水稻覆膜高速插秧機(jī)的設(shè)計(jì)研究

于磊等

摘要：水稻紙膜覆蓋插秧技術(shù)是一項(xiàng)高產(chǎn)、節(jié)水、環(huán)保的水稻生產(chǎn)新技術(shù)。根據(jù)覆膜技術(shù)要求，研究設(shè)計(jì)出水稻覆膜高速插秧機(jī)，闡述該機(jī)的整體結(jié)構(gòu)及主要工作部件的設(shè)計(jì)，經(jīng)生產(chǎn)試驗(yàn)證明該機(jī)結(jié)構(gòu)合理、調(diào)節(jié)簡(jiǎn)便，能滿足水稻覆膜插秧技術(shù)要求。

關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)機(jī)械；插秧機(jī)；水稻；覆膜；設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：S223.91+2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-1161（2015）06-0034-03

紙膜覆蓋插秧技術(shù)是近年來(lái)提出的一項(xiàng)水稻種植新技術(shù)，其特征是將農(nóng)用紙膜（利用廢紙和秸稈等加工的專用紙膜）鋪于水田表面，同時(shí)戳破紙膜將育好的秧苗插入泥漿中。通過(guò)紙膜覆蓋，可在水稻生產(chǎn)前期創(chuàng)造一個(gè)利于水稻生產(chǎn)而抑制雜草生長(zhǎng)發(fā)育的環(huán)境條件。覆蓋40 d后紙膜自熱腐爛，此時(shí)稻苗已具有明顯生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)。此外，紙膜覆蓋還具有降低水分棵間蒸發(fā)的作用，全年節(jié)水30%左右。水稻覆膜插秧栽培具有增溫、保水、保肥、改善土壤理化性質(zhì)，提高土壤肥力，抑制雜草生長(zhǎng)，減輕病害的作用，在連續(xù)降雨的情況下還有降低濕度的功能，從而促進(jìn)植株生長(zhǎng)發(fā)育，增加產(chǎn)量。與傳統(tǒng)有機(jī)水稻種植相比，采用覆膜高速插秧機(jī)栽培有機(jī)水稻可實(shí)現(xiàn)水稻覆膜與插秧同步進(jìn)行，極大提高了勞動(dòng)效率，減少了對(duì)人工的依賴，解決了人工覆膜插秧費(fèi)時(shí)費(fèi)力、勞動(dòng)強(qiáng)度大、生產(chǎn)成本高等問(wèn)題，有利于有機(jī)水稻覆膜插秧栽培技術(shù)的推廣應(yīng)用。

1 覆膜技術(shù)要求

按照國(guó)家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，地膜覆蓋作業(yè)質(zhì)量共有11項(xiàng)指標(biāo)，其中主要包括：1） 地膜貼合率。鋪后地膜可接受光照部分（采光面）和膜下架空高度大于2 cm部分的面積之差與采光面面積之比，是反映鋪后地膜與地表貼實(shí)程度的指標(biāo)。要求地膜貼合率大于95%。2） 采光面利用率。實(shí)測(cè)露膜寬度平均值與農(nóng)藝要求數(shù)值之比，是反映地膜裸露面大小的指標(biāo)。要求采光面利用率大于95%。3） 皺折率。覆后地膜采光面上測(cè)定區(qū)起皺部分展平后的面積同起皺面積之差與測(cè)定面積之比，是反映地膜展平程度的指標(biāo)。要求皺折率小于5%。4） 漏覆土程度。地膜兩側(cè)無(wú)土及覆土厚度、寬度不符合機(jī)具使用說(shuō)明書及具體農(nóng)藝要求部分的長(zhǎng)度與測(cè)定長(zhǎng)度之比，是反映地膜兩邊封壓嚴(yán)密程度的指標(biāo)。要求漏覆土程度不超過(guò)1%。

為滿足上述覆膜作業(yè)質(zhì)量要求，本研究采用滾輪式覆膜插秧設(shè)計(jì)方案，以先覆膜后插秧的方式進(jìn)行生產(chǎn)作業(yè)。

2 覆膜高速插秧機(jī)整體設(shè)計(jì)

鋪膜機(jī)構(gòu)和斷膜機(jī)構(gòu)布置在高速插秧機(jī)后輪與栽植部件之間，主要由覆膜輥、壓膜輥、托膜架、切膜刀和壓膜邊輥等部件組成（如圖1所示）。

作業(yè)時(shí)，隨著插秧機(jī)的前進(jìn)，覆膜機(jī)構(gòu)將紙膜覆蓋于泥土表面，在雙軸分段式浮動(dòng)壓輥?zhàn)饔孟?，紙膜浸?rùn)后緊貼在泥土表面，兩側(cè)邊壓輪總成將紙邊緣壓入稻田泥中，以避免紙膜被風(fēng)刮起，并使紙膜平整。同時(shí)，插秧機(jī)栽植部件在紙膜上進(jìn)行插秧作業(yè)。到地頭停車時(shí)，栽植部件和施肥機(jī)構(gòu)隨即停止工作，駕駛員通過(guò)操作鋸齒式切紙刀聯(lián)動(dòng)手柄將紙膜切斷，然后升起栽植部件總成。轉(zhuǎn)彎對(duì)行后，再繼續(xù)作業(yè)。

3 覆膜機(jī)構(gòu)和斷膜機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

3.1 覆膜機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)要求

覆膜機(jī)構(gòu)是集放膜、鋪膜、壓膜、紙膜收邊等功能于一體的結(jié)構(gòu)總成。鋪放效果好壞直接影響著整個(gè)插秧作業(yè)的質(zhì)量。紙膜鋪放機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)遵循以下幾點(diǎn)要求：1） 插秧機(jī)行駛進(jìn)水田，在將栽植部件放下的同時(shí)，機(jī)器前進(jìn)，紙膜自動(dòng)鋪放。2） 在插秧過(guò)程中，將紙膜鋪放平整后，栽植臂將秧苗插入鋪好的紙膜上，深度約為3～5 cm。3） 壓膜輥在壓膜過(guò)程中應(yīng)盡量少出現(xiàn)“橫向滑移”現(xiàn)象，壓膜輥的位移應(yīng)該與紙膜的鋪放長(zhǎng)度相等，否則容易造成壅膜。4） 壓膜邊輥?zhàn)鳂I(yè)位置應(yīng)小于紙膜鋪放的長(zhǎng)度，否則膜邊不能很好地壓入泥土中，造成漂膜現(xiàn)象。

3.2 鋪膜機(jī)構(gòu)工作原理

鋪膜機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

鋪膜機(jī)構(gòu)工作時(shí)，紙膜頭從覆膜輥中引出，由托膜架將紙膜托起。在作業(yè)狀態(tài)下，在雙軸分段式浮動(dòng)壓膜輥?zhàn)饔孟?，紙膜浸?rùn)后緊貼在泥土的表面，在垂直方向上壓實(shí)紙膜。同時(shí)，隨著插秧機(jī)的前進(jìn)，帶動(dòng)壓膜輥轉(zhuǎn)動(dòng)，從而鋪放紙膜。兩側(cè)的壓膜邊輥將紙膜邊緣壓入稻田泥中，避免紙膜被風(fēng)刮起，達(dá)到紙膜平整。

3.3 壓膜輥性能分析

壓膜輥是水稻紙膜覆蓋插秧機(jī)的關(guān)鍵工作部件之一，它在松軟的水田里具有地面垂直仿形、穩(wěn)定作業(yè)、承載機(jī)體質(zhì)量、平整田面的作用。因此，壓膜輥的性能對(duì)水稻紙膜覆蓋插秧機(jī)作業(yè)質(zhì)量影響很大。分析壓膜輥與田面作用的基本原理，依照插秧深度的要求，找出下陷量與栽植垂直仿形量之間的關(guān)系，以設(shè)計(jì)合適的下陷量，滿足栽植作業(yè)時(shí)與地面的垂直仿形量。為了能夠盡量地承載機(jī)體質(zhì)量，保證栽植作業(yè)的垂直仿形，選擇圓柱形壓膜輥。

水田大致可分為4層：第一層為薄薄的水層，第二層是液態(tài)泥水混合層，第三層是飽和的泥土層，第四層是呈塑性的土壤層。當(dāng)壓膜輥在水田面上滑行時(shí)，前端把水層和泥水層推開，擠壓飽和泥土層，使其產(chǎn)生下陷。當(dāng)承載一定質(zhì)量的壓膜輥?zhàn)饔糜谔锩鏁r(shí)，壓膜輥在水中的浮力可用阿基米德原理計(jì)算出。因?yàn)樗畬訕O薄，其浮力根本不可能支承壓膜輥，而液態(tài)泥水混合層支承能力又極小，該層成為下陷的一部分深度。泥土層是支承壓膜輥的主要層次，這層的泥土被壓膜輥擠壓，產(chǎn)生復(fù)雜的作用，使壓膜輥受支承力和阻力，因而土層大體無(wú)變化。壓膜輥?zhàn)饔糜谔锩鏁r(shí)，支承面下部的泥土層發(fā)生局部剪切，特別是壓膜輥支承質(zhì)量加大時(shí)，向下剪切的泥土區(qū)域加大，使壓膜輥兩側(cè)的泥土向上突起，壓膜輥下陷。當(dāng)壓膜輥下陷一定深度時(shí)，垂直仿形傳感器起作用，將栽植部件平穩(wěn)地支撐在插秧要求的高度。壓膜輥與松軟土壤的相互作用可用M.G.Bekker提出的“壓板—沉陷”理論模擬；壓膜輥在松軟土壤上的接地壓力可用貝氏方程表示：

q=

+kφZ(yǔ)n

Z=

式中：q為比壓，Pa；Z為下陷量，cm；kc為土壤內(nèi)聚力變形模數(shù)，kg/cmn+1；kφ為土壤摩擦變形模數(shù)，

kg/cmn+2；n為土壤變形指數(shù)；b，D分別為壓膜輥的寬度與直徑；W為壓膜輥載荷。

由以上公式可在試驗(yàn)機(jī)上根據(jù)壓膜輥所受載荷，計(jì)算壓膜輥的下陷量。

3.4 斷膜機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)要求

斷膜機(jī)構(gòu)是在插秧機(jī)行駛到水田地頭轉(zhuǎn)彎時(shí)產(chǎn)生動(dòng)作的。一行插秧作業(yè)完畢，將栽植部件升起，此時(shí)斷膜機(jī)構(gòu)動(dòng)作，切刀降落切斷紙膜。切刀動(dòng)作要求切斷速度快、斷茬整齊、紙膜破損率低。

4 結(jié)論

水稻覆膜高速插秧機(jī)生產(chǎn)試驗(yàn)證明，該機(jī)覆膜機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、調(diào)節(jié)簡(jiǎn)便，在原有插秧機(jī)的基礎(chǔ)上配置了鋪膜、斷膜機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)鋪膜、插秧、斷膜作業(yè)間的協(xié)調(diào)同步運(yùn)動(dòng)，滿足水稻覆膜插秧技術(shù)要求，生產(chǎn)效率高，覆膜質(zhì)量好，省工省膜。

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Research on the Design of Rice High-speed Film Mulching

and Transplanting Machine

YU Lei， MU Xuelei， HAN Xiuhai， XING Zhanqiang

（Heilongjiang Institute of Agricultural Mechanical Engineering Science， Harbin 150081， China）

Abstract： The technique of rice paper mulching and transplanting is a new technique of high yield， water saving and protecting environment for rice production. In the article， it designed rice high-speed film mulching and transplanting machine based on technical request of mulching， expounded the design of whole structure and main working parts of the machine， the structure is logical and easy to be adjusted by test proving， and can meet technical request of rice mulching and transplanting.

Key words： agricultural machinery； transplanter； rice； mulching； design