覆膜机械研究现状与发展分析

王震，吴长兵，张富贵，李再军，王丹林

（1.550025 贵州省 贵阳市 贵州大学 机械工程学院；2.550004 贵州省 贵阳市 中国烟草总公司贵州省公司）

0 引言

我国是烟草大国，烟草种植面积位居世界首位，烟草市场规模巨大。随着我国工业化的不断加快以及人口老龄化的不断加剧，在烟草种植过程中出现了劳动力成本不断增加的问题，因此进行烟草机械化产业优化升级十分必要[1-2]。覆膜机械化作为烟草种植过程中的一个重要环节，主要包括挂膜、压膜、培土等过程。覆膜机根据其行走形式可以分为小型手动覆膜机、自走式油动覆膜机和牵引式油动覆膜机。小型手动覆膜机由于没有行走动力源，机械作业时需要人工拉动，适合小块沙性地形使用。自走式油动覆膜机采用汽油机为整机行走动力源，减少了人工，增加了自动培土功能，适合我国黏性土壤较为平坦地块使用。牵引式油动覆膜机由拖拉机拖动，整机体积较大，覆膜质量较好，主要适用于大型农场[3-4]。

我国国土辽阔，不同地区地形地势和种植方式都有差异，覆膜机械化发展缓慢，覆膜机械技术已经成为制约烟草种植产业发展的瓶颈，烟农认可机械覆膜的实用性、适用性，对机械覆膜有强烈需求，所以当务之急是攻克覆膜工程中的技术难题。烟草种植作为我国多地种植的经济作物，覆膜机械对烟草种植质量有重大影响。覆膜机械能够提高覆膜效率、减少人工成本及工作强度[5]。所以，对烟草覆膜机械的研究对烟草种植业有重要意义。

本文在分析了国内外覆膜机研究现状的同时，对覆膜工作原理进行了研究论述，结合烟草种植过程中自走式覆膜机存在的问题，对其未来的发展提出建议。

1 国外覆膜机械研究现状

发达国家对覆膜机研究较早，研究领域也更加广泛，覆膜装备机械化也更为成熟。发达国家农业机械化水平相对较高，其机械的通用性和适用性等方面做得比较好，目前正在向智能化、精量化等方向发展[6-7]。从20 世纪50 年代开始，少数发达国家就对地膜覆盖技术进行了研究，日本是世界上最早研究地膜覆盖技术的国家之一，并在全国推广覆膜技术，目前已经应用到了花生、烟草等众多经济作物的种植过程中[8]。

日本龟井正弘和美冈邦彦等研究人员研制的自走式旱直播覆膜机械如图1 所示。机器采用了人工覆膜原理，整机具有动力行走装置。镇压轮采用海绵材质，镇压轮装置将地膜压至作业表面，这种特殊的结构设计使其可以在山地丘陵等条件较为恶劣地区作业。整机采用框架式结构，质量较轻，作业幅宽为5 行，由2 人配合作业，工作效率10.0～16.7 m2/min，适用于小规模水田，其主要技术参数见表1。但该机由于作业者采用背部朝前的行走方式，导致覆膜时直线型下降，同时掉头时有跌倒侧翻的危险[9-10]。

图1 日本自走式旱直播种覆膜机Fig.1 Self-propelled direct-seeding film-mulching machine in Japan

表1 日本自走式旱直播种覆膜机主要参数Tab.1 Main parameters of self-propelled direct-seeding film-mulching machine in Japan

日本三菱研发设计的MKP60 型地膜敷设插秧机主要适用于稻田作业，整机结构如图2 所示。机器在作业时，操作人员乘坐于机器上，大幅度减轻了人员劳动强度。覆膜装置位于整机动力输出部位与插秧作业部位中间，机器可同时完成插秧和覆膜作业。采用拖拉机动力输出驱动机器作业，整机较为笨重，覆膜作业结构比较复杂，且覆膜装置与秧箱相隔较近，影响插秧装置插秧性能[11]。

图2 MKP60 型地膜敷设插秧机Fig.2 MKP610 type film-mulching transplanter

日本藤木农机研制的拱棚插架覆膜一体机，体积较小，适用于多种作业环境，如图3 所示。该插架覆膜机有多种型号，其中仅TP-180 机型需要弯杆作为棚杆，其他型号使用直杆作业。棚杆材料为钢材、玻璃纤维。机型对应的棚杆尺寸及其作业宽度如表2 所示。

表2 棚杆尺寸及其覆膜作业宽度Tab.2 Technical parameters of low-tunnel rod insertion machine

图3 拱棚插架覆膜一体机Fig.3 Low tunnel press-insertion machine

该机为自走式，采用3 kW 汽油机为行走动力源。整机搭建拱棚高度约为900 mm，棚杆入土深度为300～400 mm，两棚杆间距为400～1 200 mm，棚杆间距有多个挡位可选。整机机身利用率较高，适用于农场及丘陵地区。该机需要重复进行整机行走启停以及液压操控，需要经验丰富的作业人员，操作步骤繁琐[12]。

美国ANDROSENG 公司研发的New Low Tunnel Deployment System 由拖拉机牵引完成拱棚插架覆膜作业，整机结构如图4 所示。该机可根据作业状况选择单列以及多列覆膜作业同时进行，覆膜作业拱棚高度为500～550 mm，宽度为750～800 mm，作业过程中棚杆之间距离可以调整，试验表明该机进行覆膜作业后，膜内温度比外部环境温度高5～15 ℃，机器覆膜作业质量较好。但该机作业时棚杆需要人工进行单根放置，需要投入的人力较多。该机每个覆膜机架间距较大，造成拱棚间距大，所以土地利用率低[12]。

图4 New Low Tunnel Deployment systemFig.4 New low-tunnel deployment system

意大利FORIGO 公司研制了一种主要适用于砂土的起垄覆膜一体机（如图5 所示），该覆膜机的CO.Modus 系列具有多种型号，适用于不同作业环境。该机没有行走动力源，作业时由拖拉机三点悬挂提供行走动力。整机前端拥有2 个倾斜布置的圆盘，主要用于汇集土壤，土壤在起垄装置和整机复合运动作用下形成地垄。覆膜作业时，开沟器先将地垄两侧边缘划出一条沟槽，整机行走地膜平铺于地垄上侧，随后压膜轮将地膜边缘压入沟槽，最后由覆土铲将垄沟周围土壤铲入地膜两侧完成覆膜。该机的压膜轮与机架采用柔性连接，并由弹簧装置提供一定预紧力，使压膜轮能够有效将地膜压至垄沟[13]。

图5 FORIGO 起垄覆膜机Fig.5 FORIGO ridging and mulching machine

2 国内覆膜机械研究现状

我国机械覆膜研究落后于发达国家，20 世纪70 年代引进国外机械化覆膜机技术，开启了自我研发和探究之路。随着近年来机械化水平的不断提高，对各种地膜覆膜机的研发和改装力度加大，设计出了一系列集起垄、施肥、覆膜等功能于一体的覆膜机，极大提高了覆膜作业效率，同时研发出针对不同作业环境和要求的覆膜机械[14-15]。

2.1 多功能覆膜机

内蒙古农业大学罗奇提出并设计了一种适用于疏松土壤地块作业的多功能覆膜播种机械，整机结构如图6 所示。

图6 多功能覆膜播种机Fig.6 Multi-functinal inter-row mulching planter

整机作业时，圆盘开沟器随机器的前进转动，在机器两侧开出埋膜沟，地膜在整机牵拉作用下伸展，随后两侧压膜轮将地膜压入圆盘开沟器作业的埋膜沟内，最后由压膜轮后面的覆土铲将土壤回填至埋膜沟起固定作用，完成覆膜[16]。

黑龙江省农业机械工程科学研究院开发了水稻覆膜高速插秧机，整机结构如图7 所示。覆膜机构和断膜机构位于插秧机后轮与栽植装置之间，整机可同时完成覆膜和插秧作业，覆膜机构包括压膜辊、托膜架以及压膜边辊等。完成覆膜的地膜贴合率大于95%，漏覆土率小于1%，可完成高效覆膜[17]。

图7 水稻覆膜高速插秧机Fig.7 Rice high-speed mulching and transplanting machine

迟明路设计了一种集施肥、铺膜、覆土镇压功能于一体的施肥移栽机，该机适用于平地垄栽或平栽作业情形，可同时完成2 行覆膜移栽，该机结构如图8 所示。整机作业时，倾斜布置的圆盘状开沟器先在地面开出两条沟槽，随后地膜随整机的前进平铺于地面，仿形压膜轮将地膜两侧压入沟槽，最后推土器将土壤回土，该机的土壤导流装置方便机器进行回土。该机主要用于平地作业，整机完成移栽覆膜作业后，具有仿形功能的压膜轮会对地膜两侧进行镇压[18]。

图8 覆膜施肥移栽机Fig.8 Film-mulching fertilizing transplanter

陈志厚等人设计研发了一种集旋耕起垄、施肥、覆膜等功能于一体的YS-1 GVFM-125A 型起垄施肥铺膜机，如图9 所示。该机以11.03～16.17 kW 柴油机为行走动力，主要包括起垄系统、施肥系统以及覆膜系统。机器作业时，旋耕刀转动将土壤向中间汇聚，可以选择将肥料由排肥口落下，完成起垄施肥作业；犁刀翻土，一部分用于覆盖肥料，另一部分从支膜架越过，用于覆盖压膜轮压成的垄沟两侧，进而完成“拉链式”覆膜。该机的研制主要针对南方烟叶区域，实现了起垄、施肥、覆膜一体化作业，大幅度降低了劳动强度[19]。

图9 YS-1 GVFM-125A 型起垄施肥铺膜联合作业机Fig.9 YS-1 GVFM-125A ridging,fertilizing and film spreading machine

2.2 单功能覆膜机

赵立军等人研制的2BF-1400 型水稻覆膜播种机由13～18 kW 拖拉机悬挂牵引，结构如图10 所示。作业时，由最前端整地装置将地表整平，由开沟器在机器两侧开出压膜沟，机器向前行进，挂膜装置上的地膜展开平铺于地面，压膜轮将地膜两侧压紧至垄沟，最后由覆土圆盘将土壤压至地膜两侧，完成覆膜作业。该机器主要适于1 400 mm 宽度的地膜，整机作业速度3～5 km/h，大幅减小了作业人员的劳动强度[20]。

图10 2BF-1400 型水稻覆膜播种机Fig.10 2BF-1400 rice film-mulching planter

河北农业大学蔡雅琨根据果园农艺要求对覆膜机进行了设计，使该覆膜机适应各种覆膜地块，整机结构如图11 所示。

图11 果园实生苗精密播种机覆膜机Fig.11 Orchard seeding film-mulching machine structure diagram

整机由14.7 kW 拖拉机带动，首先由开沟器进行开沟作业，作业宽度60 mm，深度40 mm，随后挂膜装置将膜卷平铺于地面，由压膜装置将膜卷两边压至压膜沟内，最后由覆土器将薄膜两侧覆土，完成覆膜作业。整机操作简单，结构调整方便，工作效率较高，主要适用于较为松软的沙性土壤[21]。

福建省农业机械化研究所设计研发出2MZ-1型自走式铺膜机，整机结构如图12 所示。该机由8.53 kW 发动机带动，机器作业时采用倒退行走方式，先由支膜架将地膜平铺于地垄上，压膜轮将地膜两侧压至地垄两侧沟底，随着整机行进，培土刀转动将土壤抛至地膜两侧完成覆膜。由于培土刀由动力源带动，该机可广泛适用于多种地块土壤，并可以在平地高效完成覆膜作业[22-23]。

图12 2MZ-1 型自走式铺膜机Fig.12 2MZ-1 self-propelled film spreading machine

3 覆膜关键部件设计和理论研究

鉴于农业生产中作物覆膜的巨大效益以及发达国家机型通用性较差、价格较贵，国内科研院所和生产企业对覆膜机械进行了多方面的研发设计，多种研发方案已经实体化并进行了相关实验分析。

2014 年，石河子大学李卫敏等针对作物移栽后铺膜产生的一系列问题设计出了一种加工番茄移栽后铺膜机，针对育苗移栽和铺膜技术应用愈加广泛的趋势，研发了移栽后铺膜机构。整机先利用SolidWorks 建立虚拟样机三维模型，运用RecurDyn对整机进行运动学仿真优化，利用正交实验测试地膜抗拉试验。铺膜机样机实验显示，影响铺膜效果的主要因素是护苗板角度，通过实验得出铺膜机行进速度800 mm/s、护苗板倾斜30°、地膜铺设角度20°时，铺膜效果较为理想[24]。

2016 年，为解决甘薯种植劳动强度大、机械化程度低等难题，青岛农业大学隋修旭等利用SolidWorks 完成三维建模，运用ADAMS 运动学仿真分析得出，起垄刀转速332 r/min、整机行走速度0.9 m/s 时起垄效果最佳，同时设计了地垄压实整形装置，可进一步提高起垄后地垄紧实度，提高覆膜质量。采用可拆卸覆膜覆土装置，根据不同覆膜作业需求自行调节覆膜覆土装置。设计了弹性装置压膜轮以适应不同地垄两侧，保证压膜轮不产生相对滑动。整机压膜均匀，覆土结实，两垄之间垄沟部分无漏膜现象[25]。

2020 年，为提高覆膜机自动化程度，山东农业大学秦洪政等研发出一种自走式变距拱棚插架覆膜机。利用液压传动和机械传动结合完成棚杆折弯和插架作业，利用SolidWorks 完成三维建模并进行装配；利用PLC 控制系统和硬件电路，对覆膜机作业参数进行调整。试验表明，当覆膜机行进速度1.2 km/h 时，棚杆插架率以及覆膜效果最好，覆膜透光率远大于人工手动覆膜透光率。各项覆膜参数均满足北方地区覆膜农艺要求[12]。

4 覆膜机械存在的问题以及发展建议

4.1 覆膜机械存在的问题

（1）我国国土辽阔、地形复杂，难以研发出适合各种地形作业的覆膜机械。国内研发的多种机型多参考发达国家的机型进行改造研发，因此容易忽略我国南北方地形差异以及土壤差异。我国北方多为平原，土质也较为疏松，适合大型机械开发，机器通用性较强，而南方各地地形地貌复杂，以黏性土壤为主，机械覆膜时多采用小型机械，因此各地覆膜机械通用性较差。

（2）国内研发的覆膜机械大多处于纯机械控制阶段，整机自动化、集成化、智能化程度不高。机型比较笨重，操作复杂，目前国内出现老龄化现象，需要考虑作业人员整体素质，从而研发智能化、自动化型机型，进一步解放劳动力，加大对先进适用机械的推广。

（3）覆膜机械关键部件的研制与农艺结合不紧密。目前国内机型研发大多为通用化设计，未考虑特殊情况下的作业需求。如在我国西南地区烟叶种植过程中，由于地形地势以及土壤原因会造成覆膜质量不高，进而影响烟叶幼苗的生长，难以达到作业要求。

4.2 覆膜机械发展建议

（1）以政府为主导，加快扶持农机区域化发展，加快农机农艺融合。随着农业机械化的发展，结合我国不同地区覆膜机械发展的需要，通过农业信息化加快满足我国不同地区不同土壤的覆膜需求。合理采用先进制造技术，提高农机关键部件的质量，增加农机的使用寿命。同时从政策上加强宣传、加强农机推广，提高操作人员综合作业水平。

（2）通过政府政策引导、部门配合的方式推进机械化覆膜进程。以我国农业生产为立足点、以产、学、研一体的方式研发设计农民满意的覆膜机械。同时，需要有关部门加强对新技术、新理念的宣传，政府部门加强对农机的政策补贴，引进国外大型农厂种植模式，提高覆膜机械在农业生产中的利用率。

（3）以高校、企业、科院研所为核心，充分考虑我国老龄化程度的实情，在提高覆膜质量的同时，研发自动化以及智能化的覆膜机械，减少农业生产中的人力消耗，特别是在我国西南地区烟草经济类作物种植面积较大，在人力资源短缺的背景下，加快集成化、自动化覆膜机械的发展可有效降低作业人员的劳动强度以及减少人力资源消耗，利于加快农业机械化推广。

5 结论

国外的覆膜机械研究时间较长，机器工作效率较高，机器价格整体较高，不适于国内种植户大批量购买。国外覆膜机械主要面向大型农场，我国幅员辽阔，作业环境极其复杂，目前国内许多团队开始转向针对不同地区的自走式覆膜机，还没有普遍适用于我国大部分地区的覆膜机，在相当一段时间内，自走式覆膜机仍是我国农业生产的主要需求。

国内的覆膜机械品种繁杂，覆膜机械化效率较低，在一定程度上制约着我国农业生产的发展。目前国内农业从业人员老龄化程度偏高且主要针对小型地块作业，因此要提高覆膜机械化水平和提高机械化覆膜效率应减少覆膜机械整机质量、降低覆膜机械整机操作复杂程度，从而利于减轻作业人员劳动强度和降低作业人员的操作难度。

现阶段覆膜机械化作业仍存在问题需要解决，针对西南地区地形地块较为特殊、不利于大型覆膜机械作业，且由于地形限制会使覆膜机械地垄两侧覆土量不一致，影响覆膜质量；地块不平时覆膜作业会造成覆膜机培土刀培不到土壤至地垄两侧进而不满足覆膜需求。今后覆膜机械研发在提高机械化程度的同时需要向智能化、区域化发展，满足不同地区机械化作业的需求，再逐步提高覆膜效率和覆膜质量。