旱作馬鈴薯微壟覆膜側(cè)播機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

崔亞超，賈立國(guó)，陳　偉，政東紅，杜文亮，樊明壽

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) a.機(jī)電工程學(xué)院；b.農(nóng)學(xué)院，呼和浩特　010018)

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旱作馬鈴薯微壟覆膜側(cè)播機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

崔亞超a，賈立國(guó)b，陳偉a，政東紅a，杜文亮a，樊明壽b

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) a.機(jī)電工程學(xué)院；b.農(nóng)學(xué)院，呼和浩特010018)

摘要：旱作馬鈴薯微壟覆膜側(cè)播技術(shù)是采用一膜兩壟、一壟兩行來(lái)播種的農(nóng)藝方法，目前尚沒(méi)有與之配套的農(nóng)機(jī)可以作業(yè)。為了提高其機(jī)械化水平，研制了旱作馬鈴薯微壟覆膜側(cè)播機(jī)，其主要由機(jī)架、施肥裝置、播種裝置、行走裝置、傳動(dòng)裝置、取土整形裝置、鋪膜裝置、壓膜裝置及覆土裝置等組成。田間試驗(yàn)表明：該機(jī)具能夠一次性完成農(nóng)藝方法的多道工序，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞：馬鈴薯；旱作；播種機(jī)；微壟覆膜；側(cè)播

0引言

馬鈴薯是世界上繼水稻、小麥、玉米之后的第四大糧食作物[1-4]。根據(jù)聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織(FAO)統(tǒng)計(jì)，2012年我國(guó)馬鈴薯的種植面積約為5.43×106hm2，總產(chǎn)量約為85.86×106t，均居于世界首位[5]。同時(shí)，馬鈴薯作為一種高產(chǎn)救災(zāi)性作物，在我國(guó)干旱半干旱地區(qū)農(nóng)作物布局中占有重要地位[6]。

旱作馬鈴薯微壟覆膜側(cè)播技術(shù)是采用一膜兩壟、一壟兩行來(lái)播種的農(nóng)藝方法，與一膜一壟相比，減少了單行覆膜行間土地裸露面積，降低了土壤水分無(wú)效蒸發(fā)損失[7]。壟上覆膜使壟間有效富集雨水，壟底水分成倍增加；壟側(cè)播種克服了壟上播種馬鈴薯根系水分吸收困難、壟溝播種馬鈴薯塊莖和根系生長(zhǎng)土層變薄的劣勢(shì)。然而，該農(nóng)藝方法目前尚沒(méi)有與之配套的農(nóng)機(jī)可以作業(yè)。鑒于此，研制了旱作馬鈴薯微壟覆膜側(cè)播機(jī)，并進(jìn)行了田間試驗(yàn)驗(yàn)證。

1總體設(shè)計(jì)要求

按照旱作馬鈴薯微壟覆膜側(cè)播技術(shù)的農(nóng)藝方法，其播種流程為：開(kāi)溝施肥→開(kāi)溝播種→取土起壟→噴灑除草劑→鋪膜覆土→重復(fù)以上步驟[8]。主要種植參數(shù)為：

1)施肥深度14cm，播種深度8cm；

2)行距34cm，株距27cm；

3)壟底寬50cm，壟距60cm，壟高12cm；

4)小壟溝寬10cm，大壟溝寬30cm；

5)地膜寬140cm。

主要參數(shù)示意圖如圖1所示。

圖1　主要種植參數(shù)示意圖

所設(shè)計(jì)旱作馬鈴薯微壟覆膜側(cè)播機(jī)應(yīng)滿(mǎn)足以下要求：

1)與農(nóng)藝方法作業(yè)流程保持一致，一次性完成開(kāi)溝施肥、開(kāi)溝播種、取土起壟、噴灑除草劑及鋪膜覆土等多道工序[9-10]；

2)施肥深度、播種深度及株距可適當(dāng)調(diào)節(jié)；

3)作業(yè)時(shí)，一幅播兩壟，一次播4行，并且使用寬1.4m的農(nóng)用塑料地膜進(jìn)行鋪膜；

4)保證一定的鋪膜和壓膜質(zhì)量，確保地膜下的薯種被土壤完全覆蓋。

2機(jī)具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了滿(mǎn)足旱作馬鈴薯微壟覆膜側(cè)播機(jī)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)側(cè)播機(jī))的設(shè)計(jì)要求，對(duì)其機(jī)具結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。其主要由機(jī)架、施肥裝置、播種裝置、行走裝置、傳動(dòng)裝置、取土整形裝置、鋪膜裝置、壓膜裝置及覆土裝置等組成，如圖2所示。

1.機(jī)架　2.施肥裝置　3.播種裝置

施肥裝置由肥箱、排肥軸、外槽輪排肥器、調(diào)節(jié)手柄、施肥被動(dòng)鏈輪、施肥導(dǎo)向管及施肥開(kāi)溝器等組成，動(dòng)力由地輪通過(guò)鏈傳動(dòng)提供。肥箱安裝在機(jī)架上最前方，由外槽輪排肥器排出的肥料通過(guò)施肥導(dǎo)向管落在施肥開(kāi)溝器開(kāi)出的溝內(nèi)。

施肥開(kāi)溝器所采用形式為船形鏟式，在每一壟中心位置設(shè)置1個(gè)施肥開(kāi)溝器，兩個(gè)施肥開(kāi)溝器的中心距離為60cm。施肥深度可以通過(guò)調(diào)節(jié)施肥開(kāi)溝器的安裝高度實(shí)現(xiàn)，施肥量的大小可以通過(guò)調(diào)節(jié)手柄加以控制。

播種裝置由排種器、種箱、播種被動(dòng)鏈輪、排種導(dǎo)向管及播種開(kāi)溝器等組成，動(dòng)力由地輪通過(guò)鏈傳動(dòng)提供。排種器、種箱安裝在機(jī)架上肥箱后方，由種箱取出的薯種經(jīng)排種器、通過(guò)排種導(dǎo)向管落在播種開(kāi)溝器開(kāi)出的溝內(nèi)。

播種開(kāi)溝器所采用形式也為船形鏟式，在每一壟中心位置左、右兩側(cè)17cm分別設(shè)置1個(gè)播種開(kāi)溝器；4個(gè)播種開(kāi)溝器的排列位置由農(nóng)藝要求而定,播種深度通過(guò)調(diào)節(jié)播種開(kāi)溝器的安裝高度實(shí)現(xiàn)。

排種器驅(qū)動(dòng)形式為上驅(qū)動(dòng)式，采用皮帶配合種勺交叉取種，保證每個(gè)種勺里只有1個(gè)薯種[11]；當(dāng)皮帶運(yùn)動(dòng)到頂點(diǎn)時(shí)，種勺拋出薯種到排種管；薯種落在種勺背面，在排種管的配合下保證薯種不會(huì)自由下落；隨著皮帶運(yùn)動(dòng)，薯種有序地通過(guò)排種導(dǎo)向管落在播種開(kāi)溝器開(kāi)出的溝內(nèi)，實(shí)現(xiàn)“品”字形播種。

通過(guò)改變地輪軸上播種主動(dòng)鏈輪與排種器上播種被動(dòng)鏈輪的傳動(dòng)比，所設(shè)計(jì)排種器株距可以在22～32cm有級(jí)可調(diào)。排種器的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3　排種器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

行走裝置由地輪、地輪軸、軸承、施肥主動(dòng)鏈輪及播種主動(dòng)鏈輪等組成。其中，地輪與地輪軸之間用螺栓緊固并定位，地輪軸通過(guò)軸承連接在機(jī)架上，地輪施肥鏈輪、地輪播種鏈輪分別安裝在地輪軸兩側(cè)。

地輪選用人字形高花紋輪胎，型號(hào)4.50-12，充氣斷面寬110mm、外直徑535mm。選用這種規(guī)格輪胎的原因是其防滑、耐磨，且充氣斷面寬小于大壟溝寬，側(cè)播機(jī)作業(yè)之后不會(huì)破壞壟形、壓壞地膜。

傳動(dòng)裝置由動(dòng)力輸入軸、萬(wàn)向節(jié)、齒輪箱、主動(dòng)雙鏈輪及被動(dòng)雙鏈輪等組成。拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸的動(dòng)力經(jīng)動(dòng)力輸入軸、萬(wàn)向節(jié)傳遞給齒輪箱，齒輪箱的輸出軸連接主動(dòng)雙鏈輪，主動(dòng)雙鏈輪通過(guò)鏈傳動(dòng)傳遞給被動(dòng)雙鏈輪，為取土整形裝置提供動(dòng)力。其傳動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖4所示。

主動(dòng)雙鏈輪與被動(dòng)雙鏈輪的齒數(shù)比為1:2、1:1及2:1。由于齒輪箱的傳動(dòng)比為1:1，則被動(dòng)雙鏈輪與拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸之間的傳動(dòng)比為1:2、1:1及2:1。在不同的傳動(dòng)比之下，拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸可對(duì)被動(dòng)雙鏈輪減速、恒速、增速傳遞，滿(mǎn)足取土整形裝置不同工作要求。

取土整形裝置由取土鏟、攏土圓盤(pán)、輸土機(jī)構(gòu)、導(dǎo)土槽及整形輪等組成。在齒輪箱后機(jī)架下方的兩側(cè)對(duì)稱(chēng)設(shè)有2個(gè)攏土圓盤(pán)，每個(gè)攏土圓盤(pán)均通過(guò)U型卡連接在機(jī)架上；在2個(gè)攏土圓盤(pán)中間位置設(shè)有1個(gè)取土鏟；輸土機(jī)構(gòu)傾斜設(shè)置，其底端與取土鏟相對(duì)應(yīng)，上端對(duì)應(yīng)設(shè)有1個(gè)導(dǎo)土槽；在導(dǎo)土槽下方設(shè)有整形輪。

輸土機(jī)構(gòu)由上輸土輥、下輸土輥、上輸土軸、下輸土軸、輸土皮帶、輸土板及擋土板等組成。其中，上輸土軸和下輸土軸通過(guò)軸承安裝在機(jī)架上，被動(dòng)雙鏈輪安裝在上輸土輥的一側(cè)并通過(guò)頂絲與上輸土軸相連；下輸土輥通過(guò)頂絲與下輸土軸相連；輸土板通過(guò)皮帶螺栓固定在輸土皮帶上，輸土皮帶繞過(guò)上輸土輥和下輸土輥，在輸土皮帶左、右兩側(cè)各安裝一個(gè)擋土板，如圖5所示。

1.動(dòng)力輸入軸、萬(wàn)向節(jié)　2.齒輪箱　3.主動(dòng)雙鏈輪　4.被動(dòng)雙鏈輪

圖5　輸土機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

輸土機(jī)構(gòu)的作用：將取土鏟鏟起的土壤輸送至后方，經(jīng)導(dǎo)土槽用于地膜中間覆土，確保地膜下的薯種被土壤完全覆蓋。地膜中間覆土斷面如圖6所示。

圖6　覆土斷面示意圖(mm)

作業(yè)時(shí)，拖拉機(jī)的行走速度為2～3km/h，取最大行走速度3km/h，則地膜中間覆土的最大需求量為

即地膜中間覆土的最大需求量約為0.495m3/min。

為了滿(mǎn)足地膜中間覆土的最大需求量，對(duì)輸土皮帶的最小轉(zhuǎn)速n進(jìn)行計(jì)算，最小轉(zhuǎn)速n為

B·h·π·d·n·η≥0.495m3/min

式中B—輸土板寬度(m)；

h—輸土板高度(m)；

d—上輸土輥直徑(m)；

n—輸土皮帶轉(zhuǎn)速(r/min)；

η—輸送效率。

輸土板寬度B=0.15m、高度h=0.05m，上輸土輥直徑d=0.08m，輸送效率η=0.75。帶入數(shù)據(jù)，可求得n≥350r/min(即輸土皮帶的最小轉(zhuǎn)速為350r/min)，則被動(dòng)雙鏈輪的最小轉(zhuǎn)速也為350r/min。

鋪膜裝置由伸縮方管及地膜懸掛架等組成：伸縮方管鉸接在機(jī)架上，可拆卸；地膜懸掛架的寬度可調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)范圍為130～170cm。

壓膜裝置由壓膜輥和壓膜輪等組成：左、右壓膜輥將地膜拉展以確保鋪膜和壓膜質(zhì)量；中間壓膜輪將地膜壓緊的同時(shí)扎滲水孔。

覆土裝置由覆土安裝座、覆土限位桿及覆土圓盤(pán)等組成，用于地膜兩側(cè)膜邊覆土，確保地膜下的薯種被土壤完全覆蓋。通過(guò)覆土限位桿對(duì)覆土量大小進(jìn)行調(diào)節(jié)，通過(guò)調(diào)節(jié)兩覆土圓盤(pán)的距離及角度確保覆土效果[12]。

經(jīng)機(jī)具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后，側(cè)播機(jī)應(yīng)實(shí)現(xiàn)：由拖拉機(jī)提供動(dòng)力，施肥開(kāi)溝器在整好的土地上開(kāi)出兩行相距60cm、距地面深14cm的施肥溝，將肥料條播在施肥溝內(nèi)；播種開(kāi)溝器在每一行施肥溝左、右兩側(cè)的17cm處分別開(kāi)出距地面深8cm的種溝，排種器將薯種按“品”字形點(diǎn)播在種溝內(nèi)，株距27cm；攏土圓盤(pán)和取土鏟對(duì)施肥溝、種溝覆土，1行施肥溝及其左、右兩側(cè)的種溝形成1個(gè)壟，一次形成2個(gè)壟；一次形成的2個(gè)壟之間形成小壟溝，小壟溝寬10cm；整形輪對(duì)壟面整形，每一壟的壟底寬50cm、壟高12cm，每一壟上的薯種分布在壟的兩側(cè)；一次成形的2個(gè)壟與相鄰一次成形的2個(gè)壟之間形成大壟溝，大壟溝寬30cm；鋪膜裝置將寬140cm的地膜鋪在一次成形的2個(gè)壟上，膜中間用壓膜輪壓緊并扎滲水孔，同時(shí)取土整形裝置從地膜前方取土覆蓋；左、右壓膜輥將地膜拉展，左、右覆土圓盤(pán)對(duì)地膜兩邊覆土。

3主要技術(shù)參數(shù)

配套動(dòng)力/kW：≥26.1

配套形式：后懸掛

施肥行數(shù)/行：2

施肥行距/cm：60

施肥深度/cm：14～19(有級(jí)可調(diào))

播種行數(shù)/行：4

播種行距/cm：34

播種株距/cm：22～32(有級(jí)可調(diào))

播種深度/cm：8～13有級(jí)可調(diào))

開(kāi)溝器形式：船形鏟式

排種器形式：帶勺式

作業(yè)速度/km·h-1：2～3

設(shè)計(jì)生產(chǎn)率/km·h-1：0.28～0.42

外形尺寸(長(zhǎng)×寬×高)/mm：2 820×1 500×1 600

4試驗(yàn)及其分析

4.1空載轉(zhuǎn)速試驗(yàn)

4.1.1試驗(yàn)條件

空載轉(zhuǎn)速試驗(yàn)在內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)械廠生產(chǎn)車(chē)間內(nèi)進(jìn)行。試驗(yàn)設(shè)備及工具有：拖拉機(jī)(東方紅-200P，動(dòng)力輸出軸額定轉(zhuǎn)速540r/min)，旱作馬鈴薯微壟覆膜側(cè)播機(jī)，光電式轉(zhuǎn)速表(DT-2234B，量程5～999.9r/min，精度0.1r/min)。

4.1.2試驗(yàn)結(jié)果與分析

旱作馬鈴薯微壟覆膜側(cè)播機(jī)的空載轉(zhuǎn)速試驗(yàn)結(jié)果，如表1所示。

表1　空載轉(zhuǎn)速試驗(yàn)結(jié)果

續(xù)表1

空載轉(zhuǎn)速試驗(yàn)表明：由拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸到被動(dòng)雙鏈輪的傳動(dòng)平穩(wěn)，無(wú)卡滯現(xiàn)象。當(dāng)主動(dòng)雙鏈輪與被動(dòng)雙鏈輪的齒數(shù)比為1:2、拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸對(duì)被動(dòng)雙鏈輪減速傳遞時(shí)，被動(dòng)雙鏈輪所獲得的轉(zhuǎn)速小于其應(yīng)獲得的最小轉(zhuǎn)速350r/min。此時(shí)，改變主動(dòng)雙鏈輪與被動(dòng)雙鏈輪的齒數(shù)比大于等于1.6:1。也就是說(shuō)，改變被動(dòng)雙鏈輪與拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸之間的傳動(dòng)比大于等于1.6:1，就可以滿(mǎn)足被動(dòng)雙鏈輪的最小轉(zhuǎn)速。

4.2田間試驗(yàn)

4.2.1試驗(yàn)條件

試驗(yàn)地處內(nèi)蒙古呼和浩特市賽罕區(qū)白塔村，海拔1 040m，年均降水量400mm左右，無(wú)霜期113～134d，土壤類(lèi)型壤土。試驗(yàn)前先耙地，地塊土壤上虛下實(shí)，虛土部分深約10cm。

4.2.2試驗(yàn)材料

試驗(yàn)供試馬鈴薯品種為克新1號(hào)，對(duì)薯種進(jìn)行切塊處理，薯塊質(zhì)量范圍45～50g。試驗(yàn)地膜選用厚度為0.008mm、寬度為140cm的聚乙烯吹塑農(nóng)用地膜。

4.2.3試驗(yàn)設(shè)備

旱作馬鈴薯微壟覆膜側(cè)播機(jī)；拖拉機(jī)(約翰迪爾-654，動(dòng)力輸出軸額定轉(zhuǎn)速720r/min)等。

4.2.4試驗(yàn)內(nèi)容

1)不掛地膜、不裝化肥和薯種情況下，行進(jìn)觀察：①施肥開(kāi)溝器、播種開(kāi)溝器處是否存在壅土；②取土整形裝置工作效果，測(cè)量壟底寬、壟距、壟高、小壟溝寬、大壟溝寬等參數(shù)。試驗(yàn)過(guò)程如圖7所示。

圖7　試驗(yàn)內(nèi)容1

2)掛地膜、不裝化肥和薯種情況下，行進(jìn)觀察：①地膜是否緊貼地表；②膜上的覆土量是否充足。試驗(yàn)過(guò)程如圖8所示。

圖8　試驗(yàn)內(nèi)容2

3)掛地膜、裝化肥和薯種情況下，行進(jìn)測(cè)量如下參數(shù)：①1個(gè)壟上的施肥深度、播種深度；②1個(gè)壟上的播種行距；③1個(gè)壟上的播種株距。

4.2.5試驗(yàn)小結(jié)

1)施肥開(kāi)溝器處不存在壅土，中間兩行播種開(kāi)溝器處存在壅土。其原因是中間兩行播種開(kāi)溝器的距離過(guò)近。

2)取土整形裝置所整形的一幅兩壟達(dá)到設(shè)計(jì)要求，且地膜能夠緊貼地面，地膜兩邊覆土量充足，問(wèn)題是地膜中間覆土量有所欠缺。

3)施肥深度、播種深度、播種行距及播種株距可以進(jìn)行適當(dāng)調(diào)節(jié)，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

5結(jié)論與建議

1)所設(shè)計(jì)旱作馬鈴薯微壟覆膜側(cè)播機(jī)能夠一次性完成開(kāi)溝施肥、開(kāi)溝播種、取土起壟、鋪膜覆土等多道工序。

2)施肥深度可以在14～19cm范圍內(nèi)有級(jí)可調(diào)，播種深度可以在8～13cm范圍內(nèi)有級(jí)可調(diào)，播種株距可以在22～32cm范圍內(nèi)有級(jí)可調(diào)。

3)取土整形裝置所整形后一幅兩壟，壟底寬50cm，壟距60cm，壟高12cm，小壟溝寬10cm，大壟溝寬30cm，與設(shè)計(jì)參數(shù)一致。

4)針對(duì)中間兩行播種開(kāi)溝器處存在壅土現(xiàn)象，建議將中間兩行播種開(kāi)溝器錯(cuò)位布置；針對(duì)地膜中間覆土量有所欠缺的問(wèn)題，建議改進(jìn)取土整形裝置。

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Design and Test of the Rain-fed Potato Planter With Micro-ridge and Plastic Film Mulching

Cui Yachaoa, Jia Liguob, Chen Weia, Zheng Donghonga, Du Wenlianga, Fan Mingshoub

(a.College of Mechanical and Electrical Engineering; b. Agricultural College, Inner Mongolia Agricultural University, Hohhot 010018, China)

Abstract：The technology of rain-fed potato planted by side planting with micro-ridge and plastic film mulching is an agronomic methods, when sowing that makes the use of a membrane with two ridge and a ridge with two row, but there isn’t an agricultural machinery can finish the job at present. In order to improve its mechanization level, developed the rain-fed potato planter, which is mainly composed of frame, fertilizer application device, seeding device, walking device, transmission device, sampling and shaping device, film laying device, film pressing device, soil covering device and so on. The field test showed that it could complete the agronomic methods’ multi-channel processes in one time, but also meet the requirements of mechanical design.

Key words：potato; rain-fed; planter; micro-ridge and plastic film mulching; side planting

文章編號(hào)：1003-188X(2016)02-0062-05

中圖分類(lèi)號(hào)：S223.2+4

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：崔亞超(1988-)，男，山西長(zhǎng)治人，碩士研究生，(E-mail)413935850@qq.com。通訊作者：杜文亮(1957-)，男，內(nèi)蒙古達(dá)拉特旗人，教授，博士生導(dǎo)師，(E-mail)duwl5711@vip.imau.edu.cn。

基金項(xiàng)目：國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(2012CB126307)；公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專(zhuān)項(xiàng)(201303104)

收稿日期：2015-01-28