辣椒起垄覆膜机的设计与试验研究

王 维,贺功民,王亚妮,王 佩,罗鹏胜

(1.陕西省农业机械研究所, 陕西 咸阳 712000;2.靖边县丰硕机械制造有限公司, 陕西 榆林 718500)

0 引言

辣椒原产于南美洲热带地区,明末传入我国,其用途广泛,不仅可以鲜食,同时还是重要的天然色素、制药原料和其它工业原料。辣椒深受人民喜食,传统工艺有辣椒粉、辣椒油、辣椒酱等,食用辣椒具有增加食欲、保持人体生理机能、增强人体抗体等功能[1]。

我国辣椒栽培方式多样、种植面积广泛,栽培方式包括日光温室、塑料大棚、小拱棚、田间套作、地膜覆盖等,陕西、山西、四川、河南、河北、贵州、湖南等省都是著名的辣椒种植带[2]。我国辣椒种植面积约为133万hm2,仅次于印度[3],年产量占世界总产量的50%以上,位居世界第一。年产干辣椒约25万t,年产鲜辣椒约2 700万t,日本、韩国、墨西哥是我国辣椒的主要进口国[4]。我国干辣椒出口量占世界干辣椒出口量的20%左右,其中陕西省的线辣椒是我国的主要出口产品。

为了保证线辣椒的常年供应,近几年陕西省的辣椒种植方式由原来的露天种植转变为地膜覆盖。传统的地膜覆盖需进行旋耕整地、人工起垄、施底肥、杀虫卵、杀菌、人工覆膜、中耕浇水施肥及病虫害防治等作业[5-6]。目前,除旋耕整地可以机械化作业外,其余均需人工多次反复作业,导致辣椒种植生产效率低、人工作业强度大、作业质量低,而引进的玉米、马铃薯起垄覆膜机不能与辣椒种植农艺相融合。针对以上问题,陕西省农业机械研究所组织科研人员进行技术攻关,设计了集起垄、施肥、铺滴灌带、喷药、覆膜覆土于一体的联合作业机,可实现两垄四行作业,且垄距可调。

1 辣椒农艺要求及覆膜特点

1.1 农艺要求

辣椒平畦培土、沟栽等不利于根系生长扩展,容易伤根,一般采用起垄定植。垄形一般采用仿梯形(见图1),根据土地肥力可分为:肥力较高时,垄宽90cm,一垄双行,宽行距57cm,窄行距33cm;肥力中等时,垄宽85cm,一垄两行,宽行距52cm,窄行距33cm;垄高25～30cm[7]。

辣椒垄形结构如图1所示。其中,H为垄高;D为行距;K为垄底宽 ;F为垄宽。

图1 辣椒垄形结构Fig.1 Ridge structure of pepper

1.2 覆膜特点

根据农艺要求,辣椒覆膜膜厚为0.008mm;根据垄宽、垄高不同,膜宽为900～1 100mm。机械化起垄覆膜要垄形规范,膜的采光宽度、展平度,膜边覆土宽度和厚度、地膜纵向拉伸率、采光面机械损伤破损程度均要符合要求。

2 整机方案设计

2.1 总体结构设计

辣椒起垄覆膜机[8]主要包括悬挂装置、施肥机构、开沟机构、铺滴灌带装置、喷药机构、覆膜机构及覆土机构等,如图2所示。

1.开沟机构 2.起垄装置 3.机架 4.悬挂装置 5.施肥机构 6.铺滴灌带机构 7.喷药机构 8.覆膜机构 9.覆土机构

2.2 结构原理

本机与轮式拖拉机通过悬挂装置连接,机具由拖拉机牵引前行,起垄装置通过左右两侧起垄板将旋耕整平后的土壤起垄,上盖板将多余的土壤刮掉定型。施肥机构通过七字直流减速电机带动排肥轴的旋转,排肥轴的排肥口处安装有外排肥槽,外排肥槽将肥料箱中的肥料强制排入下肥管;直流电机调速器控制七字直流调速电机的转速调节下肥速度,下肥口调节开关通过调节外槽排肥宽度控制下肥量,双重调节增加了肥料调节量的范围,肥料经过排肥管落入开沟机构开好的沟槽中。滴灌带放置在滴灌带架上,穿过滴灌带导向机构,保证滴灌带平整不扭曲。喷药机构药箱的药液通过喷雾泵增压流入三通变径阀门开关,一路经软管流入下一阀门,一路经扇形喷雾嘴喷出,喷出角度为120°～160°,确保药液覆盖整个垄面。覆膜机构包括展膜轮和展膜架,通过覆土盘将地膜两侧的土覆盖于膜边。本机所有的机构或装置均通过U型卡和螺栓与机架连接,方便调节种植行距。

2.3 主要技术参数

主要技术参数如表1所示

表1 主要技术参数性能指标

3 关键部件的设计

3.1 施肥装置

3.1.1 施肥装置的结构设计

根据农艺要求,辣椒在定植前15天开始整地起垄,每667m2撒施5 000～7 500kg优质腐熟有机肥[9],沟施50kg～60kg复合肥。结合辣椒施肥原理[10-11],本机(见图3)采用直流电机调速与手动控制外排肥槽宽度相结合的方法,分别控制下肥速度和排肥口的下肥量,用户可根据地块实际情况调节施肥量[12-13];同时,外排肥槽通过直流电机强制排肥,肥箱内设有螺旋搅拌器对肥料进行破拱,有效防止了漏施现象。

1.螺栓 2.七字直流减速电机 3.肥料箱支架 4.直流电机减速器 5.肥料箱 6.外排肥槽 7.排肥转轴 8.外排肥槽宽度调节手柄 9.下肥管

3.1.2 最大施肥量的设计

根据农艺要求每公顷施肥量不能大于900kg,结合标准NY/T1003-2006《施肥机械质量评价技术规范》,推导出最大排肥量公式,即

式中Qmax—最大排肥量(kg/hm2);

qmax—排肥轴最大转速时的排肥量(kg/s);

M—试验机具的行数;

a—平均行距(m);

vmin—机具最大前进速度(m/s)。

根据公式计算得出最大施肥量为774kg/hm2,实测结果最大排肥量为784kg/hm2,符合农艺要求。

3.2 起垄装置

起垄装置主要由两侧呈对称分布的侧板和上盖板组成,如图4所示。起垄装置作业时,起垄两侧板需将旋耕整平后的土壤从垄沟推到垄面,再由上盖板将多余的土壤刮平[14]。

3.2.1 起垄侧板

为保证垄床截面呈等腰梯形且垄宽可调,起垄侧板由固定侧板和活动侧板组成,通过合页连接,固定侧板起推土作用,活动侧板起定型作用。起垄侧板的主要参数[15]包括固定侧板倾角γ、活动侧板倾角δ(见图4)和起垄侧板高度h(见图5)。

固定侧板倾角γ和活动侧板倾角δ的确定:根据试验区辣椒种植农艺的要求,计算出横截面等腰梯形的底角约为37°左右,试验区土壤性质为沙壤土,考虑到土壤自然滑落因素,实际的起垄侧板倾角均应大于理论值。根据田间反复试验测定,固定侧板倾角γ约为67°,活动侧板倾角δ约为56°。

图4 起垄装置俯视图

起垄侧板高度h主要由固定垄床高度H决定。根据辣椒种植农艺要求,H的取值范围为25～30cm,h应该满足H<30

图5 起垄装置主视图

3.2.2 上盖板

起垄作业时,上盖板(见图6)可将垄顶部多余的土壤刮掉,同时配合起垄侧板可以使整个垄形固定[17]。上盖板主要由固定盖板和活动盖板两部分组成,固定盖板与固定侧板焊接在一起,同时与机架通过螺栓连接;活动盖板与固定盖板通过合页连接,与活动侧板通过螺栓连接,活动侧板和活动盖板可以对垄宽进行微调。上盖板的宽度主要取决于垄底宽度,约为70cm。

3.3 覆膜覆土机构

3.3.1 覆膜覆土机构的结构原理

覆膜覆土机构主要由机架、展膜轮、压膜轮及覆土盘组成,如图7所示。覆土前,首先要将地膜和滴灌带拉出至压膜轮的后方用土压紧压平;打开喷药阀门,随着拖拉机的前行,展膜轮绕其轴心旋转自动将地膜展开,压膜轮将地膜与整个垄面贴合,覆土盘将地膜两侧的土覆盖于膜边。滴灌带导向机构、喷药机构及覆膜机构均与机架通过U型卡和螺栓连接,配合垄距调节。

1.固定侧板 2.固定盖板 3.合页 4.活动盖板 5.调节螺栓 6.活动侧板

1.滴灌带 2.滴灌带导向机构 3.机架 4.喷药机构 5.压膜轮 6.覆土盘 7.展膜轮

3.3.2 覆土机构的结构设计

图8 覆土盘的角度

图8中,α为偏角,即覆土盘面与前进方向线所成的角;ω为锥底角,即覆土盘面与磨刃面所成的角;i为刃角,即过A点的球面的切线与刃角线所成的角;ε为隙角,即刃面线与前进方向所成之角;φ为圆盘球心角的1/2 。

根据图8,可得

(1)

φ=ω-i

(2)

ωa=α-εa

(3)

(4)

将式(1)～式(3)代入式(4)得

可以看出:圆盘曲率半径R是D、a、α、εa、i诸因素的函数[19]。 本机参照一般圆盘参数取值,入土深度不超过20cm,结合农艺要求取a=13cm;偏角α取值范围为15°～20°,取α=20°;刃角i=15°;隙角εa=0°。计算得出R=149.2cm,取R为150cm。

4 田间性能试验

4.1 田间性能试验条件及结果

试验地点选在陕西省榆林市靖边县秋季辣椒种植基地,试验田为机耕整平,土壤性质为沙壤土。试验采用可回收聚氯乙烯薄膜,厚度0.008mm,种植品种为牛角王。根据陕北秋季辣椒种植的农艺要求,调节垄宽90cm,垄高25cm,一垄双行,宽行距57cm。试验田的含水率14.6%,土壤坚实度140kPa。试验结果如表2～表4所示。

表2 起垄田间试验结果

表3 施肥田间试验结果

表4 覆膜覆土田间试验结果

试验结果表明:辣椒起垄覆膜机的垄宽、垄高符合农艺要求,施肥和覆膜符合性能符合JB/T7732-2006《铺膜播种机》的要求。

4.2 人工作业与机械作业对比

机械化辣椒起垄覆膜机与人工作业相比,提高了作业效率,减少了中期水肥管理的次数,增加了辣椒的单位产量,降低了劳动强度,实现了农民致富增收,如表5所示。

表5 辣椒种植人工作业和机械作业对比

5 结论

1)根据农机标准并结合农艺要求,对辣椒起垄覆膜机的关键部件进行了结构设计,研制了集起垄、开沟、施肥、铺滴灌带、喷药及覆膜覆土等多功能的一体机。田间性能试验结果表明,该机的起垄、施肥、覆膜覆土均满足辣椒种植的农艺要求。

2)将人工起垄铺膜、机械起垄铺膜及不起垄铺膜的产量和成本进行核算,从经济效益来看,机械作业相对于人工作业经济效益提高了26.8%,机械作业相对于人工不起垄铺膜作业经济效益提高了84.2%,实现了农民致富增收。