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摘要：水稻纸膜覆盖插秧技术是一项高产、节水、环保的水稻生产新技术。根据覆膜技术要求，研究设计出水稻覆膜高速插秧机，阐述该机的整体结构及主要工作部件的设计，经生产试验证明该机结构合理、调节简便，能满足水稻覆膜插秧技术要求。
关键词：农业机械；插秧机；水稻；覆膜；设计
中图分类号：S223.91 2 文献标识码：A 文章编号：1674-1161（2015）06-0034-03
纸膜覆盖插秧技术是近年来提出的一项水稻种植新技术，其特征是将农用纸膜（利用废纸和秸秆等加工的专用纸膜）铺于水田表面，同时戳破纸膜将育好的秧苗插入泥浆中。通过纸膜覆盖，可在水稻生产前期创造一个利于水稻生产而抑制杂草生长发育的环境条件。覆盖40 d后纸膜自热腐烂，此时稻苗已具有明显生长优势。此外，纸膜覆盖还具有降低水分棵间蒸发的作用，全年节水30%左右。水稻覆膜插秧栽培具有增温、保水、保肥、改善土壤理化性质，提高土壤肥力，抑制杂草生长，减轻病害的作用，在连续降雨的情况下还有降低湿度的功能，从而促进植株生长发育，增加产量。与传统有机水稻种植相比，采用覆膜高速插秧机栽培有机水稻可实现水稻覆膜与插秧同步进行，极大提高了劳动效率，减少了对人工的依赖，解决了人工覆膜插秧费时费力、劳动强度大、生产成本高等问题，有利于有机水稻覆膜插秧栽培技术的推广应用。
1 覆膜技术要求
按照国家有关标准规定，地膜覆盖作业质量共有11项指标，其中主要包括：1） 地膜贴合率。铺后地膜可接受光照部分（采光面）和膜下架空高度大于2 cm部分的面积之差与采光面面积之比，是反映铺后地膜与地表贴实程度的指标。要求地膜贴合率大于95%。2） 采光面利用率。实测露膜宽度平均值与农艺要求数值之比，是反映地膜裸露面大小的指标。要求采光面利用率大于95%。3） 皱折率。覆后地膜采光面上测定区起皱部分展平后的面积同起皱面积之差与测定面积之比，是反映地膜展平程度的指标。要求皱折率小于5%。4） 漏覆土程度。地膜两侧无土及覆土厚度、宽度不符合机具使用说明书及具体农艺要求部分的长度与测定长度之比，是反映地膜两边封压严密程度的指标。要求漏覆土程度不超过1%。
为满足上述覆膜作业质量要求，本研究采用滚轮式覆膜插秧设计方案，以先覆膜后插秧的方式进行生产作业。
2 覆膜高速插秧机整体设计
铺膜机构和断膜机构布置在高速插秧机后轮与栽植部件之间，主要由覆膜辊、压膜辊、托膜架、切膜刀和压膜边辊等部件组成（如图1所示）。
作业时，随着插秧机的前进，覆膜机构将纸膜覆盖于泥土表面，在双轴分段式浮动压辊作用下，纸膜浸润后紧贴在泥土表面，两侧边压轮总成将纸边缘压入稻田泥中，以避免纸膜被风刮起，并使纸膜平整。同时，插秧机栽植部件在纸膜上进行插秧作业。到地头停车时，栽植部件和施肥机构随即停止工作，驾驶员通过操作锯齿式切纸刀联动手柄将纸膜切断，然后升起栽植部件总成。转弯对行后，再继续作业。
3 覆膜机构和断膜机构的设计
3.1 覆膜机构设计要求
覆膜机构是集放膜、铺膜、压膜、纸膜收边等功能于一体的结构总成。铺放效果好坏直接影响着整个插秧作业的质量。纸膜铺放机构设计应遵循以下几点要求：1） 插秧机行驶进水田，在将栽植部件放下的同时，机器前进，纸膜自动铺放。2） 在插秧过程中，将纸膜铺放平整后，栽植臂将秧苗插入铺好的纸膜上，深度约为3～5 cm。3） 压膜辊在压膜过程中应尽量少出现“横向滑移”现象，压膜辊的位移应该与纸膜的铺放长度相等，否则容易造成壅膜。4） 压膜边辊作业位置应小于纸膜铺放的长度，否则膜边不能很好地压入泥土中，造成漂膜现象。
3.2 铺膜机构工作原理
铺膜机构的结构如图2所示。
铺膜机构工作时，纸膜头从覆膜辊中引出，由托膜架将纸膜托起。在作业状态下，在双轴分段式浮动压膜辊作用下，纸膜浸润后紧贴在泥土的表面，在垂直方向上压实纸膜。同时，随着插秧机的前进，带动压膜辊转动，从而铺放纸膜。两侧的压膜边辊将纸膜边缘压入稻田泥中，避免纸膜被风刮起，达到纸膜平整。
3.3 压膜辊性能分析
压膜辊是水稻纸膜覆盖插秧机的关键工作部件之一，它在松软的水田里具有地面垂直仿形、稳定作业、承载机体质量、平整田面的作用。因此，压膜辊的性能对水稻纸膜覆盖插秧机作业质量影响很大。分析压膜辊与田面作用的基本原理，依照插秧深度的要求，找出下陷量与栽植垂直仿形量之间的关系，以设计合适的下陷量，满足栽植作业时与地面的垂直仿形量。为了能够尽量地承载机体质量，保证栽植作业的垂直仿形，选择圆柱形压膜辊。
水田大致可分为4层：第一层为薄薄的水层，第二层是液态泥水混合层，第三层是饱和的泥土层，第四层是呈塑性的土壤层。当压膜辊在水田面上滑行时，前端把水层和泥水层推开，挤压饱和泥土层，使其产生下陷。当承载一定质量的压膜辊作用于田面时，压膜辊在水中的浮力可用阿基米德原理计算出。因为水层极薄，其浮力根本不可能支承压膜辊，而液态泥水混合层支承能力又极小，该层成为下陷的一部分深度。泥土层是支承压膜辊的主要层次，这层的泥土被压膜辊挤压，产生复杂的作用，使压膜辊受支承力和阻力，因而土层大体无变化。压膜辊作用于田面时，支承面下部的泥土层发生局部剪切，特别是压膜辊支承质量加大时，向下剪切的泥土区域加大，使压膜辊两侧的泥土向上突起，压膜辊下陷。当压膜辊下陷一定深度时，垂直仿形传感器起作用，将栽植部件平稳地支撑在插秧要求的高度。压膜辊与松软土壤的相互作用可用M.G.Bekker提出的“压板—沉陷”理论模拟；压膜辊在松软土壤上的接地压力可用贝氏方程表示：
q=
kφZn
Z=
式中：q为比压，Pa；Z为下陷量，cm；kc为土壤内聚力变形模数，kg/cmn 1；kφ为土壤摩擦变形模数， kg/cmn 2；n为土壤变形指数；b，D分别为压膜辊的宽度与直径；W为压膜辊载荷。
由以上公式可在试验机上根据压膜辊所受载荷，计算压膜辊的下陷量。
3.4 断膜机构设计要求
断膜机构是在插秧机行驶到水田地头转弯时产生动作的。一行插秧作业完毕，将栽植部件升起，此时断膜机构动作，切刀降落切断纸膜。切刀动作要求切断速度快、断茬整齐、纸膜破损率低。
4 结论
水稻覆膜高速插秧机生产试验证明，该机覆膜机构结构简单紧凑、调节简便，在原有插秧机的基础上配置了铺膜、断膜机构，实现铺膜、插秧、断膜作业间的协调同步运动，满足水稻覆膜插秧技术要求，生产效率高，覆膜质量好，省工省膜。
参考文献
[1] 周福君，张胜利.水稻覆膜播种及其配套机具的研究[J].农机化研究，2007（12）：36-38.
[2] 徐先保.水稻覆膜高产直播技术[J].现代农业科技，2007（2）：67-68.
[3] 沈康荣，李家军.旱稻地膜覆盖栽培技术研究[J].湖北农业科学，2009（4）：799-801.
[4] 何代元.水稻地膜覆盖增产原因及主要栽培技术[J].中国稻米，1997（3）：21.
[6] 汪晓春，刘军.水稻地膜覆盖栽培的抗旱节水效应[J].湖北农业科学，2001（1）：8-10.
Research on the Design of Rice High-speed Film Mulching
and Transplanting Machine
YU Lei， MU Xuelei， HAN Xiuhai， XING Zhanqiang
（Heilongjiang Institute of Agricultural Mechanical Engineering Science， Harbin 150081， China）
Abstract： The technique of rice paper mulching and transplanting is a new technique of high yield， water saving and protecting environment for rice production. In the article， it designed rice high-speed film mulching and transplanting machine based on technical request of mulching， expounded the design of whole structure and main working parts of the machine， the structure is logical and easy to be adjusted by test proving， and can meet technical request of rice mulching and transplanting.
Key words： agricultural machinery； transplanter； rice； mulching； design
关键词：农业机械；插秧机；水稻；覆膜；设计
中图分类号：S223.91 2 文献标识码：A 文章编号：1674-1161（2015）06-0034-03
纸膜覆盖插秧技术是近年来提出的一项水稻种植新技术，其特征是将农用纸膜（利用废纸和秸秆等加工的专用纸膜）铺于水田表面，同时戳破纸膜将育好的秧苗插入泥浆中。通过纸膜覆盖，可在水稻生产前期创造一个利于水稻生产而抑制杂草生长发育的环境条件。覆盖40 d后纸膜自热腐烂，此时稻苗已具有明显生长优势。此外，纸膜覆盖还具有降低水分棵间蒸发的作用，全年节水30%左右。水稻覆膜插秧栽培具有增温、保水、保肥、改善土壤理化性质，提高土壤肥力，抑制杂草生长，减轻病害的作用，在连续降雨的情况下还有降低湿度的功能，从而促进植株生长发育，增加产量。与传统有机水稻种植相比，采用覆膜高速插秧机栽培有机水稻可实现水稻覆膜与插秧同步进行，极大提高了劳动效率，减少了对人工的依赖，解决了人工覆膜插秧费时费力、劳动强度大、生产成本高等问题，有利于有机水稻覆膜插秧栽培技术的推广应用。
1 覆膜技术要求
按照国家有关标准规定，地膜覆盖作业质量共有11项指标，其中主要包括：1） 地膜贴合率。铺后地膜可接受光照部分（采光面）和膜下架空高度大于2 cm部分的面积之差与采光面面积之比，是反映铺后地膜与地表贴实程度的指标。要求地膜贴合率大于95%。2） 采光面利用率。实测露膜宽度平均值与农艺要求数值之比，是反映地膜裸露面大小的指标。要求采光面利用率大于95%。3） 皱折率。覆后地膜采光面上测定区起皱部分展平后的面积同起皱面积之差与测定面积之比，是反映地膜展平程度的指标。要求皱折率小于5%。4） 漏覆土程度。地膜两侧无土及覆土厚度、宽度不符合机具使用说明书及具体农艺要求部分的长度与测定长度之比，是反映地膜两边封压严密程度的指标。要求漏覆土程度不超过1%。
为满足上述覆膜作业质量要求，本研究采用滚轮式覆膜插秧设计方案，以先覆膜后插秧的方式进行生产作业。
2 覆膜高速插秧机整体设计
铺膜机构和断膜机构布置在高速插秧机后轮与栽植部件之间，主要由覆膜辊、压膜辊、托膜架、切膜刀和压膜边辊等部件组成（如图1所示）。
作业时，随着插秧机的前进，覆膜机构将纸膜覆盖于泥土表面，在双轴分段式浮动压辊作用下，纸膜浸润后紧贴在泥土表面，两侧边压轮总成将纸边缘压入稻田泥中，以避免纸膜被风刮起，并使纸膜平整。同时，插秧机栽植部件在纸膜上进行插秧作业。到地头停车时，栽植部件和施肥机构随即停止工作，驾驶员通过操作锯齿式切纸刀联动手柄将纸膜切断，然后升起栽植部件总成。转弯对行后，再继续作业。
3 覆膜机构和断膜机构的设计
3.1 覆膜机构设计要求
覆膜机构是集放膜、铺膜、压膜、纸膜收边等功能于一体的结构总成。铺放效果好坏直接影响着整个插秧作业的质量。纸膜铺放机构设计应遵循以下几点要求：1） 插秧机行驶进水田，在将栽植部件放下的同时，机器前进，纸膜自动铺放。2） 在插秧过程中，将纸膜铺放平整后，栽植臂将秧苗插入铺好的纸膜上，深度约为3～5 cm。3） 压膜辊在压膜过程中应尽量少出现“横向滑移”现象，压膜辊的位移应该与纸膜的铺放长度相等，否则容易造成壅膜。4） 压膜边辊作业位置应小于纸膜铺放的长度，否则膜边不能很好地压入泥土中，造成漂膜现象。
3.2 铺膜机构工作原理
铺膜机构的结构如图2所示。
铺膜机构工作时，纸膜头从覆膜辊中引出，由托膜架将纸膜托起。在作业状态下，在双轴分段式浮动压膜辊作用下，纸膜浸润后紧贴在泥土的表面，在垂直方向上压实纸膜。同时，随着插秧机的前进，带动压膜辊转动，从而铺放纸膜。两侧的压膜边辊将纸膜边缘压入稻田泥中，避免纸膜被风刮起，达到纸膜平整。
3.3 压膜辊性能分析
压膜辊是水稻纸膜覆盖插秧机的关键工作部件之一，它在松软的水田里具有地面垂直仿形、稳定作业、承载机体质量、平整田面的作用。因此，压膜辊的性能对水稻纸膜覆盖插秧机作业质量影响很大。分析压膜辊与田面作用的基本原理，依照插秧深度的要求，找出下陷量与栽植垂直仿形量之间的关系，以设计合适的下陷量，满足栽植作业时与地面的垂直仿形量。为了能够尽量地承载机体质量，保证栽植作业的垂直仿形，选择圆柱形压膜辊。
水田大致可分为4层：第一层为薄薄的水层，第二层是液态泥水混合层，第三层是饱和的泥土层，第四层是呈塑性的土壤层。当压膜辊在水田面上滑行时，前端把水层和泥水层推开，挤压饱和泥土层，使其产生下陷。当承载一定质量的压膜辊作用于田面时，压膜辊在水中的浮力可用阿基米德原理计算出。因为水层极薄，其浮力根本不可能支承压膜辊，而液态泥水混合层支承能力又极小，该层成为下陷的一部分深度。泥土层是支承压膜辊的主要层次，这层的泥土被压膜辊挤压，产生复杂的作用，使压膜辊受支承力和阻力，因而土层大体无变化。压膜辊作用于田面时，支承面下部的泥土层发生局部剪切，特别是压膜辊支承质量加大时，向下剪切的泥土区域加大，使压膜辊两侧的泥土向上突起，压膜辊下陷。当压膜辊下陷一定深度时，垂直仿形传感器起作用，将栽植部件平稳地支撑在插秧要求的高度。压膜辊与松软土壤的相互作用可用M.G.Bekker提出的“压板—沉陷”理论模拟；压膜辊在松软土壤上的接地压力可用贝氏方程表示：
q=
kφZn
Z=
式中：q为比压，Pa；Z为下陷量，cm；kc为土壤内聚力变形模数，kg/cmn 1；kφ为土壤摩擦变形模数， kg/cmn 2；n为土壤变形指数；b，D分别为压膜辊的宽度与直径；W为压膜辊载荷。
由以上公式可在试验机上根据压膜辊所受载荷，计算压膜辊的下陷量。
3.4 断膜机构设计要求
断膜机构是在插秧机行驶到水田地头转弯时产生动作的。一行插秧作业完毕，将栽植部件升起，此时断膜机构动作，切刀降落切断纸膜。切刀动作要求切断速度快、断茬整齐、纸膜破损率低。
4 结论
水稻覆膜高速插秧机生产试验证明，该机覆膜机构结构简单紧凑、调节简便，在原有插秧机的基础上配置了铺膜、断膜机构，实现铺膜、插秧、断膜作业间的协调同步运动，满足水稻覆膜插秧技术要求，生产效率高，覆膜质量好，省工省膜。
参考文献
[1] 周福君，张胜利.水稻覆膜播种及其配套机具的研究[J].农机化研究，2007（12）：36-38.
[2] 徐先保.水稻覆膜高产直播技术[J].现代农业科技，2007（2）：67-68.
[3] 沈康荣，李家军.旱稻地膜覆盖栽培技术研究[J].湖北农业科学，2009（4）：799-801.
[4] 何代元.水稻地膜覆盖增产原因及主要栽培技术[J].中国稻米，1997（3）：21.
[6] 汪晓春，刘军.水稻地膜覆盖栽培的抗旱节水效应[J].湖北农业科学，2001（1）：8-10.
Research on the Design of Rice High-speed Film Mulching
and Transplanting Machine
YU Lei， MU Xuelei， HAN Xiuhai， XING Zhanqiang
（Heilongjiang Institute of Agricultural Mechanical Engineering Science， Harbin 150081， China）
Abstract： The technique of rice paper mulching and transplanting is a new technique of high yield， water saving and protecting environment for rice production. In the article， it designed rice high-speed film mulching and transplanting machine based on technical request of mulching， expounded the design of whole structure and main working parts of the machine， the structure is logical and easy to be adjusted by test proving， and can meet technical request of rice mulching and transplanting.
Key words： agricultural machinery； transplanter； rice； mulching； design