馬鈴薯播種機(jī)及其排種器的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

陳貳浩， 石林榕， 孫步功

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

馬鈴薯俗稱“洋芋”“土豆”，具有豐富的蛋白質(zhì)含量，是繼小麥、水稻、玉米之后的第四大糧食作物。近年來，我國(guó)馬鈴薯的種植面積約為533 hm2，其種植范圍廣，在全國(guó)所有的省市自治區(qū)都有種植，總產(chǎn)量約達(dá)8 000多萬t[1]。隨著馬鈴薯產(chǎn)業(yè)飛快發(fā)展，其種植面積逐年增加，提高馬鈴薯機(jī)械種植技術(shù)對(duì)推進(jìn)馬鈴薯產(chǎn)業(yè)的發(fā)展有著重要作用。

長(zhǎng)期以來，馬鈴薯種植機(jī)械化是我國(guó)馬鈴薯全程機(jī)械化的薄弱環(huán)節(jié)[2]。由于我國(guó)南北差異較大，馬鈴薯播種機(jī)械的差異也隨地區(qū)的不同有所差異，東部、北部地區(qū)地勢(shì)平坦，種植面積廣，已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)機(jī)械化；西北、南部地區(qū)，由于平原稀少，多為丘陵山地，地塊狹小，大型的馬鈴薯播種機(jī)不適用所以機(jī)械化水平相對(duì)來說比較低[3]。由于所選用馬鈴薯播種機(jī)的類型不同，其播種所用的馬鈴薯也就各有差異，可以選擇整薯、切塊薯和微型薯播種。其中，整薯播種對(duì)種薯的損傷小、出芽率高，適合機(jī)械化操作，但要專門培育；塊薯播種可節(jié)約種薯，降低種子成本，但由于增加了切塊環(huán)節(jié)，操作繁瑣，而且在切塊時(shí)容易造成馬鈴薯交叉感染，降低出苗率和產(chǎn)量[4]；微型薯是馬鈴薯經(jīng)過脫毒后，經(jīng)過育苗而得到的微型馬鈴薯，形狀整齊、大小均勻且品質(zhì)優(yōu)良，可直接進(jìn)行播種，出苗率可高達(dá)100%[5]。本文介紹了國(guó)內(nèi)外馬鈴薯播種機(jī)及常用排種器的研究現(xiàn)狀，并對(duì)未來機(jī)械化播種進(jìn)行展望。

1 國(guó)內(nèi)外馬鈴薯播種機(jī)現(xiàn)狀

1.1 國(guó)外馬鈴薯播種機(jī)現(xiàn)狀

歐美等發(fā)達(dá)地區(qū)對(duì)馬鈴薯機(jī)械化播種的研究較早，19世紀(jì)末期就已經(jīng)開始研發(fā)以簡(jiǎn)單的機(jī)具勞動(dòng)來代替復(fù)雜的人工種植。1880年，英國(guó)人Ransomes和Sims研究了以畜力為主要?jiǎng)恿?、人工輔助的半自動(dòng)兩行馬鈴薯播種機(jī)具，這是世界上最早的馬鈴薯播種機(jī)。20世紀(jì)30年代后期，隨著馬鈴薯移栽機(jī)的出現(xiàn)，標(biāo)志著半機(jī)械化的實(shí)現(xiàn)，20世紀(jì)中葉開始，馬鈴薯播種機(jī)飛速發(fā)展，經(jīng)過不斷加工，不斷完善，已經(jīng)逐步實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。目前，國(guó)際上的馬鈴薯播種機(jī)根據(jù)其技術(shù)水平可以分為兩大類，一類以德國(guó)的Grimme公司、美國(guó)的Carry公司和英國(guó)的Standed公司為代表，主要生產(chǎn)大型和中型馬鈴薯播種機(jī)，而且其液壓系統(tǒng)和檢測(cè)重播漏播的電子監(jiān)測(cè)系統(tǒng)也十分成熟，自動(dòng)化程度高；第二類是以韓國(guó)和日本為代表的小型馬鈴薯播種機(jī)械[6]。

德國(guó)Grimme公司的Grime GL34T型馬鈴薯播種機(jī)如圖1所示，該機(jī)種箱的容量約3.5 t，采用牽引式和鏈傳動(dòng)，可以一次性完成開溝、播種、覆土等作業(yè)，噴藥和施肥裝置是自主選擇裝與不裝，其主要特點(diǎn)是帶有電子監(jiān)控裝置和液壓控制系統(tǒng)，駕駛員在駕駛室就可以自由控制馬鈴薯的播種量和開溝深度。

圖1 德國(guó)Grimme GL34T型馬鈴薯播種機(jī)

美國(guó)Carry公司研制的Lockwood606大型馬鈴薯播種機(jī)作業(yè)速度快、播種效率高，其為氣吸式排種，由拖拉機(jī)提供動(dòng)力，適用于整薯和切塊薯種植，可進(jìn)行4行、6行、8行作業(yè)，而且該機(jī)器的液壓系統(tǒng)采用雷達(dá)控制，工作效率高，手臂對(duì)種子的損傷較小，同樣采用電子監(jiān)控裝置來控制播種量[6]，如圖2所示。

圖2 美國(guó)Lockwood606大型馬鈴薯播種機(jī)

英國(guó)Standen公司推出了SP400馬鈴薯播種機(jī)，該機(jī)采用勺鏈?zhǔn)脚欧N器，配備先進(jìn)的電子檢測(cè)和液壓系統(tǒng)；挪威TKS公司underhaug馬鈴薯播種機(jī)，采用液壓升降來控制種箱，種箱可容納8 t種薯；印度MPP-04系列馬鈴薯播種機(jī)是小型播種機(jī)，適用于小丘陵等小面積的馬鈴薯播種，對(duì)種薯的形狀要求不高。

在過去的幾十年里，國(guó)外馬鈴薯播種機(jī)從無到有，逐漸完善，播種技術(shù)已經(jīng)十分成熟，很好地應(yīng)用了現(xiàn)代科技技術(shù)，基本實(shí)現(xiàn)了馬鈴薯播種機(jī)械化。但國(guó)外播種機(jī)以大型機(jī)械為主，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格昂貴，不適合我國(guó)的國(guó)情。

1.2 國(guó)內(nèi)馬鈴薯播種機(jī)現(xiàn)狀

我國(guó)的機(jī)械化水平較低，馬鈴薯的機(jī)械化研究起步較晚，近年來我國(guó)的馬鈴薯機(jī)械化產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展，針對(duì)塊莖播種，市場(chǎng)潛力巨大。我國(guó)南北差異較大，國(guó)內(nèi)很多學(xué)者針對(duì)我國(guó)各地區(qū)進(jìn)行研究，并且取得了巨大突破。

東北農(nóng)業(yè)大學(xué)呂金慶等[7]研制出了2CM-2型馬鈴薯播種機(jī)，如圖3所示。該播種機(jī)采用勺鏈?zhǔn)今R鈴薯排種器，作業(yè)效率高，而且對(duì)不同土壤的適應(yīng)能力強(qiáng)，株距均勻性好，可以簡(jiǎn)單地調(diào)節(jié)不同株距的播種，可一次性完成開溝、施肥、播種、覆土和鎮(zhèn)壓過程。趙舉文等[8]在2CM-2型馬鈴薯播種機(jī)上采用了三角形支撐，當(dāng)馬鈴薯從取種箱中升運(yùn)到水平攜種時(shí)，進(jìn)行人工補(bǔ)種，提高了充種效率。青島農(nóng)業(yè)大學(xué)郭棟等[9]設(shè)計(jì)出一款針對(duì)山區(qū)丘陵地帶的2CM-SF型馬鈴薯播種機(jī)，該機(jī)由8.82 kW的拖拉機(jī)提供動(dòng)力，對(duì)排種鏈裝置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，排種鏈對(duì)稱分布在種箱的兩側(cè)，降低了重種率和漏種率，提高了西南地區(qū)馬鈴薯的機(jī)械播種水平。內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)的趙滿全等[10]研制出的2BSL-2型馬鈴薯播種機(jī)如圖4所示，該機(jī)器采用勺鏈?zhǔn)今R鈴薯排種器，種箱的傾斜角大于馬鈴薯的自然休止角，馬鈴薯可以自然形成流動(dòng)，種箱底部的橫截面與種勺的大小相等，一次僅能通過一個(gè)取種勺，大大提高了充種效率。

圖3 2CM-2型馬鈴薯播種機(jī)

圖4 2BSL-2型馬鈴薯播種機(jī)

雖然我國(guó)南北種植差異較大，機(jī)械化起步較晚，經(jīng)過科研人員的不斷努力，已經(jīng)研發(fā)出了針對(duì)不同區(qū)域所使用的馬鈴薯播種機(jī)，相關(guān)類型的播種機(jī)還有很多。目前，國(guó)內(nèi)馬鈴薯播種機(jī)與國(guó)外一體化的種植機(jī)相比還有較大的差距。

排種器是馬鈴薯播種機(jī)的核心部件，是影響馬鈴薯播種機(jī)性能的關(guān)鍵因素。目前，我國(guó)馬鈴薯排種器主要采用勺帶(鏈)式，研究多是對(duì)排種器工作參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以降低排種器的重播率和漏播率。孫偉等[11]提出一個(gè)核心為AT-mega16單片機(jī)的補(bǔ)種裝置，在排種器工作過程中及時(shí)補(bǔ)種，但由于存在專門補(bǔ)種的補(bǔ)種箱，容易發(fā)生堵塞；?？档萚12]提出雙層種箱式排種裝置，基于離散單元法，利用EDEM進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，將種箱設(shè)計(jì)成為雙層，增強(qiáng)了種薯的流動(dòng)性，提高了充種效率。

2 馬鈴薯排種器研究現(xiàn)狀

重播率和漏播率以及作業(yè)效率是馬鈴薯播種機(jī)作業(yè)效果的關(guān)鍵指標(biāo)[13]，排種器是馬鈴薯播種機(jī)的核心部件。目前，按照馬鈴薯排種器工作原理的不同，將其主要分為氣力式排種器和機(jī)械式排種器兩類[14]。

氣力式排種器按照其工作原理的不同可以分為氣吸式[15]、氣吹式[16]和氣壓式[17]排種器，其通用性好，不傷種子，對(duì)種子的幾何尺寸要求不高，提高了馬鈴薯播種的精度，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造成本高，價(jià)格昂貴。

機(jī)械式排種器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，適用于我國(guó)馬鈴薯產(chǎn)業(yè)，因其良好的互換性，被很多學(xué)者所研究。機(jī)械式排種器主要有勺帶式[18]、勺鏈?zhǔn)絒19]、勺盤式[20]、針刺式[21]和輸送帶式[22]。

2.1 勺鏈?zhǔn)脚欧N器

勺鏈?zhǔn)脚欧N器是常用的排種器，德國(guó)Grimme馬鈴薯播種機(jī)最初將勺鏈?zhǔn)脚欧N器用于播種機(jī)上，取種勺固定在傳送鏈上，利用鏈條傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)馬鈴薯的排種，但由于自身原因，取種勺與鏈條的鏈接容易脫落，鏈輪上的齒容易被打壞，而且隨著鏈輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，種薯容易出現(xiàn)傷痕[23-25]，影響種薯的發(fā)芽率和產(chǎn)量。

勺鏈?zhǔn)今R鈴薯排種器如圖5所示，排種器由上下皮帶輪、排種槽、清種裝置和種箱等組成，工作可分為四個(gè)過程，即取種、清種、攜種和排種。鏈條帶動(dòng)取種勺自下而上運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過種箱時(shí)舀取1～2個(gè)種薯向上運(yùn)動(dòng)，進(jìn)入清種區(qū)，清種裝置對(duì)鏈條進(jìn)行振動(dòng)，將種勺內(nèi)多余的種薯去除，以保證每個(gè)種勺內(nèi)只有一個(gè)種薯，隨著鏈條繼續(xù)向上運(yùn)動(dòng)，翻越上皮帶輪，種薯離開種勺，落在前一個(gè)種勺的背部向下運(yùn)動(dòng)，最后在播種區(qū)排種，完成一個(gè)播種過程。

圖5 勺鏈?zhǔn)今R鈴薯排種器1.上皮帶輪；2.清種裝置；3.排種槽；4.種子；5.種勺；6.下皮帶輪

2.2 氣吸式排種器

針對(duì)勺鏈?zhǔn)今R鈴薯播種機(jī)高速作業(yè)時(shí)產(chǎn)生嚴(yán)重的重漏播問題，呂金慶設(shè)計(jì)了一種氣吸式排種器[26]。影響播種效率的主要因素是轉(zhuǎn)速和正負(fù)壓，采用小塊莖馬鈴薯播種，將傳統(tǒng)的吸氣孔改為手臂，將排種板改為配風(fēng)閥，手臂安裝在末端，可更換吸嘴，提高通用性，采用真空壓力吸薯，動(dòng)態(tài)喂料裝置控制種子高度，提高性能，可調(diào)節(jié)播種角度，根據(jù)環(huán)境更換合適的位置，正壓氣流可以清除殘留雜質(zhì)，延長(zhǎng)排種器的使用壽命。

氣吸式排種器如圖6所示，其工作過程可以分成四部分，即抽吸、搬運(yùn)、播種和空轉(zhuǎn)過程，手臂在真空狀態(tài)下從種箱內(nèi)抽吸種薯；被吸出的種薯與旋轉(zhuǎn)閥同步旋轉(zhuǎn)，搬運(yùn)種薯；當(dāng)支臂在播種區(qū)時(shí)，支臂與真空室的連接被堵塞，吸附力消失，種薯掉落空轉(zhuǎn)；為了防止雜質(zhì)堆積，閥門堵塞，在空轉(zhuǎn)區(qū)產(chǎn)生正壓，排出雜質(zhì)，完成工作循環(huán)。

圖6 氣吸式排種器1.吸嘴；2.吸臂；3.種箱；4.靜止閥；5.靜止軸；6.吸管；7.旋轉(zhuǎn)軸；8.旋轉(zhuǎn)閥；9.吹管；10.調(diào)節(jié)螺絲；11.護(hù)殼

2.3 勺盤式排種器

勺盤式排種器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，通用性較好，蘇聯(lián)CH-4A馬鈴薯播種機(jī)上最早使用勺盤式排種器。勺盤式排種器如圖7所示，其工作過程簡(jiǎn)單，將取種凹勺固定在排種器的勺盤上進(jìn)行取種，刮種器作業(yè)，刮掉多余的種子，然后在自重和推種器的作用下掉入種溝，完成排種過程，取種凹勺的大小由種薯的大小確定，這種排種器的缺點(diǎn)是排種的均勻性不穩(wěn)定，播種的質(zhì)量低，精度也遠(yuǎn)低于勺鏈?zhǔn)脚欧N器[27]。

圖7 勺盤式排種器1.種箱；2.推種器；3.排種盤；4.種子；5.刮種器

2.4 針刺式排種器

20世紀(jì)末期，針刺式排種器在美國(guó)被研究與應(yīng)用的較多，其工作原理是一個(gè)排種盤的外圍固定了多個(gè)脫毒刺針，在排種盤的轉(zhuǎn)動(dòng)下，脫毒刺針從種箱中刺取種薯，隨著排種盤的轉(zhuǎn)動(dòng)，種薯在脫種裝置的作用下脫離刺針，排入種溝，完成一個(gè)排種過程，達(dá)到精密播種的目的。但由于針刺式排種器傷種的致命缺點(diǎn)，如果一個(gè)種薯有病毒，會(huì)造成其他種薯的大面積感染。工作過程中，泥土中混有的碎石、雜草等雜質(zhì)能使刺針變形，造成損壞，因此國(guó)內(nèi)外對(duì)針刺式排種器的研究很少，市場(chǎng)需求也少。

2.5 指夾式排種器

指夾式馬鈴薯排種器的工作原理是排種盤的下部浸于種箱內(nèi)，指夾隨著排種盤轉(zhuǎn)動(dòng)，經(jīng)過種箱時(shí)在彈簧的作用力下張開指夾獲得種薯，然后指夾帶著種薯隨著轉(zhuǎn)動(dòng)盤轉(zhuǎn)動(dòng)，到達(dá)投種區(qū)時(shí)彈簧打開指夾，完成播種過程。

這種排種器主要用于玉米、谷物等顆粒較小的作物播種機(jī)上，馬鈴薯的塊莖分布不均勻，質(zhì)量參差不齊，這種排種器會(huì)產(chǎn)生極大的漏播，國(guó)內(nèi)很少有人研究。

3 存在的問題和展望

我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化的發(fā)展起步較晚，相比發(fā)達(dá)國(guó)家機(jī)械化水平低，主要存在以下問題：

(1)馬鈴薯播種機(jī)上漏播補(bǔ)償裝置的方案尚不成熟，傳感器的使用和開發(fā)不成熟，結(jié)合現(xiàn)代科技技術(shù)來提高馬鈴薯的播種質(zhì)量，提高播種機(jī)的適應(yīng)性和壽命是未來發(fā)展的方向。

(2)播種機(jī)作業(yè)時(shí)，由于機(jī)具振動(dòng)等原因，重播和漏播現(xiàn)象明顯，與世界馬鈴薯播種機(jī)平均水平相比，生產(chǎn)效率低，同時(shí)所需配套的動(dòng)力也大，作業(yè)損耗大。在之后馬鈴薯播種機(jī)的發(fā)展中，勺鏈?zhǔn)脚欧N器將廣泛用于馬鈴薯播種機(jī)，對(duì)其參數(shù)、工作狀態(tài)的優(yōu)化、降低重種和漏種率，提高鏈條的穩(wěn)定性和播種效率是研究者未來的研究方向。

(3)在未來一段時(shí)間內(nèi)，馬鈴薯排種器的市場(chǎng)將以機(jī)械式為主，而氣力式排種器則被廣泛用于玉米、小麥等種子粒徑較小的作物。由于馬鈴薯塊莖較大，如果氣力式排種器用于馬鈴薯播種時(shí)，應(yīng)提高氣力式排種器吸嘴的吸入能力，控制吸入的個(gè)數(shù)，降低重播率和漏播率。

4 小結(jié)

我國(guó)自古以來就是農(nóng)業(yè)大國(guó)，擁有數(shù)千年的農(nóng)耕文明。但我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化的起步較晚，目前雖然在一些技術(shù)上有所突破，但相比西方發(fā)達(dá)國(guó)家來說，總體機(jī)械化水平低，生產(chǎn)效率不高，工作穩(wěn)定性較差。未來我國(guó)農(nóng)業(yè)將與現(xiàn)代技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)機(jī)電液一體化聯(lián)動(dòng)，馬鈴薯播種機(jī)在未來必將朝著更加大型化、智能化、自動(dòng)化方向發(fā)展。