馬鈴薯播種機(jī)機(jī)械式取種技術(shù)研究

韓宏宇，徐 俊，楊 華，杜木軍，竇鈺程，程亨曼，沈 亮

(1.黑龍江省農(nóng)業(yè)機(jī)械工程科學(xué)研究院，哈爾濱 150081；2.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)，哈爾濱 150030)

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馬鈴薯播種機(jī)機(jī)械式取種技術(shù)研究

韓宏宇1，徐 俊2，楊 華1，杜木軍1，竇鈺程1，程亨曼1，沈 亮1

(1.黑龍江省農(nóng)業(yè)機(jī)械工程科學(xué)研究院，哈爾濱 150081；2.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)，哈爾濱 150030)

馬鈴薯種植過程中，播種是十分重要的環(huán)節(jié)，播種質(zhì)量的好壞將直接影響馬鈴薯的產(chǎn)量和質(zhì)量，最終影響種植戶的收入。播種單體是馬鈴薯播種機(jī)的核心機(jī)構(gòu)，播種機(jī)具的工作效果由播種單體的效果決定。為了提高馬鈴薯播種機(jī)的播種精度，重點(diǎn)解決馬鈴薯播種機(jī)在播種過程中出現(xiàn)的易傷薯種、重播漏播嚴(yán)重及株距不均等問題，重點(diǎn)研究了馬鈴薯機(jī)械式取種技術(shù)。為此，綜合國內(nèi)外有關(guān)的馬鈴薯取種的先進(jìn)技術(shù)，并以解決市場上播種機(jī)械普遍存在的問題為目標(biāo)，對馬鈴薯機(jī)械式取種技術(shù)進(jìn)行完善和改進(jìn)，使其達(dá)到最佳的工作效果。

馬鈴薯播種機(jī)；機(jī)械取種；播種精度；播種單體

0 引言

馬鈴薯是我國第四大糧食作物，其種植面積僅次于小麥、水稻和玉米。2015年，我國馬鈴薯的種植面積為561.46萬hm2，居世界首位；2020年的目標(biāo)為666.67萬hm2，產(chǎn)量達(dá)到1.5億t[1-4]。馬鈴薯對環(huán)境的適應(yīng)性極強(qiáng)，無論是干旱還是寒冷，其都可以適應(yīng)生長。馬鈴薯的營養(yǎng)價值很高，被廣泛地應(yīng)用于食品工業(yè)中，因此全世界都在廣泛地種植馬鈴薯。我國有著世界上最多的人口，伴隨著巨大的人口就是食物需求問題，通過大量生產(chǎn)馬鈴薯可以有效緩解我國的糧食壓力。馬鈴薯不僅可以作為糧食，還可以作為蔬菜，特別受到人們的歡迎和青睞。我國的馬鈴薯種植面積目前居世界首位，相關(guān)資料表明未來的幾年內(nèi)我國對于馬鈴薯的需求量還會繼續(xù)增加。資料顯示：早在20世紀(jì)40-80年代，美國、加拿大、英國、日本、德國等發(fā)達(dá)國家馬鈴薯產(chǎn)量已達(dá)到6 000kg/667m2，而我國受機(jī)械化水平的限制只有1 000kg/667m2[5-7]。傳統(tǒng)的人工種植已經(jīng)無法滿足馬鈴薯的生產(chǎn)需要，機(jī)械化種植馬鈴薯得到了不斷的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了馬鈴薯播種、施肥、中耕、收獲及倉儲全程機(jī)械化，大大地提高了馬鈴薯的產(chǎn)量。然而，隨著馬鈴薯種植農(nóng)藝要求的不斷提高，馬鈴薯播種技術(shù)暴露出許多弊端。目前，馬鈴薯播種器有勺式取種、氣吸式取種、針刺式取種、轉(zhuǎn)盤式取種及板閥式取種等等。其中，勺式取種技術(shù)應(yīng)用最為廣泛，具有結(jié)構(gòu)簡單、安全可靠及效果好等優(yōu)點(diǎn)，但也存在漏播、重播及易傷署等弊端。本研究將結(jié)合勺式取種的已有經(jīng)驗，重點(diǎn)解決、優(yōu)化該播種技術(shù)，創(chuàng)新設(shè)計出新一代的馬鈴薯機(jī)械式取種技術(shù)，做到漏播率和重播低率、株距均勻、調(diào)節(jié)方便且播種效果好，以促進(jìn)馬鈴薯機(jī)械化技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展。

1 國內(nèi)外馬鈴薯播種機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 國內(nèi)馬鈴薯播機(jī)械發(fā)展現(xiàn)狀

我國是馬鈴薯種植大國，有著豐富的馬鈴薯種植經(jīng)驗，對馬鈴薯的機(jī)械化研究進(jìn)行得相對較早。20世紀(jì)中葉時期，我國就有相關(guān)的人員進(jìn)行著這方面的研究，但總體的馬鈴薯機(jī)械化水平卻并不樂觀，與一些國家相比，總體水平的不足就有所暴露[8]。目前，中小型馬鈴薯機(jī)械占據(jù)國內(nèi)主要市場，其工作效率是完全不能滿足規(guī)模化種植需求。隨著科技的發(fā)展，農(nóng)業(yè)機(jī)械的功率越來越大，而與之配套的大馬力機(jī)械卻十分稀少。雖然經(jīng)過國內(nèi)學(xué)者的研究，大型的機(jī)械水平有所突破，但是技術(shù)并不成熟，當(dāng)務(wù)之急是突破馬鈴薯機(jī)械的瓶頸，促進(jìn)整體水平的提高。

1.2 國外馬鈴薯播種機(jī)械發(fā)展現(xiàn)狀

第二次世界大戰(zhàn)以后，傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)在歐美的許多發(fā)達(dá)國家逐漸退出歷史的舞臺，取而代之的是現(xiàn)代的農(nóng)業(yè)經(jīng)營，其有著深厚的機(jī)械經(jīng)驗積累，在這堅實(shí)的基礎(chǔ)下促進(jìn)了這些國家的機(jī)械化水平得到了質(zhì)的飛越，已經(jīng)到了十分成熟的地步，已經(jīng)向大型化、智能化、精量化及多功能聯(lián)合型方向發(fā)展[9]。這些歐美發(fā)達(dá)國家依靠其幾十年的種植經(jīng)驗，促進(jìn)了馬鈴薯機(jī)械化水平的完善，在速度、工作效率、播種質(zhì)量都十分突出，在機(jī)具的通用性和適應(yīng)性方面更為出色，使普遍存在的漏種率及傷種率高等問題都得到了有效的解決，極大地促進(jìn)了單產(chǎn)的提高。現(xiàn)在，大部分的發(fā)達(dá)國家把目標(biāo)定為不斷突破工作原理上的難題，以完善結(jié)構(gòu)，提高機(jī)具的使用壽命，在提高工作效率的同時降低生產(chǎn)成本，提高播種機(jī)具的適用性和通用性。

2 馬鈴薯勺式取種器的設(shè)計和工作原理

2.1 馬鈴薯勺式取種器種勺設(shè)計與分析

種薯的尺寸長度L、寬度M、厚度P的最大值分別為60、52、35mm。經(jīng)分析可知：種薯在種勺開始舀取時多以長軸方向豎立于勺內(nèi),以寬軸方向“側(cè)臥”于勺內(nèi),或以厚軸“平躺”于種勺內(nèi),在種勺穿過薯層時,可能舀取一顆或數(shù)顆種薯。在升運(yùn)過程中,由于種勺在高頻電子振動系統(tǒng)作用下不斷抖動和機(jī)器在作業(yè)行駛過程中不斷產(chǎn)生振動,種勺內(nèi)的多余種薯可從種勺中篩出,重新落回種薯箱,剩下的單顆種薯在重力作用下逐漸以厚軸平置的方式穩(wěn)躺在種勺內(nèi)。

在結(jié)構(gòu)設(shè)計上要滿足舀薯及投薯要求:L/2≤B≤2L，可保證舀上種薯。B為種勺勺口長度最小值，即60/2mm≤B≤2×60mm。由此有30mm≤B≤120mm，取B=40mm。

P/2≤N≤2P，可保證種勺帶著種薯穩(wěn)定上升。N為種勺高度最小值，即35/2mm≤N≤2×35mm。由此有17.5mm≤N≤70mm，取N=20。

種勺示意圖如圖1所示。

圖1 種勺示意圖

2.2 馬鈴薯勺式取種器連接的相關(guān)設(shè)計與分析

目前，馬鈴薯播種機(jī)廣泛使用的裝置主要有帶勺式、勺盤式和針刺式。帶勺式取薯裝置不僅精度高而且適應(yīng)性廣、安裝方便，對于不同株距的調(diào)節(jié)也十分便捷。 本研究設(shè)計的帶勺式取薯裝置由主從動帶輪和寬橡膠帶構(gòu)成，橡膠帶上分布兩行取種勺呈“之”字型交錯放置，使取種更充分，降低了漏取現(xiàn)象的發(fā)生 。

橡膠帶線速度與作業(yè)速度成正比。 研究表明：當(dāng)橡膠帶速度為 0.30m/s 時，取種器工作效果良好；當(dāng)橡膠帶線速度為 0.55m/s 時，工作質(zhì)量有所下降 ，漏播現(xiàn)象明顯增加。所以，只有橡膠帶線速度在0.3～0.55m/s之間，取種器的工作效果可以滿足農(nóng)藝需求。若橡膠帶速度大于0.55m/s，漏播現(xiàn)象明顯增加，不能滿足農(nóng)藝的種植需求。本研究采用升運(yùn)橡膠帶速度為0.3～0.5m/s。

橡膠帶的長度會直接影響排種的均勻性，無論過長或者過短都會引起播種質(zhì)量下降。如果橡膠帶太長，輸種的距離就會隨之變長；如果太短，會使種子停留時間短，還沒有在托片上停留就掉落，會嚴(yán)重影響種子的播種均勻性。所以，選取合適的橡膠帶的長度是非常重要的。經(jīng)過反復(fù)試驗摸索可知，橡膠帶的長度約為2m ，薯種的升運(yùn)高度不大于0.5m。

選用橡膠帶的轉(zhuǎn)速也是十分重要的。如果轉(zhuǎn)速過高，漏種率和種子損傷率都會有明顯的增加；如果橡膠帶轉(zhuǎn)速太小，直接影響到脈動頻率，過低的脈動頻率會使排種的均勻性下降。依據(jù)馬鈴薯的播種要求，本設(shè)計選用最高轉(zhuǎn)速不大于40r/min 的橡膠帶取種勺速度[10-11]。

2.3 馬鈴薯勺式取種器振動裝置的設(shè)計

薯種切塊方式是我國馬鈴薯種植時普遍采用的，人工切塊有著許多弊端，對種薯大小均勻性不能保證，給種勺的選取帶來了難度。然而，筆者的種勺是大小一致均勻的，這就引起的重播現(xiàn)象的發(fā)生。為了解決這一問題，就要求播種單體上需要有剔種機(jī)構(gòu)。目前，常見的這種降低重播的機(jī)構(gòu)多為機(jī)械式，但容易出現(xiàn)故障且效果并不是十分理想。本研究在結(jié)合機(jī)械式剔種的基礎(chǔ)上，采用電機(jī)作為振動源，創(chuàng)新設(shè)計偏心輪，不僅解決了機(jī)械式剃種的弊端，而且安全可靠故障率低，且振動均勻適中。經(jīng)過優(yōu)化參數(shù)設(shè)計和實(shí)驗的研究，該電子振動系統(tǒng)大大提高了種署的剔除率，減少了重播的發(fā)生。振動裝置如圖2所示。

圖2 振動裝置結(jié)構(gòu)示意圖

偏心輪偏心距的確定：如果偏心輪的偏心距過大，會造成振動過強(qiáng)，使種勺內(nèi)的種子全部振落；如果偏心距過小，會達(dá)不到清種的效果。偏心距的計算公式為

(1)

其中，λmin為偏心距最小值，取α=80°；ω為電機(jī)角速度，選取電機(jī)角速度為62.8rad/s。計算結(jié)果為λmin=1.8mm。考慮到實(shí)際加工工藝的需求，本研究選取偏心距為2mm，如圖3所示。

圖3 偏心輪示意圖

2.4 主動帶輪的設(shè)計

種署在種勺的作用下，實(shí)現(xiàn)了播種作業(yè)；但在種勺帶著種署播種的過程中，如果受到過大的慣性力，種署會被甩出，會造成嚴(yán)重的漏播現(xiàn)象。所以，主動帶輪的設(shè)計十分重要。

馬鈴薯的播種粒距在300mm左右，經(jīng)過實(shí)地試驗測得播種機(jī)的工作速度在超過1.5m/s時播種質(zhì)量下降。所以，為了保證高質(zhì)量的播種，主動帶輪的線速度最大為0.5m/s。當(dāng)以一定的速度和播種間距進(jìn)行工作時，如播種勺的排布越密集則需要的主動帶輪的線速度就越低，本研究選取種勺的間距為70mm。經(jīng)研究可知：主動輪的半徑R需要大于50mm，但如果主動輪半徑過小，會嚴(yán)重?fù)p壞皮帶的壽命，綜合加工和使用等多方面因素，取主動帶輪直徑為160mm，如圖4所示。

2.5 馬鈴薯勺式取種器的工作原理

該排種器有效降低了損傷率、重播率，播種的均勻性有明顯的提高，且獨(dú)特的株距調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)大大提高了播種機(jī)的工作適應(yīng)性，具體的工作原理如圖5所示。帶式排種裝置由主動輪、多個取種勺和架體等組成。工作時，動力經(jīng)過傳動系統(tǒng)傳到主動輪，主動輪帶動從動輪旋轉(zhuǎn)，帶輪上的皮帶也隨之運(yùn)動，皮帶上均勻分布的種勺隨著皮帶一同運(yùn)動；當(dāng)種勺進(jìn)入種箱后就會將種箱內(nèi)的種子舀起，種子隨著種勺運(yùn)動到最高點(diǎn)后，種子會掉落在上一個種勺的背上，并隨之繼續(xù)運(yùn)動，最后種子落入土壤種，排種器的工作完成。

圖4 主動帶輪示意圖

1.種箱 2.馬鈴薯種子 3.馬鈴薯取種勺

3 試驗與結(jié)果

3.1 實(shí)驗室試驗

馬鈴薯播種單體試制完成后，對其進(jìn)行初步的性能鑒定，設(shè)置一種實(shí)驗裝置，主要由電機(jī)和臺架組成，將播種單體放在試驗臺上進(jìn)行初步性能鑒定實(shí)驗。接通電機(jī)為播種單體提供動力，觀察播種單體的空載時的運(yùn)動狀態(tài)，然后進(jìn)行模擬播種實(shí)驗，觀察播種的質(zhì)量。通過實(shí)驗，對播種單體的總體性能進(jìn)行了優(yōu)化，對種勺的形狀進(jìn)行了修改，并對導(dǎo)薯機(jī)構(gòu)和主動帶輪的參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，完善后的播種單體準(zhǔn)備進(jìn)行田間試驗。

3.2 田間試驗

將優(yōu)化后的馬鈴薯播種單體安裝在兩行馬鈴薯播種機(jī)上(圖6為安裝后的兩行馬鈴薯播種機(jī))，進(jìn)行播種前的調(diào)試，使機(jī)器達(dá)到作業(yè)的狀態(tài)，與拖拉機(jī)進(jìn)行連接進(jìn)行田間播種試驗，分別在黑龍江省農(nóng)業(yè)機(jī)械工程科學(xué)研究院試驗田和黑龍江省蘭西縣進(jìn)行了播種試驗(圖7為試驗人員在試驗田進(jìn)行播種實(shí)驗)，累計的作業(yè)面積可達(dá)33.3hm2。試驗表明:該播種單體適用性廣，株距調(diào)節(jié)方便、可靠穩(wěn)定、播種質(zhì)量高。試驗人員進(jìn)行了相關(guān)的測量(圖8為實(shí)驗人員進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)測量)，包括重播率、漏播率、株距和播深。結(jié)果顯示: 各項性能指標(biāo)均達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)，具體機(jī)具參數(shù)如表1所示。

圖6 兩行馬鈴薯播種機(jī)

圖7 田間試驗

圖8 試驗數(shù)據(jù)測量

項目單位數(shù)據(jù)作業(yè)效率hm2/h0.4～0.7合格率%>90重播率%≤4漏播率%≤4

4 結(jié)論

結(jié)合現(xiàn)有馬鈴薯播種機(jī)勺式取種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)和經(jīng)驗，重點(diǎn)優(yōu)化了馬鈴薯機(jī)械式取種技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了低損傷率、低重播率、低漏播率，且結(jié)構(gòu)簡單易于操作，性能安全可靠。同時，降低了生產(chǎn)成本，在市場的推廣方面具有十分大的潛力，對馬鈴薯全程機(jī)械化有促進(jìn)作用。

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The Research of Mechanical Seed Extraction Based on Potato Seeder

Han HongYu1, Xu Jun2, Yang Hua1, Du MuJun1, Dou YuCheng1, Cheng Hengman1, Shen Liang1

(1.Heilongjiang Province Institute of Agricultural Machinery Engineering Science,Harbin 150081, China; 2.Northeast Agricultural University,Harbin 150030,China)

Seeding is important segment during the process of potato planting. Seeding quality will affect the yield and quality of potatoes directly, and ultimately affect the income of the farmers. Seeding unit is the core institution of potato seeder, which determined the working effect of potato seeder. In order to improve the seeding accuracy of the potato seeder, solve the problems such as seed injuring, seeding absence and plant spacing disproportionation during the process of potato planting. This study aims to solve the common problems among the products on the market, mainly studies the mechanical seed extraction and comprehensive advanced technology about seed extraction at home and abroad. Improve and complete the mechanical seed extraction of potato seeder to optimize the work efficiency.

potato seeder; mechanical seed extraction; seeding accuracy; seeding unit; Working effect

2016-09-08

“十二五”國家科技支撐計劃項目(2014BAD06B03)

韓宏宇(1974-)，男，黑龍江泰來人，高級工程師，碩士，(E-mail)coolredrain@163.com。

S223.2+6

A

1003-188X(2017)10-0104-04