2ZLF-2 甘薯裸苗復式移栽機設計與試驗

吳彥強，宮增民，常廣民，朱月浩

（1.271018 山東省 泰安市 山東農業大學 機械與電子工程學院；2.252500 山東省 聊城市 山東雙力現代農業裝備有限公司；3.250013 山東省 濟南市 山東省農業機械技術推廣站）

0 引言

甘薯，又名甜薯、地瓜、紅薯等，屬旋花科甘薯屬，是一年生或多年生蔓生草本。我國是世界上最大的甘薯生產國，常年種植面積5 000 khm2左右，種植面積和產量均位于世界首位[1-4]。甘薯在我國分布廣泛，按照行政區劃、栽培面積、氣候條件及種植習慣等一般劃分為北方春夏薯區、長江中下游流域夏薯區和南方薯區等三大產區，主要種植省份有四川、重慶、河南、廣東、貴州、廣西、山東和福建等省（市、自治區）[3]，按照用途分為鮮食型甘薯、淀粉型甘薯、紫薯型甘薯等三大類，目前我國以鮮食型和淀粉型為主[4]。

甘薯種植包括育苗、耕整地、移栽、田間管理、收獲等五大生產環節，其中移栽和收獲是當前用工量和作業成本最大的環節，迫切需要實現機械化[5-6]。甘薯移栽質量對后期收獲具有重要影響，因甘薯裸苗機械分苗困難[7]，現階段國內外甘薯移栽以人工手動分苗的半自動移栽為主，如美國瑪馳尼克公司半自動鏈夾式甘薯裸苗栽植機、意大利Checchi &Magli 公司的FoxDrive 甘薯移栽機、日本井關自走帶夾式栽植機、南通富來威公司2ZL-2 移栽機、樂陵春益2ZL-1 移栽機、青州火絨機械2ZJX-1 移栽機等。

現有機具主要有兩個方面問題：一方面，現有移栽機大多是單一的栽植作業，工作前需耕整地、起壟機具進地作業，移栽機進地后造成壟面破壞，移栽質量變差；另一方面，甘薯種植要求表土處于濕潤狀態，有利于提高成活率，現有機具缺少澆水部件。為解決以上問題，部分學者開展了研究，胡良龍[8]等研制了2ZGF-2 型甘薯復式栽植機，實現了旋耕、起壟、破壓茬、栽插、修壟等種植作業一次完成，但沒有澆水部件；劉京蕊[9]等對2CGF-2 型甘薯移栽機加裝了滴灌帶但無法實現復式作業；其他學者從栽植或澆水環節進行了研究[10-13]。為同時解決以上兩個問題，本文研制了一款集精細化旋耕整地、起壟、移栽及澆水等功能為一體的甘薯裸苗復式移栽機，以其為實現甘薯機械化種植提供參考。

1 基本結構及工作原理

1.1 基本結構

2ZLF-2 甘薯裸苗復式移栽機包括旋耕機、機架、切碎盤、液壓驅動筑壟裝置、壓壟輥、座椅、鏈夾式柔性栽植裝置、智能澆水裝置、覆土器、驅動輪等。旋耕機采用市場上通用的剛性好、強度高的精細化旋耕機，旋耕后土壤細碎，便于接下來的筑壟。整機結構簡圖如圖1 所示。

圖1 2ZLF-2 甘薯裸苗復式移栽機結構簡圖Fig.1 Type 2ZLF-2 structure diagram of duplex sweet potato transplanter

1.2 工作原理

該機工作原理為：移栽機與配套旋耕機連接，整機由拖拉機牽引。工作時，旋耕機進行精細化整地，隨后液壓筑壟裝置起壟，壓壟輥壓壟保證起壟質量，人工將秧苗放置到張開的秧夾上，使用鏈條夾式栽插器，隨秧夾運動將秧苗夾持，秧苗到達苗溝時，鏈夾被打開，秧苗落入苗溝，隨后被鎮壓輪覆土壓實，同時進行智能澆水裝置澆水，完成栽植過程。

1.3 栽植模式選擇

考慮甘薯的全程機械化作業及與大馬力拖拉機進行配套作業，選擇大壟雙行移栽，整機由雙力804 拖拉機牽引作業，方便后期機械化管理和收獲作業，并且該類壟型能夠很好地滿足甘薯的株距、行距等農藝要求。

1.4 主要技術指標

主要技術指標見表1。

表1 主要技術指標Tab.1 Main technical indexes

2 關鍵部件設計

2.1 旋耕機選型

甘薯高產要求選擇土質疏松、耕層深厚、保墑蓄水好、肥力適度的沙壤土。起壟前需要進行耕整地，破碎土塊，起壟時可減少阻力，提高壟型的緊實度。按照整地要求，耕深為25～30 cm，一般秋冬耕翻深度以25 cm 為宜，春耕不能太深，要及早淺耕，隨耕隨耙，保住底墑。鑒于此，選擇大華寶來1GQN 系列旋耕機進行適當改制，工作幅寬100～160 cm。

2.2 高穩定性機架設計

機架不但與旋耕機掛接，還須承擔培土開溝阻力，而且田間地頭機身升降頻繁，造成起壟機的機架長時間承受較大拉力和動態力。為此，根據機器重量及布局設計高穩定性框架結構機架，增加工作時的穩定性和可靠性。機架結構如圖2 所示。

圖2 機架結構示意圖Fig.2 Schematic diagram of frame

2.3 起壟裝置設計

甘薯起壟可有效改善土壤環境、合理利用水分與光照，壟體三面受光，晝夜溫差大，有利于有機物的積累、塊根形成和膨大。甘薯起壟要求為：壟距70～90 cm，壟高25～30 cm，壟面平細沉實，壟溝深窄。壟側坡度角以45°為宜，有利于保肥、保墑和保持壟型的穩定性，有利于甘薯生長。本文采用聯合起壟裝置，如圖3 所示，一次完成拋土、攏土、成型、修壟、除雜、鎮壓等作業。該裝置主要由壓壟輥、碎土盤、殼體、傳動軸、防護罩、培土器、液壓馬達、鏈條防護罩及刮板組成。

圖3 液壓驅動筑壟裝置結構示意圖Fig.3 Schematic diagram of hydraulic driven ridge building device

液壓馬達動力由拖拉機自帶的液壓泵提供，液壓油由液壓泵排出后通過移栽機上分配閥，分配后進入液壓馬達，有了動力的液壓馬達帶動輸入鏈輪，經過聯軸器帶動3 組筑壟單元組合。分配閥的作用是液壓馬達工作中不妨礙拖拉機提升器升降移栽機。3 組培土器是3 個獨立上下活動的單體，通過調整螺桿的高度，分別可以調整它的入土深度，從而調整開溝深度，完成拋土和攏土。培土器每組筑壟組件有2 組，每組6 把左右相反的大葉片螺旋曲面刀組成，土壤在快速旋轉的刀片沖擊下拋向兩邊，較大的土塊被打碎。通過更換不同的大葉片螺旋曲面刀，還可以得到寬度不同的壟型。這種靜液壓驅動的覆土筑壟方式既起到開溝覆土的作用，還能達到整理土壤的效果，同時解決了拖拉機PTO 只能配套旋耕機，或只能通過增加二級傳動才能提供給旋刀的問題。培土器刀軸結構采用大葉片螺旋曲面刀，能解決起壟作業時阻力大、負荷重、對土壤破碎不均勻的問題。刀片轉速至600～800 r/min，可完成拋土、垅土作業。培土器結構如圖4 所示。

圖4 培土器結構示意圖Fig.4 Schematic diagram of hiller

2.4 柔性鏈夾式栽植裝置設計

栽植裝置是移栽機的核心部件，其作業性能的好壞將直接決定移栽質量。項目采用柔性鏈夾式移栽裝置[14]，該裝置可通過調整工作部件實現甘薯苗直栽和斜栽，具有喂苗、送苗穩定可靠，栽植后秧苗的直立度較好，株距準確的優點，而且柔性夾持對裸苗損傷小。柔性鏈夾式移栽裝置如圖5 所示。

圖5 柔性鏈夾式栽植裝置結構示意圖Fig.5 Schematic diagram of flexible chain clip planting device

2.5 澆水裝置設計

栽插時澆水量每穴一般在250 ml，水流在電動泵的吸引力作用下經水箱、電動泵、壓力開關、電磁閥進入移栽單元部件上的下水管，落入栽植后的甘薯苗周圍土壤上。壓力開關的作用是控制水路系統里保持一定的壓力，通過調節系統壓力，節流保壓，保證水流能夠在苗夾觸碰行程開關開啟電磁閥時順利地精準供水。澆水裝置連接如圖6 所示。

圖6 澆水裝置示意圖Fig.6 Schematic diagram of watering device

3 試驗

根據《JB/T 10291-2013 旱地栽植機械》等行業標準進行試驗。試驗地點選擇在冠縣賈鎮茉莉營村，試驗地地表平整。栽植品種普薯32，苗齡30 d，苗冠3-5 葉，前茬作物為小麥秸稈還田。試驗現場情況如圖7 所示。試驗結果見表2，結果顯示符合相關行業標準要求。

圖7 試驗現場Fig.7 Machine test

表2 田間試驗結果Tab.2 Field experimental results

4 結論

2ZLF-2 甘薯裸苗復式移栽機集精細化旋耕整地、起壟、移栽、澆水及施肥等功能為一體，操作簡單，作業效率高，而且栽植后秧苗的直立度較好，深度合格，株距準確。

田間試驗結果表明，該機栽植頻率為每行每人40 株，漏栽率1.51%，栽植深度合格率93.1%，栽植株距合格率92.4%，均符合國家標準要求。

設計的靜液壓驅動旋刀培土筑壟技術與裝置，可按照不同作物移栽要求，筑培不同壟高；通過靜液壓驅動下旋刀將過大的土塊打碎，起到整理土壤的作用。通過更換不同造型的旋刀和控制旋刀轉速可以獲得不同的壟型。研究的澆水裝置，通過在水路系統設置壓力控制裝置，使系統在可調壓力與機械觸發裝置結合下獲得可調的灌水量、精準的灌水位置。