设施蔬菜内嵌基质式栽培方式垄沟成型机设计

李珊珊，弋景刚，冯晓慧，孔德刚，刘江涛，袁永伟

（河北农业大学，河北 保定 071001）

当前，农村劳动力不断向非农产业转移，导致农事工作劳动力短缺、成本高、效率低。据统计，近10年我国设施蔬菜生产成本年均涨幅超过10%，而这其中60%左右为人工成本。设施蔬菜生产机械化是降低人工成本、解决劳动力短缺的关键因素。在棚室种植中，氮素和磷素是影响作物品质、产量的重要因素，农田普遍存在过量使用氮、磷肥的现象。而温室大棚的密闭环境导致大量硝态氮富集在土壤中，但作物对其吸收量较低，导致土壤中形成磷累积，造成土壤盐渍化、养分不平衡、连作障碍，致使蔬菜品质、产量下降。

内嵌基质的栽培模式可以有效解决上述问题。我国在内嵌基质式栽培模式下的垄沟成型机研究工作相对较少，根据当前设施开沟起垄机存在的问题，针对内嵌基质式番茄栽培，设计一种内嵌基质式垄沟成型机，实现番茄栽培机械化。

垄沟成型机主要由拖拉机提供动力，机具采用三点悬挂式通过花键轴和万向节与拖拉机相连，整机主要由开沟装置、起垄镇压装置、液压增压机构、机架、悬挂架、变速箱等部分组成。其中开沟装置安装在机架底部的前端，中部装有沟槽整形装置，起垄镇压装置安装在机架后端，其后设有垄整形装置，变速箱通过螺栓连接到机架底座上，变速箱侧面输出轴与起垄镇压装置输入轴采用链传动相连，起垄镇压装置通过铰链与后面机架相连，液压增压机构调整起垄高度与土壤压实度。具体结构见图1。

图1 整机结构示意图Fig.1 Whole machine structure diagram

作业前对整机纵向水平方向和横向水平方向进行适当调节，以满足棚室番茄相关农艺要求；
同时，手动调整起垄镇压装置内外支撑架安装位置，改变叶片张开角度以达到预设垄形尺寸大小。作业中，由拖拉机提供的动能通过万向联轴器传输到变速箱，通过齿轮传动将动能由变速箱传送到开沟装置，开沟刀盘一方面随整机做等速直线运动，一方面做旋转运动切下土壤，并将土壤抛向开沟器整形曲面细碎土壤，细碎后土壤落回地表完成开沟整形；
同时，通过链传动将变速箱输出动能传送到起垄镇压装置，一方面随整机做等速直线运动，一方面带动起垄镇压装置做回转运动，镇压辊用于夯实平整所起田垄的垄顶，后侧的垄整形装置保证垄壁不倒塌。起垄镇压整形机架通过液压伸缩杆与机架相连，采用液压伸缩杆调整起垄高度和田垄压实度。工作原理示意图见图2。

图2 工作原理图Fig.2 Schematic diagram

垄沟成型机主要技术参数见表1。

表1 垄沟成型机主要技术参数Tab.1 Main technical parametersof furrow molding machine

2.1 开沟装置设计

开沟装置是旋耕、起垄一体机的关键组成部分，主要由开沟刀、开沟刀盘和沟槽整形板3部分组成，集开沟、翻地、碎土于一体。基本要求是：开沟深度250 mm，开沟宽度200 mm。基本结构见图3。采用圆盘式开沟器，同时开沟圆盘后装有沟槽整形板，以将开沟后的土壤向两侧挤压成型。

图3 开沟装置结构示意图Fig.3 Structure diagram of ditching device

开沟时，整机由拖拉机牵引前进，通过拖拉机控制系统控制开沟深度，调节好开沟深度后，开沟刀盘带动开沟刀切削入土并将土抛起，沟槽整形板将抛起的土壤推向两侧，将沟槽整形平整，完成开沟作业。

2.2 起垄镇压装置设计

该装置主要由镇压叶片、镇压辊、传动轴、叶片内外支撑架、固定螺帽和支撑架连接部件等组成，其中镇压辊φ180 mm，起垄圆盘最大回转φ800 mm，镇压宽度可调。根据番茄内嵌基质栽培对起垄垄形与密实度要求，设计圆盘式锥形镇压装置。采用可变锥角结构，由8片独立均布的扇形叶片组成，叶片用伞状骨架支撑。基本结构见图4。

图4 起垄镇压装置示意图Fig.4 Schematic diagram of ridges suppression device

工作前，通过液压增压机构调整起垄高度，并手动调节镇压叶片张开角度。工作过程中，镇压叶片间歇性滚动拍打将垄体侧壁压实，通过镇压辊滚动与液压增压机构压力作用压实土壤。在镇压辊挤压下，土壤颗粒间相对位置及空间间隔发生相对变化，并以相互填充方式形成坚实的田垄，避免颗粒间回流垄体坍塌。工作原理图见图5。

图5 起垄镇压装置工作原理图Fig.5 Working principlediagram of ridge risesuppression device

2.3 液压增压机构设计

为了保证垄体坚实度，采用液压增压机构调节整机起垄高度和起垄后土壤坚实度，压实后垄体可以防止肥料流失。机构简图见图6。

图6 液压增压机构简图Fig.6 Hydraulic pressurization mechanism diagram

根据棚室番茄栽培农艺要求，装置可向上提升100 mm，计算出液压缸最小行程须超过60 mm，综合考虑各种因素，选定液压缸最大行程为200 mm。

本文针对目前农村劳动力短、棚室存在的土地耕作问题和番茄内嵌基质式栽培模式，设计了一种内嵌基质式垄沟成型机，该装置可同时完成开沟、起垄两项作业，实现番茄栽培机械化，降低劳动成本，提高劳动效率。

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