2BQS-8型氣力式蔬菜播種機的設計與實驗

高鵬飛,劉自強,張景陽,羅 偉,李中義,鄭 威,楊 華

(黑龍江德沃科技開發有限公司,哈爾濱 150086)

0 引言

中國是蔬菜種植大國,總種植面積呈逐年增加趨勢,其中2021年蔬菜總播種面積約為2 186.67萬hm2,比2020年增長1.8%;2021年蔬菜總產量約為7.67億t,比2020年增長2.4%。我國蔬菜總種植面積僅次于糧食作物居第二位,總產量則超過糧食作物近1億t,居農產品第一位。當前我國蔬菜生產量和消費量供求關系基本平衡,但隨著農村人口尤其是高素質人口的流失,蔬菜總種植面積減少及社會蔬菜總需求量增加,在確保價格穩定和食品安全的前提下如何保證穩定可持續的蔬菜有效供應,已經成為蔬菜產業發展的關鍵因素和工作目標。

隨著勞動力缺失問題的日趨加劇,用工難度和成本逐年增加,已成為蔬菜生產中更加突顯且亟待解決的問題。據統計,近十年來我國蔬菜生產成本年均漲幅在8%以上,尤其是勞動力費用漲幅較快,年均漲幅達19%,至2022年人工成本已占到蔬菜生產總成本的56%。隨著我國城鎮化進程的加快,將有更多的農村富余勞動力向非農產業轉移,勞動力成本不斷增加已成為不爭的事實。蔬菜生產全程機械化是解決蔬菜產業發展和勞動生產率提高的最重要途徑,實現我國蔬菜現代化的必由之路是蔬菜生產機械化[1]。蔬菜機械化程度越高,就越能加快農業發展和農村建設步伐。要想實現蔬菜產業跨越式發展和實現社會主義新農村建設目標,蔬菜生產機械化勢必先行。

我國蔬菜種植規模居世界前列,傳統的種植模式以人工為主,存在著用工量多、勞動強度大、種植標準不規范等顯著問題。要改變落后的生產方式同時增加農民收入,采用蔬菜機械化生產模式是解決這一問題的根本。我國蔬菜生產機械化發展起步較晚,機械化程度較低,整體技術裝備水平較為落后,綜合機械化率僅為20%,遠低于糧食作物綜合機械化水平。近些年,我國在主糧作物綜合機械化水平和質量方面有了顯著的進步和提升,但由于蔬菜生產的差異性和特殊性,土地狀況達不到機械化作業要求等因素的影響,蔬菜綜合機械化技術裝備發展緩慢,尤其機械化栽植和收獲環節水平仍然很低[2-3]。農機與農藝融合度不高是制約蔬菜機械化發展的瓶頸,已成為行業共識[4-5]。

我國蔬菜種類繁多,種植模式差異大,農藝要求不統一。與玉米、大豆等主糧作物相比,蔬菜機械生產所需農機裝備的研發推廣難度更加艱巨。一直以來,農業生產中存在重視主糧作物,而輕視蔬菜的觀念。在裝備研發方面則重視農藝,輕視裝備研發和投入,蔬菜機械化生產受到重視的程度和相關研發投入都很少,且不夠系統全面。在蔬菜精量播種和機械收獲等關鍵技術方面還未取得關鍵性突破,各環節機械配套程度差、作業效率和質量低下的問題非常突出。

我國蔬菜精量播種機的研發起步較晚,因此研制一種新型小粒蔬菜氣吸式精密直播機械對提高蔬菜生產效率和促進蔬菜產業發展具有十分重要的意義。

1 發展現狀及趨勢

20世紀50年代,西方發達國家開始了蔬菜田間播種機械化技術和裝備的研究,其中以日本、美國、德國和意大利等國的技術裝備水平最高,應用范圍最廣。日本以小型化育苗移栽機械為主,手扶兼有自走機型,多應用于溫室大棚或者小型地塊使用。美國及歐洲國家則主要以大型化移栽機械和氣力式精密直播機為主,兼有施肥等聯合作業功能,應用地塊和推廣面積較大,并開始向自動化、智能化和機電液一體化方向發展。蔬菜直播機械中多采用光電傳感器感知播種狀態,根據參數變化自動調節播種各項指標以提高播種精度。從世界范圍看甘藍、芹菜、洋蔥、萵苣、大白菜、蘿卜等蔬菜均已實現機械化精量播種。

我國的蔬菜精量機械化直播技術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、種植農藝差異化和農戶傳統觀念等關鍵因素的束縛和制約,蔬菜直播機械的整體性能還有較大提升空間。

蔬菜播種機械從第一代的人工器械落種到目前較為先進的雙壓氣力式精量播種機械共經歷了六代的發展歷程。

第一代由于時間久遠,設備較少,作業效果欠佳。

第二代是手推式條播機(圖1),采用人力推動地輪前進,帶動播種器條狀播種,作業效率在0.05～0.08 hm2·h-1。其優點在于價格便宜,結構簡單,使用方便。但存在著人工勞動強度大,效率低的問題。

第三代是機械式條播機(圖2),采用拖拉機牽引的方式帶動地輪動力驅動排種器進行條播作業,該機型播種效率較高,人工強度較低,但條播精度較差,有輕微傷種現象,工作效率在0.40～0.53 hm2·h-1。

圖1 手推式條播機

隨后是第四代氣吸式播種機和第五代氣吸氣吹雙壓播種機(圖3)。第四代氣吸式播種機由輪式拖拉機驅動單負壓風機吸種,地輪驅動排種器自然投種,單播率≥52%,漏播率≤10%;第五代氣吸氣吹雙壓播種機是由輪式拖拉機驅動雙壓風機工作,其中負壓吸種,正壓吹種輔助投種,單播率≥78%,漏播率≤5%。氣力式蔬菜直播機的使用使播種效率和質量得到了較大提升,作業效率0.40～0.67 hm2·h-1,存在問題是自然落種均勻度較差,時有堵種現象發生。

目前,技術較為先進的氣力式雙壓精密播種機為第六代(圖4)。該機型重新調整雙壓配置及參數設計,優化結構布局,有效提高了吸種剔種能力,降低重播漏播率,實現單粒精密播種,減少苗期間苗環節,單播率≥95%,漏播率≤2%。作業效率在0.53～0.80 hm2·h-1,滿足規模種植戶大面積蔬菜播種需要。

圖2 機械式蔬菜條播機

圖3 氣力式蔬菜播種機

圖4 氣力式蔬菜精密播種機

2 整機結構及原理

2.1 結構

2BQS-8型氣力式蔬菜播種機采用三點后懸掛的方式與輪式拖拉機掛接使用,單主梁左右對稱橫向布置播種單元,實現單雙苗帶播種作業需求。采用雙壓風量控制,負壓用于吸種,正壓剔種吹雜,防止漏播重播現象出現,單粒率高,實現高速精密播種。整機采用一行單雙苗帶的播種形式,適用于壟上或者整地做畦,可實現一行雙苗帶密植作業,苗帶間距6～13 cm可調。可根據不同蔬菜種子的播種需要,一次性完成淺層開溝、精密播種、雙側覆土、圓輪壓種、整體鎮壓等作業,行距和株距可根據需要適時調整。

該機的推廣應用具有以下顯著優點:1)在同等條件下,其作業效率是普通機械式蔬菜播種機效率的2倍以上,是種子鋪繩機效率的5倍以上,是人工手推式播種機效率的10倍以上,顯著提高了作業效率;2)該機播種種子損傷率小于1%,而機械式蔬菜播種機種子的損傷率則大于10%,該機保證精量播種種子的發芽率;3)可實現單粒精量播種,使用種子的數量為機械式蔬菜播種機的30%～50%,節省大量價格昂貴的種子;4)具有隨地仿形系統保證播種深度一致、株距均勻、漏播率和重播率低等技術優勢,提高蔬菜單產和品質;5)可實現一機多用,能適應不同區域、不同種植農藝模式的多種蔬菜播種作業,應用范圍廣泛。

蔬菜播種機整機結構根據不同品種、不同地域蔬菜播種作業農藝技術需求,結合雙壓吸排種高速作業對機具構造、掛接方式等方面的要求,設計結構見圖5。

該機主要由播種單體、主機架、風機及風量控制系統等主體結構及在線監測報警系統等部分構成。主體結構的總風管、種箱及播種單體等組件以機架中心面兩側對稱布置,播種壟數為4壟,播種行數為4～8 行。整機共配置4組仿形開溝播種鎮壓部件,每組可根據實際需要設置1～2套排種裝置,行距大于6～13 cm,壟距55～75 cm可調,滿足壟上單雙條播種作業需求。播種單體壟上多行采取入土位置前后交錯排列,以滿足行距需求。播種開溝器為靴式開溝器,具有防風功能,播種作業時5級以下風力不影響播種精度。單體仿形與四連桿機構的組合使用,保證排種器在播種過程中株距和播深一致。微型鎮壓輪直接壓種,保證種子與土壤充分接觸,吸收水分與養分,不會出現地表露種現象。正壓過濾系統,保證正壓管道內清潔,有效防止排種器堵塞,避免漏吸種現象。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。吸排種盤采用特殊材質制成,耐腐蝕不易磨損,使用壽命長,播種精度高。

1.支腳;2.播種單體;3.懸掛機架;4.仿形輪;5.傳動鏈條;6.總風管;7.雙壓風機;8.吸風口;9.風壓壓力表;10.氣吸排種器;11.調壓手柄;12.播深調整手柄;13.驅動地輪;14.鎮壓輪圖5 2BQS-8型氣力式蔬菜播種機側視圖

2.2 工作原理

機組進行蔬菜播種作業時,配套動力選擇36.8 kW以上輪式拖拉機,三點后懸掛聯接。動力輸出軸PTO接合轉速540 r·min-1,驅動雙壓風機旋轉,同時啟動播種及風壓監測系統,機組在行進過程入土,機具入土后播種作業速度控制在3～5 km·h-1。

通常蔬菜播前整地狀態較好,播種機作業速度不高,提高小粒蔬菜種子防風性能以保證穩定的株距和播深是提高播種機作業質量的關鍵,因此該機播種單體仿形限深機構采用前圓形輥輪的設計型式,防風型靴式開溝器開溝深度1～3 cm,寬度0.8～2.0 cm。圓輥型鎮壓輪起到合壟均勻壓實土壤的作用。蔬菜小粒種子排種器為雙壓氣力式,負壓完成吸種,正壓清除多余種子,提高播種單粒性,降低重播現象。排種器投種位置與地面高度在5～10 cm,可實現精準低位零速投種。風機選用高速渦扇低噪音型式,風扇直徑?520 mm,負壓壓力19～23 kPa,風量120～150 m3·h-1,輸風管采用不銹鋼無縫管減少壓損,具備風壓在線監測功能。整機在線監測系統由光電傳感器檢測種子下落狀況,監測種子的漏播和重播數據,發生堵塞時發出報警信號,并統計株距和播種量等信息。

2.3 技術參數

2BQS-8型氣力式蔬菜播種機主要技術參數見表1。

表1 主要技術參數

3 田間試驗及性能測試

3.1 排種器試驗

試驗地點選在黑龍江省農業機械工程科學研究院播種機排種器實驗室,使用播種機排種器專用檢測平臺進行性能試驗,監測數據結果見表2。

3.2 整機性能測試

試驗地點在河北省張家口市沽源縣,播種的蔬菜為娃娃菜、白菜、甘藍,播種時3 d內未下雨,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,風力3～4級,土壤濕度為33%。

表2 排種器性能測試數據

性能測試依據按《單粒(精密)播種機 試驗方法》(GB/T6973—1986)和《單粒(精密)播種機 技術條件》(JB/T10293—2013)等國家標準及行業標準的要求執行,對該播種機各項技術性能指標進行性能測試。

播種時每次在每個排種單體種箱內填加0.5 kg的種子,配套拖拉機選擇約翰迪爾904,擋位為中1擋,播種娃娃菜株距為20 cm,白菜為40 cm,甘藍為42 cm。在已播地中隨機選取一段找到連續的10粒種子測量株距。在地頭時注意觀察排種盤上種子吸附情況,如大面積漏種則馬上調整。播種株距測試結果見表3。

表3 播種株距測試結果 單位:mm

3.3 結果分析

整機播種作業質量受排種器性能影響較大,穩定可靠的吸、排、剔種直接影響到重播率、單粒率和株距一致性,可靠穩定的雙壓風量系統對播種機的播種質量非常關鍵。通過試驗可以看出該機在風量控制的穩定性方面還需要進一步加強。測試結果見表4。其次對播種、株距、行距和播深等參數影響較大的因素還有拖拉機手的操作水平與對設備的熟悉程度,需做好用戶培訓工作。

通過排種器實驗室試驗以及整機生產考核,該氣力式小粒蔬菜種子專用排種器的性能達到了《單粒(精密)播種機 試驗方法》(GB/T6973—1986)設計要求。

表4 蔬菜播種機性能測試結果

4 結論

1)該蔬菜直播機可完成白菜、油菜等多種丸粒蔬菜的精量播種作業。播種質量符合《播種機質量技術評價規范》(NY/T1143—2006 )行業標準的規定,可滿足壟上單條雙條蔬菜播種農藝技術需要。

2)經過生產考核和性能測定,該氣力式蔬菜播種機專用排種器各項指標均達國家行業標準相關要求。整機播種作業順暢,能夠完成開溝、播種、覆土、鎮壓等各項功能,播種量完全能滿足種植要求。整機結構設計合理,技術參數選擇準確,具有結構緊湊,配置合理,作業效果好和經濟效益顯著等優點。該機的成功研制為我國蔬菜機械化直播裝備的研發提供了一定的參考和借鑒。