温室自走式施肥播种覆膜一体机的设计与试验

刘中正，玄冠涛，邵园园，吴彦强，王连文

(1.山东农业大学 机械与电子工程学院，山东 泰安　271018； 2.山东省园艺机械与装备重点实验室，山东 泰安　271018； 3.山东华兴机械股份有限公司，山东 博兴　256500)



温室自走式施肥播种覆膜一体机的设计与试验

刘中正1,2，玄冠涛1,2，邵园园1,2，吴彦强1,2，王连文3

(1.山东农业大学 机械与电子工程学院，山东 泰安271018； 2.山东省园艺机械与装备重点实验室，山东 泰安271018； 3.山东华兴机械股份有限公司，山东 博兴256500)

摘要：针对温室大棚内的传统机械操作不灵活、转弯幅度大、播种质量差、施肥深度及薄膜地面贴实度不均匀等问题，专门设计了温室自走式施肥播种覆膜一体机。该机主要由蓄电池、链传动机构、开沟器、施肥装置、播种装置、覆土器、镇压轮和覆膜机构等工作部件组成，具有良好的工作稳定性、操作灵活性和良好的适应性。试验表明：该机的各项性能达到了精量施肥、播种及覆膜的技术要求，保证了株距、行距、施肥播种深度、覆膜宽度，促进了农机与农艺相融合。

关键词：温室； 自走式； 施肥； 播种； 覆膜

0引言

农作物施肥、播种和覆膜作业是整个设施农业发展过程中最重要的一组环节，在温室大棚中种植不仅能使农作物大幅度增加产量，而且可使农作物避免低温冻害。目前，国内农业施肥、播种和覆膜机械主要是露天作业，温室大棚农作物施肥、播种和覆膜过程都采用人工撒肥、人工点播和人工覆膜的方式，出现施肥播种量、施肥播种深度及薄膜地面贴实度不均匀等问题。温室中，少数采用机械化施肥、播种及覆膜，虽然能够实现施肥、播种及覆膜作业，但只能保证行距，施肥播种精度低及覆膜效果差，无法实现现代设施农业精量施肥、播种及覆膜技术要求，即无法实现施肥量、播种固定数量、株距、行距、施肥播种深度及覆膜宽度等的农艺要求[1-5]。现在温室大棚的设备不具有一次性开沟、施肥、播种、覆土、镇压及覆膜等多项作业功能，增加了作业次数，破坏播种效果；工作时操作不灵活、转弯幅度大及工作不稳定，加之温室空气不畅通，造成了温室环境的污染等问题，不利于温室大棚农作物的生长。

国外温室大棚农作物施肥播种及覆膜机械的研究与发展起步比较早，技术比较成熟，施肥播种精度高、覆膜效果好、整体的配套性较好；但由于机器昂贵、维修困难，不适合在我国大面积推广使用[6-8]。为此，专门设计研制出了温室自走式施肥播种覆膜一体机。该机在温室大棚作业时，转弯幅度小、操作灵活、工作运行平稳，且不会产生有害气体，可实现一次作业完成开沟、施肥、播种、覆土、镇压及覆膜等多项作业，提高了工作效率、降低了劳动强度；同时，保证了施肥量、播种固定数量、株距、行距、施肥播种深度及覆膜宽度技术要求。

1整机设计

1.1　机械整体结构

温室自走式施肥播种覆膜一体机，主要由机架、蓄电池、可巡航定速器、行走轮、链传动机构、施肥装置、播种装置、覆土器、镇压轮和覆膜机构等工作部件组成，如图1所示。该机施肥播种行数为2行，选用的自动排肥器和自动排种器是窝眼式排种器，播种效果好。该机在工作时，可实现一次作业完成开沟、施肥、播种、覆土、镇压及覆膜等多项作业，减少了作业次数；操作简单灵活，转弯幅度小，施肥、覆膜宽度可控可调，满足种植农艺要求。

1.2　工作原理

作业时，由可巡航定速器设定好前进速度，蓄电池提供动力，带动行走轮转动前进；开沟器破土开沟，行走轮转动通过链传动机构带动施肥装置中的自动排肥器和播种装置中的自动排种器转动，将肥料和种子落进肥沟和种沟当中，完成排肥排种；后面的覆土器对入沟的肥料和种子进行覆盖，镇压轮对覆盖后的肥料和种子进行松土镇压，覆膜机构对镇压后的肥料和种子进行覆膜，全部作业完成。

1.机架　2.开沟器　3.覆土器

1.3　主要技术参数指标

温室自走式施肥播种覆膜一体机按照设施农业在温室大棚农作物种植的农艺要求，确定了该机的主要性能指标，如表1所示。

表1　主要的性能指标

续表1

2主要工作机构的选用和设计

2.1　开沟器的选用

该机采用芯铧式开沟器，如图2所示。其优点：①入土性能好，作业稳定。工作时，先由芯铧入土开沟,两个侧板将土壤挡在两边,肥料和种子由排肥管和排种管落于沟底,然后土壤由侧板后部落回沟内盖种。②芯铧式开沟器开沟宽度可达18cm,开沟深度可达12cm，沟底平整，苗幅宽，可防止干湿土混杂，有利于保墒出苗，适于由温室大棚使用，确保了良好的施肥播种效果。③开沟器上下左右可进行调整，满足了不同行距和施肥深度播种深度的作业要求[9-11]。

1.铧柄　2.芯铧　3.侧板　4.连接件　5.覆土器调位孔

2.2　施肥装置和播种装置的设计

该机中的施肥装置和播种装置是整个施肥播种作业的重要环节。由于排肥和排种的工作原理相同，因此专门设计了既可以施肥使用也可以播种使用的两种性能装置。为避免重复叙述，下面只叙述播种装置，如图3所示。

播种装置主要由种子箱、排种器、排种管及U形连接件等组成。排种器作为播种的关键部件，其工作性能的好坏直接影响到播种质量。为此，排种器采用了结构简单、播种均匀的窝眼式排种器，并对窝眼式排种器的尺寸和窝眼轮等进行改进及优化设计，使其适用于芹菜、小油菜、胡萝卜、大白菜等作物的播种要求。窝眼式排种器由壳体、刮种片、护种板、窝眼轮及排种管等工作零件组成[12]。

播种作业过程：窝眼轮排种器的工作部件是一个水平轴旋转的窝眼轮，窝眼轮转动时，种子靠重力滚入型孔内，经刮种片去除多余的种子后，窝眼内的种子随窝眼沿护种板转到下方，靠重力下落进入排种管投入种沟，实现了播种技术要求，播种效果好。

其中，施肥播种前对排肥管和排种管通过U形连接件进行调整高低，满足了肥料和种子同位分层施肥播种的作业要求，避免出现烧种的现象。播种前，最好对种子进行药丸式处理，使种子粒度均匀，以便于充种[13-14]。

1.种子箱　2.刮种板　3.排种器　4.护种板

2.3　覆土器和镇压轮的设计

由于开沟器只能用少量湿土覆盖肥料和种子，所以不能满足覆土厚度的要求。为了降低肥料种子的营养和水分的流失，避免出现凉种现象，通常还需要在开沟器的后面安装肥料种子覆土用的覆土器和压实用的镇压轮，压实土壤，使肥料种子与湿土接触，从而保证播种质量，提高出苗率[15]。

覆土器采用刮板式覆土器，安装在开沟器的后端，是单一的零件。调整开沟器后端的调位孔，使覆土器上下移动，能够满足不同肥料种子覆土厚度的农艺要求。

镇压轮安装在覆土器的后面，通过轴、轴承与机架连接，镇压轮可通过在机架上的调位孔的调整，满足不同肥料种子对土壤压实的农艺要求。

2.4　覆膜机构的设计

覆膜可保持湿土里的营养和水分，维持土壤结构，防止害虫侵害，同时保护和促进种子发芽生根，因此通过覆膜机构可提高作业效率、降低劳动强度[16]。

覆膜机构主要由机架、覆膜释放轮组件(伸缩连杆、覆膜释放轮连杆、覆膜释放轮、覆膜释放轮连接)、轧膜轮组件(伸缩连杆、轧膜轮连接架、弹簧、轧膜轮)及覆土轧盘组件(覆土轧盘连杆、覆土轧盘转动轴、覆膜轧盘)等组成，如图4所示。其中，覆膜释放轮组件中的伸缩连杆可横向350mm可调，覆膜释放轮连杆可上下为400mm可调，满足了对不同施肥播种行距为400mm可调、覆膜宽度为350mm可调及不同的塑料薄膜对肥料种子的覆膜要求。其中，轧膜轮组件中的伸缩连杆可横向350mm可调，轧膜轮连接架可上下400mm可调，转动角度为10°可调，轧膜轮的宽度为40mm，弹簧具有动态调整对地面的压力，提高了覆膜的质量，满足施肥播种不同行距为400mm可调、轧膜宽度为650mm可调；覆土轧盘组件中的覆土轧盘连杆上下为350mm可调且旋转为30°可调，覆土轧盘转动轴可横向为300mm可调，覆土厚度为30～50mm，覆土宽度50～80mm。

覆膜作业过程：该机施肥播种后，覆膜释放轮组件将塑料薄膜展开并覆盖施肥播种处，机架左右两端的轧膜轮组件对塑料薄膜两边进行压紧，将塑料薄膜横向拉紧并紧贴施肥播种的地面；然后由机架后端覆土轧盘组件对塑料薄膜两边进行覆土，从而完成整个的覆膜作业。

1.机架　2.覆膜释放轮连杆　3.轧膜轮组件　4.覆土轧盘

3试验效果

温室自走式施肥播种覆膜一体机于2014年10月在山东农业大学实验基地的温室大棚内进行试验，肥料为山东农业大学复合肥，其物理形状为颗粒状，蔬菜种子是大白菜，种子经过丸粒化处理。性能试验结果如表2所示。

表2　性能实验结果

试验中，设定该机前进速度为1.5m/s，行数为2行，行距为400mm，株距为22mm，施肥深度为70mm，播种深度为40mm，覆膜宽度为600mm。

试验结果表明：温室自走式施肥播种覆膜的各项设计指标均达到了农业部规定的技术要求。

4结论

温室自走式施肥播种覆膜一体机实现了一次完成开沟、施肥、播种、覆土、镇压及覆膜等多项作业，与传统的机械化作业相比，减少了作业次数，提高了作业效率，降低了劳动力。采用蓄电池提供动力和可巡航定速器，解决了在温室大棚作业机械对环境产出有害气体和转弯幅度大等问题，保证了株距、行距及深度的要求。其自动化程度提高，操作简单，满足了现代化农机与农艺相融合的要求，便于推广使用，市场前景广阔。

参考文献：

[1]薛惠岚, 薛少平, 杨青, 等. 秸秆粉碎覆盖与施肥播种联合作业的实现及机具设计[J]. 农业工程学报, 2003, 19(3):104-107.

[2]曾山,汤海涛,罗锡文,等.同步开沟起垄施肥水稻精量旱穴直播机设计与试验[J].农业工程学报,2012，28(20):12-19.

[3]侯书林,张惠友.国内残膜回收机研究的现状[J]. 农业工程学报,2002,18(3):186-190.

[4]李加恩, 李世瑾, 王新,等. 如何正确使用花生播种施肥覆膜机[J].农机使用与维修,2013(6):49-50.

[5]汤海涛, 马国辉, 罗锡文,等. 水稻机械精量穴直播定位深施肥节氮栽培效果研究[J].农业现代化研究，2011(11):111-114.

[6]王合, 张金辉, 步文峰. 温室电动翻地、卷帘、播种施肥多用机的研究设计[J].农业机械, 2008(7):52-53.

[7]肖国信.地膜覆盖机的正确使用与调整[J]. 农业机械化与电气化, 1994(2):15-17.

[8]周琪军.小麦覆膜穴播机械化技术应用与推广[J]. 农业机械化与电气化, 1999(3):40-41.

[9]于建群,钱立彬,于文静,等.开沟器工作阻力的离散元法仿真分析[J].农业机械学报,2009(6): 53-57.

[10]Ma Y, Ma S, Jia H, et al. Measurement and analysis on reducing adhesion and resistance of bionic ripple opener[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering,2014,30(5):36-41.

[11]杨雨林,操子夫,赵婉宁,等.播种机开沟器性能概述[J].农业与技术,2014(3):58-59.

[12]袁文胜,吴崇友,金诚谦.异形孔窝眼轮式油菜排种器设计与试验[J].农业机械学报,2009(5):72-75.

[13]张宇文.机械式多功能精密排种器的设计[J].农业机械学报,2005,36(3):51-53.

[14]屈哲,余泳昌,李赫,等.2BJYM-4 型玉米大豆套播精量播种机的研究[J].大豆科学,2014 (1): 119-123.

[15]蔡雅琨,刘俊峰,柴立发,等.果园实生苗精密播种机覆膜机构的设计研究[J].农机化研究,2015,37(3)：112-115.

[16]李廷亮, 谢英荷, 任苗苗, 等. 施肥和覆膜垄沟种植对旱地小麦产量及水氮利用的影响[J]. 生态学报, 2011,31(1):212-220.

Abstract ID:1003-188X(2016)08-0113-EA

Design and Test of the Self-propelled Integrated Machine for Fertilization Sowing Covering in Greenhouse

Liu Zhongzheng1,2, Xuan Guantao1,2, Shao Yuanyuan1,2, Wu Yanqiang1,2, Wang Lianwen3

(1.Mechanical and Electronic Engineering College, Shandong Agricultural University, Tai'an 271018, China; 2.Shandong Provincial Key Laboratory of Horticultural Machinery and Equipment, Tai'an 271018, China; 3.Shandong Huaxing Machinery Co.Ltd., Boxing 256500, China)

Abstract：The traditional mechanical operation inside the greenhouse with the issues of inflexibility, turning amplitude, poor quality planting, fertilizing film depth and solidity uneven ground paste and so on. Based on this , self-propelled fertilizer greenhouse seeding machine laminating machine was designed which consisted with battery, chain drive mechanism, opener, fertilizing equipment, planting equipment, casing, a repression wheels and components covered institutions work. It achieves the expected result that good job stability, operational flexibility and good adaptability. The experiments show:the performance of the aircraft reached a precision fertilization, seeding and covering the technical requirements to ensure that the spacing, line spacing, fertilization planting depth, width and film lighting area, and promote the integration of agricultural and agronomic.

Key words：greenhouse; self-propelled; fertilize; sowing; film

中图分类号：S776.24+3

文献标识码：A

文章编号：1003-188X(2016)08-0113-04

作者简介：刘中正(1987-),男，山东菏泽人，硕士研究生，(E-mail) zhouguipeng2007@126.com。通讯作者：邵园园(1980-)，女，山东济宁人，博士后，(E-mail)xoyo111@163.com。

基金项目：山东省自然科学基金项目(BS2015NY012)；山东省高等学校科技计划项目(J13LB09)；山东省现代农业产业技术体系创新团队项目(sdait-02-021-09)

收稿日期：2015-07-28