的問(wèn)題，提出殘膜撿拾打包聯(lián)合作業(yè)新模式，設(shè)計(jì)殘膜撿拾智能化控制和檢測(cè)系統(tǒng)，創(chuàng)新智能起膜與清潔撿拾技術(shù)，開發(fā)離心分離與振動(dòng)分離相結(jié)合的多級(jí)膜雜分離系統(tǒng)，闡明黏彈塑性殘膜壓縮自適應(yīng)控制策略，創(chuàng)制殘膜撿拾打包聯(lián)合作業(yè)機(jī)，一次作業(yè)完成殘膜撿拾、膜雜分離、自動(dòng)脫膜、打包成型等工序，有效解決田間殘膜撿拾和儲(chǔ)運(yùn)問(wèn)題，對(duì)推進(jìn)殘膜回收機(jī)械化進(jìn)程，提高殘膜污染治理技術(shù)水平具有重要意義。

關(guān)鍵詞：殘膜撿拾打包；智能化起膜；清潔撿拾技術(shù)；殘膜壓縮成型技術(shù)

1 引言

地膜覆蓋種植技術(shù)具有顯著的保墑增產(chǎn)效果，在干旱、半干旱地區(qū)的棉花、花生、馬鈴薯等作物種植作業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。但是隨著地膜覆蓋面積與地膜使用量的不斷增加，越來(lái)越多的地膜滯留在田間，造成農(nóng)田殘膜污染，已嚴(yán)重影響到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展［1］。生態(tài)環(huán)境部、農(nóng)業(yè)農(nóng)村部?jī)刹课?lián)合印發(fā)的《農(nóng)業(yè)農(nóng)村污染治理攻堅(jiān)戰(zhàn)行動(dòng)計(jì)劃》中明確提出，加大農(nóng)膜回收；中央一號(hào)文件連續(xù)5年均明確指出：加大殘膜污染防治力度，推廣高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)膜和殘膜回收等試點(diǎn)，開展農(nóng)田殘膜回收區(qū)域性示范。當(dāng)前殘膜回收方式多以人工撿拾或機(jī)器摟聚為主，所收殘膜通常以集條或集堆形式置放于田間。由于回收后的殘膜含雜率高，集條（堆）殘膜質(zhì)地松散、儲(chǔ)運(yùn)成本高等原因，導(dǎo)致回收后的殘膜被隨意堆放、掩埋或者焚燒，造成殘膜“二次污染”。殘膜撿拾打包聯(lián)合作業(yè)技術(shù)可一次作業(yè)完成殘膜撿拾、膜雜分離、自動(dòng)脫膜、打包成型等工序，在減少勞動(dòng)力投入、節(jié)約人工成本的同時(shí)，有效解決田間殘膜撿拾和儲(chǔ)運(yùn)問(wèn)題，打破由于機(jī)收殘膜儲(chǔ)運(yùn)困難從而限制殘膜循環(huán)利用的瓶頸。

2 智能起膜與清潔撿拾技術(shù)

殘膜撿拾是殘膜回收的第一步，現(xiàn)有的大部分殘膜回收機(jī)都采用此種形式，其作業(yè)性能對(duì)殘膜回收效果至關(guān)重要。現(xiàn)有技術(shù)中，缺乏起膜裝置、起膜深度無(wú)法實(shí)時(shí)調(diào)整、撿拾裝置設(shè)置不合理，導(dǎo)致起膜效果差、撿拾率低，制約了殘膜回收技術(shù)的發(fā)展［2］。該技術(shù)將智能起膜與清潔撿拾相結(jié)合，增設(shè)了起膜部件、改進(jìn)了撿拾裝置，開發(fā)了殘膜撿拾智能化控制和檢測(cè)技術(shù)，提高了起膜和撿拾部件的智能化程度，大大改善了殘膜撿拾效果。

2.1 高效低耗起膜技術(shù)

針對(duì)傳統(tǒng)殘膜回收機(jī)缺乏起膜裝置，撿拾裝置直接進(jìn)行撿拾能耗高、容易出現(xiàn)漏膜的問(wèn)題，通過(guò)增設(shè)起膜部件改進(jìn)起膜效果。通過(guò)對(duì)田間覆膜特點(diǎn)進(jìn)行分析，確定起膜桿齒排布采取中間寬松略短、兩端緊湊略長(zhǎng)的排布方式，能更好地貼合地面，達(dá)到良好的起膜效果；通過(guò)分析殘膜在起膜桿齒上移動(dòng)條件，確定起膜桿齒入土角范圍在30°左右，保證起膜效果的同時(shí)降低起膜功耗［3］。該技術(shù)采用桿齒結(jié)構(gòu)從膜下松土鏟膜，最大限度地保證廢膜完整，便于拾膜彈齒撿拾殘膜，且能耗低、效果好。

2.2 殘膜清潔撿拾技術(shù)

殘膜撿拾效果與撿拾彈齒間距密切相關(guān)，間距過(guò)小，殘膜回收率高，卻易撿拾大土塊，殘膜含雜率也相應(yīng)提高，給后續(xù)分離造成困難； 拾膜彈齒間距過(guò)大，易漏撿小塊殘膜，降低殘膜回收率。為解決這一矛盾，將撿拾彈齒分為左右兩段彼此交錯(cuò)排布，且遵循以下原則：使撿拾彈齒與膜雜混合物均勻接觸并挑起，防止漏收；確保秸稈和石塊等雜物順利通過(guò)，降低殘膜的含雜率。重置后撿拾彈齒排列方式［3］。該技術(shù)在保證殘膜撿拾率的同時(shí)降低了殘膜含雜率，減少了漏收，提高了殘膜撿拾率，實(shí)現(xiàn)了殘膜清潔撿拾。

2.3 殘膜撿拾智能化控制和檢測(cè)技術(shù)

針對(duì)殘膜回收機(jī)起膜和撿拾部件的工作位置和參數(shù)需根據(jù)實(shí)際地況人為反復(fù)停車調(diào)節(jié)，且機(jī)具智能化、自動(dòng)化程度低，殘膜撿拾效果不穩(wěn)定等問(wèn)題，研究殘膜撿拾智能化控制和檢測(cè)技術(shù)，融合EtherCAT總線技術(shù)、GPRS 網(wǎng)絡(luò)和視覺(jué)技術(shù)，以高清攝像頭作為在線反饋，以視覺(jué)壓電式傳感器和霍爾式輪速傳感器作為信號(hào)感測(cè)和激勵(lì)原件，開發(fā)殘膜撿拾關(guān)鍵部件的智能化控制和檢測(cè)系統(tǒng)，包括起膜鏟自適應(yīng)調(diào)節(jié)和撿拾滾筒轉(zhuǎn)速與撿拾效果監(jiān)控。起膜鏟自適應(yīng)調(diào)節(jié)裝置，能夠根據(jù)山間土地的地形情況，通過(guò)控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)起膜鏟的入土深度，不需要停機(jī)調(diào)節(jié)，降低了勞動(dòng)量和勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了整機(jī)的自動(dòng)化程度和殘膜撿拾機(jī)撿拾效率；實(shí)時(shí)監(jiān)控?fù)焓皾L筒的轉(zhuǎn)速與撿拾效果，能夠監(jiān)視撿拾滾筒撿拾效果，自動(dòng)調(diào)節(jié)撿拾滾筒和拖拉機(jī)速度，從而提高撿拾穩(wěn)定性、改善撿拾效果，提高整機(jī)操作自動(dòng)化水平、降低駕駛員的勞動(dòng)強(qiáng)度、提高整機(jī)的工作效率［4］。該技術(shù)采用PLC控制，精度高，速度快，將所有的調(diào)節(jié)參數(shù)全部集中到觸控觸摸屏上操控，簡(jiǎn)單易懂、調(diào)節(jié)方便。

3 多級(jí)膜雜分離技術(shù)

含雜率高是影響機(jī)收殘膜后續(xù)利用的關(guān)鍵問(wèn)題，因此在殘膜回收過(guò)程中降低雜質(zhì)含量是殘膜回收技術(shù)的研究重點(diǎn)之一。現(xiàn)有清雜技術(shù)多采用風(fēng)選法、振動(dòng)法和浮力漂選法，分離效果差、效率低、回收殘膜含雜率高［5］。多級(jí)膜雜分離技術(shù)根據(jù)殘膜、雜質(zhì)尺寸密度及纏繞特性差異，將離心分離與振動(dòng)分離方式相結(jié)合，形成釘齒輥、撿拾機(jī)構(gòu)和脫膜輥組成的三級(jí)清雜系統(tǒng)，有效降低了機(jī)收殘膜的含雜率、提高了分離效率。

3.1 高效清雜技術(shù)

針對(duì)殘膜撿拾過(guò)程中清雜有效距離短、清雜效果差的問(wèn)題，為保證良好的撿拾、聚攏、翻旋效果，改進(jìn)了清雜彈齒設(shè)計(jì)及其排列方式，采用雙頭螺旋線“人”字形對(duì)稱排列的方式。清雜輥的旋轉(zhuǎn)方向與行走輪的轉(zhuǎn)向相反，使物料具有較長(zhǎng)的撿拾、提升距離，增加清雜過(guò)程的有效時(shí)間，利于殘膜與土塊、莖稈等雜物的充分分離，同時(shí)為避免出現(xiàn)殘膜漏撿。該技術(shù)充分拉長(zhǎng)了清雜有效距離，增加了清雜有效時(shí)間，提升了清雜效果。

3.2 清潔脫膜技術(shù)

針對(duì)殘膜質(zhì)量輕、延伸性好，在回收過(guò)程中易吸附、纏繞撿拾裝置的問(wèn)題，通過(guò)增設(shè)脫膜裝置有效脫下滾筒表面的殘膜并送至液壓打包機(jī)構(gòu)的集膜箱中，從而保證殘膜撿拾率、降低纏膜率，避免因殘膜纏繞引發(fā)的機(jī)械故障。清潔脫膜技術(shù)設(shè)計(jì)了由脫膜大輥、脫膜小輥及脫膜外罩組成的脫膜機(jī)構(gòu)，大、小脫膜輥相對(duì)旋轉(zhuǎn)將殘膜從撿拾彈齒上快速脫下；脫膜過(guò)程中，脫膜大輥借助外罩的作用，形成向上運(yùn)動(dòng)的氣流，避免了殘膜的掉落和纏繞。該技術(shù)可以使殘膜及時(shí)有效地從清雜裝置上脫落，保證撿拾率的同時(shí)降低纏膜率，從而保證了殘膜回收效果。

4 殘膜壓縮成型技術(shù)

殘膜儲(chǔ)運(yùn)是機(jī)收殘膜后續(xù)處理的一大難題，殘膜質(zhì)量輕、體積大，壓縮難度大，給殘膜的儲(chǔ)存和運(yùn)輸造成困難。殘膜壓縮成型技術(shù)為機(jī)收殘膜的后續(xù)處理提供了較為理想的解決方案，在殘膜回收機(jī)上直接將殘膜壓縮成包，填補(bǔ)了殘膜回收作業(yè)體系中“壓縮儲(chǔ)運(yùn)”這一重要環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了殘膜的方便運(yùn)輸，不僅利于殘膜資源循環(huán)利用，并且替代傳統(tǒng)人工焚燒方式，降低土壤及大氣二次污染，具有較高的生態(tài)環(huán)境效益。

4.1 黏彈塑性殘膜壓縮技術(shù)

針對(duì)殘膜具有黏彈塑性，難以壓縮成型的問(wèn)題，提出黏彈塑性殘膜壓縮技術(shù)，研究殘膜壓縮成型過(guò)程中壓縮力與壓縮應(yīng)變的關(guān)系，確定影響壓縮力的主要因素（如含水率、粒度等物料屬性因素，壓縮速度、壓模尺寸等系統(tǒng)工作參數(shù)），以及各因素對(duì)壓縮力、壓縮密度的影響規(guī)律；針對(duì)田間復(fù)雜工況，研究基于PLC的打包作業(yè)控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)并優(yōu)化控制電路，開發(fā)人機(jī)交互界面，提高系統(tǒng)可操作性及自動(dòng)化水平。該技術(shù)能夠有效壓縮殘膜空間占比，降低殘膜儲(chǔ)運(yùn)成本，節(jié)約運(yùn)輸車輛油耗，節(jié)能效益顯著。

4.2 殘膜打包液壓控制技術(shù)

液壓控制是實(shí)現(xiàn)殘膜打包過(guò)程的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，分析殘膜打包過(guò)程工作原理，研制打包液壓控制系統(tǒng)，確定側(cè)壓油缸、上壓液壓油缸、推包油缸，預(yù)緊油缸作業(yè)順序，篩選出能夠?qū)崿F(xiàn)電磁閥按需開閉的最優(yōu)途徑；根據(jù)殘膜壓縮特性，研究壓縮作業(yè)參數(shù)對(duì)殘膜打包成型效果的影響，找出液壓部件壓縮力、壓縮速度等最佳參數(shù)配置，進(jìn)而完成液壓油路的優(yōu)化設(shè)計(jì)；通過(guò)室內(nèi)及田間試驗(yàn)，確定打包作業(yè)單次循環(huán)時(shí)間及循環(huán)作業(yè)間隔時(shí)間。該技術(shù)采用三組壓縮缸進(jìn)行壓縮作業(yè)，采用PLC自動(dòng)控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了殘膜的自動(dòng)打包成型，避免頻繁停機(jī)卸膜，提高了作業(yè)效率。

5 結(jié)論

第一，殘膜撿拾打包技術(shù)實(shí)現(xiàn)了殘膜撿拾、清雜、打捆的聯(lián)合作業(yè)，將殘膜撿拾、輸送、脫膜、打包等關(guān)鍵部件集成，克服了殘膜物料含土壤、秸稈等雜質(zhì)較多的難題，實(shí)現(xiàn)了農(nóng)膜撿拾、清雜、打包聯(lián)合作業(yè)。

第二，智能起膜與清潔撿拾技術(shù)將智能起膜與清潔撿拾相結(jié)合，增設(shè)起膜部件、改進(jìn)撿拾裝置，提高起膜和撿拾部件的智能化程度，能夠大大改善殘膜撿拾效果，提高殘膜回收率。

第三，多級(jí)膜雜分離技術(shù)將離心分離與振動(dòng)分離方式相結(jié)合，形成釘齒輥、撿拾機(jī)構(gòu)和脫膜輥組成的三級(jí)清雜系統(tǒng)，解決了撿拾物料含土多、含秸稈多等技術(shù)難題，有效降低了機(jī)具纏膜率和機(jī)收殘膜的含雜率。

第四，殘膜壓縮成型技術(shù)可有效壓縮殘膜體積，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)打包連續(xù)作業(yè)，提高了作業(yè)效率，不僅利于殘膜資源循環(huán)利用，并且替代傳統(tǒng)人工焚燒方式，降低土壤及大氣二次污染，具有較高的生態(tài)環(huán)境效益。

參考文獻(xiàn)

［1］ 趙巖，陳學(xué)庚，溫浩軍，等.農(nóng)田殘膜污染治理技術(shù)研究現(xiàn)狀與展望［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2017，48（6）：1-14.

［2］ 王金武，楊會(huì)民，蔣永新，等.殘膜回收機(jī)自動(dòng)仿形系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)［J］.中國(guó)農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào)，2024，45（3）：44-50.DOI：10.13733/j.jcam.issn.2095-5553.2024.03.007.

［3］ 康建明，彭強(qiáng)吉，王士國(guó)，等.彈齒式殘膜回收機(jī)撿拾裝置改進(jìn)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2018，49（S1）：295-303.

［4］ 康建明，彭強(qiáng)吉，張春艷，等.一種自適應(yīng)起膜鏟與撿拾調(diào)速裝置及殘膜回收裝置、系統(tǒng)［P］.山東省：CN202010115575.3，2022-05-13.

［5］ 蔣德莉，陳學(xué)庚，顏利民，等.隨動(dòng)式殘膜回收機(jī)清雜系統(tǒng)作業(yè)參數(shù)優(yōu)化［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2019，35（19）：1-10.

作者簡(jiǎn)介：第一作者：康建明，研究員，博士，主要從事殘膜回收技術(shù)與裝備研究工作。

*通訊作者：王小瑜，工程師，碩士，主要從事殘膜回收技術(shù)與裝備研究工作。