第 62 卷 第 1 期 Vol 62 No 1 2024 年 1 月 January 2024 農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程 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 基金項目 山東省重點研發(fā)計劃 軟科學(xué) 項目 山東省智能農(nóng)機裝備與智慧農(nóng)業(yè)設(shè)施產(chǎn)業(yè)發(fā)展路徑研究 2022RZB06044 山東鄉(xiāng)村振興實踐研究院開放課題 鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略背景下現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展路徑探析 XCZX2023115 收稿日期 2023 11 01 作者簡介 程娟 1980 女 高級工程師 碩士 研究方向 農(nóng)業(yè)裝備信息化技術(shù) E mail 6048378 通信作者 何青海 1986 男 博士 高級工程師 研究方向 設(shè)施農(nóng)業(yè)與智慧節(jié)水 E mail heqinghai1986 24 農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程 2024 年 備為主 主要用于設(shè)施大棚內(nèi)土地的碎土 平地等 由于設(shè)施大棚特殊的構(gòu)造及狹小的作業(yè)環(huán)境 傳統(tǒng) 大型耕整地機械很難進入完成耕整地作業(yè) 如在國 內(nèi)溫室類型中占比最高的日光溫室 如圖 1 所示 其內(nèi)部空間小 一般只在側(cè)墻留有一個進出的小門 作業(yè)機械很難進入 除此之外 近年來發(fā)展起來的 玻璃連棟溫室 其墻體是由鋼化玻璃和熱鍍鋅鋼管 組成的 也不適合大型機械進出作業(yè) 因此 小型 耕整地機械應(yīng)運而生 并且與人工作業(yè)相比 機械 耕翻肥土混合均勻 耕翻質(zhì)量好 效率高 5 1 1 微耕機 目前市面上有多種類型的微耕機 如電動微耕 機 自走式微耕機等 6 圖 2 所示為一種常見的電 動微耕機 7 當(dāng)前微耕機的研究主要集中在供能方 式 行走方式或者關(guān)鍵部件優(yōu)化上 以鋰電池為動 力源的電動微耕機工作時會頻繁出現(xiàn)瞬時大電流波 動放電的問題 薛劭帥等 8 針對這一現(xiàn)象 將超級 電容應(yīng)用在電動微耕機上 構(gòu)成復(fù)合電源 為在農(nóng) 機裝備上應(yīng)用復(fù)合電源提供了理論依據(jù)和技術(shù)參考 采用電池組供電的微耕機 除了電流不穩(wěn)定之 外 還會出現(xiàn)電池溫度升高導(dǎo)致作業(yè)中斷的情況 為了解決這一問題 莫婷等 7 選取了一款耕深大于 10 cm 的電動微耕機 對電池組進行了散熱管理研 究并提出了一種電池組強制風(fēng)冷的散熱方案 通過 實驗得出對電池組散熱效果影響顯著的因素為入口 風(fēng)速與電池間距 這一結(jié)論為解決微耕機電池組散 熱問題提供了思路 也為電池組散熱裝置的結(jié)構(gòu)優(yōu) 化升級提供了依據(jù) 旋耕部件是微耕機的核心部件 其運行順利與 否直接影響整機作業(yè)質(zhì)量的高低 9 劉妤等 10 基于 離散元和多體動力學(xué)理論 在相關(guān)軟件平臺上對刀 輥的耕作過程進行模擬分析 并依托土槽試驗平臺 進行實際驗證 為以后研究旋耕刀與土壤的相互作 用 優(yōu)化旋耕部件 提升微耕機工作效率和作業(yè)性 能提供理論依據(jù) 趙業(yè)慧等 11 提出一種微耕機可動 擋土板的設(shè)計方案 并基于 Burmester 理論對擋土板 導(dǎo)引機構(gòu)的設(shè)計方法進行研究 結(jié)果表明 其提出 的微耕機可動擋土板的設(shè)計方案可行 1 2 旋耕機 我國幅員遼闊 但可耕種土地面積占有量少 加之化肥的使用 使得土壤中有機物含量和含水量 降低 嚴重影響了土地資源的可持續(xù)發(fā)展 12 耕整 地機械具有極強的切土 碎土能力 與傳統(tǒng)的犁 耙相比 旋耕機作業(yè)一次即可達到犁耙作業(yè)幾次的 效果 采用旋耕機耕整土地后 土地平整 土壤松散 可以有效恢復(fù)土壤耕層結(jié)構(gòu) 改善土壤狀態(tài) 按照旋耕機刀軸配置方式的不同 可將旋耕機 分為橫軸式 立軸式和斜置式 3 類 其中以橫軸式 旋耕機應(yīng)用最廣 主要結(jié)構(gòu)包括機架 動力裝置 傳動系統(tǒng) 懸掛裝置 耕深調(diào)節(jié)裝置 旋耕刀片 旋耕刀輥等 12 13 近年來 隨著溫室技術(shù)的飛速發(fā)展 國內(nèi)溫室面積越來越大 適合溫室作業(yè)的小型旋耕 機成為研究重點 如圖 3 所示為一種小型旋耕機 14 與傳統(tǒng)大型旋耕機相比 小型旋耕機的優(yōu)勢在 于體積小 靈活性強 更適合小地塊的耕整地作業(yè) 因此對旋耕機的關(guān)鍵部件進行優(yōu)化 使其更滿足作 業(yè)要求就顯得尤為重要 任曉路 15 為改善旋耕機對 圖 1 日光溫室 Fig 1 Solar greenhouse 1 電池箱 2 電動機 3 扶手架 4 限深桿 5 支撐架 6 刀輥 7 傳動裝置 圖 2 微耕機 Fig 2 Micro cultivator 1 2 3 4 7 6 5 1 發(fā)動機部件 2 機架部件 3 變速箱傳動部件 4 行走部件 5 操作桿部件 6 扶手部件 7 油門拉索部件 8 擋泥板部件 9 旋耕部件 圖 3 小型旋耕機 Fig 3 Small rotary cultivator 1 2 3 4 5 6 7 8 925 第 62 卷第 1 期 程娟 等 設(shè)施種植機械裝備發(fā)展現(xiàn)狀與對策 秸茬的旋耕效果 利用 EDEM 對旋耕機刀輥直徑 刀輥距離等進行優(yōu)化設(shè)計 并通過仿真計算得到在 破土率 埋茬率最高和機器功耗最低時所對應(yīng)的刀 輥數(shù)據(jù) 實驗結(jié)果表明 其仿真模型具有較高精度 綜上所述 現(xiàn)有的微耕機和旋耕機可以完成相 關(guān)作業(yè) 但仍需要人工駕駛 在自動化方面還有很 大提升空間 2 設(shè)施育苗機和移栽機機械化現(xiàn)狀 2 1 育苗機 由于設(shè)施溫室種植的特殊性 部分作物是以 先 育苗 后移栽 的方式種植 工廠化育苗具有占地 面積小 可大規(guī)模生產(chǎn)及適合機械化移栽等優(yōu)點 不受外部環(huán)境的影響 可以實現(xiàn)幼苗的持續(xù)供應(yīng) 16 周洋等 17 針對傳統(tǒng)茶樹溫室育苗架存在的占地面積 大 勞動強度高等問題 設(shè)計了一種立體式茶樹育 苗機 如圖 4 所示 不僅提高了茶樹育苗的自動化 水平和成苗率 還提升了茶樹產(chǎn)量 劉中正等 18 在 現(xiàn)代工廠化育苗技術(shù)的基礎(chǔ)上 提出并設(shè)計的智能 化設(shè)施育苗機實現(xiàn)了精量播種作業(yè) 滿足了精量播 種的農(nóng)藝要求 盡管已有很多育苗機獲得生產(chǎn)應(yīng)用 但大多集 中在設(shè)施蔬菜領(lǐng)域 育苗機自身普適性不高 另外 在幼苗移栽的過程中 依舊需要人工完成某些工作 整機的智能化 自動化程度急需提高 2 2 移栽機 當(dāng)前 我國穴盤苗移栽領(lǐng)域缺乏相關(guān)標準 現(xiàn) 有裝備功能單一 智能化程度較低 部分機器依然 需要人工完成部分計數(shù) 分級等工作 除此之外 移栽機自身的移栽策略和移栽流程不合理 致使機 器體積龐大 適用性不強 圖 5 所示為蔬菜移栽機 19 高光明等 20 研制了以穴盤苗為自動投苗對象的設(shè)施 蔬菜移栽機 解決了設(shè)施蔬菜自動化移栽中自動投 苗和機具輕簡化 2 個關(guān)鍵問題 王春輝等 21 設(shè)計了 一種八桿栽植機構(gòu) 解決了移栽機膜上作業(yè)效果不 好 穩(wěn)定性較差等問題 近幾年 國內(nèi)對移栽技術(shù)及裝備展開了大量研 究 但研發(fā)的移栽機只適用于一種蔬菜的移栽 通 用性較低 難以滿足各地區(qū)不同的農(nóng)藝要求 3 設(shè)施管理機械化現(xiàn)狀 設(shè)施管理機械是保證設(shè)施內(nèi)作物正常生長的重 要部分 包括水肥機 噴藥機等 同時也是整個設(shè) 施種植過程中機械化率較高的部分 3 1 水肥機 漫灌是一種粗放的灌溉手段 任由水在地面流 淌 灌溉均勻性差 衍生土地鹽堿化等 為消除傳 統(tǒng)漫灌給土壤帶來的問題 解決設(shè)施作物在生長過 程中的水肥需求 水肥一體化灌溉設(shè)備應(yīng)運而生 并成功應(yīng)用于生產(chǎn)實踐 如圖 6 所示為水肥一體機 當(dāng)前針對水肥一體化灌溉設(shè)備的研究主要集 中在控制系統(tǒng) 水肥灌溉方式及灌溉制度等方面 韓衛(wèi)華 22 針對水肥一體化設(shè)備精度不高 智能化程 度低的現(xiàn)狀 在借鑒物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的基礎(chǔ)上 對水肥 一體化設(shè)備進行改進 實現(xiàn)了定時定量灌溉 在水 肥灌溉方式 灌溉制度方面 顏俊等 23 為探究高頻 1 動力機架 2 主動鏈輪 3 育苗承托盤 4 育苗機架 5 偏心旋轉(zhuǎn)裝置 6 軸承座 7 從動鏈輪 8 動力裝置 圖 4 立體式茶樹育苗機 Fig 4 Three dimensional tea seedling machine 7 8 1 2 3 4 6 5 1 發(fā)動機及變速箱 2 行走輪 3 栽植機構(gòu) 4 限深輪 5 覆土輪 6 分苗機構(gòu) 7 輸送帶 8 穴盤輸送機構(gòu) 9 頂苗機構(gòu) 10 取苗機構(gòu) 圖 5 蔬菜移栽機 Fig 5 Vegetable transplanter 1 10 9 8 7 6 5 4 3 2 圖 6 水肥一體機 Fig 6 Water and fertilizer integrated machine