马铃薯播种机机械式取种技术研究

韩宏宇，徐 俊，杨 华，杜木军，窦钰程，程亨曼，沈 亮

(1.黑龙江省农业机械工程科学研究院，哈尔滨 150081；2.东北农业大学，哈尔滨 150030)



马铃薯播种机机械式取种技术研究

韩宏宇1，徐 俊2，杨 华1，杜木军1，窦钰程1，程亨曼1，沈 亮1

(1.黑龙江省农业机械工程科学研究院，哈尔滨 150081；2.东北农业大学，哈尔滨 150030)

马铃薯种植过程中，播种是十分重要的环节，播种质量的好坏将直接影响马铃薯的产量和质量，最终影响种植户的收入。播种单体是马铃薯播种机的核心机构，播种机具的工作效果由播种单体的效果决定。为了提高马铃薯播种机的播种精度，重点解决马铃薯播种机在播种过程中出现的易伤薯种、重播漏播严重及株距不均等问题，重点研究了马铃薯机械式取种技术。为此，综合国内外有关的马铃薯取种的先进技术，并以解决市场上播种机械普遍存在的问题为目标，对马铃薯机械式取种技术进行完善和改进，使其达到最佳的工作效果。

马铃薯播种机；机械取种；播种精度；播种单体

0 引言

马铃薯是我国第四大粮食作物，其种植面积仅次于小麦、水稻和玉米。2015年，我国马铃薯的种植面积为561.46万hm2，居世界首位；2020年的目标为666.67万hm2，产量达到1.5亿t[1-4]。马铃薯对环境的适应性极强，无论是干旱还是寒冷，其都可以适应生长。马铃薯的营养价值很高，被广泛地应用于食品工业中，因此全世界都在广泛地种植马铃薯。我国有着世界上最多的人口，伴随着巨大的人口就是食物需求问题，通过大量生产马铃薯可以有效缓解我国的粮食压力。马铃薯不仅可以作为粮食，还可以作为蔬菜，特别受到人们的欢迎和青睐。我国的马铃薯种植面积目前居世界首位，相关资料表明未来的几年内我国对于马铃薯的需求量还会继续增加。资料显示：早在20世纪40-80年代，美国、加拿大、英国、日本、德国等发达国家马铃薯产量已达到6 000kg/667m2，而我国受机械化水平的限制只有1 000kg/667m2[5-7]。传统的人工种植已经无法满足马铃薯的生产需要，机械化种植马铃薯得到了不断的发展，实现了马铃薯播种、施肥、中耕、收获及仓储全程机械化，大大地提高了马铃薯的产量。然而，随着马铃薯种植农艺要求的不断提高，马铃薯播种技术暴露出许多弊端。目前，马铃薯播种器有勺式取种、气吸式取种、针刺式取种、转盘式取种及板阀式取种等等。其中，勺式取种技术应用最为广泛，具有结构简单、安全可靠及效果好等优点，但也存在漏播、重播及易伤署等弊端。本研究将结合勺式取种的已有经验，重点解决、优化该播种技术，创新设计出新一代的马铃薯机械式取种技术，做到漏播率和重播低率、株距均匀、调节方便且播种效果好，以促进马铃薯机械化技术的进步与发展。

1 国内外马铃薯播种机发展现状

1.1 国内马铃薯播机械发展现状

我国是马铃薯种植大国，有着丰富的马铃薯种植经验，对马铃薯的机械化研究进行得相对较早。20世纪中叶时期，我国就有相关的人员进行着这方面的研究，但总体的马铃薯机械化水平却并不乐观，与一些国家相比，总体水平的不足就有所暴露[8]。目前，中小型马铃薯机械占据国内主要市场，其工作效率是完全不能满足规模化种植需求。随着科技的发展，农业机械的功率越来越大，而与之配套的大马力机械却十分稀少。虽然经过国内学者的研究，大型的机械水平有所突破，但是技术并不成熟，当务之急是突破马铃薯机械的瓶颈，促进整体水平的提高。

1.2 国外马铃薯播种机械发展现状

第二次世界大战以后，传统农业在欧美的许多发达国家逐渐退出历史的舞台，取而代之的是现代的农业经营，其有着深厚的机械经验积累，在这坚实的基础下促进了这些国家的机械化水平得到了质的飞越，已经到了十分成熟的地步，已经向大型化、智能化、精量化及多功能联合型方向发展[9]。这些欧美发达国家依靠其几十年的种植经验，促进了马铃薯机械化水平的完善，在速度、工作效率、播种质量都十分突出，在机具的通用性和适应性方面更为出色，使普遍存在的漏种率及伤种率高等问题都得到了有效的解决，极大地促进了单产的提高。现在，大部分的发达国家把目标定为不断突破工作原理上的难题，以完善结构，提高机具的使用寿命，在提高工作效率的同时降低生产成本，提高播种机具的适用性和通用性。

2 马铃薯勺式取种器的设计和工作原理

2.1 马铃薯勺式取种器种勺设计与分析

种薯的尺寸长度L、宽度M、厚度P的最大值分别为60、52、35mm。经分析可知：种薯在种勺开始舀取时多以长轴方向竖立于勺内,以宽轴方向“侧卧”于勺内,或以厚轴“平躺”于种勺内,在种勺穿过薯层时,可能舀取一颗或数颗种薯。在升运过程中,由于种勺在高频电子振动系统作用下不断抖动和机器在作业行驶过程中不断产生振动,种勺内的多余种薯可从种勺中筛出,重新落回种薯箱,剩下的单颗种薯在重力作用下逐渐以厚轴平置的方式稳躺在种勺内。

在结构设计上要满足舀薯及投薯要求:L/2≤B≤2L，可保证舀上种薯。B为种勺勺口长度最小值，即60/2mm≤B≤2×60mm。由此有30mm≤B≤120mm，取B=40mm。

P/2≤N≤2P，可保证种勺带着种薯稳定上升。N为种勺高度最小值，即35/2mm≤N≤2×35mm。由此有17.5mm≤N≤70mm，取N=20。

种勺示意图如图1所示。

图1 种勺示意图

2.2 马铃薯勺式取种器连接的相关设计与分析

目前，马铃薯播种机广泛使用的装置主要有带勺式、勺盘式和针刺式。带勺式取薯装置不仅精度高而且适应性广、安装方便，对于不同株距的调节也十分便捷。 本研究设计的带勺式取薯装置由主从动带轮和宽橡胶带构成，橡胶带上分布两行取种勺呈“之”字型交错放置，使取种更充分，降低了漏取现象的发生 。

橡胶带线速度与作业速度成正比。 研究表明：当橡胶带速度为 0.30m/s 时，取种器工作效果良好；当橡胶带线速度为 0.55m/s 时，工作质量有所下降 ，漏播现象明显增加。所以，只有橡胶带线速度在0.3～0.55m/s之间，取种器的工作效果可以满足农艺需求。若橡胶带速度大于0.55m/s，漏播现象明显增加，不能满足农艺的种植需求。本研究采用升运橡胶带速度为0.3～0.5m/s。

橡胶带的长度会直接影响排种的均匀性，无论过长或者过短都会引起播种质量下降。如果橡胶带太长，输种的距离就会随之变长；如果太短，会使种子停留时间短，还没有在托片上停留就掉落，会严重影响种子的播种均匀性。所以，选取合适的橡胶带的长度是非常重要的。经过反复试验摸索可知，橡胶带的长度约为2m ，薯种的升运高度不大于0.5m。

选用橡胶带的转速也是十分重要的。如果转速过高，漏种率和种子损伤率都会有明显的增加；如果橡胶带转速太小，直接影响到脉动频率，过低的脉动频率会使排种的均匀性下降。依据马铃薯的播种要求，本设计选用最高转速不大于40r/min 的橡胶带取种勺速度[10-11]。

2.3 马铃薯勺式取种器振动装置的设计

薯种切块方式是我国马铃薯种植时普遍采用的，人工切块有着许多弊端，对种薯大小均匀性不能保证，给种勺的选取带来了难度。然而，笔者的种勺是大小一致均匀的，这就引起的重播现象的发生。为了解决这一问题，就要求播种单体上需要有剔种机构。目前，常见的这种降低重播的机构多为机械式，但容易出现故障且效果并不是十分理想。本研究在结合机械式剔种的基础上，采用电机作为振动源，创新设计偏心轮，不仅解决了机械式剃种的弊端，而且安全可靠故障率低，且振动均匀适中。经过优化参数设计和实验的研究，该电子振动系统大大提高了种署的剔除率，减少了重播的发生。振动装置如图2所示。

图2 振动装置结构示意图

偏心轮偏心距的确定：如果偏心轮的偏心距过大，会造成振动过强，使种勺内的种子全部振落；如果偏心距过小，会达不到清种的效果。偏心距的计算公式为

(1)

其中，λmin为偏心距最小值，取α=80°；ω为电机角速度，选取电机角速度为62.8rad/s。计算结果为λmin=1.8mm。考虑到实际加工工艺的需求，本研究选取偏心距为2mm，如图3所示。

图3 偏心轮示意图

2.4 主动带轮的设计

种署在种勺的作用下，实现了播种作业；但在种勺带着种署播种的过程中，如果受到过大的惯性力，种署会被甩出，会造成严重的漏播现象。所以，主动带轮的设计十分重要。

马铃薯的播种粒距在300mm左右，经过实地试验测得播种机的工作速度在超过1.5m/s时播种质量下降。所以，为了保证高质量的播种，主动带轮的线速度最大为0.5m/s。当以一定的速度和播种间距进行工作时，如播种勺的排布越密集则需要的主动带轮的线速度就越低，本研究选取种勺的间距为70mm。经研究可知：主动轮的半径R需要大于50mm，但如果主动轮半径过小，会严重损坏皮带的寿命，综合加工和使用等多方面因素，取主动带轮直径为160mm，如图4所示。

2.5 马铃薯勺式取种器的工作原理

该排种器有效降低了损伤率、重播率，播种的均匀性有明显的提高，且独特的株距调节机构大大提高了播种机的工作适应性，具体的工作原理如图5所示。带式排种装置由主动轮、多个取种勺和架体等组成。工作时，动力经过传动系统传到主动轮，主动轮带动从动轮旋转，带轮上的皮带也随之运动，皮带上均匀分布的种勺随着皮带一同运动；当种勺进入种箱后就会将种箱内的种子舀起，种子随着种勺运动到最高点后，种子会掉落在上一个种勺的背上，并随之继续运动，最后种子落入土壤种，排种器的工作完成。

图4 主动带轮示意图

1.种箱 2.马铃薯种子 3.马铃薯取种勺

3 试验与结果

3.1 实验室试验

马铃薯播种单体试制完成后，对其进行初步的性能鉴定，设置一种实验装置，主要由电机和台架组成，将播种单体放在试验台上进行初步性能鉴定实验。接通电机为播种单体提供动力，观察播种单体的空载时的运动状态，然后进行模拟播种实验，观察播种的质量。通过实验，对播种单体的总体性能进行了优化，对种勺的形状进行了修改，并对导薯机构和主动带轮的参数进行了优化，完善后的播种单体准备进行田间试验。

3.2 田间试验

将优化后的马铃薯播种单体安装在两行马铃薯播种机上(图6为安装后的两行马铃薯播种机)，进行播种前的调试，使机器达到作业的状态，与拖拉机进行连接进行田间播种试验，分别在黑龙江省农业机械工程科学研究院试验田和黑龙江省兰西县进行了播种试验(图7为试验人员在试验田进行播种实验)，累计的作业面积可达33.3hm2。试验表明:该播种单体适用性广，株距调节方便、可靠稳定、播种质量高。试验人员进行了相关的测量(图8为实验人员进行相关数据测量)，包括重播率、漏播率、株距和播深。结果显示: 各项性能指标均达到国家标准，具体机具参数如表1所示。

图6 两行马铃薯播种机

图7 田间试验

图8 试验数据测量

项目单位数据作业效率hm2/h0.4～0.7合格率%>90重播率%≤4漏播率%≤4

4 结论

结合现有马铃薯播种机勺式取种技术的优点和经验，重点优化了马铃薯机械式取种技术，实现了低损伤率、低重播率、低漏播率，且结构简单易于操作，性能安全可靠。同时，降低了生产成本，在市场的推广方面具有十分大的潜力，对马铃薯全程机械化有促进作用。

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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”国家科技支撑计划项目(2014BAD06B03)

韩宏宇(1974-)，男，黑龙江泰来人，高级工程师，硕士，(E-mail)coolredrain@163.com。

S223.2+6

A

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