弹齿式残膜捡拾旋耕一体机的设计

皮灵杰，李昳娴，李忠庆*，汤建尧，李启雄，李永路

（1.云南农业大学机电工程学院，云南 昆明 650201；2.上海海事大学物流工程学院，上海 浦东 200120；3.昆明市农业机械化技术学校，云南 昆明 650034；4.昆明市盘龙区滇源街道办事处农林水与应急处置中心，云南 昆明 650051；5.文山州农业机械技术推广站，云南 文山 663000；6.砚山县农业机械化技术推广站，云南 砚山 663100）

地膜覆盖技术在我国的推广使用极大地推动了农业生产的增产增收，地膜覆盖对农作物具有增温保湿、减轻病虫害、抑制杂草生长、保肥、加快作物生长的作用，并能明显提高作物产量[1]。我国对于地膜的研究和使用相对较晚，但后来居上，使用面积和范围均成为全球之首[2]。云南省作为地处西南的农业大省，近些年地膜覆盖技术为农业发展做出了突出贡献，其中昆明市受独特气候影响，地膜使用量在省内位居前列，2020年云南省统计年鉴显示，昆明市地膜使用量为0.93万t，为全省第三[3]。地膜这把双刃剑在为农业生产带来便利的同时也带来了严重的环境污染问题，地膜属高分子材料，降解难度大，随地膜的大量使用给土壤环境带来了巨大影响，阻碍农作物正常生长，甚至造成作物致死和减产[4]。有研究表明，在地膜回收技术缺乏的情况下，随地膜使用年限不断增加，农用残膜造成的作物减产率将会抵消甚至超过由原先地膜覆盖技术引入带来的农作物增产率[5]，面对当前昆明市农残膜机械化回收技术缺乏的现状，开展残膜机械化回收技术研究已经刻不容缓。

1 整机设计方案及工作原理

通过研究分析国内外残膜捡拾机具与联合作业机具现状，针对昆明市独特的土壤作业环境和残膜回收机械化程度不足的问题，以保证拾净率为原则，从降低农户使用成本和降低推广难度出发，选用捡拾原理简单、造价成本低、可靠性高的弹齿式原理作业作为捡拾研究方向。同时为提高动力机具利用率，提高作业效率，开展弹齿式残膜捡拾旋耕联合作业研究，研制一台符合昆明实际作业情况的弹齿式残膜捡拾旋耕一体机。

1.1 整机设计方案

本残膜捡拾旋耕一体机主要由破土拾膜刀、机架、卸膜机构、搂膜耙、刮膜板、万向节伸缩传动轴、旋耕机、加强杆等构成，具体结构（见图1）。

图1 弹齿式残膜捡拾旋耕一体机结构图

1.2 机具工作原理

残膜捡拾旋耕一体机大致工作步骤为破土、拾膜、旋耕和卸膜。机具前端设置破土拾膜刀负责破碎土壤，搂起大块残膜与杂物。拾膜主要采用弹齿作为搂膜部件，采用类搂草机关键结构设计原理[6]。弹齿主要负责入土拾膜，梳刷分离土壤，暂时储存残膜。旋耕部件为外购旋耕机焊接结合，位于整机后方，旋耕机动力输入采用加长可伸缩万向节传动轴连接。卸膜主要利用液压油缸驱动翻转机构带动搂膜耙翻转，固定刮膜板梳刷完成卸膜，卸膜液压油缸通过快接连接管与拖拉机后方自带液压接口连接到拖拉机液压系统中，拾膜作业过程中液压油缸保持伸出状态，刮膜作业时液压装置收缩完成脱膜作业。整机工作由拖拉机采用三点悬挂挂接，采用后悬挂方式，由拖拉机牵引作业。

机具作业开始前，首先拖拉机将弹齿式残膜捡拾旋耕一体机悬挂至作业田地中，放置于合适的作业开始位置，调节拖拉机液压系统，调节整机高度，使搂膜耙的大致入土深度为50 mm。机具作业开始，拖拉机向前行进，同时拖拉机动力输出轴旋转旋耕机开始工作，整机开始作业。机具作业过程中，首先残膜捡拾旋耕一体机最前端破土拾膜刀开始破土作业，同时刮起较完整残膜及作物根茎，减少后端搂膜弹齿受力，第一级拾膜过程中部分残膜被扯破，同小块残膜一同进入搂膜弹齿中被间隙更小且前后交错排布的搂膜耙拾起，拾起后在搂膜弹齿储膜空间中累积，完成拾膜作业。进一步由位于机具最后端的旋耕机对机具前端拾膜作业完成的地块旋耕作业。当拖拉机作业到田垄尽头或搂膜弹齿集满时，拖拉机驾驶员控制三点悬挂液压提升装置将残膜捡拾旋耕一体机抬升到合适高度，前端破土拾膜刀上的残膜及根茎混合物随重力作用脱落，主要拾膜部件由拖拉机手驱动液压油缸收缩，在提升机构的作用下搂膜耙翻转，搂膜耙上的膜杂混合物在刮膜板的梳刷作用下脱落，堆积在田间等待后续处理。机具完成卸膜作业后，液压油缸还原到工作状态，机具重新入土继续作业直至结束，完成拾膜旋耕。

2 田间试验

完成对弹齿式残膜捡拾旋耕一体机的样机、弹齿式捡拾关键部件样机制造后前往寻甸县、安宁市、石林县及盘龙区滇源街道等地开展样机田间作业试验，弹齿式残膜捡拾旋耕一体机试验效果（见图2），弹齿式捡拾关键部件试验效果（见图3），通过多处试验表明，本机具残膜捡拾效果为60%～90%，使用地膜厚度越大，机具的捡拾效果越好。其中安宁市八街街道西瓜地试验表明，对于铺设0.015 mm地膜的试验田残膜捡拾旋耕作业捡拾率能达到94.4%，旋耕碎土率为92.19%，耕深平均值为15.5 mm，耕深稳定性为99.57%，机具作业后能正常完成卸膜，卸膜后弹齿刮膜极少，基本符合作业要求。

图2 一体机试验现场图

图3 弹齿部件试验现场图

3 问题与改进

3.1 存在问题

试验过程中发现弹齿式残膜捡拾回收一体机工作时存在如下问题：

（1）农机手驾驶拖拉机拖挂样机作业时，存在捡拾部件耕深控制难的问题，入土时耕深符合要求，但是随着作业的进行，深度会超过机具设计理论入土深度。从而造成破土刀前端壅土，缩短了机具的有效作业距离。

（2）旋耕机加长版传动装置针对不同型号拖拉机的匹配效果不好。

（3）机具对表层地膜捡拾后经旋耕作业将原有土壤深层残膜翻起，影响拾净率。

（4）机具液压快接液压油管密封性不好，液压接口处漏油。

3.2 改进措施

根据试验机具存在的问题，后续将对机具进行以下改进：

（1）对整机增加限深装置，改善机具作业深度控制难的问题。

（2）将机具旋耕部件传动由原有简单加长传动轴的方案，改为整机上新增中置传动轴，将后侧旋耕机的动力由原先整机后端改变为整机前端，改善万向节动力传动轴的匹配效果。

（3）在整机最后方增设高密度、小直径的自重入土搂膜耙。

同时通过多次多地试验，发现本机主要匹配中大型动力机具，对山地及小型地块适应性较差，为解决地形适应性问题，新增了对小型微耕机配套残膜捡拾机具的研究。

4 微耕机配套小型残膜捡拾机具研究

由于微耕机动力较小，且由人工操作后端预留机具安装空间有限，故微耕机配套残膜捡拾机具不考虑捡拾旋耕联合作业。微耕机配套机具（见图4），主要由刮板座、刮膜板、旋转轴、搂膜弹齿、机架、刮板手柄、悬挂装置、加强筋组成。机具作业时由旋耕机后置飞机型悬挂装置悬挂，由微耕机牵引作业，悬挂装置设置有深度调节孔，能根据实际情况调节。作业时由微耕机牵引弹齿拾膜，当弹齿内残膜堆满后停止作业，扳动刮板手柄，完成卸膜作业，可通过重复作业提升捡拾效果。

图4 微耕机配套机具结构图

5 结 语

地膜覆盖长期大面积推广造成残膜污染问题日益突出，土壤破坏及对农作物的危害随之显现。此残膜捡拾机具的研究及应用，将昆明市地形地势复杂、微耕机保有量极高考量其中，适于小型微耕机配套弹齿式残膜捡拾机具的推广，更好地提高残膜机械化捡拾水平，对昆明市农业机械化发展具有重大意义。