周新星,胡志超,嚴 偉,游兆延,吳 努
(1.南通大學(xué) 機械工程學(xué)院,江蘇 南通 226019;2.農(nóng)業(yè)部 南京農(nóng)業(yè)機械化研究所,南京 210014)
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國內(nèi)殘膜回收機脫膜裝置的研究現(xiàn)狀
周新星1,2,胡志超2,嚴偉1,2,游兆延2,吳努1
(1.南通大學(xué) 機械工程學(xué)院,江蘇 南通226019;2.農(nóng)業(yè)部 南京農(nóng)業(yè)機械化研究所,南京210014)
摘要:介紹了殘膜在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中危害及機械化回收殘膜的優(yōu)勢,論述了我國殘膜回收機的分類和特點,并指出脫膜裝置作為殘膜回收機核心部件的重要性。針對國內(nèi)殘膜回收機的研究現(xiàn)狀,介紹幾種不同結(jié)構(gòu)形式的脫膜裝置,并對其在實際作業(yè)中所存在的問題進行了分析,總結(jié)優(yōu)缺點,為以后殘膜回收機脫膜裝置的機構(gòu)參數(shù)優(yōu)化提供參考。
關(guān)鍵詞:殘膜;殘膜回收機;脫膜裝置;研究現(xiàn)狀
0引言
從20世紀開始,隨著塑料工業(yè)的快速發(fā)展,地膜覆蓋栽培技術(shù)被廣泛應(yīng)用于田間生產(chǎn)活動中,其保溫、護根、節(jié)水、調(diào)節(jié)光照及增產(chǎn)等特點給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來了巨大的經(jīng)濟效益[1]。地膜技術(shù)從20世紀50年代起在歐洲、美國和日本開始使用,由于經(jīng)濟效益十分顯著,很快在世界范圍得到了廣泛應(yīng)用[2-4]。目前,中國在地膜覆蓋面積和使用量上均是世界第一,在我國東北、西北地區(qū)覆膜技術(shù)應(yīng)用尤為廣泛,我國使用地膜的耕地面積已有上千萬公頃,每年的地膜用量也已達到幾百萬噸[5-7]。地膜已經(jīng)成為我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中必不可少的農(nóng)業(yè)材料之一。
我國絕大部分地區(qū)使用的地膜材料是聚乙烯和聚氯乙烯。這種材料在土壤中存留200~400年也不易降解[8],回收時大量殘膜碎片留在泥土中,導(dǎo)致水分流通不順暢,阻礙土壤與空氣交換,使土壤中的微生物難以存活,致使土壤板結(jié),一些區(qū)域可能會導(dǎo)致土地的鹽堿化,造成農(nóng)作物產(chǎn)量的大幅下降[9]。特別是經(jīng)過風(fēng)吹、掩埋或者焚燒之后在田間地頭隨處可見,嚴重污染了農(nóng)民的生活環(huán)境與空氣質(zhì)量,最終導(dǎo)致嚴重的“白色污染”。
1國內(nèi)殘膜回收機的研究現(xiàn)狀
目前國內(nèi)殘膜回收的方法主要有3種[10],即人工撿拾、使用降解膜和機械化回收。
人工撿拾存在效率低、勞動量大、作業(yè)范圍受限等缺點,對埋藏在深層土壤里的殘膜無法進行回收。這種回收方式在21世紀隨著勞動力的減少和農(nóng)業(yè)機械水平的提高而漸漸被淘汰。
降解膜是一種新型的環(huán)保地膜,其材質(zhì)主要是由塑料粒子母料與生物降解母料混合制成,使用后可以極好地分解到土壤中去;但這種降解膜成本較高,技術(shù)還不成熟,現(xiàn)階段很難被廣大農(nóng)戶尤其是中小農(nóng)戶所接受,在國內(nèi)的推廣受到了限制。
機械化回收方式具有效率高、成本低的優(yōu)點,很大程度上彌補了人工回收與降解膜兩種回收方式存在的缺點。研發(fā)這類經(jīng)濟實用的殘膜回收機具與我國現(xiàn)階段農(nóng)業(yè)科技水平和農(nóng)民的經(jīng)濟水平不高的國情相適應(yīng),也是目前殘膜回收最有效的方法[11]。
經(jīng)過幾十年的不斷研究,殘膜回收機具的種類多達近百種,其中部分機型的功能性技術(shù)已經(jīng)相當成熟,并在我國部分地區(qū)進行了推廣。通過田間作業(yè)試驗結(jié)果和國內(nèi)已有殘膜回收機具的使用狀況來看,國家農(nóng)機管理部門制定了殘膜回收機的技術(shù)要求,殘膜收凈率應(yīng)當在85%以上;在農(nóng)膜厚度≥0.007的條件下,作業(yè)質(zhì)量應(yīng)≥75%[12],滿足這些條件收膜機具才能是合格的殘膜回收機。
按照農(nóng)藝要求和作業(yè)時間區(qū)別的劃分,我國殘膜回收機具大致可以分為3大類:①苗期地膜回收機具,一般用于煙葉和玉米苗期收膜;②秋后殘膜回收機具,多采用復(fù)式作業(yè)的方式,可靠性低,結(jié)構(gòu)復(fù)雜;③耕后播前殘膜回收機具,通常對地表淺層的殘膜回收效果顯著,對于耕作層大于5cm的殘膜回收率較低[13]。
根據(jù)回收地膜工作原理的不同又可分為如下幾種:
1)彈齒式。工作效率高,結(jié)構(gòu)簡單;但其曲線軌跡的滑道制造困難,生產(chǎn)成本高,不符合我國農(nóng)機國情。
2)耙齒式。適用于秋后的田間作物未收割時節(jié),撿拾率高,結(jié)構(gòu)簡單;但其脫膜困難,土質(zhì)的適應(yīng)性差。
3)齒輪式。結(jié)構(gòu)比較簡單,成本低,適用于整膜回收,對薄膜損傷嚴重的殘膜回收率低。
4)齒鏈式。有利于整地的復(fù)式作業(yè),結(jié)構(gòu)簡單且不受季節(jié)的限制;但密封帆布壅土,脫膜葉片纏膜現(xiàn)象嚴重。
5)伸縮桿齒式。結(jié)構(gòu)復(fù)雜,拾膜率高;但膜土分離情況不好,壅土嚴重,工作效率不高,且生產(chǎn)成本高[14]。
6)鏟式起膜滾筒篩式。收膜效果顯著,結(jié)構(gòu)簡單;但滾筒尺寸受限使得作業(yè)幅寬很小,作業(yè)效率不高,同時滾筒篩纏膜現(xiàn)象嚴重。
總體而言,我國殘膜回收機機型較國外具有多樣化的特點,但因受地形、土質(zhì)、作業(yè)工況等其他不定因素的限制,大多數(shù)機型在實際工作中收膜的效果并不是很理想,機具性能不夠完善,作業(yè)可靠性也有待提高,所以可廣泛應(yīng)用于實際生產(chǎn)中的機型并不多。利用殘膜回收機對殘膜進行回收已經(jīng)成為了推動我國農(nóng)村現(xiàn)代化建設(shè)與農(nóng)民增產(chǎn)增收的重要手段之一。而脫模裝置是殘膜回收機中一個重要的組成部件,脫模裝置工作的可靠性在很大程度上影響著殘膜回收機作業(yè)的效率,脫膜率也成為了評判殘膜回收機工作好壞的一項重要指標。
2殘膜回收機脫膜裝置
彈齒式收膜機主要由拾膜輪、推板、松土器3大部件組成,如圖1所示。拾膜輪為拾膜部件,其上裝有彈齒,每根齒用護板隔開,彈齒的運動軌跡由滑道控制。每根齒的上部有一塊推板,作用是協(xié)助彈齒脫膜,防止返帶,并將撿起的殘膜推進集膜箱內(nèi)。
彈齒式收膜機工作時,先用松土器將壟兩側(cè)的膜土疏松。彈齒拾膜輪由行走輪驅(qū)動控制,在轉(zhuǎn)動過程中彈齒由拾膜輪后下方入土,將壟面上的殘膜向上方挑起,轉(zhuǎn)至上方送入集膜箱內(nèi)。彈齒以水平狀態(tài)從護板間隙中抽出來,位于彈齒上方的推板,由護板間隙處從箱體外部向箱內(nèi)運動,將已撿起的殘膜推入箱內(nèi);同時協(xié)助彈齒脫膜及清除護板間隙中可能存留的殘膜,避免彈齒返程時回帶,降低拾膜率。集膜箱裝滿后,可打開箱底門把殘膜卸掉,作業(yè)30m左右卸一次[15-19]。
1.松土器 2.護板 3.控制桿 4.拾膜輪 5.彈齒 6.集膜箱
該殘膜回收機包括牽引架、機架、摟膜機構(gòu)及脫膜機構(gòu)4個部分,如圖2和圖3所示。脫膜機構(gòu)與機架連接,脫膜機構(gòu)由脫膜桿、脫膜連接架、液壓裝置及脫膜刮板構(gòu)成。脫膜刮板為三角狀折彎平板,脫膜刮板按照脫膜桿的軸向順序安裝在脫膜桿上,并且半徑相同,滿足平行四桿結(jié)構(gòu)。脫膜桿一共有3排,前密后疏。液壓裝置的一邊與脫膜裝置鉸接,另一邊與整體機架鉸接。作業(yè)時,將牽引機懸掛裝置中央拉桿的后端孔與收膜機中央拉桿的連接孔用銷軸聯(lián)接起來,用來調(diào)節(jié)機具工作時的機具前后的高度,方便拆裝及下田工作。機具在前進過程中,3排除膜耙齒放入土壤,土壤中的殘膜被除膜耙齒勾住并掛在除膜耙齒上,從而達到清除土壤中殘膜的目的。同時,通過兩邊的液壓缸推動脫膜連接架,使脫膜桿帶動脫膜刮板轉(zhuǎn)動,脫去除膜耙齒上收集到的殘膜,完成卸膜[20]。
1.牽引架 2.脫膜桿 3.脫膜連接架 4.液壓裝置
圖3 耙齒式收膜機
該收膜機可用于玉米地、小麥地、瓜地、棉花地等地表的起膜、撿膜、脫膜等工序,具有配套動力廣泛、撿膜效果好、安裝使用方便、生產(chǎn)效率高等特點,且具備起膜不起茬或起膜又起茬的功能。該機具最大亮點在于其自動脫膜裝置,脫膜刮板與耙齒間隙配合,可以最大效率地完成脫膜。脫膜刮板設(shè)計為三角狀,是為了防止脫膜后耙齒變形而產(chǎn)生錯位現(xiàn)象,具有良好的復(fù)位作用。同時刮板頂部的加長板也具有限位作用,始終做到脫膜過程中耙齒一直留在刮板當中。兩端的液壓裝置也解決了耙齒收膜時膜纏繞緊,難脫膜的問題,極大的降低了勞動力成本。該機收膜率高,脫膜效果理想,在今后的研發(fā)生產(chǎn)中具有良好的前景。
該殘膜回收機包括機架、起膜鏟、輸膜輪、密封帆布、脫膜輪和集膜箱,如圖4、圖5所示。輸膜輪通過軸承安裝在機架前部,起膜鏟固裝在機架前方、位于輸膜輪的后下方,起膜鏟的前端面與輸膜輪齒的轉(zhuǎn)動軌跡吻合。脫膜輪安裝在機架頂端,通過軸承安裝在機架上,集膜箱安裝在機架后端,集膜箱的開口位于脫膜葉輪正下方。
1.機架 2.輸膜輪 3.軸承 4.傳動裝置
圖5 齒鏈式收膜機
作業(yè)時,由牽引機帶動機具前進,起膜鏟將機具前方的土壤松動。牽引機通過后置的動力輸出軸輸出動力,再經(jīng)過變速箱帶動起膜鏈條和卸膜葉輪轉(zhuǎn)動。收膜作業(yè)過程中,起膜齒穿透殘膜,在前進轉(zhuǎn)動的同時將殘膜挑起;挑起的殘膜通過起膜齒與蓋板之間的間隙向后上方輸送,到達集膜箱上側(cè)后,在脫膜葉輪的刮送作用下落入集膜箱;待集膜箱中的殘膜堆積到一定程度后,再由人工將殘膜取出裝袋,機具再繼續(xù)作業(yè)。
脫膜輪由脫膜輪軸和葉片組成,葉片固裝在脫膜輪軸上,葉片采用柔性材料,柔性材料可以是橡膠板、錦綸帶、編織帶和尼龍絲。脫膜輪也可以采用尼龍刷輥[21-23]。脫膜葉輪與輪軸平行安裝且脫膜葉輪的寬度與輪軸的寬度相等。彈性刷片高度與起膜齒高度相同,彈性刷片在兩者交集的部位開有讓起膜齒通過的切口。起膜齒通過卸膜葉輪的彈性刷片上時,彈性刷片的頂端可以刷到起膜齒的根部,從而起到較好的刮送殘膜作用。整個收膜過程中,蓋板對揭起的殘膜保護較好,解決了送膜過程中易丟膜的問題。
如圖6所示,該裝置的脫膜葉片選用膠皮,經(jīng)試驗?zāi)軌驖M足使用要求,同時也較好地解決了以往把硬質(zhì)材料用于脫膜裝置導(dǎo)致?lián)炷X與脫膜裝置接觸時產(chǎn)生碰撞變形的問題。脫膜裝置是殘膜回收機的重要組成部分,脫膜輥的脫膜葉片使用膠皮能夠有效地降低整機的質(zhì)量,回彈性也極佳,從而降低了拖拉機的載荷,提高脫膜率,有利于機器作業(yè)。
圖6 梳齒式脫膜裝置
通過實驗發(fā)現(xiàn),通過橡膠板的彈性變形來完成抓取殘膜,其效果比帆布帶要好,同時也比毛刷的纏膜率低。因此,最佳的脫膜執(zhí)行元件應(yīng)該用橡膠板。更換橡膠板比更換脫膜輥要方便的多,因此可以將橡膠板用螺栓固定在脫膜滾筒上作為一個配件,以方便脫膜葉片的更換。
該機由機架、撿膜滾筒、脫膜滾筒、傳動機構(gòu)、撥草桿、摟膜齒、集膜筐和罩蓋等主要部件構(gòu)成,如圖7所示。其中,機架由型鋼焊接而成;撿膜滾筒由若干片指狀撿拾齒排列組成;脫膜滾筒上安裝有膠皮材質(zhì)的脫膜板,工作時其縫隙從片狀撿膜齒兩側(cè)刮過,將勾起的地膜脫下,并甩入集膜筐中。脫膜滾筒安裝在撿拾滾筒的上方機架上,表面均勻分布著軟毛刷脫膜齒,脫膜齒與指狀撿拾齒相互交錯配合,兩滾筒在轉(zhuǎn)動的過程中將殘膜從撿拾齒上脫下。后方的機架上安裝有集膜箱,通過液壓缸和連桿做前后翻轉(zhuǎn)運動,將收集的殘膜倒出。在撿拾滾筒后上方的機架上安裝著輸膜葉輪,輸膜葉輪與集膜箱的進料口相互配合收集殘膜。該脫模裝置在脫膜過程中作業(yè)平穩(wěn)順暢,脫膜干凈、殘留少,脫下的廢膜保存的也比較完整,基本實現(xiàn)了撿膜、脫膜、集膜一體化作業(yè)流程[24-25]。
1.指狀撿拾齒 2.撿拾滾筒 3.脫膜滾筒 4.脫膜齒
伸縮桿齒式撿拾滾筒收膜機由伸縮齒、滾筒、偏心滾筒和集膜箱所組成,如圖8、圖9所示。作業(yè)時,滾筒里的伸縮齒桿隨著滾筒的轉(zhuǎn)動扎入地表的殘膜,并帶動殘膜沿滾筒圓周方向運動,并隨著齒桿逐漸縮人滾筒,齒桿與殘膜分離,殘膜被帶到脫膜位置,然后由脫送葉輪從撿拾滾筒上脫下并拋送到集膜箱中[26-27]。
1.伸縮齒 2.滾筒 3.偏心滾筒 4.殘膜 5.土壤
圖9 伸縮桿齒式撿拾滾筒收膜機
脫膜輥是殘膜回收的一個重要組成部分,由托膜板、葉片式脫送滾筒、橡膠板構(gòu)成,如圖10所示。
1.膜箱 2.脫膜滾筒 3.托膜板 4.拾膜滾筒
工作時,葉片式脫送裝置旋轉(zhuǎn),其轉(zhuǎn)動方向與挑膜滾筒旋轉(zhuǎn)方向可同向亦可反向;脫送裝置上安裝的葉片式橡膠板與挑膜滾筒彈性接觸,控制好間隙,保證零件之間互不損傷同時又可以很好地抓取挑膜滾筒上的殘膜,使殘膜脫離挑膜滾筒表面;脫下的殘膜在脫送滾筒和護罩形成的輸送空間里被輸送到膜箱;極少量沒進入膜箱的殘膜隨葉片式脫送裝置旋轉(zhuǎn),經(jīng)過托膜板后再次進入輸送空間。其中,托膜板的作用是防止碎膜卷入皮帶與滾筒之間而影響工作。
這臺機型是內(nèi)蒙古自治區(qū)農(nóng)牧業(yè)機械化研究所研制的。鏟式起膜旋轉(zhuǎn)滾筒篩收膜機將含地膜的表土和根茬從耕地表面一起鏟起,送入旋轉(zhuǎn)滾筒篩進行膜土分離,收集大量殘膜和少量根茬到集膜箱中。鏟式起膜旋轉(zhuǎn)滾筒篩收膜機的結(jié)構(gòu)示意圖,如圖11、圖12所示。
1.土壤 2.起膜鏟 3.殘膜 4.輸送帶 5.滾筒
圖12 鏟式起膜旋轉(zhuǎn)滾筒篩拾膜機
工作時,用拖拉機帶動行進,前排的松土鏟刀將埋在土壤中的殘膜和根茬一并鏟出,經(jīng)過傳動機構(gòu)輸送到旋轉(zhuǎn)滾筒篩中。殘膜、根茬以及土塊在滾筒篩內(nèi)旋轉(zhuǎn),通過離心力作用,土塊被擊碎通過篩網(wǎng)孔甩到地面,而留在滾筒篩里的殘膜和根茬被甩到集膜茬筐內(nèi);收集滿時,由人操作將膜茬卸放成堆,完成地膜回收和起茬作業(yè)。
3結(jié)語
目前,我國殘膜回收機的脫膜機構(gòu)主要有輸送皮帶、推膜板、抖動篩、脫膜輥及刮板等。對于伸縮桿齒式收膜機和彈齒式收膜機來說,應(yīng)用輸送皮帶和推膜板脫膜比較理想,比用刮板、毛刷等脫膜機構(gòu)的效果好,且不存在纏繞的問題;輪齒式和齒鏈式的脫膜部件一般采用刮板輪,耙齒式收膜機的脫膜機構(gòu)使用刮板輪效果比較理想,可以快速的脫膜,在高速運轉(zhuǎn)的機具中有著廣泛的應(yīng)用。集膜部件主要有兩種,分別是集膜箱和卷膜輪。集膜箱適用于收集破損嚴重,連續(xù)性較差的碎膜收集;而對于連續(xù)性好,破壞程度小的整膜而言,卷膜輪的收膜效果好。
盡管已經(jīng)研制出了生物降解、光降解、雙降解及植物纖維降解等類型的地膜,但這些地膜的成本太高,很難被農(nóng)民們所接受。今后,我國農(nóng)業(yè)上仍將使用大量的廉價塑料薄膜,因此有效地收集殘膜是現(xiàn)階段的重要任務(wù)。由于現(xiàn)階段我國農(nóng)業(yè)經(jīng)濟的水平限制,使用小型機具收膜的方法是相對理想的。這就要求我們把提高殘膜回收率、農(nóng)民的收益和機械的工作效率作為殘膜回收機械的研究方向,爭取早日解決殘膜污染問題。
目前,殘膜回收機具的種類多達近百種,其關(guān)鍵工作部件的拾膜脫膜機構(gòu)的種類也有幾十種。這些機具適用性單一,不能滿足經(jīng)常變化的作物種植,研究出適用于多種種植方式的殘膜回收機具也勢在必行。脫膜機構(gòu)是殘膜回收機具的核心部件,其結(jié)構(gòu)的合理性和相互配置的關(guān)系直接影響到機具的性能。目前,國內(nèi)該部分的研究主要依靠農(nóng)田實驗獲得的數(shù)據(jù)進行,研究周期長,理論水平不高。因此,在我國部分地區(qū)實行覆膜種植時,應(yīng)當將農(nóng)藝規(guī)范化,以便于殘膜機的配合作業(yè)。同時,國家也應(yīng)該出臺相應(yīng)的政策,帶動殘膜回收和利用的相關(guān)產(chǎn)業(yè),使農(nóng)民積極配合殘膜回收工作[5]。
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Research Status of Domestic Residual Film Recovery Machine to Take off the Film Device
Zhou Xinxing1,2,Hu Zhichao2,Yan Wei1,2,You Zhaoyan2,Wu Nu1
(1.College of Mechanical and Engineering, Nantong University, Nantong 226019, China; 2. Nanjing Research Institute for Agricultural Mechanization,Ministry of Agriculture, Nanjing 210014, China)
Abstract:This paper introduced the harm of residual film in agricultural production and the advantage of mechanized recycling of residual film,and discussed the classification and features of the residual film recovery machine in our country,and pointed out the importance of take off the film device as a core component of residual film recovery machine.In view of the research status of domestic residual film recovery machine,introduced a few kinds of different structure forms to take off the film device,and analyzed the existing problems in actual operation,and summarized the advantages and disadvantages,the results provided the reference for mechanism parameter optimization of residual film recovery machine to take off the film device.
Key words:residual film; residual film recovery machine; take off the film device; research status
中圖分類號:S233.5
文獻標識碼:A
文章編號:1003-188X(2016)11-0263-06
作者簡介:周新星(1991-),男,江蘇鹽城人,碩士研究生,(E-mail)409566849@qq.com。通訊作者:吳努(1957-),男,江蘇南通人,教授,碩士生導(dǎo)師,(E-mail)653534738@qq.com。
基金項目:公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(201503105_08)
收稿日期:2015-10-28