薛忠，張秀梅，陳如約，王槊，潘睿

(1. 中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院南亞熱帶作物研究所，廣東湛江，524091；2. 徐聞縣諾香園農(nóng)產(chǎn)品專(zhuān)業(yè)合作社，廣東湛江，524132； 3. 中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所，廣東湛江，524091)

0 引言

菠蘿是熱帶水果之一，原產(chǎn)于南美洲，自16世紀(jì)從巴西傳入中國(guó)。中國(guó)菠蘿栽培區(qū)域主要集中在廣東、廣西、海南、臺(tái)灣、福建等省，在云南和貴州的南部也有少量栽培。廣東省是菠蘿栽培面積較大的主產(chǎn)區(qū)，2020年湛江徐聞菠蘿種植面積約23.3 khm2，年產(chǎn)量700 kt，素有“菠蘿的海”之美譽(yù)。

國(guó)內(nèi)菠蘿種植方式主要依靠人工種植，效率慢、勞動(dòng)強(qiáng)度大。國(guó)外菠蘿種植主要有單行種植機(jī)、雙行種植機(jī)、四行種植機(jī)械等，均為人工輔助將種苗放入苗杯，通過(guò)機(jī)械機(jī)構(gòu)將菠蘿苗種植到土壤里，以牽引式居多[1-2]。菠蘿種植的機(jī)械化作業(yè)不但可以縮短種植時(shí)間，而且可以降低農(nóng)民的勞動(dòng)強(qiáng)度，隨著我國(guó)菠蘿種植面積的不斷擴(kuò)大，菠蘿產(chǎn)業(yè)中機(jī)械化程度將成為制約其發(fā)展的“瓶頸”之一[3]。常用的移栽部件有鴨嘴式、鏈夾式、吊杯式等，由于鏈夾式機(jī)構(gòu)無(wú)法進(jìn)行膜上栽植，而鴨嘴式可實(shí)現(xiàn)膜上移栽,對(duì)菠蘿苗有一定的扶持力，栽植深度穩(wěn)定、不傷苗[4-7]。

針對(duì)國(guó)內(nèi)菠蘿苗機(jī)械化種植“無(wú)機(jī)可用”現(xiàn)狀，本文基于膜上移栽技術(shù)改進(jìn)研發(fā)了適用于粗大苗的菠蘿苗施肥移栽機(jī)械設(shè)備，對(duì)其施肥裝置、旋耕起壟裝置、移栽裝置進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，并開(kāi)展了田間試驗(yàn)，研制的菠蘿施肥移栽一體機(jī)對(duì)我國(guó)菠蘿產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、標(biāo)準(zhǔn)化種植提供參考。

1 總體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 菠蘿苗植株形態(tài)及參數(shù)

菠蘿種植機(jī)所移栽的對(duì)象為菠蘿種苗，菠蘿種苗是菠蘿果收獲后在母株的莖基部或根部萌生吸芽，當(dāng)吸芽生長(zhǎng)到一定高度后作為繁殖新植株的種苗材料。菠蘿苗不同于其他蔬菜苗纖細(xì)，國(guó)內(nèi)種植的菠蘿苗，葉片呈蓮花座分布。

選取主栽品種巴厘、臺(tái)農(nóng)17、金菠蘿種苗為研究對(duì)象，各取樣30株，將摘取的菠蘿種苗帶回實(shí)驗(yàn)室，依次放在試驗(yàn)臺(tái)上稱(chēng)重后對(duì)其編號(hào)進(jìn)行拍照，用標(biāo)尺工具在圖像上進(jìn)行手動(dòng)測(cè)量，并記錄其形態(tài)尺寸數(shù)據(jù)。菠蘿苗形態(tài)特征如圖1所示，其中參數(shù)a為株型錐角，b為植株長(zhǎng)度，c為植株直徑，d為根部長(zhǎng)度[4]。

對(duì)測(cè)量的形態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，如表1所示。可以看出，不同品種的菠蘿苗存在顯著差異，長(zhǎng)度分布在37.00～82.80 cm，直徑分布在12.30～63.50 cm，為了適應(yīng)機(jī)械化種植，對(duì)菠蘿苗進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，標(biāo)準(zhǔn)化長(zhǎng)度15～30 cm，直徑10～15 cm。

圖1 菠蘿種苗形態(tài)特征

表1 菠蘿苗植株形態(tài)參數(shù)Tab. 1 Morphological parameters of pineapple shoots

1.2 樣機(jī)結(jié)構(gòu)及主要技術(shù)參數(shù)

為提升我國(guó)熱帶地區(qū)的機(jī)械化菠蘿種植水平，設(shè)計(jì)了2ZBL-90牽引式菠蘿施肥移栽一體機(jī)。該機(jī)主要由肥箱、施肥器、旋耕總成、起壟板、覆膜輥、苗箱、鴨嘴器、鎮(zhèn)壓輪、液壓及傳動(dòng)系統(tǒng)等部件組成?？赏瑫r(shí)完成菠蘿苗移栽過(guò)程中的施肥、旋耕、起壟、覆膜、移栽等作業(yè)工序。其總體結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表2所示。

圖2 菠蘿種植機(jī)整體結(jié)構(gòu)

表2 主要設(shè)計(jì)參數(shù)和工作指標(biāo)Tab. 2 Main design parameters and working indexes

1.3 工作原理

該機(jī)作業(yè)時(shí)，施肥絞龍將肥料通過(guò)導(dǎo)肥管撒于土壤表面，在旋耕刀具的作用下，肥料與土壤均勻混合后經(jīng)起壟板將粉碎混合的土肥混合物起壟，然后覆膜輥轉(zhuǎn)動(dòng)將地膜覆于壟上，人工輔助將菠蘿苗填裝入轉(zhuǎn)動(dòng)的苗杯中，鴨嘴器在凸輪的帶動(dòng)下交替破膜將種苗栽種在壟上，隨后鎮(zhèn)壓輪將種苗根部壓實(shí)，完成施肥—起壟—覆膜—移栽作業(yè)。

2 種植機(jī)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 螺旋排肥器優(yōu)化設(shè)計(jì)

螺旋排肥器是施肥系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，針對(duì)顆粒肥螺旋葉片直徑、螺距及轉(zhuǎn)速是影響其排肥性能的主要因素。采用EDEM建立肥料顆粒及施肥螺旋的離散元模型，對(duì)其排肥過(guò)程進(jìn)行仿真分析，對(duì)其結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。螺旋葉片直徑

(1)

式中：D——螺旋葉片直徑，mm；

Q——排肥量，t/h；

K——螺旋葉片直徑與螺距的折算系數(shù)；

λ——肥料的容積密度，經(jīng)測(cè)量λ為0.938 t/m3；

ε——傾斜輸送系數(shù)，本文設(shè)計(jì)的螺旋式排肥器為水平安裝，ε取1；

Φ——填充系數(shù)，Φ取0.3。

螺距

S0=K1·D

(2)

式中：K1——螺距與螺旋葉片直徑的比例系數(shù)，對(duì)于水平布置的排肥器，K1通常取0.5～0.9。

故螺距S0取50～70 mm。

轉(zhuǎn)速

(3)

式中：A——肥料綜合特性系數(shù)。

采用EDEM軟件默認(rèn)的無(wú)滑動(dòng)接觸模型(Hertz-Mindlin)進(jìn)行肥料顆粒的仿真分析，該模型可獲得十分準(zhǔn)確且高效的仿真結(jié)果。在三維設(shè)計(jì)軟件SolidWorks中建立螺旋式排肥器的實(shí)體模型(圖3)，并以螺旋葉片直徑、螺距和排肥軸轉(zhuǎn)速為試驗(yàn)因素，以排肥量、排肥穩(wěn)定性變異系數(shù)為試驗(yàn)指標(biāo)(表3)，采用3因素5水平的二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)試驗(yàn)方法，分析各因素與排肥量、排肥穩(wěn)定性變異系數(shù)之間的影響關(guān)系。

圖3 螺旋式排肥器模型

根據(jù)以上因素編碼表設(shè)計(jì)23組試驗(yàn)，并采用SAS分析試驗(yàn)結(jié)果，確定各因素對(duì)排肥量的影響主次順序并建立相應(yīng)回歸數(shù)學(xué)模型。試驗(yàn)方案及結(jié)果如表4所示。不同試驗(yàn)情況下排肥量各不相同，排肥量在54.76～221.2 g/s之間。當(dāng)螺旋葉片直徑為90 mm，螺距為60 mm，排肥軸轉(zhuǎn)速為55 r/min時(shí)，排肥量最大為221.2 g/s；當(dāng)螺旋葉片直徑為90 mm，螺距為60 mm，排肥軸轉(zhuǎn)速為15 r/min時(shí)，排肥量最小為54.76 g/s。

表3 螺旋式排肥器3因素5水平性能試驗(yàn)編碼表Tab. 3 Coding table of 3-factor 5-level performancetest of spiral fertilizer ejector

表4 試驗(yàn)方案及結(jié)果Tab. 4 Experimental plan and results

根據(jù)排肥穩(wěn)定性變異系數(shù)小的工作要求，結(jié)合排肥器工作參數(shù)的約束條件建立目標(biāo)函數(shù)，如式(4)所示。

(4)

通過(guò)Design-expert 8.0的優(yōu)化模塊對(duì)排肥器排肥過(guò)程中的排肥穩(wěn)定性變異系數(shù)進(jìn)行優(yōu)化處理，可得螺旋式排肥器的最優(yōu)參數(shù)組合:優(yōu)化設(shè)計(jì)螺旋葉片直徑100 mm、螺距60 mm、轉(zhuǎn)速15 r/min[8]。

2.2 旋耕及起壟部件設(shè)計(jì)

在旋耕機(jī)的設(shè)計(jì)中，切土節(jié)距和旋耕速比是兩個(gè)重要的設(shè)計(jì)指標(biāo)，設(shè)計(jì)參數(shù)直接決定著旋耕機(jī)作業(yè)質(zhì)量和作業(yè)效果的好壞。菠蘿種植機(jī)旋耕部件參照有關(guān)農(nóng)業(yè)機(jī)械手冊(cè)中旋耕機(jī)設(shè)計(jì)章節(jié)計(jì)算[9-11]，旋耕速比

λ=R1ω1/V

(5)

式中：λ——旋耕速比；

R1——旋耕刀片旋轉(zhuǎn)半徑，mm；

V——機(jī)器前進(jìn)速度，m/s；

ω1——旋耕刀旋轉(zhuǎn)角速度，rad/s。

切土節(jié)距

S2=2πR1/λZ

(6)

式中：S2——切土節(jié)距，mm；

Z——同一旋轉(zhuǎn)切削面內(nèi)刀具數(shù)量，把。

本樣機(jī)拖拉機(jī)輸出轉(zhuǎn)速840 r/min，設(shè)計(jì)旋耕刀片按雙螺紋線排列，回轉(zhuǎn)半徑為240 mm，由刀軸轉(zhuǎn)速計(jì)算出角速度為25.12 rad/s，工作時(shí)拖拉機(jī)以低3檔前進(jìn)，查閱拖拉機(jī)使用說(shuō)明書(shū)對(duì)應(yīng)前進(jìn)速度為0.6 m/s，代入式(5)得到旋耕速比為10.05。取Z=4，可求得切土節(jié)距為37.50 mm。由計(jì)算出來(lái)的旋耕速比和切土節(jié)距數(shù)值可知，旋耕起壟機(jī)的參數(shù)選擇是合理的，符合一般旋耕作業(yè)時(shí)的農(nóng)藝要求[12-13]。

2.3 鴨嘴式移栽部件設(shè)計(jì)

菠蘿種植機(jī)鴨嘴式栽植器主要由導(dǎo)苗斗、苗杯、連桿、配重凸輪、鴨嘴器等部件組成(圖4)，該栽植部件通過(guò)人工投苗至旋轉(zhuǎn)的苗杯，苗盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)苗杯到達(dá)導(dǎo)苗斗位置時(shí)，苗杯下端的底蓋自動(dòng)打開(kāi)，將菠蘿苗投入到導(dǎo)苗斗，然后通過(guò)鴨嘴夾持并栽入土壤，完成移栽作業(yè)。鴨嘴的垂直起落，保證了菠蘿苗的直立度。

圖4 鴨嘴式移栽部件結(jié)構(gòu)示意圖

由于菠蘿種苗較大，導(dǎo)苗斗與鴨嘴尺寸設(shè)計(jì)較大，適用于菠蘿大苗的移栽種植。鴨嘴部分可以直接破膜插入土中膜上種植，減少了地膜開(kāi)孔環(huán)節(jié)，也有助于提高根系不發(fā)達(dá)幼苗的存活率[14-15]。

為避免菠蘿苗移栽過(guò)程中倒伏、夾苗等現(xiàn)象，對(duì)設(shè)計(jì)的鴨嘴式移栽器進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析，鴨嘴的運(yùn)動(dòng)過(guò)程可視為平動(dòng)與轉(zhuǎn)動(dòng)的合運(yùn)動(dòng)，即機(jī)組前進(jìn)的速度和相對(duì)于機(jī)器的圓周運(yùn)動(dòng)合成。鴨嘴運(yùn)動(dòng)軌跡方程如式(7)所示。

(7)

式中：x——鴨嘴器在水平方向上的位移，mm；

y——鴨嘴器在豎直方向上的位移，mm；

R——鴨嘴器旋轉(zhuǎn)半徑，mm；

ω——鴨嘴器圓周運(yùn)動(dòng)的角速度，rad/s；

t——運(yùn)動(dòng)時(shí)間，s。

對(duì)其運(yùn)動(dòng)位移方程求導(dǎo)可得到其速度方程，然后進(jìn)行速度分析，確定出機(jī)組最佳前進(jìn)速度。菠蘿苗移栽應(yīng)達(dá)到一定深度，栽植深度為10～12 cm，株距為30～35 cm。分別取株距30 cm，移栽深度10 cm，經(jīng)優(yōu)化確定機(jī)器前進(jìn)速度為0.67 m/s。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)于2020年9—12月在廣東省徐聞縣諾香園菠蘿基地進(jìn)行，并參照起壟機(jī)械、施肥機(jī)械和移栽機(jī)械等的相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試驗(yàn)，考察該菠蘿移栽種植機(jī)施肥、起壟、移栽及整機(jī)性能等。作業(yè)速度選0.5～1.5 m/s，試驗(yàn)場(chǎng)地地表平整。試驗(yàn)用菠蘿苗為統(tǒng)一曬尾處理后的吸芽苗，由于菠蘿苗生長(zhǎng)大小不一，為適應(yīng)機(jī)械化種植，種植前需對(duì)其進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，通過(guò)削去外圍葉片后將其頂端統(tǒng)一切割整齊以防止夾苗，如圖5(b)和圖5(c)所示。

(a) 原始苗

將標(biāo)準(zhǔn)化的菠蘿種苗裝箱后，用東方紅904拖拉機(jī)牽引，拖拉機(jī)輸出轉(zhuǎn)速840 r/min，對(duì)移栽后的苗壟、株距及菠蘿苗的種植狀態(tài)進(jìn)行相關(guān)指標(biāo)測(cè)量。

1) 株距合格率：指移栽后單位長(zhǎng)度中實(shí)際合格株距種植數(shù)與理論種植數(shù)的比值為株距合格率，其中合格的株距定義

0.9Xk

式中：Xk——設(shè)計(jì)株距，cm；

Xi——實(shí)測(cè)株距，cm。

2) 種植深度合格率：指栽植后菠蘿種苗種植深度的合格率，其為測(cè)得的菠蘿種苗種植深度合格的株數(shù)與測(cè)量樣本總株數(shù)的比值。

N=Ni/Nk

式中：Ni——測(cè)定范圍內(nèi)的種植深度合格的株數(shù)，株；

Nk——測(cè)定范圍內(nèi)種植深度的總株數(shù)，株。

3) 直立狀態(tài): 根據(jù)旱地栽植機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T

10291—2013《旱地移栽機(jī)械》，以菠蘿苗主莖與地面夾角α來(lái)判定，α≤45°為倒伏，α>45°為合格，α>70°為優(yōu)良。

4) 起壟質(zhì)量評(píng)價(jià)參照NY/T 2704-2015《機(jī)械化起壟全鋪膜作業(yè)技術(shù)規(guī)范》，測(cè)量后取均值圓整。

5) 生產(chǎn)率: 指栽植過(guò)程中單位時(shí)間內(nèi)移栽株數(shù)的效率，其為測(cè)得的單位時(shí)間內(nèi)移栽株數(shù)與單面面積理論栽種總株數(shù)的比值。

P=4Pi/PkTi

式中：Ti——測(cè)量計(jì)時(shí)時(shí)間，min；

Pi——單位時(shí)間內(nèi)的種植的株數(shù)，株；

Pk——單位面積內(nèi)種植的理論株數(shù)，株。

測(cè)試統(tǒng)計(jì)結(jié)果整理如表5所示。菠蘿苗種植機(jī)性能穩(wěn)定，起壟高度及壟形滿足設(shè)計(jì)要求，種植株距分布27.50～33.50 cm及深度10.00～15.00 cm范圍內(nèi)95%以上，符合機(jī)械化種植農(nóng)藝要求，種苗直立狀態(tài)良好，可達(dá)到菠蘿種植要求。

表5 試驗(yàn)結(jié)果Tab. 5 Results of test

4 結(jié)論

1) 統(tǒng)計(jì)分析了菠蘿苗形態(tài)參數(shù)，實(shí)驗(yàn)測(cè)得菠蘿苗長(zhǎng)度分布在37.00～82.80 cm，直徑分布在12.30～63.50 cm，對(duì)其進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，處理后長(zhǎng)度15～30 cm，直徑10～15 cm，苗型錐角21°～30°，為設(shè)計(jì)研發(fā)菠蘿種植機(jī)移栽部件提供參考。

2) 優(yōu)化了施肥關(guān)鍵部件，設(shè)計(jì)的施肥螺旋葉片直徑100 mm、螺距60 mm、轉(zhuǎn)速控制在15 r/min排肥效果均勻穩(wěn)定。

3) 設(shè)計(jì)試制的菠蘿種植機(jī)，能一次完成針對(duì)菠蘿苗的施肥、旋耕、起壟、覆膜、移栽等作業(yè)工序。慢I檔整機(jī)運(yùn)行效果良好，起壟部件性能穩(wěn)定，滿足設(shè)計(jì)要求，種植株距及深度符合種植需求，合格率均在95%以上，種苗直立狀態(tài)良好，能夠滿足種植要求。