2ZBL-90雙行菠蘿種植機設(shè)計與試驗*

薛忠，張秀梅，陳如約，王槊，潘睿

(1. 中國熱帶農(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)品專業(yè)合作社，廣東湛江，524132； 3. 中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機械研究所，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世紀從巴西傳入中國。中國菠蘿栽培區(qū)域主要集中在廣東、廣西、海南、臺灣、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。

國內(nèi)菠蘿種植方式主要依靠人工種植，效率慢、勞動強度大。國外菠蘿種植主要有單行種植機、雙行種植機、四行種植機械等，均為人工輔助將種苗放入苗杯，通過機械機構(gòu)將菠蘿苗種植到土壤里，以牽引式居多[1-2]。菠蘿種植的機械化作業(yè)不但可以縮短種植時間，而且可以降低農(nóng)民的勞動強度，隨著我國菠蘿種植面積的不斷擴大，菠蘿產(chǎn)業(yè)中機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，由于鏈夾式機構(gòu)無法進行膜上栽植，而鴨嘴式可實現(xiàn)膜上移栽,對菠蘿苗有一定的扶持力，栽植深度穩(wěn)定、不傷苗[4-7]。

針對國內(nèi)菠蘿苗機械化種植“無機可用”現(xiàn)狀，本文基于膜上移栽技術(shù)改進研發(fā)了適用于粗大苗的菠蘿苗施肥移栽機械設(shè)備，對其施肥裝置、旋耕起壟裝置、移栽裝置進行了改進設(shè)計，并開展了田間試驗，研制的菠蘿施肥移栽一體機對我國菠蘿產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)機械化、標準化種植提供參考。

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)

菠蘿種植機所移栽的對象為菠蘿種苗，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，當吸芽生長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，國內(nèi)種植的菠蘿苗，葉片呈蓮花座分布。

選取主栽品種巴厘、臺農(nóng)17、金菠蘿種苗為研究對象，各取樣30株，將摘取的菠蘿種苗帶回實驗室，依次放在試驗臺上稱重后對其編號進行拍照，用標尺工具在圖像上進行手動測量，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為植株長度，c為植株直徑，d為根部長度[4]。

對測量的形態(tài)數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，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)機械化種植，對菠蘿苗進行標準化處理，標準化長度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 樣機結(jié)構(gòu)及主要技術(shù)參數(shù)

為提升我國熱帶地區(qū)的機械化菠蘿種植水平，設(shè)計了2ZBL-90牽引式菠蘿施肥移栽一體機。該機主要由肥箱、施肥器、旋耕總成、起壟板、覆膜輥、苗箱、鴨嘴器、鎮(zhèn)壓輪、液壓及傳動系統(tǒng)等部件組成。可同時完成菠蘿苗移栽過程中的施肥、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)計參數(shù)如表2所示。

圖2 菠蘿種植機整體結(jié)構(gòu)

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

1.3 工作原理

該機作業(yè)時，施肥絞龍將肥料通過導(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)動將地膜覆于壟上，人工輔助將菠蘿苗填裝入轉(zhuǎn)動的苗杯中，鴨嘴器在凸輪的帶動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，完成施肥—起壟—覆膜—移栽作業(yè)。

2 種植機關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 螺旋排肥器優(yōu)化設(shè)計

螺旋排肥器是施肥系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，針對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，對其排肥過程進行仿真分析，對其結(jié)構(gòu)參數(shù)進行設(shè)計優(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)測量λ為0.938 t/m3；

ε——傾斜輸送系數(shù)，本文設(shè)計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軟件默認的無滑動接觸模型(Hertz-Mindlin)進行肥料顆粒的仿真分析，該模型可獲得十分準確且高效的仿真結(jié)果。在三維設(shè)計軟件SolidWorks中建立螺旋式排肥器的實體模型(圖3)，并以螺旋葉片直徑、螺距和排肥軸轉(zhuǎn)速為試驗因素，以排肥量、排肥穩(wěn)定性變異系數(shù)為試驗指標(表3)，采用3因素5水平的二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計試驗方法，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23組試驗，并采用SAS分析試驗結(jié)果，確定各因素對排肥量的影響主次順序并建立相應(yīng)回歸數(shù)學(xué)模型。試驗方案及結(jié)果如表4所示。不同試驗情況下排肥量各不相同，排肥量在54.76～221.2 g/s之間。當螺旋葉片直徑為90 mm，螺距為60 mm，排肥軸轉(zhuǎn)速為55 r/min時，排肥量最大為221.2 g/s；當螺旋葉片直徑為90 mm，螺距為60 mm，排肥軸轉(zhuǎn)速為15 r/min時，排肥量最小為54.76 g/s。

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

表4 試驗方案及結(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函數(shù)，如式(4)所示。

(4)

通過Design-expert 8.0的優(yōu)化模塊對排肥器排肥過程中的排肥穩(wěn)定性變異系數(shù)進行優(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

在旋耕機的設(shè)計中，切土節(jié)距和旋耕速比是兩個重要的設(shè)計指標，設(shè)計參數(shù)直接決定著旋耕機作業(yè)質(zhì)量和作業(yè)效果的好壞。菠蘿種植機旋耕部件參照有關(guān)農(nóng)業(yè)機械手冊中旋耕機設(shè)計章節(jié)計算[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——機器前進速度，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。

本樣機拖拉機輸出轉(zhuǎn)速840 r/min，設(shè)計旋耕刀片按雙螺紋線排列，回轉(zhuǎn)半徑為240 mm，由刀軸轉(zhuǎn)速計算出角速度為25.12 rad/s，工作時拖拉機以低3檔前進，查閱拖拉機使用說明書對應(yīng)前進速度為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。由計算出來的旋耕速比和切土節(jié)距數(shù)值可知，旋耕起壟機的參數(shù)選擇是合理的，符合一般旋耕作業(yè)時的農(nóng)藝要求[12-13]。

2.3 鴨嘴式移栽部件設(shè)計

菠蘿種植機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)，該栽植部件通過人工投苗至旋轉(zhuǎn)的苗杯，苗盤轉(zhuǎn)動，當苗杯到達導(dǎo)苗斗位置時，苗杯下端的底蓋自動打開，將菠蘿苗投入到導(dǎo)苗斗，然后通過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，減少了地膜開孔環(huán)節(jié)，也有助于提高根系不發(fā)達幼苗的存活率[14-15]。

為避免菠蘿苗移栽過程中倒伏、夾苗等現(xiàn)象，對設(shè)計的鴨嘴式移栽器進行運動學(xué)仿真分析，鴨嘴的運動過程可視為平動與轉(zhuǎn)動的合運動，即機組前進的速度和相對于機器的圓周運動合成。鴨嘴運動軌跡方程如式(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——鴨嘴器圓周運動的角速度，rad/s；

t——運動時間，s。

對其運動位移方程求導(dǎo)可得到其速度方程，然后進行速度分析，確定出機組最佳前進速度。菠蘿苗移栽應(yīng)達到一定深度，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)化確定機器前進速度為0.67 m/s。

3 試驗結(jié)果與分析

試驗于2020年9—12月在廣東省徐聞縣諾香園菠蘿基地進行，并參照起壟機械、施肥機械和移栽機械等的相關(guān)行業(yè)標準進行試驗，考察該菠蘿移栽種植機施肥、起壟、移栽及整機性能等。作業(yè)速度選0.5～1.5 m/s，試驗場地地表平整。試驗用菠蘿苗為統(tǒng)一曬尾處理后的吸芽苗，由于菠蘿苗生長大小不一，為適應(yīng)機械化種植，種植前需對其進行標準化處理，通過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

將標準化的菠蘿種苗裝箱后，用東方紅904拖拉機牽引，拖拉機輸出轉(zhuǎn)速840 r/min，對移栽后的苗壟、株距及菠蘿苗的種植狀態(tài)進行相關(guān)指標測量。

1) 株距合格率：指移栽后單位長度中實際合格株距種植數(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)計株距，cm；

Xi——實測株距，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，其為測得的菠蘿種苗種植深度合格的株數(shù)與測量樣本總株數(shù)的比值。

N=Ni/Nk

式中：Ni——測定范圍內(nèi)的種植深度合格的株數(shù)，株；

Nk——測定范圍內(nèi)種植深度的總株數(shù)，株。

3) 直立狀態(tài): 根據(jù)旱地栽植機械行業(yè)標準JB/T

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

4) 起壟質(zhì)量評價參照NY/T 2704-2015《機械化起壟全鋪膜作業(yè)技術(shù)規(guī)范》，測量后取均值圓整。

5) 生產(chǎn)率: 指栽植過程中單位時間內(nèi)移栽株數(shù)的效率，其為測得的單位時間內(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——測量計時時間，min；

Pi——單位時間內(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。

測試統(tǒng)計結(jié)果整理如表5所示。菠蘿苗種植機性能穩(wěn)定，起壟高度及壟形滿足設(shè)計要求，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，符合機械化種植農(nóng)藝要求，種苗直立狀態(tài)良好，可達到菠蘿種植要求。

表5 試驗結(jié)果Tab. 5 Results of test

4 結(jié)論

1) 統(tǒng)計分析了菠蘿苗形態(tài)參數(shù)，實驗測得菠蘿苗長度分布在37.00～82.80 cm，直徑分布在12.30～63.50 cm，對其進行標準化處理，處理后長度15～30 cm，直徑10～15 cm，苗型錐角21°～30°，為設(shè)計研發(fā)菠蘿種植機移栽部件提供參考。

2) 優(yōu)化了施肥關(guān)鍵部件，設(shè)計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)計試制的菠蘿種植機，能一次完成針對菠蘿苗的施肥、旋耕、起壟、覆膜、移栽等作業(yè)工序。慢I檔整機運行效果良好，起壟部件性能穩(wěn)定，滿足設(shè)計要求，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。