彈齒式殘膜撿拾旋耕一體機的設計

皮靈杰，李昳嫻，李忠慶*，湯建堯，李啟雄，李永路

（1.云南農業大學機電工程學院，云南 昆明 650201；2.上海海事大學物流工程學院，上海 浦東 200120；3.昆明市農業機械化技術學校，云南 昆明 650034；4.昆明市盤龍區滇源街道辦事處農林水與應急處置中心，云南 昆明 650051；5.文山州農業機械技術推廣站，云南 文山 663000；6.硯山縣農業機械化技術推廣站，云南 硯山 663100）

地膜覆蓋技術在我國的推廣使用極大地推動了農業生產的增產增收，地膜覆蓋對農作物具有增溫保濕、減輕病蟲害、抑制雜草生長、保肥、加快作物生長的作用，并能明顯提高作物產量[1]。我國對于地膜的研究和使用相對較晚，但后來居上，使用面積和范圍均成為全球之首[2]。云南省作為地處西南的農業大省，近些年地膜覆蓋技術為農業發展做出了突出貢獻，其中昆明市受獨特氣候影響，地膜使用量在省內位居前列，2020年云南省統計年鑒顯示，昆明市地膜使用量為0.93萬t，為全省第三[3]。地膜這把雙刃劍在為農業生產帶來便利的同時也帶來了嚴重的環境污染問題，地膜屬高分子材料，降解難度大，隨地膜的大量使用給土壤環境帶來了巨大影響，阻礙農作物正常生長，甚至造成作物致死和減產[4]。有研究表明，在地膜回收技術缺乏的情況下，隨地膜使用年限不斷增加，農用殘膜造成的作物減產率將會抵消甚至超過由原先地膜覆蓋技術引入帶來的農作物增產率[5]，面對當前昆明市農殘膜機械化回收技術缺乏的現狀，開展殘膜機械化回收技術研究已經刻不容緩。

1 整機設計方案及工作原理

通過研究分析國內外殘膜撿拾機具與聯合作業機具現狀，針對昆明市獨特的土壤作業環境和殘膜回收機械化程度不足的問題，以保證拾凈率為原則，從降低農戶使用成本和降低推廣難度出發，選用撿拾原理簡單、造價成本低、可靠性高的彈齒式原理作業作為撿拾研究方向。同時為提高動力機具利用率，提高作業效率，開展彈齒式殘膜撿拾旋耕聯合作業研究，研制一臺符合昆明實際作業情況的彈齒式殘膜撿拾旋耕一體機。

1.1 整機設計方案

本殘膜撿拾旋耕一體機主要由破土拾膜刀、機架、卸膜機構、摟膜耙、刮膜板、萬向節伸縮傳動軸、旋耕機、加強桿等構成，具體結構（見圖1）。

圖1 彈齒式殘膜撿拾旋耕一體機結構圖

1.2 機具工作原理

殘膜撿拾旋耕一體機大致工作步驟為破土、拾膜、旋耕和卸膜。機具前端設置破土拾膜刀負責破碎土壤，摟起大塊殘膜與雜物。拾膜主要采用彈齒作為摟膜部件，采用類摟草機關鍵結構設計原理[6]。彈齒主要負責入土拾膜，梳刷分離土壤，暫時儲存殘膜。旋耕部件為外購旋耕機焊接結合，位于整機后方，旋耕機動力輸入采用加長可伸縮萬向節傳動軸連接。卸膜主要利用液壓油缸驅動翻轉機構帶動摟膜耙翻轉，固定刮膜板梳刷完成卸膜，卸膜液壓油缸通過快接連接管與拖拉機后方自帶液壓接口連接到拖拉機液壓系統中，拾膜作業過程中液壓油缸保持伸出狀態，刮膜作業時液壓裝置收縮完成脫膜作業。整機工作由拖拉機采用三點懸掛掛接，采用后懸掛方式，由拖拉機牽引作業。

機具作業開始前，首先拖拉機將彈齒式殘膜撿拾旋耕一體機懸掛至作業田地中，放置于合適的作業開始位置，調節拖拉機液壓系統，調節整機高度，使摟膜耙的大致入土深度為50 mm。機具作業開始，拖拉機向前行進，同時拖拉機動力輸出軸旋轉旋耕機開始工作，整機開始作業。機具作業過程中，首先殘膜撿拾旋耕一體機最前端破土拾膜刀開始破土作業，同時刮起較完整殘膜及作物根莖，減少后端摟膜彈齒受力，第一級拾膜過程中部分殘膜被扯破，同小塊殘膜一同進入摟膜彈齒中被間隙更小且前后交錯排布的摟膜耙拾起，拾起后在摟膜彈齒儲膜空間中累積，完成拾膜作業。進一步由位于機具最后端的旋耕機對機具前端拾膜作業完成的地塊旋耕作業。當拖拉機作業到田壟盡頭或摟膜彈齒集滿時，拖拉機駕駛員控制三點懸掛液壓提升裝置將殘膜撿拾旋耕一體機抬升到合適高度，前端破土拾膜刀上的殘膜及根莖混合物隨重力作用脫落，主要拾膜部件由拖拉機手驅動液壓油缸收縮，在提升機構的作用下摟膜耙翻轉，摟膜耙上的膜雜混合物在刮膜板的梳刷作用下脫落，堆積在田間等待后續處理。機具完成卸膜作業后，液壓油缸還原到工作狀態，機具重新入土繼續作業直至結束，完成拾膜旋耕。

2 田間試驗

完成對彈齒式殘膜撿拾旋耕一體機的樣機、彈齒式撿拾關鍵部件樣機制造后前往尋甸縣、安寧市、石林縣及盤龍區滇源街道等地開展樣機田間作業試驗，彈齒式殘膜撿拾旋耕一體機試驗效果（見圖2），彈齒式撿拾關鍵部件試驗效果（見圖3），通過多處試驗表明，本機具殘膜撿拾效果為60%～90%，使用地膜厚度越大，機具的撿拾效果越好。其中安寧市八街街道西瓜地試驗表明，對于鋪設0.015 mm地膜的試驗田殘膜撿拾旋耕作業撿拾率能達到94.4%，旋耕碎土率為92.19%，耕深平均值為15.5 mm，耕深穩定性為99.57%，機具作業后能正常完成卸膜，卸膜后彈齒刮膜極少，基本符合作業要求。

圖2 一體機試驗現場圖

圖3 彈齒部件試驗現場圖

3 問題與改進

3.1 存在問題

試驗過程中發現彈齒式殘膜撿拾回收一體機工作時存在如下問題：

（1）農機手駕駛拖拉機拖掛樣機作業時，存在撿拾部件耕深控制難的問題，入土時耕深符合要求，但是隨著作業的進行，深度會超過機具設計理論入土深度。從而造成破土刀前端壅土，縮短了機具的有效作業距離。

（2）旋耕機加長版傳動裝置針對不同型號拖拉機的匹配效果不好。

（3）機具對表層地膜撿拾后經旋耕作業將原有土壤深層殘膜翻起，影響拾凈率。

（4）機具液壓快接液壓油管密封性不好，液壓接口處漏油。

3.2 改進措施

根據試驗機具存在的問題，后續將對機具進行以下改進：

（1）對整機增加限深裝置，改善機具作業深度控制難的問題。

（2）將機具旋耕部件傳動由原有簡單加長傳動軸的方案，改為整機上新增中置傳動軸，將后側旋耕機的動力由原先整機后端改變為整機前端，改善萬向節動力傳動軸的匹配效果。

（3）在整機最后方增設高密度、小直徑的自重入土摟膜耙。

同時通過多次多地試驗，發現本機主要匹配中大型動力機具，對山地及小型地塊適應性較差，為解決地形適應性問題，新增了對小型微耕機配套殘膜撿拾機具的研究。

4 微耕機配套小型殘膜撿拾機具研究

由于微耕機動力較小，且由人工操作后端預留機具安裝空間有限，故微耕機配套殘膜撿拾機具不考慮撿拾旋耕聯合作業。微耕機配套機具（見圖4），主要由刮板座、刮膜板、旋轉軸、摟膜彈齒、機架、刮板手柄、懸掛裝置、加強筋組成。機具作業時由旋耕機后置飛機型懸掛裝置懸掛，由微耕機牽引作業，懸掛裝置設置有深度調節孔，能根據實際情況調節。作業時由微耕機牽引彈齒拾膜，當彈齒內殘膜堆滿后停止作業，扳動刮板手柄，完成卸膜作業，可通過重復作業提升撿拾效果。

圖4 微耕機配套機具結構圖

5 結 語

地膜覆蓋長期大面積推廣造成殘膜污染問題日益突出，土壤破壞及對農作物的危害隨之顯現。此殘膜撿拾機具的研究及應用，將昆明市地形地勢復雜、微耕機保有量極高考量其中，適于小型微耕機配套彈齒式殘膜撿拾機具的推廣，更好地提高殘膜機械化撿拾水平，對昆明市農業機械化發展具有重大意義。