马铃薯种植机研究现状及发展趋势

高全德, 高爱民, 孟养荣

(甘肃农业大学机电工程学院,甘肃 兰州 730070)

马铃薯是一种全球性作物,用途广,产业结构链长,是全球第四大粮食作物[1]。它在不同气候条件下都可以种植,其生长周期比较短,产量高。我国是全世界马铃薯种植面积最大的国家[2]。

我国马铃薯种植方式主要以人工或半机械化为主,机械化种植占比不足30%。由于现在农村年轻人口外流,劳动力严重不足,加之人工作业效率低,马铃薯种植茬口短,严重制约了国内马铃薯产业的发展[3]。机械化种植相比人工种植效率可以至少提高三倍,节约成本,能够提高农户种植的积极性。因此,机械化播种是马铃薯大面积种植的前提,是马铃薯产业快速发展必不可少的环节。本文介绍了国内外典型马铃薯种植机及核心零部件的类型及工作原理,对各类机具作业特点进行分析总结,阐述了我国马铃薯种植机研究现状,指出我国与国外存在的差距,分析了我国马铃薯种植机的发展方向。

1 马铃薯种植机类型

马铃薯种植机的核心零部件是排种器,按排种器的类型分,马铃薯种植机主要有勺式、带式、针刺式、气吸式、转盘式五种类型,以勺式应用最广。

1.1 勺式马铃薯种植机

勺式马铃薯种植机根据排种装置驱动力的传输方式不同分为带传输和链传输,其工作原理是:地轮驱动传输链(带)通过种勺在种箱内取种,种箱呈倒三角形,薯种在重力的作用下,自动补充到种箱底端的取种区,在这个工作的过程中,为防薯种结拱,导致其不能自动补充到待取种区,在种箱中会有机械装置不断搅动薯种,或在种箱壁上装有震动装置使种箱壁不停震动。排种链(带)向上循环转动,带动种勺依次从取种区取种,取完种后为防止重播会有清种装置在向上运动的过程中自动清种,待种勺过了最高点后,由于重力的作用薯种会落到前一个种勺的背面,接着在导种管和种勺的共同支撑下,种薯继续向下运动,到达排种点之后,传动链(带)带动种勺向相反的方向运动以继续取种,薯种则失去支撑自动掉入种沟,完成一次排种。随着机具的前进,排种器有规律循环作业。带勺式排种器的优点是结构简单,维护方便,可以缓和冲击和振动,传动更平稳,容易添加振动装置去使用。缺点是皮带容易打滑,可靠性较低。链传动效率更高,株距也更准确,可以在不同工况下工作,更可靠。缺点是取种过程中对种薯的破坏力强,影响种薯的发芽出苗。勺式马铃薯种植机有:德国格瑞莫GL420、中机美诺1240、印度天鹅农业NSE PPR-2[4]。

1.2 带式马铃薯种植机

带式马铃薯种植机排种装置的工作原理是:种箱中的种薯经限流装置自动掉入传送带一端,传送带由数根皮带组成三组,四周都被围起来防止种薯掉落,中间一组由两根皮带组成,可以将种薯依次单个排列输送到排种区,跟另一个同步转动的橡胶滚轮夹持投入种沟,在运动的过程中多余的种薯从两边被反向运动的传送带运回到待取种区,在这个过程中两边较高的薯种不停往中央挤动补位。该机具取种效率高,对种薯的大小形状要求不高。目前采用该技术且具有代表性的种植机有英国斯坦登公司的芝诺21及德国格瑞莫制造的GB系列机具。

1.3 转盘式马铃薯种植机

转盘式马铃薯种植机的核心部件排种器是一个圆形转盘,内部被隔板沿转盘一周分成小格挡,圆盘的上端完全开放,方便人工放种,底部留一个开口用于排种。作业时,由人工从种箱底端取种,放入排种器转盘的各个小格挡中,地轮驱动转盘转动,当转动至底部开口处,种薯在重力作用下掉入导种管,通过导种管排入种沟。这种机械化种植方式的优点是重播、漏播率极低,缺点是需要大量人力辅助作业,成本高,效率较低。意大利IMAC 公司生产的PPS-2F型转盘式马铃薯种植机是采用该技术的代表机具[5]。

1．4 气吸式马铃薯种植机

气吸式马铃薯种植机借助气压来完成播种工作,主要分为气吸式、气压式、气吹式和中央集排式等几种类型[6]。其工作原理是:气动装置在将薯种从种箱中取出时,使用高负压操作以吸附和保持薯种,多余的薯种会被相关的清理装置清除并再次返回种箱以备后用,剩余的薯种在合适的区域(无负压)释放并落入苗床。气动式装置具有对薯种损坏率低、对不同大小和形状的薯种适应性强、操作速度快等优点。例如,美国克拉里洛克伍德606型气力式马铃薯种植机,是采用该技术的具有代表性的种植机。

1．5 针刺式马铃薯种植机

针刺式马铃薯种植机排种器的工作原理是:取种圆盘外侧周围等距分布跟圆周相切的针刺,地轮驱动取种圆盘转动,当转至取种区时,针刺扎取一个马铃薯种,接着转动至投种区时,拨出刺针,薯种自然脱落,完成一次作业[7]。这种排种的优势是种薯的形状和大小对种植的均匀度没有影响,效率也高。短板是在取种的过程种扎伤了种薯,容易发生病菌相互感染,严重影响出苗,应用较少。针刺技术与装备的研究主要集中在美国,20世纪申请了多项以针刺研发为中心的技术发明专利,典型型号是 Lockwood 6200 系列播种机[8]。

2 国外研究现状

20世纪初,西方发达国家开始大量种植马铃薯,逐渐出现辅助人工种植的机械农具,结构相对简单,降低了工人劳动强度。发展到30年代末,出现了可以完全替代人工种植马铃薯的机械。50年代初,逐步出现自动化播种的大型机械。随着马铃薯种植产业链的完善,国外马铃薯种植机逐步开始向智能化发展,整机的作业效率、播种质量都大幅提升。

英国斯坦登公司研发的SP系列马铃薯种植机,一次作业可以完成2～12行播种,同时完成施肥、起垄等配套作业[9]。

美国Crary公司研发生产的Lockwood600系列气吸式马铃薯种植机,有Lockwood604、606、608等3种型号,该系列种植机采用负压吸种方式,排种器使用不锈钢臂的柔性聚氨酯真空杯,既可以选用整薯也可以是切块薯,可在保持种子放置精度的同时提高播种速度[10]。其采用拖拉机牵引式,配套马力分别为140、180、225匹,播种行数分别为4、6、8行,并使用雷达控制的液压驱动控制更精确的播种距离,在机具轮轴上配备GPS导航系统。

德国格瑞莫公司的GL系列勺式马铃薯播种机对种薯的形状要求不高,种箱最大容量为6 t,可选用倾斜式种箱,液压系统调节种箱倾斜度,保证薯种的及时补充,同时配备传感器和智能控制系统以保证投放到每个播种单元的薯种是等量的,控制终端都安装在驾驶室,方便驾驶员及时操控,用户可以根据自己的需求选装智能控制系统。驾驶室还配备开沟器的控制终端,可以根据需求随时调整开沟的深度和形状。其中该系列最大的机型GL860 Compacta机身可以折叠,既可以满足大型作业,又方便灵活转移,同时采用模块化设计,可以满足不同需求的作业,适应性强[11]。

3 国内研究现状

我国马铃薯种植面积和总产量都居世界首位,但在20世纪50年代末才开始马铃薯种植机械的研究,起步较晚。由于受气候环境、耕地地形、种植模式等多种因素影响,我国不能完全引进国外技术[12]。目前,我国主要以勺式中小型马铃薯种植机为主。

青岛洪珠2CM-4马铃薯种植机,播种行数为4行,株距可调,对取种、排种系统做了突破性改进,具有单粒取种、等株距排种、取种破损率低等优点[13]。

中机美诺1240A马铃薯种植机适用于大田联合播种作业,播种效率高,种植效率为8 000～12 000 m2/h。为牵引式配备液压系统可以阻断地轮驱动力,方便田间地头倒车调头。株距、施肥量可调,使用双圆盘开沟器开沟播种,圆盘两侧施肥,避免了化肥烧苗的问题,提高了出苗率[14]。

山东希成2CM-4B马铃薯种植机,播种单元采用了具有自主知识产权的“碗勺”式排种装置和振动、晃动、链条张紧机构,实现了无需借助人工而达到精量播种。其种植深度控制采用单体限深仿形机构,解决了因地域、土质等因素而造成的播种深度不均的问题,提高了播深稳定性[15]。该马铃薯种植机突破固有的模式,具有圆盘式扶垄器,应用范围得到了扩大,垄形控制更多样,能够满足不同的农艺要求。将种薯碗设计成三种不同大小的可更换式种薯碗,交错等间距地排列安装于排种器薯种带上,碗勺的背面设有翻边,使其适应种薯的范围得到了扩大[16]。

黑龙江省农业机械工程科学研究院杨金砖[17]研制的2CMF-4型牵引式马铃薯种植机,使用液压系统控制地轮运动和种箱的倾斜角,设计了仿形圆盘及开沟器,方便随时控制播种深度的一致,设计了导种、清种结构,降低了重播、漏播率。

甘肃农业大学孙伟[18]等设计了膜上打孔马铃薯种植机,该机具主要针对西北干旱地区提前起垄铺膜的种植方式,设计了双曲柄多杆成穴机构进行膜上穴播作业,首先通过勺链式排种器将薯种在成穴器运动的过程中排入其接种杯中,然后再由侧开式排种机构完成种植,最后由跨越式提土装置进行覆土。

青岛农业大学郭栋[19]等设计了2CM-SF马铃薯播种机,由手扶拖拉机牵引,体积小,作业灵活,适用于丘陵山区小地块作业,可以实现开沟、播种、施肥及起垄等功能。同时可以根据农户的需求,调整起垄的宽度和垄面的高度,提高了适用性。

华中农业大学段宏兵[20]等设计了一种三角链半杯勺式马铃薯播种机,对排种器进行了优化,首先增大了半杯勺的结构尺寸,取种性能更可靠,其次在排种器的顶端增加了一段水平清种区,在种勺水平运动的过程中,多余种薯在重力的作用下又回到种箱,降低了重播、漏播率。

牛康[21]等设计了一套漏种检测、自补系统,可以实现漏种检测及补种,且补种株距精确,有效降低了漏播率。

4 我国马铃薯种植机发展过程存在的问题

(1)生产效率低。我国马铃薯种植机以中小型为主,发展参差不齐,高新技术产品少,对比国外马铃薯种植机存在较大差距。

(2)可靠性和播种质量低。由于我国马铃薯种植产业不成熟,薯种以切块薯为主,对排种装置要求较高,不能实现精量播种,漏播检测及自动补种系统还处于研究试验阶段,不能在田间复杂工作环境下应用。

(3)农机农艺融合差。受气候环境、地形条件和土地规模等因素限制,我国马铃薯种植模式差异大,缺少配套的联合作业马铃薯种植机。

5 发展展望

(1)针对马铃薯种植机播种质量差和作业不稳定问题,加强对关键技术的研究,同时将目前的制造新技术、新工艺运用到关键零部件的制造中,提高马铃薯种植机的稳定性和可靠性,以实现精量播种。

(2)根据我国的地理条件及农艺要求研究不同类型的马铃薯种植机,针对小地块、梯田山地或丘陵地区,加快实现马铃薯全过程机械化的中小型机械研发,同时研究适用于大面积作业的大型机,提高机具的适用性。

(3)提高马铃薯种植机的自动化和智能化水平是未来的发展重点,集液压、电控、导航、智能检测等于一体,数字技术的应用将成为提高播种质量和作业效率关键组成部分。一些发达国家已经开始使用这些技术,未来国内马铃薯种植机也将逐步向这个方向发展。