滚针式残膜回收机试验及分析

马少辉

（塔里木大学机械电气化工程学院，新疆阿拉尔843300）

地膜覆盖栽培技术因其具有保墒、增温、改善土壤、抑制杂草生长和增产等作用［1］被广泛推广使用。该技术在为农业发展做出重大贡献和带来巨大经济效益的同时，因农民缺乏回收意识和缺少相应配套机械，给农田造成了严重的“白色污染”［2-4］，残留在农田土壤中的地膜，其危害直接表现在破坏土壤团粒结构，孔隙度通透性下降，影响土壤微生物正常活动，造成土壤次生盐碱化；阻止幼苗根系对水分养分的吸收，造成烂种、烂芽；在机械化棉花采收时，残膜易混入籽棉中，降低棉花等级；混入皮棉中的残膜，在印染过程中造成着色不匀；此外，残膜遇风随处散落在树枝、沟渠、房前屋后严重破坏农村生态环境；缠绕机械工作部件，影响农机具正常作业和作业质量；混入秸秆饲料中，导致家畜胃肠功能失调甚至死亡。

现阶段，棉田当年的残膜回收还是以人工捡拾为主，劳动强度大，作业效率低，急需机械代替人工完成残膜回收，保护棉田生态环境。各地科研工作者根据残膜回收作业时间的不同，研制了苗期残膜回收机、秋后残膜回收机和播前残膜回收机［5-7］，其中秋后残膜回收作业机应用最为广泛。本文针对现阶段秋后棉田地表残膜回收机作业效率低，机具消耗功率大，回收的残膜与棉杆缠绕的问题设计了一种滚针式残膜回收机，该机具不对棉杆粉碎，在棉杆直立状态下，对当年地表残膜进行分区并回收，并在室内土槽开展了相关试验。

1 滚针式残膜回收机总体结构

滚针式残膜回收机主要由机架、悬挂架、起膜铲、切膜圆盘和滚针筒等部分组成，机具结构示意图如图1所示。

图1 滚针式残膜回收机的整体机构示意图

工作时，由拖拉机悬挂牵引机具前进，切膜圆盘将整幅膜切割成边膜区和宽膜区，起膜铲将埋于土壤内的边膜铲起，滚针筒滚动时将不同区域的残膜扎于滚针上，达到回收地表残膜的目的。

2 滚针式残膜回收机试验与分析

2.1 单因素试验

2.1.1 试验目的

滚针筒是机具的核心部件，其滚针的长度是地表残膜回收率关键，滚针长度过长，滚针弯曲变形，过短不易将残膜挑起，影响残膜回收率。课题组针对滚针长度进行单因素预备性试验，确定滚针长度范围；利用方差检测方法对试验数据进行处理与分析，从而来验证滚针长度对残地膜回收率显著性的影响。

2.1.2 试验条件

试验在塔里木大学机械电气化工程学院农业机械化室内土槽实验室内进行，土槽长度80 m，宽度8 m，土槽牵引实验台车速度0-20 km/h 可调，为满足机具作业效率，牵引速度为4 km/h，人工事先按农田棉花种植要求将地膜覆盖于土槽内，在地膜上栽植收获后棉株，模拟农业棉田环境。

2.1.3 试验方法

通过前期研究和预备试验可知，当滚针长度小于20 mm 时，残膜不易缠绕到收膜滚筒上，残膜回收率仅为23. 08%；同时，当滚针长度大于90 mm时，滚针遇田间硬物时易弯曲变形，造成机具不能正常工作。因此，机具滚针长度从20 mm 开始，每增加10 mm 作为一个水平，每个长度重复3 次试验。

2.1.4 试验主要材料与设备

试验地膜选用普通农用地膜，厚度为0.01 mm，按机采棉660 mm+100 mm 模式人工铺膜；棉杆取自当年种植收获后的棉田，去除根部后按棉花种植的行距、株距进行栽植；所使用设备有FA1004 电子精密天平，100 m皮尺和秒表。

2.1.5 试验结果

表1 滚针长度对残膜回收率的影响

图2 不同长度滚针下的回收率曲线

2.1.6 试验分析

根据国家农业行业残地膜回收机作业质量标准（NY/T 1227-2006），残膜回收率不能低于75%，由试验数据表1 和图2 可知，当滚针长度20 mm 和30 mm时，回收率小于75%。因此剔除20 mm 和30 mm 两个水平，滚针长度从而确定从40 mm 开始，每增加10 mm作为一个水平，每个长度重复3次试验。

根据单因素实验数据，对其进行方差分析，如表2和表3。

通过单因素方差分析可知，滚针长度对机具残膜回收率影响显著。

2.2 双因素试验

2.2.1 试验目的

为提高机具作业效率和残膜回收率，课题组通过试验与理论数据分析，目的在于找到牵引速度和滚针长度两个参数的最优组合,从而确定机具最佳作业速度和结构参数。

2.2.2 因素水平的确定

机具的作业效率和作业质量是衡量机具性能好坏的重要标志。

（1）牵引速度范围的确定：在农业生产中，机具的作业速度往往是影响作业效率的关键因素，在确保作业质量的前提下，适当增加作业速度，有助于提高作业效率。为此课题组考虑到速度对作业效率和质量的影响，牵引速度确定为2.5 km/h—5.5 km/h之间，每增加0.5 km/h 作业1 个水平，每种牵引速度重复试验3次。

（2）滚针长度范围的确定：根据单因素试验数据分析可知，当滚针长度20 mm 和30 mm 时，回收率小于75%，不符合农业生产实际要求，当滚针长度大于90 mm 时，残膜回收率变化不大，但滚针遇地面硬物时易弯曲变形，为此，课题组考虑到残膜回收率和滚针极限长度下机具的可靠性，滚针确定为40 mm—100 mm 之间，每增加10 mm 作为1 个水平，每个长度重复3次试验。

根据因素水平范围的确定，机具的双因素水平编码表如表4所示。

表2 方差分析计算

表3 方差分析表

表4 因素水平编码表

2.2.3试验设计方法

试验采用L49（72）［8］的双因素正交试验，每组试验重复3次，取其平均值。

2.2.4 试验指标

滚针长度和牵引速度为试验的两个因素，残膜的回收率为考查指标，从而确定机具最佳作业速度和最佳滚针长度。

残膜回收率的计算公式：

其中，W：残膜的回收率，%；

K1：机具残膜回收的残膜质量，g；

K2：人工捡拾的残膜的质量，g。

2.2.5 试验数据分析

试验数据及处理如表5所示。

表5 试验的数据及处理

（续表）

（续表）

3 结论

（1）通过室内土槽试验可知，分区式滚针式残膜回收机工作原理可行，但试验与实际棉田环境与条件还存在差异，须进一步在实际棉田中验证。

（2）通过数据处理与分析，分区式滚针残膜回收机作业时，机具的牵引速度B 为主要因素，滚针长度A为其次因素。

（3）通过数据处理与分析，机具牵引速度和滚针长度的最佳组合为A5B5，即牵引速度4.5 km/h，滚针长度80 mm，此时残膜回收率最高，达94.47%。