2ZLF-2 甘薯裸苗復(fù)式移栽機(jī)設(shè)計與試驗(yàn)

吳彥強(qiáng)，宮增民，常廣民，朱月浩

（1.271018 山東省 泰安市 山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)械與電子工程學(xué)院；2.252500 山東省 聊城市 山東雙力現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備有限公司；3.250013 山東省 濟(jì)南市 山東省農(nóng)業(yè)機(jī)械技術(shù)推廣站）

0 引言

甘薯，又名甜薯、地瓜、紅薯等，屬旋花科甘薯屬，是一年生或多年生蔓生草本。我國是世界上最大的甘薯生產(chǎn)國，常年種植面積5 000 khm2左右，種植面積和產(chǎn)量均位于世界首位[1-4]。甘薯在我國分布廣泛，按照行政區(qū)劃、栽培面積、氣候條件及種植習(xí)慣等一般劃分為北方春夏薯區(qū)、長江中下游流域夏薯區(qū)和南方薯區(qū)等三大產(chǎn)區(qū)，主要種植省份有四川、重慶、河南、廣東、貴州、廣西、山東和福建等省（市、自治區(qū)）[3]，按照用途分為鮮食型甘薯、淀粉型甘薯、紫薯型甘薯等三大類，目前我國以鮮食型和淀粉型為主[4]。

甘薯種植包括育苗、耕整地、移栽、田間管理、收獲等五大生產(chǎn)環(huán)節(jié)，其中移栽和收獲是當(dāng)前用工量和作業(yè)成本最大的環(huán)節(jié)，迫切需要實(shí)現(xiàn)機(jī)械化[5-6]。甘薯移栽質(zhì)量對后期收獲具有重要影響，因甘薯裸苗機(jī)械分苗困難[7]，現(xiàn)階段國內(nèi)外甘薯移栽以人工手動分苗的半自動移栽為主，如美國瑪馳尼克公司半自動鏈夾式甘薯裸苗栽植機(jī)、意大利Checchi &Magli 公司的FoxDrive 甘薯移栽機(jī)、日本井關(guān)自走帶夾式栽植機(jī)、南通富來威公司2ZL-2 移栽機(jī)、樂陵春益2ZL-1 移栽機(jī)、青州火絨機(jī)械2ZJX-1 移栽機(jī)等。

現(xiàn)有機(jī)具主要有兩個方面問題：一方面，現(xiàn)有移栽機(jī)大多是單一的栽植作業(yè)，工作前需耕整地、起壟機(jī)具進(jìn)地作業(yè)，移栽機(jī)進(jìn)地后造成壟面破壞，移栽質(zhì)量變差；另一方面，甘薯種植要求表土處于濕潤狀態(tài)，有利于提高成活率，現(xiàn)有機(jī)具缺少澆水部件。為解決以上問題，部分學(xué)者開展了研究，胡良龍[8]等研制了2ZGF-2 型甘薯復(fù)式栽植機(jī)，實(shí)現(xiàn)了旋耕、起壟、破壓茬、栽插、修壟等種植作業(yè)一次完成，但沒有澆水部件；劉京蕊[9]等對2CGF-2 型甘薯移栽機(jī)加裝了滴灌帶但無法實(shí)現(xiàn)復(fù)式作業(yè)；其他學(xué)者從栽植或澆水環(huán)節(jié)進(jìn)行了研究[10-13]。為同時解決以上兩個問題，本文研制了一款集精細(xì)化旋耕整地、起壟、移栽及澆水等功能為一體的甘薯裸苗復(fù)式移栽機(jī)，以其為實(shí)現(xiàn)甘薯機(jī)械化種植提供參考。

1 基本結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 基本結(jié)構(gòu)

2ZLF-2 甘薯裸苗復(fù)式移栽機(jī)包括旋耕機(jī)、機(jī)架、切碎盤、液壓驅(qū)動筑壟裝置、壓壟輥、座椅、鏈夾式柔性栽植裝置、智能澆水裝置、覆土器、驅(qū)動輪等。旋耕機(jī)采用市場上通用的剛性好、強(qiáng)度高的精細(xì)化旋耕機(jī)，旋耕后土壤細(xì)碎，便于接下來的筑壟。整機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖如圖1 所示。

圖1 2ZLF-2 甘薯裸苗復(fù)式移栽機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖Fig.1 Type 2ZLF-2 structure diagram of duplex sweet potato transplanter

1.2 工作原理

該機(jī)工作原理為：移栽機(jī)與配套旋耕機(jī)連接，整機(jī)由拖拉機(jī)牽引。工作時，旋耕機(jī)進(jìn)行精細(xì)化整地，隨后液壓筑壟裝置起壟，壓壟輥壓壟保證起壟質(zhì)量，人工將秧苗放置到張開的秧夾上，使用鏈條夾式栽插器，隨秧夾運(yùn)動將秧苗夾持，秧苗到達(dá)苗溝時，鏈夾被打開，秧苗落入苗溝，隨后被鎮(zhèn)壓輪覆土壓實(shí)，同時進(jìn)行智能澆水裝置澆水，完成栽植過程。

1.3 栽植模式選擇

考慮甘薯的全程機(jī)械化作業(yè)及與大馬力拖拉機(jī)進(jìn)行配套作業(yè)，選擇大壟雙行移栽，整機(jī)由雙力804 拖拉機(jī)牽引作業(yè)，方便后期機(jī)械化管理和收獲作業(yè)，并且該類壟型能夠很好地滿足甘薯的株距、行距等農(nóng)藝要求。

1.4 主要技術(shù)指標(biāo)

主要技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 主要技術(shù)指標(biāo)Tab.1 Main technical indexes

2 關(guān)鍵部件設(shè)計

2.1 旋耕機(jī)選型

甘薯高產(chǎn)要求選擇土質(zhì)疏松、耕層深厚、保墑蓄水好、肥力適度的沙壤土。起壟前需要進(jìn)行耕整地，破碎土塊，起壟時可減少阻力，提高壟型的緊實(shí)度。按照整地要求，耕深為25～30 cm，一般秋冬耕翻深度以25 cm 為宜，春耕不能太深，要及早淺耕，隨耕隨耙，保住底墑。鑒于此，選擇大華寶來1GQN 系列旋耕機(jī)進(jìn)行適當(dāng)改制，工作幅寬100～160 cm。

2.2 高穩(wěn)定性機(jī)架設(shè)計

機(jī)架不但與旋耕機(jī)掛接，還須承擔(dān)培土開溝阻力，而且田間地頭機(jī)身升降頻繁，造成起壟機(jī)的機(jī)架長時間承受較大拉力和動態(tài)力。為此，根據(jù)機(jī)器重量及布局設(shè)計高穩(wěn)定性框架結(jié)構(gòu)機(jī)架，增加工作時的穩(wěn)定性和可靠性。機(jī)架結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 機(jī)架結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of frame

2.3 起壟裝置設(shè)計

甘薯起壟可有效改善土壤環(huán)境、合理利用水分與光照，壟體三面受光，晝夜溫差大，有利于有機(jī)物的積累、塊根形成和膨大。甘薯起壟要求為：壟距70～90 cm，壟高25～30 cm，壟面平細(xì)沉實(shí)，壟溝深窄。壟側(cè)坡度角以45°為宜，有利于保肥、保墑和保持壟型的穩(wěn)定性，有利于甘薯生長。本文采用聯(lián)合起壟裝置，如圖3 所示，一次完成拋土、攏土、成型、修壟、除雜、鎮(zhèn)壓等作業(yè)。該裝置主要由壓壟輥、碎土盤、殼體、傳動軸、防護(hù)罩、培土器、液壓馬達(dá)、鏈條防護(hù)罩及刮板組成。

圖3 液壓驅(qū)動筑壟裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of hydraulic driven ridge building device

液壓馬達(dá)動力由拖拉機(jī)自帶的液壓泵提供，液壓油由液壓泵排出后通過移栽機(jī)上分配閥，分配后進(jìn)入液壓馬達(dá)，有了動力的液壓馬達(dá)帶動輸入鏈輪，經(jīng)過聯(lián)軸器帶動3 組筑壟單元組合。分配閥的作用是液壓馬達(dá)工作中不妨礙拖拉機(jī)提升器升降移栽機(jī)。3 組培土器是3 個獨(dú)立上下活動的單體，通過調(diào)整螺桿的高度，分別可以調(diào)整它的入土深度，從而調(diào)整開溝深度，完成拋土和攏土。培土器每組筑壟組件有2 組，每組6 把左右相反的大葉片螺旋曲面刀組成，土壤在快速旋轉(zhuǎn)的刀片沖擊下拋向兩邊，較大的土塊被打碎。通過更換不同的大葉片螺旋曲面刀，還可以得到寬度不同的壟型。這種靜液壓驅(qū)動的覆土筑壟方式既起到開溝覆土的作用，還能達(dá)到整理土壤的效果，同時解決了拖拉機(jī)PTO 只能配套旋耕機(jī)，或只能通過增加二級傳動才能提供給旋刀的問題。培土器刀軸結(jié)構(gòu)采用大葉片螺旋曲面刀，能解決起壟作業(yè)時阻力大、負(fù)荷重、對土壤破碎不均勻的問題。刀片轉(zhuǎn)速至600～800 r/min，可完成拋土、垅土作業(yè)。培土器結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 培土器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic diagram of hiller

2.4 柔性鏈夾式栽植裝置設(shè)計

栽植裝置是移栽機(jī)的核心部件，其作業(yè)性能的好壞將直接決定移栽質(zhì)量。項(xiàng)目采用柔性鏈夾式移栽裝置[14]，該裝置可通過調(diào)整工作部件實(shí)現(xiàn)甘薯苗直栽和斜栽，具有喂苗、送苗穩(wěn)定可靠，栽植后秧苗的直立度較好，株距準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)，而且柔性夾持對裸苗損傷小。柔性鏈夾式移栽裝置如圖5 所示。

圖5 柔性鏈夾式栽植裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Schematic diagram of flexible chain clip planting device

2.5 澆水裝置設(shè)計

栽插時澆水量每穴一般在250 ml，水流在電動泵的吸引力作用下經(jīng)水箱、電動泵、壓力開關(guān)、電磁閥進(jìn)入移栽單元部件上的下水管，落入栽植后的甘薯苗周圍土壤上。壓力開關(guān)的作用是控制水路系統(tǒng)里保持一定的壓力，通過調(diào)節(jié)系統(tǒng)壓力，節(jié)流保壓，保證水流能夠在苗夾觸碰行程開關(guān)開啟電磁閥時順利地精準(zhǔn)供水。澆水裝置連接如圖6 所示。

圖6 澆水裝置示意圖Fig.6 Schematic diagram of watering device

3 試驗(yàn)

根據(jù)《JB/T 10291-2013 旱地栽植機(jī)械》等行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)地點(diǎn)選擇在冠縣賈鎮(zhèn)茉莉營村，試驗(yàn)地地表平整。栽植品種普薯32，苗齡30 d，苗冠3-5 葉，前茬作物為小麥秸稈還田。試驗(yàn)現(xiàn)場情況如圖7 所示。試驗(yàn)結(jié)果見表2，結(jié)果顯示符合相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖7 試驗(yàn)現(xiàn)場Fig.7 Machine test

表2 田間試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Field experimental results

4 結(jié)論

2ZLF-2 甘薯裸苗復(fù)式移栽機(jī)集精細(xì)化旋耕整地、起壟、移栽、澆水及施肥等功能為一體，操作簡單，作業(yè)效率高，而且栽植后秧苗的直立度較好，深度合格，株距準(zhǔn)確。

田間試驗(yàn)結(jié)果表明，該機(jī)栽植頻率為每行每人40 株，漏栽率1.51%，栽植深度合格率93.1%，栽植株距合格率92.4%，均符合國家標(biāo)準(zhǔn)要求。

設(shè)計的靜液壓驅(qū)動旋刀培土筑壟技術(shù)與裝置，可按照不同作物移栽要求，筑培不同壟高；通過靜液壓驅(qū)動下旋刀將過大的土塊打碎，起到整理土壤的作用。通過更換不同造型的旋刀和控制旋刀轉(zhuǎn)速可以獲得不同的壟型。研究的澆水裝置，通過在水路系統(tǒng)設(shè)置壓力控制裝置，使系統(tǒng)在可調(diào)壓力與機(jī)械觸發(fā)裝置結(jié)合下獲得可調(diào)的灌水量、精準(zhǔn)的灌水位置。