呂美巧，劉麗敏，吳玉

（1.金華職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 金華 321017；2.浙江經(jīng)濟(jì)職業(yè)技術(shù)學(xué)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(duì)地方農(nóng)業(yè)特色產(chǎn)品保護(hù)力度的加強(qiáng)，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(jì)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(diǎn)，目前，該地區(qū)甘蔗種植以人畜為主，嚴(yán)重制約了甘蔗種植的進(jìn)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(shí)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(duì)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(jī)主要有犁鏟式、螺旋式和圓盤式等結(jié)構(gòu)[4]。這3種開溝培土工作部件，各有其優(yōu)缺點(diǎn)：犁鏟式具有結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量輕，但培土和碎土能力較差，能耗較大的特點(diǎn)；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(jī)具配套動(dòng)力的大小來劃分：大型農(nóng)場(chǎng)中與大中型拖拉機(jī)配套的懸掛式中耕施肥培土機(jī)，如廣西3ZSP-2型中型多功能甘蔗施肥培土機(jī)、華南農(nóng)業(yè)大學(xué)的圓盤式甘蔗中耕施肥培土機(jī)；丘陵、坡耕地及小地塊使用的與微耕機(jī)或手扶拖拉機(jī)配套的中耕施肥培土機(jī)[5]，如廣西久菱牌3ZP-0.8型甘蔗中耕培土機(jī)。目前，市場(chǎng)上的這幾款中耕施肥培土機(jī)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(jī)，由于受動(dòng)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(yīng)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(jī)，主要針對(duì)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?xí)r無法實(shí)現(xiàn)機(jī)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(jì)70年代引進(jìn)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(yùn)用切段式覆地膜技術(shù)進(jìn)行大壟雙行種植；在進(jìn)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(jìn)行除草、施肥、起壟培土和抗臺(tái)風(fēng)作業(yè)；再經(jīng)過5個(gè)月左右的生長，一般在12月初至來年1月初進(jìn)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(diǎn)，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(jìn)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(zāi)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(jìn)入生長旺季，其植株高可達(dá)2 m左右，而此時(shí)正值浙中地區(qū)臺(tái)風(fēng)期（9—10月份），甘蔗極易受大風(fēng)、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(shí)踐，浙中農(nóng)民在甘蔗中耕管理中總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，改進(jìn)種植農(nóng)藝，在中耕起壟時(shí)會(huì)起V型深溝高壟，并用鐵鍬對(duì)V型壟面進(jìn)行拍打壓實(shí)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(fēng)暴雨期間壟溝的排水及干旱時(shí)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(jī)工作原理與關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 培土機(jī)工作原理

培土機(jī)采用安徽春風(fēng)農(nóng)林機(jī)械制造有限公司生產(chǎn)的型號(hào)為1WG-4B的新牛微耕機(jī)底盤作為動(dòng)力基礎(chǔ)機(jī)，該款微耕機(jī)只能完成旋耕作業(yè)。本文介紹的中耕施肥起壟培土機(jī)，采用其機(jī)架及動(dòng)力變速傳輸部分，對(duì)工作部件進(jìn)行全新設(shè)計(jì)，增加施肥、起壟、培土及模仿人工拍土的拍打機(jī)構(gòu)。培土機(jī)主要由發(fā)動(dòng)機(jī)、機(jī)架、變速箱、施肥機(jī)構(gòu)、除草輪、起壟開溝刀、清土鏟、拍打機(jī)構(gòu)和操作扶手等組成，配套動(dòng)力一般為8.09 kW左右。動(dòng)力機(jī)與變速箱通過皮帶輪傳動(dòng)，在變速箱中通過齒輪變速可實(shí)現(xiàn)機(jī)具的前進(jìn)快慢變速。除草旋耕輪是導(dǎo)向輪，發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生動(dòng)力后，通過鏈輪和皮帶輪，把動(dòng)力一分為三：一路通過鏈傳動(dòng)帶動(dòng)施肥機(jī)構(gòu)施肥；一路通過帶傳動(dòng)進(jìn)入變速箱，變速箱通過變速后分別驅(qū)動(dòng)除草旋耕軸和起壟開溝軸運(yùn)動(dòng)；一路通過帶傳動(dòng)及齒輪傳動(dòng)帶動(dòng)拍打機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)。該培土機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 管理機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of the structure of the management machine

2.2 關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)

2.2.1 施肥機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

施肥機(jī)構(gòu)主要由肥料箱、施肥槽輪、離合器、施肥管、施肥嘴、傳動(dòng)鏈輪等組成[8-10]。動(dòng)力通過鏈傳動(dòng)減速后輸入，鏈輪軸與離合器、槽輪同軸，帶動(dòng)施肥槽輪旋轉(zhuǎn)，使肥料箱里的顆粒肥料掉入施肥槽輪的空腔，繼而進(jìn)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(dòng)帶動(dòng)軸上槽輪軸線移動(dòng)，從而改變槽輪空箱與肥料箱之間的接觸面的大小來實(shí)現(xiàn)，整根槽輪軸，一半被加工成弧形凹槽，一半是實(shí)心塑料棒，通過移動(dòng)槽輪軸來實(shí)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(duì)槽輪軸的移動(dòng)控制是整套施肥機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵。施肥機(jī)構(gòu)如圖4所示。

圖4 施肥機(jī)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematicdiagramof thefertilizeringgenevamechanism

2.2.2 V型深溝起壟開溝刀的設(shè)計(jì)

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(shè)計(jì)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(dòng)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(dòng)力通過行走輪軸輸入，并經(jīng)十字萬向節(jié)的傳動(dòng)，帶動(dòng)圓盤刀座旋轉(zhuǎn)（如圖5所示），開出的V型溝渠，為下一步的拍打壓實(shí)壟面做準(zhǔn)備。偏置斜轉(zhuǎn)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(jī)具的互換性。萬向節(jié)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)拋土開溝刀的偏置旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而開出V型溝槽。一次成型開出V型溝槽的機(jī)具在市場(chǎng)上還不多見。目前，市場(chǎng)上開溝培土的機(jī)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(zhuǎn)刀盤裝置Fig.5 Slanting cutter disc device

2.2.3 拍打壓實(shí)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

拍打壓實(shí)機(jī)構(gòu)主要由機(jī)架、偏心輪、拍打板、傳動(dòng)桿、運(yùn)動(dòng)三角、連桿組成[8]，如圖6所示。采用偏心輪和傳動(dòng)三角塊相配合，帶動(dòng)連桿擺動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)拍打板進(jìn)行往復(fù)拍打，模仿人工鐵鍬拍打壟面壓實(shí)動(dòng)作[8]，完成對(duì)壟面泥土拍實(shí)操作，便于起壟后的甘蔗須根的生長，提高作物防風(fēng)抗倒伏的能力。

3 田間試驗(yàn)與結(jié)果

該培土機(jī)主要適合于浙江省臺(tái)風(fēng)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(xiàng)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(qiáng)度勞作現(xiàn)狀。

在項(xiàng)目實(shí)施過程中，對(duì)樣機(jī)進(jìn)行了5次性能測(cè)試，主要試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。在試驗(yàn)過程中，其開溝平均深度為230 mm，培土厚度可達(dá)70 mm，加上拋土培土后，整個(gè)溝面的深度能達(dá)到300 mm，開溝深度穩(wěn)定系數(shù)可達(dá)85%，碎土率可達(dá)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(dá)到400 mm左右；排肥器對(duì)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(dá)到了設(shè)計(jì)要求。樣機(jī)作業(yè)效果如圖7所示。

圖6 拍打壓實(shí)機(jī)構(gòu)示意圖Fig.6 Schematic diagram of tapping and compaction mechanism

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

4 討論與結(jié)論

本研究設(shè)計(jì)的V型深溝甘蔗中耕施肥起壟培土機(jī)功能齊全，一次成型，機(jī)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(yàn)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(jī)已基本實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求，效率較高，符合農(nóng)藝要求。

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

圖7 樣機(jī)試驗(yàn)效果圖Fig.7 Test effect diagram of prototype