南方农田残膜捡拾机捡膜装置的设计及试验

摘要：为高效捡拾我国南方丘陵地区深层土壤中难降解的残留地膜，在分析残膜的物理特性、分布情况以及土壤特性的基础上，设计一款操作简便、高效捡拾的农田残膜捡拾装置。根据三维模型运动学分析及仿真分析结果确定表土层弯齿扎膜滚筒和深土层垂直扎膜齿组的最优设计参数，并进行验证。通过模拟土槽试验得出多因素试验结果，其最优参数组合为表土层扎膜部件入土深度30 mm，机器行走速度5 km·h-1，动力输出转速450 r·min-1。在最优参数组合下，地膜回收率达85.9%，符合国内残膜捡拾标准，满足了捡拾高碎片化程度残膜的需求。

关键词：残膜捡拾机；表土层；深土层；残膜捡拾率；多因素试验doi：10.13304/j.nykjdb.2024.0351

中图分类号：S224 文献标志码：A 文章编号：1008‐0864（2025）02‐0099‐09

地膜覆盖栽培为作物增产增收和保障我国粮食安全提供了重要支撑，在农业生产中已被广泛应用[1‐2]。其主要通过提高土壤温度、保持湿度、抑制杂草生长和减少病虫害来提高作物产量，增产效果可达20%～50%[3]。我国农业生产地膜使用量大，地膜长时间残留无法降解会造成土壤板结，影响作物对水分和养分的吸收，降低种子作物发芽率，甚至导致作物枯萎或死亡，因此，农田残膜的回收问题亟需解决，尤其是土地翻耕后位于深土层的残膜[4‐5]。

现阶段残膜捡拾机主要分为半机械化回收和机械化回收。半机械化回收因缺乏动力能较好地完成搂膜或耙膜，但无法主动捡拾，因此会导致地膜破碎并散落于土壤中。而机械化回收在完成大块残膜的捡拾回收后并能对作物进行粉碎还田，机械化残膜回收极大程度地降低了作业强度。国外地膜厚度较大，在回收地膜时尚具有一定的抗拉强度，所以多采用卷收模式，即整块地膜从土壤表面卷起并缠绕回收。我国使用的地膜厚度普遍较薄（0.006～0.012 mm），这导致残膜易于风化，尤其南方土壤粘附力强，更是给残膜捡拾带来了挑战。目前，我国残膜回收作业以播前残膜回收模式为主，土壤经翻耕后，位于20 cm深土层的残膜难以回收，且由于中国南方残膜的碎片化程度较高，土壤中残膜分布深度不一，回收机械在中国南方的应用一定程度上受限[6-10]。

本研究基于残膜及土壤的物理特性分析、关键结构件的运动学及静力学分析，开发一种适用于中国南方地区，集膜杂分离、粉碎旋耕与表、深土层残膜回收等功能于一体的残膜捡拾机，实现高效捡拾碎片化程度较高且分布在不同土壤深度的小块残膜，旨在为深土层残膜捡拾机的开发提供参考。

1 材料与方法

1.1 残膜与土壤特性测定

本次试验样品来自湖南省农业科学研究院蔬菜试验田（湖南省浏阳市），取样时间为10月。

1.1.1 土壤含水率及田间残膜分布 土壤含水率影响残膜捡拾机的作业效率[11]。当土壤含水率过高时，膜上覆土更有黏性，使得地膜与土壤之间相互包裹，难以分开或撕裂，从而增加了表土层弯齿扎膜滚筒的工作难度，并降低了残膜的捡拾率。通过五点取样法在试验田选取0—150 mm土层土壤，利用土壤水分速测仪（TDR300，SPECTRUM）实地进行参数测定，测得土壤含水率为9.18%。

研究表明，0—50 mm浅土层残膜量所占比例随覆膜年限的增加而逐渐减少，而50—150 mm的深土层残膜量约占总量的90%[12]。本研究经田间调研发现，残膜面积在25～50 cm2的约占55%，面积小于25 cm2的残膜约占35%，而gt;50 cm2的残膜仅占10%，随机抽取5垄土壤，测定膜上土壤覆盖质量平均值为5.5～7.5 kg·m-2。

1.1.2 残膜抗拉强度 残膜的抗拉特性是影响残膜捡拾装置设计的关键因素。本研究使用湖南省农业科学研究院浏阳试验田宽为600 mm的2种厚度残膜（0.010和0.006 mm，聚乙烯，沐阳书竹园林绿化有限公司）作为试验对象，并采用微机控制电子万能试验机（CMT5305 SANS）对其抗拉特性及延展性进行测试。

1.2 残膜捡拾装置设计

1.2.1 整机结构与工作原理 该装置由本实验室自行设计，主要由机架、变速箱、表土层弯齿扎膜滚筒、松土旋耕刀组、深土层垂直扎膜齿组构成（图1）。整体机架采用45号钢整体焊接而成，变速箱由锥齿轮构成，主要为拖拉机PTO动力输出与捡膜装置的动力衔接。表土层捡膜装置为滚轴以及绕滚轴轴线方向转动且均匀错位布置的若干排弯度直齿组成，可完成表土层残膜卷收及扎取。松土装置由旋耕轴和安装在旋耕轴上的若干个呈多排螺旋均匀分置的旋耕刀组组成，在对土壤进行破碎旋耕的同时将位于土壤深层的残碎地膜带离并扎取。深土层捡膜装置由垂直扎膜杆及安装在垂直扎膜杆上的若干个垂直扎膜齿组成。在通过表土层捡膜、翻土、深土扎膜等工作协调进行下，最终实现农田表、深土层残膜的捡拾。主要技术参数如表2所示。