瓜類作物地膜撿拾機(jī)的設(shè)計與優(yōu)化
——以甘肅民勤縣為例

徐吉偉 ， 段振佼 ， 楊成達(dá)

（1.民勤縣農(nóng)業(yè)廣播電視學(xué)校，甘肅 武威 733399；2.民勤縣種業(yè)中心，甘肅 武威 733399；3.民勤縣成達(dá)順圓農(nóng)機(jī)具制造有限公司，甘肅 武威 733399）

1 研究背景與研究意義

農(nóng)田地膜是一種用于覆蓋土地的塑料薄膜，可以有效地保護(hù)作物，提高產(chǎn)量，節(jié)約用水。在收獲農(nóng)作物后，需要及時撿拾地膜，以免對土壤和環(huán)境造成污染。傳統(tǒng)的地膜撿拾工作需要投入大量人力和時間，成本高且效率低下。因此，設(shè)計一種高效、智能化的地膜撿拾機(jī)對于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有重要意義[1]。

1.1 研究背景

民勤縣地處河西走廊東北部，東西北三面被騰格里和巴丹吉林兩大沙漠包圍，民勤屬溫帶大陸性干旱氣候區(qū)，年均降水量113.2 mm，年均蒸發(fā)量2 675.6 mm，大約是年均降水量的24倍。近年來，民勤縣立足“生態(tài)功能型”和“農(nóng)業(yè)優(yōu)先型”縣域經(jīng)濟(jì)發(fā)展定位，堅持將蜜瓜產(chǎn)業(yè)作為富民增收的主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)，著力在擴(kuò)規(guī)模、延鏈條、創(chuàng)品牌、提效益上求突破，2022年全縣蜜瓜生產(chǎn)面積達(dá)20萬畝、產(chǎn)量達(dá)50萬t。民勤縣已成為全國優(yōu)質(zhì)蜜瓜核心產(chǎn)區(qū)，被譽(yù)為“中國蜜瓜之鄉(xiāng)”。

民勤是極度缺水的地區(qū)，絕大多數(shù)農(nóng)作物須覆膜種植。2022年全縣蜜瓜種植面積達(dá)20萬畝，地膜年使用量超1 400 t。蜜瓜采用開溝覆膜種植，地塊溝壑交錯，不適宜機(jī)械作業(yè)，長期以來，一直沒有研發(fā)出適宜的地膜撿拾機(jī)械，廢舊地膜撿拾以人工撿拾為主，撿拾效率低下。為解決瓜類作物廢舊地膜機(jī)械撿拾難題，民勤縣成達(dá)順圓農(nóng)機(jī)具制造有限公司擬開展相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)研究，研發(fā)適宜瓜類作物廢舊地膜撿拾機(jī)械，并進(jìn)行示范推廣。該機(jī)具研發(fā)成功后，將破解廢舊地膜撿拾機(jī)械化程度低的瓶頸制約，提高廢舊農(nóng)膜撿拾率，助推蜜瓜產(chǎn)業(yè)綠色生態(tài)高質(zhì)量發(fā)展。

1.2 研究意義

進(jìn)行地膜撿拾機(jī)的設(shè)計與優(yōu)化，有助于提高地膜撿拾的效率和準(zhǔn)確性，減輕人力勞動強(qiáng)度，推動農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的智能化和現(xiàn)代化。目前，已有關(guān)于地膜撿拾機(jī)的研究和應(yīng)用。一些研究聚焦于地膜撿拾機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理，探索不同類型的地膜撿拾機(jī)的適用范圍和優(yōu)缺點。還有一些研究關(guān)注于地膜撿拾機(jī)的智能化設(shè)計和性能優(yōu)化，通過引入傳感器和控制系統(tǒng)，實現(xiàn)地膜撿拾的自動化和智能化。然而，目前仍然存在一些挑戰(zhàn)和問題，比如地膜撿拾機(jī)的精準(zhǔn)性和穩(wěn)定性需要進(jìn)一步提升，智能化設(shè)計還需結(jié)合實際應(yīng)用場景進(jìn)行優(yōu)化[2]。

地膜撿拾機(jī)的設(shè)計與優(yōu)化將為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供一種高效、節(jié)能、智能化的解決方案，有助于提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的效率和質(zhì)量。此外，地膜撿拾機(jī)的智能化設(shè)計也將推動農(nóng)業(yè)生產(chǎn)向智能化、現(xiàn)代化的方向發(fā)展，為農(nóng)民提供更便利、舒適的工作環(huán)境。因此，本研究具有重要的理論和實踐意義。

2 瓜類作物地膜撿拾機(jī)的概述

2.1 地膜撿拾機(jī)的定義和功能

地膜是一種用于覆蓋土地的塑料薄膜，可以有效地保護(hù)作物，提高產(chǎn)量，節(jié)約用水。在收獲農(nóng)作物后，需要及時撿拾地膜，以免對土壤和環(huán)境造成污染。地膜撿拾機(jī)是一種專門用于撿拾農(nóng)田地膜的農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備。它可以自動撿拾農(nóng)田中使用過的地膜，并將其收集起來。傳統(tǒng)的地膜撿拾工作需要耗費(fèi)大量人力和時間，效率低下。因此，設(shè)計一種高效、智能化的地膜撿拾機(jī)對于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有重要意義[3]。

2.2 地膜撿拾機(jī)的應(yīng)用價值

地膜撿拾機(jī)具有重要的應(yīng)用價值。首先，地膜撿拾機(jī)的應(yīng)用可以大大提高地膜撿拾的效率和準(zhǔn)確性，減輕農(nóng)民的勞動強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率。其次，地膜撿拾機(jī)的智能化設(shè)計可以實現(xiàn)自動化撿拾地膜，減少人力投入，節(jié)約成本。最后，地膜撿拾機(jī)的研究和應(yīng)用還有助于推動農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的現(xiàn)代化和智能化，促進(jìn)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和農(nóng)民收入的提高。因此，地膜撿拾機(jī)的研究具有重要的理論和實踐價值[4]。

3 地膜撿拾機(jī)的設(shè)計原理和構(gòu)成

如圖1、圖2所示，這款地膜撿拾機(jī)的主體結(jié)構(gòu)是一個機(jī)架1，其前端配備了與拖拉機(jī)連接的牽引板3，兩側(cè)則裝有地輪5，這里的地輪5可以有一對或兩對。機(jī)架1的前上方安裝有傳動箱2，傳動箱2的前端延伸出與拖拉機(jī)動力輸出軸相連的傳動軸，側(cè)面則延伸出橫向傳動軸，通過皮帶或鏈條等傳動裝置將動力傳遞給各個運(yùn)動部件。在機(jī)架1的前下方設(shè)置有一排土鏟4，土鏟4的后方裝有一對傳送帶6。再往后是固定在機(jī)架1上的篩分器7，篩分器7的后方裝有集裝箱8，篩分器7的后上方有一個風(fēng)扇10，風(fēng)扇10的上方有一根拋送管9，拋送管9的末端與集裝箱8的上口相對。

圖1 地膜撿拾機(jī)正面圖

圖2 地膜撿拾機(jī)底圖

篩分器7包含一個水平放置的篩盤，篩盤由多根鋼筋焊接的多孔篩片構(gòu)成，下方固定有轉(zhuǎn)軸，轉(zhuǎn)軸通過篩盤架安裝在機(jī)架上，并通過傳動輪與傳動部件相連。在篩盤的上方設(shè)置有多根短鋼筋制成的向斜上方伸展的破碎爪。

篩盤的上方有一個由篩網(wǎng)圍成的篩網(wǎng)圈，篩網(wǎng)圈的上口敞開，且后側(cè)面向后上方傾斜，篩網(wǎng)圈的下部固定在機(jī)架1上。篩網(wǎng)圈的上方安裝有一個護(hù)置，護(hù)置由一塊前低后高的傾斜板面圍成的拱狀體構(gòu)成，其后側(cè)開口與風(fēng)扇10相對。傳送帶6裝在機(jī)架1的前下部，兩頭由鏈輪帶動，之間可以采用支鋼筋構(gòu)成有縫隙的面，可以對物料進(jìn)行初步的篩分。當(dāng)然，這種傳送帶6也可以是密閉的，所有物料都送入篩分器7進(jìn)行篩分。風(fēng)扇10有一塊豎立的底板，底板的一側(cè)裝有三片扇葉，底板的另一側(cè)設(shè)有風(fēng)扇軸，風(fēng)扇軸裝在風(fēng)扇支架上，風(fēng)扇轉(zhuǎn)軸通過傳動輪與動力機(jī)相傳動。風(fēng)扇裝在篩網(wǎng)圈的后上方，開動以后，對篩網(wǎng)圈及護(hù)置之間的空間產(chǎn)生負(fù)壓，吸引物料隨風(fēng)進(jìn)入拋送管9拋出。

機(jī)架1前下方安裝的土鏟4有多片刀，鏟刀安裝后即為前低后高的斜面，各個鏟刀之間留有縫隙。每個鏟刀前部一側(cè)有一斜邊，與另一側(cè)的直邊構(gòu)成尖鋒，尖鋒根部通過圓弧內(nèi)收，使得后面的部分變窄，從而使兩片相鄰鏟刀之間的間隙加大。鏟刀的下面通過一片立板支撐，立板上下折邊通過螺栓分別與上面的鏟刀以及下面的橫梁相固定，橫梁兩端與機(jī)架1固連。在土鏟4的上方裝有多個撥爪，撥爪的形式有多種，圖中僅列舉一種：多支撥爪裝在一個轉(zhuǎn)軸周圍，轉(zhuǎn)軸在動力的帶動下轉(zhuǎn)動，撥爪即可把鏟刀上面的物料撥向傳送帶6。

當(dāng)然，這種結(jié)構(gòu)僅在物料流動不暢的情況下選用，否則可以不用。工作時，把這種機(jī)具掛接在拖拉機(jī)的后面，拖拉機(jī)的動力輸出軸通過傳動箱變速后，再把動力分別傳到篩分器7、風(fēng)扇10、傳送帶6等處。機(jī)架1前下部的土鏟4把耕層的土壤連同殘膜、雜草茬子等物料鏟起，難以切割的雜草茬子等雜物通過鏟刀之間的縫隙流走，其余物料靠慣力拋向后面的傳送帶6，傳送帶6把物料送到篩分器7內(nèi)，物料在轉(zhuǎn)動的篩盤上面被粉碎，較輕的膜片被風(fēng)扇吸引向上運(yùn)行并被拋送管9甩出落入集裝箱8，較重的土塊及雜物從篩盤落下。

經(jīng)過多次實驗證明，這種設(shè)備比其他各種僅靠振動篩分的機(jī)構(gòu)的殘膜回收率有較大的提高，采用多點采樣分析的方法進(jìn)行檢驗證明，殘膜回收率高達(dá)99.75%，不低于95%，符合現(xiàn)有的農(nóng)藝要求。

4 地膜撿拾機(jī)的推廣應(yīng)用和發(fā)展前景

4.1 地膜撿拾機(jī)的應(yīng)用場景和推廣前景

地膜撿拾機(jī)作為一種智能化的農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備，具有廣泛的應(yīng)用場景和推廣前景。首先，地膜撿拾機(jī)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中可以廣泛應(yīng)用于地膜撿拾工作，能夠大幅提高地膜撿拾的效率和準(zhǔn)確性，減輕人力勞動強(qiáng)度。其次，地膜撿拾機(jī)可以適用于不同類型的地膜，包括塑料地膜、光熱地膜等，具有較強(qiáng)的適應(yīng)性和靈活性。此外，地膜撿拾機(jī)的智能化技術(shù)和自動化控制，使其具備更廣闊的應(yīng)用前景，可以在農(nóng)田管理、作物種植和環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用[5]。

4.2 應(yīng)用地膜撿拾機(jī)的預(yù)期效益

1）經(jīng)濟(jì)效益：研發(fā)、生產(chǎn)的瓜類作物地膜撿拾機(jī)經(jīng)濟(jì)效益顯著，按每臺機(jī)具年作業(yè)面積1 000畝計算，畝節(jié)約生產(chǎn)成本36元，創(chuàng)經(jīng)濟(jì)效益3.6萬元。通過新機(jī)具、新技術(shù)的示范、推廣應(yīng)用，民勤縣成達(dá)順圓農(nóng)機(jī)具制造有限公司在原有的基礎(chǔ)上繼續(xù)研發(fā)推廣，預(yù)計在2024年加大殘膜回收機(jī)的研發(fā)力度，生產(chǎn)推廣殘膜回收機(jī)30臺，對回收的地膜再加工利用，創(chuàng)造更多的經(jīng)濟(jì)價值。2）社會效益：機(jī)械化殘膜撿拾技術(shù)及機(jī)具的推廣應(yīng)用，可提高民勤縣瓜類作物廢舊地膜機(jī)械化撿拾水平，進(jìn)一步解放生產(chǎn)力，減輕農(nóng)民的勞動強(qiáng)度，縮短殘膜撿拾的作業(yè)時間，節(jié)約的勞動力可轉(zhuǎn)入其他產(chǎn)業(yè)創(chuàng)造更好的效益。同時，項目的實施，將會輻射和帶動周邊地區(qū)高效節(jié)水農(nóng)業(yè)快速發(fā)展[6]。3）環(huán)境效益：農(nóng)業(yè)生產(chǎn)地膜覆蓋技術(shù)，在提高農(nóng)作物單產(chǎn)上發(fā)揮了積極作用，但長期使用地膜對土地造成了嚴(yán)重的污染，影響到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展。土壤中的殘膜降低了土壤的滲透性能，土壤含水量下降，減弱了耕地的抗旱能力，使作物吸收水分、養(yǎng)分的能力降低，導(dǎo)致作物減產(chǎn)。同時，殘膜造成灌水不均勻和養(yǎng)分分配不均，土壤通氣性能降低，影響土壤微生物活動和正常土壤結(jié)構(gòu)形成，最終降低土壤肥力水平。項目的實施，通過機(jī)械化殘膜回收作業(yè)，進(jìn)一步提高廢舊農(nóng)膜撿拾效率，提升“白色污染”治理水平，保護(hù)農(nóng)田生態(tài)環(huán)境，推進(jìn)農(nóng)業(yè)綠色生態(tài)高質(zhì)量發(fā)展[7]。

4.3 地膜撿拾機(jī)的發(fā)展趨勢和未來展望

隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的現(xiàn)代化和智能化發(fā)展，地膜撿拾機(jī)將呈現(xiàn)出以下幾個發(fā)展趨勢。首先，地膜撿拾機(jī)將更加注重節(jié)能減排和環(huán)境保護(hù)，采用更加環(huán)保的動力源和材料，降低對環(huán)境的影響。其次，地膜撿拾機(jī)將更加智能化和自動化，引入先進(jìn)的感知技術(shù)和智能控制系統(tǒng)，實現(xiàn)更加精準(zhǔn)的操作和管理[8]。再次，地膜撿拾機(jī)將向著多功能和全自動化方向發(fā)展，實現(xiàn)多種作業(yè)功能的集成和一鍵式操作，提高工作效率和靈活性。最后，地膜撿拾機(jī)將更加注重與其他農(nóng)機(jī)設(shè)備的聯(lián)動，實現(xiàn)農(nóng)田管理和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的全面智能化[9]。

在未來，地膜撿拾機(jī)作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要裝備，將在推動農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)代化、提高生產(chǎn)效率和保護(hù)環(huán)境方面發(fā)揮越來越重要的作用。研究團(tuán)隊對地膜撿拾機(jī)的未來發(fā)展充滿信心，并期待它為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來更多的便利和效益[10]。

5 結(jié)語

民勤縣瓜類作物地膜撿拾機(jī)的設(shè)計與優(yōu)化是一個具有重要意義和實際應(yīng)用價值的研究課題。通過不斷優(yōu)化和改進(jìn)地膜撿拾機(jī)的設(shè)計和性能，可以提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，促進(jìn)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，幫助農(nóng)民增收致富，推動農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的進(jìn)程。相信在不久的將來，地膜撿拾機(jī)將成為農(nóng)田作業(yè)中不可或缺的重要工具，為農(nóng)民的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來更多便利。