甘蔗的种植在浙江中部地区已有350年的历史[1],特别是近几年对地方农业特色产品保护力度的加强，源自甘蔗的“义乌红糖”已成为浙中地区糖业生产的一张响亮的名片。2016年浙江省金华市甘蔗种植面积为2 287 hm2，产量为172 555 t，产值43 732万元（参见《2017年金华统计年鉴》）。浙江中部地区为金衢盆地，地块以“小”“散”“零星”分布为特点，目前，该地区甘蔗种植以人畜为主，严重制约了甘蔗种植的进一步发展。甘蔗是高秆作物，产量高，需肥量大，易倒伏。甘蔗生产中普遍采用的农艺措施是种植时施基肥，在中耕环节完成蔗苗追肥、小培土、大培土和除草等作业[2]。甘蔗中耕培土质量的好坏对后期有效茎数、茎径大小、宿根发株数和抗倒伏特性等都有直接影响[3]。目前，按照开沟培土工作部件划分，甘蔗中耕施肥起垄培土机主要有犁铲式、螺旋式和圆盘式等结构[4]。这3种开沟培土工作部件，各有其优缺点：犁铲式具有结构简单、质量轻，但培土和碎土能力较差，能耗较大的特点；螺旋式的除草、碎土性能好，但土壤抛洒流向不易控制，垄成型差、能耗大；圆盘式的入土、翻土、碎土和切草能力都较好，垄成型也好[4]。还可以根据中耕管理机具配套动力的大小来划分：大型农场中与大中型拖拉机配套的悬挂式中耕施肥培土机，如广西3ZSP-2型中型多功能甘蔗施肥培土机、华南农业大学的圆盘式甘蔗中耕施肥培土机；丘陵、坡耕地及小地块使用的与微耕机或手扶拖拉机配套的中耕施肥培土机[5]，如广西久菱牌3ZP-0.8型甘蔗中耕培土机。目前，市场上的这几款中耕施肥培土机所形成的沟型都是矩形断面沟型，抗倒伏能力差。在丘陵、小地块使用的中耕施肥培土机，由于受动力限制，使用犁铲式开沟培土阻力较大，只能开出平均深度为10 cm的沟[6]，不适应浙中地区甘蔗的中耕培土农艺要求。
本文介绍的V型深沟甘蔗中耕施肥起垄培土机，主要针对浙中地区丘陵小地块的甘蔗种植中耕施肥起垄培土作业，通过形成V型深沟面，提高甘蔗的抗倒伏性，解决浙中地区甘蔗种植中耕施肥培土时无法实现机械化的问题。
1 浙中甘蔗种植中耕农艺要求
1.1 浙中甘蔗种植农艺要求
图1
甘蔗于5月底6月初后进入生长旺季，其植株高可达2 m左右，而此时正值浙中地区台风期（9—10月份），甘蔗极易受大风、暴雨侵害而发生倒伏，甚至折断，造成减产，使得红糖品质下降。经过300多年的生产实践，浙中农民在甘蔗中耕管理中总结经验，改进种植农艺，在中耕起垄时会起V型深沟高垄，并用铁锹对V型垄面进行拍打压实覆土作业。一是有利于甘蔗须根的生长，提高甘蔗的稳定性，提高植株的抗倒伏性，二是有利于在大风暴雨期间垄沟的排水及干旱时期的灌溉。
1.2 甘蔗中耕农艺要求
图2
2 培土机工作原理与关键部件设计
2.1 培土机工作原理
培土机采用安徽春风农林机械制造有限公司生产的型号为1WG-4B的新牛微耕机底盘作为动力基础机，该款微耕机只能完成旋耕作业。本文介绍的中耕施肥起垄培土机，采用其机架及动力变速传输部分，对工作部件进行全新设计，增加施肥、起垄、培土及模仿人工拍土的拍打机构。培土机主要由发动机、机架、变速箱、施肥机构、除草轮、起垄开沟刀、清土铲、拍打机构和操作扶手等组成，配套动力一般为8.09 kW左右。动力机与变速箱通过皮带轮传动，在变速箱中通过齿轮变速可实现机具的前进快慢变速。除草旋耕轮是导向轮，发动机产生动力后，通过链轮和皮带轮，把动力一分为三：一路通过链传动带动施肥机构施肥；一路通过带传动进入变速箱，变速箱通过变速后分别驱动除草旋耕轴和起垄开沟轴运动；一路通过带传动及齿轮传动带动拍打机构运动。该培土机的结构如图3所示。
图 3
图 3
管理机结构示意图
Fig. 3
Schematic diagram of the structure of the management machine
1：机架；2：除草轮；3：施肥机构；4：柴油机；5：变速箱；6：V型开沟刀；7：清土铲；8：拍打机构；9：扶手。
1: Frame; 2: Herbicide wheel; 3: Fertilization mechanism; 4: Diesel engine; 5: Gearbox; 6: V groove cutter; 7: Dirt shovel; 8: Beater mechanism; 9: Handrail.
2.2 关键部件的设计
2.2.1 施肥机构的设计
施肥机构主要由肥料箱、施肥槽轮、离合器、施肥管、施肥嘴、传动链轮等组成[8,9,10]。动力通过链传动减速后输入，链轮轴与离合器、槽轮同轴，带动施肥槽轮旋转，使肥料箱里的颗粒肥料掉入施肥槽轮的空腔，继而进入落肥管及施肥嘴，条播至甘蔗根部5～10 cm处。施肥量的多少通过施肥槽轮空腔容积的大小来调节。施肥槽容积大小的调整通过槽轮轴的左右滑动带动轴上槽轮轴线移动，从而改变槽轮空箱与肥料箱之间的接触面的大小来实现，整根槽轮轴，一半被加工成弧形凹槽，一半是实心塑料棒，通过移动槽轮轴来实现调整弧形凹槽与肥料箱的接触面积，从而控制施肥量的多少。槽轮轴及对槽轮轴的移动控制是整套施肥机构的关键。施肥机构如图4所示。
图4
图4
施肥机构示意图
Fig. 4
Schematic diagram of the fertilizering geneva mechanism
1：肥料箱；2：槽轮；3：施肥管；4：施肥嘴。
1: Fertilizer box; 2: Sheave; 3: Fertilizing tube; 4: Fertilizing Nozzles.
2.2.2 V型深沟起垄开沟刀的设计
目前，较常见的开沟起垄以开矩形深沟为主，而V型沟一般为挤压浅沟，无法满足甘蔗抗倒伏性的农艺要求，故本文研究设计了圆盘式V型深沟起垄开沟刀。V型深沟起垄开沟刀主要由刀轴、抛土刀、圆盘、十字万向节等组成，拆除行走胶轮后，V型深沟起垄开沟刀通过六角轴直插式连接在行走轮轴上，联接法兰盘与传动箱外壳相联接。开V型深沟，抛土刀主要是把泥土向垄上抛出，动力通过行走轮轴输入，并经十字万向节的传动，带动圆盘刀座旋转（如图5所示），开出的V型沟渠，为下一步的拍打压实垄面做准备。偏置斜转刀盘能有效提高抛土刀的线速度及翻土、碎土、抛土的能力，在径向上增加了开沟深度。由于抛土刀在使用过程中属于易损件，故采用螺栓连接，提高机具的互换性。万向节传动结构能实现抛土开沟刀的偏置旋转，进而开出V型沟槽。一次成型开出V型沟槽的机具在市场上还不多见。目前，市场上开沟培土的机具以开矩形沟为主，再通过垄形模板挤压出V型沟槽，易造成壅土现象。
图5
图5
斜转刀盘装置
Fig. 5
Slanting cutter disc device
1：抛土刀；2：圆盘；3：十字万向节；4：刀轴；5：轴承；6：联接法兰盘；7：变速箱。
1: Soil cutter; 2: Disc; 3: Hooke joint with angle; 4: Arbor; 5: Bearing; 6: Connecting flange; 7: Gearbox.
2.2.3 拍打压实机构设计
图6
图6
拍打压实机构示意图
Fig. 6
Schematic diagram of tapping and compaction mechanism
1：机架；2：拍打板；3：传动三角；4：连杆；5：传动杆。
1: Frame; 2: Tapping board; 3: Transmission triangle; 4: Rod; 5: Transfer bar.
3 田间试验与结果
该培土机主要适合于浙江省台风多发生的丘陵地带高秆垄作作物中耕管理作业，其主要参数如表1。一次可完成多项工作，从而提高工作效率，降低生产、人工成本，改变目前人畜高强度劳作现状。
表 1 管理机主要参数
Table 1
| 项目 Item | 参数 Parameter |
|---|---|
| 外形尺寸（长×宽×高） Outline dimension (length×width×height)/mm | 1 830×800×1 000 |
| 整机质量 Total mass/kg | ≤140 |
| 配套动力 Auxiliary power/kW | 6.3 |
| 开沟数量 Ditching number/row | 1 |
图7
表 2 垄作作物田间管理机试验数据记录
Table 2
| 次数 Number | 日期 Date | 地点 Site | 作业深度 Working depth/mm | 作业宽度 Working width/mm | 垄高 Ridge height/mm | 工作效率 Working efficiency/(hm2/h) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 2017-11-20 | 浙江省农业机械研究院示范基地 | 85 | 187 | 164 | 0.09 |
| 2 | 2017-12-03 | 浙江省义乌市义亭镇青肃村 | 79 | 210 | 172 | 0.12 |
| 3 | 2018-04-15 | 浙江省义乌市义亭镇青肃村 | 157 | 340 | 210 | 0.13 |
| 4 | 2018-04-25 | 浙江省金华市婺城区志义家庭农场 | 230 | 475 | 276 | 0.16 |
| 5 | 2018-05-24 | 浙江省金华市婺城区志义家庭农场 | 70～300 | 200～600 | 150～300 | 0.19 |
4 讨论与结论
本研究设计的V型深沟甘蔗中耕施肥起垄培土机功能齐全，一次成型，机具小巧，适用于浙江中部地区甘蔗种植的中耕施肥开沟培土作业。在试验过程中，培土厚度均匀，覆肥效果好，能有效防止肥料挥发，施肥未出现断流现象，拍打泥土能形成良好光滑沟面，样机已基本实现设计要求，效率较高，符合农艺要求。
参考文献
义乌甘蔗产业发展状况及对策
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Development status and countermeasures of sugarcane industry in Yiwu
我国甘蔗中耕机械发展现状及趋势
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Development status and trend of sugarcane cultivator machinery in China
我国甘蔗机械化生产的技术及经济分析研究
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Study on the technology and economy of sugarcane mechanization in China
甘蔗中耕施肥培土技术及发展趋势分析
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Analysis on the technology and development trend of cultivation and fertilizer in sugarcane
圆盘式甘蔗中耕施肥培土机设计
.
Design of disc-type sugarcane intertilling fertilizing and earthing-up machinery
久菱牌3ZP-0.8型甘蔗中耕培土机的研发
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Development of 3ZP-0.8 type sugarcane cultivator
新型甘蔗窄行中耕培土机的研究设计
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Research on the design of the new narrow row sugarcane cultivators
垄作作物田间管理机的研究设计
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Research and design of ridge crop field management machine
农业机械化生产学：下册
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