勺式排種技術(shù)及其排種均勻性的研究分析

政東紅，陳　偉,杜文亮，樊明壽,劉廣碩

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) a.機電工程學(xué)院；b.農(nóng)學(xué)院，呼和浩特　010018)

?

勺式排種技術(shù)及其排種均勻性的研究分析

政東紅a，陳偉a,杜文亮a，樊明壽b,劉廣碩a

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) a.機電工程學(xué)院；b.農(nóng)學(xué)院，呼和浩特010018)

摘要：針對馬鈴薯播種機上普遍采用的勺式排種裝置存在排種均勻性差的問題，就影響其排種均勻性的兩個主要因素—皮帶運行速度和種薯形狀進行研究分析。建立了排種裝置的運動模型，并進行運動學(xué)分析。理論研究分析表明：將排種裝置傾斜布置并配合有小直徑的下從動輥可以改善排種的不均勻性；對于種薯要避免選擇長條形和特長條形種薯，形狀統(tǒng)一的種薯有利于排種的均勻性。

關(guān)鍵詞：勺式排種技術(shù)；均勻性；種薯形狀；皮帶運行速度

0引言

馬鈴薯自明朝萬歷年間引入我國，至今已有400年多的種植歷史，其引入對于加速我國人口的迅速增長有著重要的作用。由于馬鈴薯富含碳水化合物，且含有大量的鉀、維生素C，以及與人體需求匹配的蛋白質(zhì)，使其成為良好的熱能來源和重要的食物，在我國成為繼小麥、水稻和玉米之后的第四大糧食作物[1-3]。自前蘇聯(lián)解體后，我國就成為世界上馬鈴薯種植第一大國，近年來馬鈴薯種植面積穩(wěn)定在540萬hm2左右；但是，馬鈴薯機械化種植程度卻只有1%左右，與國際先進水平的70%相比[4]，還有很長的路要走。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的主要原因就是我國的馬鈴薯種植沒有形成規(guī)?；?，是小戶經(jīng)營，大型的馬鈴薯種植機械得不到推廣，馬鈴薯的種植仍然停留在傳統(tǒng)的人工種植方式上。因此，針對我國的基本國情，研制和推廣小型馬鈴薯播種機是提高我國馬鈴薯種植機械化的有效途徑。

馬鈴薯的機械化播種是集開溝、播種、施肥、起壟、整形和覆膜作業(yè)于一體的綜合機械化壟作方式[5]。排種裝置是馬鈴薯播種機的核心部件，常規(guī)的排種方式有薯夾式、針刺式、勺式、取種轉(zhuǎn)盤式、板閥式和輸送帶式[6]。1992年，加拿大學(xué)者C.D.McLeod等人以微型整薯為播種對象，研究了氣吸式排種裝置，試驗表明：84%的種薯被吸附在取種盤上，且影響吸種的主要因素是氣流速度。由于排種對風機的要求較高，所以研制出新型風機有利于該技術(shù)的推廣應(yīng)用。近幾年，勺式排種技術(shù)是馬鈴薯播種機上普遍采用的一種排種方式。排種裝置性能的好壞直接決定著播種質(zhì)量，排種均勻性是排種裝置的一項重要性能參數(shù)也是一項較難測定的參數(shù)。因此，在馬鈴薯的機械化種植過程中，用重種指數(shù)、漏種指數(shù)和變異系數(shù)來衡量排種裝置的排種均勻性。

1勺式排種裝置的工作原理及應(yīng)用

勺式排種裝置依據(jù)不同的驅(qū)動方式可分為帶勺式和鏈勺式兩種。帶勺式排種裝置結(jié)構(gòu)簡單、造價低，易于增設(shè)振動裝置并且能夠更好的協(xié)調(diào)排種器與拖拉機之間速度的關(guān)系[7]；但皮帶傳動的可靠性低，容易出現(xiàn)打滑現(xiàn)象，進而導(dǎo)致了排種的不均勻性。鏈勺式排種裝置具有可靠的傳動性能，結(jié)構(gòu)簡單；但鏈條對種薯時有損傷現(xiàn)象，破壞了種薯的幼芽，從而影響了種薯的發(fā)芽率，進而影響了馬鈴薯的產(chǎn)量。

帶勺式排種裝置主要由取種皮帶、取種勺、護種罩、激振器、上驅(qū)動輥和下從動輥組成，如圖1所示。具體的工作過程：經(jīng)傳動系統(tǒng)，將地輪的動力傳遞給上驅(qū)動輥，上驅(qū)動輥的轉(zhuǎn)動帶動著取種皮帶(等間距交錯布置有取種勺)經(jīng)過種箱舀取1顆或多顆馬鈴薯種薯；在激振器的作用下，將多余的種薯從取種勺中震落到種箱中，始終保證取種勺上有1顆種薯；當取種勺越過上驅(qū)動輥的最高點時，薯種落到上一個取種勺的背部，然后在護種罩的限制和種勺背部的托種作用下，將種薯運送到排種桶的底部；當取種勺和護種罩之間的夾角合適時，將薯種投落到種溝中，完成整個投種過程。

1.取種皮帶　2.取種勺　3.護種罩　4.激振器　5.種薯

勺式排種是現(xiàn)有馬鈴薯播種機上普遍采用的一種排種技術(shù)。在我國典型的馬鈴薯播種機有遼寧省農(nóng)業(yè)機械化研究所研究設(shè)計的2CM-2型馬鈴薯播種機和由內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)研制的2BSL-2型馬鈴薯起壟播種機。2CM-2型馬鈴薯種植機經(jīng)過試驗驗證，其工作性能穩(wěn)定且主要的技術(shù)參數(shù)(漏種指數(shù)0.67%，重種指數(shù)0%，種薯間距變異系數(shù)0.18[8])均符合國家標準的相關(guān)規(guī)定。該機主要由機架、地輪、開溝器、投種單體、覆土器及種箱等組成，整體結(jié)構(gòu)緊湊。由于采用帶勺式排種裝置取種和充種充分，采用低點投種且開溝器在投種單體上，從而保證了種子落到地面時彈跳量小，且開溝與播種中心一直保持一致，因而株距均勻性較好。2BSL-2型馬鈴薯播種機集施肥、播種、起壟和鎮(zhèn)壓于一體，該機于1998年底設(shè)計和試制，經(jīng)過試驗驗證各項指標均符合國家標準的要求，1999年底開始投入生產(chǎn)，2000年在北京、內(nèi)蒙古進行大面積播種，種植面積達270hm2。經(jīng)實際種植考核，該機滿足農(nóng)藝要求，大大減弱了人工勞動強度，并且工作性能穩(wěn)定可靠[9]，現(xiàn)已經(jīng)實現(xiàn)批量化生產(chǎn)。

2勺式排種技術(shù)排種均勻性的分析

生產(chǎn)率和種植均勻性是評價一臺馬鈴薯播種機的兩個主要性能參數(shù)，種植均勻性高不僅在收獲時可以獲得比較一致的塊莖排序，且可為馬鈴薯的生長提供充足的養(yǎng)分，進而奠定了高產(chǎn)的基礎(chǔ)。在實際工作中，有很多因素影響著種植的均勻性，取種皮帶的運轉(zhuǎn)速度、種薯的形狀、排種裝置距離地面的高度、種薯在護種罩中的運動情況、種植地塊的土壤堅實度，以及牽引機車運動情況等。除去種植過程中外部客觀條件的影響，取種皮帶的運轉(zhuǎn)速度和種薯的形狀是影響排種均勻性的兩個主要參數(shù)。

2.1皮帶運行速度對排種均勻性的影響

種薯在向下運動的過程中可以劃分為3個運動過程：在護種罩中的運動(過程1)、通過B-B中心線(見圖2)到種薯完全離開種勺的運動(過程2)和種薯離開種勺下落到種溝中的運動(過程3)。過程1假設(shè)種薯相對于取種勺是靜止的；過程2對排種的均勻性起著關(guān)鍵性作用，假設(shè)種薯落到種溝中沒有彈跳且牽引機組勻速行駛；過程3對排種均勻性的影響可以忽略不計(假設(shè)導(dǎo)種情況一致)，在此對過程2進行理論分析。為了分析方便，建立如圖3所示的理論模型。當取種勺運動到中心線B-B時開始釋放種薯，轉(zhuǎn)過α角后將種薯完全釋放，稱角α為釋放角，有

式中r0—種勺邊緣距離上下輥中心線的距離(mm)；

r1—種勺邊緣距離護種罩的距離(mm)；

r2—釋放種薯時種勺距離護種罩的距離(mm)。

1.護罩　2.取種勺　3.取種皮帶　4.下從動輥

實際工作中，由于馬鈴薯種薯的形狀各異，致使種薯有著不盡相同的釋放角。在皮帶運行速度一定時，就會出現(xiàn)不同的投種時間間隔，因此會產(chǎn)生落種位置的間距偏差(重種指數(shù)、漏種指數(shù))；但當皮帶的運轉(zhuǎn)速度很快時，馬鈴薯種薯的形狀對排種均勻性的影響就不顯著[10]，即每一個馬鈴薯種薯有著近似相同的釋放角。由于只考慮從中心線B—B到種薯完全釋放而不考慮離開種勺到種溝的運動過程，用相鄰種薯的時間間隔來度量排種的均勻性。由于每一個馬鈴薯種薯的釋放角近似相等，所以轉(zhuǎn)過相同的角度α時，所用的時間也相同，即時間間隔相等。但是，實際試驗中表明：當皮帶運行的線速度>0.5m/s時[11]，種植效果(漏種指數(shù)、重種指數(shù)、種薯間距變異系數(shù))明顯變差，進而影響了馬鈴薯的產(chǎn)量。所以，不能將皮帶的運行速度提高很多，但可以通過減小下從動輥的直徑來獲得較短的釋放時間。所以，工作中，可以在保證下從動輥強度和運轉(zhuǎn)靈活性的前提下，采用小直徑(技術(shù)上可以達到的最小直徑為50mm)的下從動輥。

種薯在釋放時的運動是一個合成運動(速度分析見圖2)，種薯相對于地面的絕對速度V0是機車相對于地面的牽引速度V1和種薯相對于機車的相對速度V2的合成，即

由速度圖可知：如果在種薯自由下落到種溝的過程中，種薯的絕對速度V0的水平分速度為0時，這時的落種位置的準確性就有了一定的保證，進而種薯間距的變異系數(shù)就會很小。但是，在實際工作中，由于牽引機車的運動不是恒定不變的，隨著拖拉機油門開度和地面的起伏等原因，會導(dǎo)致V1的波動，從而使種薯的絕對速度在水平方向的分速度不為0，落種位置的準確性必然不能保證，同時種薯間距的均勻性也會相應(yīng)變差。在實際中，如果將排種裝置朝前進方向傾斜布置，即上下輥的中心線A-A(見圖1)相對于鉛錘方向有一個夾角，同時對取種勺和護種罩的形狀進行優(yōu)化設(shè)計，就可以削弱種薯相對于機車的運動速度V2的影響，從而保證了落種的準確性。

2.2種薯形狀對排種均勻性的影響

馬鈴薯作為播種對象，常見的兩種播種形式：整薯播種和切塊薯播種。雖然脫毒微型整薯的生產(chǎn)已經(jīng)進入商業(yè)化階段，由于其成本較高，從而使得市場上的脫毒微型整薯價格昂貴，進而制約整薯播種的推廣應(yīng)用，現(xiàn)在馬鈴薯的種植多數(shù)采用切塊種薯進行播種。

由于切塊種薯是由人工進行切制，所以種薯的形狀不盡相同。依據(jù)國家標準，可以利用3個方向(長度L、寬度W、厚度t)的尺寸對種薯塊進行分類，根據(jù)式(1)計算出種薯的形狀指數(shù)(f)的值將種薯分為圓形、橢圓形、長條形和特長條形4類[12]。則有

(1)

式中L—最大長度(mm)；

W—最大寬度(mm)；

t—最大厚度(mm)。

馬鈴薯種薯在護種罩的限制和取種勺托種的作用下將種薯護送到排種桶底部，為了防止馬鈴薯種薯在向下運動過程中出現(xiàn)從取種勺邊緣和護種罩之間的間隙中掉落的現(xiàn)象，取種勺與護種罩的最小間隙應(yīng)稍小于馬鈴薯的最小尺寸(厚度方向)即可。

在取種皮帶經(jīng)過種箱舀取種薯的過程中，由于種薯的形狀不規(guī)則，舀取時就不會像想象的那樣，取種勺一次舀取1顆或兩顆馬鈴薯種薯，在實際的種植過程中往往會出現(xiàn)如圖3所示的情況。

圖3　舀取種薯時的情況

圖3中:圖示1所示的情況是正常的取種情況;圖示2所示的情況是由于種薯形狀和取種勺空間布置的原因，使得種薯出現(xiàn)“串接”的現(xiàn)象；雖然在分種器的作用下會將其破壞，但是種薯會受到一定程度的損傷，所以在取種勺的布置上，c和d的值要給予重要的考慮，c值應(yīng)至少大于種薯的最大尺寸，d值應(yīng)大于最小尺寸和最大尺寸之和;圖示3所示的情況是典型的重種情形，是由于兩個種薯的形狀近視為“三角形”，很容易貼合在一起出現(xiàn)重種現(xiàn)象，所以在種薯的切制過程中要避免出現(xiàn)“三角形的種薯”。圖4所示的情況是空勺的現(xiàn)象，是由于在充種的時候，馬鈴薯在取種勺上沒有穩(wěn)定的落位而導(dǎo)致。

如果兩個相鄰的馬鈴薯在隨皮帶下降的過程中出現(xiàn)圖4所示的情況，即當下面的一個種薯是厚度方向接觸勺背向下運動，而上面的種薯是長度方向接觸勺背向下運動。假設(shè)兩個種薯在到達底部時，下面的種薯釋放時種薯在下落的過程中相對于種勺是靜止的，這樣就會需要較大釋放角α(見圖2)；相反，上面的種薯需要較小的釋放角α，在下從動輥轉(zhuǎn)動的角速度ω一定的情況下，這兩個種薯離開取種勺的時間間隔就會變大，進而導(dǎo)致了種薯落種位置的間距相對于標稱間距出現(xiàn)偏差。

圖4　下落過程中種薯在護罩中的位置

從這樣的分析似乎可以得出：種薯的形狀越是規(guī)則，落種位置的偏差會得到改善。但是，荷蘭學(xué)者W.B.Hoogmoed利用高爾夫球代替馬鈴薯進行馬鈴薯形狀對落種位置準確性的試驗研究，試驗結(jié)果表明：形狀規(guī)則的高爾夫球與形狀不規(guī)則的馬鈴薯相比，并不能獲得較均勻的落種位置。這主要是由護種罩和取種勺的形狀引起的，可以對取種勺和護罩的形狀進行優(yōu)化設(shè)計；同時，由于形狀規(guī)則的高爾夫球在勺背上存在各個方向的運動，對落種的準確性影響較大。

3結(jié)論與建議

1)研究分析表明：在馬鈴薯播種機排種裝置設(shè)計中，采用小直徑(>50mm)的下從動輥，并將排種裝置向機器前進方向傾斜布置，有利于排種的均勻性。

2)種薯的形狀對落種位置準確性有影響。在種薯的選擇上，要避免出現(xiàn)長條型(241≤f≤340)和特長條形種薯(f>340)。在種薯的切制中，建議使用切種器。

參考文獻：

[1]劉全威,吳建民,王蒂,等.馬鈴薯播種機的研究現(xiàn)狀及進展[J].農(nóng)機化研究,2013,35(6):238-241.

[2]周素萍,周成,柳春柱.我國馬鈴薯機械化生產(chǎn)技術(shù)研究[J].農(nóng)業(yè)科技與裝備,2008(3):94-95，98.

[3]金黎平,羅其友.我國馬鈴薯產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀和展望[C]//中國作物學(xué)會馬鈴薯專業(yè)委員會.馬鈴薯產(chǎn)業(yè)與農(nóng)村區(qū)域發(fā)展，中國作物學(xué)會馬鈴薯專業(yè)委員會,2013.

[4]毛瓊,謝敬波,段宏兵. 國內(nèi)外大田馬鈴薯播種機械化的發(fā)展現(xiàn)狀與未來預(yù)測[C]//中國農(nóng)業(yè)工程學(xué)會(CSAE).中國農(nóng)業(yè)工程學(xué)會2011年學(xué)術(shù)年會論文集，中國農(nóng)業(yè)工程學(xué)會(CSAE),2011.

[5]賈晶霞,楊德秋,李建東,等.國內(nèi)外馬鈴薯種植機械研究進展[J].農(nóng)業(yè)機械,2011(34):60-62.

[6]杜宏偉,尚書旗,楊然兵,等.我國馬鈴薯機械化播種排種技術(shù)研究與分析[J].農(nóng)機化研究，2011，33(2)：214-217，221.

[7]盧延芳,孫傳祝,王法明,等.馬鈴薯播種機播種單元改進設(shè)計[J].農(nóng)機化研究,2015,37(12):140-143.

[8]李偉紅.2CM-2型馬鈴薯播種機的結(jié)構(gòu)與性能研究[J].農(nóng)業(yè)科技與裝備,2012(5):16-17，19.

[9]趙滿全,竇衛(wèi)國,趙士杰,等.2BSL-2型馬鈴薯起壟播種機的研制[J].內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版,2001(1):101-104.

[10]H Buitenwerf W,B Hoogmoed P. Lerink J Muller. Assessment of the behaviour of potatoes in a cup-belt planter[J].Biosystem Engineering,2006,95：35-41.

[11]周桂霞,張國慶,張義峰,等.2CM-2型馬鈴薯播種機的設(shè)計[J].黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)學(xué)報,2004(3):53-56.

[12]GB/T 6242—2006,種植機械 馬鈴薯種植機 試驗方法[S].

The Study and Analysis of Cup Seed Sowing Technology and Uniformity

Zheng Donghonga, Chen Weia, Du Wenlianga, Fan Mingshoub,Liu Guangshuoa

(a.College of Mechanical and Electrical Engineering; b.Agricultural College, Inner Mongolia Agricultural University, Hohhot 010018, China)

Abstract：Cup seed sowing device which is widely used in potato planter, has low uniformity.This paper will discuss two major factors that have significant influence in the uniformity in planting, by establishing and analyzing the motion model of sowing device.Theoretical studies have shown that combining seed sowing device mounted obliquely with small diameter driven roller can improve the uniformity. For potato selection, oblong and special oblong should be avoided,unified shape is favorable to sowing uniformity.

Key words：cup seed sowing technology;uniformity; potato shape;speed of cup-belt

文章編號：1003-188X(2016)07-0106-04

中圖分類號：S220.1；S220.3

文獻標識碼：A

作者簡介：政東紅(1988-),男，河北張家口人，碩士研究生，(E-mail) zhengdh56@126.com。通訊作者：杜文亮(1957-)，男，內(nèi)蒙古達拉特旗人，教授，博士生導(dǎo)師，(E-mail)duwl5711@vip.imau.edu.cn。

基金項目：國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(937計劃)項目(2012CB126307)；公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(201303104)

收稿日期：2015-07-03