滾針式殘膜回收機試驗及分析

馬少輝

（塔里木大學機械電氣化工程學院，新疆阿拉爾843300）

地膜覆蓋栽培技術因其具有保墑、增溫、改善土壤、抑制雜草生長和增產等作用［1］被廣泛推廣使用。該技術在為農業發展做出重大貢獻和帶來巨大經濟效益的同時，因農民缺乏回收意識和缺少相應配套機械，給農田造成了嚴重的“白色污染”［2-4］，殘留在農田土壤中的地膜，其危害直接表現在破壞土壤團粒結構，孔隙度通透性下降，影響土壤微生物正常活動，造成土壤次生鹽堿化；阻止幼苗根系對水分養分的吸收，造成爛種、爛芽；在機械化棉花采收時，殘膜易混入籽棉中，降低棉花等級；混入皮棉中的殘膜，在印染過程中造成著色不勻；此外，殘膜遇風隨處散落在樹枝、溝渠、房前屋后嚴重破壞農村生態環境；纏繞機械工作部件，影響農機具正常作業和作業質量；混入秸稈飼料中，導致家畜胃腸功能失調甚至死亡。

現階段，棉田當年的殘膜回收還是以人工撿拾為主，勞動強度大，作業效率低，急需機械代替人工完成殘膜回收，保護棉田生態環境。各地科研工作者根據殘膜回收作業時間的不同，研制了苗期殘膜回收機、秋后殘膜回收機和播前殘膜回收機［5-7］，其中秋后殘膜回收作業機應用最為廣泛。本文針對現階段秋后棉田地表殘膜回收機作業效率低，機具消耗功率大，回收的殘膜與棉桿纏繞的問題設計了一種滾針式殘膜回收機，該機具不對棉桿粉碎，在棉桿直立狀態下，對當年地表殘膜進行分區并回收，并在室內土槽開展了相關試驗。

1 滾針式殘膜回收機總體結構

滾針式殘膜回收機主要由機架、懸掛架、起膜鏟、切膜圓盤和滾針筒等部分組成，機具結構示意圖如圖1所示。

圖1 滾針式殘膜回收機的整體機構示意圖

工作時，由拖拉機懸掛牽引機具前進，切膜圓盤將整幅膜切割成邊膜區和寬膜區，起膜鏟將埋于土壤內的邊膜鏟起，滾針筒滾動時將不同區域的殘膜扎于滾針上，達到回收地表殘膜的目的。

2 滾針式殘膜回收機試驗與分析

2.1 單因素試驗

2.1.1 試驗目的

滾針筒是機具的核心部件，其滾針的長度是地表殘膜回收率關鍵，滾針長度過長，滾針彎曲變形，過短不易將殘膜挑起，影響殘膜回收率。課題組針對滾針長度進行單因素預備性試驗，確定滾針長度范圍；利用方差檢測方法對試驗數據進行處理與分析，從而來驗證滾針長度對殘地膜回收率顯著性的影響。

2.1.2 試驗條件

試驗在塔里木大學機械電氣化工程學院農業機械化室內土槽實驗室內進行，土槽長度80 m，寬度8 m，土槽牽引實驗臺車速度0-20 km/h 可調，為滿足機具作業效率，牽引速度為4 km/h，人工事先按農田棉花種植要求將地膜覆蓋于土槽內，在地膜上栽植收獲后棉株，模擬農業棉田環境。

2.1.3 試驗方法

通過前期研究和預備試驗可知，當滾針長度小于20 mm 時，殘膜不易纏繞到收膜滾筒上，殘膜回收率僅為23. 08%；同時，當滾針長度大于90 mm時，滾針遇田間硬物時易彎曲變形，造成機具不能正常工作。因此，機具滾針長度從20 mm 開始，每增加10 mm 作為一個水平，每個長度重復3 次試驗。

2.1.4 試驗主要材料與設備

試驗地膜選用普通農用地膜，厚度為0.01 mm，按機采棉660 mm+100 mm 模式人工鋪膜；棉桿取自當年種植收獲后的棉田，去除根部后按棉花種植的行距、株距進行栽植；所使用設備有FA1004 電子精密天平，100 m皮尺和秒表。

2.1.5 試驗結果

表1 滾針長度對殘膜回收率的影響

圖2 不同長度滾針下的回收率曲線

2.1.6 試驗分析

根據國家農業行業殘地膜回收機作業質量標準（NY/T 1227-2006），殘膜回收率不能低于75%，由試驗數據表1 和圖2 可知，當滾針長度20 mm 和30 mm時，回收率小于75%。因此剔除20 mm 和30 mm 兩個水平，滾針長度從而確定從40 mm 開始，每增加10 mm作為一個水平，每個長度重復3次試驗。

根據單因素實驗數據，對其進行方差分析，如表2和表3。

通過單因素方差分析可知，滾針長度對機具殘膜回收率影響顯著。

2.2 雙因素試驗

2.2.1 試驗目的

為提高機具作業效率和殘膜回收率，課題組通過試驗與理論數據分析，目的在于找到牽引速度和滾針長度兩個參數的最優組合,從而確定機具最佳作業速度和結構參數。

2.2.2 因素水平的確定

機具的作業效率和作業質量是衡量機具性能好壞的重要標志。

（1）牽引速度范圍的確定：在農業生產中，機具的作業速度往往是影響作業效率的關鍵因素，在確保作業質量的前提下，適當增加作業速度，有助于提高作業效率。為此課題組考慮到速度對作業效率和質量的影響，牽引速度確定為2.5 km/h—5.5 km/h之間，每增加0.5 km/h 作業1 個水平，每種牽引速度重復試驗3次。

（2）滾針長度范圍的確定：根據單因素試驗數據分析可知，當滾針長度20 mm 和30 mm 時，回收率小于75%，不符合農業生產實際要求，當滾針長度大于90 mm 時，殘膜回收率變化不大，但滾針遇地面硬物時易彎曲變形，為此，課題組考慮到殘膜回收率和滾針極限長度下機具的可靠性，滾針確定為40 mm—100 mm 之間，每增加10 mm 作為1 個水平，每個長度重復3次試驗。

根據因素水平范圍的確定，機具的雙因素水平編碼表如表4所示。

表2 方差分析計算

表3 方差分析表

表4 因素水平編碼表

2.2.3試驗設計方法

試驗采用L49（72）［8］的雙因素正交試驗，每組試驗重復3次，取其平均值。

2.2.4 試驗指標

滾針長度和牽引速度為試驗的兩個因素，殘膜的回收率為考查指標，從而確定機具最佳作業速度和最佳滾針長度。

殘膜回收率的計算公式：

其中，W：殘膜的回收率，%；

K1：機具殘膜回收的殘膜質量，g；

K2：人工撿拾的殘膜的質量，g。

2.2.5 試驗數據分析

試驗數據及處理如表5所示。

表5 試驗的數據及處理

（續表）

（續表）

3 結論

（1）通過室內土槽試驗可知，分區式滾針式殘膜回收機工作原理可行，但試驗與實際棉田環境與條件還存在差異，須進一步在實際棉田中驗證。

（2）通過數據處理與分析，分區式滾針殘膜回收機作業時，機具的牽引速度B 為主要因素，滾針長度A為其次因素。

（3）通過數據處理與分析，機具牽引速度和滾針長度的最佳組合為A5B5，即牽引速度4.5 km/h，滾針長度80 mm，此時殘膜回收率最高，達94.47%。