甘薯起垄覆膜机的设计与试验

隋修旭，蒋金琳，岳　群,李字增,战长龄

(青岛农业大学 机电工程学院，山东 青岛　266109)



甘薯起垄覆膜机的设计与试验

隋修旭，蒋金琳，岳群,李字增,战长龄

(青岛农业大学 机电工程学院，山东 青岛266109)

摘要：我国甘薯栽培方式多为垄作覆膜，该种植方式劳动强度大、生产环节多、机械化程度低，严重制约了甘薯的产业化发展。为此，设计了一种甘薯起垄覆膜机。该机为一垄双行式设计，采用旋耕起垄技术，可显著提高作业效率和起垄质量；起垄后使用压实整形装置提高土垄紧实度，并于垄上开出两条插秧沟；滴灌带通过定位装置平铺于垄上中间位置，无扭曲、折弯现象，方便田间管理，有利于甘薯的生长；使用定穴轮实现膜上定穴，方便种植户插秧；实现多项作业过程一次性完成，包括整地、施肥、起垄、压实整形、铺设滴灌带、覆膜覆土及膜上定穴。田间试验表明：该机无论是起垄质量、覆膜性能，还是定穴效果，均满足甘薯种植的农艺要求。

关键词：甘薯；起垄；覆膜；膜上定穴

0引言

甘薯原名番薯，富含蛋白质、淀粉、果胶、纤维素、氨基酸、维生素，以及铁和钙等矿物质元素，具有很高的营养价值和药用价值[1],已被世界卫生组织评定为13种最佳蔬菜的冠军菜。

甘薯是我国主要的农作物之一，种植面积达620万hm2，总产量达到1.2亿t，是世界上最大的甘薯种植国和产出国[2]。同时，甘薯是工业原料和优良的饲料作物，其产值是玉米的两倍，生产潜力巨大，具有很好的市场发展前景。

传统的甘薯种植主要靠人工，与小麦等其它大田作物相比，机械化作业水平低，作业过程费时费力，在一定程度上限制了我国甘薯产业化的发展。其中，起垄与覆膜劳动强度最大，大多使用人工或铧式犁耕翻式起垄，然后人工覆膜，作业质量低，难以满足甘薯对生长环境的要求[3]。

目前,国内用于甘薯起垄的方法大致包括两类：一是采用对翻起垄方式，缺点是垄形不规范，垄高与垄宽不满足农艺要求，对铺膜工序影响较大；二是在旋耕机后附加起垄设备，不足之处是生产工序多、拖拉机功率利用率低、生产效率低，同时难以实现一次性完成多项作业过程。

在欧美日等发达国家中，甘薯种植机械经过不断发展，已经达到了相当完善的程度，无论是作业质量、作业速度、生产效率，还是机具的可靠性方面，都做得比较好。以日本为例，采用机械化种植方法后，生产效率提高了数十倍，极大促进了甘薯的产业化发展。

同国外相比，国内甘薯起垄覆膜机的发展起步较晚，研发投入不足，造成生产机械化水平低；从作业效果看，起垄覆膜不规范，难以满足农艺要求，且多数机型不能一次性完成整地、施肥、起垄、压实整形、铺设滴灌带、覆膜覆土和膜上定穴。针对以上问题，研制了一种新型甘薯起垄覆膜机。

1整机方案设计

1.1总体结构

该起垄覆膜机具体结构如图1所示。

1.肥箱　2.地轮　3.变速箱　4.滴灌带定位装置

整机主要由机架、起垄装置、压实整形装置、滴灌带铺设装置、覆膜覆土装置和膜上定穴装置等组成。

1.2主要技术参数

主要技术参数如表1所示。

表1　主要技术性能指标

1.3工作过程

采用三点悬挂，与四轮拖拉机配套使用。作业时，开沟器开沟；拖拉机前进带动地轮转动，并通过地轮上的链轮、链条将动力传递给排肥器，排肥器转动，强制将肥料排出，最终肥料经排肥管落入开好的沟内，完成施肥过程；拖拉机动力输出轴带动旋耕起垄装置转动，完成起垄作业[4]；压实整形装置将土垄压实，形成满足农艺要求的土垄，并于垄上开出两条插秧沟，方便农户种植；滴灌带随拖拉机前进自动展开，受滴灌带固定装置和压实整形装置的约束，平直铺放在垄上中间位置；覆膜覆土装置在机械牵引下覆膜，并将两垄之间沟底部的薄膜压实；定穴轮随机具前进而在土垄上转动，实现膜上定穴，从而完成整个起垄覆膜工作。整个作业过程包括整地-施肥-起垄-压实整形-铺放滴灌带-覆膜覆土-膜上定穴。

2主要零部件设计

2.1开沟器

该起垄覆膜机为一垄双行式设计，种植时不需要很高的开沟速度，因此在本设计中采用如图2所示楔形开沟器，选用不锈钢材料，开沟阻力小，入土性好，开沟深度一致。

图2　楔形开沟器

2.2施肥装置

施肥装置的研究参照马铃薯播种机施肥原理。工作时，地轮旋转提供动力，并通过链传动带动排肥器旋转；排肥器选择外槽轮式，通用性强；选用防腐耐磨材料；排肥量大小可根据实际使用情况调节；肥箱内设计螺旋搅肥器，避免因肥料结块造成架空或堵塞问题，增强排肥效果；施肥深度可根据当地农艺要求有级调整。

2.3起垄装置

起垄质量的高低对甘薯优质高产有非常重要的影响。通过垄作，会增加深土层，土质更加松软，扩大了甘薯根系活动范围，有利于土壤与外界气体交换和养分积累；有利于排涝抗旱和土壤中有机物质的分解，改善甘薯生长环境。

2.3.1起垄农艺方案确定

目前，甘薯起垄作业过程中存在的主要问题包括起垄高度不均匀、垄宽不规范及土垄紧实度不足易坍塌等，严重影响了后续覆膜覆土作业和甘薯的生长。因此，应结合甘薯生长的农艺要求选择合理的垄高、垄宽，适当提高土垄的紧实度。

根据垄高和产量实验结果显示：垄高在15～35cm之间时，随着垄高逐渐增加，产量呈递增趋势；在垄高为35cm时，甘薯产量达到最高；但垄高为30cm与35cm时，产量无显著差异，综合考虑投入与产出，最终选择起垄高度为30cm[5]。起垄形式中，一垄双行增产效果明显优于一垄一行，设计最终选择为一垄双行，垄宽为110cm，垄侧坡角45°，株距35cm，秧苗交叉分布。根据甘薯生长需水量的要求，将滴灌带平铺于垄上中间位置，插秧沟位于其两侧10cm处。

2.3.2结构设计

1)起垄类型：为保证起垄质量，使用旋耕刀作为起垄装置。起垄时，旋耕刀将两侧土壤翻向中间，形成的土垄垄形规整，垄高、垄宽满足农艺要求。

2)动力传递路线：拖拉机动力输出轴→变速箱→传动齿轮→链条→起垄轴→旋耕刀。

3)安装形式：轴上共6把旋耕刀，左右各3把，刀座间距对称，刀座与刀轴轴线均向内倾斜7°夹角焊接，如图3所示。其左右旋耕刀交替入土，以减小对机具重心的转矩，改善刀旋转时的平衡性，保持起垄工作时的直线性。两侧旋耕刀呈螺旋形，将泥土打碎后，推向中间，形成垄畦[6]。

1.旋耕刀　2.起垄轴

4)旋耕刀设计：起垄时，旋耕刀既要将泥土打碎，还要形成垄畦。故刀身设计为上宽下窄，如螺旋桨叶形，如图4所示。材料选择65Mn钢板，刀片厚度为6mm，避免刀片因工作时受到较大的轴向力和径向力而产生变形。

图4　旋耕刀示意图

2.4压实整形装置

甘薯生长需要一个有利的环境，松紧度过大或过小都会对其生长产生不利影响，因此采用机械化压实方法保持适当的土垄松紧度十分必要。本设计采用的压实整形装置如图5所示。材料选用8mm厚钢板，避免因长时间使用引起变形；在结构设计上，增加一对小型开沟器，压实整形的同时开出两条插秧沟。该装置中间位置的半圆形凸起约束滴灌带位置，避免铺放时左右摆动，确保其平直铺放在垄上中间位置。起垄后，垄形如图6所示。

图5　压实整形装置

图6　垄形结构示意图

2.5滴灌铺设装置

传统的甘薯灌溉方法效果差、资源利用率低。因此，本设计采用膜下滴灌技术，实现了覆膜和滴灌的有效结合，克服了传统灌溉方法的不足。

采用膜下滴灌技术，可提高资源利用率，实现节本增效的目的；并根据作物生长需求，定量灌溉，大大节约水资源。气温较高时，可以提高灌水频率，水滴会对作物根部表层土壤起到降温作用；同时，土壤增温速度慢，不至于土壤温度高而对作物产生危害。滴灌系统操作方便，相比于其它灌溉方式，膜下滴灌作业成本低，更加易于维护与修理。

滴灌铺设使用滴灌带。起垄时，先将滴灌带固定于垄的一端。随着车体前行，滴灌带逐渐展开，并受滴灌带固定装置(见图7)和压实整形装置(见图5)的约束作用，平铺于垄上中间位置，再由薄膜覆盖。该滴灌铺设装置结构简单，操作方便，并可以根据实际需求安装、拆卸。

2.6覆膜覆土装置

甘薯在种植和生育期间会遇到低温天气，采用地膜覆盖栽培后，能够为甘薯提供适宜的生长环境，同时可以减少土壤水分蒸发和抑制杂草生长。采用覆膜栽培的甘薯，叶面积系数适宜，会保证光合产物积累与运转，为甘薯提供充足营养，促进甘薯块生长，提高产量。采用覆膜栽培技术的甘薯结薯数量平均增加0.95个，增幅达26%；薯块外观好，使用价值高，有利于提高甘薯深加工利用率[5]。

覆膜宽度可根据当地农艺要求调节，操作简单。覆膜覆土装置主要包括挂膜辊、压膜辊、压膜轮和覆土铲，如图8所示。

图7　滴灌带固定装置示意图

1.覆土铲　2.压膜轮　3.压膜辊　4.挂膜辊　5.机架

膜卷固定在挂膜辊上，工作时，先将膜卷一端固定在土垄的一端，膜卷在车体向前行走的过程中，自动展开并平铺于垄上；压膜辊压平地膜，压膜轮将垄体下部两侧地膜压紧抚平，覆土圆盘自动覆土，将土垄之间沟底部地膜压实，从而实现整个覆膜覆土过程。

2.7膜上定穴

由于甘薯机械化播种作业效率低、不满足种植农艺要求等原因，因此在覆膜后多采用人工方式插秧。采用如图9所示的定穴轮，能有效实现膜上定穴，方便农户插秧，并能显著提高株距分布均匀性，为甘薯生长提供有利环境。

定穴轮外侧呈一定间距排布着凸起的打孔齿，工作时，左、右定穴轮随车体前进而转动；在与地膜接触的过程中，凸起的打孔齿将地膜压破，实现膜上定穴。打孔齿在设计时，顺时针方向倾斜约10°，以防挑膜。

图9　定穴轮

3性能试验

3.1田间性能测试

试验地点位于青岛胶州市胶莱镇，试验面积620m2，根据当地甘薯种植农艺要求，调节垄高为300mm、垄宽1 100mm、垄距95mm、株距35cm，试验结果如表2～表4所示。

试验结果表明：该机起垄质量高、覆膜性能好、株距分布均匀、作业稳定性强、生产效率高，能够满足甘薯起垄覆膜种植的农艺要求。

表2起垄田间试验结果

Table 2Test results of ridging

起垄性能合格指标试验结果检测结果垄高/mm≥225286合格垄宽/mm≥800980合格垄距/mm≥7586合格垄高合格率/%7595合格垄宽合格率/%7089合格垄间距合格率/%7590合格平均故障间隔时间/h8592合格膜边覆土质量合格率/%≥9596合格

表3　覆膜田间试验结果

表4　膜上定穴田间试验结果

3.2人工作业与机械作业对比

采用机械化的甘薯起垄覆膜与人工方式相比，不仅提高了生产效率、降低了农民的劳动力投入,还帮助农民实现增产、增收的目的,使甘薯生产取得了较好的经济效益，其对比如表5所示。

表5　甘薯的人工作业与机械作业对比

从表5可以看出：机械化作业大大提高了甘薯的种植效率和覆膜效率，经济效果也显著提高，有效促进了甘薯的产业化发展。

4结论

本设计充分考虑甘薯种植的农艺要求，所设计的甘薯起垄覆膜机能够一次性完成整地、施肥、起垄、压实整形、铺放滴灌带、覆膜覆土及膜上定穴等作业。田间起垄覆膜覆土作业结果显示：该机起垄、覆膜、膜上定穴效果均满足甘薯种植的农艺要求，能有效提高甘薯种植机械化水平，减轻种植户劳动强度，有利于甘薯的产业化发展。

参考文献：

[1]李锋,李建科,赵燕.红薯的保健功能及发展趋势[J].农产品加工,2006(11):22-24.

[2]解强.浅谈红薯生产机械化的现状及其发展对策[J].农业技术与装备,2012(6):40-41.

[3]王山松.1QLFM-2型甘薯起垄覆膜机的研制[J].河北农机,2011(2):58-61.

[4]田艳清,蒋金琳,周申,等.小型马铃薯播种施肥联合作业机的设计[J].农机化研究,2014，36(12):158-160，164.

[5]王姝逸.机械起垄覆膜栽培实现紫甘薯高产高效[J].天津农业科技,2013(4):8.

[6]王建超,张建瓴,张帆,等.ANSYS在旋耕起垄机刀片设计中的应用[J].农机化研究,2012,34(1):215-217，221.

[7]王文智,谭静.1GZ-60V型山地旋耕起垄机研制与试验[J].中国农机化学报,2013,(2):67-69.

[8]刘晓明.红薯机械化生产技术[J].农机科技推广，2008 (5):49.

[9]吴亦鹏.红薯机械化移栽技术路径[J].湖南农机,2014(1):162-163.

[10]张东兴,何玉静.马铃薯种植机械化技术[J].农业科技推广,2005,38(1):10-12.

Design and Test of Sweet Potato Ridging and Film Covering Machine

Sui Xiuxu, Jiang Jinlin, Yue Qun, Li Zizeng, Zhan Changling

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Qingdao Agricultural University, Qingdao 266109,China)

Abstract：In China, most of the sweet potato cultivation mode was ridging and film covering.The high labor intensity,low degree of mechanization and complexity of procedure restricted the development of the industrialization of sweet potato. So, a new kind of sweet potato ridging and film covering machine was designed.The machine was designed for one-ridge of double lines, the rotary tillage technology effectively improved the efficiency and quality of ridging; the use of compaction and shaping device improved soil ridge compactness and open two planting groove on the ridge; drip irrigation belt through the positioning device lay on the middle of the ridge, no distortion and blending realize a convenient field management and is conducive to the growth of sweet potato; the use of locating wheel realized orientation in membrane and convenient grower to transplanting; to achieve a number of one-time operation process, including soil preparations, fertilizing ,ridging, shaping, film covering, orientation in membrane and other operation in once performance.Field test shows that the machine performance well on ridging, film covering and location performance, and meet the agronomic requirements of sweet potato planting.

Key words：sweet potato; ridging; film covering; location in membrane

文章编号：1003-188X(2016)05-0117-05

中图分类号：S223.5

文献标识码：A

作者简介：隋修旭(1990-),男，山东青岛人，硕士研究生，(E-mail) 946542880@qq.com。通讯作者：蒋金琳(1956-)，男，山东龙口人，教授，博士，硕士生导师， (E-mail)gcdzz@qau.edu.cn。

基金项目：山东省农机装备研发创新项目(2015YZ107)

收稿日期：2015-04-28