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(zhǎng)為定株距基準(zhǔn)，以確定的機(jī)械式傳動(dòng)鏈保證栽植株距大小[1-2]。當(dāng)機(jī)具作業(yè)時(shí)，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(jì)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(zhǎng)勢(shì)、砧木長(zhǎng)勢(shì)、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(duì)栽植株距要求也不一樣。

果樹栽植對(duì)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(duì)栽植株距的不同要求。本文對(duì)2PZ-4000A 型果樹栽植機(jī)田間試驗(yàn)中與栽植株距相關(guān)的檢測(cè)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(hào)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(jì)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(hào)發(fā)生器?；瑝K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(dòng)。機(jī)具開始作業(yè)時(shí)，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(hào)發(fā)生器發(fā)出聲光信號(hào)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(cè)點(diǎn)和果樹植入點(diǎn)P 之間的距離。栽植過程中計(jì)數(shù)器記錄所栽植的果苗數(shù)量，可進(jìn)行累計(jì)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(yàn)

2.1 試驗(yàn)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(tái)縣于家村2 個(gè)不同的試驗(yàn)地進(jìn)行了田間試驗(yàn)。第1 次試驗(yàn)，試驗(yàn)地東西長(zhǎng)90 m，南北長(zhǎng)44 m，面積約0.4 hm2；第2 次試驗(yàn)，試驗(yàn)地南北長(zhǎng)122 m，東西長(zhǎng)35 m，面積約0.43 hm2。受試驗(yàn)地面積的限制，未達(dá)到試驗(yàn)大綱規(guī)定的樣機(jī)試驗(yàn)面積，每完成一次試驗(yàn)作業(yè)后，人工移除栽植的試驗(yàn)果樹，利用試驗(yàn)機(jī)具與旋耕機(jī)配合整平栽植壟，再進(jìn)行下一次試驗(yàn)。參見圖2。

圖2 田間試驗(yàn)Fig.2 Field experiment

2.2 試驗(yàn)方法與評(píng)價(jià)指標(biāo)

果樹栽植機(jī)選用105 kW 以上輪式拖拉機(jī)為動(dòng)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(shí)，人工喂入果苗作為首個(gè)檢測(cè)目標(biāo)，栽植機(jī)在行駛過程中激光傳感器檢測(cè)到果苗，聲光信號(hào)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(yàn)重點(diǎn)對(duì)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(cè)，以驗(yàn)證機(jī)具的技術(shù)性能。第1 次試驗(yàn)總作業(yè)面積約2.4 hm2，第2 次試驗(yàn)總作業(yè)面積約1.0 hm2。兩次試驗(yàn)總作業(yè)面積約3.4 hm2，共檢測(cè)面積約0.91 hm2（檢測(cè)面積是正式進(jìn)行果苗栽植參數(shù)測(cè)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(gè)檢測(cè)樣本進(jìn)行測(cè)定。在數(shù)據(jù)檢測(cè)完后，要及時(shí)回收已栽植果苗，以供下個(gè)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(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。栽植試驗(yàn)在參照“果樹栽植機(jī)械化關(guān)鍵技術(shù)研究”項(xiàng)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(jì)算：

式中：SX——株距標(biāo)準(zhǔn)差，cm；CVX——株距變異系數(shù)，%；N——實(shí)測(cè)株距數(shù)；——株距平均值，cm；Xi——實(shí)測(cè)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(duì)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(shí)重栽、埋苗、露苗、傷苗等狀況很少出現(xiàn)，栽植合格率的計(jì)算以果樹栽植深度和傾斜角同時(shí)合格作為判定栽植合格的依據(jù)。對(duì)于栽植深度，以150～260 mm 為合格。栽植深度合格率的計(jì)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(cè)株數(shù)，株。

因栽植作業(yè)時(shí)，前一株已栽植好的果苗是后一株待栽植果苗植入時(shí)機(jī)的檢測(cè)基準(zhǔn)，故栽植傾斜度是影響株距的一個(gè)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(jì)算公式如式（4）。

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

2.3 試驗(yàn)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(yàn)，均取得了良好的試驗(yàn)效果。以1 700 mm 株距為例分析如下。

共測(cè)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(yàn)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(jì)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(jì)圖Fig.4 Statistical chart of planting depth

試驗(yàn)共測(cè)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(yàn)數(shù)據(jù)，在1.7 m 株距下得出果樹栽植機(jī)田間試驗(yàn)結(jié)果如表1 所示。

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

田間試驗(yàn)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(yàn)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(yàn)，并進(jìn)行測(cè)量和記錄（如圖5 所示），根據(jù)栽植質(zhì)量和栽植精度評(píng)估機(jī)具的適用性。

圖5 試驗(yàn)測(cè)量記錄圖Fig.5 Test measurement record

對(duì)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(yàn)時(shí)，鏵犁固定座被地里的較大石塊損壞，除場(chǎng)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(cè)面積為0.91 hm2，生產(chǎn)純作業(yè)時(shí)間為65.8 min，純工作小時(shí)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(jì)數(shù)功能，栽植計(jì)數(shù)器可自動(dòng)統(tǒng)計(jì)所栽植的果樹株數(shù)，可進(jìn)行累計(jì)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(píng)估。

2.3.5 安全性分析

（1）將鋰電池和計(jì)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(gè)安全的作業(yè)環(huán)境。

（2）果苗裝載臺(tái)有2 個(gè)，單個(gè)尺寸：寬度為800 mm，長(zhǎng)度為2 500 mm，面積2 m2，采用格柵網(wǎng)材質(zhì)，堅(jiān)固防滑。在裝載臺(tái)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(tái)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(tái)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(shí)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(yàn)測(cè)量的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，測(cè)量株距的均值要略大于設(shè)計(jì)株距。原因是栽植手反應(yīng)時(shí)間過長(zhǎng)、放苗動(dòng)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(hào)線為非伸縮型式普通信號(hào)線，在樣機(jī)作業(yè)過程中會(huì)因拖拉機(jī)振動(dòng)產(chǎn)生位置游離，對(duì)栽植作業(yè)產(chǎn)生干擾。如果捆扎信號(hào)線或以其他方式固定，則會(huì)給沿滑塊導(dǎo)軌移動(dòng)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(duì)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(hào)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(duì)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(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算偏差值，調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)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(hào)線由起初的普通信號(hào)線更換為可伸縮螺旋型式信號(hào)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(dòng)范圍內(nèi)，增加設(shè)置可伸縮螺旋型式信號(hào)線內(nèi)置圓型導(dǎo)軌，對(duì)信號(hào)線位置加以約束。改進(jìn)效果顯著，樣機(jī)田間試驗(yàn)更加順暢。

（3）提高智能化和機(jī)械化水平。對(duì)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(shí)機(jī)的檢測(cè)基準(zhǔn)，故人工投苗對(duì)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(gè)自動(dòng)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(cè)到栽植信號(hào)時(shí)，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(jì)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(shí)土壤滑移率對(duì)株距的影響。田間試驗(yàn)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(jì)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。