覆膜機械研究現狀與發展分析

王震，吳長兵，張富貴，李再軍，王丹林

（1.550025 貴州省 貴陽市 貴州大學 機械工程學院；2.550004 貴州省 貴陽市 中國煙草總公司貴州省公司）

0 引言

我國是煙草大國，煙草種植面積位居世界首位，煙草市場規模巨大。隨著我國工業化的不斷加快以及人口老齡化的不斷加劇，在煙草種植過程中出現了勞動力成本不斷增加的問題，因此進行煙草機械化產業優化升級十分必要[1-2]。覆膜機械化作為煙草種植過程中的一個重要環節，主要包括掛膜、壓膜、培土等過程。覆膜機根據其行走形式可以分為小型手動覆膜機、自走式油動覆膜機和牽引式油動覆膜機。小型手動覆膜機由于沒有行走動力源，機械作業時需要人工拉動，適合小塊沙性地形使用。自走式油動覆膜機采用汽油機為整機行走動力源，減少了人工，增加了自動培土功能，適合我國黏性土壤較為平坦地塊使用。牽引式油動覆膜機由拖拉機拖動，整機體積較大，覆膜質量較好，主要適用于大型農場[3-4]。

我國國土遼闊，不同地區地形地勢和種植方式都有差異，覆膜機械化發展緩慢，覆膜機械技術已經成為制約煙草種植產業發展的瓶頸，煙農認可機械覆膜的實用性、適用性，對機械覆膜有強烈需求，所以當務之急是攻克覆膜工程中的技術難題。煙草種植作為我國多地種植的經濟作物，覆膜機械對煙草種植質量有重大影響。覆膜機械能夠提高覆膜效率、減少人工成本及工作強度[5]。所以，對煙草覆膜機械的研究對煙草種植業有重要意義。

本文在分析了國內外覆膜機研究現狀的同時，對覆膜工作原理進行了研究論述，結合煙草種植過程中自走式覆膜機存在的問題，對其未來的發展提出建議。

1 國外覆膜機械研究現狀

發達國家對覆膜機研究較早，研究領域也更加廣泛，覆膜裝備機械化也更為成熟。發達國家農業機械化水平相對較高，其機械的通用性和適用性等方面做得比較好，目前正在向智能化、精量化等方向發展[6-7]。從20 世紀50 年代開始，少數發達國家就對地膜覆蓋技術進行了研究，日本是世界上最早研究地膜覆蓋技術的國家之一，并在全國推廣覆膜技術，目前已經應用到了花生、煙草等眾多經濟作物的種植過程中[8]。

日本龜井正弘和美岡邦彥等研究人員研制的自走式旱直播覆膜機械如圖1 所示。機器采用了人工覆膜原理，整機具有動力行走裝置。鎮壓輪采用海綿材質，鎮壓輪裝置將地膜壓至作業表面，這種特殊的結構設計使其可以在山地丘陵等條件較為惡劣地區作業。整機采用框架式結構，質量較輕，作業幅寬為5 行，由2 人配合作業，工作效率10.0～16.7 m2/min，適用于小規模水田，其主要技術參數見表1。但該機由于作業者采用背部朝前的行走方式，導致覆膜時直線型下降，同時掉頭時有跌倒側翻的危險[9-10]。

圖1 日本自走式旱直播種覆膜機Fig.1 Self-propelled direct-seeding film-mulching machine in Japan

表1 日本自走式旱直播種覆膜機主要參數Tab.1 Main parameters of self-propelled direct-seeding film-mulching machine in Japan

日本三菱研發設計的MKP60 型地膜敷設插秧機主要適用于稻田作業，整機結構如圖2 所示。機器在作業時，操作人員乘坐于機器上，大幅度減輕了人員勞動強度。覆膜裝置位于整機動力輸出部位與插秧作業部位中間，機器可同時完成插秧和覆膜作業。采用拖拉機動力輸出驅動機器作業，整機較為笨重，覆膜作業結構比較復雜，且覆膜裝置與秧箱相隔較近，影響插秧裝置插秧性能[11]。

圖2 MKP60 型地膜敷設插秧機Fig.2 MKP610 type film-mulching transplanter

日本藤木農機研制的拱棚插架覆膜一體機，體積較小，適用于多種作業環境，如圖3 所示。該插架覆膜機有多種型號，其中僅TP-180 機型需要彎桿作為棚桿，其他型號使用直桿作業。棚桿材料為鋼材、玻璃纖維。機型對應的棚桿尺寸及其作業寬度如表2 所示。

表2 棚桿尺寸及其覆膜作業寬度Tab.2 Technical parameters of low-tunnel rod insertion machine

圖3 拱棚插架覆膜一體機Fig.3 Low tunnel press-insertion machine

該機為自走式，采用3 kW 汽油機為行走動力源。整機搭建拱棚高度約為900 mm，棚桿入土深度為300～400 mm，兩棚桿間距為400～1 200 mm，棚桿間距有多個擋位可選。整機機身利用率較高，適用于農場及丘陵地區。該機需要重復進行整機行走啟停以及液壓操控，需要經驗豐富的作業人員，操作步驟繁瑣[12]。

美國ANDROSENG 公司研發的New Low Tunnel Deployment System 由拖拉機牽引完成拱棚插架覆膜作業，整機結構如圖4 所示。該機可根據作業狀況選擇單列以及多列覆膜作業同時進行，覆膜作業拱棚高度為500～550 mm，寬度為750～800 mm，作業過程中棚桿之間距離可以調整，試驗表明該機進行覆膜作業后，膜內溫度比外部環境溫度高5～15 ℃，機器覆膜作業質量較好。但該機作業時棚桿需要人工進行單根放置，需要投入的人力較多。該機每個覆膜機架間距較大，造成拱棚間距大，所以土地利用率低[12]。

圖4 New Low Tunnel Deployment systemFig.4 New low-tunnel deployment system

意大利FORIGO 公司研制了一種主要適用于砂土的起壟覆膜一體機（如圖5 所示），該覆膜機的CO.Modus 系列具有多種型號，適用于不同作業環境。該機沒有行走動力源，作業時由拖拉機三點懸掛提供行走動力。整機前端擁有2 個傾斜布置的圓盤，主要用于匯集土壤，土壤在起壟裝置和整機復合運動作用下形成地壟。覆膜作業時，開溝器先將地壟兩側邊緣劃出一條溝槽，整機行走地膜平鋪于地壟上側，隨后壓膜輪將地膜邊緣壓入溝槽，最后由覆土鏟將壟溝周圍土壤鏟入地膜兩側完成覆膜。該機的壓膜輪與機架采用柔性連接，并由彈簧裝置提供一定預緊力，使壓膜輪能夠有效將地膜壓至壟溝[13]。

圖5 FORIGO 起壟覆膜機Fig.5 FORIGO ridging and mulching machine

2 國內覆膜機械研究現狀

我國機械覆膜研究落后于發達國家，20 世紀70 年代引進國外機械化覆膜機技術，開啟了自我研發和探究之路。隨著近年來機械化水平的不斷提高，對各種地膜覆膜機的研發和改裝力度加大，設計出了一系列集起壟、施肥、覆膜等功能于一體的覆膜機，極大提高了覆膜作業效率，同時研發出針對不同作業環境和要求的覆膜機械[14-15]。

2.1 多功能覆膜機

內蒙古農業大學羅奇提出并設計了一種適用于疏松土壤地塊作業的多功能覆膜播種機械，整機結構如圖6 所示。

圖6 多功能覆膜播種機Fig.6 Multi-functinal inter-row mulching planter

整機作業時，圓盤開溝器隨機器的前進轉動，在機器兩側開出埋膜溝，地膜在整機牽拉作用下伸展，隨后兩側壓膜輪將地膜壓入圓盤開溝器作業的埋膜溝內，最后由壓膜輪后面的覆土鏟將土壤回填至埋膜溝起固定作用，完成覆膜[16]。

黑龍江省農業機械工程科學研究院開發了水稻覆膜高速插秧機，整機結構如圖7 所示。覆膜機構和斷膜機構位于插秧機后輪與栽植裝置之間，整機可同時完成覆膜和插秧作業，覆膜機構包括壓膜輥、托膜架以及壓膜邊輥等。完成覆膜的地膜貼合率大于95%，漏覆土率小于1%，可完成高效覆膜[17]。

圖7 水稻覆膜高速插秧機Fig.7 Rice high-speed mulching and transplanting machine

遲明路設計了一種集施肥、鋪膜、覆土鎮壓功能于一體的施肥移栽機，該機適用于平地壟栽或平栽作業情形，可同時完成2 行覆膜移栽，該機結構如圖8 所示。整機作業時，傾斜布置的圓盤狀開溝器先在地面開出兩條溝槽，隨后地膜隨整機的前進平鋪于地面，仿形壓膜輪將地膜兩側壓入溝槽，最后推土器將土壤回土，該機的土壤導流裝置方便機器進行回土。該機主要用于平地作業，整機完成移栽覆膜作業后，具有仿形功能的壓膜輪會對地膜兩側進行鎮壓[18]。

圖8 覆膜施肥移栽機Fig.8 Film-mulching fertilizing transplanter

陳志厚等人設計研發了一種集旋耕起壟、施肥、覆膜等功能于一體的YS-1 GVFM-125A 型起壟施肥鋪膜機，如圖9 所示。該機以11.03～16.17 kW 柴油機為行走動力，主要包括起壟系統、施肥系統以及覆膜系統。機器作業時，旋耕刀轉動將土壤向中間匯聚，可以選擇將肥料由排肥口落下，完成起壟施肥作業；犁刀翻土，一部分用于覆蓋肥料，另一部分從支膜架越過，用于覆蓋壓膜輪壓成的壟溝兩側，進而完成“拉鏈式”覆膜。該機的研制主要針對南方煙葉區域，實現了起壟、施肥、覆膜一體化作業，大幅度降低了勞動強度[19]。

圖9 YS-1 GVFM-125A 型起壟施肥鋪膜聯合作業機Fig.9 YS-1 GVFM-125A ridging,fertilizing and film spreading machine

2.2 單功能覆膜機

趙立軍等人研制的2BF-1400 型水稻覆膜播種機由13～18 kW 拖拉機懸掛牽引，結構如圖10 所示。作業時，由最前端整地裝置將地表整平，由開溝器在機器兩側開出壓膜溝，機器向前行進，掛膜裝置上的地膜展開平鋪于地面，壓膜輪將地膜兩側壓緊至壟溝，最后由覆土圓盤將土壤壓至地膜兩側，完成覆膜作業。該機器主要適于1 400 mm 寬度的地膜，整機作業速度3～5 km/h，大幅減小了作業人員的勞動強度[20]。

圖10 2BF-1400 型水稻覆膜播種機Fig.10 2BF-1400 rice film-mulching planter

河北農業大學蔡雅琨根據果園農藝要求對覆膜機進行了設計，使該覆膜機適應各種覆膜地塊，整機結構如圖11 所示。

圖11 果園實生苗精密播種機覆膜機Fig.11 Orchard seeding film-mulching machine structure diagram

整機由14.7 kW 拖拉機帶動，首先由開溝器進行開溝作業，作業寬度60 mm，深度40 mm，隨后掛膜裝置將膜卷平鋪于地面，由壓膜裝置將膜卷兩邊壓至壓膜溝內，最后由覆土器將薄膜兩側覆土，完成覆膜作業。整機操作簡單，結構調整方便，工作效率較高，主要適用于較為松軟的沙性土壤[21]。

福建省農業機械化研究所設計研發出2MZ-1型自走式鋪膜機，整機結構如圖12 所示。該機由8.53 kW 發動機帶動，機器作業時采用倒退行走方式，先由支膜架將地膜平鋪于地壟上，壓膜輪將地膜兩側壓至地壟兩側溝底，隨著整機行進，培土刀轉動將土壤拋至地膜兩側完成覆膜。由于培土刀由動力源帶動，該機可廣泛適用于多種地塊土壤，并可以在平地高效完成覆膜作業[22-23]。

圖12 2MZ-1 型自走式鋪膜機Fig.12 2MZ-1 self-propelled film spreading machine

3 覆膜關鍵部件設計和理論研究

鑒于農業生產中作物覆膜的巨大效益以及發達國家機型通用性較差、價格較貴，國內科研院所和生產企業對覆膜機械進行了多方面的研發設計，多種研發方案已經實體化并進行了相關實驗分析。

2014 年，石河子大學李衛敏等針對作物移栽后鋪膜產生的一系列問題設計出了一種加工番茄移栽后鋪膜機，針對育苗移栽和鋪膜技術應用愈加廣泛的趨勢，研發了移栽后鋪膜機構。整機先利用SolidWorks 建立虛擬樣機三維模型，運用RecurDyn對整機進行運動學仿真優化，利用正交實驗測試地膜抗拉試驗。鋪膜機樣機實驗顯示，影響鋪膜效果的主要因素是護苗板角度，通過實驗得出鋪膜機行進速度800 mm/s、護苗板傾斜30°、地膜鋪設角度20°時，鋪膜效果較為理想[24]。

2016 年，為解決甘薯種植勞動強度大、機械化程度低等難題，青島農業大學隋修旭等利用SolidWorks 完成三維建模，運用ADAMS 運動學仿真分析得出，起壟刀轉速332 r/min、整機行走速度0.9 m/s 時起壟效果最佳，同時設計了地壟壓實整形裝置，可進一步提高起壟后地壟緊實度，提高覆膜質量。采用可拆卸覆膜覆土裝置，根據不同覆膜作業需求自行調節覆膜覆土裝置。設計了彈性裝置壓膜輪以適應不同地壟兩側，保證壓膜輪不產生相對滑動。整機壓膜均勻，覆土結實，兩壟之間壟溝部分無漏膜現象[25]。

2020 年，為提高覆膜機自動化程度，山東農業大學秦洪政等研發出一種自走式變距拱棚插架覆膜機。利用液壓傳動和機械傳動結合完成棚桿折彎和插架作業，利用SolidWorks 完成三維建模并進行裝配；利用PLC 控制系統和硬件電路，對覆膜機作業參數進行調整。試驗表明，當覆膜機行進速度1.2 km/h 時，棚桿插架率以及覆膜效果最好，覆膜透光率遠大于人工手動覆膜透光率。各項覆膜參數均滿足北方地區覆膜農藝要求[12]。

4 覆膜機械存在的問題以及發展建議

4.1 覆膜機械存在的問題

（1）我國國土遼闊、地形復雜，難以研發出適合各種地形作業的覆膜機械。國內研發的多種機型多參考發達國家的機型進行改造研發，因此容易忽略我國南北方地形差異以及土壤差異。我國北方多為平原，土質也較為疏松，適合大型機械開發，機器通用性較強，而南方各地地形地貌復雜，以黏性土壤為主，機械覆膜時多采用小型機械，因此各地覆膜機械通用性較差。

（2）國內研發的覆膜機械大多處于純機械控制階段，整機自動化、集成化、智能化程度不高。機型比較笨重，操作復雜，目前國內出現老齡化現象，需要考慮作業人員整體素質，從而研發智能化、自動化型機型，進一步解放勞動力，加大對先進適用機械的推廣。

（3）覆膜機械關鍵部件的研制與農藝結合不緊密。目前國內機型研發大多為通用化設計，未考慮特殊情況下的作業需求。如在我國西南地區煙葉種植過程中，由于地形地勢以及土壤原因會造成覆膜質量不高，進而影響煙葉幼苗的生長，難以達到作業要求。

4.2 覆膜機械發展建議

（1）以政府為主導，加快扶持農機區域化發展，加快農機農藝融合。隨著農業機械化的發展，結合我國不同地區覆膜機械發展的需要，通過農業信息化加快滿足我國不同地區不同土壤的覆膜需求。合理采用先進制造技術，提高農機關鍵部件的質量，增加農機的使用壽命。同時從政策上加強宣傳、加強農機推廣，提高操作人員綜合作業水平。

（2）通過政府政策引導、部門配合的方式推進機械化覆膜進程。以我國農業生產為立足點、以產、學、研一體的方式研發設計農民滿意的覆膜機械。同時，需要有關部門加強對新技術、新理念的宣傳，政府部門加強對農機的政策補貼，引進國外大型農廠種植模式，提高覆膜機械在農業生產中的利用率。

（3）以高校、企業、科院研所為核心，充分考慮我國老齡化程度的實情，在提高覆膜質量的同時，研發自動化以及智能化的覆膜機械，減少農業生產中的人力消耗，特別是在我國西南地區煙草經濟類作物種植面積較大，在人力資源短缺的背景下，加快集成化、自動化覆膜機械的發展可有效降低作業人員的勞動強度以及減少人力資源消耗，利于加快農業機械化推廣。

5 結論

國外的覆膜機械研究時間較長，機器工作效率較高，機器價格整體較高，不適于國內種植戶大批量購買。國外覆膜機械主要面向大型農場，我國幅員遼闊，作業環境極其復雜，目前國內許多團隊開始轉向針對不同地區的自走式覆膜機，還沒有普遍適用于我國大部分地區的覆膜機，在相當一段時間內，自走式覆膜機仍是我國農業生產的主要需求。

國內的覆膜機械品種繁雜，覆膜機械化效率較低，在一定程度上制約著我國農業生產的發展。目前國內農業從業人員老齡化程度偏高且主要針對小型地塊作業，因此要提高覆膜機械化水平和提高機械化覆膜效率應減少覆膜機械整機質量、降低覆膜機械整機操作復雜程度，從而利于減輕作業人員勞動強度和降低作業人員的操作難度。

現階段覆膜機械化作業仍存在問題需要解決，針對西南地區地形地塊較為特殊、不利于大型覆膜機械作業，且由于地形限制會使覆膜機械地壟兩側覆土量不一致，影響覆膜質量；地塊不平時覆膜作業會造成覆膜機培土刀培不到土壤至地壟兩側進而不滿足覆膜需求。今后覆膜機械研發在提高機械化程度的同時需要向智能化、區域化發展，滿足不同地區機械化作業的需求，再逐步提高覆膜效率和覆膜質量。