基于久保田插秧機同步覆膜裝置設計與試驗

從光波,史乃煜,陳海濤

(東北農業大學 工程學院,哈爾濱 150030)

0 引言

近年來,在追求稻米產量過程中,過度使用農藥、化肥與塑料地膜等,造成土壤板結、有害菌超標及土壤的營養結構被破壞,且塑料地膜被深埋入地底難以降解,嚴重制約生態環境可持續發展[1-5],導致可用來農耕的土地越來越少,人們逐漸意識到食品安全的重要性,越來越喜歡有機水稻。由于有機水稻生產條件十分苛刻,我國有機水稻種植面積十分稀少,相對于水稻總種植面積0.31億hm2,有機水稻還有很長的路要走[6-8]。

有機水稻難以大面積種植,歸根結底在于沒有一套合理且易于實施的機械化生產方式。水稻覆膜栽培技術是指在水稻生長發育過程中應用地膜覆蓋水田表面,水田經地膜覆蓋有節水、節肥和抑草等好處,可減少農藥及化肥使用,是一套有效的有機水稻生產方式[9-11]。傳統的地膜雖然能有效地抑草節水,但均有難回收、難降解的弊端。為此,東北農業大學團隊以農作物秸稈為主要研究開發了秸稈纖維基地膜,該地膜利用其不透光性質,不但有抑草、節水、防病與增產等效果,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分被土壤吸收,達到秸稈科學還田的效果,為有機水稻的生產開辟了一條新路徑,也可解決困擾多年的秸稈處理問題[12-14]。

秸稈纖維基地膜優勢十分明顯,但其推廣進程卻步履蹣跚,歸根結底在于缺少與之相配套的覆膜機械。目前,秸稈纖維基地膜的敷設仍大多采用手工覆膜的方式,作業效率低下,不利于秸稈纖維基地膜的推廣。東北農業大學團隊前期研制了與洋馬VP6D型插秧機配套的覆膜裝置,可高質量完成秸稈纖維基地膜的敷設,一次進地即可完成覆膜、插秧兩項作業,并采用了同步開孔插秧機技術,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,單單一種插秧機型無法滿足農戶的要求,難以大面積推廣。因此,研發新型覆膜插秧機,不僅為農作物秸稈制造的秸稈纖維基地膜的普及提供裝備技術支撐,同時對覆膜栽培有機水稻技術的推廣應用具有重要的現實意義。

1 覆膜插秧機結構組成及工作原理

1.1 結構組成

NSPU-68CM覆膜插秧機主要由插秧機機身、覆膜裝置及同步開孔插秧裝置3部分組成,如圖1所示。該機具主要參數如表1所示。

1.2 工作原理

考慮到覆膜后插秧與機器整體協調性,將覆膜裝置加裝在插秧機機身與秧板間,通過螺栓、銷子等連接件將覆膜裝置緊固在插秧機上。同步插秧開孔刀加裝在原機秧針上,通過螺栓緊固,隨分插機構運動的同時,完成覆膜開孔插秧作業。

1.插秧機機身 2.覆膜裝置 3.同步開孔插秧裝置

表1 久保田NSPU-68CM型水稻插秧機基本參數

作業時,駕駛員首先驅動插秧機行駛至田間地頭,將地膜扯出(扯出地膜長度應超過切膜刀5cm),將插秧機秧板逐漸放至工作位置,此時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,駕駛員驅動插秧機緩慢前行,待穩定后逐漸提速。插秧機向前行駛過程中,地膜受到壓膜輥表面鎮壓撫平作用與壓邊輪壓邊和使地膜向兩側拉伸的力,地膜將深深地“嵌入”水田中,保證地膜與水田間無間隙,且地膜不會被風吹離水田表面,以保證地膜抑草、節水效果。同時,同步插秧開孔刀隨分插機構運轉,秧苗在接觸水田表面前,在地膜上開出相對應膜孔,避免秧苗直接接觸地膜導致傷根,從而縮短了緩苗期,保證高精度、高質量覆膜插秧作業。插秧機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;駕駛員驅使插秧機進入下一行覆膜插秧作業,如此循環,直至插秧結束。

2 地膜敷設裝置關鍵部件設計

2.1 掛膜裝置設計

掛膜裝置是整個覆膜裝置關鍵核心部件,用以懸掛固定地膜卷,使地膜卷能在插秧機工作和行駛時被置于適當高度,保證膜卷能夠輕松自轉,給予輕微拉力時,能自由出膜。由于田間作業環境十分惡劣,掛膜裝置應對地膜卷有充分保護作用,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,影響覆膜質量。目前,秸稈纖維基地膜卷規格為: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根據地膜卷幾何尺寸設計,如圖2所示。

1. 掛膜輥 2.掛接點 3.膜筒

2.2 壓膜裝置設計

壓膜裝置的作用是將已敷設在水田表面的地膜敷平、壓實,使地膜與水田表面緊密貼合,保證地膜與水田間無架空現象,是保證覆膜質量好壞的重要一環。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,整個壓膜裝置由3個壓膜輥組穿接而成,應保證壓膜的寬度達到1 740mm。將壓膜輥設成一大一小后,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,避免出膜直上直下現象。為加裝覆膜裝置敷設地膜,需將插秧機本身所帶的浮板拆卸下來,浮板對已敷設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,為插秧機秧板的仿形機構提供動力源;若采用兩個小的壓膜輥,則壓膜輥組所提供的浮力不足,因此將另一個壓膜輥增大,以增大浮力。壓膜輥中間掛與插秧機秧板的液壓仿形機構相連接,壓膜輥組所產生的浮力將通過壓膜輥中間掛直接傳遞給液壓仿形機構,液壓仿形機構則根據所傳遞來的力的大小控制插秧機秧板的升降,完成對地形的仿形,進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動,同時壓膜輥棒上還套有壓縮彈簧,能增大對地膜的鎮壓力,提升覆膜鎮壓質量。

2.3 壓邊裝置設計

經試驗發現,已敷設鎮壓好的地膜經常因大風天氣而被吹起翹邊,甚至吹離田間表面,極大影響了地膜的抑草節水效果,如圖4所示。為此,需對敷設的地膜進行邊緣鎮壓,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本身所帶螺紋孔經螺栓固接在插秧機秧板的支撐梁上,且壓邊輪能在壓邊輪掛上自由旋轉,通過扭簧來加大壓邊輪對膜邊的鎮壓力,使地膜的膜邊“嵌入”水田之中,進而使地膜牢牢地貼在水田表面,不會被大風吹起。壓邊輪采用錐形的結構,該結構使壓邊輪既有向下鎮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。其內裝有軸承,使壓邊輪能繞著壓邊輪框自由的旋轉,且軸承的兩端有防水密封圈,防止軸承接觸水而銹蝕。膜邊鎮壓的寬度與深度至少在50mm以上,故應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軸直徑應相差55mm左右,同時壓邊輪產生垂直鎮壓力要足夠大,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 切膜裝置設計

當插秧機沿著田間一行前進插秧覆膜工作至地頭時,需將地膜切斷壓實,然后掉頭進行下一行作業;插秧機駕駛員需下機至田間,用刀將地膜切斷,后用田間泥土將地膜壓實,防止被風吹起,此過程十分繁雜耗時。為此,增加切膜裝置,使駕駛員無需下田即可實現對地膜的切斷鎮壓,以完成掉頭作業。切膜裝置由切膜刀、切膜刀座、閘線、復位彈簧與切膜刀把手5部分組成,如圖6所示。

當駕駛員驅使插秧機工作至田間地頭時,駕駛員迅速拉下切膜刀的把手,切膜刀把手拖動閘線再牽引拖動切膜刀,使切膜刀順時針轉動,完成切斷鎮壓動作。切斷動作完成后,駕駛員松下把手,切膜刀在復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。

復位彈簧為拉伸彈簧,在整個切膜刀切斷過程中起著至關重要的作用。復位彈簧的剛度應在合理范圍內,當復位彈簧的力量過小時,切膜刀無法復位,會對秸稈纖維基地膜造成破壞,影響覆膜質量;過大時,則會造成切削深度不夠,無法將地膜有效的切斷,如進行下一行作業,會給駕駛員的操作帶來極大的困難,因此需對復位彈簧進行慎重選型。本文采用兩端掛鉤式拉伸彈簧,參數為:徑粗4mm,外圈直徑40mm,長度120mm,經試驗能滿足切斷地膜并復位的要求。

1.切膜刀把手 2.閘線 3.切膜刀 4.復位彈簧

3 田間試驗與結果分析

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

3.1 田間試驗條件

根據經驗,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,分別以計算連續工作條件為初始角速度值進行仿真。仿真過程中,未取得合理角速度值時,將角速度依次增加π/18 rad/s,臨近合理值時角速度值以π/180rad/s增減,分析各水平速度對應的旋轉風管合理角速度,仿真過程忽略各結構之間以及地輪與地面間的摩擦,試驗參數如表2所示。試驗于2017年4月5日在東北農業大學秸稈纖維基地膜水稻試驗示范稻田內實施,稻田長20m,寬3m,作業速度0.3m/s,氣溫20℃,水田內淤泥深度15cm、水深1.5cm,如圖7所示。

表2 NSPU-68CM型覆膜開孔插秧機性能測試結果

圖7 久保田NSPU-68CM覆膜開孔插秧機及田間工作情況

3.2 試驗方法及過程

參照旱田JB/T 7732.2-1995《地膜覆蓋機試驗方法》[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行測定。

插秧機行駛至田間前,先將秸稈纖維基地膜扯出長約50cm,駛入秧田;待插秧機穩定后,放下插秧機秧板,拖動切膜刀把手將秸稈纖維基地膜壓實在泥面上;開動插秧機,進行覆膜開孔作業,待機器行駛至田間地頭時,用切膜刀將地膜切斷,完成作業,如圖8所示。

(b) 覆膜開孔作業

3.3 試驗結果分析

由圖9覆膜開孔效果圖可知:久保田NSPU-68CM型覆膜開孔插秧機的覆膜質量與開孔性能,均達到高質量的覆膜與良好的開孔效果。NSPU-68CM型覆膜開孔插秧機性能測試結果,如表2所示,可知機器能達到高質量作業標準。

觀察久保田NSPU-68CM型覆膜開孔插秧機的覆膜質量與開孔性能,能否達到高質量的覆膜與良好的開孔效果。追肥機性能測試結果,如表2所示,已達到高質量作業標準。

圖9 覆膜開孔效果圖

4 結論

1) 研制了與久保田NSPU-68CM型覆膜插秧機相匹配的覆膜裝置,在不改變插秧機原有結構基礎上,增加了切膜裝置、托膜裝置和壓邊裝置。

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

3) 田間性能試驗結果表明:久保田NSPU-68CM型覆膜開孔插秧機的技術性能指標均達到農藝生產要求,為應用秸稈纖維基地膜栽培有機(綠色)水稻奠定了基礎。