南方農(nóng)田殘膜撿拾機(jī)撿膜裝置的設(shè)計(jì)及試驗(yàn)

摘要：為高效撿拾我國南方丘陵地區(qū)深層土壤中難降解的殘留地膜，在分析殘膜的物理特性、分布情況以及土壤特性的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一款操作簡便、高效撿拾的農(nóng)田殘膜撿拾裝置。根據(jù)三維模型運(yùn)動(dòng)學(xué)分析及仿真分析結(jié)果確定表土層彎齒扎膜滾筒和深土層垂直扎膜齒組的最優(yōu)設(shè)計(jì)參數(shù)，并進(jìn)行驗(yàn)證。通過模擬土槽試驗(yàn)得出多因素試驗(yàn)結(jié)果，其最優(yōu)參數(shù)組合為表土層扎膜部件入土深度30 mm，機(jī)器行走速度5 km·h-1，動(dòng)力輸出轉(zhuǎn)速450 r·min-1。在最優(yōu)參數(shù)組合下，地膜回收率達(dá)85.9%，符合國內(nèi)殘膜撿拾標(biāo)準(zhǔn)，滿足了撿拾高碎片化程度殘膜的需求。

關(guān)鍵詞：殘膜撿拾機(jī)；表土層；深土層；殘膜撿拾率；多因素試驗(yàn)doi：10.13304/j.nykjdb.2024.0351

中圖分類號(hào)：S224 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1008‐0864（2025）02‐0099‐09

地膜覆蓋栽培為作物增產(chǎn)增收和保障我國糧食安全提供了重要支撐，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中已被廣泛應(yīng)用[1‐2]。其主要通過提高土壤溫度、保持濕度、抑制雜草生長和減少病蟲害來提高作物產(chǎn)量，增產(chǎn)效果可達(dá)20%～50%[3]。我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)地膜使用量大，地膜長時(shí)間殘留無法降解會(huì)造成土壤板結(jié)，影響作物對(duì)水分和養(yǎng)分的吸收，降低種子作物發(fā)芽率，甚至導(dǎo)致作物枯萎或死亡，因此，農(nóng)田殘膜的回收問題亟需解決，尤其是土地翻耕后位于深土層的殘膜[4‐5]。

現(xiàn)階段殘膜撿拾機(jī)主要分為半機(jī)械化回收和機(jī)械化回收。半機(jī)械化回收因缺乏動(dòng)力能較好地完成摟膜或耙膜，但無法主動(dòng)撿拾，因此會(huì)導(dǎo)致地膜破碎并散落于土壤中。而機(jī)械化回收在完成大塊殘膜的撿拾回收后并能對(duì)作物進(jìn)行粉碎還田，機(jī)械化殘膜回收極大程度地降低了作業(yè)強(qiáng)度。國外地膜厚度較大，在回收地膜時(shí)尚具有一定的抗拉強(qiáng)度，所以多采用卷收模式，即整塊地膜從土壤表面卷起并纏繞回收。我國使用的地膜厚度普遍較薄（0.006～0.012 mm），這導(dǎo)致殘膜易于風(fēng)化，尤其南方土壤粘附力強(qiáng)，更是給殘膜撿拾帶來了挑戰(zhàn)。目前，我國殘膜回收作業(yè)以播前殘膜回收模式為主，土壤經(jīng)翻耕后，位于20 cm深土層的殘膜難以回收，且由于中國南方殘膜的碎片化程度較高，土壤中殘膜分布深度不一，回收機(jī)械在中國南方的應(yīng)用一定程度上受限[6-10]。

本研究基于殘膜及土壤的物理特性分析、關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)學(xué)及靜力學(xué)分析，開發(fā)一種適用于中國南方地區(qū)，集膜雜分離、粉碎旋耕與表、深土層殘膜回收等功能于一體的殘膜撿拾機(jī)，實(shí)現(xiàn)高效撿拾碎片化程度較高且分布在不同土壤深度的小塊殘膜，旨在為深土層殘膜撿拾機(jī)的開發(fā)提供參考。

1 材料與方法

1.1 殘膜與土壤特性測定

本次試驗(yàn)樣品來自湖南省農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院蔬菜試驗(yàn)田（湖南省瀏陽市），取樣時(shí)間為10月。

1.1.1 土壤含水率及田間殘膜分布 土壤含水率影響殘膜撿拾機(jī)的作業(yè)效率[11]。當(dāng)土壤含水率過高時(shí)，膜上覆土更有黏性，使得地膜與土壤之間相互包裹，難以分開或撕裂，從而增加了表土層彎齒扎膜滾筒的工作難度，并降低了殘膜的撿拾率。通過五點(diǎn)取樣法在試驗(yàn)田選取0—150 mm土層土壤，利用土壤水分速測儀（TDR300，SPECTRUM）實(shí)地進(jìn)行參數(shù)測定，測得土壤含水率為9.18%。

研究表明，0—50 mm淺土層殘膜量所占比例隨覆膜年限的增加而逐漸減少，而50—150 mm的深土層殘膜量約占總量的90%[12]。本研究經(jīng)田間調(diào)研發(fā)現(xiàn)，殘膜面積在25～50 cm2的約占55%，面積小于25 cm2的殘膜約占35%，而gt;50 cm2的殘膜僅占10%，隨機(jī)抽取5壟土壤，測定膜上土壤覆蓋質(zhì)量平均值為5.5～7.5 kg·m-2。

1.1.2 殘膜抗拉強(qiáng)度 殘膜的抗拉特性是影響殘膜撿拾裝置設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素。本研究使用湖南省農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院瀏陽試驗(yàn)田寬為600 mm的2種厚度殘膜（0.010和0.006 mm，聚乙烯，沐陽書竹園林綠化有限公司）作為試驗(yàn)對(duì)象，并采用微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)（CMT5305 SANS）對(duì)其抗拉特性及延展性進(jìn)行測試。

1.2 殘膜撿拾裝置設(shè)計(jì)

1.2.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理 該裝置由本實(shí)驗(yàn)室自行設(shè)計(jì)，主要由機(jī)架、變速箱、表土層彎齒扎膜滾筒、松土旋耕刀組、深土層垂直扎膜齒組構(gòu)成（圖1）。整體機(jī)架采用45號(hào)鋼整體焊接而成，變速箱由錐齒輪構(gòu)成，主要為拖拉機(jī)PTO動(dòng)力輸出與撿膜裝置的動(dòng)力銜接。表土層撿膜裝置為滾軸以及繞滾軸軸線方向轉(zhuǎn)動(dòng)且均勻錯(cuò)位布置的若干排彎度直齒組成，可完成表土層殘膜卷收及扎取。松土裝置由旋耕軸和安裝在旋耕軸上的若干個(gè)呈多排螺旋均勻分置的旋耕刀組組成，在對(duì)土壤進(jìn)行破碎旋耕的同時(shí)將位于土壤深層的殘碎地膜帶離并扎取。深土層撿膜裝置由垂直扎膜桿及安裝在垂直扎膜桿上的若干個(gè)垂直扎膜齒組成。在通過表土層撿膜、翻土、深土扎膜等工作協(xié)調(diào)進(jìn)行下，最終實(shí)現(xiàn)農(nóng)田表、深土層殘膜的撿拾。主要技術(shù)參數(shù)如表2所示。