羅 罡，劉文亮，劉 楓，肖 戟，付家慶，姜彩宇

（吉林省農(nóng)業(yè)機(jī)械研究院，吉林 長(zhǎng)春 130022）

0 引言

人參是吉林省最具特色的地方經(jīng)濟(jì)作物[1]。適宜種植區(qū)域的各級(jí)政府都將人參產(chǎn)業(yè)作為區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的重中之重優(yōu)先推進(jìn)，對(duì)人參相關(guān)產(chǎn)業(yè)大力扶持[2]。在重大利好政策和栽參技術(shù)不斷提高的影響下，人參的種植面積不斷擴(kuò)大。隨著種植規(guī)模的擴(kuò)大和種植戶對(duì)設(shè)備需求的增加，研制人參種植全程機(jī)械化系列設(shè)備的需求越來越迫切。我國(guó)現(xiàn)有人參種植設(shè)備的研究存在質(zhì)量參差不齊和產(chǎn)業(yè)化程度較低等問題。為消除裝備技術(shù)體系薄弱對(duì)人參種植產(chǎn)業(yè)發(fā)展的阻礙，提升我國(guó)人參種植機(jī)械化作業(yè)水平，項(xiàng)目組在相關(guān)項(xiàng)目的資助下，研制了適合我國(guó)人參種植農(nóng)藝的機(jī)械化畦床步道、精量播種、移栽及收獲等一系列輕簡(jiǎn)高效作業(yè)設(shè)備。

1 系列設(shè)備設(shè)計(jì)構(gòu)成與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)備構(gòu)成

人參種植全程機(jī)械化系列設(shè)備如表1 和圖1 所示。人參多種植在茂密森林的半山腰上，系列設(shè)備以輕簡(jiǎn)高效為主。研制過程中重點(diǎn)突破人參種植機(jī)械化做床過程中的步道挖掘、畦床修形、畦床扶土和壓實(shí)側(cè)幫；播種過程中種子體積小、質(zhì)量小、形狀不規(guī)則，需催芽播種；移栽過程中幼苗嬌貴、易破損，苗位需要傾斜栽植；收獲過程中動(dòng)力消耗大，需要減阻減損挖掘、根土高效分離等關(guān)鍵難點(diǎn)問題。設(shè)計(jì)了非直線與垂直型傳動(dòng)箱、多功能彎犁刀、針吸式播種機(jī)構(gòu)、作業(yè)與行走間歇交替的移栽機(jī)動(dòng)力輸出機(jī)構(gòu)、彈簧驅(qū)動(dòng)柔性可調(diào)夾持機(jī)構(gòu)及寬幅低損振動(dòng)式輸送網(wǎng)鏈結(jié)構(gòu)等關(guān)鍵零部件。經(jīng)過集成配套、優(yōu)化配置，研制出了一套人參種植全程機(jī)械化系列設(shè)備，包括手扶式畦床步道機(jī)、氣吸式人參精密播種機(jī)、人參苗移栽挖坑機(jī)、人參移栽機(jī)和懸掛式人參收獲機(jī)。通過性能試驗(yàn)、跟蹤考核和典型應(yīng)用示范作業(yè)，與國(guó)內(nèi)外同類機(jī)具的技術(shù)性能指標(biāo)進(jìn)行了對(duì)比分析。

圖1 人參種植全程機(jī)械化系列設(shè)備Fig.1 Ginseng planting mechanization equipment

表1 人參種植全程機(jī)械化系列設(shè)備Tab.1 Ginseng planting mechanization equipment

這些設(shè)備的研制解決了我國(guó)人參大規(guī)模種植和傳統(tǒng)手工種植方式高成本、低效率之間的矛盾，解決了“缺少適用設(shè)備”這一制約人參種植機(jī)械化和規(guī)范化模式在我國(guó)推廣的技術(shù)瓶頸，對(duì)吉林省農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)的產(chǎn)業(yè)調(diào)整、地方特色經(jīng)濟(jì)作物種植的機(jī)械化發(fā)展都有積極的促進(jìn)作用，同國(guó)外同類機(jī)具相比更加適應(yīng)吉林省的人參種植方式情況，在價(jià)格上也具有較大優(yōu)勢(shì)。

1.2 設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.2.1 手扶式畦床步道機(jī)

該機(jī)主要由非直線與垂直型傳動(dòng)箱、多功能彎犁刀和棱角式機(jī)罩組成，如圖2 所示。非直線與垂直型傳動(dòng)箱如圖3 所示，通過動(dòng)力換向、變速后輸出，實(shí)現(xiàn)了工作部件拋土輪的傾斜布置和動(dòng)力傳遞，驅(qū)動(dòng)拋土輪旋轉(zhuǎn)。彎犁刀具有步道挖掘、畦床成形和畦床扶土等多種功能，采取與旋耕刀類似的刃口曲線，具有較好的滑切性能，入土、碎土能力較強(qiáng)，可以較容易地將土壤表面板結(jié)層切開破碎并翻起；同時(shí)，彎犁刀的頭部和背部都呈彎折狀態(tài)，具有較大的工作面積和特有的工作曲面，有利于將土壤拋向壟頂進(jìn)行步道作業(yè)。棱角式機(jī)罩增加了耕翻過程中土壤顆粒的碰撞幾率，增強(qiáng)碎土效果[3]。

圖2 手扶式畦床步道機(jī)Fig.2 Handheld bed walkway machine

圖3 非直線與垂直型傳動(dòng)箱Fig.3 Non linear and vertical transmission box

1.2.2 氣吸式人參精密播種機(jī)

該機(jī)主要由針吸式播種機(jī)構(gòu)、可調(diào)式氣力控件、單軸多點(diǎn)凸輪導(dǎo)軌控制、振動(dòng)式種箱及全自動(dòng)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)組成，如圖4 所示。針吸式播種機(jī)構(gòu)如圖5 所示，既保證了不傷害催芽后的人參種子，又能保證每個(gè)吸針只吸附一粒種子，達(dá)到單粒精密播種的要求[4-6]?？烧{(diào)式氣力控件根據(jù)種子的規(guī)格進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，適應(yīng)范圍更廣[7-8]。單軸多點(diǎn)凸輪導(dǎo)軌控制吸排種機(jī)構(gòu)往復(fù)式運(yùn)動(dòng)到吸種、排種位置，位置精確，性能可靠。振動(dòng)式種箱使催芽后濕度很高的人參種子處于離散狀態(tài)，同時(shí)消除種子盒內(nèi)因吸種產(chǎn)生的凹坑現(xiàn)象，使吸種更容易[9]。全自動(dòng)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)機(jī)具的自主行走和自動(dòng)播種。

圖4 全自動(dòng)人參精密播種機(jī)Fig.4 Fully automatic ginseng precision seeder

圖5 針吸式播種機(jī)構(gòu)Fig.5 Needle aspiration seeding mechanism

1.2.3 人參苗移栽挖坑機(jī)

該機(jī)主要由作業(yè)與行走間歇交替的移栽機(jī)動(dòng)力輸出機(jī)構(gòu)、閉環(huán)條形角度挖坑機(jī)構(gòu)、電磁離合控制技術(shù)及常用人力移動(dòng)小型設(shè)備上的施力把手組成，如圖6所示。作業(yè)與行走間歇交替的移栽機(jī)動(dòng)力輸出機(jī)構(gòu)如圖7 所示，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械挖溝、覆土及人工持苗、擺苗結(jié)合的半機(jī)械化移栽方式，兼顧了機(jī)械作業(yè)高效、穩(wěn)定及人工持苗、擺苗不會(huì)造成機(jī)械設(shè)備損傷參苗的優(yōu)點(diǎn)，并使秧苗的行距、株距、栽深和角度整齊化一，解決了人工栽植過程中最為繁重的部分，從而提高移栽效率，降低參農(nóng)的體力消耗，相對(duì)全人工移栽工作效率提高3～5 倍。閉環(huán)條形角度挖坑機(jī)構(gòu)能夠同時(shí)完成挖溝、覆埋工作，保證了苗穴的深度與角度、參苗株距的精準(zhǔn)和一致性，有效解決了傳統(tǒng)人參移栽方式質(zhì)量穩(wěn)定性差的問題。電磁離合技術(shù)實(shí)現(xiàn)了沿畦床的間歇式自主行走、挖溝和覆埋等連續(xù)作業(yè)，保證了苗穴的深度與角度、參苗株距的精準(zhǔn)和一致性，提高了人參移栽作業(yè)質(zhì)量穩(wěn)定性。常用人力移動(dòng)小型設(shè)備上的施力把手提供了一種便于抬、放和持握的機(jī)構(gòu)，克服現(xiàn)有同類產(chǎn)品中尺寸大、容易被刮碰、造成人員挫傷現(xiàn)象[10-11]。

圖6 人參苗移栽挖坑機(jī)Fig.6 Ginseng seedling transplanting and digging machine

圖7 作業(yè)與行走間歇交替的移栽機(jī)動(dòng)力輸出機(jī)構(gòu)Fig.7 Transplanting power output mechanism with intermittent alternation between operation and walking

1.2.4 人參移栽機(jī)

該機(jī)主要由彈簧驅(qū)動(dòng)柔性可調(diào)夾持機(jī)構(gòu)、光電傳感自動(dòng)控制和圓盤波紋刀組成，如圖8 所示。彈簧驅(qū)動(dòng)柔性可調(diào)夾持機(jī)構(gòu)如圖9 所示，保證對(duì)參苗頭部足夠的夾持力度，又可以防止剛性?shī)A持損傷參苗頭部，改變張開角度，適應(yīng)參苗的不同規(guī)格，有效解決漏夾、傷苗及效率低的問題[12-13]。光電傳感自動(dòng)控制技術(shù)感知備苗斗中有無參苗，控制離合器的吸、開動(dòng)作，完成機(jī)具行走和夾持機(jī)構(gòu)的啟、停。圓盤波紋刀開出移栽溝，動(dòng)土量小保持畦床平整，減少動(dòng)力損耗，防止雜物纏繞，開溝深度可調(diào)[14-15]。

圖8 人參移栽機(jī)Fig.8 Ginseng transplanting machine

圖9 彈簧驅(qū)動(dòng)柔性可調(diào)夾持機(jī)構(gòu)Fig.9 Spring driven adjustable clamping mechanism

1.2.5 懸掛式人參收獲機(jī)

該機(jī)主要由寬幅大挖深低阻礙挖掘鏟、低損輸送網(wǎng)鏈和高頻低幅振動(dòng)技術(shù)組成，如圖10 所示。寬幅大挖深的低阻礙挖掘鏟如圖11 所示，設(shè)計(jì)成鏟尖+鏟板的復(fù)合結(jié)構(gòu)形式，工作時(shí)，鏟尖先入土，對(duì)土壤進(jìn)行破碎后再進(jìn)行挖掘，減少了入土阻力和動(dòng)力消耗[16-17]。低損輸送網(wǎng)鏈為環(huán)形結(jié)構(gòu)，用圓鋼做銷軸，銷軸上安裝可轉(zhuǎn)動(dòng)的套筒，降低人參根莖向后輸送過程中的破損率[18]。高頻低幅振動(dòng)技術(shù)利用方形起振鏈輪使升運(yùn)網(wǎng)鏈在升運(yùn)過程中產(chǎn)生振動(dòng)，完成碎土和根、土分離[19]。

圖10 人參收獲機(jī)Fig.10 Ginseng harvester

圖11 寬幅大挖深低阻礙挖掘鏟Fig.11 Wide and deep excavation shovel with low obstruction

2 國(guó)內(nèi)外同類技術(shù)對(duì)比

種植人參較多的國(guó)家主要有中國(guó)、韓國(guó)、朝鮮、日本和俄羅斯，美國(guó)和加拿大則是西洋參的主要產(chǎn)地[20]。韓國(guó)的人參種植設(shè)備代表著世界先進(jìn)水平，韓國(guó)的人參種植設(shè)備以專業(yè)、小型設(shè)備為主，自動(dòng)化程度高。做床使用較多的是DR 企業(yè)生產(chǎn)的DRB 系列筑床機(jī)，播種、移栽使用最多的分別是Samsaeng Industrial CO.研制的SM03-3 型人參播種機(jī)、SM-205B 型人參移栽機(jī)，收獲機(jī)使用量最多、最成熟的機(jī)具是DOOROO 公司研制的DR-1600S 型人參收獲機(jī)[21]。近年來，隨著自動(dòng)控制、電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，韓國(guó)人參種植機(jī)械正朝著系列化、智能化的方向發(fā)展。美國(guó)、加拿大主要在平原種植西洋參，機(jī)械化程度更高，參場(chǎng)作業(yè)的各個(gè)環(huán)節(jié)基本上實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化，播種廣泛使用的是斯坦赫S870 型履帶式播種機(jī)，移栽使用最多的是美國(guó)1265 型吊籃式移栽機(jī)。

相比這些國(guó)家，我國(guó)的人參專用種植機(jī)械的研究起步較晚，技術(shù)水平落后。國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的人參種植機(jī)械化設(shè)備中，做床使用較多的是吉林省領(lǐng)跑機(jī)械有限公司生產(chǎn)的梅河牌人參做床機(jī)；播種以扎孔點(diǎn)播和“大刀、舀勺”手工作業(yè)方式為主，少部分使用靖宇縣大華機(jī)械廠制造的半自動(dòng)播種機(jī)和張?jiān)隽值仍O(shè)計(jì)的實(shí)用新型專利一種人參播種機(jī)（CN201520445573.5）；移栽以人工用刮板翻土開溝—擺苗—覆土作業(yè)方式為主，部分使用吉林省通化市人參種植機(jī)械生產(chǎn)企業(yè)研制的半機(jī)械化設(shè)備2ZR 型人參移栽機(jī)和2ZB-2 型移栽機(jī)；收獲沒有專用設(shè)備，以薯類挖掘機(jī)替代使用[22]。

本項(xiàng)目機(jī)具是在廣泛調(diào)研吉林省人參種植農(nóng)藝和種植特點(diǎn)后，結(jié)合韓國(guó)高麗參種植成熟機(jī)械設(shè)備經(jīng)驗(yàn)開發(fā)的。這些項(xiàng)目機(jī)具同國(guó)外同類機(jī)具相比，更加適應(yīng)吉林省的人參種植方式情況，在價(jià)格上也具有較大優(yōu)勢(shì)，當(dāng)前國(guó)內(nèi)外同類機(jī)具對(duì)比如表2 所示。

表2 國(guó)內(nèi)外同類機(jī)具對(duì)比Tab.2 Domestic and foreign similar equipment comparison

3 典型示范推廣情況

人參種植全程機(jī)械化系列設(shè)備先后在吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)、吉林省集安市大地參業(yè)、吉林省撫松縣、吉林省汪清縣、吉林省琿春市中森藥業(yè)、遼寧省牛毛塢鎮(zhèn)、遼寧省太平哨鎮(zhèn)、遼寧省興賓縣及山東省文登市等地的人參種植基地進(jìn)行示范推廣，典型示范推廣情況如表3 和圖12 所示，用戶反映機(jī)具自動(dòng)化程度高、可靠性強(qiáng)，提高作業(yè)質(zhì)量、作業(yè)效率，降低工作強(qiáng)度、作業(yè)成本效果明顯。

圖12 典型示范推廣情況Fig.12 Typical demonstration promotion

表3 典型示范推廣情況Tab.3 Typical demonstration promotion

人參種植全程機(jī)械化系列設(shè)備在長(zhǎng)春農(nóng)博會(huì)上進(jìn)行了展出，長(zhǎng)春日?qǐng)?bào)、新文化報(bào)、中展網(wǎng)及吉林省電視臺(tái)等多家省內(nèi)媒體進(jìn)行了報(bào)道。

4 結(jié)束語

（1）5 種機(jī)具已經(jīng)全部完成了樣機(jī)制造和性能試驗(yàn)，初步形成了我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的人參種植全程機(jī)械化系列設(shè)備，顯著提高我國(guó)人參機(jī)械化種植水平，下一步著重將新材料、表面處理、熱處理和制造工藝等融入到整機(jī)的制造過程中，提高機(jī)具的穩(wěn)定性和可靠性。

（2）與國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)人參種植全程機(jī)械化機(jī)具仍存在一定的差距，產(chǎn)業(yè)化程度較低，主要是因?yàn)槲覈?guó)人參種植主體以家庭個(gè)體經(jīng)營(yíng)者為主，規(guī)模小，多種種植和管理模式，加上多變的種植地形，制約著人參種植機(jī)械化的發(fā)展速度。

（3）結(jié)合我國(guó)人參種植機(jī)械化的實(shí)際情況，應(yīng)依據(jù)不同種植區(qū)域的生產(chǎn)條件和不同地形地況，發(fā)展適宜的機(jī)械化種植設(shè)備，加強(qiáng)集成作業(yè)工序和智能化操作控制系統(tǒng)的研究，并完善技術(shù)推廣體系，加快產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。