王軍增，孫 偉，王虎存，張 華，劉小龍

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

黨參作為我國(guó)大宗中藥材之一，具有補(bǔ)中益氣、健脾益肺之功效，素有“小人參”之美譽(yù)。根據(jù)黨參對(duì)生態(tài)環(huán)境的要求，其適宜產(chǎn)區(qū)在北緯33°30′～36°05′。栽培地氣候要求：年平均氣溫5℃～8℃，5 cm處地溫為33℃，15 cm處28℃；無霜期120～165 d，年平均日照時(shí)數(shù)1 800 h以上，年平均降水量430～600 mm，年平均相對(duì)濕度50%～80%[1]。隨著野生黨參的銳減及市場(chǎng)對(duì)黨參需求量的日益增加，人工種植黨參已成為解決黨參資源供求矛盾的有效途徑。目前，黨參全國(guó)種植面積5.4萬(wàn)hm2，其中甘肅種植面積5萬(wàn)hm2，甘肅黨參的產(chǎn)量和市場(chǎng)占有率均占全國(guó)的90%以上[2]。

西北旱區(qū)農(nóng)技工作者把行之有效的傳統(tǒng)抗旱措施和現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)結(jié)合起來，創(chuàng)造了壟畦覆膜、種行覆土黨參種苗移栽技術(shù)，該模式保證了順利出苗和防止燒苗現(xiàn)象的發(fā)生，起到提前出苗時(shí)間、抗旱保墑的作用，同時(shí)便于機(jī)械收挖[3]。目前，由于無配套移栽機(jī)具，該模式黨參移栽主要靠人工完成，普遍存在黨參苗移栽質(zhì)量不穩(wěn)定、人工作業(yè)強(qiáng)度大、作業(yè)效率低等諸多問題，嚴(yán)重制約了黨參生產(chǎn)的發(fā)展[4-8]。

國(guó)外移栽機(jī)的研究起步較早，目前移栽技術(shù)己趨于成熟，工作穩(wěn)定性及可靠性較高[9]。如意大利Hortus公司研制的吊杯式膜上移栽機(jī)[10]、美國(guó)Kernico農(nóng)機(jī)生產(chǎn)公司研制的膜上打穴半自動(dòng)移栽機(jī)[11]、日本井關(guān)研制的PVPHR2型膜上移栽機(jī)[12]、洋馬農(nóng)機(jī)(中國(guó))有限公司研制生產(chǎn)的洋馬PN1(1W)型蔬菜移栽機(jī)[13]等。上述機(jī)型主要用于蔬菜、煙草、水稻等作物的缽苗垂直移栽，不能滿足黨參苗栽植的農(nóng)藝要求。近年來，國(guó)內(nèi)的相關(guān)學(xué)者及農(nóng)機(jī)企業(yè)對(duì)中藥材移栽機(jī)進(jìn)行了大量的研究和推廣，典型研究有：中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)王徐建等[14]研制的甘草傾斜移栽開溝器、東北農(nóng)業(yè)大學(xué)徐高偉等[15]研制的丹參膜上傾斜移栽機(jī)構(gòu)。經(jīng)市場(chǎng)調(diào)研，甘肅省內(nèi)有定西市三牛農(nóng)機(jī)制造有限公司生產(chǎn)的2BY-6型中藥材根莖播種機(jī)、臨洮縣宏豐機(jī)械制造有限公司生產(chǎn)的2Z-6/2Z-8/2Z-8型中藥材秧苗栽植機(jī)、甘肅省昱昇農(nóng)機(jī)有限公司生產(chǎn)的2CY-4/2CY-5/2CY-9型根莖作物播種機(jī)等，目前，現(xiàn)有的移栽機(jī)無覆膜機(jī)構(gòu)或覆膜后無法進(jìn)行對(duì)行覆土，需要人工放苗，種植成本相對(duì)較高。

本研究針對(duì)西北旱區(qū)壟畦覆膜、種行覆土黨參種苗移栽農(nóng)藝要求，設(shè)計(jì)了一種具有開溝、播苗、起壟、整形、覆膜、對(duì)行覆土等功能的黨參種苗移栽機(jī)，并進(jìn)行了田間試驗(yàn)。

1 黨參栽培的農(nóng)藝要求

圖1為壟畦覆膜種行覆土黨參栽培模式示意圖，壟畦寬度為1 200 mm，壟畦高為60～100 mm，行距為170 mm，種行覆土厚度為20～30 mm。為節(jié)省放苗成本，移栽時(shí)選用寬度為1 400 mm、厚度為0.01 mm的黑色打孔地膜(孔徑為30 mm，兩孔中心距為100 mm)覆蓋壟臺(tái)。為了更好地提高地溫，保持土壤水分，采用種行覆土的方式封堵膜孔。黨參移栽時(shí)所選參苗長(zhǎng)度約為150～200 mm，種苗適宜密度約為25 000株·666.7m-2[16-17]。

壟畦覆膜種行覆土黨參栽培模式下移栽黨參苗會(huì)順溝平鋪至“V”型溝底，移栽過程中需特別注意播深的調(diào)節(jié)，播深應(yīng)以50 mm為最佳，播深過大會(huì)嚴(yán)重影響黨參出苗率。

2 黨參種苗移栽機(jī)的整機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

2.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)及主要技術(shù)參數(shù)

圖2為整機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，主要由機(jī)架、松土鏟、開溝器、限深輪、整形鎮(zhèn)壓裝置、覆膜裝置、膜上覆土裝置、座椅等部件組成，機(jī)架采用方管焊接而成，其余部件大多采用板件組合設(shè)計(jì)而成，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，裝配方便。各機(jī)構(gòu)協(xié)同工作，保證了整機(jī)功能的實(shí)現(xiàn)。

參考西北旱區(qū)黨參種植模式與配套農(nóng)藝要求，作業(yè)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

1.參苗；2. 黑膜；3. 種行覆土 1.Codonopsis pilosula seedling; 2. Black plastic film; 3. Covering soil on seedling row圖1 壟畦覆膜種行覆土黨參栽培模式Fig.1 Cultivation model of codonopsis pilosula with film mulching ridge and covering soil on seedling row

1.機(jī)架；2. 松土鏟；3. 開溝器；4. 限深輪；5. 整形鎮(zhèn)壓裝置； 6. 覆膜裝置；7. 膜上覆土裝置；8. 投放口；9. 座椅；10. 苗箱安放架 1. Frame; 2.Soil loosening shovel; 3. Opener; 4. Depth-limit wheel; 5. Shaping and compaction device; 6. Film mulching device; 7. Soil covering on film device; 8. Seedling outlet; 9. Seat; 10. Seedling box rack圖2 整機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.2 Structure diagram of whole machine

表1 主要技術(shù)參數(shù)

2.2 工作原理

工作時(shí)，黨參移栽機(jī)通過懸掛機(jī)構(gòu)與拖拉機(jī)三點(diǎn)懸掛架連接，在拖拉機(jī)牽引下移栽機(jī)開溝器劃開土壤形成種床，側(cè)翼保證回土在種苗落入種床后回填種溝。栽植人員分別向投放口投苗，由于投放口及開溝器翼板形成的狹長(zhǎng)縫隙，在前進(jìn)方向上參苗被平鋪于種床。在保證藥材品質(zhì)和產(chǎn)量前提下，參苗水平移栽可限制其生長(zhǎng)深度，便于挖掘作業(yè)[1]。投苗完成后，整形鎮(zhèn)壓裝置進(jìn)一步修整壟形，覆膜裝置將膜鋪放到已成形的種床上面，完成地膜覆蓋。同時(shí)，膜上覆土裝置工作，覆土圓盤起土，將一部分土壤覆蓋膜邊固定地膜，另一部分土壤被輸送至覆土滾筒，經(jīng)覆土滾筒內(nèi)螺旋導(dǎo)土板導(dǎo)向從出土槽排出，由于每個(gè)出土槽正對(duì)一個(gè)開溝器，確保了種行覆土。為消除拖拉機(jī)輪胎對(duì)土壤的壓實(shí)，兩側(cè)設(shè)計(jì)了松土鏟，深度可根據(jù)壓實(shí)情況調(diào)節(jié)。此外，參苗的栽植深度可通過限深輪和拖拉機(jī)中央拉桿共同調(diào)節(jié)。

3 主要工作部件設(shè)計(jì)及其參數(shù)確定

3.1 尖角長(zhǎng)翼型開溝器

開溝器(如圖3所示)是移栽機(jī)的核心部件，直接影響到整機(jī)的工作性能，本機(jī)選用了尖角長(zhǎng)翼型開溝器，其主要由鏵尖、土壤分流板、翼板等組成。其中，土壤分流板、翼板作為一個(gè)整體折彎而成，鏵尖經(jīng)特殊處理后焊接于其上。

開溝器的設(shè)計(jì)重點(diǎn)是要保證播深穩(wěn)定且可調(diào)，同時(shí)兼顧開溝阻力、回土效果、開溝器的入土和切土性能等因素。該開溝器選取3 mm厚的65Mn鋼板制作，并對(duì)入土部位進(jìn)行局部熱處理、氧化處理以提高其耐磨性和抗腐蝕性。計(jì)算后得尖角長(zhǎng)翼型開溝器的主要技術(shù)參數(shù)如表2所示。

表2 尖角長(zhǎng)翼型開溝器的主要技術(shù)參數(shù)

3.1.1 開溝器翼板 開溝器工作時(shí)，開溝器翼板的長(zhǎng)度發(fā)揮著重要作用。設(shè)計(jì)時(shí)若開溝器翼板過長(zhǎng)則會(huì)增加開溝器阻力，同時(shí)增加制造成本，如果翼板長(zhǎng)度不足，回土?xí)绊懛N植深度和覆土質(zhì)量。因此，要確定合適的翼板長(zhǎng)度，設(shè)計(jì)時(shí)將種苗的投放初速度視為0 m·s-1，根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)公式可得：

(1)

式中，H為投種高度，測(cè)量取0.8 m；g為重力加速度，取9.8 m·s-2；t為時(shí)間(s)；S為開溝器水平位移(m)；v為水平前進(jìn)速度，取0.5 m·s-1。

由式(2)計(jì)算可得S=0.2 m，即種苗落至溝底時(shí)開溝器前進(jìn)距離為0.2 m。

為保證種苗覆土質(zhì)量，設(shè)計(jì)開溝器時(shí)有：種苗長(zhǎng)度+開溝器前進(jìn)距離

1.鏵尖;2. 土壤分流板;3. 翼板 1.Ploughshare point; 2. Soil shunt plate; 3. Opener wing plate圖3 開溝器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.3 Structural diagram of opener device

本機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)取L=0.5 m，種苗長(zhǎng)度取最大值0.2 m，工作時(shí)栽植人員遵從移栽要求，從投放最前端位置零速投苗，則有0.2 m+0.2 m<0.5 m；考慮到實(shí)際栽植時(shí)，栽植人員投放種苗會(huì)施加初速度，這樣種苗落至溝底時(shí)開溝器前進(jìn)距離將小于0.2 m。故設(shè)計(jì)時(shí)取L=0.5 m，滿足實(shí)際栽植需求。此時(shí)，開溝器翼板的長(zhǎng)度為460 mm。

圖4 土壤顆粒在土壤分流板及翼板上的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖Fig.4 The movement diagram of soil particles on the soil diversion plate and wing plate

(2)

式中，M為土壤顆粒質(zhì)量(kg)；g為重力加速度，取9.8 m·s-2；α′為土壤的自然休止角，取35°；φ′為土壤摩擦角，取24°。

土壤顆粒位于分流板位置時(shí)在接觸面上的速度vx與位移x為：

(3)

式中，t1為時(shí)間(s),δ為開溝器分流板夾角(°)。

當(dāng)土壤顆粒運(yùn)動(dòng)到邊緣后，會(huì)沿著開溝器翼板進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，受到翼板對(duì)顆粒的摩擦力F1，還有邊緣土層對(duì)接觸面顆粒的作用力F2及壓力N0，如圖4所示，則在翼板位置土壤顆粒的運(yùn)動(dòng)微分方程為：

(4)

式中，φ1為土壤顆粒間摩擦角，取25°。

將上一過程的最終狀態(tài)作為此過程的初始狀態(tài)，求得土壤脫離開溝器側(cè)板的瞬間速度。

(5)

式中，L為開溝器總長(zhǎng)度，取0.5 m。

可以看出影響土壤顆粒速度的因素包括：開溝器分流板夾角δ1和開溝器總長(zhǎng)度L。土壤顆?；芈溥^程主要包括土層邊緣的土粒下落和自然休止角范圍內(nèi)土粒下落。這兩種土粒落入壟溝時(shí)間對(duì)黨參苗覆蓋有很大影響，文獻(xiàn)[18]表明,邊緣土粒接觸溝底的時(shí)間要小于休止角范圍內(nèi)的土粒落入溝底的時(shí)間。如圖5所示，自然休止角范圍內(nèi)的所有土粒下落，沿著土壤自然休止角α′的斜面運(yùn)動(dòng)。

(6)

式中，t2為時(shí)間(s)。

圖5 土壤顆粒沿坡面運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖Fig.5 Diagram of soil particle movement along slope

3.1.3 仿真分析 根據(jù)式(1)～(6)所確定的各項(xiàng)參數(shù)，綜合考慮土壤物理特性及流動(dòng)性對(duì)開溝器設(shè)計(jì)的影響，利用EDEM模擬開溝器在土壤中的作業(yè)過程，預(yù)測(cè)農(nóng)具作業(yè)過程中可能存在的問題，優(yōu)化設(shè)計(jì)、節(jié)省成本。本文土壤顆粒的基本結(jié)構(gòu)選取球形塊狀顆粒，由EDEM軟件自帶的球形顆粒單元進(jìn)行土壤模型建立。為保證仿真與實(shí)際土壤的一致性，設(shè)置EDEM球形填充單元的半徑5 mm，覆膜土壤顆粒及幾何體的離散元模擬參數(shù)設(shè)置如表3所示[19-20]。

采用EDEM 2018軟件進(jìn)行開溝器開溝過程模擬(圖6)，仿真過程中建立顆粒工廠先讓顆粒充滿土槽，然后設(shè)置虛擬黨參苗以初速度0 m·s-1、加速度9.8 m·s-2的豎直下落，虛擬開溝器以0.5 m·s-1的速度勻速直線運(yùn)動(dòng)，此仿真選用Hertz-Mindlin(no slip)接觸模型，仿真總時(shí)間設(shè)置為8 s，目標(biāo)保存間隔為0.01 s。待仿真結(jié)束后，通過觀察仿真結(jié)果確定開溝器翼板長(zhǎng)度等核心參數(shù)均滿足種苗覆土需求，無亮苗現(xiàn)象。

圖6 仿真試驗(yàn)Fig.6 Simulation test

3.1.4 開溝器強(qiáng)度 開溝器阻力是開溝器設(shè)計(jì)中的重要因子，其主要受開溝器類型、結(jié)構(gòu)參數(shù)、開溝深度等因素影響?？紤]到黨參種植農(nóng)藝要求，栽植前已用耕整機(jī)械整地。由犁耕牽引阻力的簡(jiǎn)易經(jīng)驗(yàn)公式(7)確定本機(jī)牽引阻力為[21]：

表3 覆膜土壤顆粒及幾何體的離散元模擬參數(shù)

P=kab

(7)

式中，P為牽引阻力(N)；k為犁耕比阻，取5 N·cm-2；a為溝深，取均值6 cm；b為溝寬，取6 cm。由式(7)計(jì)算可得，牽引阻力P約為180 N；選用3 mm厚的65Mn鋼完全滿足強(qiáng)度要求。

3.2 整形鎮(zhèn)壓裝置

鋪膜種植要求地膜與壟面緊密貼合，如果壟面不平整或者壟面上存在較大土塊都會(huì)影響覆膜效果。為保證壟型和壟面平整、壓實(shí)覆土提高黨參種苗出苗率，設(shè)計(jì)了整形鎮(zhèn)壓裝置。

考慮到黨參移栽所需覆土量較大，要求覆土嚴(yán)實(shí)，并帶有整形功能。而刮板式覆土器具有覆土能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、刮板角度可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)，所以本機(jī)選用了刮板式覆土器。作業(yè)時(shí)，通過覆土板擠壓使土塊破碎，在壓緊彈簧預(yù)緊力作用下鎮(zhèn)壓土壤形成壟形。圖7為整形鎮(zhèn)壓裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，該裝置主要由覆土板、壓緊彈簧、導(dǎo)向桿、拉桿、墊片等部件組成。

1.梯形塊；2. 覆土板；3. 拉桿；4. 導(dǎo)向桿；5. 壓緊彈簧；6. 墊片 1.Trapezoidal block; 2. Soil covering plate; 3. Pull rod; 4. Guide rod; 5. Tightening spring; 6. Gaskets圖7 整形鎮(zhèn)壓裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.7 Structural diagram of shaping and compaction device

機(jī)具前進(jìn)時(shí)，覆土板貼合地面覆土，當(dāng)遇到石子或較大的土塊時(shí)，自帶的壓緊彈簧會(huì)預(yù)緊覆土板，自動(dòng)進(jìn)行仿形以減少機(jī)械損傷，從而保護(hù)整個(gè)裝置。該覆土板采用5 mm厚的碳鋼板，長(zhǎng)1 225 mm、寬195 mm，通過將長(zhǎng)邊兩側(cè)各向內(nèi)90°彎折15 mm提高強(qiáng)度，防止覆土板變形。覆土板上焊有上下底分別為50 mm、40 mm，兩邊長(zhǎng)度為85 mm的等腰梯形塊，梯形塊起到壓實(shí)種行土壤的作用。

3.3 覆膜裝置

地膜覆蓋技術(shù)是解決西北旱區(qū)作物長(zhǎng)期缺水問題的關(guān)鍵性栽培技術(shù)。覆膜裝置的設(shè)計(jì)必須考慮到構(gòu)件、作業(yè)環(huán)境、機(jī)械性能等因素，依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)制造。圖8為覆膜裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，主要由掛膜桿懸掛架、掛膜桿、展膜輥懸掛架、展膜輥等部件組成。

裝置中掛膜桿懸掛架、展膜輥懸掛架采用5 mm厚的鋼板切割而成，掛膜桿、展膜輥分別采用壁厚2 mm、直徑28 mm和壁厚2 mm、直徑48 mm的無縫鋼管制作。工作時(shí)將地膜筒安裝在掛膜桿上，展膜輥將地膜展開鋪于壟上完成覆膜作業(yè)。

3.4 膜上覆土裝置

3.4.1 覆土圓盤及組件 參苗栽植前需用整地機(jī)械耕整土壤，因此，對(duì)取土裝置入土能力要求不高。故本機(jī)選用普通圓盤取土。圖9為覆土圓盤及組件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，主要由圓盤掛接架、連接管、壓緊彈簧及導(dǎo)向桿、角度調(diào)整板、覆土圓盤等部件組成。

所設(shè)計(jì)圓盤掛接架采用壁厚3 mm的40 mm×40 mm的方管焊制，圓柱螺旋彈簧選用65Mn碳素彈簧鋼絲，彈簧鋼絲直徑2 mm，彈簧外徑16 mm，自由狀態(tài)下彈簧的總長(zhǎng)為200 mm。工作時(shí)彈簧處于壓縮狀態(tài)。導(dǎo)向桿選用Φ13 mm的碳鋼管，其上開有數(shù)個(gè)小孔用來調(diào)整彈簧壓縮量，改變預(yù)緊力。適宜的彈簧壓力保證了覆土圓盤的入土深度。影響覆土圓盤作業(yè)質(zhì)量的參數(shù)主要有圓盤直徑、圓盤偏角和圓盤傾角[22]。

1.掛膜桿懸掛架；2. 掛膜桿；3. 展膜輥懸掛架；4. 展膜輥 1. Suspension frame of hanging film poles; 2.Plastic film hanging poles; 3. Suspension frame of unfold film rollers; 4. Unfold film rollers圖8 覆膜裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.8 Structural diagram of film mulching device

圓盤直徑D取決于最大耕深a，可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式(8)計(jì)算：

k=D/a

(8)

式中，D為圓盤直徑(mm)；k為經(jīng)驗(yàn)值系數(shù)，取2.5；a為最大耕深，取150 mm。

由式(8)計(jì)算可得，D=375 mm，因此，選用覆土圓盤的直徑為375 mm(實(shí)際裝配時(shí)因產(chǎn)品規(guī)格限制，選用圓盤的直徑為380 mm)。

為保證覆土圓盤的切土、碎土及翻土能力，必須使得覆土圓盤與前進(jìn)方向存在偏角α。其值范圍為α=40°～45°，并且隨著α角的增大，圓盤切土、碎土及翻土能力都隨之增加，但偏角α過大會(huì)增加圓盤側(cè)向阻力，容易損壞整個(gè)機(jī)構(gòu)。綜合考慮，本機(jī)選用的圓盤偏角α為40°。

覆土圓盤起到向覆土滾筒內(nèi)輸送土壤的作用，須具有良好的翻垡能力。因此，覆土圓盤與鉛垂面須存在傾角β。其值范圍為β=15°～25°，經(jīng)田間試驗(yàn)，本機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)選擇的圓盤傾角β=15°，圓盤在結(jié)構(gòu)上選用具有多個(gè)安裝孔的圓盤，圖10為圓盤傾角、圓盤偏角示意圖。

圖10 圓盤傾角、偏角示意圖Fig.10 Diagram of inclination and deflection of disc

為保證覆土圓盤順利完成取土設(shè)計(jì)了角度調(diào)整板，如圖11所示。角度調(diào)整板由5 mm厚的小塊鋼板與3 mm壁厚、內(nèi)徑為18 mm的小段圓管焊接而成。焊接時(shí)小塊鋼板與小段圓管留有40°斜角，鋼板與圓管中心線偏轉(zhuǎn)15°角，該設(shè)計(jì)保證了覆土圓盤的偏角與傾角。覆土圓盤安裝時(shí)調(diào)整圓管上兩螺栓，位置確定后緊固螺栓則覆土圓盤工作角度恒定。

1.圓盤掛接架；2. 連接管；3. 壓緊彈簧及導(dǎo)向桿； 4. 角度調(diào)整板；5. 覆土圓盤 1. Hanging rack of disc; 2. Connecting pipes; 3.Tightening spring and guide rod; 4. Angle adjustment plate; 5.Soil covering disc圖9 覆土圓盤及組件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.9 Structural diagram of soil covering discs and components

圖11 角度調(diào)整板結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.11 Structural diagram of angle adjusting plate

3.4.2 覆土滾筒及組件 圖12為覆土滾筒及組件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，主要由滾筒懸掛臂、入土輪齒、螺旋導(dǎo)土板、出土槽、支撐筋、軸承及圓筒殼體等部件組成。在滾筒的入口處設(shè)有均布的螺旋導(dǎo)土板，能夠?qū)⑷⊥翀A盤送進(jìn)的土壤輸送到覆土位置，再通過出土槽漏出，完成種行覆土。

1.滾筒懸掛臂；2. 入土輪齒；3. 螺旋導(dǎo)土板； 4. 出土槽；5. 支撐筋；6. 軸承；7. 半軸；8. 輻條 1. Drum suspension arm; 2. Penetration gear teeth; 3. Spiral guide plate; 4. Export soil trough; 5. Support ribs; 6. Bearings; 7. Half axis; 8. Spokes圖12 覆土滾筒及組件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.12 Structural diagram of covering soil drum and components

設(shè)計(jì)選用的滾筒直徑為400 mm、長(zhǎng)度為1420 mm，滾筒懸掛臂用壁厚3 mm的30 mm×30 mm的方管制作，為保證滾筒正常旋轉(zhuǎn)，選用半軸與軸承配合使用，呈兩側(cè)對(duì)稱分布。為保證整個(gè)裝置的強(qiáng)度及圓度，裝置兩側(cè)各設(shè)3根輻條，輻條采用Φ10的普通碳鋼，兩端分別焊接在半軸及圓筒殼體上。

螺旋導(dǎo)土板在整個(gè)裝置中起到輸送、導(dǎo)流土壤的作用，并與膜上覆土質(zhì)量直接關(guān)聯(lián)，其導(dǎo)流效果與螺旋導(dǎo)土板旋向及均布個(gè)數(shù)相關(guān)[23]。設(shè)計(jì)時(shí)依據(jù)土壤由外向內(nèi)輸送原理，選用常用組數(shù)4，材料選擇2 mm厚的普通鋼板。土壤由螺旋導(dǎo)土板兩側(cè)向中央輸送，每經(jīng)過一個(gè)出土槽口土量就發(fā)生遞減。因此，為保證覆土均勻性及封堵膜孔所必需的土量，需設(shè)計(jì)適宜的出土槽寬度。經(jīng)田間試驗(yàn)得出：出土槽寬度由外向內(nèi)呈對(duì)稱分布，依次設(shè)置為40 mm、45 mm、50 mm，其中，中央出土槽寬度設(shè)置為60 mm。

覆土滾筒滾動(dòng)時(shí)，滾筒內(nèi)土壤隨滾筒內(nèi)壁一起上升并在螺旋導(dǎo)土板的引導(dǎo)下由兩側(cè)向中央軸向移動(dòng)，遇到出土槽即發(fā)生漏土，直至中央出土槽時(shí)全部漏完。本機(jī)對(duì)稱均布4組螺旋導(dǎo)土板(取螺旋導(dǎo)土板最低點(diǎn)時(shí)角度為0°，則每組螺旋導(dǎo)土板運(yùn)輸土壤的角度范圍為0～90°)，選取土壤在螺旋面A點(diǎn)處于臨界滑動(dòng)狀態(tài)(螺旋導(dǎo)土板處于90°位置)，分析土壤沿螺旋導(dǎo)土板A點(diǎn)切面的螺旋線方向滑動(dòng)的基本條件[25]，根據(jù)圖13建立方程(9)：

圖13 導(dǎo)土板上土壤的受力分析Fig.13 Force analysis of soil on the spiral batten

(9)

式中，F(xiàn)為土壤顆粒隨滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)周圍土壤對(duì)其擠壓力與重力等沿圓周切向的合力(N)；f為A點(diǎn)螺旋切線方向滑動(dòng)時(shí)的摩擦阻力(N)；N為挖掘鏟對(duì)土壤的反作用力(N)；θ為螺旋角(°)；φ為土壤與螺旋導(dǎo)土板的摩擦角(°)。

為使土壤沿著螺旋導(dǎo)土板向下移動(dòng)，并順利完成種行覆土，則必須滿足如下條件：

Fcosθ>f

(10)

綜合(9)、(10)式可得：

(11)

為了保證土壤沿螺旋導(dǎo)土板軸向順利滑動(dòng)，螺旋導(dǎo)土板上任意一點(diǎn)的螺旋角θ必須滿足(11)式，再綜合考慮螺旋導(dǎo)土板表面粗糙度、土壤水分等因素[25]，取φ=20°，故螺旋導(dǎo)土板上任意一點(diǎn)的螺旋角θ<70°。

設(shè)土壤沿螺旋導(dǎo)土板軸向運(yùn)動(dòng)時(shí)加速度為a，則土壤的運(yùn)動(dòng)方程為：

ma=Ncosθ-fsinθ

(12)

式中，m為土壤質(zhì)量(kg)。

綜合式(9)、(12)可得：

(13)

cos2θ-tanφsin2θ=0

(14)

將φ=20°代入式(10)，解得最佳螺旋角θ1=35°，所以螺旋導(dǎo)土板的螺旋角設(shè)計(jì)值為35°。

3.4.3 運(yùn)輸調(diào)整裝置 為適合西北地區(qū)小塊地種植模式，設(shè)計(jì)了可翻轉(zhuǎn)的膜上覆土裝置，機(jī)具運(yùn)輸時(shí)采用簡(jiǎn)單銷接的方式將膜上覆土裝置垂直固定，此設(shè)計(jì)減小了機(jī)具長(zhǎng)度，解決了運(yùn)輸及地頭轉(zhuǎn)彎問題。翻轉(zhuǎn)后機(jī)架與滾筒的相對(duì)位置如圖14所示。

如圖14，滾筒懸掛臂與機(jī)架上設(shè)有兩對(duì)配對(duì)的孔，覆土滾筒工作時(shí)機(jī)架與覆土滾筒銷接于O位置，A1、A2隨地勢(shì)高低其相對(duì)位置不斷發(fā)生變化。運(yùn)輸或掉頭時(shí)OA1沿圖14所示方向與OA2重合，機(jī)架與覆土滾筒銷接于A1(A2)位置，此時(shí)，機(jī)具長(zhǎng)度減小，方便運(yùn)輸及轉(zhuǎn)彎。

圖14 運(yùn)輸時(shí)機(jī)架與滾筒的相對(duì)位置Fig.14 Relative position of frame and drum in transportation

4 田間試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)條件

2019年3月末在甘肅省定西市隴西縣福星鎮(zhèn)龐家岔村進(jìn)行了田間移栽試驗(yàn)。試驗(yàn)用地為水平梯田，地塊已進(jìn)行耕翻整地，地表平整，無大土塊、秸稈、雜草等障礙物，地面坡度小于5°，用地土壤類型為黃綿土。種植面積約為0.6 hm2，土壤平均含水率為18%，容重為1.03～1.15 g·cm-3，土壤堅(jiān)實(shí)度<280×103Pa，空氣平均溫度約為20℃。作業(yè)時(shí)選用的配套動(dòng)力為東方紅454拖拉機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定功率為(12 h)33.075 kW，田間作業(yè)情況如圖15所示。

圖15 田間試驗(yàn)Fig.15 Field experiment

4.2 試驗(yàn)方案與方法

試驗(yàn)完成后，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 10291—2013《旱地栽植機(jī)械》和JB/T 7732—2006《鋪膜播種機(jī)》對(duì)黨參覆膜移栽機(jī)性能進(jìn)行測(cè)定。主要試驗(yàn)指標(biāo)為黨參種苗埋苗率、露苗率、栽植合格率、栽植深度合格率、膜邊覆土厚度合格率、膜邊覆土寬度合格率。同時(shí)，檢測(cè)松土鏟、開溝器、限深輪、整形鎮(zhèn)壓裝置、覆膜裝置、膜上覆土裝置等關(guān)鍵部件的工作可靠性。

在試驗(yàn)田隨機(jī)選擇長(zhǎng)50 m的已種植區(qū)域進(jìn)行檢測(cè)，兩端預(yù)備區(qū)域不小于10 m，拖拉機(jī)往返各設(shè)兩段測(cè)定區(qū)域，每段測(cè)定區(qū)域重復(fù)10次試驗(yàn)并測(cè)得試驗(yàn)數(shù)據(jù)，求出10次重復(fù)試驗(yàn)測(cè)定結(jié)果的平均值。其中，埋苗率、露苗率、栽植合格率、栽植深度合格率的計(jì)算方法如式(15)～(20)[27]：

(15)

(16)

(17)

(18)

NH=N-(NM+NL)

(19)

(20)

對(duì)機(jī)具進(jìn)行膜邊覆土厚度合格率、膜邊覆土寬度合格率試驗(yàn)，在已選定的50 m測(cè)區(qū)內(nèi)往返的兩個(gè)行程上交錯(cuò)選定4個(gè)小區(qū)內(nèi)進(jìn)行，每個(gè)小區(qū)長(zhǎng)度為5 m，在每個(gè)小區(qū)內(nèi)均勻布設(shè)11個(gè)點(diǎn)作為數(shù)據(jù)采集點(diǎn)。其中，膜邊覆土厚度合格率、膜邊覆土寬度合格率計(jì)算公式如下[28]：

(21)

式中，θ為膜邊覆土厚度合格率或膜邊覆土寬度合格率(%)；g1為小區(qū)內(nèi)測(cè)定的符合要求的合格點(diǎn)數(shù)量(膜邊覆土厚度≥25 mm、膜邊覆土寬度≥35 mm即為合格)(個(gè))；G為小區(qū)內(nèi)測(cè)定膜邊覆土厚度、膜邊覆土寬度的總數(shù)量(個(gè))。

4.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

利用上述測(cè)定計(jì)算方法，所得黨參覆膜移栽機(jī)性能試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

由表4可知，本研究設(shè)計(jì)的壟畦覆膜種行覆土參苗移栽機(jī)通過田間試驗(yàn)測(cè)定所得的黨參種苗埋苗率、露苗率、栽植合格率、栽植深度合格率，膜邊覆土厚度合格率、膜邊覆土寬度合格率等指標(biāo)均滿足國(guó)家及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。經(jīng)多次試驗(yàn)，樣機(jī)各機(jī)構(gòu)運(yùn)行穩(wěn)定，除部分機(jī)構(gòu)通過試驗(yàn)做了微調(diào)外，其他無故障發(fā)生，可靠性較高。經(jīng)試驗(yàn)，該機(jī)平均生產(chǎn)率約為0.14 hm2·h-1，可一次性完成開溝、播苗、起壟、整形、覆膜、覆土作業(yè)，大大節(jié)約了種植成本。

表4 田間試驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié) 論

1)設(shè)計(jì)了壟畦覆膜種行覆土黨參苗移栽機(jī)，通過理論分析及仿真模擬，確定了關(guān)鍵部件技術(shù)參數(shù)。尖角長(zhǎng)翼型開溝器總長(zhǎng)為500 mm、開溝器分流板夾角為60°、覆土圓盤直徑為380 mm、圓盤偏角為40°、圓盤傾角為15°、覆土滾筒螺旋導(dǎo)土板的螺旋角為35°。

2)田間試驗(yàn)表明，壟畦覆膜種行覆土參苗移栽機(jī)埋苗率為4.1%、露苗率為2.6%、栽植合格率為92.0%、栽植深度合格率為87.5%、膜邊覆土厚度合格率為95.9%、膜邊覆土寬度合格率為96.3%、平均生產(chǎn)率約為0.14 hm2·h-1，田間性能試驗(yàn)指標(biāo)均達(dá)到國(guó)家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。