吴彦强，宫增民，常广民，朱月浩

（1.271018 山东省 泰安市 山东农业大学 机械与电子工程学院；2.252500 山东省 聊城市 山东双力现代农业装备有限公司；3.250013 山东省 济南市 山东省农业机械技术推广站）

0 引言

甘薯，又名甜薯、地瓜、红薯等，属旋花科甘薯属，是一年生或多年生蔓生草本。我国是世界上最大的甘薯生产国，常年种植面积5 000 khm2左右，种植面积和产量均位于世界首位[1-4]。甘薯在我国分布广泛，按照行政区划、栽培面积、气候条件及种植习惯等一般划分为北方春夏薯区、长江中下游流域夏薯区和南方薯区等三大产区，主要种植省份有四川、重庆、河南、广东、贵州、广西、山东和福建等省（市、自治区）[3]，按照用途分为鲜食型甘薯、淀粉型甘薯、紫薯型甘薯等三大类，目前我国以鲜食型和淀粉型为主[4]。

甘薯种植包括育苗、耕整地、移栽、田间管理、收获等五大生产环节，其中移栽和收获是当前用工量和作业成本最大的环节，迫切需要实现机械化[5-6]。甘薯移栽质量对后期收获具有重要影响，因甘薯裸苗机械分苗困难[7]，现阶段国内外甘薯移栽以人工手动分苗的半自动移栽为主，如美国玛驰尼克公司半自动链夹式甘薯裸苗栽植机、意大利Checchi &Magli 公司的FoxDrive 甘薯移栽机、日本井关自走带夹式栽植机、南通富来威公司2ZL-2 移栽机、乐陵春益2ZL-1 移栽机、青州火绒机械2ZJX-1 移栽机等。

现有机具主要有两个方面问题：一方面，现有移栽机大多是单一的栽植作业，工作前需耕整地、起垄机具进地作业，移栽机进地后造成垄面破坏，移栽质量变差；另一方面，甘薯种植要求表土处于湿润状态，有利于提高成活率，现有机具缺少浇水部件。为解决以上问题，部分学者开展了研究，胡良龙[8]等研制了2ZGF-2 型甘薯复式栽植机，实现了旋耕、起垄、破压茬、栽插、修垄等种植作业一次完成，但没有浇水部件；刘京蕊[9]等对2CGF-2 型甘薯移栽机加装了滴灌带但无法实现复式作业；其他学者从栽植或浇水环节进行了研究[10-13]。为同时解决以上两个问题，本文研制了一款集精细化旋耕整地、起垄、移栽及浇水等功能为一体的甘薯裸苗复式移栽机，以其为实现甘薯机械化种植提供参考。

1 基本结构及工作原理

1.1 基本结构

2ZLF-2 甘薯裸苗复式移栽机包括旋耕机、机架、切碎盘、液压驱动筑垄装置、压垄辊、座椅、链夹式柔性栽植装置、智能浇水装置、覆土器、驱动轮等。旋耕机采用市场上通用的刚性好、强度高的精细化旋耕机，旋耕后土壤细碎，便于接下来的筑垄。整机结构简图如图1 所示。

图1 2ZLF-2 甘薯裸苗复式移栽机结构简图Fig.1 Type 2ZLF-2 structure diagram of duplex sweet potato transplanter

1.2 工作原理

该机工作原理为：移栽机与配套旋耕机连接，整机由拖拉机牵引。工作时，旋耕机进行精细化整地，随后液压筑垄装置起垄，压垄辊压垄保证起垄质量，人工将秧苗放置到张开的秧夹上，使用链条夹式栽插器，随秧夹运动将秧苗夹持，秧苗到达苗沟时，链夹被打开，秧苗落入苗沟，随后被镇压轮覆土压实，同时进行智能浇水装置浇水，完成栽植过程。

1.3 栽植模式选择

考虑甘薯的全程机械化作业及与大马力拖拉机进行配套作业，选择大垄双行移栽，整机由双力804 拖拉机牵引作业，方便后期机械化管理和收获作业，并且该类垄型能够很好地满足甘薯的株距、行距等农艺要求。

1.4 主要技术指标

主要技术指标见表1。

表1 主要技术指标Tab.1 Main technical indexes

2 关键部件设计

2.1 旋耕机选型

甘薯高产要求选择土质疏松、耕层深厚、保墒蓄水好、肥力适度的沙壤土。起垄前需要进行耕整地，破碎土块，起垄时可减少阻力，提高垄型的紧实度。按照整地要求，耕深为25～30 cm，一般秋冬耕翻深度以25 cm 为宜，春耕不能太深，要及早浅耕，随耕随耙，保住底墒。鉴于此，选择大华宝来1GQN 系列旋耕机进行适当改制，工作幅宽100～160 cm。

2.2 高稳定性机架设计

机架不但与旋耕机挂接，还须承担培土开沟阻力，而且田间地头机身升降频繁，造成起垄机的机架长时间承受较大拉力和动态力。为此，根据机器重量及布局设计高稳定性框架结构机架，增加工作时的稳定性和可靠性。机架结构如图2 所示。

图2 机架结构示意图Fig.2 Schematic diagram of frame

2.3 起垄装置设计

甘薯起垄可有效改善土壤环境、合理利用水分与光照，垄体三面受光，昼夜温差大，有利于有机物的积累、块根形成和膨大。甘薯起垄要求为：垄距70～90 cm，垄高25～30 cm，垄面平细沉实，垄沟深窄。垄侧坡度角以45°为宜，有利于保肥、保墒和保持垄型的稳定性，有利于甘薯生长。本文采用联合起垄装置，如图3 所示，一次完成抛土、拢土、成型、修垄、除杂、镇压等作业。该装置主要由压垄辊、碎土盘、壳体、传动轴、防护罩、培土器、液压马达、链条防护罩及刮板组成。

图3 液压驱动筑垄装置结构示意图Fig.3 Schematic diagram of hydraulic driven ridge building device

液压马达动力由拖拉机自带的液压泵提供，液压油由液压泵排出后通过移栽机上分配阀，分配后进入液压马达，有了动力的液压马达带动输入链轮，经过联轴器带动3 组筑垄单元组合。分配阀的作用是液压马达工作中不妨碍拖拉机提升器升降移栽机。3 组培土器是3 个独立上下活动的单体，通过调整螺杆的高度，分别可以调整它的入土深度，从而调整开沟深度，完成抛土和拢土。培土器每组筑垄组件有2 组，每组6 把左右相反的大叶片螺旋曲面刀组成，土壤在快速旋转的刀片冲击下抛向两边，较大的土块被打碎。通过更换不同的大叶片螺旋曲面刀，还可以得到宽度不同的垄型。这种静液压驱动的覆土筑垄方式既起到开沟覆土的作用，还能达到整理土壤的效果，同时解决了拖拉机PTO 只能配套旋耕机，或只能通过增加二级传动才能提供给旋刀的问题。培土器刀轴结构采用大叶片螺旋曲面刀，能解决起垄作业时阻力大、负荷重、对土壤破碎不均匀的问题。刀片转速至600～800 r/min，可完成抛土、垅土作业。培土器结构如图4 所示。

图4 培土器结构示意图Fig.4 Schematic diagram of hiller

2.4 柔性链夹式栽植装置设计

栽植装置是移栽机的核心部件，其作业性能的好坏将直接决定移栽质量。项目采用柔性链夹式移栽装置[14]，该装置可通过调整工作部件实现甘薯苗直栽和斜栽，具有喂苗、送苗稳定可靠，栽植后秧苗的直立度较好，株距准确的优点，而且柔性夹持对裸苗损伤小。柔性链夹式移栽装置如图5 所示。

图5 柔性链夹式栽植装置结构示意图Fig.5 Schematic diagram of flexible chain clip planting device

2.5 浇水装置设计

栽插时浇水量每穴一般在250 ml，水流在电动泵的吸引力作用下经水箱、电动泵、压力开关、电磁阀进入移栽单元部件上的下水管，落入栽植后的甘薯苗周围土壤上。压力开关的作用是控制水路系统里保持一定的压力，通过调节系统压力，节流保压，保证水流能够在苗夹触碰行程开关开启电磁阀时顺利地精准供水。浇水装置连接如图6 所示。

图6 浇水装置示意图Fig.6 Schematic diagram of watering device

3 试验

根据《JB/T 10291-2013 旱地栽植机械》等行业标准进行试验。试验地点选择在冠县贾镇茉莉营村，试验地地表平整。栽植品种普薯32，苗龄30 d，苗冠3-5 叶，前茬作物为小麦秸秆还田。试验现场情况如图7 所示。试验结果见表2，结果显示符合相关行业标准要求。

图7 试验现场Fig.7 Machine test

表2 田间试验结果Tab.2 Field experimental results

4 结论

2ZLF-2 甘薯裸苗复式移栽机集精细化旋耕整地、起垄、移栽、浇水及施肥等功能为一体，操作简单，作业效率高，而且栽植后秧苗的直立度较好，深度合格，株距准确。

田间试验结果表明，该机栽植频率为每行每人40 株，漏栽率1.51%，栽植深度合格率93.1%，栽植株距合格率92.4%，均符合国家标准要求。

设计的静液压驱动旋刀培土筑垄技术与装置，可按照不同作物移栽要求，筑培不同垄高；通过静液压驱动下旋刀将过大的土块打碎，起到整理土壤的作用。通过更换不同造型的旋刀和控制旋刀转速可以获得不同的垄型。研究的浇水装置，通过在水路系统设置压力控制装置，使系统在可调压力与机械触发装置结合下获得可调的灌水量、精准的灌水位置。