设施种植机械装备发展现状与对策_程娟.pdf

第 62 卷 第 1 期 Vol 62 No 1 2024 年 1 月 January 2024 农业装备与车辆工程 AGRICULTURAL EQUIPMENT 2 School of Agricultural Engineering and Food Science Shandong University of Technology Zibo 255000 Shandong China Abstract Facility agriculture is a production mode that uses engineering technology to achieve efficient production of animals and plants under human controlled environmental conditions including facility planting facility breeding facility gardening etc and the development of facility planting is an effective way to improve farmers income and vigorously develop rural economy China has a variety of facilities planting greenhouses and the corresponding management methods and mechanical equipment but the overall mechanization rate is still not high and efforts to improve the mechanization level of facility planting is an important support to achieve high quality high level development of facility planting Starting from the four stages of ploughing planting managing and harvesting the tillage machinery seedling raising and transplanting machinery field management machinery and harvesting machinery were described the factors hindering the development of facility machinery were analyzed from the aspects of technology and policy and suggestions to promote the development of facility planting mechanization were put forward Theoretical support for the development of facility machinery to the direction of multi machine combination high technical level and institutional standardization was provided Key words facility planting machinery intelligent automation 基金项目 山东省重点研发计划 软科学 项目 山东省智能农机装备与智慧农业设施产业发展路径研究 2022RZB06044 山东乡村振兴实践研究院开放课题 乡村振兴战略背景下现代设施农业发展路径探析 XCZX2023115 收稿日期 2023 11 01 作者简介 程娟 1980 女 高级工程师 硕士 研究方向 农业装备信息化技术 E mail 6048378 通信作者 何青海 1986 男 博士 高级工程师 研究方向 设施农业与智慧节水 E mail heqinghai1986 24 农业装备与车辆工程 2024 年 备为主 主要用于设施大棚内土地的碎土 平地等 由于设施大棚特殊的构造及狭小的作业环境 传统 大型耕整地机械很难进入完成耕整地作业 如在国 内温室类型中占比最高的日光温室 如图 1 所示 其内部空间小 一般只在侧墙留有一个进出的小门 作业机械很难进入 除此之外 近年来发展起来的 玻璃连栋温室 其墙体是由钢化玻璃和热镀锌钢管 组成的 也不适合大型机械进出作业 因此 小型 耕整地机械应运而生 并且与人工作业相比 机械 耕翻肥土混合均匀 耕翻质量好 效率高 5 1 1 微耕机 目前市面上有多种类型的微耕机 如电动微耕 机 自走式微耕机等 6 图 2 所示为一种常见的电 动微耕机 7 当前微耕机的研究主要集中在供能方 式 行走方式或者关键部件优化上 以锂电池为动 力源的电动微耕机工作时会频繁出现瞬时大电流波 动放电的问题 薛劭帅等 8 针对这一现象 将超级 电容应用在电动微耕机上 构成复合电源 为在农 机装备上应用复合电源提供了理论依据和技术参考 采用电池组供电的微耕机 除了电流不稳定之 外 还会出现电池温度升高导致作业中断的情况 为了解决这一问题 莫婷等 7 选取了一款耕深大于 10 cm 的电动微耕机 对电池组进行了散热管理研 究并提出了一种电池组强制风冷的散热方案 通过 实验得出对电池组散热效果影响显著的因素为入口 风速与电池间距 这一结论为解决微耕机电池组散 热问题提供了思路 也为电池组散热装置的结构优 化升级提供了依据 旋耕部件是微耕机的核心部件 其运行顺利与 否直接影响整机作业质量的高低 9 刘妤等 10 基于 离散元和多体动力学理论 在相关软件平台上对刀 辊的耕作过程进行模拟分析 并依托土槽试验平台 进行实际验证 为以后研究旋耕刀与土壤的相互作 用 优化旋耕部件 提升微耕机工作效率和作业性 能提供理论依据 赵业慧等 11 提出一种微耕机可动 挡土板的设计方案 并基于 Burmester 理论对挡土板 导引机构的设计方法进行研究 结果表明 其提出 的微耕机可动挡土板的设计方案可行 1 2 旋耕机 我国幅员辽阔 但可耕种土地面积占有量少 加之化肥的使用 使得土壤中有机物含量和含水量 降低 严重影响了土地资源的可持续发展 12 耕整 地机械具有极强的切土 碎土能力 与传统的犁 耙相比 旋耕机作业一次即可达到犁耙作业几次的 效果 采用旋耕机耕整土地后 土地平整 土壤松散 可以有效恢复土壤耕层结构 改善土壤状态 按照旋耕机刀轴配置方式的不同 可将旋耕机 分为横轴式 立轴式和斜置式 3 类 其中以横轴式 旋耕机应用最广 主要结构包括机架 动力装置 传动系统 悬挂装置 耕深调节装置 旋耕刀片 旋耕刀辊等 12 13 近年来 随着温室技术的飞速发展 国内温室面积越来越大 适合温室作业的小型旋耕 机成为研究重点 如图 3 所示为一种小型旋耕机 14 与传统大型旋耕机相比 小型旋耕机的优势在 于体积小 灵活性强 更适合小地块的耕整地作业 因此对旋耕机的关键部件进行优化 使其更满足作 业要求就显得尤为重要 任晓路 15 为改善旋耕机对 图 1 日光温室 Fig 1 Solar greenhouse 1 电池箱 2 电动机 3 扶手架 4 限深杆 5 支撑架 6 刀辊 7 传动装置 图 2 微耕机 Fig 2 Micro cultivator 1 2 3 4 7 6 5 1 发动机部件 2 机架部件 3 变速箱传动部件 4 行走部件 5 操作杆部件 6 扶手部件 7 油门拉索部件 8 挡泥板部件 9 旋耕部件 图 3 小型旋耕机 Fig 3 Small rotary cultivator 1 2 3 4 5 6 7 8 925 第 62 卷第 1 期 程娟 等 设施种植机械装备发展现状与对策 秸茬的旋耕效果 利用 EDEM 对旋耕机刀辊直径 刀辊距离等进行优化设计 并通过仿真计算得到在 破土率 埋茬率最高和机器功耗最低时所对应的刀 辊数据 实验结果表明 其仿真模型具有较高精度 综上所述 现有的微耕机和旋耕机可以完成相 关作业 但仍需要人工驾驶 在自动化方面还有很 大提升空间 2 设施育苗机和移栽机机械化现状 2 1 育苗机 由于设施温室种植的特殊性 部分作物是以 先 育苗 后移栽 的方式种植 工厂化育苗具有占地 面积小 可大规模生产及适合机械化移栽等优点 不受外部环境的影响 可以实现幼苗的持续供应 16 周洋等 17 针对传统茶树温室育苗架存在的占地面积 大 劳动强度高等问题 设计了一种立体式茶树育 苗机 如图 4 所示 不仅提高了茶树育苗的自动化 水平和成苗率 还提升了茶树产量 刘中正等 18 在 现代工厂化育苗技术的基础上 提出并设计的智能 化设施育苗机实现了精量播种作业 满足了精量播 种的农艺要求 尽管已有很多育苗机获得生产应用 但大多集 中在设施蔬菜领域 育苗机自身普适性不高 另外 在幼苗移栽的过程中 依旧需要人工完成某些工作 整机的智能化 自动化程度急需提高 2 2 移栽机 当前 我国穴盘苗移栽领域缺乏相关标准 现 有装备功能单一 智能化程度较低 部分机器依然 需要人工完成部分计数 分级等工作 除此之外 移栽机自身的移栽策略和移栽流程不合理 致使机 器体积庞大 适用性不强 图 5 所示为蔬菜移栽机 19 高光明等 20 研制了以穴盘苗为自动投苗对象的设施 蔬菜移栽机 解决了设施蔬菜自动化移栽中自动投 苗和机具轻简化 2 个关键问题 王春辉等 21 设计了 一种八杆栽植机构 解决了移栽机膜上作业效果不 好 稳定性较差等问题 近几年 国内对移栽技术及装备展开了大量研 究 但研发的移栽机只适用于一种蔬菜的移栽 通 用性较低 难以满足各地区不同的农艺要求 3 设施管理机械化现状 设施管理机械是保证设施内作物正常生长的重 要部分 包括水肥机 喷药机等 同时也是整个设 施种植过程中机械化率较高的部分 3 1 水肥机 漫灌是一种粗放的灌溉手段 任由水在地面流 淌 灌溉均匀性差 衍生土地盐碱化等 为消除传 统漫灌给土壤带来的问题 解决设施作物在生长过 程中的水肥需求 水肥一体化灌溉设备应运而生 并成功应用于生产实践 如图 6 所示为水肥一体机 当前针对水肥一体化灌溉设备的研究主要集 中在控制系统 水肥灌溉方式及灌溉制度等方面 韩卫华 22 针对水肥一体化设备精度不高 智能化程 度低的现状 在借鉴物联网技术的基础上 对水肥 一体化设备进行改进 实现了定时定量灌溉 在水 肥灌溉方式 灌溉制度方面 颜俊等 23 为探究高频 1 动力机架 2 主动链轮 3 育苗承托盘 4 育苗机架 5 偏心旋转装置 6 轴承座 7 从动链轮 8 动力装置 图 4 立体式茶树育苗机 Fig 4 Three dimensional tea seedling machine 7 8 1 2 3 4 6 5 1 发动机及变速箱 2 行走轮 3 栽植机构 4 限深轮 5 覆土轮 6 分苗机构 7 输送带 8 穴盘输送机构 9 顶苗机构 10 取苗机构 图 5 蔬菜移栽机 Fig 5 Vegetable transplanter 1 10 9 8 7 6 5 4 3 2 图 6 水肥一体机 Fig 6 Water and fertilizer integrated machine