綠葉菜耕整作畦機(jī)的研制與試驗(yàn)

周春健，黃嘉俊，成松松，唐寧靜，陳春勝

（上海市農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所，上海市 201106）

0 引言

綠葉菜是上海地區(qū)產(chǎn)量較大的蔬菜品種，目前上海綠葉蔬菜周年播種面積達(dá)5.72萬hm2，2017年綠葉菜產(chǎn)量148.9萬t達(dá)到上海全年蔬菜總產(chǎn)量的47.9%[1]。由于綠葉菜耕種收各個(gè)環(huán)節(jié)機(jī)具匹配性較差，綠葉菜生產(chǎn)全程機(jī)械化率較低，機(jī)具的不配套制約了綠葉菜產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[2-3]。作畦是綠葉菜全程機(jī)械化生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，畦面質(zhì)量的好壞影響后續(xù)的機(jī)械化播種及收獲環(huán)節(jié)[4-5]。上海地區(qū)常用的綠葉菜作畦機(jī)主要有無錫悅田YTLM系列[6]、韓國(guó)璟田作畦機(jī)等，此類機(jī)型采用成型板完成作畦作業(yè)，畦面土質(zhì)較松軟，待綠葉菜成熟收獲時(shí)，畦面高低不平，不利于后續(xù)機(jī)械化采收。為解決綠葉菜種植作畦的問題，國(guó)內(nèi)許多學(xué)者對(duì)作畦機(jī)進(jìn)行了研究。張浪[7]等研制了1LZ-140蔬菜聯(lián)合精整地機(jī)具，可一次完成旋耕、碎土、平整、起壟及鎮(zhèn)壓作業(yè)，特別是碎土輥設(shè)計(jì)，能滿足不同土壤特性的蔬菜整地作業(yè)；管春松[8]等研制的蔬菜作畦機(jī)可一次完成深層土壤旋耕、表層土壤精整、起畦和畦面鎮(zhèn)壓等多項(xiàng)工序，試驗(yàn)結(jié)果表明不同的機(jī)具前進(jìn)速度和動(dòng)力輸出軸轉(zhuǎn)速對(duì)作畦效果影響顯著。針對(duì)上海地區(qū)綠葉菜地土壤情況、種植模式以及綠葉菜生產(chǎn)全程機(jī)械化考核指標(biāo)要求，本文設(shè)計(jì)一種適合上海地區(qū)綠葉菜種植的蔬菜耕整作畦機(jī)，可一次完成取土、旋耕、碎土、作畦、鎮(zhèn)壓作業(yè)，為上海綠葉菜生產(chǎn)全程機(jī)械化提供配套機(jī)具。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

綠葉菜耕整作畦機(jī)整機(jī)主要有取土部件、機(jī)架、傳動(dòng)及旋耕刀軸部件、碎土輥部件、限深輪部件、作畦輥部件組成。整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 作畦機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

1.2 工作原理

綠葉菜耕整作畦機(jī)采用三點(diǎn)懸掛方式與拖拉機(jī)連接，作畦機(jī)作業(yè)由拖拉機(jī)驅(qū)動(dòng)。作畦機(jī)作業(yè)過程中，由取土圓盤將土聚攏，拖拉機(jī)PTO通過萬向節(jié)將動(dòng)力傳至旋耕刀軸和碎土輥完成碎土作業(yè)，最后由作畦輥部件完成畦面成型、鎮(zhèn)壓作業(yè)。根據(jù)綠葉菜種植不同畦面寬度和高度要求，可通過改變?nèi)⊥翀A盤角度和高度、限深輪高度以及作畦輥高度，調(diào)整取土量以滿足不同畦面作業(yè)要求，完成耕整作畦。綠葉菜耕整作畦機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 主要技術(shù)參數(shù)

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 取土部件設(shè)計(jì)

取土部件是綠葉菜耕整作畦機(jī)調(diào)整取土量的關(guān)鍵部件，取土部件主要由取土圓盤、支架以及刮土板組成，取土圓盤直徑410 mm，采用65錳鋼制作。取土部件，如圖2所示。

圖2 取土部件

取土圓盤支架與機(jī)架通過兩個(gè)緊固螺栓連接，作畦機(jī)作業(yè)前通過放松緊固螺栓調(diào)整取土圓盤的位置以滿足作業(yè)取土量的要求。作業(yè)過程中，取土圓盤在拖拉機(jī)前進(jìn)時(shí)自動(dòng)旋轉(zhuǎn)并向中間取土，初步形成畦面和壟溝，刮土板可及時(shí)將粘在取土圓盤上的土壤刮除，保證取土圓盤正常作業(yè)。

2.2 傳動(dòng)、旋耕刀軸及碎土輥設(shè)計(jì)

作畦機(jī)旋耕碎土動(dòng)力由拖拉機(jī)PTO輸出，通過萬向節(jié)、中間齒箱、傳動(dòng)軸、旋耕刀軸鏈條箱，碎土輥鏈條箱將動(dòng)力分別傳至旋耕刀軸及碎土輥，驅(qū)動(dòng)旋耕刀軸和碎土輥碎土作業(yè)，旋耕碎土傳動(dòng)部件如圖3所示。

拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸轉(zhuǎn)速為540 rpm，圖3中Z1、Z2、Z7為錐齒輪，齒數(shù)分別為15、24、24，Z3、Z4、Z5、Z6為鏈輪，齒數(shù)分別為15、22、16、14，經(jīng)計(jì)算旋耕刀軸轉(zhuǎn)速為230 rpm，碎土輥轉(zhuǎn)速295 rpm符合旋耕碎土作業(yè)要求。

圖3 旋耕碎土傳動(dòng)部件

2.2.1 旋耕刀軸設(shè)計(jì)

作畦機(jī)作業(yè)質(zhì)量與旋耕碎土的效果正相關(guān)，切土節(jié)距與旋耕速比是影響旋耕碎土效果的關(guān)鍵因素。根據(jù)旋耕作業(yè)相關(guān)公式計(jì)算機(jī)具旋耕速比[9]。

式中，ω為旋耕刀軸角速度取24 rad/s；

R為旋耕刀回轉(zhuǎn)半徑取0.21 m；

V為機(jī)具前進(jìn)速度取1 m/s；

λ為旋耕速比。

由式1計(jì)算得出λ=5。

綠葉菜地含水量普遍較高且殘茬較多，為保證旋耕碎土性能，選擇切土節(jié)距為90 mm[10]，由切土節(jié)距公式計(jì)算得出單位刀軸圓周上的刀片數(shù)量。

式中，S為切土節(jié)距，取0.09 m；

R為旋耕刀回轉(zhuǎn)半徑，取0.21 m；

λ為旋耕速比，取5；

Z為單位刀軸圓周上的刀片數(shù)量。

由式2計(jì)算得出Z=3。

通過對(duì)旋耕刀軸轉(zhuǎn)速、旋耕速比、切土節(jié)距、單位刀軸圓周上的刀片數(shù)量的設(shè)計(jì)計(jì)算，得出綠葉菜耕整作畦機(jī)旋耕作業(yè)部件設(shè)計(jì)的參數(shù)較合理。

2.2.2 碎土輥設(shè)計(jì)

碎土輥是對(duì)旋耕后的土壤進(jìn)行二次粉碎的主要部件，主要有滾筒和刀齒組成，如圖4所示。刀齒共有7排均布于滾筒圓周上，相鄰兩排刀齒軸向錯(cuò)位，相鄰刀齒間距97 mm。通過碎土輥對(duì)旋耕后的土壤二次碎土后，表層土壤更加細(xì)碎，利于機(jī)具作畦作業(yè)。

圖4 碎土輥

2.3 限深輪部件設(shè)計(jì)

限深輪部件是調(diào)整畦面高度，控制畦面成型土量的關(guān)鍵部件，主要有地輪、地輪支架、橫梁、地輪調(diào)節(jié)臂組成，如圖5所示。作畦機(jī)作業(yè)前，通過調(diào)節(jié)地輪調(diào)節(jié)臂的長(zhǎng)度將限深輪高度調(diào)整至合適位置控制畦面成型土量以滿足畦面土量要求。

圖5 限深輪部件

2.4 作畦輥部件設(shè)計(jì)

作畦輥是作畦機(jī)畦面成型的關(guān)鍵部件，通過將旋耕過的土壤進(jìn)行成型、鎮(zhèn)壓完成作畦作業(yè)。作畦輥部件主要有作畦輪軸、作畦輪側(cè)板、作畦輪支臂、液壓馬達(dá)組成，如圖6所示。

圖6 作畦輥部件

液壓馬達(dá)與作畦輪支臂通過螺栓連接，液壓馬達(dá)動(dòng)力輸出軸與作畦輪軸相連，作畦輪側(cè)板通過螺栓固定于作畦輪外圓。作畦機(jī)作業(yè)過程中可按照綠葉菜種植畦面要求，調(diào)整作畦輪側(cè)板位置，調(diào)整畦面寬度。液壓馬達(dá)動(dòng)力由拖拉機(jī)液壓后輸出提供，管路中裝有流量調(diào)節(jié)閥，通過流量調(diào)節(jié)閥可調(diào)節(jié)液壓油流量控制作畦輪軸轉(zhuǎn)速以滿足畦面作業(yè)要求。

3 機(jī)具田間試驗(yàn)

3.1 機(jī)具試驗(yàn)條件

太倉與上海毗鄰，土壤情況與綠葉菜種植模式和上海相近，課題組選取太倉鹿楊蔬果生產(chǎn)專業(yè)合作社作為試驗(yàn)基地。2020年12月在鹿楊合作社進(jìn)行了綠葉菜耕整作畦機(jī)試驗(yàn)。試驗(yàn)蔬菜田長(zhǎng)120 m，寬60 m，土壤0～5 cm濕度16.5%，試驗(yàn)動(dòng)力為久保田704拖拉機(jī)，拖拉機(jī)慢二檔作業(yè)，作畦機(jī)田間試驗(yàn)如圖7所示。

圖7 田間試驗(yàn)

3.2 試驗(yàn)依據(jù)

根據(jù)GB／T 5668-2017旋耕機(jī)械、JB／T8401.2-2017旋耕聯(lián)合作業(yè)機(jī)械的試驗(yàn)方法，對(duì)畦面高度穩(wěn)定性及合格率、畦面寬度穩(wěn)定性及合格率進(jìn)行測(cè)試。

3.2.1 畦面高度穩(wěn)定性及合格率

作畦完成后，隨機(jī)選取3個(gè)行程，用鐵皮尺測(cè)定畦面高度。測(cè)定時(shí)，沿機(jī)組前進(jìn)方向每隔2 m測(cè)定一點(diǎn)，每個(gè)行程各測(cè)定5點(diǎn)，記錄數(shù)據(jù)，計(jì)算平均值、穩(wěn)定性系數(shù)及合格率。綠葉菜種植畦面農(nóng)藝要求高度15 cm，畦面高度12～18 cm為合格，合格畦面高度數(shù)量占總測(cè)定畦面高度數(shù)量的百分比為合格率。

3.2.2 畦面寬度穩(wěn)定性及合格率

畦面寬度及穩(wěn)定性及合格率測(cè)定方法同畦面高度穩(wěn)定性及合格率測(cè)定方法。綠葉菜種植畦面農(nóng)藝要求寬度120 cm，畦面寬度117～123 cm為合格。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

3.3.1 畦面高度穩(wěn)定性及合格率

作畦試驗(yàn)后，根據(jù)試驗(yàn)方法將試驗(yàn)數(shù)據(jù)記入表2。從表2的數(shù)據(jù)得出作畦機(jī)畦面高度穩(wěn)定性系數(shù)94%，合格率100%，符合GB／T 5668-2017旋耕機(jī)械、JB／T 8401.2-2017旋耕聯(lián)合作業(yè)機(jī)械的標(biāo)準(zhǔn)。

表2 畦面高度

3.3.2 畦面寬度穩(wěn)定性及合格率

作畦試驗(yàn)后，根據(jù)試驗(yàn)方法將試驗(yàn)數(shù)據(jù)記入表3。從表3的數(shù)據(jù)得出作畦機(jī)畦面寬度穩(wěn)定性系數(shù)99%，合格率100%，符合GB／T 5668-2017旋耕機(jī)械、JB／T 8401.2-2017旋耕聯(lián)合作業(yè)機(jī)械的標(biāo)準(zhǔn)。

表3 畦面寬度

4 結(jié)語

根據(jù)綠葉菜種植農(nóng)藝要求，設(shè)計(jì)一種取土、旋耕、碎土、作畦、鎮(zhèn)壓為一體的綠葉菜耕整作畦機(jī)。通過調(diào)節(jié)取土圓盤位置及限深輪高度，使取土量符合畦面成型土量要求，同時(shí)拖拉機(jī)前進(jìn)速度與旋耕刀軸轉(zhuǎn)速匹配，旋耕碎土性能較好，表層土壤通過碎土輥二次粉碎，表層土壤更加細(xì)碎，碎土通過作畦輥?zhàn)鳂I(yè)完成畦面成型，畦面緊實(shí)度適合綠葉菜機(jī)械化播種和收獲作業(yè)。田間試驗(yàn)表明該機(jī)平均畦面高度15.3 cm，平均畦面寬度118.3 cm，畦面高度穩(wěn)定性系數(shù)94%，合格率100%，畦面寬度穩(wěn)定性系數(shù)99%，合格率100%，畦面質(zhì)量符合上海綠葉菜生產(chǎn)全程機(jī)械化要求。機(jī)具作業(yè)過程中，未發(fā)生土壤擁堵、菜茬纏繞旋耕刀軸現(xiàn)象，機(jī)具通過性能良好。