一種基于菠蘿機械化田間管理技術的多功能田間管理機設計與試驗*

王斌斌 ，劉 威 ，鄧文平 ，陳中武

（1.廣東省現代農業裝備研究所，廣東 廣州 510630；2.廣東弘科農業機械研究開發有限公司，廣東 廣州 510630）

0 引言

我國是世界菠蘿十大主產國之一，種植歷史悠久，種植面積和產量均占世界總量的7%左右。目前菠蘿種植、管理及收獲均以人工為主，勞動力成本約占菠蘿生產銷售利潤的一半以上[1]。隨著城鎮化進程和農村勞動力轉移步伐日益加快，菠蘿生產正面臨著勞動力短缺的困局，用工荒、人力成本高已經成為制約菠蘿產業化發展的主要瓶頸。

菠蘿產業屬于典型的勞動密集型產業，菠蘿生長期田間管理工序繁多，包含除草、松土、施肥、催花、病蟲害防治等，需要進行比較精細的田間管理，目前基本依靠人工完成，占全部生產勞動成本的50%[2]。菠蘿品種繁多，種植模式多樣且無統一標準，各品種壟高、壟寬與植株行距、株距不一，且普遍種植密度大，中后期菠蘿植株長大后莖葉封行，通用的田間管理機械難以進入田間自由穿梭作業，致使菠蘿機械化田間管理和采收難度較大[3]。

目前，菠蘿田間機械化生產、管理技術仍比較落后，菠蘿施肥、噴藥基本依靠人工或人工背負其他專用機具完成，田間采收環節，短期內需要大量人工，約占整個生產過程勞動成本的40%[4]。因此，研究菠蘿機械化田間管理技術，研制相應的多功能田間管理機，對推動菠蘿生產田間管理機械化，提升生產效率、降低田間管理成本，破解行業面臨的“用工荒、人工成本高”的難題，促進菠蘿產業的發展有重要意義。

1 菠蘿機械化田間管理技術

通用田間管理機械大多功能單一，在菠蘿田中應用水平低的主要原因在于適應性差，因此研制菠蘿多功能田間管理機需要了解菠蘿種植特點與作業環境，研究菠蘿田間管理中影響機械作業的關鍵因素，以下從植株特點、種植參數和田間管理需求三個方面進行分析。

1.1 菠蘿植株特點

菠蘿屬于多年生常綠草本植物，莖短葉多，菠蘿植株高度一般為75 cm~110 cm，側葉伸展至行壟中部區域。莖為黃白色肉質近紡錘形圓柱體，分為地下莖和地上莖，地上莖頂端有一個中心生長點，營養生長期有葉片分裂，發育階段有花芽分化和花序形成。花序拔出時，莖顯著伸長，靠近頂端的節間也逐漸伸長。菠蘿葉片呈蓮座式排列，劍形，長40 cm~90 cm，寬4 cm~7 cm，頂端漸尖，根據品種不同，葉片邊緣無刺或有鋸齒狀尖刺。生產實踐表明，菠蘿葉片的多少、葉片寬窄、葉片發育程度、總葉面積和果實的大小、重量、品質成正比，葉片寬且多，光合作用面積大，制造的養分就多，在一定范圍內，葉數多、葉片大、果也大，果實采摘后一般還需要留株培苗。因此，菠蘿田間管理機械化作業應最大限度地減少對植株的碾壓、碰撞等傷害，管理機具需要具有較高的離地間隙與較好的行壟間通過性能。

1.2 菠蘿種植參數

影響菠蘿機械化作業的關鍵因素之一是種植的行距、壟距、壟高及壟面寬度等種植參數。目前，菠蘿種植參數與品種有直接關系，我國菠蘿品種以巴厘和臺農系列為主。一般種植密度為3 000 株/畝~5 000 株/畝，種植深度5 cm~10 cm，采用起壟種植。一壟兩行種植時，壟面寬度80 cm~90 cm，壟距130 cm；一壟四行種植時，壟寬250 cm，株距32 cm~35 cm；采用大小行間隔種植時，大行距50 cm，小行距40 cm。另外，我國科研人員根據地形、氣候及品種等因素提出多種種植技術標準，主要包括NY/T 1442—2007《菠蘿栽培技術規程》、NY/T 5178—2002《無公害食品 菠蘿生產技術規程》、DB46/T 65—2006《菠蘿生產技術規程》、DB45/T 657—2010《菠蘿栽培技術規程》、DB46/T 210—2011《臺農16 號菠蘿生產技術規程》等[5-6]。NY/T 1442—2007《菠蘿栽培技術規程》對菠蘿提出了多種起壟栽植技術規格，包括一壟一行、一壟雙行、一壟三行或多行栽植模式，針對廣東、海南等地區廣泛種植的巴厘、臺農品類，壟距130 cm~250 cm，壟高15 cm~25 cm。因此，在設計田間管理機時應充分考慮底盤行走的壟距、行距適應性，保證行走輪在壟溝、行間行走，避免刮傷植株。

1.3 菠蘿田間管理需求

1）施固態肥。菠蘿定植前需要施基肥，基肥以有機肥為主，適當施用一些化肥，化肥以磷肥為主[7]。定植完成還要視植株生長情況追加壯苗肥、促花壯蕾肥、壯果催芽肥以及采收后下一造的基肥等。

2）噴施葉面肥及施藥。菠蘿定植后需要噴施葉面肥，移栽完成后，巴厘品種一般需噴施6 次葉面液態肥，臺農品種一般需要噴施3~5 次葉面液態肥，菠蘿施葉面肥10 g/L 尿素+2 g/L 磷酸二氫鉀混合溶液，一次一株約20 mL[8]。用量約為80 L/畝。噴施液態肥時一般從定植10 天后開始，根據實際長勢每隔一段時間施噴一次。菠蘿病蟲害的防治是田間管理的重要一環，主要通過噴藥的方式進行防治，常見病蟲害包括芽蠅、螨蟲及菠蘿炭疽病等。

3）催花。菠蘿催花的目的是使植株開花、結果及采收的時間統一，便于管理和收獲，目前的菠蘿規模種植都需要進行催花作業，人工誘導開花已成為菠蘿商業化生產中常用的方法[9]。催花在3—10 月均可進行，催花后1~2 個月開花，5~6 個月可摘果。催花方法主要采用乙烯利兌水后配成催花溶液，向菠蘿頂端處噴施。

4）采收。菠蘿采收后需要繼續留株培苗，因此采收也是田間管理的重要一環。目前采收是整個菠蘿生產過程中用工最多、勞動強度最大、作業環境最惡劣的環節，完全依靠人工背負、肩挑采運出田，且整個人工采運作業對植株的損傷較大，不利于后續種苗的培植。

2 菠蘿多功能田間管理機設計

通過對菠蘿植株特點、種植農藝參數及田間管理需求的分析，基于模塊化設計理念，將田間管理機按功能結構進行模塊劃分，開展菠蘿多功能田間管理機通用行走底盤與各功能部件研究，設計可變軌距高地隙窄型履帶式通用底盤、噴桿噴霧組件、固態肥施肥組件與擴展平臺運輸組件。各功能部件與通用底盤組合，可完成菠蘿田間液態藥肥噴灑、固態肥施播以及果實、物資田間運輸等大部分田間管理作業。

2.1 菠蘿多功能田間管理機通用行走底盤設計

菠蘿田間管理機行走底盤是進入田間作業的基礎，根據菠蘿種植壟距差異大、高稈密植的特點，設計了一種軌距可調的高地隙窄型履帶式行走底盤，如圖1 所示。底盤主要由固定車架、活動車架、軌距調節機構、汽油機、液壓驅動系統、窄型履帶行走機構、分葉器、蓄電池、操控臺及座椅等組成。主要性能參數如表1 所示。

表1 菠蘿多功能田間管理機主要性能參數

圖1 可變軌距高地隙窄型履帶式行走底盤

底盤設計充分考慮菠蘿行間穿梭通過性與操控便捷性，對底盤架構、動力驅動系統及操控系統做了適應性優化，具體如下：

1）底盤架構。菠蘿田地具有獨特的磚紅壤特性，不適宜使用普通車輪[10]，需要提高行走機構的地面附著力，因此田間管理機通用底盤采用履帶式底盤架構，在丘陵山區壟溝起伏的菠蘿田有較好的適應性。底盤機架使用固定車架與活動車架組合設計，采用“門”字形結構，分別向下延伸與窄型履帶行走機構連接，上面形成各功能部件的安裝平臺，下面形成可供高稈作物通過的避讓空間。軌距調節機構的輸出端與活動車架連接，可驅動活動車架沿橫向移動，帶動履帶行走機構實現變軌，變軌距范圍根據菠蘿田的行距、壟距進行設計，90 cm~150 cm可調。本研究還設計了窄型履帶行走機構，履帶寬度僅為13 cm，且在履帶行走機構前后設有分葉器，機器前進或后退時會將葉片向兩側分離，防止碾壓，大大增強了底盤在行壟間的安全通過性。

2）動力驅動系統。液壓驅動技術不僅可以提高農業機械操作的便捷性，而且自動化控制水平較高，成為在世界農業機械領域動力傳輸方向發展的主流趨勢[11-12]。本研究設計了一套電液一體化的動力驅動系統，使底盤能差速原地轉向，操控便捷靈活，同時實現了底盤行走大范圍的無級調速，滿足不同田間管理作業對作業速度的需要。底盤行走使用液壓驅動，汽油機帶動液壓泵工作，動力通過油路、電控液壓閥驅動液壓馬達轉動，液壓馬達經過鏈條將動力傳遞給履帶行走機構的驅動輪，驅動底盤行走；軌距調節機構使用電力驅動，底盤帶有一套12 V、36 kW·h蓄電池的電力驅動系統，可驅動軌距調節機構進行實時變軌。同時液壓驅動系統與電力驅動系統具有額外的輸出接口，可為管理機功能部件噴桿噴霧組件、固態肥施肥組件等提供動力支持，進一步提升了通用底盤作業功能的可擴展性。

3）操控系統。操控系統主要是用來控制整機啟停、轉向、前進（后退）、剎車、軌距調節及速度擋位調節等。操控系統通過操控臺進行人機交互，操控臺根據需要可分別安裝在車上或固定車架前端，操控方式靈活，可適應多種田間管理作業需求。噴藥施肥時操控臺設置在車架平臺上，人可在車上乘坐式操控，保證作業高速、安全、高效；在催花與果實采摘運輸時，操控臺設置在機器前端，人可在地面跟隨式操控，滿足跟隨式田間管理作業需要。

2.2 田間管理機功能部件設計

1）噴桿噴霧組件。噴桿噴霧機除了能用于農藥噴施外，還可用于葉面肥噴施、葉面噴水等作業。與傳統的人工噴霧機相比，噴桿噴霧機具有技術優勢[13]。本研究的田間管理機配套噴桿噴霧組件如圖2 所示，主要由藥箱、噴桿噴霧底架、右電動推桿、液壓缸、噴桿支架、中噴桿、左電動推桿、左噴桿、平行四桿機構、噴霧汽油機、藥液泵、液壓管路、藥液管路及右噴桿組成。其性能指標如表2所示。

表2 噴桿噴霧組件主要性能參數

圖2 噴桿噴霧組件結構圖

噴桿噴霧組件以噴桿噴霧底架為基礎，藥箱、液壓缸、平行四桿機構、藥液泵及噴霧汽油機等均固定在噴桿噴霧底架上；左噴桿、右噴桿和中噴桿均通過噴桿支架與平行四桿機構相連，液壓缸與平行四桿機構鉸接，通過液壓管路連接通用底盤的液壓驅動系統，推動平行四桿機構上下平動，從而實現噴霧高度的調節；噴桿支架的左右關節處均設有電動推桿，電動推桿連接底盤電力驅動系統，推動噴霧支架折疊和展開，從而實現噴藥作業時噴桿呈“一”字形展開，未作業時呈“U”字形折疊。作業時，噴霧汽油機為藥液泵提供動力，藥液管路連接藥箱、藥液泵和噴桿，使其形成藥液流動通路。噴桿噴霧組件噴霧壓力0.3 MPa~1.5 MPa 可調，可以在不更換噴頭的情況下得到較寬的噴霧量調節范圍，分別滿足菠蘿施藥、噴施葉面肥的需要。

2）固態肥施肥組件。固態肥施肥組件如圖3 所示，主要由左肥箱、右肥箱、底部支架、排肥電機、排肥裝置及出肥管組成。肥箱及排肥裝置等零部件安裝在底部支架上，底部支架與行走底盤相連。作業時，左右肥箱內裝滿肥料，排肥電機帶動排肥裝置將肥料沿出肥管送至植株附近。排肥量可通過操控系統控制排肥電機轉速進行調節，以滿足不同施肥量需求。

圖3 固態肥施肥組件

3）擴展平臺運輸組件。擴展平臺運輸組件主要用于擴大運輸作業時管理機裝載平臺的裝載量，其結構如圖4 所示，主要由固定箱板、活動箱板、側位箱板及箱板連接座組成。需要在田間運輸農資農具或采運菠蘿時，將各個箱板固定在行走底盤的上平面機架上，拆裝簡單方便，可根據作業需要將箱板放平或折起。

圖4 田間運輸組件結構圖

3 田間試驗

菠蘿多功能田間管理機完成設計與整機制造后，田間試驗于2023 年4 月在廣東省徐聞縣紅星農場菠蘿生產基地進行，試驗田土質為磚紅壤，菠蘿品種為臺農16 號，壟作，一壟雙行，株距30 cm~35 cm，行距40 cm~50 cm，壟距140 cm，壟高15 cm~25 cm。試驗中分別進行了菠蘿田間噴藥、固態肥施肥和田間運輸作業，作業現場如圖5 所示。噴桿噴霧作業幅寬900 cm，作業平均速度2.0 km/h，藥液噴灑均勻，作業效率可達到25 畝/h。固態肥施肥組件料箱可裝載400 L 固態肥，施肥量由操控系統電動控制，可隨時調節，方便易用，施肥作業效率可達5 畝/h。擴展平臺運輸組件在施肥時可與固態肥施肥組件同時安裝在通用行走底盤上，放置肥料，增加整機的載肥量，減少機器出田補肥的作業次數，提高了施肥作業效率，也可單獨安裝作為運輸機，進行田間跟隨式采運作業，一次可運載600 kg 菠蘿出田，使用2 臺運輸機配套5 人操作，較傳統人工采收作業可以減少一半人工，同時采收效率提高一倍。

圖5 田間管理作業試驗

4 結語

菠蘿機械化田間管理的關鍵在于提高田間管理機械裝備對于種植農藝的適用性，特別是管理機行走機構參數與壟距、行距等的配套性，管理機需要在壟溝或行間行走，保證田間管理作業時不碾壓、損傷植株。另外，田間管理具有作業的多樣性需求，一機多用能提高田間管理機利用率與使用經濟性。本文設計了一種菠蘿多功能田間管理機，采用可變軌距高地隙窄型履帶式通用行走底盤，農藝適應性好，可以在不同種植模式的菠蘿田間安全、靈活穿梭作業，不傷苗，不壓果，解決了菠蘿田間管理機下田問題。研究開發了配套的噴桿噴霧組件、固態肥施肥組件與擴展平臺運輸組件，實現了菠蘿田間管理機一機多用功能，可完成菠蘿田間液態藥肥噴灑、固態肥施播以及果實、物資田間運輸等田間管理作業，顯著提升了田間管理作業效率，有較好的市場應用前景。