南方農(nóng)田殘膜撿拾機撿膜裝置的設(shè)計及試驗

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)三維模型運動學(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)計參數(shù)，并進行驗證。通過模擬土槽試驗得出多因素試驗結(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，機器行走速度5 km·h-1，動力輸出轉(zhuǎn)速450 r·min-1。在最優(yōu)參數(shù)組合下，地膜回收率達85.9%，符合國內(nèi)殘膜撿拾標準，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；表土層；深土層；殘膜撿拾率；多因素試驗doi：10.13304/j.nykjdb.2024.0351

中圖分類號：S224 文獻標志碼：A 文章編號：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20%～50%[3]。我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)地膜使用量大，地膜長時間殘留無法降解會造成土壤板結(jié)，影響作物對水分和養(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)階段殘膜撿拾機主要分為半機械化回收和機械化回收。半機械化回收因缺乏動力能較好地完成摟膜或耙膜，但無法主動撿拾，因此會導(dǎo)致地膜破碎并散落于土壤中。而機械化回收在完成大塊殘膜的撿拾回收后并能對作物進行粉碎還田，機械化殘膜回收極大程度地降低了作業(yè)強度。國外地膜厚度較大，在回收地膜時尚具有一定的抗拉強度，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?。?.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，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)件的運動學(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，實現(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

本次試驗樣品來自湖南省農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院蔬菜試驗田（湖南省瀏陽市），取樣時間為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的作業(yè)效率[11]。當土壤含水率過高時，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。通過五點取樣法在試驗田選取0—150 mm土層土壤，利用土壤水分速測儀（TDR300，SPECTRUM）實地進行參數(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 殘膜抗拉強度 殘膜的抗拉特性是影響殘膜撿拾裝置設(shè)計的關(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）作為試驗對象，并采用微機控制電子萬能試驗機（CMT5305 SANS）對其抗拉特性及延展性進行測試。

1.2 殘膜撿拾裝置設(shè)計

1.2.1 整機結(jié)構(gòu)與工作原理 該裝置由本實驗室自行設(shè)計，主要由機架、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）。整體機架采用45號鋼整體焊接而成，變速箱由錐齒輪構(gòu)成，主要為拖拉機PTO動力輸出與撿膜裝置的動力銜接。表土層撿膜裝置為滾軸以及繞滾軸軸線方向轉(zhuǎn)動且均勻錯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呈多排螺旋均勻分置的旋耕刀組組成，在對土壤進行破碎旋耕的同時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)進行下，最終實現(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。