沈立新 陳文輝 滕淑霞 顧秀艷 李淼

摘要：黃芪開溝覆膜露頭農(nóng)藝高產(chǎn)優(yōu)勢(shì)明顯，但在實(shí)際生產(chǎn)中移栽環(huán)節(jié)主要依靠人工來完成，導(dǎo)致種植成本快速攀升，是制約根莖類中藥材產(chǎn)業(yè)持續(xù)發(fā)展的“短板”。針對(duì)這一問題，設(shè)計(jì)槽輪式移栽機(jī)點(diǎn)苗機(jī)構(gòu)和覆土機(jī)構(gòu)2個(gè)關(guān)鍵部件。盛苗槽采用正反兩個(gè)方向在沿槽輪圓周方向傾斜排列的方式，通過地輪帶動(dòng)槽輪轉(zhuǎn)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)盛苗槽內(nèi)的黃芪種苗按照正確的姿態(tài)投置在苗溝之中，且滿足種苗向苗溝內(nèi)側(cè)兩邊交替投置的農(nóng)藝要求；覆土機(jī)構(gòu)采用螺旋絞龍結(jié)構(gòu)，這樣有利于實(shí)現(xiàn)苗溝覆土厚度均勻一致，為苗溝回填后保持土壤的平整度提供保障。通過田間試驗(yàn)，樣機(jī)出苗整齊、長勢(shì)良好、單株茁壯，無漏苗現(xiàn)象。在綜合效益方面，相比對(duì)照機(jī)具，項(xiàng)目樣機(jī)可節(jié)約地膜用量52 kg/hm2，減少用工20人/hm2，移栽環(huán)節(jié)可節(jié)省支出2 000元/hm2，同時(shí)為秋季機(jī)械化挖掘收獲作業(yè)創(chuàng)造有利條件。

關(guān)鍵詞：黃芪種苗；槽輪式移栽機(jī)；傾斜槽點(diǎn)苗；絞龍覆土

中圖分類號(hào)：S223.9

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：20955553 （2024） 02007108

收稿日期：2022年9月23日 ?修回日期：2023年7月11日

基金項(xiàng)目：甘肅省科技計(jì)劃（技術(shù)創(chuàng)新引導(dǎo)計(jì)劃）項(xiàng)目（21CX6NG294）

第一作者：沈立新，男，1968年生，甘肅張掖人，高級(jí)工程師；研究方向?yàn)橹兴幉牟シN機(jī)械裝備技術(shù)。Email： 384723473@qq.com

通訊作者：陳文輝，男，1981年生，甘肅天水人，高級(jí)工程師；研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)機(jī)械化技術(shù)應(yīng)用與推廣。Email： 342093704@qq.com

Design and experiment of the key components of the grooved astragalus transplanter

Shen Lixin， Chen Wenhui， Teng Shuxia， Gu Xiuyan， Li Miao

（Agricultural Machinery Technology Promotion Station， Zhangye， 734000， China）

Abstract：

The hole planting of astragalus with ditching and mulching method takes obvious advantages of high yield. However， the transplanting process is quite manually intensive in actual production， leading to a rapid rise in planting costs and restricting the sustainable development of root herb Chinese medicinal materials industry. In order to solve this problem， two key parts of the seedling point mechanism and the soil covering mechanism are designed. The seedling holding tank is arranged in both forward and reverse directions in an inclined manner along the circumference of the tank wheel， and the tank wheel is driven to rotate by the ground wheel. This ensures that the astragalus seedlings are placed in the seedling trench in a scheduled position and that are also placed alternately to the inner sides of the trench. The mulching mechanism adopts the spiral winch method， which is conducive to achieving uniform mulching thickness of the seedling trench and provides a guarantee for maintaining the levelness of the soil after the seedling trench is backfilled. Through the field test， the prototype seedling neatly， good growth， strong single plant and no leakage phenomenon， in terms of comprehensive benefits， compared with the control machine， the project prototype can save 52 kg/hm2 of plastic film consumption， reduce the employment of 20 people/hm2， and save 2 000 yuan/hm2 by transplanting， and create favorable conditions for mechanized digging and harvesting in autumn.

Keywords：

astragalus seedling; grooved wheel transplanter; dip the slot point seedling; the screw conveyor is covered with earth

0 引言

黃芪是常用大宗中藥材，被廣泛應(yīng)用于臨床各科，民間素有“十藥八芪”之說［1］。2020年以來，基于新冠肺炎疫情的防控，國內(nèi)對(duì)黃芪的市場需求極大，在國外植物藥材市場上，黃芪的產(chǎn)地和出口均為中國所獨(dú)有［23］。市場的強(qiáng)勁需求，助推了我國黃芪種植產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展［4］。甘肅沿祁連山冷涼地區(qū)，種植黃芪具有得天獨(dú)厚的自然條件，當(dāng)?shù)卣浞掷眠@一優(yōu)勢(shì)，把黃芪生產(chǎn)作為鞏固脫貧攻堅(jiān)成果的重要舉措，成效顯著［5］。但在實(shí)際生產(chǎn)中，黃芪移栽作業(yè)由于農(nóng)藝落后，管理粗放，產(chǎn)量不高，特別是由于缺乏先進(jìn)適用的專用機(jī)械，移栽作業(yè)一直處于半人工、半機(jī)械化水平，嚴(yán)重制約著這一特色產(chǎn)業(yè)持續(xù)健康發(fā)展［6］。

近年來，黃芪開溝露頭覆膜農(nóng)藝，因產(chǎn)量高且相比傳統(tǒng)半機(jī)械化種植模式省去了放苗工序，被種植戶逐漸認(rèn)可，并在一定范圍得到了積極推廣，但該農(nóng)藝最關(guān)鍵的點(diǎn)苗和覆土環(huán)節(jié)，仍需人工完成，而目前尚無能滿足該生產(chǎn)農(nóng)藝的專用機(jī)具［7］。隨著農(nóng)村勞動(dòng)力短缺形勢(shì)加劇，種植成本高的問題日益凸顯，至今仍未得到根本解決。因此，迫切需要一種能滿足實(shí)際生產(chǎn)需要的專用機(jī)具，為黃芪開溝露頭覆膜高產(chǎn)農(nóng)藝技術(shù)的推廣應(yīng)用提供裝備支撐［8］。

針對(duì)黃芪種苗機(jī)械化移栽環(huán)節(jié)存在的技術(shù)瓶頸，結(jié)合種植區(qū)實(shí)際生產(chǎn)條件，提出以點(diǎn)苗機(jī)構(gòu)傳動(dòng)裝置、盛苗槽、覆土機(jī)構(gòu)為關(guān)鍵部件的槽輪式黃芪移栽機(jī)設(shè)計(jì)方案，并進(jìn)行分析計(jì)算，對(duì)移栽機(jī)點(diǎn)苗機(jī)構(gòu)及整機(jī)作業(yè)質(zhì)量進(jìn)行田間試驗(yàn)，同時(shí)與目前在用的種苗縱置式半機(jī)械化移栽機(jī)進(jìn)行綜合效益對(duì)比，驗(yàn)證槽輪式移栽機(jī)的綜合性能。

1 總體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 農(nóng)藝要求

如圖1所示，采用開溝露頭覆膜，地塊要深松后再旋耕一次，使田間平整，土壤細(xì)碎，這樣有利于機(jī)械作業(yè)。機(jī)械移栽應(yīng)一次完成2溝以上，作業(yè)順序?yàn)椋洪_溝→點(diǎn)苗→覆土→覆膜。技術(shù)要點(diǎn)：第一步：開出苗溝。苗溝橫斷面為近似梯形，溝寬60cm，溝深10cm，相鄰苗溝縱向中心線間距100cm。第二步：溝內(nèi)點(diǎn)苗。點(diǎn)苗時(shí)，苗頭應(yīng)緊靠溝邊橫向水平擺放，相鄰種苗方向相反，且苗頭保持在一條線上，苗深約10cm，間距5cm，溝內(nèi)兩邊苗頭的垂直距離約為60cm。第三步：苗溝覆土。苗溝覆土厚度約10cm，覆土后苗溝土層要連續(xù)、平整。第四步：苗溝覆膜。采用幅寬40cm的地膜，作業(yè)時(shí)地膜中心線要與苗溝中心線俯視重合，保證苗頭露出地膜兩邊10cm左右，壓實(shí)膜邊時(shí)，地膜采光面寬度保持在25cm左右［9］。機(jī)械作業(yè)一個(gè)行程結(jié)束后，下一趟作業(yè)相鄰溝距保持100cm，每公頃保苗22.5～33萬株。

1.2 總體結(jié)構(gòu)

針對(duì)上述農(nóng)藝技術(shù)要求，結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際，提出采用鏵式犁開溝、圓柱體槽輪點(diǎn)苗、絞龍覆土、傳統(tǒng)鋪膜機(jī)覆膜的設(shè)計(jì)思路，主要由開溝犁、槽輪式點(diǎn)苗機(jī)構(gòu)、覆土機(jī)構(gòu)和覆膜裝置4部分組成，如圖2所示。

（a） 苗溝橫向剖面圖

（b） 苗溝俯視圖

1.田間地表

2.苗溝溝底

3.黃芪種苗

4.苗溝覆土

5.地膜

6.苗尾

7.地膜縱向中心線

8.苗頭 9.膜邊覆土

10.苗株露頭長度

11.地膜寬度

（a） 主視圖

（b） 俯視圖

1.覆土絞龍

2.覆膜裝置

3.座椅

4.盛苗槽

5.導(dǎo)向槽

6.黃芪種苗

7.送苗毯

8.懸掛架

9.動(dòng)力輸入軸

10.機(jī)架

11.開溝犁

12.地輪

13.回頭輥

14.槽輪

15.地輪鏈輪

16.導(dǎo)流板

17.槽輪鏈輪

18.聯(lián)軸器

19.減速箱 20.地膜

在機(jī)具最前端并列設(shè)置一對(duì)開溝犁，開溝犁對(duì)稱分布，犁柱可上下調(diào)整，以滿足不同開溝深度的要求，一般入土深度10cm；在2個(gè)開溝犁后側(cè)，設(shè)置槽輪式點(diǎn)苗機(jī)構(gòu)，它由槽輪、盛苗槽、送苗毯和動(dòng)力傳遞組件等組成，在正常作業(yè)時(shí)，槽輪底部距田間地表約5cm，其動(dòng)力分別由2只地輪通過傳動(dòng)鏈輪輸入；2只地輪設(shè)置在機(jī)架外側(cè)，地輪軸為半軸結(jié)構(gòu)，在靠近槽輪一側(cè)裝有傳動(dòng)鏈輪，在地輪承載著整機(jī)行走的同時(shí)，通過傳動(dòng)鏈條帶動(dòng)，為點(diǎn)苗機(jī)構(gòu)中的槽輪提供旋轉(zhuǎn)動(dòng)力；在槽輪的后下方，設(shè)置有覆土絞龍，絞龍分左右旋兩段，分別與減速箱兩側(cè)的輸出軸連接，減速箱固定于機(jī)架縱向中心線上，絞龍外緣與田間地表相切，減速箱輸入軸與拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸連接，覆膜裝置設(shè)置在機(jī)架尾部；在一對(duì)槽輪式點(diǎn)苗機(jī)構(gòu)后側(cè)，設(shè)置有供輔助投苗操作人員使用的座椅。槽輪式黃芪移栽機(jī)的開溝犁、點(diǎn)苗機(jī)構(gòu)、地輪、覆土絞龍、覆膜裝置、座椅均以機(jī)架縱向幾何中心線對(duì)稱分布。

1.3 工作原理

如圖3所示，準(zhǔn)備作業(yè)時(shí)，移栽機(jī)與拖拉機(jī)可靠掛接后，接通動(dòng)力，覆土絞龍空負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，落下整機(jī)后，在拖拉機(jī)牽引下，移栽機(jī)開始帶負(fù)荷作業(yè)。由于開溝犁犁刃低于田間地表10cm，因此開溝犁首先入土并翻犁出苗溝，溝內(nèi)土壤被翻置在苗溝兩邊，形成兩條小壟，苗溝深10cm，溝寬60cm，為后續(xù)橫置點(diǎn)苗作業(yè)創(chuàng)造了適宜的苗床條件。正常作業(yè)時(shí)槽輪式點(diǎn)苗機(jī)構(gòu)在地輪驅(qū)動(dòng)下做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，盛苗槽轉(zhuǎn)動(dòng)到槽輪頂部時(shí)，種苗通過人工輔助被投放在盛苗槽內(nèi)，隨著槽輪轉(zhuǎn)動(dòng)，盛苗槽在導(dǎo)輥和送苗毯作用下逐個(gè)被暫時(shí)封閉。由于盛苗槽相對(duì)于槽輪圓柱中心線傾斜安裝在槽輪圓周表面，所以，隨著槽輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，盛苗槽內(nèi)的黃芪種苗在重力作用下將向一端滑移，直到苗頭被槽輪內(nèi)側(cè)邊阻擋后停止滑移，這樣就可實(shí)現(xiàn)種苗落地后苗頭在一條直線上；當(dāng)盛苗槽隨著槽輪繼續(xù)向下轉(zhuǎn)動(dòng)到達(dá)送苗毯回頭輥的位置時(shí)，盛苗槽的封閉狀態(tài)被瞬間打開，這時(shí)種苗隨之落入苗溝，這樣，在槽輪連續(xù)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)過程中，種苗被按照一定的間距，橫向排列在苗溝底，而緊跟其后的覆土機(jī)構(gòu)在絞龍的轉(zhuǎn)動(dòng)下，將苗溝兩邊在開溝時(shí)翻拋出的土壤，全部回填至苗溝中并整理平整，為下一步覆膜作業(yè)創(chuàng)造條件；覆膜作業(yè)時(shí)，膜邊覆土耙片的切入點(diǎn)遠(yuǎn)離膜邊約12cm，防止膜邊覆土圓盤耙傷及苗頭情況的發(fā)生。

2 關(guān)鍵機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

點(diǎn)苗機(jī)構(gòu)、苗溝覆土機(jī)構(gòu)和行走機(jī)構(gòu)是黃芪移栽機(jī)的核心工作組件，直接關(guān)系到整機(jī)的綜合性能和作業(yè)質(zhì)量，因此是設(shè)計(jì)工作的重點(diǎn)［1011］。

2.1 點(diǎn)苗機(jī)構(gòu)傳動(dòng)設(shè)計(jì)

為保證種苗能夠按農(nóng)藝要求的間距均勻排列在苗溝中，槽輪式黃芪移栽機(jī)采用槽輪式點(diǎn)苗結(jié)構(gòu)，主要有槽輪、盛苗槽、傳動(dòng)裝置組成，當(dāng)槽輪在地輪驅(qū)動(dòng)下，盛苗槽中的黃芪種苗被逐個(gè)投置在苗溝內(nèi)。當(dāng)槽輪正常工作時(shí)，與其聯(lián)動(dòng)的還有地輪鏈輪和槽輪鏈輪，其技術(shù)參數(shù)在滿足農(nóng)藝要求的前提下，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)同時(shí)予以考慮［1214］。需要先分析計(jì)算出傳動(dòng)比與組件、苗間距之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。

i=ω地ω槽=dTDt

（1）

式中：

i——地輪與送苗槽輪間的傳動(dòng)比；

ω地——地輪的轉(zhuǎn)速，r/min；

ω槽——槽輪的轉(zhuǎn)速，r/min；

d——地輪的外徑，cm；

t ——苗間距，cm；

D——槽輪外徑，cm；

T——

槽輪外徑上相鄰盛苗槽之間的垂直距離，cm。

為使種苗間距符合農(nóng)藝要求，在確定地輪與槽輪之間的傳動(dòng)比時(shí)，必須滿足一個(gè)條件，即：當(dāng)?shù)剌喸诘孛媲斑M(jìn)5cm的弧長時(shí)，槽輪剛好轉(zhuǎn)過相鄰盛苗槽之間的一個(gè)夾角，也就是說，移栽機(jī)每前進(jìn)5cm，就有一株黃芪種苗被投置在苗溝之中。實(shí)際中，地輪選配標(biāo)準(zhǔn)橡膠輪，外徑d=62cm；相鄰苗間距t=5cm，槽輪外徑D=96cm，盛苗槽間距T=20cm，將以上數(shù)據(jù)代入式（1）可得i=24/31。

綜合考慮，地輪與槽輪之間只設(shè)置一級(jí)減速，地輪鏈輪齒數(shù)取24；槽輪鏈輪齒數(shù)取31。

由于移栽機(jī)由拖拉機(jī)牽引作業(yè)，正常行走速度一般在0.15～0.25m/s，地輪轉(zhuǎn)速慢、負(fù)荷輕。出現(xiàn)整機(jī)發(fā)生滑轉(zhuǎn)現(xiàn)象的唯一因素來自地輪軸承和槽輪軸承出現(xiàn)了機(jī)械阻卡，由于地輪軸承和槽輪軸承均選用了單列向心滾動(dòng)軸承，安裝位置距離地表分別在28cm和40cm以上，工作條件相對(duì)較好，當(dāng)軸承獲得正確和及時(shí)保養(yǎng)后，移栽機(jī)作業(yè)時(shí)，軸承滾珠在滾道內(nèi)被阻卡的情況幾乎不會(huì)發(fā)生，因此，傳動(dòng)比計(jì)算不再考慮滑轉(zhuǎn)率。

2.2 盛苗槽傾斜角設(shè)計(jì)

盛苗槽傾斜角設(shè)計(jì)包括兩部分：盛苗槽傾斜角度的選擇依據(jù)和種苗在盛苗槽所受離心力對(duì)正常作業(yè)影響的分析。

1） 盛苗槽傾斜角選擇依據(jù)。如圖3所示，盛苗槽共18組，全部在槽輪圓柱面上呈傾斜方向交替排列，這樣設(shè)計(jì)的目的，是因?yàn)楫?dāng)種苗在盛苗槽中隨著槽輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，傾斜角不斷變大，種苗受重力作用，可以滑向槽輪側(cè)板的一端，從而滿足苗頭在即將離開盛苗槽落入苗溝時(shí)，苗頭基本保持在一條直線上的農(nóng)藝要求。為降低種苗在盛苗槽內(nèi)滑動(dòng)阻力，盛苗槽選用鍍鋅薄鐵皮壓制，并打磨內(nèi)壁，保證槽內(nèi)平直光滑。

（a） 盛苗槽軸測(cè)圖

（b） 盛苗槽所在圓周面展開圖

1.槽輪鏈輪

2.盛苗槽

3.槽輪側(cè)板

4.槽輪內(nèi)壁寬

5.傾斜角

6.槽輪外圓周長

如圖4所示，當(dāng)盛苗槽隨著槽輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，與水平面形成的傾斜角α將逐漸增大，當(dāng)α達(dá)到某一臨界值時(shí)，種苗開始在盛苗槽內(nèi)向水平位置較低的一端滑動(dòng)。圖4中，α表示盛苗槽相對(duì)水平面的傾斜角，（°）；

G表示種苗所受重力，N；

F表示重力沿斜面的分力，N；

f表示種苗下滑摩擦力，N；

N1表示盛苗槽對(duì)種苗的支撐力，N；

N2表示種苗對(duì)盛苗槽的正壓力，N。

1.槽輪內(nèi)側(cè)

2.盛苗槽內(nèi)壁

3.種苗質(zhì)點(diǎn)

4.槽輪軸中心線所在水平面

當(dāng)F≥f時(shí)，種苗在盛苗槽內(nèi)開始下滑［15］。根據(jù)這一條件，可以計(jì)算確定盛苗槽的傾斜角

α≥cos-1fμG

（2）

式中：

μ——靜態(tài)摩擦系數(shù)。

取μ=0.45，代入式（2）可得α≥20.8°，實(shí)際傾斜角α取21°。

2） 種苗在盛苗槽所受離心力分析。如圖5所示，由于盛苗槽安裝在槽輪圓周面上，正常作業(yè)時(shí)，槽輪的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)會(huì)造成盛苗槽內(nèi)的種苗產(chǎn)生離心力

FL=mv2/r

（3）

式中：

FL——種苗所受離心力，N；

m——種苗質(zhì)量，kg，這里取0.032kg；

v——種苗線速度，m/s，這里取0.25m/s；

r——槽輪半徑，m，這里取0.48m。

代入式（3）得：FL=4.2×10-3N。

當(dāng)盛苗槽在A點(diǎn)時(shí)，克服FL而使種苗不發(fā)生徑向運(yùn)動(dòng)時(shí)應(yīng)滿足式（4）。

Fa=G

（4）

式中：

Fa——種苗在A點(diǎn)所受離心力，N。

當(dāng)盛苗槽在B點(diǎn)時(shí)，克服FL而使種苗不發(fā)生徑向運(yùn)動(dòng)時(shí)應(yīng)滿足式（5）。

Fb=f2=μG

（5）

式中：

Fb——種苗在B點(diǎn)所受離心力，N；

f2——種苗在B點(diǎn)所受摩擦阻力，N。

當(dāng)盛苗槽在A點(diǎn)和B點(diǎn)之間的任意位置C點(diǎn)時(shí)，克服FL而使種苗不發(fā)生徑向運(yùn)動(dòng)時(shí)應(yīng)滿足式（6）。

Fc=f1+Gcos（90-θ）=G（μcosθ+sinθ）

（6）

式中：

Fc——種苗在C點(diǎn)所受離心力，N；

f1——種苗在C點(diǎn)所受摩擦阻力，N；

θ——種苗質(zhì)點(diǎn)在C點(diǎn)與水平面的夾角，（°）。

比較式（4）、式（5）和式（6）的大小，可以得出

Fb

1.槽輪 2.種苗質(zhì)點(diǎn)

因此，要分析FL是否小于其反作用力Fa、Fb、Fc，只需比較FL與Fb的大小即可，將相關(guān)參數(shù)代入式（5）可得

Fb=1.4×10-1N。

可以看出：FLFb，因此，移栽機(jī)正常作業(yè)時(shí)不會(huì)造成種苗飛離盛苗槽的情況，同時(shí)需要說明的是，盛苗槽逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)至B點(diǎn)以后，種苗在盛苗槽內(nèi)緊靠槽輪一側(cè)的姿態(tài)已經(jīng)形成，槽輪在送苗毯的包裹之下，種苗一直停留在送苗毯與盛苗槽之間的封閉空間內(nèi)，隨著槽輪的回轉(zhuǎn)，種苗在送苗毯回頭輥處被投置到苗溝的那一刻前，種苗在盛苗槽內(nèi)的位置始終未發(fā)生改變，因此，不再討論種苗發(fā)生徑向運(yùn)動(dòng)的情況。

2.3 覆土機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

覆土機(jī)構(gòu)主要由絞龍、聯(lián)軸器和減速箱組成，如圖6所示。減速箱固定在機(jī)架中央，動(dòng)力由輪式拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸經(jīng)聯(lián)軸器輸送給減速箱，再由減速箱輸出軸經(jīng)甲殼聯(lián)軸器與絞龍聯(lián)結(jié)，左右兩段絞龍螺旋方向相反，可將土壤均勻運(yùn)送至苗溝中，并均勻覆蓋，為覆膜作業(yè)做好準(zhǔn)備［16］。移栽機(jī)作業(yè)幅寬為2000mm，因此絞龍總長L確定為2000mm，螺旋體葉片厚3mm。為滿足農(nóng)藝技術(shù)對(duì)覆土層厚度的要求，絞龍外徑φ確定為265mm。絞龍旋轉(zhuǎn)主軸直徑ψ取0.18倍的絞龍外徑。

1.絞龍 2.蝸桿蝸輪減速箱 3.甲殼聯(lián)軸器

綜上已經(jīng)確定了覆土機(jī)構(gòu)的工作幅寬，絞龍直徑的具體尺寸也可確定，因此只需確定絞龍的螺距即可［1718］，其最大螺距應(yīng)滿足以下兩個(gè)要求。

1） 土壤在絞龍葉片面軸向作用力F1>0。

F1=Fcos（β+γ）>0

（7）

式中：

F1——

土壤沿絞龍軸向所受到的力， N ；

F——土壤受到的合力，?N ；

β——絞龍的螺旋升角，（°）；

γ——土壤摩擦角，（°），本文取28°。

為了使F1>0，需滿足條件：β=π2-γ。

在絞龍螺旋葉片根部與軸相交處，絞龍螺旋升角α最大，軸向作用力最?。?9］，依據(jù)此條件，絞龍螺距最大值公式如式（8）所示。

S<πψtanπ2-γ

（8）

式中：

S——絞龍螺距，mm；

ψ——絞龍旋轉(zhuǎn)主軸直徑，mm。

絞龍旋轉(zhuǎn)主軸直徑取0.18倍的絞龍外徑為47.7mm，代入式（8）可得螺距最大值應(yīng)小于282mm。

2） 回填苗溝的土壤拋出速度。在理想狀態(tài)下，因開溝而分流到苗溝兩邊的土壤，應(yīng)全部回填到苗溝內(nèi)，因此，苗溝兩邊的土壤應(yīng)具有較快的軸向推送速度，且這個(gè)速度應(yīng)大于圓周旋轉(zhuǎn)速度，以防止應(yīng)回填土壤發(fā)生徑向流失的情況［2022］。

S<πφtanπ4-γ

（9）

式中：

φ——絞龍外徑，mm。

因此螺距最大值應(yīng)小于250 mm。絞龍螺距增大時(shí)，軸向推送速度增加，但圓周旋轉(zhuǎn)隨之增加，使得土壤出現(xiàn)飛濺的可能，從而降低了勻覆土裝置的覆士能力，造成回填表層土壤不平整，出現(xiàn)土壤局部堆積的情況，進(jìn)而嚴(yán)重影響接下來覆膜作業(yè)的順利進(jìn)行，因此設(shè)計(jì)絞龍螺距S取值為160 mm。

3 田間試驗(yàn)

2022年4月中旬，項(xiàng)目組在甘肅省民樂縣組織開展了樣機(jī)田間試驗(yàn)。民樂縣自古就有種植黃芪的傳統(tǒng)，這里地處祁連山北麓冷涼地區(qū)，土質(zhì)優(yōu)良，氣候適宜，黃芪移栽面積每年保持在7000hm2以上，是鞏固脫貧攻堅(jiān)成果的重要特色產(chǎn)業(yè)，在這里開展樣機(jī)試驗(yàn)，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

田間試驗(yàn)包括兩項(xiàng)內(nèi)容，一是考察槽輪式黃芪移栽機(jī)性能；二是與當(dāng)下在用的種苗縱置式半機(jī)械化移栽機(jī)進(jìn)行效益對(duì)比。機(jī)具主要參數(shù)如表1所示，試驗(yàn)場地條件如表2所示。

3.1 主要質(zhì)量指標(biāo)及測(cè)定方法

考察槽輪式黃芪移栽機(jī)的作業(yè)質(zhì)量，主要以是否滿足黃芪開溝露頭覆膜農(nóng)藝要求為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)合移栽機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，確定以開溝合格率、苗深合格率、傷苗率、覆膜合格率、苗間距合格率、苗株露頭合格率、苗頭直線度、覆土平整度這8項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)來衡量移栽機(jī)綜合性能與作業(yè)質(zhì)量。其中，前4項(xiàng)計(jì)算方法參照中國農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)會(huì)《根莖類中藥材移栽機(jī)》試驗(yàn)方法和NY/986—2006《鋪膜機(jī)作業(yè)質(zhì)量》等規(guī)范進(jìn)行［2324］，后4項(xiàng)指標(biāo)的說明和計(jì)算如下。

1） 苗間距合格率：按照設(shè)計(jì)行進(jìn)速度完成一個(gè)作業(yè)行程后，在作業(yè)幅寬上隨機(jī)選定5個(gè)小區(qū)，在各小區(qū)內(nèi)測(cè)定所有苗間距，85～115mm以內(nèi)的為合格，至少測(cè)定3個(gè)行程，按照式（10）計(jì)算苗間距合格率。

Q=UV×100%

（10）

式中：

Q——苗間距合格率，%；

U——間距合格測(cè)點(diǎn)數(shù)之和，個(gè)；

V——全部測(cè)點(diǎn)數(shù)之和，個(gè)。

2） 苗株露頭合格率：按照設(shè)計(jì)行進(jìn)速度完成一個(gè)作業(yè)行程后，在作業(yè)幅寬上隨機(jī)選定5個(gè)小區(qū)，苗頭超出地膜外邊在20～100mm以內(nèi)的為合格，至少測(cè)定3個(gè)行程，按照式（11）計(jì)算苗株露頭率合格率。

J=XV×100%

（11）

式中：

J——苗株露頭距合格率，%；

X——苗株露頭測(cè)點(diǎn)合格數(shù)之和，個(gè)。

3） 苗頭直線度：解除移栽機(jī)覆土和覆膜裝置后，按照設(shè)計(jì)行進(jìn)速度完成一個(gè)作業(yè)行程后，緊挨著苗溝兩邊緣分別釘2個(gè)樁，在溝底沿苗溝縱向方向系上1根細(xì)繩，兩繩間距60cm，隨機(jī)選取20m，觀測(cè)苗頭整齊程度，苗頭距離細(xì)繩5cm以內(nèi)的為合格，至少測(cè)定3個(gè)行程，按照式（12）計(jì)算苗頭直線度。

W=ZV×100%

（12）

式中：

W——苗頭直線度，%；

Z——苗頭直線度測(cè)點(diǎn)合格數(shù)之和，個(gè)。

4） 覆土平整度：指覆土作業(yè)后，苗溝表面土壤的平整程度，采用作業(yè)幅寬內(nèi)田間地表高度差值來評(píng)價(jià)。數(shù)值小于或等于3cm為合格，大于3cm為不合格。測(cè)量時(shí)，取一個(gè)作業(yè)幅寬，在垂直于作業(yè)方向切挖一斷面，兩端垂直于地面分別釘一個(gè)樁，在樁上系一細(xì)繩，固定在距地表面60cm處，以細(xì)繩水平面為基準(zhǔn)面，在細(xì)繩上分別相隔10cm取一個(gè)測(cè)量點(diǎn)，量取測(cè)點(diǎn)與覆土后地面的豎直距離，按式（13）計(jì)算出地表平整度。

R=h－Δh

（13）

式中：

R——地表平整度，cm；

h——

各測(cè)點(diǎn)覆土后地表面與相對(duì)基準(zhǔn)面的距離，cm；

Δh——

相對(duì)基準(zhǔn)面與地表面的距離，實(shí)際計(jì)算時(shí)取50cm。

至少測(cè)定3個(gè)行程，每個(gè)行程測(cè)定5個(gè)點(diǎn)，然后按照式（14）計(jì)算覆土平整度。

K=MV×100%

（14）

式中：

K——覆土平整度，%；

M——各測(cè)量點(diǎn)合格數(shù)之和，個(gè)。

3.2 試驗(yàn)條件與試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)條件要求：黃芪種苗長度相對(duì)一致，粗細(xì)均勻，長度一般在30～50cm，移栽前應(yīng)對(duì)種苗進(jìn)行分揀，去除過長過短以及有創(chuàng)傷的種苗；試驗(yàn)地塊應(yīng)旋耕1次，耕深應(yīng)大于18cm，地表平整，不應(yīng)有大土塊和石塊，土塊最大顆粒尺寸不大于40cm，無秸稈、殘膜及雜草等障礙物，土壤含水率不大于25%；移栽機(jī)作業(yè)速度15m/s，拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸轉(zhuǎn)速550r/min。

槽輪式點(diǎn)苗機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)是否合理、可靠，決定著整機(jī)性能，有必要進(jìn)行單體田間試驗(yàn)，同時(shí)，為了能夠直觀察驗(yàn)樣機(jī)田間作業(yè)情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)存在的問題，方便測(cè)定工作，項(xiàng)目組決定田間試驗(yàn)分段進(jìn)行，即移栽機(jī)核心部件——槽輪式點(diǎn)苗機(jī)構(gòu)作業(yè)質(zhì)量測(cè)定單獨(dú)進(jìn)行，然后再進(jìn)行整機(jī)性能試驗(yàn)。

1） 點(diǎn)苗機(jī)構(gòu)田間試驗(yàn)。將移栽機(jī)覆土機(jī)構(gòu)和覆膜裝置解除后，即可進(jìn)行點(diǎn)苗工序作業(yè)試驗(yàn)，主要測(cè)定的作業(yè)質(zhì)量指標(biāo)有苗間距合格率、苗頭直線度等，實(shí)際作業(yè)效果如圖7所示，苗間距相對(duì)均勻，苗頭靠邊相對(duì)整齊，苗株橫向角度為10°～25°，這是由于盛苗槽是以螺旋方向安裝在槽輪圓柱面上的原因造成的，但這并不影響點(diǎn)苗質(zhì)量。具體測(cè)定的試驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)統(tǒng)計(jì)整理后如表3所示。

1.膜邊覆土

2.地膜

3.苗溝

4.黃芪種苗

2） 整機(jī)性能試驗(yàn)。移栽機(jī)點(diǎn)苗機(jī)構(gòu)作業(yè)質(zhì)量通過后，進(jìn)行了整機(jī)性能試驗(yàn)，主要測(cè)定開溝合格率等6項(xiàng)作業(yè)質(zhì)量指標(biāo)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)取平均值后作為田間試驗(yàn)結(jié)果，如表4所示。

由于目前國內(nèi)尚無有關(guān)槽輪式黃芪移栽機(jī)作業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，所以項(xiàng)目組邀請(qǐng)市級(jí)中藥材專班有關(guān)專家和當(dāng)?shù)攸S芪種植合作社技術(shù)人員，對(duì)樣機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了評(píng)價(jià)，認(rèn)為試驗(yàn)確定需要測(cè)定的各項(xiàng)作業(yè)質(zhì)量指標(biāo)，能較全面地反映移栽機(jī)的整體性能，試驗(yàn)數(shù)據(jù)水平基本滿足實(shí)際生產(chǎn)需要，可以保證保苗率和移栽質(zhì)量。

3.3 效益對(duì)比

效益對(duì)比所選的對(duì)照機(jī)具，是具有代表性的沿祁連山冷涼地區(qū)黃芪移栽生產(chǎn)中廣泛使用的種苗縱置式半機(jī)械化移栽機(jī)，當(dāng)試驗(yàn)機(jī)具和對(duì)照機(jī)具均完全滿足各自農(nóng)藝技術(shù)要求時(shí)，對(duì)照機(jī)具輔助投苗需9人，試驗(yàn)機(jī)具輔助投苗需4人，在兩種機(jī)型均完成1hm2作業(yè)面積的情況下，進(jìn)行了綜合效益對(duì)比，通過對(duì)比作業(yè)試驗(yàn)，試驗(yàn)機(jī)具作業(yè)效率為0.15hm2/h，對(duì)照機(jī)具作業(yè)效率為0.26hm2/h，人工支出按照120元/人計(jì)算；雖然對(duì)照機(jī)具作業(yè)效率是移載樣機(jī)的1.7倍，但在用工、地膜使用量以及后期田間管理環(huán)節(jié)方面，試驗(yàn)機(jī)具的生產(chǎn)效益具有明顯優(yōu)勢(shì)，經(jīng)折算，完成單位面積移栽作業(yè)后，試驗(yàn)機(jī)具和對(duì)照機(jī)具費(fèi)用支出情況如表5所示。

從表5可以看出，使用槽輪式移載機(jī)每公頃可節(jié)省地膜使用量52.5kg、人工1個(gè)，在后期田間管理中，省去放苗環(huán)節(jié)，每公頃節(jié)省人工20個(gè)，僅此一項(xiàng)，節(jié)約支出2000多元，效益優(yōu)勢(shì)明顯。2022年6月，查苗情況如圖8所示，可以明顯看出，槽輪式移載機(jī)作業(yè)的出苗整齊、長勢(shì)良好、單株茁壯，無漏苗現(xiàn)象，出苗率達(dá)到92%，說明樣機(jī)能較好地滿足黃芪露頭覆膜農(nóng)藝技術(shù)要求，具有推廣價(jià)值。

（a） 樣機(jī)移栽

（b） 對(duì)照機(jī)具移栽

4 結(jié)論

1） 針對(duì)黃芪露頭覆膜高產(chǎn)農(nóng)藝無機(jī)可用的“短板”問題，設(shè)計(jì)了能夠一次移栽2溝的槽輪式種苗移栽機(jī)，樣機(jī)可一次完成開溝、點(diǎn)苗、覆土、覆膜4道工序，整機(jī)在田間試驗(yàn)過程中運(yùn)行平穩(wěn)，各項(xiàng)作業(yè)質(zhì)量考核指標(biāo)均達(dá)到或接近農(nóng)藝技術(shù)要求，為下一步推廣應(yīng)用多溝移栽作業(yè)模式，大幅提高移栽效率積累了實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，獲取了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2） 田間試驗(yàn)中，對(duì)移載機(jī)的作業(yè)質(zhì)量和對(duì)照機(jī)具綜合效益進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果表明：移載機(jī)開溝合格率為96%、苗深合格率為94%、苗間距合格率為96%、覆土平整度為91%、苗株露頭合格率為92%、傷苗率為2%、覆膜合格率90%，相比對(duì)照機(jī)具，出苗整齊、長勢(shì)良好、單株茁壯，出苗率高，無漏苗現(xiàn)象。

3） 槽輪式點(diǎn)苗機(jī)構(gòu)是關(guān)鍵部件之一，由于盛苗槽采用了傾斜式設(shè)計(jì)，較好地適應(yīng)了田間作業(yè)環(huán)境，在風(fēng)力小于4級(jí)的作業(yè)條件下，苗株投置準(zhǔn)確率達(dá)到90%以上。但在河西走廊沿祁連山冷涼地區(qū)，黃芪移栽一般在4月中旬開始5月上旬結(jié)束，恰恰在這個(gè)時(shí)間段里，大風(fēng)天氣出現(xiàn)較頻繁，事實(shí)上，當(dāng)風(fēng)力在5及以上時(shí)，種苗在落地時(shí)受風(fēng)力的吹動(dòng)作用會(huì)發(fā)生位置漂移，這樣直接影響了準(zhǔn)確率，因此，試驗(yàn)機(jī)具在防風(fēng)功能方面還存在一定缺陷，針對(duì)這一問題，槽輪式點(diǎn)苗機(jī)構(gòu)在結(jié)構(gòu)上還需進(jìn)一步完善優(yōu)化。

4） 設(shè)計(jì)了螺旋均勻覆土機(jī)構(gòu)，確定了絞龍總長、葉片厚、主軸直徑、螺距等主要參數(shù)，可有效防止回填土壤表層出現(xiàn)凹凸不平甚至壅土情況的發(fā)生。但當(dāng)拖拉機(jī)輸出軸轉(zhuǎn)速低于550r/min時(shí)，將出現(xiàn)覆土不到位的情況，高于700r/min時(shí)，苗溝中央將會(huì)出現(xiàn)土壤堆積現(xiàn)象，這給機(jī)手操作帶來了一定挑戰(zhàn)。因此，覆土效率難以繼續(xù)提高。

5） 送苗毯是槽輪式點(diǎn)苗機(jī)構(gòu)的輔助部件，在正常使用初期運(yùn)轉(zhuǎn)正常，但由于送苗毯采用的是聚氨酯材料，張緊后易變形，導(dǎo)致送苗毯跑偏，影響移栽作業(yè)的正常進(jìn)行，考慮回頭輥使用橡膠輥面，輥面采用弧線結(jié)構(gòu)，以克服送苗毯跑偏情況的發(fā)生。

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