從光波,史乃煜,陳海濤

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院,哈爾濱 150030)

0 引言

近年來,在追求稻米產(chǎn)量過程中,過度使用農(nóng)藥、化肥與塑料地膜等,造成土壤板結(jié)、有害菌超標(biāo)及土壤的營養(yǎng)結(jié)構(gòu)被破壞,且塑料地膜被深埋入地底難以降解,嚴(yán)重制約生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展[1-5],導(dǎo)致可用來農(nóng)耕的土地越來越少,人們逐漸意識(shí)到食品安全的重要性,越來越喜歡有機(jī)水稻。由于有機(jī)水稻生產(chǎn)條件十分苛刻,我國有機(jī)水稻種植面積十分稀少,相對于水稻總種植面積0.31億hm2,有機(jī)水稻還有很長的路要走[6-8]。

有機(jī)水稻難以大面積種植,歸根結(jié)底在于沒有一套合理且易于實(shí)施的機(jī)械化生產(chǎn)方式。水稻覆膜栽培技術(shù)是指在水稻生長發(fā)育過程中應(yīng)用地膜覆蓋水田表面,水田經(jīng)地膜覆蓋有節(jié)水、節(jié)肥和抑草等好處,可減少農(nóng)藥及化肥使用,是一套有效的有機(jī)水稻生產(chǎn)方式[9-11]。傳統(tǒng)的地膜雖然能有效地抑草節(jié)水,但均有難回收、難降解的弊端。為此,東北農(nóng)業(yè)大學(xué)團(tuán)隊(duì)以農(nóng)作物秸稈為主要研究開發(fā)了秸稈纖維基地膜,該地膜利用其不透光性質(zhì),不但有抑草、節(jié)水、防病與增產(chǎn)等效果,更重要的是秸稈纖維基地膜能在水稻生長期間全降解,無需殘膜回收,且降解后地膜可作為養(yǎng)分被土壤吸收,達(dá)到秸稈科學(xué)還田的效果,為有機(jī)水稻的生產(chǎn)開辟了一條新路徑,也可解決困擾多年的秸稈處理問題[12-14]。

秸稈纖維基地膜優(yōu)勢十分明顯,但其推廣進(jìn)程卻步履蹣跚,歸根結(jié)底在于缺少與之相配套的覆膜機(jī)械。目前,秸稈纖維基地膜的敷設(shè)仍大多采用手工覆膜的方式,作業(yè)效率低下,不利于秸稈纖維基地膜的推廣。東北農(nóng)業(yè)大學(xué)團(tuán)隊(duì)前期研制了與洋馬VP6D型插秧機(jī)配套的覆膜裝置,可高質(zhì)量完成秸稈纖維基地膜的敷設(shè),一次進(jìn)地即可完成覆膜、插秧兩項(xiàng)作業(yè),并采用了同步開孔插秧機(jī)技術(shù),避免了秧苗與地膜直接接觸造成根系損傷[15-18]。

秸稈纖維基地膜的推廣任重而道遠(yuǎn),單單一種插秧機(jī)型無法滿足農(nóng)戶的要求,難以大面積推廣。因此,研發(fā)新型覆膜插秧機(jī),不僅為農(nóng)作物秸稈制造的秸稈纖維基地膜的普及提供裝備技術(shù)支撐,同時(shí)對覆膜栽培有機(jī)水稻技術(shù)的推廣應(yīng)用具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 覆膜插秧機(jī)結(jié)構(gòu)組成及工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)組成

NSPU-68CM覆膜插秧機(jī)主要由插秧機(jī)機(jī)身、覆膜裝置及同步開孔插秧裝置3部分組成,如圖1所示。該機(jī)具主要參數(shù)如表1所示。

1.2 工作原理

考慮到覆膜后插秧與機(jī)器整體協(xié)調(diào)性,將覆膜裝置加裝在插秧機(jī)機(jī)身與秧板間,通過螺栓、銷子等連接件將覆膜裝置緊固在插秧機(jī)上。同步插秧開孔刀加裝在原機(jī)秧針上,通過螺栓緊固,隨分插機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的同時(shí),完成覆膜開孔插秧作業(yè)。

1.插秧機(jī)機(jī)身 2.覆膜裝置 3.同步開孔插秧裝置

表1 久保田NSPU-68CM型水稻插秧機(jī)基本參數(shù)

作業(yè)時(shí),駕駛員首先驅(qū)動(dòng)插秧機(jī)行駛至田間地頭,將地膜扯出(扯出地膜長度應(yīng)超過切膜刀5cm),將插秧機(jī)秧板逐漸放至工作位置,此時(shí)地膜已接觸水田表面,由駕駛員緩緩拉下切膜刀把手,將地膜深深壓入水田淤泥中。由于地膜受泥土摩擦力和壓膜輥與壓邊輪正壓力,地膜將牢牢“固定”于水田表面,駕駛員驅(qū)動(dòng)插秧機(jī)緩慢前行,待穩(wěn)定后逐漸提速。插秧機(jī)向前行駛過程中,地膜受到壓膜輥表面鎮(zhèn)壓撫平作用與壓邊輪壓邊和使地膜向兩側(cè)拉伸的力,地膜將深深地“嵌入”水田中,保證地膜與水田間無間隙,且地膜不會(huì)被風(fēng)吹離水田表面,以保證地膜抑草、節(jié)水效果。同時(shí),同步插秧開孔刀隨分插機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn),秧苗在接觸水田表面前,在地膜上開出相對應(yīng)膜孔,避免秧苗直接接觸地膜導(dǎo)致傷根,從而縮短了緩苗期,保證高精度、高質(zhì)量覆膜插秧作業(yè)。插秧機(jī)行駛至地頭另一端后,駕駛員拉下切膜刀把手將田間地膜切斷,升起插秧機(jī)秧板,剩余地膜隨秧板升起被托膜架抬起,避免剩余地膜被拖拉而損壞;駕駛員驅(qū)使插秧機(jī)進(jìn)入下一行覆膜插秧作業(yè),如此循環(huán),直至插秧結(jié)束。

2 地膜敷設(shè)裝置關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 掛膜裝置設(shè)計(jì)

掛膜裝置是整個(gè)覆膜裝置關(guān)鍵核心部件,用以懸掛固定地膜卷,使地膜卷能在插秧機(jī)工作和行駛時(shí)被置于適當(dāng)高度,保證膜卷能夠輕松自轉(zhuǎn),給予輕微拉力時(shí),能自由出膜。由于田間作業(yè)環(huán)境十分惡劣,掛膜裝置應(yīng)對地膜卷有充分保護(hù)作用,保證地膜卷不被田間泥水濺濕破壞,地膜被泥水染濕后極其易扯斷,影響覆膜質(zhì)量。目前,秸稈纖維基地膜卷規(guī)格為:中間筒芯直徑76mm,整卷地膜直徑180mm,寬度1 700mm,每卷地膜總長100m。掛膜裝置形狀與尺寸應(yīng)根據(jù)地膜卷幾何尺寸設(shè)計(jì),如圖2所示。

1. 掛膜輥 2.掛接點(diǎn) 3.膜筒

2.2 壓膜裝置設(shè)計(jì)

壓膜裝置的作用是將已敷設(shè)在水田表面的地膜敷平、壓實(shí),使地膜與水田表面緊密貼合,保證地膜與水田間無架空現(xiàn)象,是保證覆膜質(zhì)量好壞的重要一環(huán)。壓膜裝置主要由壓膜輥組、壓膜輥掛與壓膜輥中間掛組成,如圖3所示。

1.壓膜輥掛 2.壓膜輥組 3.壓膜輥中間掛

壓膜輥組由大、小兩壓膜輥組成,整個(gè)壓膜裝置由3個(gè)壓膜輥組穿接而成,應(yīng)保證壓膜的寬度達(dá)到1 740mm。將壓膜輥設(shè)成一大一小后,能提升壓膜輥對地形的快速仿形能力,并能將小壓膜輥放置于秧板支撐橫梁正下方,增大掛膜筒與壓膜輥縱向距離,使出膜更加平穩(wěn),避免出膜直上直下現(xiàn)象。為加裝覆膜裝置敷設(shè)地膜,需將插秧機(jī)本身所帶的浮板拆卸下來,浮板對已敷設(shè)好的地膜有破壞作用,在原安裝浮板的位置安裝壓膜裝置,以壓膜輥組代替浮板,為插秧機(jī)秧板的仿形機(jī)構(gòu)提供動(dòng)力源;若采用兩個(gè)小的壓膜輥,則壓膜輥組所提供的浮力不足,因此將另一個(gè)壓膜輥增大,以增大浮力。壓膜輥中間掛與插秧機(jī)秧板的液壓仿形機(jī)構(gòu)相連接,壓膜輥組所產(chǎn)生的浮力將通過壓膜輥中間掛直接傳遞給液壓仿形機(jī)構(gòu),液壓仿形機(jī)構(gòu)則根據(jù)所傳遞來的力的大小控制插秧機(jī)秧板的升降,完成對地形的仿形,進(jìn)而保證了插秧的深度。壓膜裝置兩邊的壓膜輥掛則能保證壓膜裝置直上直下運(yùn)動(dòng),同時(shí)壓膜輥棒上還套有壓縮彈簧,能增大對地膜的鎮(zhèn)壓力,提升覆膜鎮(zhèn)壓質(zhì)量。

2.3 壓邊裝置設(shè)計(jì)

經(jīng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),已敷設(shè)鎮(zhèn)壓好的地膜經(jīng)常因大風(fēng)天氣而被吹起翹邊,甚至吹離田間表面,極大影響了地膜的抑草節(jié)水效果,如圖4所示。為此,需對敷設(shè)的地膜進(jìn)行邊緣鎮(zhèn)壓,增加壓邊裝置。壓邊裝置主要由壓邊輪掛、壓邊輪框、扭簧與壓邊輪組成,如圖5所示。

圖4 膜邊被吹起

壓邊輪通過壓邊輪掛利用插秧機(jī)本身所帶螺紋孔經(jīng)螺栓固接在插秧機(jī)秧板的支撐梁上,且壓邊輪能在壓邊輪掛上自由旋轉(zhuǎn),通過扭簧來加大壓邊輪對膜邊的鎮(zhèn)壓力,使地膜的膜邊“嵌入”水田之中,進(jìn)而使地膜牢牢地貼在水田表面,不會(huì)被大風(fēng)吹起。壓邊輪采用錐形的結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)使壓邊輪既有向下鎮(zhèn)壓的作用又有將地膜向兩邊拉伸的作用,使地膜緊緊貼合田面且表面平整,增大地膜的采光面積,有利于秧苗的生長。其內(nèi)裝有軸承,使壓邊輪能繞著壓邊輪框自由的旋轉(zhuǎn),且軸承的兩端有防水密封圈,防止軸承接觸水而銹蝕。膜邊鎮(zhèn)壓的寬度與深度至少在50mm以上,故應(yīng)保證壓邊輪的左端面與膜邊相距5cm,壓邊輪直徑與中間旋轉(zhuǎn)軸直徑應(yīng)相差55mm左右,同時(shí)壓邊輪產(chǎn)生垂直鎮(zhèn)壓力要足夠大,以保證有足夠壓邊深度。

1.壓邊輪 2.壓邊輪框 3.扭簧 4.壓邊輪掛

2.4 切膜裝置設(shè)計(jì)

當(dāng)插秧機(jī)沿著田間一行前進(jìn)插秧覆膜工作至地頭時(shí),需將地膜切斷壓實(shí),然后掉頭進(jìn)行下一行作業(yè);插秧機(jī)駕駛員需下機(jī)至田間,用刀將地膜切斷,后用田間泥土將地膜壓實(shí),防止被風(fēng)吹起,此過程十分繁雜耗時(shí)。為此,增加切膜裝置,使駕駛員無需下田即可實(shí)現(xiàn)對地膜的切斷鎮(zhèn)壓,以完成掉頭作業(yè)。切膜裝置由切膜刀、切膜刀座、閘線、復(fù)位彈簧與切膜刀把手5部分組成,如圖6所示。

當(dāng)駕駛員驅(qū)使插秧機(jī)工作至田間地頭時(shí),駕駛員迅速拉下切膜刀的把手,切膜刀把手拖動(dòng)閘線再牽引拖動(dòng)切膜刀,使切膜刀順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng),完成切斷鎮(zhèn)壓動(dòng)作。切斷動(dòng)作完成后,駕駛員松下把手,切膜刀在復(fù)位彈簧的作用下回到切斷前的位置,操作輕松快捷,無需駕駛員下地,極大提升了工作效率。

復(fù)位彈簧為拉伸彈簧,在整個(gè)切膜刀切斷過程中起著至關(guān)重要的作用。復(fù)位彈簧的剛度應(yīng)在合理范圍內(nèi),當(dāng)復(fù)位彈簧的力量過小時(shí),切膜刀無法復(fù)位,會(huì)對秸稈纖維基地膜造成破壞,影響覆膜質(zhì)量;過大時(shí),則會(huì)造成切削深度不夠,無法將地膜有效的切斷,如進(jìn)行下一行作業(yè),會(huì)給駕駛員的操作帶來極大的困難,因此需對復(fù)位彈簧進(jìn)行慎重選型。本文采用兩端掛鉤式拉伸彈簧,參數(shù)為:徑粗4mm,外圈直徑40mm,長度120mm,經(jīng)試驗(yàn)?zāi)軡M足切斷地膜并復(fù)位的要求。

1.切膜刀把手 2.閘線 3.切膜刀 4.復(fù)位彈簧

3 田間試驗(yàn)與結(jié)果分析

觀察久保田NSPU-68CM型覆膜開孔插秧機(jī)的覆膜質(zhì)量與開孔性能,能否達(dá)到高質(zhì)量的覆膜與良好的開孔效果。

3.1 田間試驗(yàn)條件

根據(jù)經(jīng)驗(yàn),取水平速度分別為0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0m/s,分別以計(jì)算連續(xù)工作條件為初始角速度值進(jìn)行仿真。仿真過程中,未取得合理角速度值時(shí),將角速度依次增加π/18 rad/s,臨近合理值時(shí)角速度值以π/180rad/s增減,分析各水平速度對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)風(fēng)管合理角速度,仿真過程忽略各結(jié)構(gòu)之間以及地輪與地面間的摩擦,試驗(yàn)參數(shù)如表2所示。試驗(yàn)于2017年4月5日在東北農(nóng)業(yè)大學(xué)秸稈纖維基地膜水稻試驗(yàn)示范稻田內(nèi)實(shí)施,稻田長20m,寬3m,作業(yè)速度0.3m/s,氣溫20℃,水田內(nèi)淤泥深度15cm、水深1.5cm,如圖7所示。

表2 NSPU-68CM型覆膜開孔插秧機(jī)性能測試結(jié)果

圖7 久保田NSPU-68CM覆膜開孔插秧機(jī)及田間工作情況

3.2 試驗(yàn)方法及過程

參照旱田JB/T 7732.2-1995《地膜覆蓋機(jī)試驗(yàn)方法》[19],對秸稈纖維基地膜覆膜的采光面寬度合格率、采光面機(jī)械破損程度、壓膜寬度與深度、地膜貼合程度和膜孔合格率進(jìn)行測定。

插秧機(jī)行駛至田間前,先將秸稈纖維基地膜扯出長約50cm,駛?cè)胙硖?待插秧機(jī)穩(wěn)定后,放下插秧機(jī)秧板,拖動(dòng)切膜刀把手將秸稈纖維基地膜壓實(shí)在泥面上;開動(dòng)插秧機(jī),進(jìn)行覆膜開孔作業(yè),待機(jī)器行駛至田間地頭時(shí),用切膜刀將地膜切斷,完成作業(yè),如圖8所示。

(b) 覆膜開孔作業(yè)

3.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

由圖9覆膜開孔效果圖可知:久保田NSPU-68CM型覆膜開孔插秧機(jī)的覆膜質(zhì)量與開孔性能,均達(dá)到高質(zhì)量的覆膜與良好的開孔效果。NSPU-68CM型覆膜開孔插秧機(jī)性能測試結(jié)果,如表2所示,可知機(jī)器能達(dá)到高質(zhì)量作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

觀察久保田NSPU-68CM型覆膜開孔插秧機(jī)的覆膜質(zhì)量與開孔性能,能否達(dá)到高質(zhì)量的覆膜與良好的開孔效果。追肥機(jī)性能測試結(jié)果,如表2所示,已達(dá)到高質(zhì)量作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

圖9 覆膜開孔效果圖

4 結(jié)論

1) 研制了與久保田NSPU-68CM型覆膜插秧機(jī)相匹配的覆膜裝置,在不改變插秧機(jī)原有結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上,增加了切膜裝置、托膜裝置和壓邊裝置。

2) 所敷設(shè)秸稈纖維基地膜采光面寬度合格率達(dá)95%以上,地膜貼合程度達(dá)98%,采光面機(jī)械破損程度小于5%,膜孔合格率達(dá)95%以上,壓膜寬度5cm,壓邊深度4cm,膜孔總長度50mm,滿足農(nóng)藝要求。

3) 田間性能試驗(yàn)結(jié)果表明:久保田NSPU-68CM型覆膜開孔插秧機(jī)的技術(shù)性能指標(biāo)均達(dá)到農(nóng)藝生產(chǎn)要求,為應(yīng)用秸稈纖維基地膜栽培有機(jī)(綠色)水稻奠定了基礎(chǔ)。