成松松，周春健，朱春燕，黃嘉俊，范濤

(上海市農(nóng)業(yè)機(jī)械研究，上海市，201106)

0 引言

上海是一個常住人口2 400多萬的大都市，綠葉菜的有效供給是一項重要的民生任務(wù)，其消費量占蔬菜消費量的50%以上。由于不適用長途運輸，85%以上的綠葉菜都依靠本地生產(chǎn)。當(dāng)前上海綠葉菜生產(chǎn)面臨著不少困難，其中農(nóng)村勞動力成本上升、生產(chǎn)人員老齡化和機(jī)械化程度低等因素嚴(yán)重制約了上海蔬菜機(jī)械化生產(chǎn)的持續(xù)發(fā)展[1-2]。

作畦、播種作為機(jī)械化生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其作業(yè)效果的好壞不僅影響到綠葉菜品質(zhì)與生產(chǎn)效率，而且也直接影響到上海綠葉菜生產(chǎn)全程機(jī)械化的整體水平。通過對上海34家第一、第二批蔬菜機(jī)械化生產(chǎn)示范點調(diào)研可知，作畦機(jī)(起壟機(jī))擁有率達(dá)70.6%，播種機(jī)擁有率達(dá)67.6%[3]。其中2BS-JT10播種機(jī)較為普遍，還有部分上海交大和矢崎公司生產(chǎn)的電動播種機(jī)[4]。這些機(jī)具相對人工播種，在一定程度上提高了作業(yè)效率，保證行距株距與深度基本一致，但由于手扶式機(jī)具操作相對不便，在運輸轉(zhuǎn)場轉(zhuǎn)彎掉頭時較為費勁，作業(yè)過程需要人工推行；作畦和播種分兩道作業(yè)，生產(chǎn)效率仍有待提高。國外對設(shè)施內(nèi)適用的播種機(jī)進(jìn)行了研究推廣，但由于價格高、維修難、適應(yīng)性等問題未能大面積普及[5-6]。

針對這一現(xiàn)狀，研究開發(fā)一種適用于溫室設(shè)施內(nèi)(兼用露地)作業(yè)，集作畦、播種、覆土、鎮(zhèn)壓等多種功能于一體的蔬菜精整作畦聯(lián)合播種機(jī)。通過排種器試驗和田間播種試驗相結(jié)合的方法，根據(jù)不同種子的播量要求和大小形狀等物理特性，設(shè)計不同孔徑孔數(shù)的窩眼輪。同時為滿足機(jī)械化收割要求，設(shè)計高度可調(diào)的作畦、鎮(zhèn)壓滾筒以保證畦面達(dá)到一定的堅實度。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

蔬菜精整作畦聯(lián)合播種機(jī)的整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由取土圓盤、作畦滾筒、排種器總成、傳動系統(tǒng)和鎮(zhèn)壓滾筒五大部分組成。

圖1 整機(jī)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of whole machine1.鎮(zhèn)壓滾筒 2.傳動系統(tǒng) 3.排種器總成 4.作畦滾筒 5.取土圓盤

整機(jī)配套動力：25.8～44.1 kW大棚王拖拉機(jī)(帶液壓輸出)，目前雷沃M404L-E與M604L-E在各個園藝場使用較為普遍，本項試驗配套動力選用雷沃M604L-E拖拉機(jī)(帶液壓輸出)。

1.2 機(jī)具工作條件、原理及主要技術(shù)參數(shù)

該機(jī)具適用于上海地區(qū)常見的雞毛菜、菠菜、米莧、茼蒿等高密度條播綠葉菜的作畦播種聯(lián)合作業(yè)，以滿足機(jī)械化收割要求，適應(yīng)上海蔬菜生產(chǎn)全程機(jī)械化[7]。

作業(yè)前對田塊進(jìn)行精整旋耕，旋耕深度120 mm，保證土壤無明顯結(jié)塊。土壤干基含水率16.3%～18.2%為最佳，改善土壤物理生物特性以適應(yīng)蔬菜的生長[8]。根據(jù)土壤旋耕細(xì)碎程度調(diào)整取土圓盤的高度、角度，使得圓盤在拖拉機(jī)的牽引下能夠入土一定深度，并且可以順暢的旋轉(zhuǎn)取土。再通過位于圓盤與作畦滾筒中間的刮土板，將兩側(cè)的土勻到機(jī)具中間。調(diào)整作畦滾筒高度，通過拖拉機(jī)的液壓輸出，配合使用調(diào)速閥與液壓馬達(dá)，帶動作畦滾筒旋轉(zhuǎn)，目的在于提高單位時間內(nèi)單位面積上畦表面土的鎮(zhèn)壓頻次，增強(qiáng)鎮(zhèn)壓效果[9]。排種器總成與鎮(zhèn)壓滾筒剛性連接于機(jī)架上，通過鎮(zhèn)壓滾筒與畦面的摩擦轉(zhuǎn)動，經(jīng)鏈條傳動帶動排種器窩眼輪轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)作業(yè)的全過程。整機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 整機(jī)主要技術(shù)參數(shù)Tab.1 Main technical parameters of whole machine

2 關(guān)鍵部件設(shè)計

2.1 作畦滾筒機(jī)構(gòu)設(shè)計

近些年歐洲一些國家研制出了少量精細(xì)作畦機(jī)具，畦面土壤細(xì)碎且保證一定的堅實度為蔬菜的生長提供了良好的栽培條件[10-11]，而國內(nèi)在畦面堅實度對蔬菜種子不同時期的生長影響方面的研究較少。為此本文在分析葉菜類蔬菜作畦整地農(nóng)藝要求的基礎(chǔ)上，設(shè)計一種滾筒直徑適宜且高度可調(diào)的作畦滾筒，為蔬菜種植提供高質(zhì)量作畦機(jī)械，并為機(jī)械化收割做好前道工序準(zhǔn)備。

2.1.1 滾筒直徑

作畦滾筒作為影響畦面質(zhì)量的關(guān)鍵部件，在保證單位面積一定壓強(qiáng)條件下，作畦滾筒的直徑與土壤的壓實效果有較大的關(guān)聯(lián)，直徑越小，壓實效果越差。作畦滾筒的最小直徑應(yīng)滿足[12]

式中：Dmin——作畦滾筒直徑，mm；

h——作畦滾筒壓實深度，mm；

α——作畦滾筒翻轉(zhuǎn)角，(°)。

由于雞毛菜、菠菜等綠葉菜的根系穿透土壤能力有限，為保證土壤的孔隙度以確保種子的出芽率及避免出現(xiàn)前期的倒伏情況[13-14]，畦面不宜壓過實，取h=4 mm；為保證作畦滾筒能正常作業(yè)，應(yīng)使?jié)L筒翻轉(zhuǎn)角小于等于20°，取α=18°。經(jīng)計算可知，作畦滾筒直徑Dmin=160 mm較為合適。

圖2 作畦滾筒工作圖Fig.2 Working drawing of roller

2.1.2 滾筒高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)

調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)如圖3所示。

圖3 調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)簡圖Fig.3 Schematic diagram of adjusting structure1.掛接管 2.彈性圓柱銷 3.墊圈 4.銅套 5.螺紋調(diào)節(jié)豎軸 6.螺紋調(diào)節(jié)橫軸 7.矩形管

為應(yīng)對不同土壤條件，根據(jù)畦面的堅實度要求以及圓盤取土量的多少，可通過轉(zhuǎn)動螺紋調(diào)節(jié)豎軸帶動螺紋調(diào)節(jié)橫軸上下移動，從而對作畦滾筒進(jìn)行高度調(diào)節(jié)，該高度調(diào)節(jié)部件結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)節(jié)過程輕便可靠。其中掛接管內(nèi)開有長槽，長度L1=60 mm，并在長槽兩側(cè)增加刻度，使得作畦滾筒左右高度基本保持一致。

2.2 鎮(zhèn)壓滾筒機(jī)構(gòu)設(shè)計

鎮(zhèn)壓是繼開溝、播種、覆土之后的一道工序，其作用是將覆蓋在種子上的土壤進(jìn)行壓實處理，使種子與土壤充分接觸，更好地吸收土壤中的水分和養(yǎng)分，利于種子發(fā)芽[15]。鎮(zhèn)壓滾筒同時作為排種器的動力傳遞部件，通過與鎮(zhèn)壓滾筒連接的主動鏈輪轉(zhuǎn)動，經(jīng)鏈條傳送到從動鏈輪連接的長方軸帶動排種器旋轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)排種器的播種作業(yè)。為此，鎮(zhèn)壓滾筒必須與畦面一直接觸轉(zhuǎn)動，其作畦滾筒的高度位置應(yīng)設(shè)計為可調(diào)節(jié)。由于排種鎮(zhèn)壓總成部件與機(jī)架是剛性連接，要實現(xiàn)鎮(zhèn)壓效果就要求鎮(zhèn)壓滾筒能隨著畦面高度的變化自動調(diào)節(jié)，如圖4、圖5所示。

圖4 鎮(zhèn)壓滾筒高度調(diào)節(jié)Fig.4 Height adjustment of rolling1.鎮(zhèn)壓總成 2.定位螺栓 3.銷軸 4.機(jī)架掛接側(cè)板 5.鎮(zhèn)壓掛接側(cè)板

圖5 鎮(zhèn)壓滾筒高度差Fig.5 Height difference of rolling

定位螺栓固定在機(jī)架掛接側(cè)板上，鎮(zhèn)壓總成通過銷軸與鎮(zhèn)壓掛接側(cè)板連接。鎮(zhèn)壓掛接側(cè)板上開圓弧槽，使得畦面在高度變化時，鎮(zhèn)壓總成在重力作用下能夠繞著銷軸上下自由浮動。

以銷軸中心為圓心，定位螺栓中心為圓弧起點，圓弧槽槽頂為終點向上畫弧，該弧所對應(yīng)的角度為β。通過CAXA 3D建模模擬，取β=28°，對應(yīng)的鎮(zhèn)壓滾筒高度差L2=69.5 mm，L2>L1，即鎮(zhèn)壓滾筒的調(diào)節(jié)范圍大于作畦滾筒的高度調(diào)節(jié)范圍，可以保證鎮(zhèn)壓滾筒始終與畦面接觸轉(zhuǎn)動。同時在鎮(zhèn)壓滾筒上粘有魚骨紋橡膠墊，大大增加了鎮(zhèn)壓滾筒與地面之間的摩擦力，提高傳動可靠性。

2.3 排種器設(shè)計

2.3.1 排種器選型

播種質(zhì)量是整機(jī)性能的重要體現(xiàn)，通過排種器臺架試驗，可以直觀地看出排種器的播種效果，有助于分析種子破碎率、轉(zhuǎn)速對不同孔徑窩眼輪充種率的影響以及計算理論播量。

由于機(jī)械式的排種機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，使用維護(hù)操作方便，而且整機(jī)體積和重量都能得到一定程度的控制，因此，設(shè)計采用機(jī)械式的排種機(jī)構(gòu)。通過市場調(diào)查，目前機(jī)械式蔬菜播種機(jī)基本都采用窩眼輪式的排種器，如圖6所示，經(jīng)生產(chǎn)應(yīng)用證明，其排種效果優(yōu)于其他排種方式[16]。

圖6 窩眼輪式排種器Fig.6 Vegetable seeding device of socket-roller1.排種器輪軸 2.窩眼輪 3.護(hù)種片 4.蝶形螺栓 5.毛刷 6.十字槽螺釘 7.種盒 8.種盒蓋

2.3.2 排種器臺架試驗及數(shù)據(jù)分析

搭建試驗臺架，采用西門子PLC轉(zhuǎn)速控制器，試驗種子為三系精品毛菜，排種器窩眼輪(孔徑×孔數(shù))設(shè)計大孔(φ7×12)、中孔(φ5×12)、小孔(φ3×20)，三種窩眼輪外徑均為60 mm。

調(diào)整毛刷、護(hù)種片與窩眼輪在排種器外殼內(nèi)部的間隙，手動轉(zhuǎn)動排種器輪軸無明顯阻力。將排種器可靠固定在試驗臺架上，利用伺服電機(jī)配同步帶輪進(jìn)行傳動。調(diào)整轉(zhuǎn)速控制器轉(zhuǎn)速，用電子天平稱量3種窩眼輪在不同轉(zhuǎn)速下的播種量。

每組工況試驗各進(jìn)行3次，平均播種量詳見表2，單排大孔窩眼輪與單排中孔窩眼輪試驗時間均為2 min，雙排小孔窩眼輪由于播量少，稱量誤差大，因此試驗時間為5 min。適應(yīng)機(jī)械化收割的雞毛菜理論每公頃播量為22.5～37.5 kg，結(jié)合稱量的數(shù)據(jù)計算可知，小孔窩眼輪播量太小，不符合實際生產(chǎn)時的播種量要求，因此在60～108 r/min這個轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)不再作測試。

表2 三種窩眼輪在不同轉(zhuǎn)速下的播量Tab.2 Sowing of three kinds of seeding device at different speed

根據(jù)表2統(tǒng)計的播量平均值，繪制大孔、中孔窩眼輪在不同轉(zhuǎn)速下的播量及其增長量折線圖，以此來驗證轉(zhuǎn)速對窩眼輪充種率的影響，如圖7所示。

圖7 大孔、中孔窩眼輪在不同轉(zhuǎn)速下播量與增長量的關(guān)系圖Fig.7 Relation diagram of sowing quantity and growth quantity of the two seeding device at different rotating speeds

由圖7可知，在24～108 r/min這個轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，隨著轉(zhuǎn)速的提高，大孔、中孔窩眼輪的播量基本保持線性增長，且其播量增長量呈上下無規(guī)律浮動現(xiàn)象。由此可以說明，在24～108 r/min這個轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)速對窩眼輪的充種率無直接影響。試驗后種子破碎率小于0.1%。

通過試驗所得的播種量，計算這兩種窩眼輪是否滿足雞毛菜每公頃播量要求。查閱拖拉機(jī)說明書可知，雷沃M604L-E慢2擋前進(jìn)速度v=0.68 m/s；鎮(zhèn)壓滾筒直徑d=0.273 m則其周長c=0.857 m；鎮(zhèn)壓滾筒轉(zhuǎn)速為0.68×60/0.857=47.6 r/min；機(jī)具寬度1.4 m，則每公頃所需的播種時間

t=s/v

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式中：s——理論播完1 hm2所需前進(jìn)的路程，則s=7 142.9 m；

v——拖拉機(jī)慢2擋前進(jìn)速度，v=0.68 m/s。

計算可知，直線作業(yè)時播完1 hm2時間t=175.1 min。

設(shè)鏈輪傳動比為1:1，即鎮(zhèn)壓滾筒與排種器轉(zhuǎn)速相同，由表2，以轉(zhuǎn)速24 r/min，試驗時間2 min，單排大孔窩眼輪(φ7×12)為例。

每一轉(zhuǎn)播量為29.3/(24×2)=0.61 g。

單個排種器每分鐘播量為G單=0.61×47.6=29.04 g。

10個排種器總播量G總=10×G單×t=50 849 g。

設(shè)鏈輪傳動比為1∶1，即鎮(zhèn)壓滾筒與排種器轉(zhuǎn)速相同，由表2，以轉(zhuǎn)速24 r/min，試驗時間2 min，單排中孔窩眼輪(φ5×12)為例。

對比雞毛菜每公頃播量要求22.5～37.5 kg，單排大孔窩眼輪播量過大，而單排中孔播量不足。因此為滿足播量要求，調(diào)整鏈輪傳動比，其中與鎮(zhèn)壓滾筒連接的鏈輪為主動鏈輪，與排種器總成連接的為從動輪。同比例換算可知，使用大孔窩眼輪時，傳動比在2.26∶1～1.35∶1之間均滿足要求；使用中孔窩眼輪時，傳動比在1∶1.23～1∶2.04之間均滿足要求。在實際生產(chǎn)中，要盡量降低排種器轉(zhuǎn)速以達(dá)到最佳播種效果，因此優(yōu)先選用大孔窩眼輪。

3 整機(jī)田間播種試驗

田間播種試驗是檢驗機(jī)具整體可靠性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，在臺架試驗分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)行多種種子田間播種試驗，并根據(jù)不同種子的播種要求，設(shè)置不同的傳動比以及選用孔徑孔數(shù)不同的窩眼輪，通過觀察播種后種子的出苗情況，測定機(jī)具的實際作業(yè)效果。

3.1 試驗條件

2019年1月，在上海市青浦區(qū)商榻星源農(nóng)場進(jìn)行雞毛菜田間播種試驗(圖8)，播種長度為140 m，試驗前先整地。試驗播種行數(shù)10行，窩眼輪φ5×20，配套動力雷沃M604L-E輪式拖拉機(jī)。

圖8 田間播種Fig.8 Field planting

2019年3月，在上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院莊行基地進(jìn)行菠菜、茼蒿田間播種試驗，播種長度32 m，試驗前先整地。試驗播種行數(shù)10行，菠菜選用窩眼輪φ6.5×30，茼蒿選用窩眼輪φ5×20，配套動力雷沃M604L-E輪式拖拉機(jī)。

3.2 試驗方法

試驗前對田塊進(jìn)行精整旋耕，旋耕深度120 mm，保證土壤無明顯結(jié)塊，土壤干基含水率16.3%～18.2%。試驗采用拖拉機(jī)慢2檔前進(jìn)，在40 m長的棚內(nèi)作業(yè)，去掉兩端各4 m，取中間的32 m作為試驗區(qū)。試驗前在排種器內(nèi)更換不同種子對應(yīng)的窩眼輪，并更換對應(yīng)的主、從動鏈輪。試驗前在10個排種器中加入相同質(zhì)量的種子，每一種種子試驗完后，用電子秤分別稱量各個排種器中的種子剩余量。

3.3 試驗結(jié)果及分析

田間試驗表明，整機(jī)作業(yè)過程中取土圓盤取土效果明顯，利用土的流動性，土能夠在刮土板的作用下勻到機(jī)具中間。調(diào)整到合適高度、轉(zhuǎn)速的作畦滾筒做出的畦面是微微壓實，滿足實際生產(chǎn)及機(jī)械化收割要求。

通過試驗發(fā)現(xiàn)(表3)，機(jī)具作業(yè)后畦面寬度1 000 mm，高度120 mm。雞毛菜的每公頃播量為24 348 g，菠菜的每公頃播量為63 853 g，茼蒿的每公頃播量為20 015 g，作業(yè)后的畦面質(zhì)量及播量均滿足后續(xù)的機(jī)械化收割要求。

表3 播種試驗結(jié)果Tab.3 Results of seeding test

由表3可知，三種種子各行排量一致性都較為穩(wěn)定，其中雞毛菜、菠菜都滿足理論播量要求，生長情況如圖9、圖10所示，并且畦面在作物的整個生長過程中沒有明顯的塌陷，仍然滿足機(jī)械化收割要求。茼蒿播種時采用與雞毛菜相同的φ5×20窩眼輪，由于受種子形狀差異的影響，未及時調(diào)整好毛刷的位置，導(dǎo)致茼蒿播量略低于理論播量，但從生長情況來看，仍然滿足機(jī)械化收割的要求，如圖11所示。

圖9 雞毛菜生長情況Fig.9 Growth situation of green vegetable

圖10 菠菜生長情況Fig.10 Growth situation of spinach

圖11 茼蒿生長及收割情況Fig.11 Growth situation of crowndaisy chrysanthemum

為適應(yīng)上海機(jī)械化收割要求，應(yīng)適當(dāng)提高播量以增加播種密度；同時為了在播種不同種子時提高鏈輪的通用性，省去更換鏈輪的時間，因此將雞毛菜用的主、從動鏈輪也更換為18∶20，更換后每公頃播量變?yōu)?2 864 g，滿足雞毛菜播量要求。

田間播種試驗表明，研制的精整作畦聯(lián)合播種機(jī)具有勞動強(qiáng)度低、作業(yè)效率高、播種參數(shù)調(diào)整方便等特點。以拖拉機(jī)慢2檔為例，完成一個長40 m的標(biāo)準(zhǔn)GP-832Z單棚作業(yè)時間約為15 min，即作業(yè)效率約為0.13 hm2/h，而人工作畦效率為0.017 hm2/h，人工播種效率為0.083 hm2/h，整機(jī)作業(yè)效率是人工作業(yè)的9.2倍。對比傳統(tǒng)的先作畦后播種的機(jī)械作業(yè)方式，同樣以拖拉機(jī)慢2檔的速度作業(yè)，不考慮機(jī)具的掛接及轉(zhuǎn)場時間，整機(jī)作業(yè)效率是傳統(tǒng)方式的2倍。

4 結(jié)論

1)本文介紹的蔬菜精整作畦聯(lián)合播種機(jī)，設(shè)計作畦滾筒直徑160 mm，作畦滾筒高度調(diào)節(jié)范圍為60 mm，設(shè)計鎮(zhèn)壓滾筒高度自動調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)范圍為69.5 mm，即鎮(zhèn)壓滾筒始終接觸畦面，保證播種的穩(wěn)定性；設(shè)計雞毛菜、茼蒿用窩眼輪φ5×20，菠菜用窩眼輪φ6.5×30，設(shè)計主、從動鏈輪齒數(shù)為18∶20，在保證不同種子播量的基礎(chǔ)上，省去更換鏈輪的時間，提高了零部件的通用性。

2)通過田間播種試驗發(fā)現(xiàn)，機(jī)具作業(yè)后畦面寬度1 000 mm，高度120 mm。主、從動鏈輪齒數(shù)在18∶20時，雞毛菜的播量為32 864 g/hm2，菠菜的播量為63 853 g/hm2，茼蒿的播量為20 015 g/hm2，作業(yè)后的畦面質(zhì)量及播量均滿足后續(xù)的機(jī)械化收割要求。以拖拉機(jī)慢2檔為例，作業(yè)效率約為0.13 hm2/h，是人工作業(yè)的9.2倍，是傳統(tǒng)先作畦后播種作業(yè)方式的2倍。

3)該機(jī)具在滿足實際生產(chǎn)作畦、播種要求的同時也存在一些弊端，比如圓盤取土和作畦滾筒功能的實現(xiàn)對旋耕質(zhì)量和土質(zhì)要求較高；窩眼輪孔徑較小，長時間作業(yè)后容易被雜質(zhì)、灰塵等堵塞，堵塞后影響充種，導(dǎo)致漏播。后續(xù)將進(jìn)一步優(yōu)化整機(jī)配置，完善作業(yè)前的整地、篩種等準(zhǔn)備工作，同時加強(qiáng)農(nóng)機(jī)農(nóng)藝溝通融合，培育適合機(jī)械化作業(yè)的蔬菜品種，為上海蔬菜生產(chǎn)全程機(jī)械化提供適宜的農(nóng)機(jī)裝備。