吊籃式膜上移栽機的設(shè)計

劉 洋 李亞雄 李 斌 盧勇濤 王 濤 李浩源

(新疆農(nóng)墾科學(xué)院機械裝備研究所，新疆石河子832000)

作物幼苗鋪膜移栽可以避開早春低溫、霜凍、冰雹等災(zāi)害天氣影響，增溫保墑效果明顯，幼苗成活率高，能有效延長作物生育期，提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)，目前已在新疆番茄、辣椒、甜菜等作物種植中得到應(yīng)用[1，2]。近幾年新疆地區(qū)從國內(nèi)外引進了不同樣式的吊籃式移栽機，該種移栽機具有膜上成穴和移栽一次完成的優(yōu)點，可滿足新疆地區(qū)作物種植普遍需要鋪設(shè)地膜的要求，但是這些吊籃式移栽機在使用中存在的問題是不能膜上覆土，僅靠鎮(zhèn)壓輪在膜面上擠壓苗穴，覆土效果不理想，移栽后必須由人工覆土，且作物幼苗易傾倒，影響了移栽質(zhì)量和效率[3]。因此，具有覆土功能的膜上移栽機的研制成為新疆地區(qū)推廣育苗移栽機械化的迫切需求。

本文設(shè)計一種能一次完成膜上碎土道形成、膜上成穴移栽、土壤鎮(zhèn)壓等多項作業(yè)功能的機具—2ZML－2膜上移栽機，實現(xiàn)機械化膜上覆土移栽，提高了作業(yè)效率。

1 2ZML－2膜上移栽機的總體構(gòu)造與工作過程

1.1 2ZML－2膜上移栽機總體構(gòu)造

2ZML－2膜上移栽機采用拖拉機三點后懸掛牽引，主要由機架和工作單組組成。結(jié)構(gòu)如圖1所示。2ZML－2膜上移栽機的主要技術(shù)規(guī)格見表1。

圖1 2ZML－2膜上移栽機結(jié)構(gòu)圖

2ZML－2膜上移栽機的主要技術(shù)規(guī)格見表1。

表1 2ZML－2膜上移栽機的主要技術(shù)規(guī)格

1.2 膜上移栽農(nóng)藝作業(yè)過程

膜上移栽機移栽作物幼苗的作業(yè)方法是:在膜上形成移栽用碎土道，膜上成穴并移栽，在移栽后的作物幼苗兩側(cè)鎮(zhèn)壓地膜。膜上移栽要求整地地表虛土平均厚度10 cm以上，表層土壤干燥，地表平整，大塊顆粒土壤、殘膜和作物根茬較少。

1.3 2ZML－2膜上移栽機的工作過程

2ZML－2膜上移栽機的工作過程可分為兩個階段:

1.3.1 在膜面上形成移栽用碎土道

隨著機組的前進，覆土圓盤將地膜間裸露在外的土壤撥入滾筒內(nèi)部，然后導(dǎo)土板將土壤推向滾筒內(nèi)部，較小的土塊通過漏土桿落到膜面上，形成移栽用碎土道，而較大的土塊及秸稈從滾筒的排雜口排出。

1.3.2 移栽作物幼苗

當(dāng)?shù)趸@運動到主軸上方位置時，由人工將作物幼苗放入吊籃中，隨著吊籃的運動，吊籃在碎土道上破膜成穴并打開，將作物幼苗投落，在此過程中毛刷將膜面碎土道上的土通過吊籃的入土孔撥入吊籃內(nèi)部，最后鎮(zhèn)壓輪鎮(zhèn)壓秧苗兩側(cè)膜面，壓實作物根部土壤。

2ZML－2膜上移栽機以移栽單組為相對獨立單元，各移栽單組浮動安裝在機架上，便于實現(xiàn)單體仿形。生產(chǎn)實踐表明，這種方式能適應(yīng)不同地區(qū)地質(zhì)條的土地。

2 2ZML－2膜上移栽機關(guān)鍵部件參數(shù)設(shè)計

2.1 移栽單組結(jié)構(gòu)和工作原理

移栽單組是移栽機的核心部件，其性能的好壞直接決定移栽機的工作性能。2ZML－2膜上移栽機是在現(xiàn)有的吊籃式移栽機構(gòu)的結(jié)構(gòu)原理基礎(chǔ)上進行改進和設(shè)計的[4，5]。其主要結(jié)構(gòu)見圖2(圖中安裝在機架上的牽引架與移栽單組鉸接，以表達壓簧機構(gòu)的結(jié)構(gòu))。

圖2 吊籃式移栽單組

工作過程:吊籃在繞著移栽單組主軸轉(zhuǎn)動的過程中破膜成穴，當(dāng)?shù)趸@入土達到最深位置時，吊籃打開，將作物幼苗投入形成的苗穴中，然后鎮(zhèn)壓輪擠壓膜面，壓實作物幼苗根部土壤，完成移栽過程。在此過程中滑板通過鎮(zhèn)壓輪的支撐浮動在地膜上方，但始終不與地膜接觸，避免滑板刮扯地膜，固定在兩側(cè)滑板上的毛刷將碎土道上的碎土撥入處于破膜入土狀態(tài)的吊籃的入土孔中，使吊籃中有一定量的碎土，當(dāng)?shù)趸@打開并完全投落作物幼苗時，保證了作物幼苗根部的覆土量，并起到了扶持幼苗避免其傾斜。

毛刷在滑板上的位置與吊籃送苗入穴的相對位置有關(guān)，從吊籃接觸地膜到入土最深的這段運動過程，在左右滑板上設(shè)置對稱的毛刷，使其不斷的向吊籃壁側(cè)面上的入土孔覆土。而在吊籃入土最深時刻到離開膜面的這段運動過程，考慮到吊籃可能會將膜面向上揭起，如在此過程毛刷向吊籃的入土孔覆土，可能會將地膜刮破，故不宜在此運動過程設(shè)置毛刷。因為吊籃相對于滑板的運動距離較短，固在滑板上設(shè)置兩處對稱的毛刷，如圖2中所示。

2.2 覆土圓盤的設(shè)計

覆土圓盤是給覆土滾筒供土的主要工作部件，其調(diào)節(jié)效果是影響覆土質(zhì)量的重要因素。如圖3所示，覆土圓盤外輪廓面設(shè)計成球面狀，外徑D=30 cm。通過調(diào)節(jié)覆土圓盤與前進方向夾角β、外傾角γ以及與覆土滾筒外端面相對位置，可以得到不同的起土、供土效果[6，7]。

圖3 覆土圓盤

大量的試驗表明，當(dāng)滿足條件:相對兩覆土圓盤刃口間距為膜寬減去10 cm，覆土圓盤與前進方向夾角β為10°～20°，外傾角γ為10°～20°，置于覆土圓盤斷面1/3處，入土深度為5～7 cm，覆土圓盤具有較合適的供土量，導(dǎo)土板能順利推土，覆土滾筒覆土均勻，寬度、厚度適中。

2.3 覆土滾筒的設(shè)計

覆土滾筒導(dǎo)土板的主要作用是通過自身螺旋狀結(jié)構(gòu)，將覆土圓片推入的土壤向漏土縫隙輸送。因此，導(dǎo)土板螺旋角的選擇應(yīng)滿足一定條件。現(xiàn)對導(dǎo)土板上土壤受力情況進行分析。

如圖4所示，導(dǎo)土板上某點的土壤處于臨界滑動狀況的時候主要受以下幾個力作用:沿該點螺旋面切線方向上土壤與導(dǎo)土板間摩擦力F1，導(dǎo)土板對土壤的支撐作用力N，土壤自身重力及其它作用力的合理F，方向沿圓周切向，與螺旋切線夾角為θ。

N=F·sinθ

F1=N·sinφ

式中φ—導(dǎo)土板表面與土壤的摩擦角。

圖4 導(dǎo)土板上土壤受力分析

分析可知，土壤沿導(dǎo)土板螺旋面滑動條件為

覆土滾筒軸向輸送土壤的能力是評價其工作性能的一項重要指標(biāo)。假設(shè)土壤沿軸向運動的函數(shù)變量為Z，則土壤運動微分方程

唐玉煙笑了笑，道：“有時候，人不逼自己一把，是不會知道自己有多大潛力的?！庇值溃拔覀冊诠砉戎胁枷玛嚪?，躲過了唐門的搜查，并與谷中的野獸毒蟲為伍，最初是很艱難，但后來也便適應(yīng)了。而唐烈那邊，則反咬一口，對門下弟子謊稱唐琮欲篡奪門主之位，幸被其察覺，重傷了唐琮。正所謂成王敗寇，門下弟子雖有明白人對此表示懷疑，卻也無人膽敢說一個‘不’字。

式中m—土壤質(zhì)量

式(4)表明，滾筒直徑與滾動速度一定時，軸向輸送土壤量是螺旋角的函數(shù)。

本研究采用滾筒直徑35 cm，圓周均布導(dǎo)土板數(shù)量為4，導(dǎo)土板螺旋角30°～40°，滾筒漏土間隙為20 cm，漏土桿的間隙為15 mm，即直徑小于15 mm的土塊可以從漏土桿間落下。

工作中覆土滾筒表面與地膜接觸產(chǎn)生相對運動，可能會拉扯破壞地膜。要減少覆土滾筒與地膜間產(chǎn)生相對運動的幾率，就要保證覆土滾筒隨機具前進過程中轉(zhuǎn)動的靈活。2ZML－6膜上移栽機覆土滾筒連接方式采用兩端設(shè)計了驅(qū)動爪，使覆土滾筒具有良好的抓地能力，如圖5。

圖5 覆土滾筒

覆土滾筒的質(zhì)量主要由驅(qū)動爪和鋪膜的地面承載。驅(qū)動爪設(shè)計長度為4 cm，以減少滾筒對地膜表面的壓力，進而減少摩擦，降低滾筒對地膜的破壞率。

新疆地區(qū)土質(zhì)差異性較大，有的田間土壤含有大土塊、石塊、殘膜、莖稈等雜質(zhì)，工作過程中會被覆土圓盤隨土壤一起送入覆土滾筒。如果體積大于漏土桿縫隙，將被留在覆土滾筒內(nèi)部。積累較多，影響覆土質(zhì)量，損壞導(dǎo)土板，甚至堵塞滾筒，使其無法正常工作。2ZML－2膜上移栽機覆土滾筒在中間部位設(shè)計有排雜口，能及時將這些雜質(zhì)排出，以保證持續(xù)穩(wěn)定工作。

2.4 壓簧機構(gòu)的設(shè)計

壓簧機構(gòu)的作用是根據(jù)地面土壤的堅實程度，來調(diào)整鎮(zhèn)壓輪對膜面的鎮(zhèn)壓力。其性能的好壞直接影響覆土質(zhì)量。

壓簧機構(gòu)主要有增壓彈簧和減壓彈簧構(gòu)成，如圖2中所示。增壓彈簧的作用是通過調(diào)整彈簧的松緊程度，增加鎮(zhèn)壓輪對膜面的壓力，使其較好的完成壓實土壤的功能，增壓彈簧主要應(yīng)用于土壤較為堅實的土地;減壓彈簧的作用是減小鎮(zhèn)壓輪對膜面的壓力，主要應(yīng)用于土壤較為疏松的土地，以避免鎮(zhèn)壓輪擠壓膜面使其變形嚴(yán)重而破損。工作時，根據(jù)土壤的松軟程度，調(diào)整增壓彈簧或減壓彈簧的松緊程度，使鎮(zhèn)壓輪在滿足壓實土壤的情況下，不損壞地膜。

2.5 吊籃的設(shè)計

為了確保移栽作物幼苗時，其根部覆土量充足，在吊籃的側(cè)壁面上開設(shè)入土孔，以便膜面上移栽用碎土道的土可以進入吊籃內(nèi)部?？紤]到吊籃在成穴移栽時受力復(fù)雜，磨損較為嚴(yán)重，為了保證吊籃的強度，在吊籃與滑板上毛刷接觸的側(cè)壁面上開設(shè)入土孔，如圖6。在吊籃入土孔內(nèi)側(cè)壁上方固定著向內(nèi)下方傾斜的擋片，當(dāng)從吊籃正上方俯視時，擋片剛好遮擋住吊籃半體的入土孔，這樣既可以保證膜面上碎土道的土可以通過人土孔進入吊籃內(nèi)部，又防止在向吊籃投苗時，幼苗根部插入入土孔中而造成移栽失敗。

2.6 鎮(zhèn)壓輪機構(gòu)的設(shè)計

鎮(zhèn)壓輪的結(jié)構(gòu)如圖2所示，兩個鎮(zhèn)壓輪下端向內(nèi)傾斜，可以通過改變鎮(zhèn)壓輪的高度，來調(diào)整吊籃入土的深度，也可以通過改變定位套在橫臂中的位置來調(diào)整兩個鎮(zhèn)壓輪之間的間距，以便達到最佳的鎮(zhèn)壓效果。為了避免鎮(zhèn)壓輪擠壓地膜使其破損，在鎮(zhèn)壓輪輪轂外圈安裝有空氣輪胎。

圖6 吊籃

3 田間試驗

2010年8 月，在新疆兵團農(nóng)八師145團場進行了樣機試驗[10，11]，按照旱地栽植機械標(biāo)準(zhǔn)進行檢測[12]。試驗用苗為缽體番茄苗，缽苗平均高度20 cm，缽體高度4 cm。試驗用地為砂土壤，地面較為平坦，試驗前一天用聯(lián)合整地機整地并鋪設(shè)地膜，地表虛土平均厚度10 cm，大塊顆粒土塊較少，有一定數(shù)量殘膜和作物根茬。為了保證試驗的準(zhǔn)確，每次測量的距離為樣機連續(xù)作業(yè)50 m，測區(qū)不重復(fù)，共測量5次，理論株距30 cm，試驗選取缽體番茄苗直立狀況(漏栽數(shù)、斜栽數(shù)、傷秧數(shù)和倒伏數(shù))為評定指標(biāo)。試驗結(jié)果見表2，移栽合格率為95.2%。

表2 田間試驗結(jié)果

試驗表明，2ZML－2膜上移栽機栽植率大于95%，漏栽率小于2%，栽植深度均勻，覆土厚度穩(wěn)定，滿足了番茄膜上移栽的要求

4 結(jié)論

4.1 采用先進膜上覆土形成移栽用碎土道，然后進行膜上成穴移栽的作業(yè)方法，適合于新疆地區(qū)作物鋪膜移栽種植的農(nóng)藝要求。

4.2 使用直徑為30 cm的覆土圓盤，覆土滾筒漏土桿間隙為15 mm時，可以在膜面上形成厚度均勻的碎土道。

4.3 采用在移栽單組的滑板上設(shè)置毛刷和吊籃特殊的內(nèi)進土結(jié)構(gòu)，可保證作物幼苗的覆土量，并起到扶持幼苗的作用。

4.4 田間試驗表明，移栽株距受地表土壤質(zhì)地松軟程度影響較為明顯，移栽合格率與作物缽苗的生長狀況有關(guān)。該機栽植深度均勻，達到移栽要求，覆土厚度穩(wěn)定，無刮破地膜現(xiàn)象，可以適應(yīng)新疆作物種植窄行距的要求。

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