一种根茎类作物栽植设备

姜彩宇　刘文亮　刘枫　肖戟　胡浩　王新阳　张亮

摘 要：近些年，我国根茎类作物（根茎类果品蔬菜、根茎类中药材）产业发展迅速，果品蔬菜是人们日常生活中必不可缺的副食品，伴随着社会的持续发展，人们的生活水平也在稳步提高，对饮食有了更高质、绿色的要求。中国是世界上根茎类中药材——人参生产大国，产量约占世界总产量的70%，中国人参产业势能巨大。移栽是根茎类作物种植过程中的重要环节，该环节季节性强，作业周期短。传统人工移栽作业效率低，费工费时，劳动强度大，用工成本高，且人工移栽很难保证作业质量，影响出苗率，出现出苗质量不一致的问题，因此机械化移栽是必然趋势。由于根茎类作物移栽的特殊农艺要求，国产的各种移栽机都不适合该类作物的移栽。为了实现根茎类作物种植机械化的移栽，分析了国内外各种移栽机的结构特点，设计了一种根茎类作物畦床自动行走移栽设备，并且以根茎类中药材人参进行了移栽机试验测试，了解了机器的性能与技术特点，为根茎类作物移栽设备的理论研究与优化设计提供了参考依据，也为该类移栽机大面积推广应用提供了良好的宣传素材。

关键词：根茎类作物；移栽设备；性能；测试

中图分类号：S225 文献标识码：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2018.08.001

作者简介：姜彩宇（1987-），男，吉林长春人，助理研究员，主要从事中药材、果蔬类种植设备的研究，E-mail：jcy225@163.com。

0 引言

随着我国工业化和农业现代化建设进程的加快，农业机械化进入一个快速成长期。然而，目前作为我国经济作物和外汇收入重要来源的甘蔗、苋菜、马铃薯、大蒜、萝卜、油菜、山药、芦笋、洋葱、人参、三七等根茎类作物的生产机械化作业发展整体水平严重滞后，现有机械化生产技术尚不成熟、生产效率低、可靠性差，成为产业成长的主要瓶颈。人工移栽劳动强度大，生产效率低，根茎类作物移栽后的株距不能得到有效保证，易造成局部过密或者稀疏，对后期根茎类作物的成长及质量产生影响，因此不适合规模种植。采用畦床移栽设备进行根茎类作物移栽，一次能够完成一系列的移栽工序，移栽株距及深度都有机械进行严格控制，既提高了种植效率，又降低了成本，移栽后的作物产量能够提高20%～30%。本文既阐述了根茎类作物畦床移栽机的机构及工作原理，又进行了畦床移栽设备的试验测试，根据得出的试验结果总结分析根茎类作物畦床移栽设备技术特点，通过性能试验测试为产品改进、定型、鉴定、技术特点分析提供了科学依据。

1 根茎类作物畦床移栽机的结构及工作原理

1.1 根茎类作物畦床移栽机的结构

半自动移栽机虽需要人工辅助放苗操作，但其移栽适应性好、结构简单、维护维修方便、价格较低，对操作人员的技术水平无特殊要求，半自动根茎类作物移栽机是我国移栽机械的发展趋势。为了满足根茎类作物的栽植农艺要求，实现机械化挖坑兼培土，并与人工摆苗相结合，进行根茎类作物移栽，克服现有的根茎类作物移栽存在的劳动强度大、移栽效率低，根茎类作物秧苗之间栽深、株距、倾斜角度不一致的不足。设计了如下结构的畦床移栽设备。

該畦床移栽设备主要包括移栽机机架、前后行走机构、挖坑机构、汽油机及传动机构、工作程序控制机构，结构简图如图1所示，实物图如图2所示。

挖坑机构包括闭合环的条形角度挖掘铲、挖掘铲动力链条、链轮、链轮轴、内支架。挖坑机构后端为铰接端，前端为铲土端。两端对齐、平行排列成闭合环的条形挖土铲（板），位于挖土铲两端、装配在各个角度挖掘铲的两根平行设置并各自闭合的挖土铲动力链条上，分别支撑两根挖土动力链条的两组链轮，在闭合环角度挖掘铲内部安装了具有加强角度挖掘铲强度功能的内支架，手扶挖坑操纵杆安装在内支架上，挖坑机构的前端作为下沉时的铲土端，兼作铰轴的链轮轴为挖坑器的主动链轮轴，在机架上固定挖坑操纵杆按压挖坑深度的限定构件，在机架或固定在机架上的支撑部件与挖坑操纵杆或挖坑器其他部件之间连接挖掘机构前端上扬复位弹簧。

动力及传动机构包括：安装在机架上的汽油机、汽油机经皮带驱动的大皮带轮、安装在工作程序控制机构机架上的大皮带轮轴、安装在机架上通过行走传动电磁离合器、减速器与大皮带轮轴相衔接的行走传动轴。减速器轴与大皮带轮轴通过联轴器连接，挖坑传动电磁离合器轴与大皮带轮轴通过联轴器连接，安装在机架上、通过挖坑传动电磁离合器与挖坑传动电磁离合器轴相衔接的挖坑传动轴，减速器与前行走轮之间的链条传动机构，挖坑传动轴与挖坑机构链轮轴之间的链条传动机构，前行走机构行走轮与后行走机构行走轮之间的链条传动机构。

工作程序控制机构包括：行走传动电磁离合器、挖坑传动电磁离合器，安装在机架的微动开关，安装在减速器输出轴上的凸轮，安装在工作程序控制机构机架上受凸轮触及控制的行程开关，安装在机架上的发动机，连接发动机与电磁离合器、微动开关及行程开关电源线，微动开关与挖坑传动电磁离合器及行走传动电磁离合器之间的信号导线，行程开关与行走电磁离合器之间的信号导线。

1.2 畦床移栽机的工作原理

首先启动汽油发动机，汽油发动机即驱动工作程序控制机构支架上的大皮带轮轴，汽油发动机自带发电功能开始工作，电控构件电源导通，进入工作准备，此时行走传动电磁离合器和挖坑传动电磁离合器均在脱开状态。畦床移栽机既不运转，也不挖坑。然后通过人力按压挖坑机构手动操纵杆，此时触发手动操纵杆上的微动开关，控制挖坑传动电磁离合器吸合，挖坑器启动，朝向土壤一侧挖土动力链条向后抽动，带动挖掘铲连续挖土并输向挖坑器的后端，手动操纵杆推压到止点，挖掘铲停止进深，完成一个带角度的长条形移栽坑（如图3）。

再次抬起手动操纵杆，手动操纵杆在复位弹簧的作用下复位，此时手动操纵杆再次触发微动开关信号，并且控制挖坑传动电磁离合器的吸合信号断开，挖掘铲停止运转。控制行走传动电磁离合器吸合，根茎类作物移栽设备开始行走，减速器输出轴上的行程控制凸轮旋转，凸轮旋转半周，当凸轮上的凸轮柱与行程开关接触，此时控制行走传动电磁离合器断开，挖坑机行走设定的一个株距（可调），移栽机停止行走，挖出的苗坑从挖坑器后端全部露出，人工将根茎类作物苗筐中的苗移入苗坑中（一般横向排列农艺要求的株数）。最后按压手动操纵杆，启动挖掘铲再次挖土。挖苗坑铲出的土刚好培入到先移入根茎类作物苗的相邻苗坑，覆盖已移入苗坑的苗，完成一次栽苗、培土过程。在挖坑机再次行走时，履带式后行走轮抚平苗坑中的培土。重复上述步骤，持续进行根茎类作物苗移栽耕作。

2 试验实施

2.1 根茎类作物畦床移栽机的概况及相关参数指标

新产品研制过程中必须进行相关作业性能试验，通过试验结果检测相关性能指标数据是否符合相关标准，是否实现设计功能，是否合格。如移栽机的作业效率、移栽倾角、移栽成活率、根茎类作物苗伤苗率等指标，本次试验以根茎类作物中药材人参进行试验（见表1）。

2.2 试验测试

试验是否成功及指标实现情况，不仅与机器本身相关，而且与测试的方案有关。试验条件与试验方法是否符合有关要求也会给试验带来一些偏差。

2.2.1 试验测试过程

（1）首先选好试验地块，修整试验畦床（如图4）。试验地块的土质应选择有机质含量超过3%的腐殖性土。试验用地应选择水源充足、运输方便、方便管理的地块。试验畦床高30 cm，床宽1.5 m（如图5）。

（2）试验用参苗应选择生长2年左右的参苗为最宜，试验前应检查参苗是否完好无破损，并准确记录试验参苗总数。

（3）试验时间，应选择在秋天至上冻前进行。而且应该根据各地区不同的气候条件，灵活掌握，因为气温过高，种栽容易萌动，易患病，如突遇大幅降温，容易造成冻伤，影响试验结果。

（4）试验样机调试，达到最佳工作状态。

（5）试验样机根据管理员指令，驶入测区，试验人员计量，驶离测区，试验人员停止工作。

（6）试验人员应在试验样机工作中仔细观察各传动机构及相关工作部件是否运行合理及顺畅，移栽过程中试验人员使用是否方便等（如图6）。

（7）移栽效率：用單位时间内的移栽面积来计算根茎类畦床移栽机的工作效率。

（8）合格的株距定义为

2.2.3 总结

（1）通过根茎类作物人参进行的移栽机试验测试，发现移栽样机重量较重，运输较难，需要继续改进。

（2）从根茎类作物移栽机的试验测试，试验结果分析得出了移栽机的技术性能特点：

①技术先进，移栽规范，由于采用人工持苗、摆苗相结合的半机械化移栽方式，漏苗率及伤苗率低，移栽成活率高。全新结构的角度挖掘机构，不仅能快速铲出土壤防止杂物缠绕、保持移栽坑深度和宽度的一致，而且还能自动覆土，可以弥补人工移栽过程中的深浅不一、生产效率低、劳动强度大等缺点。移栽机采用了行程凸轮和行程开关控制移栽机的等距离株距，控制精准，保证了株距的准确，确保根茎类作物苗移栽后的苗全、苗壮。该产品不仅提高了移栽后的质量而且提高了产量。

②适用性强，结构新颖。履带行走传动装置、行程凸轮和行程开关控制栽苗株距，全新结构的角度挖掘机构保持移栽坑深度和宽度保持一致，而且还能自动覆土，精准实现挖土—行走（固定株距）—摆放根茎类作物苗—覆土一系列动作的连续性、准确性，具有整机结构新颖、工作性能可靠、各机构配合合理、适用性强等特点，适合多种类型的根茎类作物移栽。

③工作稳定可靠，坚固耐用，使用寿命长，所用部件全部严格按国际高强度原材料生产制造而成，性能稳定。双开口行程凸轮、双联动轴、双行程开关、双保险等机构，保证了工作可靠性及稳定性。

3 结论

近年来，随着人民生活水平的逐步提高，消费热点持续变化，作为具有营养保健作用的食用与药用根茎类蔬菜

正在成为市场消费的热点，已经逐渐形成产业。根茎类作物苗移栽是种植过程的一个关键工序，根茎类作物秧苗移栽土壤挖掘、覆土的过程，此前仍全部依赖人工，是移栽过程的主要工作量，如果采用机械方式挖坑及培土与人工持苗、摆苗相结合的半机械化的移栽方式，则可以在根茎类作物苗避开机械设备损伤的情况下，大幅度提高移栽的工作效率，并使秧苗的株距、栽深、倾斜角度整齐化一，从而提高移栽质量与产量。根茎类作物畦床移栽机的试验测试为根茎类作物移栽机械的科研设计、产品生产及性能的提高改进提供了可靠依据并可供其它农业机械的科研、生产、试验、借鉴参考，为根茎类作物畦床移栽机的大面积推广使用奠定了基础。

参考文献：

[1] 姜彩宇，肖戟，杨光，等.人参移栽机关键部件设计及试验[J].农业与技术，2015（9）.

[2] 尚书旗，隋爱娜，张子华.国外钵苗栽植机的几种类型及性能分析[J].粮食加工与食品机械，1998（1）.

[3] 张国玉，杨春，高照华，等. 根茎类蔬菜有机栽培技术[J].农民科技培训，2004（8）.

[4] 肖戟，姜彩宇，杨光，等.人参苗移栽挖坑机：中国，ZL201510858933.9[P].2015-12-01.

[5] 刘文亮，刘枫，付家庆，等.人参机械化种植设备的设计研究[J].山西农业科学，2016（10）.

[6] 于平.一种根茎类蔬菜种植设备：中国，CN206442754U[D].2017-08-29.

[7] 陈永生，胡桧，肖体琼，等. 我国蔬菜生产机械化现状及发展对策[J].中国蔬菜，2014（10）.