摘要:针对水稻覆膜插秧作业过程中存在覆膜质量不高、秧苗伤根现象严重及田间换行作业需人工断膜导致作业效率低等问题，研制了与久保田NSPU-68CM型覆膜插秧机相匹配的覆膜装置。根据农艺要求与原插秧机空间结构特点，提出相匹配的覆膜装置总方案，在不改变插秧机原有结构的基础上，增加了切膜装置、托膜装置和压边装置。田间试验结果表明:所敷设秸秆纤维基地膜采光面宽度合格率达95%以上，地膜贴合程度达98%，采光面机械破损程度小于5%，膜孔合格率达95%以上，压膜宽度5cm，压边深度4cm，膜孔总长度50mm，满足农艺要求。研究结果为应用秸秆纤维基地膜栽培有机(绿色)水稻奠定了基础。
关键词:水稻;插秧机;秸秆纤维基地膜;覆膜栽培
0引言
近年来，在追求稻米产量过程中，过度使用农药、化肥与塑料地膜等，造成土壤板结、有害菌超标及土壤的营养结构被破坏，且塑料地膜被深埋入地底难以降解，严重制约生态环境可持续发展[1-5]，导致可用来农耕的土地越来越少，人们逐渐意识到食品安全的重要性，越来越喜欢有机水稻。由于有机水稻生产条件十分苛刻，我国有机水稻种植面积十分稀少，相对于水稻总种植面积0.31亿hm2，有机水稻还有很长的路要走[6-8]。
有机水稻难以大面积种植，归根结底在于没有一套合理且易于实施的机械化生产方式。水稻覆膜栽培技术是指在水稻生长发育过程中应用地膜覆盖水田表面，水田经地膜覆盖有节水、节肥和抑草等好处，可减少农药及化肥使用，是一套有效的有机水稻生产方式[9-11]。传统的地膜虽然能有效地抑草节水，但均有难回收、难降解的弊端。为此，东北农业大学团队以农作物秸秆为主要研究开发了秸秆纤维基地膜，该地膜利用其不透光性质，不但有抑草、节水、防病与增产等效果，更重要的是秸秆纤维基地膜能在水稻生长期间全降解，无需残膜回收，且降解后地膜可作为养分被土壤吸收，达到秸秆科学还田的效果，为有机水稻的生产开辟了一条新路径，也可解决困扰多年的秸秆处理问题[12-14]。
秸秆纤维基地膜优势十分明显，但其推广进程却步履蹒跚，归根结底在于缺少与之相配套的覆膜机械。目前，秸秆纤维基地膜的敷设仍大多采用手工覆膜的方式，作业效率低下，不利于秸秆纤维基地膜的推广。东北农业大学团队前期研制了与洋马VP6D型插秧机配套的覆膜装置，可高质量完成秸秆纤维基地膜的敷设，一次进地即可完成覆膜、插秧两项作业，并采用了同步开孔插秧机技术，避免了秧苗与地膜直接接触造成根系损伤[15-18]。
秸秆纤维基地膜的推广任重而道远，单单一种插秧机型无法满足农户的要求，难以大面积推广。因此，研发新型覆膜插秧机，不仅为农作物秸秆制造的秸秆纤维基地膜的普及提供装备技术支撑，同时对覆膜栽培有机水稻技术的推广应用具有重要的现实意义。
1覆膜插秧机结构组成及工作原理
1.1结构组成
NSPU-68CM覆膜插秧机主要由插秧机机身、覆膜装置及同步开孔插秧装置3部分组成，如图1所示。该机具主要参数如表1所示。
1.2工作原理
考虑到覆膜后插秧与机器整体协调性，将覆膜装置加装在插秧机机身与秧板间，通过螺栓、销子等连接件将覆膜装置紧固在插秧机上。同步插秧开孔刀加装在原机秧针上，通过螺栓紧固，随分插机构运动的同时，完成覆膜开孔插秧作业。
作业时，驾驶员首先驱动插秧机行驶至田间地头，将地膜扯出(扯出地膜长度应超过切膜刀5cm)，将插秧机秧板逐渐放至工作位置，此时地膜已接触水田表面，由驾驶员缓缓拉下切膜刀把手，将地膜深深压入水田淤泥中。由于地膜受泥土摩擦力和压膜辊与压边轮正压力，地膜将牢牢“固定”于水田表面，驾驶员驱动插秧机缓慢前行，待稳定后逐渐提速。插秧机向前行驶过程中，地膜受到压膜辊表面镇压抚平作用与压边轮压边和使地膜向两侧拉伸的力，地膜将深深地“嵌入”水田中，保证地膜与水田间无间隙，且地膜不会被风吹离水田表面，以保证地膜抑草、节水效果。同时，同步插秧开孔刀随分插机构运转，秧苗在接触水田表面前，在地膜上开出相对应膜孔，避免秧苗直接接触地膜导致伤根，从而缩短了缓苗期，保证高精度、高质量覆膜插秧作业。插秧机行驶至地头另一端后，驾驶员拉下切膜刀把手将田间地膜切断，升起插秧机秧板，剩余地膜随秧板升起被托膜架抬起，避免剩余地膜被拖拉而损坏;驾驶员驱使插秧机进入下一行覆膜插秧作业，如此循环，直至插秧结束。
2地膜敷设装置关键部件设计
2.1挂膜装置设计
挂膜装置是整个覆膜装置关键核心部件，用以悬挂固定地膜卷，使地膜卷能在插秧机工作和行驶时被置于适当高度，保证膜卷能够轻松自转，给予轻微拉力时，能自由出膜。由于田间作业环境十分恶劣，挂膜装置应对地膜卷有充分保护作用，保证地膜卷不被田间泥水溅湿破坏，地膜被泥水染湿后极其易扯断，影响覆膜质量。目前，秸秆纤维基地膜卷规格为:中间筒芯直径76mm，整卷地膜直径180mm，宽度1700mm，每卷地膜总长100m。挂膜装置形状与尺寸应根据地膜卷几何尺寸设计，如图2所示。
2.2压膜装置设计
压膜装置的作用是将已敷设在水田表面的地膜敷平、压实，使地膜与水田表面紧密贴合，保证地膜与水田间无架空现象，是保证覆膜质量好坏的重要一环。压膜装置主要由压膜辊组、压膜辊挂与压膜辊中间挂组成，如图3所示。
压膜辊组由大、小两压膜辊组成，整个压膜装置由3个压膜辊组穿接而成，应保证压膜的宽度达到1740mm。将压膜辊设成一大一小后，能提升压膜辊对地形的快速仿形能力，并能将小压膜辊放置于秧板支撑横梁正下方，增大挂膜筒与压膜辊纵向距离，使出膜更加平稳，避免出膜直上直下现象。为加装覆膜装置敷设地膜，需将插秧机本身所带的浮板拆卸下来，浮板对已敷设好的地膜有破坏作用，在原安装浮板的位置安装压膜装置，以压膜辊组代替浮板，为插秧机秧板的仿形机构提供动力源;若采用两个小的压膜辊，则压膜辊组所提供的浮力不足，因此将另一个压膜辊增大，以增大浮力。压膜辊中间挂与插秧机秧板的液压仿形机构相连接，压膜辊组所产生的浮力将通过压膜辊中间挂直接传递给液压仿形机构，液压仿形机构则根据所传递来的力的大小控制插秧机秧板的升降，完成对地形的仿形，进而保证了插秧的深度。压膜装置两边的压膜辊挂则能保证压膜装置直上直下运动，同时压膜辊棒上还套有压缩弹簧，能增大对地膜的镇压力，提升覆膜镇压质量。
2.3压边装置设计
经试验发现，已敷设镇压好的地膜经常因大风天气而被吹起翘边，甚至吹离田间表面，极大影响了地膜的抑草节水效果，如图4所示。为此，需对敷设的地膜进行边缘镇压，增加压边装置。压边装置主要由压边轮挂、压边轮框、扭簧与压边轮组成，如图5所示。
压边轮通过压边轮挂利用插秧机本身所带螺纹孔经螺栓固接在插秧机秧板的支撑梁上，且压边轮能在压边轮挂上自由旋转，通过扭簧来加大压边轮对膜边的镇压力，使地膜的膜边“嵌入”水田之中，进而使地膜牢牢地贴在水田表面，不会被大风吹起。压边轮采用锥形的结构，该结构使压边轮既有向下镇压的作用又有将地膜向两边拉伸的作用，使地膜紧紧贴合田面且表面平整，增大地膜的采光面积，有利于秧苗的生长。其内装有轴承，使压边轮能绕着压边轮框自由的旋转，且轴承的两端有防水密封圈，防止轴承接触水而锈蚀。膜边镇压的宽度与深度至少在50mm以上，故应保证压边轮的左端面与膜边相距5cm，压边轮直径与中间旋转轴直径应相差55mm左右，同时压边轮产生垂直镇压力要足够大，以保证有足够压边深度。
2.4切膜装置设计
当插秧机沿着田间一行前进插秧覆膜工作至地头时，需将地膜切断压实，然后掉头进行下一行作业;插秧机驾驶员需下机至田间，用刀将地膜切断，后用田间泥土将地膜压实，防止被风吹起，此过程十分繁杂耗时。为此，增加切膜装置，使驾驶员无需下田即可实现对地膜的切断镇压，以完成掉头作业。切膜装置由切膜刀、切膜刀座、闸线、复位弹簧与切膜刀把手5部分组成，如图6所示。
当驾驶员驱使插秧机工作至田间地头时，驾驶员迅速拉下切膜刀的把手，切膜刀把手拖动闸线再牵引拖动切膜刀，使切膜刀顺时针转动，完成切断镇压动作。切断动作完成后，驾驶员松下把手，切膜刀在复位弹簧的作用下回到切断前的位置，操作轻松快捷，无需驾驶员下地，极大提升了工作效率。
复位弹簧为拉伸弹簧，在整个切膜刀切断过程中起着至关重要的作用。复位弹簧的刚度应在合理范围内，当复位弹簧的力量过小时，切膜刀无法复位，会对秸秆纤维基地膜造成破坏，影响覆膜质量;过大时，则会造成切削深度不够，无法将地膜有效的切断，如进行下一行作业，会给驾驶员的操作带来极大的困难，因此需对复位弹簧进行慎重选型。本文采用两端挂钩式拉伸弹簧，参数为:径粗4mm，外圈直径40mm，长度120mm，经试验能满足切断地膜并复位的要求。
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3田间试验与结果分析
观察久保田NSPU-68CM型覆膜开孔插秧机的覆膜质量与开孔性能，能否达到高质量的覆膜与良好的开孔效果。
3.1田间试验条件
根据经验，取水平速度分别为0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0m/s，分别以计算连续工作条件为初始角速度值进行仿真。仿真过程中，未取得合理角速度值时，将角速度依次增加π/18rad/s，临近合理值时角速度值以π/180rad/s增减，分析各水平速度对应的旋转风管合理角速度，仿真过程忽略各结构之间以及地轮与地面间的摩擦，试验参数如表2所示。试验于2017年4月5日在东北农业大学秸秆纤维基地膜水稻试验示范稻田内实施，稻田长20m，宽3m，作业速度0.3m/s，气温20℃，水田内淤泥深度15cm、水深1.5cm，如图7所示。
3.2试验方法及过程
参照旱田JB/T7732.2-1995《地膜覆盖机试验方法》[19]，对秸秆纤维基地膜覆膜的采光面宽度合格率、采光面机械破损程度、压膜宽度与深度、地膜贴合程度和膜孔合格率进行测定。
插秧机行驶至田间前，先将秸秆纤维基地膜扯出长约50cm，驶入秧田;待插秧机稳定后，放下插秧机秧板，拖动切膜刀把手将秸秆纤维基地膜压实在泥面上;开动插秧机，进行覆膜开孔作业，待机器行驶至田间地头时，用切膜刀将地膜切断，完成作业，如图8所示。
3.3试验结果分析
由图9覆膜开孔效果图可知:久保田NSPU-68CM型覆膜开孔插秧机的覆膜质量与开孔性能，均达到高质量的覆膜与良好的开孔效果。NSPU-68CM型覆膜开孔插秧机性能测试结果，如表2所示，可知机器能达到高质量作业标准。
观察久保田NSPU-68CM型覆膜开孔插秧机的覆膜质量与开孔性能，能否达到高质量的覆膜与良好的开孔效果。追肥机性能测试结果，如表2所示，已达到高质量作业标准。
4结论
1)研制了与久保田NSPU-68CM型覆膜插秧机相匹配的覆膜装置，在不改变插秧机原有结构基础上，增加了切膜装置、托膜装置和压边装置。
2)所敷设秸秆纤维基地膜采光面宽度合格率达95%以上，地膜贴合程度达98%，采光面机械破损程度小于5%，膜孔合格率达95%以上，压膜宽度5cm，压边深度4cm，膜孔总长度50mm，满足农艺要求。
3)田间性能试验结果表明:久保田NSPU-68CM型覆膜开孔插秧机的技术性能指标均达到农艺生产要求，为应用秸秆纤维基地膜栽培有机(绿色)水稻奠定了基础。
