馬鈴薯播種機(jī)排種機(jī)械化種植技術(shù)研究

王彩英，李 平

(1.包頭輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院 能源工程學(xué)院,內(nèi)蒙古 包頭 014035；2.寧夏大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，銀川 750021)

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馬鈴薯播種機(jī)排種機(jī)械化種植技術(shù)研究

王彩英1，李 平2

(1.包頭輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院 能源工程學(xué)院,內(nèi)蒙古 包頭 014035；2.寧夏大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，銀川 750021)

馬鈴薯是我國(guó)一種重要經(jīng)濟(jì)作物，在我國(guó)有較大的種植規(guī)模。為實(shí)現(xiàn)馬鈴薯種植的機(jī)械化，基于傳感器和單片機(jī)技術(shù)，結(jié)合現(xiàn)有的馬鈴薯播種機(jī)，設(shè)計(jì)了一種新的排種系統(tǒng)，以解決馬鈴薯播種過(guò)程中的漏播和重播問(wèn)題。該排種系統(tǒng)由操作顯示屏、速度感應(yīng)裝置、數(shù)據(jù)分析模塊、擋板控制器和報(bào)警裝置幾個(gè)部分組成。工作時(shí)，通過(guò)速度感應(yīng)裝置獲取播種機(jī)的行進(jìn)速度，然后由數(shù)據(jù)分析模塊根據(jù)所設(shè)定的播種株距計(jì)算擋板開(kāi)關(guān)的頻率并進(jìn)行控制，以達(dá)到精準(zhǔn)播種的效果。對(duì)裝載該排種系統(tǒng)的馬鈴薯播種機(jī)在4種不同行進(jìn)速度工作時(shí)，進(jìn)行薯種漏播率、直播率和株距數(shù)據(jù)調(diào)查，發(fā)現(xiàn)漏播率和重播率都很低，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，且種植的株距與設(shè)定值差異很小，具有較高的精確性，能夠很好地滿(mǎn)足馬鈴薯種植的要求；其行進(jìn)速度在0.8m/s左右時(shí)，種植質(zhì)量和作業(yè)效率同時(shí)達(dá)到最佳。

馬鈴薯；機(jī)械化種植；排種

0 引言

馬鈴薯俗稱(chēng)土豆，是世界第四大糧食作物，其塊莖中富含淀粉、維生素和氨基酸，具有很高的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值。馬鈴薯對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性強(qiáng)、營(yíng)養(yǎng)豐富、口感好、加工食用方式多樣，因此成為歐洲一些國(guó)家的主食。我國(guó)在16世紀(jì)便已經(jīng)開(kāi)始種植馬鈴薯，種植規(guī)模增長(zhǎng)很快，至今已成為馬鈴薯種植面積、產(chǎn)量和消費(fèi)的第一大國(guó)。

隨著我國(guó)農(nóng)村勞動(dòng)力向城鎮(zhèn)的轉(zhuǎn)移及人口老齡化的加速，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率和降低生產(chǎn)成本都面臨日益嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。推動(dòng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的機(jī)械化是解決這一問(wèn)題的有效途徑，也符合現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。馬鈴薯種植時(shí)勞動(dòng)強(qiáng)度大，對(duì)機(jī)械化的需求較為迫切。發(fā)達(dá)國(guó)家馬鈴薯種植機(jī)械化率達(dá)到70%，而我國(guó)馬鈴薯機(jī)械化種植的普及面很小，僅占到1%，與馬鈴薯的第一大生產(chǎn)國(guó)身份不相符。因此，馬鈴薯種植相關(guān)機(jī)械的研制和改進(jìn)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和巨大的市場(chǎng)需求。

馬鈴薯種植全程所需的機(jī)械主要有播種機(jī)和收獲機(jī)，大部分播種機(jī)集開(kāi)溝、施肥、播種、覆土、起壟、鎮(zhèn)壓和覆膜等多種功能于一體，極大地降低了馬鈴薯種植的勞動(dòng)強(qiáng)度和繁瑣程度。我國(guó)馬鈴薯播種機(jī)的研制起步較晚，在早期從國(guó)外引進(jìn)了一些型號(hào)，但對(duì)我國(guó)不同種植地區(qū)條件的適應(yīng)性差、成本較高且售后保障困難，導(dǎo)致沒(méi)有得到大規(guī)模的應(yīng)用[1]。但是，通過(guò)對(duì)引入機(jī)械的分析研究，科研人員開(kāi)發(fā)出了適合我國(guó)具體國(guó)情的各種型號(hào)馬鈴薯播種機(jī)[2-5]。

播種過(guò)程不傷種、深淺一致、行距均勻是對(duì)馬鈴薯播種機(jī)的基本要求。不同型號(hào)馬鈴薯播種機(jī)的性能差異主要體現(xiàn)在株距均勻程度、漏播率和重播率上，而這3項(xiàng)指標(biāo)主要是由播種機(jī)的核心部件(即排種器)所決定的。排種器對(duì)馬鈴薯播種機(jī)的作業(yè)效率和播種質(zhì)量有著決定性的影響，其性能高低是播種機(jī)設(shè)計(jì)水平的體現(xiàn)[6]。馬鈴薯播種所用的薯種是塊狀莖，體積較大，因此有其獨(dú)特的播種和排種方式。馬鈴薯的播種方式有兩種，包括塊薯播種和整薯播種。塊薯播種是將塊狀莖切成小塊后用于播種，相應(yīng)的排種方式為薯夾式和針刺式。這種方式操作相對(duì)繁瑣，且切口處容易感染病菌導(dǎo)致減產(chǎn)，目前應(yīng)用較少；整薯播種對(duì)種薯的損傷小，操作簡(jiǎn)單，適合機(jī)械化作業(yè)。整薯播種對(duì)應(yīng)的排種方式有勺式、轉(zhuǎn)盤(pán)式、板閥式和傳輸帶式，這些方式都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，其中勺式和傳輸帶式的應(yīng)用最廣泛。但是，馬鈴薯種薯的大小各異，形狀不一，導(dǎo)致這些機(jī)械化排種過(guò)程一直存在漏播和重播的問(wèn)題，影響了馬鈴薯的產(chǎn)量[7]。

隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)向精準(zhǔn)化和智能化發(fā)展，各種新興的傳感檢測(cè)和計(jì)算機(jī)視覺(jué)等技術(shù)開(kāi)始與農(nóng)業(yè)機(jī)械結(jié)合，極大地提高了作業(yè)的效率和質(zhì)量。本文基于傳感器和單片機(jī)在自動(dòng)控制技術(shù)中的應(yīng)用，結(jié)合現(xiàn)有的馬鈴薯播種機(jī)，設(shè)計(jì)了一種新的排種系統(tǒng)，解決馬鈴薯播種過(guò)程中的漏播和重播問(wèn)題，并對(duì)其在生產(chǎn)中的實(shí)用性進(jìn)行了檢驗(yàn)，以期提高馬鈴薯播種機(jī)作業(yè)的效率和質(zhì)量，促進(jìn)我國(guó)馬鈴薯生產(chǎn)全程機(jī)械化的發(fā)展。

1 設(shè)計(jì)原理及結(jié)構(gòu)

1.1 設(shè)計(jì)原理

新的排種系統(tǒng)裝載于2CM-4型馬鈴薯播種機(jī)上，在排種管末端安裝可翻轉(zhuǎn)的擋板，由電磁感應(yīng)開(kāi)關(guān)進(jìn)行控制，打開(kāi)1次時(shí)允許1個(gè)薯種通過(guò)。安裝在播種機(jī)地輪上的速度感應(yīng)裝置獲取播種機(jī)的行進(jìn)速度，然后由數(shù)據(jù)分析模塊根據(jù)所設(shè)定的播種株距計(jì)算擋板開(kāi)關(guān)的頻率并進(jìn)行控制，從而達(dá)到精準(zhǔn)播種的效果。

當(dāng)排種管因種杯的漏取或重取而出現(xiàn)空管或薯種過(guò)多的情況時(shí)，位于底部的壓力感應(yīng)裝置將信號(hào)傳遞給數(shù)據(jù)分析模塊，發(fā)出報(bào)警，提示人工排除故障。

1.2 總體設(shè)計(jì)

裝載該排種系統(tǒng)的是2CM-4型馬鈴薯播種機(jī)，為牽引式機(jī)械，由福田雷沃M1200-D型拖拉機(jī)牽引，拖拉機(jī)輸出功率88kW。2CM-4型播種機(jī)能完成從開(kāi)溝到噴藥的作業(yè)，一次作業(yè)的播種行數(shù)為4行，行距80cm或90cm，株距在14～45cm之間可調(diào)。其采用了交叉杯的取種播種技術(shù)，重播率和漏播率分別小于18%和12%。排種系統(tǒng)包括操作顯示屏、速度感應(yīng)裝置、數(shù)據(jù)分析模塊、擋板控制器和報(bào)警裝置，如圖1所示。

圖1 排種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)組成

操作顯示屏裝載在拖拉機(jī)上，用于人工操作設(shè)定播種的株距、感應(yīng)裝置的參數(shù)和報(bào)警啟動(dòng)閾值，利用RS233型串口與數(shù)據(jù)分析模塊連接。速度感應(yīng)裝置是一個(gè)安裝在播種機(jī)地輪上的YS41F型霍爾元件，通過(guò)接受地輪軸承旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的電磁信號(hào)來(lái)獲得播種機(jī)行進(jìn)的速度，并發(fā)送到數(shù)據(jù)分析模塊。數(shù)據(jù)分析模塊的核心部件是MCS-51型單片機(jī)，用于接受來(lái)自速度感應(yīng)裝置的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，結(jié)合設(shè)定的參數(shù)，采用A/D轉(zhuǎn)換程序計(jì)算檔板的開(kāi)關(guān)頻率，發(fā)出控制信號(hào)。另外，單片機(jī)還接收壓力感應(yīng)數(shù)據(jù)，若超出設(shè)定的閾值，則啟動(dòng)報(bào)警。擋板控制器位于排種管末端，由擋板、電磁感應(yīng)開(kāi)關(guān)和壓力感應(yīng)裝置組成。擋板在正常狀況下處于關(guān)閉狀態(tài)，電磁感應(yīng)開(kāi)關(guān)與單片機(jī)連接，在通電的瞬間產(chǎn)生磁場(chǎng)打開(kāi)擋板，斷電后擋板在彈簧的作用下關(guān)閉。壓力感應(yīng)裝置為1個(gè)AP402型的壓阻式傳感器，與單片機(jī)連接。報(bào)警裝置的閾值上下限分別設(shè)定為5個(gè)和0.2個(gè)薯種的質(zhì)量，當(dāng)超出閾值時(shí)，單片機(jī)啟動(dòng)操作顯示屏進(jìn)行閃爍和聲音報(bào)警，提示人工排除故障。

3 試驗(yàn)與結(jié)果

3.1 試驗(yàn)地點(diǎn)和試驗(yàn)設(shè)計(jì)

檢驗(yàn)該馬鈴薯排種系統(tǒng)實(shí)用性的試驗(yàn)在福建省福州市的試驗(yàn)田中進(jìn)行，土壤類(lèi)型為砂質(zhì)粘壤土，試驗(yàn)田面積0.8hm2，用大型機(jī)械整理平整。使用的馬鈴薯品種為從云南引入的云薯103，薯種從當(dāng)?shù)氐氖袌?chǎng)購(gòu)買(mǎi)。農(nóng)業(yè)機(jī)械為裝載自動(dòng)排種系統(tǒng)的2CM-4型馬鈴薯播種機(jī)，由福田雷沃M1200-D型拖拉機(jī)牽引。

設(shè)置播種機(jī)的播種深度10cm、行距80cm、株距25cm，薯種的質(zhì)量經(jīng)測(cè)量在20～30g之間，因此報(bào)警裝置的啟動(dòng)閾值上下限分別設(shè)定為100g和4g。將試驗(yàn)田劃分為4個(gè)0.2 hm2的田塊，播種機(jī)分別以0.7、0.8、0.9、1.0m/s的速度行進(jìn)作業(yè)完成播種。在每個(gè)田塊中隨機(jī)選擇5個(gè)長(zhǎng)20m的播種區(qū)段調(diào)查薯種漏播率、重播率和株距。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

裝載該排種系統(tǒng)的馬鈴薯播種機(jī)在4種不同行進(jìn)速度時(shí)，對(duì)薯種漏播率、直播率和株距調(diào)查數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 排種系統(tǒng)在不同速度下的田間作業(yè)質(zhì)量

由表1可以看出：隨著行進(jìn)速度的增加，漏播率從3.0%上升到了5.0%，但整體上處于很低的水平，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于13%的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。其中，在0.7m/s和0.8m/s速度下的作業(yè)質(zhì)量相對(duì)較好，重播率在7.5%～9.0%之間，沒(méi)有隨著速度發(fā)生明顯的變化，整體水平也遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于20%的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。播種的株距隨著速度增加有加大的趨勢(shì)，但是整體上的變異系數(shù)偏離25cm設(shè)定值的幅度都很小，體現(xiàn)出較高的作業(yè)質(zhì)量。所以，該排種系統(tǒng)在正常速度下的各項(xiàng)指數(shù)都明顯好于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，具有很好的播種質(zhì)量。若將播種質(zhì)量和效率綜合考慮，則該排種系統(tǒng)的最佳作業(yè)速度為0.8m/s。

4 結(jié)論

田間測(cè)試的結(jié)果表明：裝載該排種系統(tǒng)的馬鈴薯播種機(jī)作業(yè)產(chǎn)生的漏播率和重播率都很低，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。種植的株距與設(shè)定值差異很小，具有較高的精確性，能夠很好地滿(mǎn)足馬鈴薯種植的要求打破了限制馬鈴薯播種機(jī)械化發(fā)展的瓶頸。若要在保證種植質(zhì)量的基礎(chǔ)上兼顧作業(yè)效率，則機(jī)械最佳的行進(jìn)速度應(yīng)該控制在0.8m/s左右。

該排種系統(tǒng)的各種裝置均簡(jiǎn)單輕便，性?xún)r(jià)比較高，裝載后并沒(méi)有明顯增加播種機(jī)的體積和質(zhì)量，成本和結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度也控制在種植者可以接受的范圍內(nèi)，在馬鈴薯的機(jī)械化種植中有廣闊的應(yīng)用前景。試驗(yàn)過(guò)程中，系統(tǒng)啟動(dòng)了幾次報(bào)警裝置，原因都是排種管中積累的薯種過(guò)多而導(dǎo)致壓力超過(guò)閾值上限，人工排除故障后系統(tǒng)恢復(fù)正常。該研究只選用了一種馬鈴薯品種進(jìn)行排種試驗(yàn)，因此該排種系統(tǒng)對(duì)馬鈴薯不同品種的適應(yīng)性有待進(jìn)一步驗(yàn)證。另外，可以對(duì)系統(tǒng)的部分裝置進(jìn)行優(yōu)化，使其能與播種機(jī)更好地整合，提高其在實(shí)際生產(chǎn)中的適應(yīng)性和可靠性。

[1] 朱維才，崔剛，李神明，等.馬鈴薯播種機(jī)械研究[J].農(nóng)業(yè)技術(shù)與裝備，2008(8):26-27.

[2] 楊德秋，郝新明，李建東，等.四行懸掛式馬鈴薯播種機(jī)虛擬設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J].農(nóng)機(jī)化研究，2009，31(10):75-78.

[3] 楊金磚，呂金慶，李曉明，等.2CMF-4型旋掛式馬鈴薯播種機(jī)的研究 [J].農(nóng)機(jī)化研究，2010，32(1):127-130.

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[7] 李雷霞，李洋，郭勇，等.帶有智能檢測(cè)系統(tǒng)的馬鈴薯播種機(jī) [J].農(nóng)業(yè)工程，2012，2(7):24-26.

Research on Mechanized Potato Seed Sowing Technniques

Wang Caiying1， Li Ping2

(1.Baotou Light Industry Vocational and Technology College,Baotou 014035，China; 2.School of Chemistry and Chemical Engineering, Ningxia University, Yinchuan 750021,China)

Potato is an important cash crop in China which has a large planting scale. To achieve mechanized production of potato cultivation, the paper-based sensors and microcontrollers used in automatic control technology, combined with the existing potato planter, we designed a new seeding system to solve the potato planting during the broadcast and replay leak problem . The seed metering system consists of several parts operating display, speed sensors, data analysis module, the shutter controller and alarm devices composed.Through the speed sensing device planter travel speed, and then by the data analysis module spacing calculated shutter switch in accordance with the set seeding frequency and controlled to achieve accurate seeding effect. The load on the seeding system potato planter at four different speeds of travel on potato seed sowing leak rate, broadcast rate and spacing data to investigate and found the loaded potato planter seeding system operations generated leakage rate and sowing replay rates are very low, far less than the industry standard. Planting spacing set value difference is small, with high accuracy, can well meet the requirements of potato cultivation. And found that the mechanical control when traveling speed 0.8m/s or so, growing quality and operational efficiency while achieving optimum.

potato; planting mechanization; seeding

2016-06-20

寧夏高等學(xué)校科學(xué)研究項(xiàng)目(NGY2015047)

王彩英(1971-)，女，內(nèi)蒙古烏蘭察布人，副教授，高級(jí)工程師，碩士，(E-mail)Wancaiying0616@163.com。

S223.2+6

A

1003-188X(2017)10-0141-03