2BQS-8型氣力式蔬菜播種機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)

高鵬飛,劉自強(qiáng),張景陽(yáng),羅 偉,李中義,鄭 威,楊 華

(黑龍江德沃科技開(kāi)發(fā)有限公司,哈爾濱 150086)

0 引言

中國(guó)是蔬菜種植大國(guó),總種植面積呈逐年增加趨勢(shì),其中2021年蔬菜總播種面積約為2 186.67萬(wàn)hm2,比2020年增長(zhǎng)1.8%;2021年蔬菜總產(chǎn)量約為7.67億t,比2020年增長(zhǎng)2.4%。我國(guó)蔬菜總種植面積僅次于糧食作物居第二位,總產(chǎn)量則超過(guò)糧食作物近1億t,居農(nóng)產(chǎn)品第一位。當(dāng)前我國(guó)蔬菜生產(chǎn)量和消費(fèi)量供求關(guān)系基本平衡,但隨著農(nóng)村人口尤其是高素質(zhì)人口的流失,蔬菜總種植面積減少及社會(huì)蔬菜總需求量增加,在確保價(jià)格穩(wěn)定和食品安全的前提下如何保證穩(wěn)定可持續(xù)的蔬菜有效供應(yīng),已經(jīng)成為蔬菜產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵因素和工作目標(biāo)。

隨著勞動(dòng)力缺失問(wèn)題的日趨加劇,用工難度和成本逐年增加,已成為蔬菜生產(chǎn)中更加突顯且亟待解決的問(wèn)題。據(jù)統(tǒng)計(jì),近十年來(lái)我國(guó)蔬菜生產(chǎn)成本年均漲幅在8%以上,尤其是勞動(dòng)力費(fèi)用漲幅較快,年均漲幅達(dá)19%,至2022年人工成本已占到蔬菜生產(chǎn)總成本的56%。隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快,將有更多的農(nóng)村富余勞動(dòng)力向非農(nóng)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移,勞動(dòng)力成本不斷增加已成為不爭(zhēng)的事實(shí)。蔬菜生產(chǎn)全程機(jī)械化是解決蔬菜產(chǎn)業(yè)發(fā)展和勞動(dòng)生產(chǎn)率提高的最重要途徑,實(shí)現(xiàn)我國(guó)蔬菜現(xiàn)代化的必由之路是蔬菜生產(chǎn)機(jī)械化[1]。蔬菜機(jī)械化程度越高,就越能加快農(nóng)業(yè)發(fā)展和農(nóng)村建設(shè)步伐。要想實(shí)現(xiàn)蔬菜產(chǎn)業(yè)跨越式發(fā)展和實(shí)現(xiàn)社會(huì)主義新農(nóng)村建設(shè)目標(biāo),蔬菜生產(chǎn)機(jī)械化勢(shì)必先行。

我國(guó)蔬菜種植規(guī)模居世界前列,傳統(tǒng)的種植模式以人工為主,存在著用工量多、勞動(dòng)強(qiáng)度大、種植標(biāo)準(zhǔn)不規(guī)范等顯著問(wèn)題。要改變落后的生產(chǎn)方式同時(shí)增加農(nóng)民收入,采用蔬菜機(jī)械化生產(chǎn)模式是解決這一問(wèn)題的根本。我國(guó)蔬菜生產(chǎn)機(jī)械化發(fā)展起步較晚,機(jī)械化程度較低,整體技術(shù)裝備水平較為落后,綜合機(jī)械化率僅為20%,遠(yuǎn)低于糧食作物綜合機(jī)械化水平。近些年,我國(guó)在主糧作物綜合機(jī)械化水平和質(zhì)量方面有了顯著的進(jìn)步和提升,但由于蔬菜生產(chǎn)的差異性和特殊性,土地狀況達(dá)不到機(jī)械化作業(yè)要求等因素的影響,蔬菜綜合機(jī)械化技術(shù)裝備發(fā)展緩慢,尤其機(jī)械化栽植和收獲環(huán)節(jié)水平仍然很低[2-3]。農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝融合度不高是制約蔬菜機(jī)械化發(fā)展的瓶頸,已成為行業(yè)共識(shí)[4-5]。

我國(guó)蔬菜種類繁多,種植模式差異大,農(nóng)藝要求不統(tǒng)一。與玉米、大豆等主糧作物相比,蔬菜機(jī)械生產(chǎn)所需農(nóng)機(jī)裝備的研發(fā)推廣難度更加艱巨。一直以來(lái),農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中存在重視主糧作物,而輕視蔬菜的觀念。在裝備研發(fā)方面則重視農(nóng)藝,輕視裝備研發(fā)和投入,蔬菜機(jī)械化生產(chǎn)受到重視的程度和相關(guān)研發(fā)投入都很少,且不夠系統(tǒng)全面。在蔬菜精量播種和機(jī)械收獲等關(guān)鍵技術(shù)方面還未取得關(guān)鍵性突破,各環(huán)節(jié)機(jī)械配套程度差、作業(yè)效率和質(zhì)量低下的問(wèn)題非常突出。

我國(guó)蔬菜精量播種機(jī)的研發(fā)起步較晚,因此研制一種新型小粒蔬菜氣吸式精密直播機(jī)械對(duì)提高蔬菜生產(chǎn)效率和促進(jìn)蔬菜產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有十分重要的意義。

1 發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)

20世紀(jì)50年代,西方發(fā)達(dá)國(guó)家開(kāi)始了蔬菜田間播種機(jī)械化技術(shù)和裝備的研究,其中以日本、美國(guó)、德國(guó)和意大利等國(guó)的技術(shù)裝備水平最高,應(yīng)用范圍最廣。日本以小型化育苗移栽機(jī)械為主,手扶兼有自走機(jī)型,多應(yīng)用于溫室大棚或者小型地塊使用。美國(guó)及歐洲國(guó)家則主要以大型化移栽機(jī)械和氣力式精密直播機(jī)為主,兼有施肥等聯(lián)合作業(yè)功能,應(yīng)用地塊和推廣面積較大,并開(kāi)始向自動(dòng)化、智能化和機(jī)電液一體化方向發(fā)展。蔬菜直播機(jī)械中多采用光電傳感器感知播種狀態(tài),根據(jù)參數(shù)變化自動(dòng)調(diào)節(jié)播種各項(xiàng)指標(biāo)以提高播種精度。從世界范圍看甘藍(lán)、芹菜、洋蔥、萵苣、大白菜、蘿卜等蔬菜均已實(shí)現(xiàn)機(jī)械化精量播種。

我國(guó)的蔬菜精量機(jī)械化直播技術(shù)及裝備研究還處于起步階段,因受播前耕整地條件、排種器綜合性能、種植農(nóng)藝差異化和農(nóng)戶傳統(tǒng)觀念等關(guān)鍵因素的束縛和制約,蔬菜直播機(jī)械的整體性能還有較大提升空間。

蔬菜播種機(jī)械從第一代的人工器械落種到目前較為先進(jìn)的雙壓氣力式精量播種機(jī)械共經(jīng)歷了六代的發(fā)展歷程。

第一代由于時(shí)間久遠(yuǎn),設(shè)備較少,作業(yè)效果欠佳。

第二代是手推式條播機(jī)(圖1),采用人力推動(dòng)地輪前進(jìn),帶動(dòng)播種器條狀播種,作業(yè)效率在0.05～0.08 hm2·h-1。其優(yōu)點(diǎn)在于價(jià)格便宜,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,使用方便。但存在著人工勞動(dòng)強(qiáng)度大,效率低的問(wèn)題。

第三代是機(jī)械式條播機(jī)(圖2),采用拖拉機(jī)牽引的方式帶動(dòng)地輪動(dòng)力驅(qū)動(dòng)排種器進(jìn)行條播作業(yè),該機(jī)型播種效率較高,人工強(qiáng)度較低,但條播精度較差,有輕微傷種現(xiàn)象,工作效率在0.40～0.53 hm2·h-1。

圖1 手推式條播機(jī)

隨后是第四代氣吸式播種機(jī)和第五代氣吸氣吹雙壓播種機(jī)(圖3)。第四代氣吸式播種機(jī)由輪式拖拉機(jī)驅(qū)動(dòng)單負(fù)壓風(fēng)機(jī)吸種,地輪驅(qū)動(dòng)排種器自然投種,單播率≥52%,漏播率≤10%;第五代氣吸氣吹雙壓播種機(jī)是由輪式拖拉機(jī)驅(qū)動(dòng)雙壓風(fēng)機(jī)工作,其中負(fù)壓吸種,正壓吹種輔助投種,單播率≥78%,漏播率≤5%。氣力式蔬菜直播機(jī)的使用使播種效率和質(zhì)量得到了較大提升,作業(yè)效率0.40～0.67 hm2·h-1,存在問(wèn)題是自然落種均勻度較差,時(shí)有堵種現(xiàn)象發(fā)生。

目前,技術(shù)較為先進(jìn)的氣力式雙壓精密播種機(jī)為第六代(圖4)。該機(jī)型重新調(diào)整雙壓配置及參數(shù)設(shè)計(jì),優(yōu)化結(jié)構(gòu)布局,有效提高了吸種剔種能力,降低重播漏播率,實(shí)現(xiàn)單粒精密播種,減少苗期間苗環(huán)節(jié),單播率≥95%,漏播率≤2%。作業(yè)效率在0.53～0.80 hm2·h-1,滿足規(guī)模種植戶大面積蔬菜播種需要。

圖2 機(jī)械式蔬菜條播機(jī)

圖3 氣力式蔬菜播種機(jī)

圖4 氣力式蔬菜精密播種機(jī)

2 整機(jī)結(jié)構(gòu)及原理

2.1 結(jié)構(gòu)

2BQS-8型氣力式蔬菜播種機(jī)采用三點(diǎn)后懸掛的方式與輪式拖拉機(jī)掛接使用,單主梁左右對(duì)稱橫向布置播種單元,實(shí)現(xiàn)單雙苗帶播種作業(yè)需求。采用雙壓風(fēng)量控制,負(fù)壓用于吸種,正壓剔種吹雜,防止漏播重播現(xiàn)象出現(xiàn),單粒率高,實(shí)現(xiàn)高速精密播種。整機(jī)采用一行單雙苗帶的播種形式,適用于壟上或者整地做畦,可實(shí)現(xiàn)一行雙苗帶密植作業(yè),苗帶間距6～13 cm可調(diào)?？筛鶕?jù)不同蔬菜種子的播種需要,一次性完成淺層開(kāi)溝、精密播種、雙側(cè)覆土、圓輪壓種、整體鎮(zhèn)壓等作業(yè),行距和株距可根據(jù)需要適時(shí)調(diào)整。

該機(jī)的推廣應(yīng)用具有以下顯著優(yōu)點(diǎn):1)在同等條件下,其作業(yè)效率是普通機(jī)械式蔬菜播種機(jī)效率的2倍以上,是種子鋪繩機(jī)效率的5倍以上,是人工手推式播種機(jī)效率的10倍以上,顯著提高了作業(yè)效率;2)該機(jī)播種種子損傷率小于1%,而機(jī)械式蔬菜播種機(jī)種子的損傷率則大于10%,該機(jī)保證精量播種種子的發(fā)芽率;3)可實(shí)現(xiàn)單粒精量播種,使用種子的數(shù)量為機(jī)械式蔬菜播種機(jī)的30%～50%,節(jié)省大量?jī)r(jià)格昂貴的種子;4)具有隨地仿形系統(tǒng)保證播種深度一致、株距均勻、漏播率和重播率低等技術(shù)優(yōu)勢(shì),提高蔬菜單產(chǎn)和品質(zhì);5)可實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用,能適應(yīng)不同區(qū)域、不同種植農(nóng)藝模式的多種蔬菜播種作業(yè),應(yīng)用范圍廣泛。

蔬菜播種機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)根據(jù)不同品種、不同地域蔬菜播種作業(yè)農(nóng)藝技術(shù)需求,結(jié)合雙壓吸排種高速作業(yè)對(duì)機(jī)具構(gòu)造、掛接方式等方面的要求,設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖5。

該機(jī)主要由播種單體、主機(jī)架、風(fēng)機(jī)及風(fēng)量控制系統(tǒng)等主體結(jié)構(gòu)及在線監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)等部分構(gòu)成。主體結(jié)構(gòu)的總風(fēng)管、種箱及播種單體等組件以機(jī)架中心面兩側(cè)對(duì)稱布置,播種壟數(shù)為4壟,播種行數(shù)為4～8 行。整機(jī)共配置4組仿形開(kāi)溝播種鎮(zhèn)壓部件,每組可根據(jù)實(shí)際需要設(shè)置1～2套排種裝置,行距大于6～13 cm,壟距55～75 cm可調(diào),滿足壟上單雙條播種作業(yè)需求。播種單體壟上多行采取入土位置前后交錯(cuò)排列,以滿足行距需求。播種開(kāi)溝器為靴式開(kāi)溝器,具有防風(fēng)功能,播種作業(yè)時(shí)5級(jí)以下風(fēng)力不影響播種精度。單體仿形與四連桿機(jī)構(gòu)的組合使用,保證排種器在播種過(guò)程中株距和播深一致。微型鎮(zhèn)壓輪直接壓種,保證種子與土壤充分接觸,吸收水分與養(yǎng)分,不會(huì)出現(xiàn)地表露種現(xiàn)象。正壓過(guò)濾系統(tǒng),保證正壓管道內(nèi)清潔,有效防止排種器堵塞,避免漏吸種現(xiàn)象。排種器模塊化處理,可以自由組合,以滿足不同蔬菜播種行距的要求。吸排種盤(pán)采用特殊材質(zhì)制成,耐腐蝕不易磨損,使用壽命長(zhǎng),播種精度高。

1.支腳;2.播種單體;3.懸掛機(jī)架;4.仿形輪;5.傳動(dòng)鏈條;6.總風(fēng)管;7.雙壓風(fēng)機(jī);8.吸風(fēng)口;9.風(fēng)壓壓力表;10.氣吸排種器;11.調(diào)壓手柄;12.播深調(diào)整手柄;13.驅(qū)動(dòng)地輪;14.鎮(zhèn)壓輪圖5 2BQS-8型氣力式蔬菜播種機(jī)側(cè)視圖

2.2 工作原理

機(jī)組進(jìn)行蔬菜播種作業(yè)時(shí),配套動(dòng)力選擇36.8 kW以上輪式拖拉機(jī),三點(diǎn)后懸掛聯(lián)接。動(dòng)力輸出軸PTO接合轉(zhuǎn)速540 r·min-1,驅(qū)動(dòng)雙壓風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn),同時(shí)啟動(dòng)播種及風(fēng)壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng),機(jī)組在行進(jìn)過(guò)程入土,機(jī)具入土后播種作業(yè)速度控制在3～5 km·h-1。

通常蔬菜播前整地狀態(tài)較好,播種機(jī)作業(yè)速度不高,提高小粒蔬菜種子防風(fēng)性能以保證穩(wěn)定的株距和播深是提高播種機(jī)作業(yè)質(zhì)量的關(guān)鍵,因此該機(jī)播種單體仿形限深機(jī)構(gòu)采用前圓形輥輪的設(shè)計(jì)型式,防風(fēng)型靴式開(kāi)溝器開(kāi)溝深度1～3 cm,寬度0.8～2.0 cm。圓輥型鎮(zhèn)壓輪起到合壟均勻壓實(shí)土壤的作用。蔬菜小粒種子排種器為雙壓氣力式,負(fù)壓完成吸種,正壓清除多余種子,提高播種單粒性,降低重播現(xiàn)象。排種器投種位置與地面高度在5～10 cm,可實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)低位零速投種。風(fēng)機(jī)選用高速渦扇低噪音型式,風(fēng)扇直徑?520 mm,負(fù)壓壓力19～23 kPa,風(fēng)量120～150 m3·h-1,輸風(fēng)管采用不銹鋼無(wú)縫管減少壓損,具備風(fēng)壓在線監(jiān)測(cè)功能。整機(jī)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由光電傳感器檢測(cè)種子下落狀況,監(jiān)測(cè)種子的漏播和重播數(shù)據(jù),發(fā)生堵塞時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào),并統(tǒng)計(jì)株距和播種量等信息。

2.3 技術(shù)參數(shù)

2BQS-8型氣力式蔬菜播種機(jī)主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 主要技術(shù)參數(shù)

3 田間試驗(yàn)及性能測(cè)試

3.1 排種器試驗(yàn)

試驗(yàn)地點(diǎn)選在黑龍江省農(nóng)業(yè)機(jī)械工程科學(xué)研究院播種機(jī)排種器實(shí)驗(yàn)室,使用播種機(jī)排種器專用檢測(cè)平臺(tái)進(jìn)行性能試驗(yàn),監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果見(jiàn)表2。

3.2 整機(jī)性能測(cè)試

試驗(yàn)地點(diǎn)在河北省張家口市沽源縣,播種的蔬菜為娃娃菜、白菜、甘藍(lán),播種時(shí)3 d內(nèi)未下雨,地面干燥,土壤為沙壤土,播種地塊已完成旋耕并起壟,壟長(zhǎng)為500 m,種植模式為壟上直播,壟距60 cm,壟上2苗帶,苗帶間距20 cm,一次播種6行,風(fēng)力3～4級(jí),土壤濕度為33%。

表2 排種器性能測(cè)試數(shù)據(jù)

性能測(cè)試依據(jù)按《單粒(精密)播種機(jī) 試驗(yàn)方法》(GB/T6973—1986)和《單粒(精密)播種機(jī) 技術(shù)條件》(JB/T10293—2013)等國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求執(zhí)行,對(duì)該播種機(jī)各項(xiàng)技術(shù)性能指標(biāo)進(jìn)行性能測(cè)試。

播種時(shí)每次在每個(gè)排種單體種箱內(nèi)填加0.5 kg的種子,配套拖拉機(jī)選擇約翰迪爾904,擋位為中1擋,播種娃娃菜株距為20 cm,白菜為40 cm,甘藍(lán)為42 cm。在已播地中隨機(jī)選取一段找到連續(xù)的10粒種子測(cè)量株距。在地頭時(shí)注意觀察排種盤(pán)上種子吸附情況,如大面積漏種則馬上調(diào)整。播種株距測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 播種株距測(cè)試結(jié)果 單位:mm

3.3 結(jié)果分析

整機(jī)播種作業(yè)質(zhì)量受排種器性能影響較大,穩(wěn)定可靠的吸、排、剔種直接影響到重播率、單粒率和株距一致性,可靠穩(wěn)定的雙壓風(fēng)量系統(tǒng)對(duì)播種機(jī)的播種質(zhì)量非常關(guān)鍵。通過(guò)試驗(yàn)可以看出該機(jī)在風(fēng)量控制的穩(wěn)定性方面還需要進(jìn)一步加強(qiáng)。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表4。其次對(duì)播種、株距、行距和播深等參數(shù)影響較大的因素還有拖拉機(jī)手的操作水平與對(duì)設(shè)備的熟悉程度,需做好用戶培訓(xùn)工作。

通過(guò)排種器實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)以及整機(jī)生產(chǎn)考核,該氣力式小粒蔬菜種子專用排種器的性能達(dá)到了《單粒(精密)播種機(jī) 試驗(yàn)方法》(GB/T6973—1986)設(shè)計(jì)要求。

表4 蔬菜播種機(jī)性能測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)論

1)該蔬菜直播機(jī)可完成白菜、油菜等多種丸粒蔬菜的精量播種作業(yè)。播種質(zhì)量符合《播種機(jī)質(zhì)量技術(shù)評(píng)價(jià)規(guī)范》(NY/T1143—2006 )行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定,可滿足壟上單條雙條蔬菜播種農(nóng)藝技術(shù)需要。

2)經(jīng)過(guò)生產(chǎn)考核和性能測(cè)定,該氣力式蔬菜播種機(jī)專用排種器各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)國(guó)家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)要求。整機(jī)播種作業(yè)順暢,能夠完成開(kāi)溝、播種、覆土、鎮(zhèn)壓等各項(xiàng)功能,播種量完全能滿足種植要求。整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理,技術(shù)參數(shù)選擇準(zhǔn)確,具有結(jié)構(gòu)緊湊,配置合理,作業(yè)效果好和經(jīng)濟(jì)效益顯著等優(yōu)點(diǎn)。該機(jī)的成功研制為我國(guó)蔬菜機(jī)械化直播裝備的研發(fā)提供了一定的參考和借鑒。