人參種植全程機械化技術裝備

羅 罡，劉文亮，劉 楓，肖 戟，付家慶，姜彩宇

（吉林省農業機械研究院，吉林 長春 130022）

0 引言

人參是吉林省最具特色的地方經濟作物[1]。適宜種植區域的各級政府都將人參產業作為區域經濟社會發展的重中之重優先推進，對人參相關產業大力扶持[2]。在重大利好政策和栽參技術不斷提高的影響下，人參的種植面積不斷擴大。隨著種植規模的擴大和種植戶對設備需求的增加，研制人參種植全程機械化系列設備的需求越來越迫切。我國現有人參種植設備的研究存在質量參差不齊和產業化程度較低等問題。為消除裝備技術體系薄弱對人參種植產業發展的阻礙，提升我國人參種植機械化作業水平，項目組在相關項目的資助下，研制了適合我國人參種植農藝的機械化畦床步道、精量播種、移栽及收獲等一系列輕簡高效作業設備。

1 系列設備設計構成與結構設計

1.1 設備構成

人參種植全程機械化系列設備如表1 和圖1 所示。人參多種植在茂密森林的半山腰上，系列設備以輕簡高效為主。研制過程中重點突破人參種植機械化做床過程中的步道挖掘、畦床修形、畦床扶土和壓實側幫；播種過程中種子體積小、質量小、形狀不規則，需催芽播種；移栽過程中幼苗嬌貴、易破損，苗位需要傾斜栽植；收獲過程中動力消耗大，需要減阻減損挖掘、根土高效分離等關鍵難點問題。設計了非直線與垂直型傳動箱、多功能彎犁刀、針吸式播種機構、作業與行走間歇交替的移栽機動力輸出機構、彈簧驅動柔性可調夾持機構及寬幅低損振動式輸送網鏈結構等關鍵零部件。經過集成配套、優化配置，研制出了一套人參種植全程機械化系列設備，包括手扶式畦床步道機、氣吸式人參精密播種機、人參苗移栽挖坑機、人參移栽機和懸掛式人參收獲機。通過性能試驗、跟蹤考核和典型應用示范作業，與國內外同類機具的技術性能指標進行了對比分析。

圖1 人參種植全程機械化系列設備Fig.1 Ginseng planting mechanization equipment

表1 人參種植全程機械化系列設備Tab.1 Ginseng planting mechanization equipment

這些設備的研制解決了我國人參大規模種植和傳統手工種植方式高成本、低效率之間的矛盾，解決了“缺少適用設備”這一制約人參種植機械化和規范化模式在我國推廣的技術瓶頸，對吉林省農業結構的產業調整、地方特色經濟作物種植的機械化發展都有積極的促進作用，同國外同類機具相比更加適應吉林省的人參種植方式情況，在價格上也具有較大優勢。

1.2 設備結構設計

1.2.1 手扶式畦床步道機

該機主要由非直線與垂直型傳動箱、多功能彎犁刀和棱角式機罩組成，如圖2 所示。非直線與垂直型傳動箱如圖3 所示，通過動力換向、變速后輸出，實現了工作部件拋土輪的傾斜布置和動力傳遞，驅動拋土輪旋轉。彎犁刀具有步道挖掘、畦床成形和畦床扶土等多種功能，采取與旋耕刀類似的刃口曲線，具有較好的滑切性能，入土、碎土能力較強，可以較容易地將土壤表面板結層切開破碎并翻起；同時，彎犁刀的頭部和背部都呈彎折狀態，具有較大的工作面積和特有的工作曲面，有利于將土壤拋向壟頂進行步道作業。棱角式機罩增加了耕翻過程中土壤顆粒的碰撞幾率，增強碎土效果[3]。

圖2 手扶式畦床步道機Fig.2 Handheld bed walkway machine

圖3 非直線與垂直型傳動箱Fig.3 Non linear and vertical transmission box

1.2.2 氣吸式人參精密播種機

該機主要由針吸式播種機構、可調式氣力控件、單軸多點凸輪導軌控制、振動式種箱及全自動驅動控制系統組成，如圖4 所示。針吸式播種機構如圖5 所示，既保證了不傷害催芽后的人參種子，又能保證每個吸針只吸附一粒種子，達到單粒精密播種的要求[4-6]。可調式氣力控件根據種子的規格進行適當調整，適應范圍更廣[7-8]。單軸多點凸輪導軌控制吸排種機構往復式運動到吸種、排種位置，位置精確，性能可靠。振動式種箱使催芽后濕度很高的人參種子處于離散狀態，同時消除種子盒內因吸種產生的凹坑現象，使吸種更容易[9]。全自動驅動控制系統實現機具的自主行走和自動播種。

圖4 全自動人參精密播種機Fig.4 Fully automatic ginseng precision seeder

圖5 針吸式播種機構Fig.5 Needle aspiration seeding mechanism

1.2.3 人參苗移栽挖坑機

該機主要由作業與行走間歇交替的移栽機動力輸出機構、閉環條形角度挖坑機構、電磁離合控制技術及常用人力移動小型設備上的施力把手組成，如圖6所示。作業與行走間歇交替的移栽機動力輸出機構如圖7 所示，實現了機械挖溝、覆土及人工持苗、擺苗結合的半機械化移栽方式，兼顧了機械作業高效、穩定及人工持苗、擺苗不會造成機械設備損傷參苗的優點，并使秧苗的行距、株距、栽深和角度整齊化一，解決了人工栽植過程中最為繁重的部分，從而提高移栽效率，降低參農的體力消耗，相對全人工移栽工作效率提高3～5 倍。閉環條形角度挖坑機構能夠同時完成挖溝、覆埋工作，保證了苗穴的深度與角度、參苗株距的精準和一致性，有效解決了傳統人參移栽方式質量穩定性差的問題。電磁離合技術實現了沿畦床的間歇式自主行走、挖溝和覆埋等連續作業，保證了苗穴的深度與角度、參苗株距的精準和一致性，提高了人參移栽作業質量穩定性。常用人力移動小型設備上的施力把手提供了一種便于抬、放和持握的機構，克服現有同類產品中尺寸大、容易被刮碰、造成人員挫傷現象[10-11]。

圖6 人參苗移栽挖坑機Fig.6 Ginseng seedling transplanting and digging machine

圖7 作業與行走間歇交替的移栽機動力輸出機構Fig.7 Transplanting power output mechanism with intermittent alternation between operation and walking

1.2.4 人參移栽機

該機主要由彈簧驅動柔性可調夾持機構、光電傳感自動控制和圓盤波紋刀組成，如圖8 所示。彈簧驅動柔性可調夾持機構如圖9 所示，保證對參苗頭部足夠的夾持力度，又可以防止剛性夾持損傷參苗頭部，改變張開角度，適應參苗的不同規格，有效解決漏夾、傷苗及效率低的問題[12-13]。光電傳感自動控制技術感知備苗斗中有無參苗，控制離合器的吸、開動作，完成機具行走和夾持機構的啟、停。圓盤波紋刀開出移栽溝，動土量小保持畦床平整，減少動力損耗，防止雜物纏繞，開溝深度可調[14-15]。

圖8 人參移栽機Fig.8 Ginseng transplanting machine

圖9 彈簧驅動柔性可調夾持機構Fig.9 Spring driven adjustable clamping mechanism

1.2.5 懸掛式人參收獲機

該機主要由寬幅大挖深低阻礙挖掘鏟、低損輸送網鏈和高頻低幅振動技術組成，如圖10 所示。寬幅大挖深的低阻礙挖掘鏟如圖11 所示，設計成鏟尖+鏟板的復合結構形式，工作時，鏟尖先入土，對土壤進行破碎后再進行挖掘，減少了入土阻力和動力消耗[16-17]。低損輸送網鏈為環形結構，用圓鋼做銷軸，銷軸上安裝可轉動的套筒，降低人參根莖向后輸送過程中的破損率[18]。高頻低幅振動技術利用方形起振鏈輪使升運網鏈在升運過程中產生振動，完成碎土和根、土分離[19]。

圖10 人參收獲機Fig.10 Ginseng harvester

圖11 寬幅大挖深低阻礙挖掘鏟Fig.11 Wide and deep excavation shovel with low obstruction

2 國內外同類技術對比

種植人參較多的國家主要有中國、韓國、朝鮮、日本和俄羅斯，美國和加拿大則是西洋參的主要產地[20]。韓國的人參種植設備代表著世界先進水平，韓國的人參種植設備以專業、小型設備為主，自動化程度高。做床使用較多的是DR 企業生產的DRB 系列筑床機，播種、移栽使用最多的分別是Samsaeng Industrial CO.研制的SM03-3 型人參播種機、SM-205B 型人參移栽機，收獲機使用量最多、最成熟的機具是DOOROO 公司研制的DR-1600S 型人參收獲機[21]。近年來，隨著自動控制、電子計算機技術的快速發展和廣泛應用，韓國人參種植機械正朝著系列化、智能化的方向發展。美國、加拿大主要在平原種植西洋參，機械化程度更高，參場作業的各個環節基本上實現了機械化，播種廣泛使用的是斯坦赫S870 型履帶式播種機，移栽使用最多的是美國1265 型吊籃式移栽機。

相比這些國家，我國的人參專用種植機械的研究起步較晚，技術水平落后。國內現有的人參種植機械化設備中，做床使用較多的是吉林省領跑機械有限公司生產的梅河牌人參做床機；播種以扎孔點播和“大刀、舀勺”手工作業方式為主，少部分使用靖宇縣大華機械廠制造的半自動播種機和張增林等設計的實用新型專利一種人參播種機（CN201520445573.5）；移栽以人工用刮板翻土開溝—擺苗—覆土作業方式為主，部分使用吉林省通化市人參種植機械生產企業研制的半機械化設備2ZR 型人參移栽機和2ZB-2 型移栽機；收獲沒有專用設備，以薯類挖掘機替代使用[22]。

本項目機具是在廣泛調研吉林省人參種植農藝和種植特點后，結合韓國高麗參種植成熟機械設備經驗開發的。這些項目機具同國外同類機具相比，更加適應吉林省的人參種植方式情況，在價格上也具有較大優勢，當前國內外同類機具對比如表2 所示。

表2 國內外同類機具對比Tab.2 Domestic and foreign similar equipment comparison

3 典型示范推廣情況

人參種植全程機械化系列設備先后在吉林農業大學、吉林省集安市大地參業、吉林省撫松縣、吉林省汪清縣、吉林省琿春市中森藥業、遼寧省牛毛塢鎮、遼寧省太平哨鎮、遼寧省興賓縣及山東省文登市等地的人參種植基地進行示范推廣，典型示范推廣情況如表3 和圖12 所示，用戶反映機具自動化程度高、可靠性強，提高作業質量、作業效率，降低工作強度、作業成本效果明顯。

圖12 典型示范推廣情況Fig.12 Typical demonstration promotion

表3 典型示范推廣情況Tab.3 Typical demonstration promotion

人參種植全程機械化系列設備在長春農博會上進行了展出，長春日報、新文化報、中展網及吉林省電視臺等多家省內媒體進行了報道。

4 結束語

（1）5 種機具已經全部完成了樣機制造和性能試驗，初步形成了我國自主知識產權的人參種植全程機械化系列設備，顯著提高我國人參機械化種植水平，下一步著重將新材料、表面處理、熱處理和制造工藝等融入到整機的制造過程中，提高機具的穩定性和可靠性。

（2）與國外發達國家相比，我國人參種植全程機械化機具仍存在一定的差距，產業化程度較低，主要是因為我國人參種植主體以家庭個體經營者為主，規模小，多種種植和管理模式，加上多變的種植地形，制約著人參種植機械化的發展速度。

（3）結合我國人參種植機械化的實際情況，應依據不同種植區域的生產條件和不同地形地況，發展適宜的機械化種植設備，加強集成作業工序和智能化操作控制系統的研究，并完善技術推廣體系，加快產業化進程。