科技日报记者 梁乐 朱彤
春耕时节，新疆千万亩棉田积雪消融，土壤中长年累积的破碎残膜逐渐显露，形成阻碍作物生长的“塑料网”。
长期以来，残膜机械化回收面临“回收率低、含杂率高、可靠性差”三大难题，被业内视为“不可能完成的任务”。如今，这一困局迎来转机。
2014年起，中国工程院院士、石河子大学教授陈学庚团队将研发重点转向残膜回收机。历经数十年攻关，团队相继突破柔性捡拾、连续清杂、无芯自动卷膜等关键技术，让残膜回收从“不可能”变为“高效率”。
近日，在江苏常州汉森机械股份有限公司的生产车间，由该团队研发的棉田秸秆粉碎与残膜回收联合作业机正在加紧组装。这批即将奔赴全国棉区的“铁牛”，正以全新技术向农田“白色污染”发起总攻，为治理农业面源污染、保护耕地提供科技支撑。
柔性拾膜：提升“回收率”
研究初期，项目团队先后走访数十家农机企业，两年间试制了七八台样机，但下地测试结果显示，残膜回收率始终未获明显提升。
症结何在？传统机具采用耙式结构，钉齿与土块、石子硬性接触时产生对冲力，极易将夹在中间的薄膜撕裂，导致残膜“一半进机、一半留地”。经反复复盘，团队决定推翻原有技术路线，从捡拾原理重新攻关。
“有一次团队进行讨论时，院士提出将刚性结构改为柔性结构，模拟人手进行抓取。”陈学庚院士团队成员、石河子大学机械电气工程学院教授温浩军告诉记者，采用柔性钉齿链板式结构后，钉齿入土挑膜过程中遇到阻力过大时，铰接结构可扭转卸力，避免钉齿变形损坏。
很快，在石河子市周边的一片棉田里，随着改进后的样机缓缓驶过，地面的大部分残膜“不见踪影”，测算后回收率接近90%，比传统机具提升了近一倍。
就在大家为这一突破欢呼雀跃时，仅仅半天，样机就出现了故障。
“固定钉齿的材料是橡胶材质，连续作业时会出现拉伸变形，造成钉齿无法与薄膜有效接触。”陈学庚院士团队成员、石河子大学教授赵岩告诉记者，大家讨论了好几天，最终决定用钢材代替橡胶。
钢材上机，新问题接踵而至：钢制链板与钢制驱动轮“硬碰硬”，打滑、丢转，拾取效率再次打折。
“硬碰硬”不行，那就“软硬结合”。科研团队很快找到解决方案，在每一个钉齿底部安装软性的橡胶材料。
“当时橡胶块也没有现货，我们就找厂家定做，到货后连夜安装调试。”赵岩说，有了橡胶块进行缓冲，链板的传动摩擦力增大，同时还减轻了震动和噪音。
经过两三年的反复研究测试，柔性钉齿链板式残膜回收装置研发成功，残膜回收率达到90%的同时，还兼具极强的稳定性。
连续清杂：降低“含杂率”
残膜回收率提上去了，但秋收后的棉田里，不光有残膜，还有密集直插土壤的秸秆。
“单独处理秸秆很容易，机具作业原理也非常简单，但与残膜回收协同起来难度很大。”温浩军说，其中最大的难点就是秸秆粉碎过程会产生大量杂质，直接影响残膜回收。
“既然有难度，为何不让两道工序分开进行，互不干扰。”面对记者的疑惑，温浩军的回答很简单：“为了不误农时”。
温浩军告诉记者，棉花采收完毕到犁地休耕，往往仅有半个月时间，许多棉农来不及在短时间内完成两项作业，只能赶速度、轻质量，导致残膜和秸秆清理双双打折扣。
在赵岩看来，秸秆粉碎与残膜回收联合作业并非两道工序的简单叠加，而是通过自主研发关键设备，实现“1+1>2”的效果。
工序设计上，秸秆粉碎位于机具前端。如果碎屑直接掉落在残膜上，将给后续回收带来“巨大负担”。为了从源头“减负”，科研团队在刀片上做起了文章。
秸秆粉碎设备排列着数枚刀片，团队通过调整其中多枚刀片的排列角度，在机具行进时营造出向外旋转的“小风场”，将大部分秸秆碎片吹向机外。
有了风，另一个问题也出现了：轻飘飘的薄膜很容易被风带离。对此，团队在机器底部加装多个滚轮，将薄膜牢牢“按”在地面上，确保后续回收的完整性。
但仅靠风力还不够，仍有少部分杂质“混进”残膜回收工序，导致回收的残膜“灰头土脸”，严重时甚至造成卡机。
如何将体积不一、轻重各异的杂质“一网打尽”？陈学庚院士带领团队展开长时间探讨，在一次次的试验中，逐渐形成“震动清杂”的思路。
“我们在钉齿链板上加装震动装置，把杂质从薄膜上抖下来。”温浩军介绍。但杂质如果直接掉落，又会落在下一段残膜上。为此，团队又加装旋转滚筒——杂质落入滚筒内部，随旋转排出机外。
连续清杂效果显著，温浩军给记者讲了一个小故事。刚开始团队收回来的残膜“黑乎乎”，农户看到“直摇头”。后来随着机具杂质率大幅降低，残膜变得“白花花”，农户抢着让他们作业。
无芯卷膜：提高“作业率”
接连突破了残膜捡拾和杂质清除两项核心技术，陈学庚团队又着眼于机具的稳定高效。
传统机具作业时，残膜直接传送至后端车斗，每隔一段就要停车1至2分钟人工卸膜。更棘手的是，卸下的残膜堆成一地，后期转运处理极为不便。
“我们借鉴了塑料薄膜成品的包装方式，采用自动卷膜技术。”赵岩介绍，团队在机具后端两侧加装了旋转轴，残膜随着铁杆转动自动缠绕形成捆状，当达到设定重量后停止运行并自动掉落，省时省力的同时，还让“大个头”的车斗成功“瘦身”。
然而，当机具在田间作业时，新的问题出现了。随着残膜越卷越厚，中心轴的旋转速度也越来越慢，一进一出速度不统一，残膜频频断裂。
断裂的残膜带散落田间，让团队成员颇为头疼。经过大家的讨论，问题出在速度不统一上。
“我们连夜修改图纸，制定解决方案，让脱膜速度和卷捆速度始终保持一致。”赵岩说，第二天一早，大家就拉着机具重返棉田。经过反复试验验证，最终找到最合适的速度匹配模式。
自动卷膜技术稳定后，团队继续“做减法”
“我们把卷膜中的杆去掉，让有芯变无芯。”赵岩介绍，无芯自动卷膜技术省去了人工装卸杆芯的工序，将作业时间压缩至5秒。
团队对联合机高效运行的探索不止于此。
“早期机型采用链式传动，多个齿轮分布于机具各处。”在石河子大学机械电气工程学院实验中心，温浩军指着先前开发的联合机样机告诉记者，由于北疆棉田土质较硬且湿度较大，链条和齿轮容易出现打滑，直接影响作业效率。
对此，团队与企业合作，将传统链条传动系统升级为液压驱动，并在近几年的实际应用中展现出极强的稳定性。据测算，一台联合机每天作业面积可达250亩左右。
2022年起，通过产学研用紧密合作，陈学庚团队研发的残膜回收装备在多家企业实现量产，并在新疆、甘肃、内蒙古及中亚国家累计推广近2000台。该团队牵头的“高回收率棉田残膜回收联合作业技术与装备创制”项目，获2025年度农业机械科学技术奖一等奖。
“陈学庚院士团队聚焦残膜回收，历经十余年形成国际领先的科研成果，对新疆乃至全国干旱区农业绿色发展具有重大的科技支撑作用。”石河子大学党委副书记、校长李兆敏表示，下一步石河子大学将继续坚持一体推进教育科技人才发展，助力更多科研成果走出校园，为经济社会发展注入新动能。
（石河子大学供图）
网友评论
