V型深溝甘蔗中耕施肥起壟培土機的研究設計

呂美巧，劉麗敏，吳玉

（1.金華職業(yè)技術學院，浙江 金華 321017；2.浙江經(jīng)濟職業(yè)技術學院，杭州 310018）

甘蔗的種植在浙江中部地區(qū)已有350年的歷史[1],特別是近幾年對地方農(nóng)業(yè)特色產(chǎn)品保護力度的加強，源自甘蔗的“義烏紅糖”已成為浙中地區(qū)糖業(yè)生產(chǎn)的一張響亮的名片。2016年浙江省金華市甘蔗種植面積為2 287 hm2，產(chǎn)量為172 555 t，產(chǎn)值43 732萬元（參見《2017年金華統(tǒng)計年鑒》）。浙江中部地區(qū)為金衢盆地，地塊以“小”“散”“零星”分布為特點，目前，該地區(qū)甘蔗種植以人畜為主，嚴重制約了甘蔗種植的進一步發(fā)展。甘蔗是高稈作物，產(chǎn)量高，需肥量大，易倒伏。甘蔗生產(chǎn)中普遍采用的農(nóng)藝措施是種植時施基肥，在中耕環(huán)節(jié)完成蔗苗追肥、小培土、大培土和除草等作業(yè)[2]。甘蔗中耕培土質(zhì)量的好壞對后期有效莖數(shù)、莖徑大小、宿根發(fā)株數(shù)和抗倒伏特性等都有直接影響[3]。目前，按照開溝培土工作部件劃分，甘蔗中耕施肥起壟培土機主要有犁鏟式、螺旋式和圓盤式等結構[4]。這3種開溝培土工作部件，各有其優(yōu)缺點：犁鏟式具有結構簡單、質(zhì)量輕，但培土和碎土能力較差，能耗較大的特點；螺旋式的除草、碎土性能好，但土壤拋灑流向不易控制，壟成型差、能耗大；圓盤式的入土、翻土、碎土和切草能力都較好，壟成型也好[4]。還可以根據(jù)中耕管理機具配套動力的大小來劃分：大型農(nóng)場中與大中型拖拉機配套的懸掛式中耕施肥培土機，如廣西3ZSP-2型中型多功能甘蔗施肥培土機、華南農(nóng)業(yè)大學的圓盤式甘蔗中耕施肥培土機；丘陵、坡耕地及小地塊使用的與微耕機或手扶拖拉機配套的中耕施肥培土機[5]，如廣西久菱牌3ZP-0.8型甘蔗中耕培土機。目前，市場上的這幾款中耕施肥培土機所形成的溝型都是矩形斷面溝型，抗倒伏能力差。在丘陵、小地塊使用的中耕施肥培土機，由于受動力限制，使用犁鏟式開溝培土阻力較大，只能開出平均深度為10 cm的溝[6]，不適應浙中地區(qū)甘蔗的中耕培土農(nóng)藝要求。

本文介紹的V型深溝甘蔗中耕施肥起壟培土機，主要針對浙中地區(qū)丘陵小地塊的甘蔗種植中耕施肥起壟培土作業(yè)，通過形成V型深溝面，提高甘蔗的抗倒伏性，解決浙中地區(qū)甘蔗種植中耕施肥培土時無法實現(xiàn)機械化的問題。

1 浙中甘蔗種植中耕農(nóng)藝要求

1.1 浙中甘蔗種植農(nóng)藝要求

浙中地區(qū)廣泛種植（約占95%以上）的甘蔗品種是20世紀70年代引進的鮮食、糖榨兩用型遲熟大莖奧糖54/474[1]。采用“一年一熟”制，不留宿根，來年重新布種的種植模式。浙江中部地區(qū)屬于亞熱帶氣候，2月中下旬氣溫還較低，不利于甘蔗種子的發(fā)芽和生長，所以運用切段式覆地膜技術進行大壟雙行種植；在進行保溫成長后，一般到5月底6月初，甘蔗苗至30 cm高度左右，需進行除草、施肥、起壟培土和抗臺風作業(yè)；再經(jīng)過5個月左右的生長，一般在12月初至來年1月初進行收獲[7]。

為了提高土地的使用率，浙中地區(qū)甘蔗種植以窄行密植為特點，壟寬1 m左右，行距為0.8 m，根莖幼苗覆膜保溫，其種植示意如圖1所示。氣溫回暖后，進行揭地膜、除草、松土、施肥、起壟培土中耕管理作業(yè)[7]。在中耕管理作業(yè)過程中，肥料需與根部保持5～10 cm的距離[7]，否則易發(fā)生燒苗、傷苗等用肥災害。

圖1 中耕培土前甘蔗種植示意圖Fig.1 Schematic diagram of the sugarcane cultivation hilling

甘蔗于5月底6月初后進入生長旺季，其植株高可達2 m左右，而此時正值浙中地區(qū)臺風期（9—10月份），甘蔗極易受大風、暴雨侵害而發(fā)生倒伏，甚至折斷，造成減產(chǎn)，使得紅糖品質(zhì)下降。經(jīng)過300多年的生產(chǎn)實踐，浙中農(nóng)民在甘蔗中耕管理中總結經(jīng)驗，改進種植農(nóng)藝，在中耕起壟時會起V型深溝高壟，并用鐵鍬對V型壟面進行拍打壓實覆土作業(yè)。一是有利于甘蔗須根的生長，提高甘蔗的穩(wěn)定性，提高植株的抗倒伏性，二是有利于在大風暴雨期間壟溝的排水及干旱時期的灌溉。

1.2 甘蔗中耕農(nóng)藝要求

甘蔗中耕起壟培土農(nóng)藝要求一般為：溝深30～40 cm，溝底寬10～20 cm，溝面寬30～40 cm，壟寬40～50 cm，行距在80 cm左右[8]，其示意如圖2所示。

圖2 起壟培土后甘蔗種植示意圖Fig.2 Schematic diagram of sugarcane planting after ridging

2 培土機工作原理與關鍵部件設計

2.1 培土機工作原理

培土機采用安徽春風農(nóng)林機械制造有限公司生產(chǎn)的型號為1WG-4B的新牛微耕機底盤作為動力基礎機，該款微耕機只能完成旋耕作業(yè)。本文介紹的中耕施肥起壟培土機，采用其機架及動力變速傳輸部分，對工作部件進行全新設計，增加施肥、起壟、培土及模仿人工拍土的拍打機構。培土機主要由發(fā)動機、機架、變速箱、施肥機構、除草輪、起壟開溝刀、清土鏟、拍打機構和操作扶手等組成，配套動力一般為8.09 kW左右。動力機與變速箱通過皮帶輪傳動，在變速箱中通過齒輪變速可實現(xiàn)機具的前進快慢變速。除草旋耕輪是導向輪，發(fā)動機產(chǎn)生動力后，通過鏈輪和皮帶輪，把動力一分為三：一路通過鏈傳動帶動施肥機構施肥；一路通過帶傳動進入變速箱，變速箱通過變速后分別驅(qū)動除草旋耕軸和起壟開溝軸運動；一路通過帶傳動及齒輪傳動帶動拍打機構運動。該培土機的結構如圖3所示。

圖3 管理機結構示意圖Fig.3 Schematic diagram of the structure of the management machine

2.2 關鍵部件的設計

2.2.1 施肥機構的設計

施肥機構主要由肥料箱、施肥槽輪、離合器、施肥管、施肥嘴、傳動鏈輪等組成[8-10]。動力通過鏈傳動減速后輸入，鏈輪軸與離合器、槽輪同軸，帶動施肥槽輪旋轉，使肥料箱里的顆粒肥料掉入施肥槽輪的空腔，繼而進入落肥管及施肥嘴，條播至甘蔗根部5～10 cm處。施肥量的多少通過施肥槽輪空腔容積的大小來調(diào)節(jié)。施肥槽容積大小的調(diào)整通過槽輪軸的左右滑動帶動軸上槽輪軸線移動，從而改變槽輪空箱與肥料箱之間的接觸面的大小來實現(xiàn)，整根槽輪軸，一半被加工成弧形凹槽，一半是實心塑料棒，通過移動槽輪軸來實現(xiàn)調(diào)整弧形凹槽與肥料箱的接觸面積，從而控制施肥量的多少。槽輪軸及對槽輪軸的移動控制是整套施肥機構的關鍵。施肥機構如圖4所示。

圖4 施肥機構示意圖Fig.4 Schematicdiagramof thefertilizeringgenevamechanism

2.2.2 V型深溝起壟開溝刀的設計

目前，較常見的開溝起壟以開矩形深溝為主，而V型溝一般為擠壓淺溝，無法滿足甘蔗抗倒伏性的農(nóng)藝要求，故本文研究設計了圓盤式V型深溝起壟開溝刀。V型深溝起壟開溝刀主要由刀軸、拋土刀、圓盤、十字萬向節(jié)等組成，拆除行走膠輪后，V型深溝起壟開溝刀通過六角軸直插式連接在行走輪軸上，聯(lián)接法蘭盤與傳動箱外殼相聯(lián)接。開V型深溝，拋土刀主要是把泥土向壟上拋出，動力通過行走輪軸輸入，并經(jīng)十字萬向節(jié)的傳動，帶動圓盤刀座旋轉（如圖5所示），開出的V型溝渠，為下一步的拍打壓實壟面做準備。偏置斜轉刀盤能有效提高拋土刀的線速度及翻土、碎土、拋土的能力，在徑向上增加了開溝深度。由于拋土刀在使用過程中屬于易損件，故采用螺栓連接，提高機具的互換性。萬向節(jié)傳動結構能實現(xiàn)拋土開溝刀的偏置旋轉，進而開出V型溝槽。一次成型開出V型溝槽的機具在市場上還不多見。目前，市場上開溝培土的機具以開矩形溝為主，再通過壟形模板擠壓出V型溝槽，易造成壅土現(xiàn)象。

圖5 斜轉刀盤裝置Fig.5 Slanting cutter disc device

2.2.3 拍打壓實機構設計

拍打壓實機構主要由機架、偏心輪、拍打板、傳動桿、運動三角、連桿組成[8]，如圖6所示。采用偏心輪和傳動三角塊相配合，帶動連桿擺動，進而帶動拍打板進行往復拍打，模仿人工鐵鍬拍打壟面壓實動作[8]，完成對壟面泥土拍實操作，便于起壟后的甘蔗須根的生長，提高作物防風抗倒伏的能力。

3 田間試驗與結果

該培土機主要適合于浙江省臺風多發(fā)生的丘陵地帶高稈壟作作物中耕管理作業(yè)，其主要參數(shù)如表1。一次可完成多項工作，從而提高工作效率，降低生產(chǎn)、人工成本，改變目前人畜高強度勞作現(xiàn)狀。

在項目實施過程中，對樣機進行了5次性能測試，主要試驗數(shù)據(jù)如表2所示。在試驗過程中，其開溝平均深度為230 mm，培土厚度可達70 mm，加上拋土培土后，整個溝面的深度能達到300 mm，開溝深度穩(wěn)定系數(shù)可達85%，碎土率可達95%，作業(yè)寬度能形成下窄上寬的V型溝面，上部平均寬度可以達到400 mm左右；排肥器對顆粒肥具有較好的排肥效果，未見甘蔗苗有明顯的燒苗和傷苗現(xiàn)象，達到了設計要求。樣機作業(yè)效果如圖7所示。

圖6 拍打壓實機構示意圖Fig.6 Schematic diagram of tapping and compaction mechanism

表1 管理機主要參數(shù)Table 1 Main parameters of the management machine

4 討論與結論

本研究設計的V型深溝甘蔗中耕施肥起壟培土機功能齊全，一次成型，機具小巧，適用于浙江中部地區(qū)甘蔗種植的中耕施肥開溝培土作業(yè)。在試驗過程中，培土厚度均勻，覆肥效果好，能有效防止肥料揮發(fā)，施肥未出現(xiàn)斷流現(xiàn)象，拍打泥土能形成良好光滑溝面，樣機已基本實現(xiàn)設計要求，效率較高，符合農(nóng)藝要求。

表2 壟作作物田間管理機試驗數(shù)據(jù)記錄Table 2 Test data record of field management machine for ridge crop

圖7 樣機試驗效果圖Fig.7 Test effect diagram of prototype