人参种植全程机械化技术装备

罗 罡，刘文亮，刘 枫，肖 戟，付家庆，姜彩宇

（吉林省农业机械研究院，吉林 长春 130022）

0 引言

人参是吉林省最具特色的地方经济作物[1]。适宜种植区域的各级政府都将人参产业作为区域经济社会发展的重中之重优先推进，对人参相关产业大力扶持[2]。在重大利好政策和栽参技术不断提高的影响下，人参的种植面积不断扩大。随着种植规模的扩大和种植户对设备需求的增加，研制人参种植全程机械化系列设备的需求越来越迫切。我国现有人参种植设备的研究存在质量参差不齐和产业化程度较低等问题。为消除装备技术体系薄弱对人参种植产业发展的阻碍，提升我国人参种植机械化作业水平，项目组在相关项目的资助下，研制了适合我国人参种植农艺的机械化畦床步道、精量播种、移栽及收获等一系列轻简高效作业设备。

1 系列设备设计构成与结构设计

1.1 设备构成

人参种植全程机械化系列设备如表1 和图1 所示。人参多种植在茂密森林的半山腰上，系列设备以轻简高效为主。研制过程中重点突破人参种植机械化做床过程中的步道挖掘、畦床修形、畦床扶土和压实侧帮；播种过程中种子体积小、质量小、形状不规则，需催芽播种；移栽过程中幼苗娇贵、易破损，苗位需要倾斜栽植；收获过程中动力消耗大，需要减阻减损挖掘、根土高效分离等关键难点问题。设计了非直线与垂直型传动箱、多功能弯犁刀、针吸式播种机构、作业与行走间歇交替的移栽机动力输出机构、弹簧驱动柔性可调夹持机构及宽幅低损振动式输送网链结构等关键零部件。经过集成配套、优化配置，研制出了一套人参种植全程机械化系列设备，包括手扶式畦床步道机、气吸式人参精密播种机、人参苗移栽挖坑机、人参移栽机和悬挂式人参收获机。通过性能试验、跟踪考核和典型应用示范作业，与国内外同类机具的技术性能指标进行了对比分析。

图1 人参种植全程机械化系列设备Fig.1 Ginseng planting mechanization equipment

表1 人参种植全程机械化系列设备Tab.1 Ginseng planting mechanization equipment

这些设备的研制解决了我国人参大规模种植和传统手工种植方式高成本、低效率之间的矛盾，解决了“缺少适用设备”这一制约人参种植机械化和规范化模式在我国推广的技术瓶颈，对吉林省农业结构的产业调整、地方特色经济作物种植的机械化发展都有积极的促进作用，同国外同类机具相比更加适应吉林省的人参种植方式情况，在价格上也具有较大优势。

1.2 设备结构设计

1.2.1 手扶式畦床步道机

该机主要由非直线与垂直型传动箱、多功能弯犁刀和棱角式机罩组成，如图2 所示。非直线与垂直型传动箱如图3 所示，通过动力换向、变速后输出，实现了工作部件抛土轮的倾斜布置和动力传递，驱动抛土轮旋转。弯犁刀具有步道挖掘、畦床成形和畦床扶土等多种功能，采取与旋耕刀类似的刃口曲线，具有较好的滑切性能，入土、碎土能力较强，可以较容易地将土壤表面板结层切开破碎并翻起；同时，弯犁刀的头部和背部都呈弯折状态，具有较大的工作面积和特有的工作曲面，有利于将土壤抛向垄顶进行步道作业。棱角式机罩增加了耕翻过程中土壤颗粒的碰撞几率，增强碎土效果[3]。

图2 手扶式畦床步道机Fig.2 Handheld bed walkway machine

图3 非直线与垂直型传动箱Fig.3 Non linear and vertical transmission box

1.2.2 气吸式人参精密播种机

该机主要由针吸式播种机构、可调式气力控件、单轴多点凸轮导轨控制、振动式种箱及全自动驱动控制系统组成，如图4 所示。针吸式播种机构如图5 所示，既保证了不伤害催芽后的人参种子，又能保证每个吸针只吸附一粒种子，达到单粒精密播种的要求[4-6]。可调式气力控件根据种子的规格进行适当调整，适应范围更广[7-8]。单轴多点凸轮导轨控制吸排种机构往复式运动到吸种、排种位置，位置精确，性能可靠。振动式种箱使催芽后湿度很高的人参种子处于离散状态，同时消除种子盒内因吸种产生的凹坑现象，使吸种更容易[9]。全自动驱动控制系统实现机具的自主行走和自动播种。

图4 全自动人参精密播种机Fig.4 Fully automatic ginseng precision seeder

图5 针吸式播种机构Fig.5 Needle aspiration seeding mechanism

1.2.3 人参苗移栽挖坑机

该机主要由作业与行走间歇交替的移栽机动力输出机构、闭环条形角度挖坑机构、电磁离合控制技术及常用人力移动小型设备上的施力把手组成，如图6所示。作业与行走间歇交替的移栽机动力输出机构如图7 所示，实现了机械挖沟、覆土及人工持苗、摆苗结合的半机械化移栽方式，兼顾了机械作业高效、稳定及人工持苗、摆苗不会造成机械设备损伤参苗的优点，并使秧苗的行距、株距、栽深和角度整齐化一，解决了人工栽植过程中最为繁重的部分，从而提高移栽效率，降低参农的体力消耗，相对全人工移栽工作效率提高3～5 倍。闭环条形角度挖坑机构能够同时完成挖沟、覆埋工作，保证了苗穴的深度与角度、参苗株距的精准和一致性，有效解决了传统人参移栽方式质量稳定性差的问题。电磁离合技术实现了沿畦床的间歇式自主行走、挖沟和覆埋等连续作业，保证了苗穴的深度与角度、参苗株距的精准和一致性，提高了人参移栽作业质量稳定性。常用人力移动小型设备上的施力把手提供了一种便于抬、放和持握的机构，克服现有同类产品中尺寸大、容易被刮碰、造成人员挫伤现象[10-11]。

图6 人参苗移栽挖坑机Fig.6 Ginseng seedling transplanting and digging machine

图7 作业与行走间歇交替的移栽机动力输出机构Fig.7 Transplanting power output mechanism with intermittent alternation between operation and walking

1.2.4 人参移栽机

该机主要由弹簧驱动柔性可调夹持机构、光电传感自动控制和圆盘波纹刀组成，如图8 所示。弹簧驱动柔性可调夹持机构如图9 所示，保证对参苗头部足够的夹持力度，又可以防止刚性夹持损伤参苗头部，改变张开角度，适应参苗的不同规格，有效解决漏夹、伤苗及效率低的问题[12-13]。光电传感自动控制技术感知备苗斗中有无参苗，控制离合器的吸、开动作，完成机具行走和夹持机构的启、停。圆盘波纹刀开出移栽沟，动土量小保持畦床平整，减少动力损耗，防止杂物缠绕，开沟深度可调[14-15]。

图8 人参移栽机Fig.8 Ginseng transplanting machine

图9 弹簧驱动柔性可调夹持机构Fig.9 Spring driven adjustable clamping mechanism

1.2.5 悬挂式人参收获机

该机主要由宽幅大挖深低阻碍挖掘铲、低损输送网链和高频低幅振动技术组成，如图10 所示。宽幅大挖深的低阻碍挖掘铲如图11 所示，设计成铲尖+铲板的复合结构形式，工作时，铲尖先入土，对土壤进行破碎后再进行挖掘，减少了入土阻力和动力消耗[16-17]。低损输送网链为环形结构，用圆钢做销轴，销轴上安装可转动的套筒，降低人参根茎向后输送过程中的破损率[18]。高频低幅振动技术利用方形起振链轮使升运网链在升运过程中产生振动，完成碎土和根、土分离[19]。

图10 人参收获机Fig.10 Ginseng harvester

图11 宽幅大挖深低阻碍挖掘铲Fig.11 Wide and deep excavation shovel with low obstruction

2 国内外同类技术对比

种植人参较多的国家主要有中国、韩国、朝鲜、日本和俄罗斯，美国和加拿大则是西洋参的主要产地[20]。韩国的人参种植设备代表着世界先进水平，韩国的人参种植设备以专业、小型设备为主，自动化程度高。做床使用较多的是DR 企业生产的DRB 系列筑床机，播种、移栽使用最多的分别是Samsaeng Industrial CO.研制的SM03-3 型人参播种机、SM-205B 型人参移栽机，收获机使用量最多、最成熟的机具是DOOROO 公司研制的DR-1600S 型人参收获机[21]。近年来，随着自动控制、电子计算机技术的快速发展和广泛应用，韩国人参种植机械正朝着系列化、智能化的方向发展。美国、加拿大主要在平原种植西洋参，机械化程度更高，参场作业的各个环节基本上实现了机械化，播种广泛使用的是斯坦赫S870 型履带式播种机，移栽使用最多的是美国1265 型吊篮式移栽机。

相比这些国家，我国的人参专用种植机械的研究起步较晚，技术水平落后。国内现有的人参种植机械化设备中，做床使用较多的是吉林省领跑机械有限公司生产的梅河牌人参做床机；播种以扎孔点播和“大刀、舀勺”手工作业方式为主，少部分使用靖宇县大华机械厂制造的半自动播种机和张增林等设计的实用新型专利一种人参播种机（CN201520445573.5）；移栽以人工用刮板翻土开沟—摆苗—覆土作业方式为主，部分使用吉林省通化市人参种植机械生产企业研制的半机械化设备2ZR 型人参移栽机和2ZB-2 型移栽机；收获没有专用设备，以薯类挖掘机替代使用[22]。

本项目机具是在广泛调研吉林省人参种植农艺和种植特点后，结合韩国高丽参种植成熟机械设备经验开发的。这些项目机具同国外同类机具相比，更加适应吉林省的人参种植方式情况，在价格上也具有较大优势，当前国内外同类机具对比如表2 所示。

表2 国内外同类机具对比Tab.2 Domestic and foreign similar equipment comparison

3 典型示范推广情况

人参种植全程机械化系列设备先后在吉林农业大学、吉林省集安市大地参业、吉林省抚松县、吉林省汪清县、吉林省珲春市中森药业、辽宁省牛毛坞镇、辽宁省太平哨镇、辽宁省兴宾县及山东省文登市等地的人参种植基地进行示范推广，典型示范推广情况如表3 和图12 所示，用户反映机具自动化程度高、可靠性强，提高作业质量、作业效率，降低工作强度、作业成本效果明显。

图12 典型示范推广情况Fig.12 Typical demonstration promotion

表3 典型示范推广情况Tab.3 Typical demonstration promotion

人参种植全程机械化系列设备在长春农博会上进行了展出，长春日报、新文化报、中展网及吉林省电视台等多家省内媒体进行了报道。

4 结束语

（1）5 种机具已经全部完成了样机制造和性能试验，初步形成了我国自主知识产权的人参种植全程机械化系列设备，显著提高我国人参机械化种植水平，下一步着重将新材料、表面处理、热处理和制造工艺等融入到整机的制造过程中，提高机具的稳定性和可靠性。

（2）与国外发达国家相比，我国人参种植全程机械化机具仍存在一定的差距，产业化程度较低，主要是因为我国人参种植主体以家庭个体经营者为主，规模小，多种种植和管理模式，加上多变的种植地形，制约着人参种植机械化的发展速度。

（3）结合我国人参种植机械化的实际情况，应依据不同种植区域的生产条件和不同地形地况，发展适宜的机械化种植设备，加强集成作业工序和智能化操作控制系统的研究，并完善技术推广体系，加快产业化进程。