履帶自走式草莓旋耕起壟施肥復式作業機設計與試驗*

陳彬，陳新華，陳小兵，朱繼平，于慶旭，繆友誼，劉燕

(1.農業農村部南京農業機械化研究所，南京市，210014；2.江蘇省農業機械技術推廣站，南京市，210017)

0 引言

草莓為薔薇科，屬多年生漿果類草本植物，生長周期短、見效快、經濟價值高，是世界上栽培最為廣泛的果樹種類之一。據聯合國糧農組織(FAO)最新統計，2018年世界草莓種植總面積為372.4 khm2，中國草莓種植面積為111.1 khm2，占世界的29.8%，總產值已超過600億元，成為世界草莓第一生產國[1-2]。

目前，草莓生產機械化水平總體偏低，以人工種植為主，嚴重制約了我國草莓全程機械化及草莓產業的持續發展[3]。草莓種植生產管理環節眾多，起壟是草莓種植的基礎，其作為草莓生產的主要關鍵環節之一，直接影響后續移栽、施藥、施肥、授粉等機具的配套及作業質量[4]。

周興良等[5]設計改進了一款草莓培土機，并對人字形減速器和旋耕刀進行理論計算，可實現不同深度的培土作業要求；董新民[6]、余飛[7]針對大棚草莓的種植環境特點，設計了由手扶拖拉機作為配套動力的草莓旋耕開溝起壟機，并對開溝刀、起壟刀的排列方式進行優化分析。上述研究多以手扶式微耕機為原型，改進設計旋耕開溝部件用于草莓的起壟作業，江蘇、安徽等長江中下游地區草莓種植季節雨水多，土壤含水率高，普通起壟機具易打滑，起壟高度不夠、勞動強度大、效率低、功能單一，無法滿足大棚草莓窄溝髙壟種植的農藝要求。

本文根據草莓高壟栽培農藝要求和土壤特性，采用壟溝位開溝培土、形壟裝置攏土、壟體仿形鎮壓綜合起壟技術，選擇橡膠履帶式底盤為動力，研制了一種履帶自走式草莓旋耕起壟施肥復式作業機。研究機具各部件間的最優結構參數、工作參數、動力匹配等要素，對起壟及壟部分層對位施肥部件進行了設計，通過三維建模和樣機制作，對其進行了試驗研究，為草莓起壟機具的優化設計和改進提供理論依據。

1 草莓種植壟體結構參數分析

長三角地區大棚草莓種植最常用的模式是高壟栽培，該模式具有土壤保溫性能好、通風透氣透光，促進草莓根系生長發育，便于田間管理、降低病蟲害發生、提高果實產量和品質等優點[8-9]。草莓種植農藝要求，一般每壟種植2行，行距150～200 mm，株距150～200 mm，相互錯位移栽，壟形結構主要為高窄壟[10]，如圖1所示，壟高H為350 mm，壟頂寬L1為350 mm，壟底寬L2為70 mm，溝底寬D為200 mm，壟間距為900 mm[11-12]。傳統微耕機或手扶拖拉機式作業機具無法滿足高壟的作業要求，且生產效率低、勞動強度大。根據大棚作業的環境特點及農機農藝融合要求，大棚草莓起壟機具需能起高壟，且一次進地完成多項作業任務。起壟作業過程中，土壤在機具的作用下可簡化成質點，土壤顆粒之間的相互作用忽略不計，在不考慮旋耕作業前后土壤膨脹系數的情況下，因土壤在被旋耕刀切削、拋灑前后總量保持平衡[13]，即溝內旋耕土壤面積等于壟體堆積土壤面積。

圖1 壟體結構示意圖

(1)

h1+h2=H

(2)

(3)

式中：h1——壟體土壤堆積高度；

h2——機具旋耕開溝作業深度；

θ——為壟體壁面的傾角。

聯立式(1)、式(2)、式(3)可得，h1=145 mm，h2=205 mm。

2 整機結構與工作原理

2.1 整機結構

履帶自走式草莓旋耕起壟施肥復式作業機(以下簡稱施肥起壟機)，主要由履帶底盤、懸掛系統、齒輪傳動箱、鏈傳動系統、旋耕開溝裝置、形壟裝置、壟體仿形鎮壓裝置、分層施肥裝置、機架等組成；分層施肥裝置主要包括肥箱、排肥器、導肥管、分層施肥器等。其中旋耕開溝裝置負責初步的開溝培土，形壟裝置負責壟土，最后經壟體仿形鎮壓裝置完成壟體的鎮壓整形。整機結構示意圖如圖2所示，整機主要技術參數如表1所示。

圖2 履帶自走式草莓旋耕起壟施肥復式作業機結構示意圖

表1 整機主要技術參數

2.2 工作原理

整機動力通過發動機經變速系統分成兩路，一路驅動行走系統，一路經變速箱，通過后置動力輸出軸輸出。輸出動力經萬向節傳動軸輸入至齒輪傳動箱，動力經齒輪箱轉換成兩路輸出，動力傳動原理圖如圖3所示。

圖3 動力傳動系統示意圖

一路經齒輪傳動系統用于驅動旋耕組件的高速轉動，土壤在旋耕刀的作用下被切削粉碎，并隨著旋耕刀軸的高速轉動拋灑至兩側機罩及擋土板，在機罩與擋土板的作用下，壟體初步整理成型。外槽輪式排肥器在驅動電機的作用下轉動，實現排肥量的無級調節，肥料在排肥器的作用下經導肥管、分層施肥器施放于相應位置；其中分層施肥器設置于擋土板上，通過調整施肥器與擋土板的相對位置，實現施肥位置與施肥深度的調節。另一路動力輸出經兩側鏈傳動系統用于驅動壟形鎮壓輥轉動，對機罩與擋土板作用下初步形成的壟體進行進一步的壓實整形，解決現有起壟作業壟頂壟壁不完整、壟體疏松及壟體塌陷等問題，實現壟形完整、壟體堅實、壟面平整的起高壟作業。整機開溝作業行數為兩行，起壟壟數為一個整壟和兩個半壟，一次進地完成旋耕開溝、起高壟、施肥、壟體整形作業。

3 關鍵部件設計

3.1 旋耕開溝裝置設計

旋耕開溝裝置是施肥起壟機的重要組成部件，主要負責土壤的切削、粉碎和定向輸送，完成初步的開溝培土作業，其作業質量直接影響著整機的能耗以及后續形壟裝置攏土、鎮壓輥的壟體整形作業質量。旋耕開溝裝置主要由左右刀軸、削壁刀、拋土刀、開溝刀、齒輪傳動箱、小前犁等組成，整體三維結構示意圖如圖4所示，共計36把旋耕刀通過刀座、螺栓與刀軸連接。單邊刀軸上外側旋耕刀為左彎刀，內側旋耕刀為右彎刀，保證了碎土隨旋耕刀向兩側運動。兩側刀軸上旋耕刀呈對稱式排列，以保證刀軸均勻受力，整機工作的平穩。

圖4 旋耕開溝裝置結構示意圖

旋耕刀在作業過程中的絕對運動方式是由圍繞刀軸的圓周運動和隨著機具前進速度組合而成，其作業軌跡如圖5所示，旋耕刀上每一點的運動方式均為有規律的余擺線[14]，以旋耕刀旋轉中心為坐標原點，以機具前進方向為x軸，以垂直向下方向為y軸建立直角坐標系，以刀片端點為對象建立其運動方程如下。

x=Rcosωt+vmt

(4)

y=Rsinωt

(5)

(6)

式中：R——旋耕刀的轉動半徑，mm；

ω——旋耕刀的旋轉角速度，rad/s；

vm——機具的前進速度，m/s；

λ——旋耕速比。

旋耕速比λ對的取值范圍影響著旋耕刀的作業性能，同時要滿足旋耕刀的耕深H1要求，旋耕刀耕深H1和旋耕速比的計算如式(7)所示。

(7)

如圖5所示，旋耕刀作業過程中將土垡帶起，土垡的縱向厚度S稱之為切土節距，切土節距與同一截面安裝的旋耕刀數量有關，其計算如式(8)所示；hc為兩個縱向相鄰刀片旋耕作業后耕層底部留有未耕的生土凸起高度，直接影響著開溝的溝底平整性[15]，其計算公式如式(9)所示。

圖5 旋耕刀運動軌跡示意圖

(8)

(9)

式中：z——刀軸同一平面安裝的旋耕刀數，個；

n——刀軸轉速，r/min。

根據上述草莓起壟農藝要求，溝底寬為200 mm，耕深要求205 mm，因此本機開溝旋耕刀采用R285彎刀，回轉半徑R為285 mm，設置3組間隔為50 mm的開溝旋耕刀組，每組內的開溝旋耕刀間隔90°排布，單截面設置旋耕刀數量z為4。機具設置為低檔速行駛，前進速度為1.8 km/h，計算得到旋耕速比λ為13.8，最大耕深為264 mm，切土節距S為32.6 mm，溝底凸起高度hc為0.54 mm。該開溝旋耕刀的切土節距和溝底凸起高度較小，滿足開溝培土起壟作業的碎土和溝底平整度要求。為提高旋耕作業土壤定向輸送能力，防止壅土堵塞，在開溝刀兩側分別另外設置拋土刀和削壁刀，根據梯形壟結構特點，其中拋土刀選擇R245彎刀，削壁刀選擇R225彎刀。

3.2 壟體仿形鎮壓裝置設計

根據草莓種植壟體農藝要求，設計了梯形的壟體仿形鎮壓裝置，主要由從動鏈輪、鏈輪軸、軸承座、壟頂鎮壓輥、壟壁整形輥組成。其中從動鏈輪和軸承座設置于鏈輪軸上，軸承座通過螺栓固定安裝于機架上，通過調整其安裝高度可以調整鎮壓整形裝置工作高度。鎮壓裝置采用兩側對稱式的鏈輪驅動方式，保證了裝置的受力平衡，增加了工作的穩定性。壟頂鎮壓輥為圓柱形，負責壟體頂部的壟體鎮壓整形；壟壁整形輥為圓錐形，利用其錐體弧面對壟體壁面進行鎮壓整形；壟頂鎮壓輥和壟壁整形輥通過焊接的方式固定連接，壟壁整形輥通過螺栓與鏈輪軸固定連接，隨著鏈輪的轉動而轉動。根據實際情況左右兩側半壟整形機構的壟頂鎮壓輥長度a為300 mm，中間整壟整形機構的壟頂鎮壓輥長度c為350 mm，左右兩側半壟壟壁鎮壓輥與中間整壟壟壁鎮壓輥距離b為250 mm，壟頂鎮壓輥直徑D1為170 mm，壟壁鎮壓輥直徑D2為700 mm，壟體鎮壓整形裝置總長d為2 020 mm。

圖6 壟體仿形鎮壓裝置結構示意圖

3.3 分層施肥裝置設計

分層施肥裝置主要由肥箱、肥箱側板、排肥電機、外槽輪式排肥器、排肥軸、導肥管、分層施肥器等組成，如圖7所示。分層施肥裝置整體通過螺栓與機架固定連接，排肥電機設置于肥箱側板上，通過鏈傳動系統驅動排肥軸運動，進而帶動外槽輪式排肥器轉動，通過調節的排肥電機的轉速可以實現排肥量的精準調節。根據草莓種植農藝要求，共設置4個排肥器，安裝于旋耕機與壟體鎮壓裝置之間的擋土蓋板上，分別施肥于壟體兩側草莓種植位置下方，通過調整施肥器的安裝位置可以實現施肥位置的調節。為降低肥料施用量、提高肥料利用率，設計分層施肥器，上層肥料保證草莓移栽時的養分需求，下層肥料通過緩釋為草莓生長提供養分，分層施肥器結構如圖8所示，主要由進肥口、分流擋板、分流器、上層落肥口、施肥開溝器、下層落肥通道和下層落肥口組成。肥料經導肥管進入分層施肥器，在分流擋板的作用下，顆粒肥料流被分成兩路，一路經左側施肥通道施放于下層土壤，一路經右側施肥通道施放于上層土壤，其中通過調節分流器的角度，可實現上下層施肥量的調節。

圖7 分層施肥裝置結構示意圖

圖8 分層施肥器結構示意圖

4 田間試驗與結果分析

4.1 試驗條件與方法

履帶自走式草莓旋耕起壟施肥復式作業機田間試驗與2021年9月進行，試驗地點為江蘇省淮安市經開區靈秀路試驗田，試驗期間溫度約為25 ℃，相對濕度約為56%。試驗田長度為60 m，寬度為30 m，土壤質地為壤土，試驗前期通過犁耕20～25 cm、旋耕12～15 cm 的方式進行整地作業，整地后田面平整。

按GB/T 9478—2005《谷物條播機 試驗方法》規定的試驗方法[16]，測定機具靜態條件下的各行排肥量一致性變異系數和總排肥量穩定性變異系數。施肥起壟機處于靜止狀態，將施肥起壟機架起，按照機具行進50 m，不考慮行走打滑，計算機具作業時間；按照農業要求的施肥量，調整排肥器的開度和驅動電機的轉速，按照計算的作業時間，測定4個排肥器的排肥量，重復5次。試驗儀器為電子秒表(HS-30W)、電子天平(NS-3200B，精度0.1 g)。

表2 田間試驗條件

機具田間試驗按照JB/T 8401.2—2017《旋耕聯合作業機 第2部分[17]：旋耕深松滅茬起壟機》規定的試驗方法，駕駛機具在試驗田內進行往返各一個作業行程，最終形成3個整壟和兩個半壟。

試驗現場如圖9所示，測試儀器為皮卷尺、鋼卷尺、數顯水平尺(KAPRO-985D，測量范圍0°～180°，精度為0.1°)。

以3條整壟的中間20 m長度范圍為數據測量區域，每條壟等間隔選取5個點，壟高為壟頂平面與壟溝平面的垂直距離，計算所有測點壟高平均值作為壟高最終測量結果，以測量壟高在35±3 cm范圍內為合格，按式(10)計算壟高合格率。壟間距為鄰兩個壟體剖面中心線之間的垂直距離，計算所有測點壟間距平均值作為壟間距最終測量結果，以壟間距在90～105 cm 范圍內為合格，按式(10)計算壟間距合格率。在正對壟體中心線的方位扒開土層，以壟體剖面的中心線為測量基準，分別測定左右兩側肥料施放位置中心點與壟體中心線的垂直距離。按式(11)～式(12)計算施肥對位精度。

(10)

式中：F——壟高合格率或壟間距合格率，%；

Qi——合格壟高數或壟間距數，個；

Qz——總測定的壟高數或壟間距數，個。

(11)

δL=|L-Ly|

(12)

式中：L左ij——第i條壟第j個采樣點左側施肥位置中心點與壟體中心線的垂直距離，mm；

L右ij——第i條壟第j個采樣點右側施肥位置中心點與壟體中心線的垂直距離，mm；

L——肥料施放位置中心點與壟體中心線的平均垂直距離，mm；

Ly——施肥位置中心點與壟體中心線垂直距離的農藝要求值，取108 mm；

δL——施肥對位精度，mm。

4.2 試驗結果與分析

機具靜態排肥能力試驗結果如表3所示，對4路施肥器分別進行5次排肥試驗，排肥器平均排肥量為956.01 g，標準差為41.32 g，各行排肥量一致性變異系數為4.32%；總排肥量平均值為3 824.04 g，標準差為131.79 g，總排肥量穩定性變異系數為3.45%。各行排肥量一致性變異系數和總排肥量穩定性變異系數均符合國家標準和行業標準對施肥性能的要求，排肥均勻、排肥性能穩定，滿足草莓施肥作業需求。

表3 機具靜態排肥能力試驗結果

依據上述試驗方法，對機具進行田間作業性能試驗考核，根據試驗數據計算得到平均壟高為352 mm、壟高合格率為100%，平均壟間距為943 mm、壟間距合格率為100%，施肥對位精度為11 mm，滿足機具設計值以及草莓施肥種植農藝對壟高(≥350 mm)、壟間距(900～1 050 mm)以及施肥對位精度(≤50 mm)的要求。通過靜態試驗和田間作業試驗，結果表明，機具性能穩定且各項設計指標均滿足草莓實際生產的需求。

表4 機具田間試驗結果

5 結論

1)根據草莓種植對起高窄壟以及施肥的農藝要求，研制了一種履帶自走式草莓旋耕起壟施肥復式作業機，通過理論分析與整機建模，確定了旋耕開溝裝置、壟體仿形鎮壓裝置、分層施肥裝置等關鍵部件的結構與技術參數。通過采用壟溝位開溝培土、形壟裝置攏土、壟體仿形鎮壓綜合起壟技術，達到了草莓窄溝髙壟的種植農藝要求。

2)旋耕開溝刀采用R285彎刀，旋耕速比為13.8，最大耕深為264 mm，切土節距為32.6 mm，溝底凸起高度為0.54 mm，拋土刀選擇R245彎刀和R225彎刀，滿足開溝培土起壟作業的碎土和溝底平整度要求。設計“工字型”壟體仿形鎮壓裝置，壟頂鎮壓輥直徑為170 mm，壟壁鎮壓輥直徑為700 mm，總長為2 020 mm。設計4路分層施肥器，分層施肥可提高肥料利用率和植物吸收養分的能力。

3)對機具進行靜態的排肥性能測試以及田間作業性能測試，試驗結果表明，各行排肥量一致性變異系數為4.32%，總排肥量穩定性變異系數為3.45%。平均壟高為352 mm、壟高合格率為100%，平均壟間距為943 mm、壟間距合格率為100%，施肥對位精度為11 mm。機具各項試驗指標均符合國家標準、行業標準要求，可一次性完成旋耕、起高壟、壟部對位施肥作業，滿足草莓生產農藝的要求。