王 維,賀功民,王亞妮,王 佩,羅鵬勝

(1.陜西省農(nóng)業(yè)機械研究所, 陜西 咸陽 712000;2.靖邊縣豐碩機械制造有限公司, 陜西 榆林 718500)

0 引言

辣椒原產(chǎn)于南美洲熱帶地區(qū),明末傳入我國,其用途廣泛,不僅可以鮮食,同時還是重要的天然色素、制藥原料和其它工業(yè)原料。辣椒深受人民喜食,傳統(tǒng)工藝有辣椒粉、辣椒油、辣椒醬等,食用辣椒具有增加食欲、保持人體生理機能、增強人體抗體等功能[1]。

我國辣椒栽培方式多樣、種植面積廣泛,栽培方式包括日光溫室、塑料大棚、小拱棚、田間套作、地膜覆蓋等,陜西、山西、四川、河南、河北、貴州、湖南等省都是著名的辣椒種植帶[2]。我國辣椒種植面積約為133萬hm2,僅次于印度[3],年產(chǎn)量占世界總產(chǎn)量的50%以上,位居世界第一。年產(chǎn)干辣椒約25萬t,年產(chǎn)鮮辣椒約2 700萬t,日本、韓國、墨西哥是我國辣椒的主要進口國[4]。我國干辣椒出口量占世界干辣椒出口量的20%左右,其中陜西省的線辣椒是我國的主要出口產(chǎn)品。

為了保證線辣椒的常年供應,近幾年陜西省的辣椒種植方式由原來的露天種植轉(zhuǎn)變?yōu)榈啬じ采w。傳統(tǒng)的地膜覆蓋需進行旋耕整地、人工起壟、施底肥、殺蟲卵、殺菌、人工覆膜、中耕澆水施肥及病蟲害防治等作業(yè)[5-6]。目前,除旋耕整地可以機械化作業(yè)外,其余均需人工多次反復作業(yè),導致辣椒種植生產(chǎn)效率低、人工作業(yè)強度大、作業(yè)質(zhì)量低,而引進的玉米、馬鈴薯起壟覆膜機不能與辣椒種植農(nóng)藝相融合。針對以上問題,陜西省農(nóng)業(yè)機械研究所組織科研人員進行技術攻關,設計了集起壟、施肥、鋪滴灌帶、噴藥、覆膜覆土于一體的聯(lián)合作業(yè)機,可實現(xiàn)兩壟四行作業(yè),且壟距可調(diào)。

1 辣椒農(nóng)藝要求及覆膜特點

1.1 農(nóng)藝要求

辣椒平畦培土、溝栽等不利于根系生長擴展,容易傷根,一般采用起壟定植。壟形一般采用仿梯形(見圖1),根據(jù)土地肥力可分為:肥力較高時,壟寬90cm,一壟雙行,寬行距57cm,窄行距33cm;肥力中等時,壟寬85cm,一壟兩行,寬行距52cm,窄行距33cm;壟高25～30cm[7]。

辣椒壟形結構如圖1所示。其中,H為壟高;D為行距;K為壟底寬 ;F為壟寬。

圖1 辣椒壟形結構Fig.1 Ridge structure of pepper

1.2 覆膜特點

根據(jù)農(nóng)藝要求,辣椒覆膜膜厚為0.008mm;根據(jù)壟寬、壟高不同,膜寬為900～1 100mm。機械化起壟覆膜要壟形規(guī)范,膜的采光寬度、展平度,膜邊覆土寬度和厚度、地膜縱向拉伸率、采光面機械損傷破損程度均要符合要求。

2 整機方案設計

2.1 總體結構設計

辣椒起壟覆膜機[8]主要包括懸掛裝置、施肥機構、開溝機構、鋪滴灌帶裝置、噴藥機構、覆膜機構及覆土機構等,如圖2所示。

1.開溝機構 2.起壟裝置 3.機架 4.懸掛裝置 5.施肥機構 6.鋪滴灌帶機構 7.噴藥機構 8.覆膜機構 9.覆土機構

2.2 結構原理

本機與輪式拖拉機通過懸掛裝置連接,機具由拖拉機牽引前行,起壟裝置通過左右兩側(cè)起壟板將旋耕整平后的土壤起壟,上蓋板將多余的土壤刮掉定型。施肥機構通過七字直流減速電機帶動排肥軸的旋轉(zhuǎn),排肥軸的排肥口處安裝有外排肥槽,外排肥槽將肥料箱中的肥料強制排入下肥管;直流電機調(diào)速器控制七字直流調(diào)速電機的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)下肥速度,下肥口調(diào)節(jié)開關通過調(diào)節(jié)外槽排肥寬度控制下肥量,雙重調(diào)節(jié)增加了肥料調(diào)節(jié)量的范圍,肥料經(jīng)過排肥管落入開溝機構開好的溝槽中。滴灌帶放置在滴灌帶架上,穿過滴灌帶導向機構,保證滴灌帶平整不扭曲。噴藥機構藥箱的藥液通過噴霧泵增壓流入三通變徑閥門開關,一路經(jīng)軟管流入下一閥門,一路經(jīng)扇形噴霧嘴噴出,噴出角度為120°～160°,確保藥液覆蓋整個壟面。覆膜機構包括展膜輪和展膜架,通過覆土盤將地膜兩側(cè)的土覆蓋于膜邊。本機所有的機構或裝置均通過U型卡和螺栓與機架連接,方便調(diào)節(jié)種植行距。

2.3 主要技術參數(shù)

主要技術參數(shù)如表1所示

表1 主要技術參數(shù)性能指標

3 關鍵部件的設計

3.1 施肥裝置

3.1.1 施肥裝置的結構設計

根據(jù)農(nóng)藝要求,辣椒在定植前15天開始整地起壟,每667m2撒施5 000～7 500kg優(yōu)質(zhì)腐熟有機肥[9],溝施50kg～60kg復合肥。結合辣椒施肥原理[10-11],本機(見圖3)采用直流電機調(diào)速與手動控制外排肥槽寬度相結合的方法,分別控制下肥速度和排肥口的下肥量,用戶可根據(jù)地塊實際情況調(diào)節(jié)施肥量[12-13];同時,外排肥槽通過直流電機強制排肥,肥箱內(nèi)設有螺旋攪拌器對肥料進行破拱,有效防止了漏施現(xiàn)象。

1.螺栓 2.七字直流減速電機 3.肥料箱支架 4.直流電機減速器 5.肥料箱 6.外排肥槽 7.排肥轉(zhuǎn)軸 8.外排肥槽寬度調(diào)節(jié)手柄 9.下肥管

3.1.2 最大施肥量的設計

根據(jù)農(nóng)藝要求每公頃施肥量不能大于900kg,結合標準NY/T1003-2006《施肥機械質(zhì)量評價技術規(guī)范》,推導出最大排肥量公式,即

式中Qmax—最大排肥量(kg/hm2);

qmax—排肥軸最大轉(zhuǎn)速時的排肥量(kg/s);

M—試驗機具的行數(shù);

a—平均行距(m);

vmin—機具最大前進速度(m/s)。

根據(jù)公式計算得出最大施肥量為774kg/hm2,實測結果最大排肥量為784kg/hm2,符合農(nóng)藝要求。

3.2 起壟裝置

起壟裝置主要由兩側(cè)呈對稱分布的側(cè)板和上蓋板組成,如圖4所示。起壟裝置作業(yè)時,起壟兩側(cè)板需將旋耕整平后的土壤從壟溝推到壟面,再由上蓋板將多余的土壤刮平[14]。

3.2.1 起壟側(cè)板

為保證壟床截面呈等腰梯形且壟寬可調(diào),起壟側(cè)板由固定側(cè)板和活動側(cè)板組成,通過合頁連接,固定側(cè)板起推土作用,活動側(cè)板起定型作用。起壟側(cè)板的主要參數(shù)[15]包括固定側(cè)板傾角γ、活動側(cè)板傾角δ(見圖4)和起壟側(cè)板高度h(見圖5)。

固定側(cè)板傾角γ和活動側(cè)板傾角δ的確定:根據(jù)試驗區(qū)辣椒種植農(nóng)藝的要求,計算出橫截面等腰梯形的底角約為37°左右,試驗區(qū)土壤性質(zhì)為沙壤土,考慮到土壤自然滑落因素,實際的起壟側(cè)板傾角均應大于理論值。根據(jù)田間反復試驗測定,固定側(cè)板傾角γ約為67°,活動側(cè)板傾角δ約為56°。

圖4 起壟裝置俯視圖

起壟側(cè)板高度h主要由固定壟床高度H決定。根據(jù)辣椒種植農(nóng)藝要求,H的取值范圍為25～30cm,h應該滿足H<30

圖5 起壟裝置主視圖

3.2.2 上蓋板

起壟作業(yè)時,上蓋板(見圖6)可將壟頂部多余的土壤刮掉,同時配合起壟側(cè)板可以使整個壟形固定[17]。上蓋板主要由固定蓋板和活動蓋板兩部分組成,固定蓋板與固定側(cè)板焊接在一起,同時與機架通過螺栓連接;活動蓋板與固定蓋板通過合頁連接,與活動側(cè)板通過螺栓連接,活動側(cè)板和活動蓋板可以對壟寬進行微調(diào)。上蓋板的寬度主要取決于壟底寬度,約為70cm。

3.3 覆膜覆土機構

3.3.1 覆膜覆土機構的結構原理

覆膜覆土機構主要由機架、展膜輪、壓膜輪及覆土盤組成,如圖7所示。覆土前,首先要將地膜和滴灌帶拉出至壓膜輪的后方用土壓緊壓平;打開噴藥閥門,隨著拖拉機的前行,展膜輪繞其軸心旋轉(zhuǎn)自動將地膜展開,壓膜輪將地膜與整個壟面貼合,覆土盤將地膜兩側(cè)的土覆蓋于膜邊。滴灌帶導向機構、噴藥機構及覆膜機構均與機架通過U型卡和螺栓連接,配合壟距調(diào)節(jié)。

1.固定側(cè)板 2.固定蓋板 3.合頁 4.活動蓋板 5.調(diào)節(jié)螺栓 6.活動側(cè)板

1.滴灌帶 2.滴灌帶導向機構 3.機架 4.噴藥機構 5.壓膜輪 6.覆土盤 7.展膜輪

3.3.2 覆土機構的結構設計

圖8 覆土盤的角度

圖8中,α為偏角,即覆土盤面與前進方向線所成的角;ω為錐底角,即覆土盤面與磨刃面所成的角;i為刃角,即過A點的球面的切線與刃角線所成的角;ε為隙角,即刃面線與前進方向所成之角;φ為圓盤球心角的1/2 。

根據(jù)圖8,可得

(1)

φ=ω-i

(2)

ωa=α-εa

(3)

(4)

將式(1)～式(3)代入式(4)得

可以看出:圓盤曲率半徑R是D、a、α、εa、i諸因素的函數(shù)[19]。 本機參照一般圓盤參數(shù)取值,入土深度不超過20cm,結合農(nóng)藝要求取a=13cm;偏角α取值范圍為15°～20°,取α=20°;刃角i=15°;隙角εa=0°。計算得出R=149.2cm,取R為150cm。

4 田間性能試驗

4.1 田間性能試驗條件及結果

試驗地點選在陜西省榆林市靖邊縣秋季辣椒種植基地,試驗田為機耕整平,土壤性質(zhì)為沙壤土。試驗采用可回收聚氯乙烯薄膜,厚度0.008mm,種植品種為牛角王。根據(jù)陜北秋季辣椒種植的農(nóng)藝要求,調(diào)節(jié)壟寬90cm,壟高25cm,一壟雙行,寬行距57cm。試驗田的含水率14.6%,土壤堅實度140kPa。試驗結果如表2～表4所示。

表2 起壟田間試驗結果

表3 施肥田間試驗結果

表4 覆膜覆土田間試驗結果

試驗結果表明:辣椒起壟覆膜機的壟寬、壟高符合農(nóng)藝要求,施肥和覆膜符合性能符合JB/T7732-2006《鋪膜播種機》的要求。

4.2 人工作業(yè)與機械作業(yè)對比

機械化辣椒起壟覆膜機與人工作業(yè)相比,提高了作業(yè)效率,減少了中期水肥管理的次數(shù),增加了辣椒的單位產(chǎn)量,降低了勞動強度,實現(xiàn)了農(nóng)民致富增收,如表5所示。

表5 辣椒種植人工作業(yè)和機械作業(yè)對比

5 結論

1)根據(jù)農(nóng)機標準并結合農(nóng)藝要求,對辣椒起壟覆膜機的關鍵部件進行了結構設計,研制了集起壟、開溝、施肥、鋪滴灌帶、噴藥及覆膜覆土等多功能的一體機。田間性能試驗結果表明,該機的起壟、施肥、覆膜覆土均滿足辣椒種植的農(nóng)藝要求。

2)將人工起壟鋪膜、機械起壟鋪膜及不起壟鋪膜的產(chǎn)量和成本進行核算,從經(jīng)濟效益來看,機械作業(yè)相對于人工作業(yè)經(jīng)濟效益提高了26.8%,機械作業(yè)相對于人工不起壟鋪膜作業(yè)經(jīng)濟效益提高了84.2%,實現(xiàn)了農(nóng)民致富增收。