振動(dòng)鏈?zhǔn)侥臼硗诰蚴斋@機(jī)的改進(jìn)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

鄧干然，黃應(yīng)強(qiáng)，鄭 爽，李國(guó)杰，崔振德，李 玲，郁昌的

（1.中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所，湛江 524091；2.湛江市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，湛江 524000；3.國(guó)投廣東生物能源有限公司，湛江 524018；4.農(nóng)業(yè)部熱帶作物農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湛江 524091）

0 引言

振動(dòng)鏈?zhǔn)酵诰蚴斋@技術(shù)是我國(guó)常用的薯類收獲技術(shù)，應(yīng)用對(duì)象包括馬鈴薯、甘薯和木薯等。針對(duì)不同的薯類作物收獲作業(yè)特點(diǎn)（結(jié)薯形狀、埋土深度、薯塊空間分布、薯塊機(jī)械物理特性、藤蔓特性、株行距等），其相應(yīng)收獲機(jī)有不同的參數(shù)。振動(dòng)鏈?zhǔn)侥臼硗诰蚴斋@機(jī)主要由挖掘鏟、振動(dòng)輸送鏈、行走輪（限深輪）、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等組成，通過(guò)3點(diǎn)懸掛，由輪式拖拉機(jī)驅(qū)動(dòng)[1]。

2016—2017木薯收獲季，中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所在相關(guān)項(xiàng)目的支持下，開(kāi)展了振動(dòng)鏈?zhǔn)侥臼硗诰蚴斋@機(jī)的性能試驗(yàn)。2017年，項(xiàng)目組針對(duì)試驗(yàn)存在的問(wèn)題進(jìn)行了農(nóng)藝調(diào)整、機(jī)具技術(shù)改進(jìn)設(shè)計(jì)，在2017—2018木薯收獲季，開(kāi)展了新的試驗(yàn)。

1 適應(yīng)機(jī)械化的木薯種植農(nóng)藝模式調(diào)整

傳統(tǒng)木薯種植模式一般為70～90 cm的等行距平種或起小壟種植，木薯種植機(jī)與中耕機(jī)、收獲機(jī)主要是通過(guò)拖拉機(jī)牽引，木薯種植行距與拖拉機(jī)的輪距多數(shù)不吻合，經(jīng)種植機(jī)種植后生長(zhǎng)的木薯不利于機(jī)械化中耕或收獲，致使機(jī)器作業(yè)困難，效率降低[2]。

這種模式對(duì)木薯機(jī)械化作業(yè)的不利影響主要有三方面：一是木薯挖掘收獲時(shí)拖拉機(jī)壓行傷薯。木薯挖掘收獲機(jī)每次收獲1行，使用66.2 kW（90馬力）拖拉機(jī)為動(dòng)力，由于存在著“壓行”，拖拉機(jī)作業(yè)時(shí)輪胎行駛在木薯行上，會(huì)壓實(shí)未收獲的木薯行。如果待收獲的木薯塊根離表土較淺，或收獲時(shí)泥土較松軟，被壓到木薯行的塊根就會(huì)斷薯或傷薯，使收獲時(shí)的斷薯率或傷薯率明顯增加。二是由于存在“壓行”問(wèn)題，在木薯中耕、施肥、除草等環(huán)節(jié)難以使用機(jī)械化作業(yè)。三是木薯平種或起小壟種植模式，在木薯塊根挖掘收獲時(shí)挖掘土量大，造成拖拉機(jī)和收獲機(jī)具負(fù)荷重、能耗高，機(jī)具極易損壞，往往收獲幾公頃即需要大修。

針對(duì)上述問(wèn)題，制定了“木薯寬窄雙行起壟種植”模式。這一模式充分考慮全程適宜機(jī)械化和收獲節(jié)能，即要求木薯耕種管收全程使用66.24 kW輪式拖拉機(jī)作業(yè)，根據(jù)該型拖拉機(jī)的輪距參數(shù)，確定木薯種植農(nóng)藝參數(shù)，如圖1所示。

圖1 寬窄雙行起壟種植模式示意

木薯寬窄雙行起壟種植模式主要技術(shù)特點(diǎn)說(shuō)明如下：

1）壟形要求：梯形壟，壟面寬度110 cm，壟底寬度120 cm，壟溝寬50 cm，保證拖拉機(jī)順利跨行通過(guò)不壓行（該型拖拉機(jī)內(nèi)輪距約118 cm、輪胎寬約45 cm），壟形高度為30 cm，保證木薯生長(zhǎng)期間雨季排水（木薯忌澇），且在雨水沖刷后仍能保持一定的壟形高度。維持壟形高度的目的是在木薯塊根收獲時(shí)減少挖掘作業(yè)土方量、減輕拖拉機(jī)負(fù)荷和收獲機(jī)的過(guò)土負(fù)重，同時(shí)較高壟形排水順暢，使土壤保持松軟，有利于挖掘。木薯種植前使用自行研制的專用旋耕起壟機(jī)以拖拉機(jī)為動(dòng)力進(jìn)行整地、起壟，起壟后盡量在24 h內(nèi)種植，以減少土壤水份蒸發(fā)，有利于早出苗。對(duì)于不同性質(zhì)的土壤或不同含水量的土壤，起壟機(jī)起壟效果會(huì)有差異，但不影響種植與后續(xù)整體機(jī)械化實(shí)施。

2）種植密度：每壟要求種植2行，壟內(nèi)行距70 cm，鄰壟行距100 cm，株距70 cm，構(gòu)成典型的寬窄雙行種植模式。按此計(jì)算每公頃種植木薯株數(shù)約16 000株，較傳統(tǒng)種植90 cm（行）×70 cm（株），實(shí)際木薯株數(shù)相差不大。木薯種植時(shí)使用自行研制的壟作式木薯種植機(jī)，在預(yù)先起壟的地上種植。該機(jī)為實(shí)時(shí)切種式，需1名機(jī)手和2名送種手共同操作，切種長(zhǎng)度17 cm，一次作業(yè)可完成開(kāi)溝、下肥、切種、下種、覆土、壓實(shí)等工序，以拖拉機(jī)為動(dòng)力，種植作業(yè)效率約0.3～0.4 hm2/h。

為驗(yàn)證木薯寬窄雙行起壟種植模式的效果，2017年春季，項(xiàng)目組在遂溪、雷州、電白、吳川等地進(jìn)行了種植試驗(yàn)，完成試驗(yàn)作業(yè)面積近400 hm2。根據(jù)后期觀測(cè)，木薯出苗情況正常、苗期生長(zhǎng)良好，在后續(xù)的中耕除草、培土施肥等管理環(huán)節(jié)均以66.24 kW拖拉機(jī)為動(dòng)力，使用按此模式自行開(kāi)發(fā)配套的木薯中耕除草機(jī)和培土機(jī)進(jìn)行作業(yè)，機(jī)械化作業(yè)效果良好。

2 振動(dòng)鏈?zhǔn)侥臼硗诰蚴斋@機(jī)的改進(jìn)設(shè)計(jì)

2016—2017木薯收獲季，項(xiàng)目組對(duì)原設(shè)計(jì)的振動(dòng)鏈?zhǔn)侥臼硗诰蚴斋@機(jī)進(jìn)行性能試驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)機(jī)具存在較多的不足和缺陷，主要問(wèn)題包括：①挖掘阻力大，單行收獲挖掘幅寬為90 cm，以66.24 kW拖拉機(jī)為動(dòng)力仍然非常吃力；②雜草堵塞，在雜草較多的地塊，雜草纏繞在輸送鏈或傳動(dòng)軸上，造成雍土，進(jìn)一步增大阻力影響收獲效果，增加能耗，須頻繁停機(jī)清理；③新地種植木薯收獲作業(yè)時(shí)遇到未清理完全的石頭或樹樁，機(jī)具負(fù)重過(guò)大造成損壞；④振動(dòng)輸送機(jī)構(gòu)可靠性不夠，在作業(yè)幾公頃后，會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)輸送鏈易斷裂，輸送失效無(wú)法送土；振動(dòng)輸送鋼條快速磨損、折斷，引起卡機(jī)；振動(dòng)輸送鏈驅(qū)動(dòng)輪磨損嚴(yán)重或斷裂，不能正常驅(qū)動(dòng)等問(wèn)題。這些問(wèn)題使振動(dòng)鏈?zhǔn)侥臼硗诰蚴斋@機(jī)使用成本過(guò)高、工作效率不能保證。

為適應(yīng)木薯寬窄雙行起壟種植模式收獲的需要，提升振動(dòng)鏈?zhǔn)侥臼硗诰蚴斋@機(jī)的設(shè)備性能，滿足實(shí)際生產(chǎn)的要求，項(xiàng)目組進(jìn)行了針對(duì)性的改進(jìn)設(shè)計(jì)，改進(jìn)后的振動(dòng)鏈木薯挖掘收獲機(jī)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 改進(jìn)型振動(dòng)鏈?zhǔn)侥臼硗诰蚴斋@機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2.1 作業(yè)幅寬

木薯窄雙行起壟種植模式的壟底寬度為120 cm，為便于與拖拉機(jī)配套，收獲作業(yè)要求一次收獲1壟2行，振動(dòng)鏈?zhǔn)侥臼硗诰蚴斋@機(jī)的作業(yè)幅寬要求不低于120 cm?？紤]到從種植到收獲時(shí)間跨度8個(gè)月以上，壟形受雨水沖刷等原因影響會(huì)有所變化，為減少漏挖，將振動(dòng)鏈?zhǔn)侥臼硗诰蚴斋@機(jī)作業(yè)幅寬改為130 cm。

2.2 挖掘鏟改進(jìn)

原設(shè)計(jì)的振動(dòng)鏈?zhǔn)侥臼硗诰蚴斋@機(jī)采用固定平鏟，即挖掘鏟與機(jī)架為剛性整體，收獲機(jī)在拖拉機(jī)上掛載、挖掘角度調(diào)整好（理論上挖掘鏟切土角為18°～22°時(shí)挖掘最省力）固定后，實(shí)際作業(yè)時(shí)在地形高低起伏變化時(shí)都會(huì)引起挖掘鏟切土角偏離理論最優(yōu)角度而大幅增加阻力、增加拖拉機(jī)負(fù)荷。改進(jìn)后采用組合式振動(dòng)鏟，即挖掘鏟不與機(jī)架為剛性整體，而由減速箱直接驅(qū)動(dòng)一根帶偏心輪的轉(zhuǎn)軸，再由偏心曲柄機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)挖掘鏟在挖掘過(guò)程中作往復(fù)振動(dòng)，形成振動(dòng)切土，顯著減少了挖掘阻力。

2.3 輸送鏈改進(jìn)

原振動(dòng)輸送鏈采用全金屬鏈條，由剛性構(gòu)件組成撓性傳動(dòng)系統(tǒng)，金屬構(gòu)件在沙壤土質(zhì)作業(yè)時(shí)磨損大大加速，導(dǎo)致過(guò)早斷裂失效，需頻繁更換相關(guān)構(gòu)件、增加維修成本。改進(jìn)后，采用高強(qiáng)力輸送皮帶替代全金屬輸送鏈，有效增強(qiáng)輸送帶在沙壤土條件下的耐磨性、延長(zhǎng)使用壽命，并減輕了輸送機(jī)構(gòu)的質(zhì)量。

2.4 輸送鏈驅(qū)動(dòng)輪改進(jìn)

原振動(dòng)輸送鏈的驅(qū)動(dòng)滾輪亦采用金屬輪，與金屬鏈條之間為硬接觸，磨損快，尤其在沙壤土質(zhì)作業(yè)時(shí)磨損更為加速，磨損后金屬滾輪與輸送鏈間咬合性變差，降低了傳動(dòng)效率；磨損到一定程度時(shí)，傳動(dòng)失效，輸送鏈打滑。改進(jìn)后，使用耐磨鑄膠滾輪替代全金屬滾輪，以降低滾輪自身和鏈條的磨損程度。

2.5 輸送鋼條改進(jìn)

輸送鋼條是挖掘收獲機(jī)的承重部件，若干鋼條兩端安裝在輸送鏈上構(gòu)成輸送機(jī)構(gòu)，用來(lái)輸送土壤和薯塊。輸送鋼條原設(shè)計(jì)采用普通碳鋼，彈性差、強(qiáng)度不夠，負(fù)重過(guò)大時(shí)引起鋼條彎曲變形，甚至折斷，影響整個(gè)輸送機(jī)構(gòu)的運(yùn)行。改進(jìn)后，利用同規(guī)格的高強(qiáng)度合金鋼條替代普通鋼條，大幅度增強(qiáng)了鋼條的彈性和輸送機(jī)構(gòu)的承重能力。

2.6 防雜草堵塞改進(jìn)

防堵機(jī)構(gòu)采用一對(duì)圓盤切刀，安裝在機(jī)架前端的兩側(cè)，并與振動(dòng)挖掘鏟平行，除可以切斷雜草防堵塞外，還有一定的切土作用，可減少機(jī)具前進(jìn)阻力。

2.7 過(guò)載保護(hù)裝置改進(jìn)

過(guò)載保護(hù)裝置安裝在輸送機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)滾輪軸上，保護(hù)裝置為摩擦離合器，與鏈輪固定銷接，通過(guò)鏈傳動(dòng)獲得來(lái)自減速箱的動(dòng)力。當(dāng)挖掘機(jī)過(guò)載時(shí)，離合器打滑，從而保護(hù)了挖掘收獲機(jī)。

3 改進(jìn)后振動(dòng)鏈?zhǔn)侥臼硗诰蚴斋@機(jī)的生產(chǎn)試驗(yàn)

為評(píng)價(jià)改進(jìn)后振動(dòng)鏈?zhǔn)侥臼硗诰蚴斋@機(jī)的作業(yè)性能，2017年12月至2018年1月木薯收獲季節(jié)，項(xiàng)目組再次在遂溪縣和電白縣進(jìn)行木薯塊根挖掘收獲試驗(yàn)，共投入2臺(tái)改進(jìn)后的收獲機(jī)組進(jìn)行作業(yè)，累計(jì)試驗(yàn)作業(yè)面積近100 hm2。

3.1 試驗(yàn)動(dòng)力設(shè)備

試驗(yàn)使用東方紅904拖拉機(jī)，作業(yè)速度使用慢1檔，每次作業(yè)1壟（2行），作業(yè)幅寬130 cm。

3.2 試驗(yàn)?zāi)臼砥贩N

收獲品種為“新選048”和“南植199”。

3.3 試驗(yàn)地情況

試驗(yàn)地分沙壤土、磚紅壤土2種，土質(zhì)較貧瘦，總體比較平整，平均坡度小于6°，單塊地面積均在2 hm2以上，比較適合機(jī)械化作業(yè)。

3.4 收獲前木薯稈處理

木薯挖掘作業(yè)前使用東方紅904拖拉機(jī)，利用多輥仿壟形木薯?xiàng)U粉碎還田機(jī)，提前1周預(yù)先進(jìn)行木薯秸稈機(jī)械化粉碎處理。

3.5 主要技術(shù)指標(biāo)情況

由于木薯機(jī)械化收獲目前尚未有相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，參照NY/T 648—2015《馬鈴薯收獲機(jī)質(zhì)量技術(shù)評(píng)價(jià)規(guī)范》中關(guān)于收獲機(jī)性能試驗(yàn)的要求[3]，測(cè)區(qū)長(zhǎng)度定為30 m，兩端穩(wěn)定區(qū)長(zhǎng)度10 m，測(cè)度寬度為作業(yè)幅寬的8倍即10.4 m。試驗(yàn)時(shí)作業(yè)機(jī)組往返行走2個(gè)行程，在每個(gè)行程隨機(jī)選取3個(gè)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)長(zhǎng)度3 m，寬度為收獲機(jī)作業(yè)幅寬即130 cm。測(cè)試的指標(biāo)為明薯率、傷薯率、損失率、純工作小時(shí)生產(chǎn)率等，并與改進(jìn)前指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表1所示，作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)如圖3所示。

表1 振動(dòng)鏈?zhǔn)侥臼硎斋@機(jī)改進(jìn)前后主要技術(shù)指標(biāo)情況

圖3 改進(jìn)型振動(dòng)鏈?zhǔn)侥臼硗诰蚴斋@機(jī)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)

3.6 結(jié)果與討論

試驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)改進(jìn)設(shè)計(jì)后，在寬窄雙行起壟種植模式的條件下，振動(dòng)鏈?zhǔn)侥臼硗诰蚴斋@機(jī)的性能指標(biāo)全面提升，同時(shí)機(jī)具的可靠性大幅提高，改進(jìn)前每作業(yè)3 hm2即出現(xiàn)異常損壞或需要維修更換零件，改進(jìn)后作業(yè)30 hm2也不需要維修，機(jī)具的作業(yè)能力由改進(jìn)前單行挖掘到雙行挖掘，使用的拖拉機(jī)動(dòng)力不變，相當(dāng)于作業(yè)能耗降低50%、生產(chǎn)效率提高100%。因此，種植模式和機(jī)具改進(jìn)總體上是成功的，可以進(jìn)行大范圍推廣應(yīng)用。

4 對(duì)木薯生產(chǎn)機(jī)械化的建議

4.1 大力推行“木薯寬窄雙行起壟種植”模式，促進(jìn)農(nóng)藝標(biāo)準(zhǔn)化

農(nóng)機(jī)和農(nóng)藝是一個(gè)辯證統(tǒng)一體，兩者只有高度結(jié)合才能充分發(fā)揮農(nóng)業(yè)機(jī)械和種植技術(shù)的潛力[4]。對(duì)于木薯產(chǎn)業(yè)而言，木薯種植技術(shù)只有對(duì)應(yīng)于相應(yīng)的機(jī)械化技術(shù)，才能最大化發(fā)揮農(nóng)業(yè)機(jī)械的優(yōu)勢(shì)。實(shí)踐證明，木薯寬窄雙行起壟種植的技術(shù)模式，是木薯農(nóng)業(yè)技術(shù)適應(yīng)機(jī)械化技術(shù)的一次技術(shù)升級(jí)，可確保使用1臺(tái)拖拉機(jī)能承擔(dān)所有農(nóng)藝管理環(huán)節(jié)的作業(yè)，做到機(jī)具好進(jìn)去、好出來(lái)、好作業(yè)、能耗低，并在提升整體木薯生產(chǎn)機(jī)械化水平的同時(shí)，作業(yè)質(zhì)量得到優(yōu)化。推行木薯寬窄雙行起壟種植的技術(shù)模式，促進(jìn)廣東省木薯種植農(nóng)藝的標(biāo)準(zhǔn)化，是加快實(shí)現(xiàn)廣東省木薯生產(chǎn)機(jī)械化的基礎(chǔ)性工作。

4.2 加強(qiáng)農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝結(jié)合的示范培訓(xùn)，促進(jìn)科技成果轉(zhuǎn)化應(yīng)用

木薯生產(chǎn)機(jī)械化田間試驗(yàn)證明，農(nóng)藝是成功的，機(jī)具是可靠、配套的，總體可以進(jìn)入大面積推廣應(yīng)用階段。下一步需要圍繞生產(chǎn)應(yīng)用，在各地區(qū)進(jìn)行農(nóng)機(jī)、農(nóng)藝結(jié)合、跨部門組織示范和技術(shù)培訓(xùn)，以加快技術(shù)推廣，促進(jìn)這項(xiàng)科研技術(shù)體系轉(zhuǎn)化應(yīng)用。

4.3 將木薯生產(chǎn)機(jī)械納入農(nóng)機(jī)補(bǔ)貼目錄，降低農(nóng)機(jī)使用成本

目前廣東省木薯種植經(jīng)營(yíng)模式主要還是農(nóng)戶分散種植，集中規(guī)模種植比例還很低。但是，作為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展方向，現(xiàn)代木薯產(chǎn)業(yè)的建立必須由分散種植向規(guī)?；⒓s化的經(jīng)營(yíng)模式轉(zhuǎn)變，其田間管理也由人工作業(yè)為主向機(jī)械化作業(yè)為主轉(zhuǎn)變?，F(xiàn)代木薯產(chǎn)業(yè)今后能否在廣東省建立和發(fā)展，取決于木薯生產(chǎn)管理能否實(shí)現(xiàn)機(jī)械化。目前通過(guò)自主研制和生產(chǎn)，基本上解決了木薯生產(chǎn)機(jī)械化“有機(jī)可用”的問(wèn)題，要加快推廣，應(yīng)還需要解決“低成本用機(jī)”問(wèn)題，通過(guò)政府購(gòu)機(jī)補(bǔ)貼或作業(yè)補(bǔ)貼，降低木薯經(jīng)營(yíng)者、農(nóng)機(jī)合作社和農(nóng)戶的購(gòu)機(jī)和用機(jī)成本，這是木薯生產(chǎn)機(jī)械化下一步要開(kāi)展的重要工作。