旱作马铃薯微垄覆膜侧播机的设计与试验

崔亚超，贾立国，陈　伟，政东红，杜文亮，樊明寿

(内蒙古农业大学 a.机电工程学院；b.农学院，呼和浩特　010018)



旱作马铃薯微垄覆膜侧播机的设计与试验

崔亚超a，贾立国b，陈伟a，政东红a，杜文亮a，樊明寿b

(内蒙古农业大学 a.机电工程学院；b.农学院，呼和浩特010018)

摘要：旱作马铃薯微垄覆膜侧播技术是采用一膜两垄、一垄两行来播种的农艺方法，目前尚没有与之配套的农机可以作业。为了提高其机械化水平，研制了旱作马铃薯微垄覆膜侧播机，其主要由机架、施肥装置、播种装置、行走装置、传动装置、取土整形装置、铺膜装置、压膜装置及覆土装置等组成。田间试验表明：该机具能够一次性完成农艺方法的多道工序，满足设计要求。

关键词：马铃薯；旱作；播种机；微垄覆膜；侧播

0引言

马铃薯是世界上继水稻、小麦、玉米之后的第四大粮食作物[1-4]。根据联合国粮农组织(FAO)统计，2012年我国马铃薯的种植面积约为5.43×106hm2，总产量约为85.86×106t，均居于世界首位[5]。同时，马铃薯作为一种高产救灾性作物，在我国干旱半干旱地区农作物布局中占有重要地位[6]。

旱作马铃薯微垄覆膜侧播技术是采用一膜两垄、一垄两行来播种的农艺方法，与一膜一垄相比，减少了单行覆膜行间土地裸露面积，降低了土壤水分无效蒸发损失[7]。垄上覆膜使垄间有效富集雨水，垄底水分成倍增加；垄侧播种克服了垄上播种马铃薯根系水分吸收困难、垄沟播种马铃薯块茎和根系生长土层变薄的劣势。然而，该农艺方法目前尚没有与之配套的农机可以作业。鉴于此，研制了旱作马铃薯微垄覆膜侧播机，并进行了田间试验验证。

1总体设计要求

按照旱作马铃薯微垄覆膜侧播技术的农艺方法，其播种流程为：开沟施肥→开沟播种→取土起垄→喷洒除草剂→铺膜覆土→重复以上步骤[8]。主要种植参数为：

1)施肥深度14cm，播种深度8cm；

2)行距34cm，株距27cm；

3)垄底宽50cm，垄距60cm，垄高12cm；

4)小垄沟宽10cm，大垄沟宽30cm；

5)地膜宽140cm。

主要参数示意图如图1所示。

图1　主要种植参数示意图

所设计旱作马铃薯微垄覆膜侧播机应满足以下要求：

1)与农艺方法作业流程保持一致，一次性完成开沟施肥、开沟播种、取土起垄、喷洒除草剂及铺膜覆土等多道工序[9-10]；

2)施肥深度、播种深度及株距可适当调节；

3)作业时，一幅播两垄，一次播4行，并且使用宽1.4m的农用塑料地膜进行铺膜；

4)保证一定的铺膜和压膜质量，确保地膜下的薯种被土壤完全覆盖。

2机具结构设计

为了满足旱作马铃薯微垄覆膜侧播机(以下简称侧播机)的设计要求，对其机具结构进行设计。其主要由机架、施肥装置、播种装置、行走装置、传动装置、取土整形装置、铺膜装置、压膜装置及覆土装置等组成，如图2所示。

1.机架　2.施肥装置　3.播种装置

施肥装置由肥箱、排肥轴、外槽轮排肥器、调节手柄、施肥被动链轮、施肥导向管及施肥开沟器等组成，动力由地轮通过链传动提供。肥箱安装在机架上最前方，由外槽轮排肥器排出的肥料通过施肥导向管落在施肥开沟器开出的沟内。

施肥开沟器所采用形式为船形铲式，在每一垄中心位置设置1个施肥开沟器，两个施肥开沟器的中心距离为60cm。施肥深度可以通过调节施肥开沟器的安装高度实现，施肥量的大小可以通过调节手柄加以控制。

播种装置由排种器、种箱、播种被动链轮、排种导向管及播种开沟器等组成，动力由地轮通过链传动提供。排种器、种箱安装在机架上肥箱后方，由种箱取出的薯种经排种器、通过排种导向管落在播种开沟器开出的沟内。

播种开沟器所采用形式也为船形铲式，在每一垄中心位置左、右两侧17cm分别设置1个播种开沟器；4个播种开沟器的排列位置由农艺要求而定,播种深度通过调节播种开沟器的安装高度实现。

排种器驱动形式为上驱动式，采用皮带配合种勺交叉取种，保证每个种勺里只有1个薯种[11]；当皮带运动到顶点时，种勺抛出薯种到排种管；薯种落在种勺背面，在排种管的配合下保证薯种不会自由下落；随着皮带运动，薯种有序地通过排种导向管落在播种开沟器开出的沟内，实现“品”字形播种。

通过改变地轮轴上播种主动链轮与排种器上播种被动链轮的传动比，所设计排种器株距可以在22～32cm有级可调。排种器的结构如图3所示。

图3　排种器结构简图

行走装置由地轮、地轮轴、轴承、施肥主动链轮及播种主动链轮等组成。其中，地轮与地轮轴之间用螺栓紧固并定位，地轮轴通过轴承连接在机架上，地轮施肥链轮、地轮播种链轮分别安装在地轮轴两侧。

地轮选用人字形高花纹轮胎，型号4.50-12，充气断面宽110mm、外直径535mm。选用这种规格轮胎的原因是其防滑、耐磨，且充气断面宽小于大垄沟宽，侧播机作业之后不会破坏垄形、压坏地膜。

传动装置由动力输入轴、万向节、齿轮箱、主动双链轮及被动双链轮等组成。拖拉机动力输出轴的动力经动力输入轴、万向节传递给齿轮箱，齿轮箱的输出轴连接主动双链轮，主动双链轮通过链传动传递给被动双链轮，为取土整形装置提供动力。其传动简图如图4所示。

主动双链轮与被动双链轮的齿数比为1:2、1:1及2:1。由于齿轮箱的传动比为1:1，则被动双链轮与拖拉机动力输出轴之间的传动比为1:2、1:1及2:1。在不同的传动比之下，拖拉机动力输出轴可对被动双链轮减速、恒速、增速传递，满足取土整形装置不同工作要求。

取土整形装置由取土铲、拢土圆盘、输土机构、导土槽及整形轮等组成。在齿轮箱后机架下方的两侧对称设有2个拢土圆盘，每个拢土圆盘均通过U型卡连接在机架上；在2个拢土圆盘中间位置设有1个取土铲；输土机构倾斜设置，其底端与取土铲相对应，上端对应设有1个导土槽；在导土槽下方设有整形轮。

输土机构由上输土辊、下输土辊、上输土轴、下输土轴、输土皮带、输土板及挡土板等组成。其中，上输土轴和下输土轴通过轴承安装在机架上，被动双链轮安装在上输土辊的一侧并通过顶丝与上输土轴相连；下输土辊通过顶丝与下输土轴相连；输土板通过皮带螺栓固定在输土皮带上，输土皮带绕过上输土辊和下输土辊，在输土皮带左、右两侧各安装一个挡土板，如图5所示。

1.动力输入轴、万向节　2.齿轮箱　3.主动双链轮　4.被动双链轮

图5　输土机构简图

输土机构的作用：将取土铲铲起的土壤输送至后方，经导土槽用于地膜中间覆土，确保地膜下的薯种被土壤完全覆盖。地膜中间覆土断面如图6所示。

图6　覆土断面示意图(mm)

作业时，拖拉机的行走速度为2～3km/h，取最大行走速度3km/h，则地膜中间覆土的最大需求量为

即地膜中间覆土的最大需求量约为0.495m3/min。

为了满足地膜中间覆土的最大需求量，对输土皮带的最小转速n进行计算，最小转速n为

B·h·π·d·n·η≥0.495m3/min

式中B—输土板宽度(m)；

h—输土板高度(m)；

d—上输土辊直径(m)；

n—输土皮带转速(r/min)；

η—输送效率。

输土板宽度B=0.15m、高度h=0.05m，上输土辊直径d=0.08m，输送效率η=0.75。带入数据，可求得n≥350r/min(即输土皮带的最小转速为350r/min)，则被动双链轮的最小转速也为350r/min。

铺膜装置由伸缩方管及地膜悬挂架等组成：伸缩方管铰接在机架上，可拆卸；地膜悬挂架的宽度可调节，调节范围为130～170cm。

压膜装置由压膜辊和压膜轮等组成：左、右压膜辊将地膜拉展以确保铺膜和压膜质量；中间压膜轮将地膜压紧的同时扎渗水孔。

覆土装置由覆土安装座、覆土限位杆及覆土圆盘等组成，用于地膜两侧膜边覆土，确保地膜下的薯种被土壤完全覆盖。通过覆土限位杆对覆土量大小进行调节，通过调节两覆土圆盘的距离及角度确保覆土效果[12]。

经机具结构设计后，侧播机应实现：由拖拉机提供动力，施肥开沟器在整好的土地上开出两行相距60cm、距地面深14cm的施肥沟，将肥料条播在施肥沟内；播种开沟器在每一行施肥沟左、右两侧的17cm处分别开出距地面深8cm的种沟，排种器将薯种按“品”字形点播在种沟内，株距27cm；拢土圆盘和取土铲对施肥沟、种沟覆土，1行施肥沟及其左、右两侧的种沟形成1个垄，一次形成2个垄；一次形成的2个垄之间形成小垄沟，小垄沟宽10cm；整形轮对垄面整形，每一垄的垄底宽50cm、垄高12cm，每一垄上的薯种分布在垄的两侧；一次成形的2个垄与相邻一次成形的2个垄之间形成大垄沟，大垄沟宽30cm；铺膜装置将宽140cm的地膜铺在一次成形的2个垄上，膜中间用压膜轮压紧并扎渗水孔，同时取土整形装置从地膜前方取土覆盖；左、右压膜辊将地膜拉展，左、右覆土圆盘对地膜两边覆土。

3主要技术参数

配套动力/kW：≥26.1

配套形式：后悬挂

施肥行数/行：2

施肥行距/cm：60

施肥深度/cm：14～19(有级可调)

播种行数/行：4

播种行距/cm：34

播种株距/cm：22～32(有级可调)

播种深度/cm：8～13有级可调)

开沟器形式：船形铲式

排种器形式：带勺式

作业速度/km·h-1：2～3

设计生产率/km·h-1：0.28～0.42

外形尺寸(长×宽×高)/mm：2 820×1 500×1 600

4试验及其分析

4.1空载转速试验

4.1.1试验条件

空载转速试验在内蒙古农业大学机械厂生产车间内进行。试验设备及工具有：拖拉机(东方红-200P，动力输出轴额定转速540r/min)，旱作马铃薯微垄覆膜侧播机，光电式转速表(DT-2234B，量程5～999.9r/min，精度0.1r/min)。

4.1.2试验结果与分析

旱作马铃薯微垄覆膜侧播机的空载转速试验结果，如表1所示。

表1　空载转速试验结果

续表1

空载转速试验表明：由拖拉机动力输出轴到被动双链轮的传动平稳，无卡滞现象。当主动双链轮与被动双链轮的齿数比为1:2、拖拉机动力输出轴对被动双链轮减速传递时，被动双链轮所获得的转速小于其应获得的最小转速350r/min。此时，改变主动双链轮与被动双链轮的齿数比大于等于1.6:1。也就是说，改变被动双链轮与拖拉机动力输出轴之间的传动比大于等于1.6:1，就可以满足被动双链轮的最小转速。

4.2田间试验

4.2.1试验条件

试验地处内蒙古呼和浩特市赛罕区白塔村，海拔1 040m，年均降水量400mm左右，无霜期113～134d，土壤类型壤土。试验前先耙地，地块土壤上虚下实，虚土部分深约10cm。

4.2.2试验材料

试验供试马铃薯品种为克新1号，对薯种进行切块处理，薯块质量范围45～50g。试验地膜选用厚度为0.008mm、宽度为140cm的聚乙烯吹塑农用地膜。

4.2.3试验设备

旱作马铃薯微垄覆膜侧播机；拖拉机(约翰迪尔-654，动力输出轴额定转速720r/min)等。

4.2.4试验内容

1)不挂地膜、不装化肥和薯种情况下，行进观察：①施肥开沟器、播种开沟器处是否存在壅土；②取土整形装置工作效果，测量垄底宽、垄距、垄高、小垄沟宽、大垄沟宽等参数。试验过程如图7所示。

图7　试验内容1

2)挂地膜、不装化肥和薯种情况下，行进观察：①地膜是否紧贴地表；②膜上的覆土量是否充足。试验过程如图8所示。

图8　试验内容2

3)挂地膜、装化肥和薯种情况下，行进测量如下参数：①1个垄上的施肥深度、播种深度；②1个垄上的播种行距；③1个垄上的播种株距。

4.2.5试验小结

1)施肥开沟器处不存在壅土，中间两行播种开沟器处存在壅土。其原因是中间两行播种开沟器的距离过近。

2)取土整形装置所整形的一幅两垄达到设计要求，且地膜能够紧贴地面，地膜两边覆土量充足，问题是地膜中间覆土量有所欠缺。

3)施肥深度、播种深度、播种行距及播种株距可以进行适当调节，达到设计要求。

5结论与建议

1)所设计旱作马铃薯微垄覆膜侧播机能够一次性完成开沟施肥、开沟播种、取土起垄、铺膜覆土等多道工序。

2)施肥深度可以在14～19cm范围内有级可调，播种深度可以在8～13cm范围内有级可调，播种株距可以在22～32cm范围内有级可调。

3)取土整形装置所整形后一幅两垄，垄底宽50cm，垄距60cm，垄高12cm，小垄沟宽10cm，大垄沟宽30cm，与设计参数一致。

4)针对中间两行播种开沟器处存在壅土现象，建议将中间两行播种开沟器错位布置；针对地膜中间覆土量有所欠缺的问题，建议改进取土整形装置。

参考文献：

[1]戴亨仁,袁邦彬,胡平华.红壤土是江西发展马铃薯的最佳土壤[J].现代园艺,2010(5):63.

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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

文章编号：1003-188X(2016)02-0062-05

中图分类号：S223.2+4

文献标识码：A

作者简介：崔亚超(1988-)，男，山西长治人，硕士研究生，(E-mail)413935850@qq.com。通讯作者：杜文亮(1957-)，男，内蒙古达拉特旗人，教授，博士生导师，(E-mail)duwl5711@vip.imau.edu.cn。

基金项目：国家重点基础研究发展计划(2012CB126307)；公益性行业(农业)科研专项(201303104)

收稿日期：2015-01-28