胡曉陽(yáng)

(四川省宜賓市農(nóng)業(yè)科學(xué)院，四川 宜賓 644000)

1 國(guó)內(nèi)外起壟機(jī)研究現(xiàn)狀

目前國(guó)內(nèi)的起壟機(jī)主要是以安裝在大中型拖拉機(jī)上的起壟設(shè)備為主，為了不浪費(fèi)動(dòng)力，節(jié)省生產(chǎn)成本，一般都具有復(fù)合性功能，驅(qū)動(dòng)行走輪、液壓機(jī)構(gòu)、螺旋起壟等動(dòng)力輸出是獨(dú)立的，但功耗消耗較大，適合在大平壩地區(qū)或平原使用，不適合在丘陵山區(qū)應(yīng)用。適合南方丘陵地區(qū)應(yīng)用的小型起壟機(jī)研制在國(guó)內(nèi)起步較晚，可應(yīng)用性不夠，有必要進(jìn)行深入的研究和開(kāi)發(fā)。而國(guó)外的起壟機(jī)研發(fā)與應(yīng)用主要以日本和韓國(guó)為主，國(guó)外大型起壟機(jī)專題介紹較少，也不適用于丘陵地區(qū)使用，日本和韓國(guó)的小型起壟機(jī)對(duì)在國(guó)內(nèi)用戶來(lái)說(shuō)性價(jià)比不夠高。未來(lái)小型起壟機(jī)的研發(fā)會(huì)針對(duì)不同的作業(yè)對(duì)象完成不同的功能，既可是專業(yè)單一作業(yè)、也可是復(fù)合應(yīng)用作業(yè)，功能更加全面、選擇性更多、效率更高、重量更輕、實(shí)用性更廣的耕作起壟機(jī)。

2 丘陵山區(qū)耕作起壟機(jī)發(fā)展趨勢(shì)

川南地處丘陵山區(qū)，平壩少，丘陵多，彎多坡陡，道路崎嶇，對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備的外觀尺寸，整機(jī)質(zhì)量均有一定的要求。目前還在應(yīng)用的丘陵山區(qū)起壟機(jī)主要以12馬力以下的小型機(jī)具為主，20馬力以上的中大型耕作起壟機(jī)械極為少見(jiàn)，僅在平壩地區(qū)有一定作業(yè)數(shù)量。原有一些丘陵山區(qū)小型起壟機(jī)械應(yīng)用，但設(shè)計(jì)的緊湊性不夠，地頭轉(zhuǎn)移不便，起壟作業(yè)不夠標(biāo)準(zhǔn)，工作效率體現(xiàn)一般，設(shè)計(jì)技術(shù)需要做改進(jìn)，就目前所查閱和掌握的信息分析而言，雖然近十年來(lái)，丘陵山區(qū)耕作起壟機(jī)有了一定的發(fā)展，但是根本問(wèn)題依然存在，丘陵山區(qū)農(nóng)業(yè)起壟作業(yè)機(jī)械化不高，仍然需要更合適的小型、適用、高效的起壟裝備來(lái)滿足農(nóng)業(yè)發(fā)展所需，輪式和履帶式小型耕作起壟機(jī)將是未來(lái)丘陵山區(qū)所需，而AI技術(shù)、智能化、自動(dòng)化控制技術(shù)的應(yīng)用將是未來(lái)發(fā)展的空間。

3 研發(fā)的可行性和必要性

川南屬丘陵山區(qū)，農(nóng)業(yè)上栽培的很多農(nóng)作物都需要起壟作業(yè)，例如煙葉、紅薯、甘蔗、辣椒、蔬菜等，這些農(nóng)作物大部分農(nóng)村都普遍種植，是廣大農(nóng)戶的支柱產(chǎn)業(yè)。在栽種前，必須人為的起出條狀的壟，起壟栽種的優(yōu)點(diǎn)在于：一是便于灌溉，抗旱防滯。二是可以使土層加厚，擴(kuò)大根系和塊根的生長(zhǎng)范圍。三是可以增加表土立體面，增強(qiáng)透氣性。四是提高地溫，調(diào)節(jié)晝夜溫差，有助于農(nóng)作物的生長(zhǎng)發(fā)育。起壟時(shí)要求做到壟形肥胖，壟溝窄深，壟面平整，壟土夯實(shí)，壟內(nèi)無(wú)硬心，起壟任務(wù)極為繁重。若農(nóng)民手工作業(yè)起壟，從根本上無(wú)法達(dá)到節(jié)本增效的目的。

在農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)作物里，煙葉類(lèi)是重要的農(nóng)經(jīng)作物之一，烤煙競(jìng)爭(zhēng)力最重要的就是對(duì)種植成本的控制，提高生產(chǎn)效率、降低勞動(dòng)強(qiáng)度，降低烤煙生產(chǎn)成本，擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模。進(jìn)行規(guī)?；芾韽亩嵘緹煹膯萎a(chǎn)，生產(chǎn)機(jī)械化水平越高，成本越低，種植收益提升越快。我國(guó)農(nóng)機(jī)裝備的保有量逐年增加，耕地的機(jī)械化耕作程度也在逐年提高，有效地減輕了農(nóng)民的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了生產(chǎn)效率。但是，南方丘陵山區(qū)的農(nóng)業(yè)機(jī)械化平均水平還很低，勞動(dòng)強(qiáng)度還很大，生產(chǎn)效率還很低下，還迫切需要大量的更加適合丘陵地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的小型農(nóng)機(jī)具，通過(guò)這些小型農(nóng)機(jī)具的研發(fā)、推廣應(yīng)用來(lái)有力地促進(jìn)丘陵山區(qū)的農(nóng)業(yè)機(jī)械化發(fā)展。煙草種植耕作起壟作業(yè)農(nóng)技要求是比較高的，除了烤煙種植耕地需要起壟作業(yè)外，其余種植的紅薯、土豆、甘蔗等農(nóng)作物也都需要起壟作業(yè)，初步統(tǒng)計(jì)僅僅宜賓市每年需要起壟作業(yè)的耕地面積超過(guò)6.67萬(wàn)hm2。如果都使用耕作起壟機(jī)作業(yè)，將極大地減輕農(nóng)民的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率，增加農(nóng)作物產(chǎn)量，促進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，促進(jìn)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的轉(zhuǎn)變。1WGV-6.3微型耕作起壟機(jī)研發(fā)能完成煙草種植農(nóng)技要求耕作起壟的需要，也可以完成其它農(nóng)作物農(nóng)業(yè)生產(chǎn)起壟及其它機(jī)械化作業(yè)。丘陵山區(qū)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展是急需適合的小型耕作起壟機(jī)。

4 技術(shù)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)信息和關(guān)鍵技術(shù)分析

4.1 作業(yè)對(duì)象特性

按土壤質(zhì)地，土壤一般分為3大類(lèi)：砂質(zhì)土、黏質(zhì)土、壤土，為了正確認(rèn)識(shí)在耕作過(guò)程中機(jī)械對(duì)土壤的施力狀態(tài)和土壤產(chǎn)生的反應(yīng)，不僅要了解土壤的物理特性(如土壤的機(jī)械組成、結(jié)構(gòu)、容重、孔隙度、含水率等)，還必須研究土壤在機(jī)械作業(yè)過(guò)程中所產(chǎn)生的動(dòng)力特性(如強(qiáng)度、流變、摩擦系數(shù)等)，即只是在受外力作用時(shí)才體現(xiàn)出來(lái)的力學(xué)特性，熟練掌握這些理論知識(shí)將對(duì)研發(fā)中關(guān)鍵技術(shù)的解決起到至關(guān)重要的作用。

4.2 農(nóng)機(jī)農(nóng)藝融合

研發(fā)一款適合本區(qū)域應(yīng)用的農(nóng)機(jī)裝備必須了解作業(yè)環(huán)境特性、機(jī)耕道路的建設(shè)、相關(guān)農(nóng)藝技術(shù)要求，多征求農(nóng)業(yè)部門(mén)專業(yè)技術(shù)人員意見(jiàn)，對(duì)可能實(shí)施的設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行充分討論和論證，做出專業(yè)的判斷和選擇。目前丘陵山區(qū)適應(yīng)農(nóng)藝要求的先進(jìn)的農(nóng)機(jī)具推廣應(yīng)用緩慢，是影響和制約全國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化整體水平提升的瓶頸。農(nóng)業(yè)機(jī)械化作業(yè)的潛力和優(yōu)勢(shì)沒(méi)有充分發(fā)揮出來(lái)，當(dāng)前需要引導(dǎo)丘陵山區(qū)主要農(nóng)作物生產(chǎn)向機(jī)械化、輕簡(jiǎn)化、集成化、標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)?；较虬l(fā)展，實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)、高效。

4.3 關(guān)鍵技術(shù)的分析

主要提出如何解決起壟成型技術(shù)設(shè)計(jì)，分為3個(gè)大的部分：一是設(shè)計(jì)方案的確定，這里包含的基本內(nèi)容是動(dòng)力配置及參數(shù)選擇、變速箱傳動(dòng)方式、潤(rùn)滑方式等，動(dòng)力輸出軸機(jī)構(gòu)。二是起壟器的設(shè)計(jì)，包括起壟器具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)選擇，金屬材料的確定和熱處理工藝。三是壟成型器的設(shè)計(jì)，在確保不產(chǎn)生作業(yè)成型擁堵的情況下，完成起壟成型的整理作業(yè)。

4.3.1 設(shè)計(jì)方案 動(dòng)力的選擇8～10馬力汽柴油機(jī)，動(dòng)力和變速箱選配為直傳式傳動(dòng)，耕作起壟部件與變速箱動(dòng)力輸出軸直連，為變速箱左右布置，起壟整形部件后置，整機(jī)重心布置稍微向前置，這樣便于操作人員在操作時(shí)雙手不是向上的抬動(dòng)力，而是需要一個(gè)向下的手腕壓力，這樣會(huì)有效減輕操作人員的疲勞感，有利于減輕人員工作強(qiáng)度，提高農(nóng)戶作業(yè)操作時(shí)的舒適感和愉悅感，人機(jī)工程技術(shù)未來(lái)是技術(shù)設(shè)計(jì)必須考慮周到的一個(gè)很重要的技術(shù)環(huán)節(jié)，目前整機(jī)設(shè)計(jì)要求為實(shí)用型，整機(jī)操作模式為人員隨行方式，解決好丘陵山區(qū)實(shí)用技術(shù)問(wèn)題，再開(kāi)拓創(chuàng)新。未來(lái)該項(xiàng)技術(shù)發(fā)展的空間是乘坐式、智能控制式；包括作業(yè)程序輸入、shishi定位、作業(yè)數(shù)據(jù)分析、精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)等技術(shù)應(yīng)用。

4.3.2 起壟器設(shè)計(jì) 在與動(dòng)力輸出軸直連的耕作起壟軸上按照螺旋方向固定安裝螺旋起壟器，螺旋起壟分為左螺旋起壟器和右螺旋起壟器，兩邊對(duì)稱分布。螺旋起壟結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本分為2種類(lèi)型，即連續(xù)螺旋起壟件和間斷螺旋起壟件，而這2種起壟機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)越性將通過(guò)性能比對(duì)試驗(yàn)來(lái)確定，選擇出最佳螺旋起壟機(jī)構(gòu)。在起壟螺旋機(jī)構(gòu)與動(dòng)力輸出軸鏈接的位置部分，即靠變速箱一側(cè)安裝有一組螺旋排列的旋耕刀，一是避免漏耕，二是提升作業(yè)效果。

4.3.3 壟成型器設(shè)計(jì) 螺旋起壟后壟型是不很規(guī)范，需要通過(guò)符合農(nóng)藝技術(shù)要求的梯形成型板整形完成。在螺線起壟軸的外側(cè)安裝可拆卸的驅(qū)動(dòng)行走輪，使行走驅(qū)動(dòng)和覆土螺旋起壟器在同一軸上，簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)，滿足不同土壤條件下的耕整地作業(yè)求。在變速箱后置一阻力桿，可控制前行速度和一定范圍起壟高度，利于耕作、起壟等作業(yè)。結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單，整機(jī)的重心平衡好，使用者的操作更加輕松。

5 1WGV-6.3微型耕作起壟機(jī)研發(fā)技術(shù)路線

該技術(shù)研發(fā)具有多功能性的耕作起壟機(jī)，研究重點(diǎn)是關(guān)鍵技術(shù)起壟性能，所以其它輔組功能的闡述做相應(yīng)減免，技術(shù)路線只體現(xiàn)耕作和起壟功能。技術(shù)路線需先根據(jù)作業(yè)要求來(lái)明確結(jié)構(gòu)，根據(jù)作業(yè)時(shí)可能出現(xiàn)的最大載荷、速度等來(lái)選擇動(dòng)力和變速箱參數(shù)，動(dòng)力和變速箱可以選擇成熟的、技術(shù)先進(jìn)的廠家適合的型號(hào)和功能配套，發(fā)動(dòng)機(jī)與變速箱直傳為首選，與其它類(lèi)似結(jié)構(gòu)相比，具有結(jié)構(gòu)緊湊，便于總體布局，轉(zhuǎn)移便捷，適合丘陵地區(qū)使用。

圖1 技術(shù)路線

6 關(guān)鍵技術(shù)與部件的研究和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

6.1 螺旋起壟器的設(shè)計(jì)

筆者在做結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，準(zhǔn)備有3個(gè)選項(xiàng)，一是開(kāi)溝成型，一是擠壓成型，一是堆壓整形。通過(guò)技術(shù)設(shè)計(jì)、樣機(jī)試制試驗(yàn)情況，來(lái)驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案是否需要修正，技術(shù)路線是否正確。理論必須和實(shí)踐相結(jié)合才能設(shè)計(jì)出適合的產(chǎn)品。經(jīng)過(guò)技術(shù)驗(yàn)證，筆者選擇了水平設(shè)置的螺旋起壟器，該設(shè)計(jì)具有結(jié)構(gòu)先進(jìn)、適應(yīng)性強(qiáng)、阻力小、壽命長(zhǎng)、維修方便等特點(diǎn)。在螺旋起壟器設(shè)計(jì)里，分別做了2款結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖2和3所示。

圖2 起壟器結(jié)構(gòu)11.法蘭 2.旋耕刀 3.刀座 4.六棱套軸 5.起壟螺旋 6.輔助輪 7.密封端蓋

這2款螺旋起壟器原理類(lèi)似，但具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不同，也具有各自不同的有點(diǎn)和缺點(diǎn)。圖2采用整體螺旋拉伸設(shè)計(jì)，確定材質(zhì)、螺距、螺旋直徑、螺旋傾角、輸送量等主要參數(shù)，件2為輔助旋耕刀，件6為輔助輪，有輔助驅(qū)動(dòng)和限深作用，整體和變速箱動(dòng)力六棱輸出軸相連接。圖3采用的是螺旋刀做螺旋排列安裝，形成間斷的螺旋線旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，由于整體和變速箱動(dòng)力六棱輸出軸連接，在一定輸出轉(zhuǎn)速下，螺旋刀的運(yùn)動(dòng)可看作是連續(xù)，從而帶動(dòng)土壤起到輸送功能。圖2和圖3主要不同點(diǎn)就是起壟螺旋零件，一是連續(xù)螺旋，一是螺旋刀螺旋排列。

圖3 起壟器結(jié)構(gòu)21 .法蘭 2.旋耕刀 3.刀座 4.六棱套軸 5.起壟螺旋刀 6.輔助輪 7.密封端蓋

通過(guò)樣機(jī)大量的試驗(yàn)證明：螺旋刀起壟比螺旋起壟更具有優(yōu)勢(shì)，在確定好主要參數(shù)的情況下，螺旋刀組成的起壟器相比螺旋起壟器而言，在有同樣的功能情況下，還具有這樣的一些優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)，容易規(guī)?；a(chǎn)、標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，成本更低，安裝或更換便捷，維修方便。通過(guò)更換不同的螺旋刀，還可在一定合適的范圍內(nèi)增大螺旋直徑，調(diào)整起壟的高度。

6.2 起壟成型器的設(shè)計(jì)

在成型器的設(shè)計(jì)中，主要就擠壓成型和堆壓整形成型進(jìn)行了研究和試制試驗(yàn)，并對(duì)采用強(qiáng)行擠壓成型和堆壓整形成型可能出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行了進(jìn)一步的分析，通過(guò)試制試驗(yàn)和技術(shù)分析，起壟成型器選擇為圖4所示：件1主要是和變速箱上牽引架其連接，件1、件3、件10為組合焊件，在焊件上安裝有件2，件2為鉸鏈組件，件5為鉸鏈結(jié)構(gòu)，件9是調(diào)整桿，件4通過(guò)件2、件5、件9可以進(jìn)行一定角度轉(zhuǎn)動(dòng)做前后浮動(dòng)調(diào)整，件7為鉸鏈結(jié)構(gòu)，件8通過(guò)件7連接，可以做一定角度的上下調(diào)節(jié)浮動(dòng)，通過(guò)件8技術(shù)設(shè)計(jì)和重量，可完成對(duì)壟頂部進(jìn)行平面整形。

圖4 起壟成型機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖1.連接座 2.成型器側(cè)板鉸鏈組件 3.上成型器、阻力桿組件 4.成型器側(cè)板 5.成型器側(cè)板調(diào)整鉸鏈 6.阻力桿 7.上成型器鉸鏈 8.上成型器 9.成型器側(cè)板調(diào)整桿 10.成型器側(cè)板支架

起壟成型示意簡(jiǎn)圖5所示：件1和件4為壟左右成型板，通過(guò)件2、件3、件5的連接和配合，針對(duì)不同的農(nóng)作物起壟尺寸要求，可以通件1、件2、件4的調(diào)整或更換來(lái)完成對(duì)壟兩側(cè)的整形作業(yè)。

圖5 起壟成型器示意簡(jiǎn)圖1.成型器左側(cè)板 2.成型器板鉸鏈座 3.轉(zhuǎn)軸 4.成型器右側(cè)板 5.轉(zhuǎn)軸鉸鏈

7 起壟作業(yè)試驗(yàn)情況分析

筆者在川南地區(qū)選擇不同的土壤進(jìn)行了樣機(jī)試驗(yàn)，測(cè)試內(nèi)容主要包括了試驗(yàn)旱地特征、植被覆蓋測(cè)定、不同土壤的起壟作業(yè)模式、起壟主要參數(shù)、耕深耕寬數(shù)據(jù)、旋耕碎土率、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)測(cè)定等指標(biāo)。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和樣機(jī)試驗(yàn)情況的分析表明，在砂質(zhì)土、黏質(zhì)土、壤土的起壟準(zhǔn)備工作是有不同的，砂質(zhì)土、壤土可以做到直接起壟作業(yè)，如果碎土后起壟效果更好。而黏質(zhì)土尤其是粘性較為強(qiáng)的土壤，需要做前期的碎土耕整作業(yè)，碎土顆粒不大于2cm，碎土效果越好，起壟效果越符合農(nóng)藝要求。試驗(yàn)要求在樣機(jī)工作時(shí)的起壟、碎土率、植被覆蓋率、耕深均能滿足農(nóng)藝上的要求，且生產(chǎn)效率較高，耕后地表平整，松軟，能滿足精耕細(xì)作要求，一次作業(yè)就能達(dá)到煙葉類(lèi)農(nóng)作物種植需要的起壟效果。尤其在起壟試驗(yàn)作業(yè)過(guò)程中也充分體現(xiàn)出來(lái)了，由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用了兩側(cè)板可調(diào)整整形，同時(shí)整型板內(nèi)測(cè)增加有10cm左右的軟整形條，壟頂部整形采用了自由浮動(dòng)整形設(shè)計(jì)，把以前體現(xiàn)出來(lái)的旋耕后松軟土壤在經(jīng)過(guò)成型器強(qiáng)行擠壓產(chǎn)生的泥土擁堵難題徹底解決了，同時(shí)也解決了因?yàn)槟嗤翐矶略斐傻陌l(fā)動(dòng)機(jī)起壟作業(yè)時(shí)負(fù)載過(guò)載的問(wèn)題。

8 1WGV-6.3微型耕作起壟機(jī)應(yīng)用

經(jīng)過(guò)整機(jī)技術(shù)設(shè)計(jì)方案調(diào)整與樣機(jī)的試制，同時(shí)不斷試驗(yàn)、改進(jìn)、試驗(yàn)，1WGV-6.3微型耕作起壟機(jī)的研發(fā)，通過(guò)了四川省農(nóng)業(yè)機(jī)械許可證申請(qǐng)，獲得了省級(jí)農(nóng)業(yè)機(jī)械推廣鑒定證書(shū)和產(chǎn)品定型。經(jīng)過(guò)申報(bào)，取得了整機(jī)實(shí)用新型專利，并通過(guò)科技成果鑒定，獲宜賓市科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)。1WGV-6.3微型耕作起壟機(jī)通過(guò)科技成果轉(zhuǎn)化，進(jìn)入了國(guó)家支持推廣的農(nóng)業(yè)機(jī)械產(chǎn)品目錄，進(jìn)行了推廣應(yīng)用。在農(nóng)機(jī)化技術(shù)推廣應(yīng)用上采取以點(diǎn)及面的方式。該技術(shù)的成功研發(fā)和通過(guò)成果轉(zhuǎn)化應(yīng)用，基本解決了丘陵地區(qū)煙葉、紅薯、玉米類(lèi)需起壟作業(yè)的農(nóng)作物起壟作業(yè)難題，為丘陵地區(qū)農(nóng)業(yè)機(jī)械化起壟作業(yè)的推動(dòng)和普及起到了積極的作用。