隋修旭，蔣金琳，岳　群,李字增,戰(zhàn)長(zhǎng)齡

(青島農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島　266109)

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甘薯起壟覆膜機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

隋修旭，蔣金琳，岳群,李字增,戰(zhàn)長(zhǎng)齡

(青島農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島266109)

摘要：我國(guó)甘薯栽培方式多為壟作覆膜，該種植方式勞動(dòng)強(qiáng)度大、生產(chǎn)環(huán)節(jié)多、機(jī)械化程度低，嚴(yán)重制約了甘薯的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。為此，設(shè)計(jì)了一種甘薯起壟覆膜機(jī)。該機(jī)為一壟雙行式設(shè)計(jì)，采用旋耕起壟技術(shù)，可顯著提高作業(yè)效率和起壟質(zhì)量；起壟后使用壓實(shí)整形裝置提高土壟緊實(shí)度，并于壟上開出兩條插秧溝；滴灌帶通過定位裝置平鋪于壟上中間位置，無扭曲、折彎現(xiàn)象，方便田間管理，有利于甘薯的生長(zhǎng)；使用定穴輪實(shí)現(xiàn)膜上定穴，方便種植戶插秧；實(shí)現(xiàn)多項(xiàng)作業(yè)過程一次性完成，包括整地、施肥、起壟、壓實(shí)整形、鋪設(shè)滴灌帶、覆膜覆土及膜上定穴。田間試驗(yàn)表明：該機(jī)無論是起壟質(zhì)量、覆膜性能，還是定穴效果，均滿足甘薯種植的農(nóng)藝要求。

關(guān)鍵詞：甘薯；起壟；覆膜；膜上定穴

0引言

甘薯原名番薯，富含蛋白質(zhì)、淀粉、果膠、纖維素、氨基酸、維生素，以及鐵和鈣等礦物質(zhì)元素，具有很高的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值和藥用價(jià)值[1],已被世界衛(wèi)生組織評(píng)定為13種最佳蔬菜的冠軍菜。

甘薯是我國(guó)主要的農(nóng)作物之一，種植面積達(dá)620萬hm2，總產(chǎn)量達(dá)到1.2億t，是世界上最大的甘薯種植國(guó)和產(chǎn)出國(guó)[2]。同時(shí)，甘薯是工業(yè)原料和優(yōu)良的飼料作物，其產(chǎn)值是玉米的兩倍，生產(chǎn)潛力巨大，具有很好的市場(chǎng)發(fā)展前景。

傳統(tǒng)的甘薯種植主要靠人工，與小麥等其它大田作物相比，機(jī)械化作業(yè)水平低，作業(yè)過程費(fèi)時(shí)費(fèi)力，在一定程度上限制了我國(guó)甘薯產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展。其中，起壟與覆膜勞動(dòng)強(qiáng)度最大，大多使用人工或鏵式犁耕翻式起壟，然后人工覆膜，作業(yè)質(zhì)量低，難以滿足甘薯對(duì)生長(zhǎng)環(huán)境的要求[3]。

目前,國(guó)內(nèi)用于甘薯起壟的方法大致包括兩類：一是采用對(duì)翻起壟方式，缺點(diǎn)是壟形不規(guī)范，壟高與壟寬不滿足農(nóng)藝要求，對(duì)鋪膜工序影響較大；二是在旋耕機(jī)后附加起壟設(shè)備，不足之處是生產(chǎn)工序多、拖拉機(jī)功率利用率低、生產(chǎn)效率低，同時(shí)難以實(shí)現(xiàn)一次性完成多項(xiàng)作業(yè)過程。

在歐美日等發(fā)達(dá)國(guó)家中，甘薯種植機(jī)械經(jīng)過不斷發(fā)展，已經(jīng)達(dá)到了相當(dāng)完善的程度，無論是作業(yè)質(zhì)量、作業(yè)速度、生產(chǎn)效率，還是機(jī)具的可靠性方面，都做得比較好。以日本為例，采用機(jī)械化種植方法后，生產(chǎn)效率提高了數(shù)十倍，極大促進(jìn)了甘薯的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

同國(guó)外相比，國(guó)內(nèi)甘薯起壟覆膜機(jī)的發(fā)展起步較晚，研發(fā)投入不足，造成生產(chǎn)機(jī)械化水平低；從作業(yè)效果看，起壟覆膜不規(guī)范，難以滿足農(nóng)藝要求，且多數(shù)機(jī)型不能一次性完成整地、施肥、起壟、壓實(shí)整形、鋪設(shè)滴灌帶、覆膜覆土和膜上定穴。針對(duì)以上問題，研制了一種新型甘薯起壟覆膜機(jī)。

1整機(jī)方案設(shè)計(jì)

1.1總體結(jié)構(gòu)

該起壟覆膜機(jī)具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.肥箱　2.地輪　3.變速箱　4.滴灌帶定位裝置

整機(jī)主要由機(jī)架、起壟裝置、壓實(shí)整形裝置、滴灌帶鋪設(shè)裝置、覆膜覆土裝置和膜上定穴裝置等組成。

1.2主要技術(shù)參數(shù)

主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1　主要技術(shù)性能指標(biāo)

1.3工作過程

采用三點(diǎn)懸掛，與四輪拖拉機(jī)配套使用。作業(yè)時(shí)，開溝器開溝；拖拉機(jī)前進(jìn)帶動(dòng)地輪轉(zhuǎn)動(dòng)，并通過地輪上的鏈輪、鏈條將動(dòng)力傳遞給排肥器，排肥器轉(zhuǎn)動(dòng)，強(qiáng)制將肥料排出，最終肥料經(jīng)排肥管落入開好的溝內(nèi)，完成施肥過程；拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸帶動(dòng)旋耕起壟裝置轉(zhuǎn)動(dòng)，完成起壟作業(yè)[4]；壓實(shí)整形裝置將土壟壓實(shí)，形成滿足農(nóng)藝要求的土壟，并于壟上開出兩條插秧溝，方便農(nóng)戶種植；滴灌帶隨拖拉機(jī)前進(jìn)自動(dòng)展開，受滴灌帶固定裝置和壓實(shí)整形裝置的約束，平直鋪放在壟上中間位置；覆膜覆土裝置在機(jī)械牽引下覆膜，并將兩壟之間溝底部的薄膜壓實(shí)；定穴輪隨機(jī)具前進(jìn)而在土壟上轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)膜上定穴，從而完成整個(gè)起壟覆膜工作。整個(gè)作業(yè)過程包括整地-施肥-起壟-壓實(shí)整形-鋪放滴灌帶-覆膜覆土-膜上定穴。

2主要零部件設(shè)計(jì)

2.1開溝器

該起壟覆膜機(jī)為一壟雙行式設(shè)計(jì)，種植時(shí)不需要很高的開溝速度，因此在本設(shè)計(jì)中采用如圖2所示楔形開溝器，選用不銹鋼材料，開溝阻力小，入土性好，開溝深度一致。

圖2　楔形開溝器

2.2施肥裝置

施肥裝置的研究參照馬鈴薯播種機(jī)施肥原理。工作時(shí)，地輪旋轉(zhuǎn)提供動(dòng)力，并通過鏈傳動(dòng)帶動(dòng)排肥器旋轉(zhuǎn)；排肥器選擇外槽輪式，通用性強(qiáng)；選用防腐耐磨材料；排肥量大小可根據(jù)實(shí)際使用情況調(diào)節(jié)；肥箱內(nèi)設(shè)計(jì)螺旋攪肥器，避免因肥料結(jié)塊造成架空或堵塞問題，增強(qiáng)排肥效果；施肥深度可根據(jù)當(dāng)?shù)剞r(nóng)藝要求有級(jí)調(diào)整。

2.3起壟裝置

起壟質(zhì)量的高低對(duì)甘薯優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)有非常重要的影響。通過壟作，會(huì)增加深土層，土質(zhì)更加松軟，擴(kuò)大了甘薯根系活動(dòng)范圍，有利于土壤與外界氣體交換和養(yǎng)分積累；有利于排澇抗旱和土壤中有機(jī)物質(zhì)的分解，改善甘薯生長(zhǎng)環(huán)境。

2.3.1起壟農(nóng)藝方案確定

目前，甘薯起壟作業(yè)過程中存在的主要問題包括起壟高度不均勻、壟寬不規(guī)范及土壟緊實(shí)度不足易坍塌等，嚴(yán)重影響了后續(xù)覆膜覆土作業(yè)和甘薯的生長(zhǎng)。因此，應(yīng)結(jié)合甘薯生長(zhǎng)的農(nóng)藝要求選擇合理的壟高、壟寬，適當(dāng)提高土壟的緊實(shí)度。

根據(jù)壟高和產(chǎn)量實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：壟高在15～35cm之間時(shí)，隨著壟高逐漸增加，產(chǎn)量呈遞增趨勢(shì)；在壟高為35cm時(shí)，甘薯產(chǎn)量達(dá)到最高；但壟高為30cm與35cm時(shí)，產(chǎn)量無顯著差異，綜合考慮投入與產(chǎn)出，最終選擇起壟高度為30cm[5]。起壟形式中，一壟雙行增產(chǎn)效果明顯優(yōu)于一壟一行，設(shè)計(jì)最終選擇為一壟雙行，壟寬為110cm，壟側(cè)坡角45°，株距35cm，秧苗交叉分布。根據(jù)甘薯生長(zhǎng)需水量的要求，將滴灌帶平鋪于壟上中間位置，插秧溝位于其兩側(cè)10cm處。

2.3.2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1)起壟類型：為保證起壟質(zhì)量，使用旋耕刀作為起壟裝置。起壟時(shí)，旋耕刀將兩側(cè)土壤翻向中間，形成的土壟壟形規(guī)整，壟高、壟寬滿足農(nóng)藝要求。

2)動(dòng)力傳遞路線：拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸→變速箱→傳動(dòng)齒輪→鏈條→起壟軸→旋耕刀。

3)安裝形式：軸上共6把旋耕刀，左右各3把，刀座間距對(duì)稱，刀座與刀軸軸線均向內(nèi)傾斜7°夾角焊接，如圖3所示。其左右旋耕刀交替入土，以減小對(duì)機(jī)具重心的轉(zhuǎn)矩，改善刀旋轉(zhuǎn)時(shí)的平衡性，保持起壟工作時(shí)的直線性。兩側(cè)旋耕刀呈螺旋形，將泥土打碎后，推向中間，形成壟畦[6]。

1.旋耕刀　2.起壟軸

4)旋耕刀設(shè)計(jì)：起壟時(shí)，旋耕刀既要將泥土打碎，還要形成壟畦。故刀身設(shè)計(jì)為上寬下窄，如螺旋槳葉形，如圖4所示。材料選擇65Mn鋼板，刀片厚度為6mm，避免刀片因工作時(shí)受到較大的軸向力和徑向力而產(chǎn)生變形。

圖4　旋耕刀示意圖

2.4壓實(shí)整形裝置

甘薯生長(zhǎng)需要一個(gè)有利的環(huán)境，松緊度過大或過小都會(huì)對(duì)其生長(zhǎng)產(chǎn)生不利影響，因此采用機(jī)械化壓實(shí)方法保持適當(dāng)?shù)耐翂潘删o度十分必要。本設(shè)計(jì)采用的壓實(shí)整形裝置如圖5所示。材料選用8mm厚鋼板，避免因長(zhǎng)時(shí)間使用引起變形；在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，增加一對(duì)小型開溝器，壓實(shí)整形的同時(shí)開出兩條插秧溝。該裝置中間位置的半圓形凸起約束滴灌帶位置，避免鋪放時(shí)左右擺動(dòng)，確保其平直鋪放在壟上中間位置。起壟后，壟形如圖6所示。

圖5　壓實(shí)整形裝置

圖6　壟形結(jié)構(gòu)示意圖

2.5滴灌鋪設(shè)裝置

傳統(tǒng)的甘薯灌溉方法效果差、資源利用率低。因此，本設(shè)計(jì)采用膜下滴灌技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了覆膜和滴灌的有效結(jié)合，克服了傳統(tǒng)灌溉方法的不足。

采用膜下滴灌技術(shù)，可提高資源利用率，實(shí)現(xiàn)節(jié)本增效的目的；并根據(jù)作物生長(zhǎng)需求，定量灌溉，大大節(jié)約水資源。氣溫較高時(shí)，可以提高灌水頻率，水滴會(huì)對(duì)作物根部表層土壤起到降溫作用；同時(shí)，土壤增溫速度慢，不至于土壤溫度高而對(duì)作物產(chǎn)生危害。滴灌系統(tǒng)操作方便，相比于其它灌溉方式，膜下滴灌作業(yè)成本低，更加易于維護(hù)與修理。

滴灌鋪設(shè)使用滴灌帶。起壟時(shí)，先將滴灌帶固定于壟的一端。隨著車體前行，滴灌帶逐漸展開，并受滴灌帶固定裝置(見圖7)和壓實(shí)整形裝置(見圖5)的約束作用，平鋪于壟上中間位置，再由薄膜覆蓋。該滴灌鋪設(shè)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，并可以根據(jù)實(shí)際需求安裝、拆卸。

2.6覆膜覆土裝置

甘薯在種植和生育期間會(huì)遇到低溫天氣，采用地膜覆蓋栽培后，能夠?yàn)楦适硖峁┻m宜的生長(zhǎng)環(huán)境，同時(shí)可以減少土壤水分蒸發(fā)和抑制雜草生長(zhǎng)。采用覆膜栽培的甘薯，葉面積系數(shù)適宜，會(huì)保證光合產(chǎn)物積累與運(yùn)轉(zhuǎn)，為甘薯提供充足營(yíng)養(yǎng)，促進(jìn)甘薯塊生長(zhǎng)，提高產(chǎn)量。采用覆膜栽培技術(shù)的甘薯結(jié)薯數(shù)量平均增加0.95個(gè)，增幅達(dá)26%；薯塊外觀好，使用價(jià)值高，有利于提高甘薯深加工利用率[5]。

覆膜寬度可根據(jù)當(dāng)?shù)剞r(nóng)藝要求調(diào)節(jié)，操作簡(jiǎn)單。覆膜覆土裝置主要包括掛膜輥、壓膜輥、壓膜輪和覆土鏟，如圖8所示。

圖7　滴灌帶固定裝置示意圖

1.覆土鏟　2.壓膜輪　3.壓膜輥　4.掛膜輥　5.機(jī)架

膜卷固定在掛膜輥上，工作時(shí)，先將膜卷一端固定在土壟的一端，膜卷在車體向前行走的過程中，自動(dòng)展開并平鋪于壟上；壓膜輥壓平地膜，壓膜輪將壟體下部?jī)蓚?cè)地膜壓緊撫平，覆土圓盤自動(dòng)覆土，將土壟之間溝底部地膜壓實(shí)，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)覆膜覆土過程。

2.7膜上定穴

由于甘薯機(jī)械化播種作業(yè)效率低、不滿足種植農(nóng)藝要求等原因，因此在覆膜后多采用人工方式插秧。采用如圖9所示的定穴輪，能有效實(shí)現(xiàn)膜上定穴，方便農(nóng)戶插秧，并能顯著提高株距分布均勻性，為甘薯生長(zhǎng)提供有利環(huán)境。

定穴輪外側(cè)呈一定間距排布著凸起的打孔齒，工作時(shí)，左、右定穴輪隨車體前進(jìn)而轉(zhuǎn)動(dòng)；在與地膜接觸的過程中，凸起的打孔齒將地膜壓破，實(shí)現(xiàn)膜上定穴。打孔齒在設(shè)計(jì)時(shí)，順時(shí)針方向傾斜約10°，以防挑膜。

圖9　定穴輪

3性能試驗(yàn)

3.1田間性能測(cè)試

試驗(yàn)地點(diǎn)位于青島膠州市膠萊鎮(zhèn)，試驗(yàn)面積620m2，根據(jù)當(dāng)?shù)馗适矸N植農(nóng)藝要求，調(diào)節(jié)壟高為300mm、壟寬1 100mm、壟距95mm、株距35cm，試驗(yàn)結(jié)果如表2～表4所示。

試驗(yàn)結(jié)果表明：該機(jī)起壟質(zhì)量高、覆膜性能好、株距分布均勻、作業(yè)穩(wěn)定性強(qiáng)、生產(chǎn)效率高，能夠滿足甘薯起壟覆膜種植的農(nóng)藝要求。

表2起壟田間試驗(yàn)結(jié)果

Table 2Test results of ridging

起壟性能合格指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果檢測(cè)結(jié)果壟高/mm≥225286合格壟寬/mm≥800980合格壟距/mm≥7586合格壟高合格率/%7595合格壟寬合格率/%7089合格壟間距合格率/%7590合格平均故障間隔時(shí)間/h8592合格膜邊覆土質(zhì)量合格率/%≥9596合格

表3　覆膜田間試驗(yàn)結(jié)果

表4　膜上定穴田間試驗(yàn)結(jié)果

3.2人工作業(yè)與機(jī)械作業(yè)對(duì)比

采用機(jī)械化的甘薯起壟覆膜與人工方式相比，不僅提高了生產(chǎn)效率、降低了農(nóng)民的勞動(dòng)力投入,還幫助農(nóng)民實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)、增收的目的,使甘薯生產(chǎn)取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益，其對(duì)比如表5所示。

表5　甘薯的人工作業(yè)與機(jī)械作業(yè)對(duì)比

從表5可以看出：機(jī)械化作業(yè)大大提高了甘薯的種植效率和覆膜效率，經(jīng)濟(jì)效果也顯著提高，有效促進(jìn)了甘薯的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

4結(jié)論

本設(shè)計(jì)充分考慮甘薯種植的農(nóng)藝要求，所設(shè)計(jì)的甘薯起壟覆膜機(jī)能夠一次性完成整地、施肥、起壟、壓實(shí)整形、鋪放滴灌帶、覆膜覆土及膜上定穴等作業(yè)。田間起壟覆膜覆土作業(yè)結(jié)果顯示：該機(jī)起壟、覆膜、膜上定穴效果均滿足甘薯種植的農(nóng)藝要求，能有效提高甘薯種植機(jī)械化水平，減輕種植戶勞動(dòng)強(qiáng)度，有利于甘薯的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

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Design and Test of Sweet Potato Ridging and Film Covering Machine

Sui Xiuxu, Jiang Jinlin, Yue Qun, Li Zizeng, Zhan Changling

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Qingdao Agricultural University, Qingdao 266109,China)

Abstract：In China, most of the sweet potato cultivation mode was ridging and film covering.The high labor intensity,low degree of mechanization and complexity of procedure restricted the development of the industrialization of sweet potato. So, a new kind of sweet potato ridging and film covering machine was designed.The machine was designed for one-ridge of double lines, the rotary tillage technology effectively improved the efficiency and quality of ridging; the use of compaction and shaping device improved soil ridge compactness and open two planting groove on the ridge; drip irrigation belt through the positioning device lay on the middle of the ridge, no distortion and blending realize a convenient field management and is conducive to the growth of sweet potato; the use of locating wheel realized orientation in membrane and convenient grower to transplanting; to achieve a number of one-time operation process, including soil preparations, fertilizing ,ridging, shaping, film covering, orientation in membrane and other operation in once performance.Field test shows that the machine performance well on ridging, film covering and location performance, and meet the agronomic requirements of sweet potato planting.

Key words：sweet potato; ridging; film covering; location in membrane

文章編號(hào)：1003-188X(2016)05-0117-05

中圖分類號(hào)：S223.5

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：隋修旭(1990-),男，山東青島人，碩士研究生，(E-mail) 946542880@qq.com。通訊作者：蔣金琳(1956-)，男，山東龍口人，教授，博士，碩士生導(dǎo)師， (E-mail)gcdzz@qau.edu.cn。

基金項(xiàng)目：山東省農(nóng)機(jī)裝備研發(fā)創(chuàng)新項(xiàng)目(2015YZ107)

收稿日期：2015-04-28