2PZ-4000A 型果樹栽植機(jī)栽植株距試驗分析

董曉，高光明，宮玉敏，周慧，陳金利，王維，蔣博

（255086 山東省 淄博市 淄博市農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所）

0 引言

現(xiàn)有果樹栽植機(jī)采用機(jī)械式定株距技術(shù)，一般以配置的行走地輪周長為定株距基準(zhǔn)，以確定的機(jī)械式傳動鏈保證栽植株距大小[1-2]。當(dāng)機(jī)具作業(yè)時，由于行走地輪不可避免地受到土壤滑移率的影響，造成栽植株距與設(shè)計株距相比存在較大偏差，且偏差的大小與行走地輪的花紋形狀、輪寬、作業(yè)地塊土壤類別、土壤含水率、土壤容重等很多因素有關(guān)[3]，使偏差具有不確定性，影響栽植質(zhì)量和栽植精度。另外，果樹的栽植密度由品種長勢、砧木長勢、土壤肥力以及樹形和架式等多種因素綜合考量來決定[4]，不同地區(qū)，不同果園，對栽植株距要求也不一樣。

果樹栽植對栽植株距的要求愈加規(guī)范，以便實(shí)現(xiàn)果園的機(jī)械化作業(yè)和管理，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)要求的標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)[5]。2PZ-4000A 型果樹栽植機(jī)的光電定株距裝置可以實(shí)現(xiàn)定株距栽植，保證壟上栽植株距的一致性，達(dá)到果園的標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)和后期田間管理要求。光電定株距系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)定株距栽植基礎(chǔ)上，可以使栽植株距連續(xù)可調(diào)，滿足不同地區(qū)、不同果園對栽植株距的不同要求。本文對2PZ-4000A 型果樹栽植機(jī)田間試驗中與栽植株距相關(guān)的檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，提出相應(yīng)的改進(jìn)措施，促進(jìn)果樹栽植機(jī)具的優(yōu)化提升。

1 光電定株距裝置的結(jié)構(gòu)與工作原理

栽植株距控制通過采用光電定株距技術(shù)的光電定株距系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。如圖1 所示，光電定株距系統(tǒng)配置安裝在新型果樹壟上定株距栽植機(jī)具機(jī)架上，由電池、光電感應(yīng)裝置、聲光信號發(fā)生器、光電感應(yīng)裝置支座滑塊、滑塊導(dǎo)軌、定株距標(biāo)尺、栽植計數(shù)器等組成。

圖1 光電定株距裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of photoelectric spacing device

機(jī)具機(jī)架呈Π 型，靠近機(jī)架機(jī)頭位置設(shè)有果樹植入點(diǎn)P，果樹植入點(diǎn)P 兩側(cè)設(shè)有聲光信號發(fā)生器。滑塊導(dǎo)軌沿機(jī)具作業(yè)方向安裝在機(jī)架內(nèi)側(cè)，定株距標(biāo)尺平行設(shè)置在滑塊導(dǎo)軌的兩側(cè)。光電感應(yīng)裝置固定在其支架滑塊上，可沿滑塊導(dǎo)軌往復(fù)滑動。機(jī)具開始作業(yè)時，栽植手需要在地頭植入第一棵果樹，其后，每當(dāng)栽植好的前一棵果樹樹干穿越激光束，聲光信號發(fā)生器發(fā)出聲光信號指令，栽植手即在植入點(diǎn)P 栽植果樹。栽植株距為激光束與栽植好的前一棵果樹相遇的檢測點(diǎn)和果樹植入點(diǎn)P 之間的距離。栽植過程中計數(shù)器記錄所栽植的果苗數(shù)量，可進(jìn)行累計和清零。光電感應(yīng)裝置由12 V 鋰電池提供電源。

2 定株距裝置栽植株距試驗

2.1 試驗條件

試制的樣機(jī)掛載在道依茨法爾DF1704 輪式拖拉機(jī)上，于2020年6月5日至7 日，2020 年9 月3 日至4 日，分兩次在淄博市桓臺縣于家村2 個不同的試驗地進(jìn)行了田間試驗。第1 次試驗，試驗地東西長90 m，南北長44 m，面積約0.4 hm2；第2 次試驗，試驗地南北長122 m，東西長35 m，面積約0.43 hm2。受試驗地面積的限制，未達(dá)到試驗大綱規(guī)定的樣機(jī)試驗面積，每完成一次試驗作業(yè)后，人工移除栽植的試驗果樹，利用試驗機(jī)具與旋耕機(jī)配合整平栽植壟，再進(jìn)行下一次試驗。參見圖2。

圖2 田間試驗Fig.2 Field experiment

2.2 試驗方法與評價指標(biāo)

果樹栽植機(jī)選用105 kW 以上輪式拖拉機(jī)為動力，采用后三點(diǎn)懸掛的作業(yè)方式，將機(jī)具懸掛在拖拉機(jī)上。機(jī)具作業(yè)時，人工喂入果苗作為首個檢測目標(biāo)，栽植機(jī)在行駛過程中激光傳感器檢測到果苗，聲光信號發(fā)生器發(fā)出指令，開啟果苗植入窗口，果苗在人工扶持下到達(dá)植入位置。

田間試驗重點(diǎn)對栽植作業(yè)后果樹株距、栽植傾斜度、栽植深度等栽植參數(shù)進(jìn)行檢測，以驗證機(jī)具的技術(shù)性能。第1 次試驗總作業(yè)面積約2.4 hm2，第2 次試驗總作業(yè)面積約1.0 hm2。兩次試驗總作業(yè)面積約3.4 hm2，共檢測面積約0.91 hm2（檢測面積是正式進(jìn)行果苗栽植參數(shù)測定的面積，總作業(yè)面積是預(yù)備區(qū)、機(jī)具轉(zhuǎn)彎、裝備調(diào)試、果苗栽植等各種作業(yè)面積總和）。除去每行兩端各10 m 的預(yù)備區(qū)，隨機(jī)取5 個檢測樣本進(jìn)行測定。在數(shù)據(jù)檢測完后，要及時回收已栽植果苗，以供下個周期栽植使用。

（1）株距

目前，果樹壟上定株距栽植機(jī)具沒有相應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn)。栽植試驗在參照“果樹栽植機(jī)械化關(guān)鍵技術(shù)研究”項目任務(wù)書、JB/T 10291-2013《旱地栽植機(jī)械》、DB11/T 654-2009《起壟機(jī)作業(yè)質(zhì)量》等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行。

栽植果苗的株距按式（1）、式（2）計算：

式中：SX——株距標(biāo)準(zhǔn)差，cm；CVX——株距變異系數(shù)，%；N——實(shí)測株距數(shù)；——株距平均值，cm；Xi——實(shí)測株距（i=1，2，…，n），cm。

（2）栽植合格率

果樹壟上定株距栽植機(jī)具栽植對象是1～3 年生果樹果苗，而非JB/T 10291-2013《旱地栽植機(jī)械》中界定適用的植物秧苗，栽植時重栽、埋苗、露苗、傷苗等狀況很少出現(xiàn)，栽植合格率的計算以果樹栽植深度和傾斜角同時合格作為判定栽植合格的依據(jù)。對于栽植深度，以150～260 mm 為合格。栽植深度合格率的計算公式如式（3）。

式中：H——栽植深度合格率，%；Nh——栽植深度合格的總株數(shù)，株；N——實(shí)測株數(shù)，株。

因栽植作業(yè)時，前一株已栽植好的果苗是后一株待栽植果苗植入時機(jī)的檢測基準(zhǔn)，故栽植傾斜度是影響株距的一個重要因素。傾斜度以大于70°為合格，遠(yuǎn)高于JB/T 10291-2013《旱地栽植機(jī)械》中植物秧苗傾斜度大于30°為合格的規(guī)定。栽植合格率的計算公式如式（4）。

式中：Q——栽植合格率，%；NHG——合格株數(shù)，株；N'——測定段內(nèi)的設(shè)計株數(shù)，株。

2.3 試驗分析

2.3.1 栽植質(zhì)量分析

（1）株距

2PZ-4000A 型果樹栽植機(jī)果苗株距在1 200～2 000 mm 范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。在此范圍內(nèi)選取多種株距分別進(jìn)行了試驗，均取得了良好的試驗效果。以1 700 mm 株距為例分析如下。

共測得有效數(shù)據(jù)254 組，數(shù)據(jù)分布如圖3 所示。1 700 mm 株距試驗數(shù)據(jù)平均值為1 710 mm，株距變異系數(shù)為5.9%。

圖3 1 700 mm 株距統(tǒng)計圖Fig.3 Statistical chart of 1 700 mm plant spacing

（2）栽植合格率

栽植合格率由栽植深度和角度進(jìn)行判定。JB/T 10291-2013 規(guī)定，栽植后秧苗主莖與地面夾角小于30°為不合格，但根據(jù)果樹栽植與機(jī)具起壟特性，為提高栽植質(zhì)量，現(xiàn)規(guī)定栽植深度在150～260 mm，果苗與地面夾角大于70°為合格，栽植深度分布如圖4 所示。

圖4 栽植深度統(tǒng)計圖Fig.4 Statistical chart of planting depth

試驗共測得254 組數(shù)據(jù)，其中236 組栽植合格，栽植深度合格率為92.9%。在254 組數(shù)據(jù)中，栽植角度不合格的數(shù)據(jù)僅有1 組，結(jié)合栽植深度和角度判定得出栽植合格率為92.5%。

果樹栽植株距在1.2～2.0 m 內(nèi)連續(xù)可調(diào)，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，在1.7 m 株距下得出果樹栽植機(jī)田間試驗結(jié)果如表1 所示。

表1 田間試驗結(jié)果Tab.1 Field test results

田間試驗結(jié)果表明，研究的2PZ-4000A 型果樹壟上定株距栽植機(jī)具作業(yè)穩(wěn)定，主要性能參數(shù)達(dá)到任務(wù)書提出的主要技術(shù)指標(biāo)要求。

2.3.2 適用性分析

試驗中，在1 200～2 000 mm 株距范圍內(nèi)選擇不同的株距，進(jìn)行多次試驗，并進(jìn)行測量和記錄（如圖5 所示），根據(jù)栽植質(zhì)量和栽植精度評估機(jī)具的適用性。

圖5 試驗測量記錄圖Fig.5 Test measurement record

對作業(yè)數(shù)據(jù)分析比較，機(jī)具在1 200～2 000 mm范圍內(nèi)選擇不同的株距，均能得到良好的栽植效果，株距均勻。

2.3.3 可靠性分析

第一次試驗時，鏵犁固定座被地里的較大石塊損壞，除場地因素引起的機(jī)具故障，機(jī)具本身沒有產(chǎn)生故障，可靠性指標(biāo)中可用度達(dá)到100%。

2.3.4 經(jīng)濟(jì)性分析

（1）機(jī)具檢測面積為0.91 hm2，生產(chǎn)純作業(yè)時間為65.8 min，純工作小時生產(chǎn)率為0.83 hm2/h。機(jī)具純作業(yè)速度為2.08 km/h，提高了栽植作業(yè)效率，節(jié)約成本。

（2）采用光電定株距技術(shù)的壟上光電定株距系統(tǒng)具備栽植計數(shù)功能，栽植計數(shù)器可自動統(tǒng)計所栽植的果樹株數(shù)，可進(jìn)行累計和清零，利于實(shí)現(xiàn)果樹栽植的作業(yè)效果及相關(guān)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)評估。

2.3.5 安全性分析

（1）將鋰電池和計數(shù)器安放到配電箱內(nèi)，避免暴曬、雨淋、冰凍、腐蝕等影響，確保有一個安全的作業(yè)環(huán)境。

（2）果苗裝載臺有2 個，單個尺寸：寬度為800 mm，長度為2 500 mm，面積2 m2，采用格柵網(wǎng)材質(zhì)，堅固防滑。在裝載臺外側(cè)設(shè)置有防護(hù)網(wǎng)，內(nèi)側(cè)設(shè)置有欄桿，并在平臺尾部設(shè)置有階梯，以方便操作人員上下。

（3）在機(jī)具的配電箱、側(cè)梁、操作平臺等部位貼有安全標(biāo)志和說明標(biāo)志，起到警示說明作用。

（4）操作座椅配備有安全帶，機(jī)具作業(yè)時作業(yè)人員必須系好安全帶，規(guī)范操作。

3 存在的問題與改進(jìn)措施

3.1 存在的問題

（1）株距比設(shè)定值偏大。通過試驗測量的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，測量株距的均值要略大于設(shè)計株距。原因是栽植手反應(yīng)時間過長、放苗動作緩慢或果苗放置位置不準(zhǔn)確。

（2）光電感應(yīng)裝置激光發(fā)射器和激光接收傳感器的輸入輸出信號線為非伸縮型式普通信號線，在樣機(jī)作業(yè)過程中會因拖拉機(jī)振動產(chǎn)生位置游離，對栽植作業(yè)產(chǎn)生干擾。如果捆扎信號線或以其他方式固定，則會給沿滑塊導(dǎo)軌移動光電感應(yīng)裝置以調(diào)整栽植株距帶來不便。

3.2 改進(jìn)措施

（1）對栽植手進(jìn)行培訓(xùn)，栽植過程中要精力集中，聽到或看到栽植信號要迅速放苗。另外，果苗投放位置要準(zhǔn)確，如圖1 所示，在果苗植入點(diǎn)P處設(shè)置V 型投放口，使果苗能夠放到恰當(dāng)位置。針對實(shí)際栽植株距比設(shè)定值偏大的問題，通過分析多組試驗數(shù)據(jù)，計算偏差值，調(diào)節(jié)設(shè)計株距，使其值略小于理論值。

（2）光電感應(yīng)裝置中激光發(fā)射器和激光接收傳感器輸入輸出信號線由起初的普通信號線更換為可伸縮螺旋型式信號線，另外，沿栽植株距指示標(biāo)尺平行方向，在激光發(fā)射器和激光接收傳感器可移動范圍內(nèi)，增加設(shè)置可伸縮螺旋型式信號線內(nèi)置圓型導(dǎo)軌，對信號線位置加以約束。改進(jìn)效果顯著，樣機(jī)田間試驗更加順暢。

（3）提高智能化和機(jī)械化水平。對于光電定株距栽植，前一株已栽植好的果苗是后一株待栽植果苗植入時機(jī)的檢測基準(zhǔn)，故人工投苗對栽植手要求較高，栽植手的反應(yīng)能力、熟練度、投苗力度和投苗角度都是造成株距不均的影響因素。在定植點(diǎn)增加一個自動投苗裝置[6]，栽植手提前將果苗放入投苗裝置，當(dāng)光電感應(yīng)裝置檢測到栽植信號時，投苗裝置將果苗投入到犁溝內(nèi)，隨后覆土裝置和鎮(zhèn)壓輪進(jìn)行覆土和鎮(zhèn)壓[7]。

4 結(jié)論

設(shè)計的果樹栽植機(jī)用光電定株距，可以有效避免栽植作業(yè)時土壤滑移率對株距的影響。田間試驗表明，2PZ-4000A 型果樹壟上定株距栽植機(jī)具作業(yè)穩(wěn)定，主要性能參數(shù)達(dá)到任務(wù)書提出的主要技術(shù)指標(biāo)要求。在1 200～2 000 mm 范圍內(nèi)選擇不同的株距，均能得到良好的栽植效果，株距均勻。以株距1 700 mm 為例計算相關(guān)指標(biāo)，株距變異系數(shù)為5.9%，栽植合格率為92.5%，達(dá)到技術(shù)指標(biāo)要求。