育种试验马铃薯播种机的设计与试验

王 婕,杨然兵,田光博,张 建,翟宇鸣

(青岛农业大学 机电工程学院,山东 青岛 266109)

0 引言

目前,我国作为世界上马铃薯种植面积最大的国家,单产量却不及世界马铃薯产量的平均水平[1]。马铃薯的品质和产量关键在于种薯,因此应进一步加快马铃薯优良品种的培育[2]。马铃薯播种作为育种试验中的关键步骤,对马铃薯生长情况及育种试验结果的准确性具有重要作用。我国马铃薯育种试验主要依靠人工播种,劳动强度大,作业质量差;或者通过小型马铃薯播种机进行播种。育种试验播种需要频繁更换马铃薯种薯种类,人工换种费时费力,机器启停次数多,重种、漏种现象严重[3]。

现阶段,国内外对于马铃薯播种机关键技术的研究已逐渐成熟,而用于马铃薯育种试验的播种机的研究几乎还处于空白阶段[4]。马铃薯播种机最常见的排种方式为舀勺式[5-8],工作时由链传动或带传动带动舀勺从种箱中舀取种薯后进行排种,这需要种箱中充满马铃薯种薯,否则极易造成漏种现象;而马铃薯育种试验播种时需要的马铃薯种薯数量小,不适宜采用最常归的舀勺式排种装置。此外,常见的马铃薯排种方式还有气吸式[9-11],每个吸种管每次吸取1粒种薯进行排种。如果种箱内种薯过多,排种时无法及时将多余种薯排出,极易造成混种现象;如果种箱内种薯过少,会出现漏种现象。

因此,以上两种方式都不适于马铃薯育种试验时的播种。本文将应用圆盘式排种装置进行供种,通过导种管进行马铃薯的排种,同时采用倾斜式种薯托盘进行种薯的有序存放与供种,研发一种适用于育种试验的马铃薯播种机,达到换种方便迅速、无漏播和重播现象、播种效率高的目的。

1 种植模式与农艺要求

随着生物技术的发展,马铃薯育种方法不断更新换代,但诱变育种、细胞工程育种及转基因育种等技术仍不完善,成效甚微,当前传统杂交育种技术仍是马铃薯育种的主要手段[12]。传统马铃薯杂交育种一般需要经过杂交组合配制、杂种实生苗世代繁育、无性一代选择、无性二代选择、无性系评价、预备品比试验、品系比较试验、区域试验以及品种审定或登记等步骤,各个步骤顺利的前提下,育成1个马铃薯新品种通常需要10年左右的时间。如果育种过程中出现突发情况导致试验报废,甚至需要更长的时间。因此,播种作为育种试验的首要环节,需要避免因播种效果差造成的试验报废[13]。

其中,选择温室无性系或田间无性系的块茎作为一个群体次年播种,适宜株距为35～40cm,形成无性一代[14]。早期收获时,单株堆放,表现优良的单株作标记。由于每个无性系只有1个植株,且易受环境影响,因此无性二代植株选择4～5个块茎种植。通常1个无性系种植于同一条垄上,间隔空间可以种上1个易于识别的品种或者留下适当的距离。在无性三代及以后世代的选择中,通过扩大播种数量及播种面积的方式来评价群体特征特性,一般采用两行区种植,每行10株,每隔9区设1个对照。预备品系比较试验为种植上年入选的无性系,3行区,每行20株,每隔4区设1个对照。马铃薯播种为马铃薯育种试验中无性一代、二代的选择等步骤所进行的播种作业,要求每个品种的马铃薯播种规定数量的种薯,并观察其生长状况以及收获的马铃薯块茎的外观,包括薯形、皮色、芽眼深浅、产量等指标。以北方一季作地区无性一代选择马铃薯育种播种为例,其播种农艺如图1所示。其每个品种播种4株,株距20传cm,间隔1m播种下一个品种 ,垄距90cm。

1.进风管 2.旋转风管 3.输送装置 4.毛刷 5.集枣箱 6.地面图1 育种试验马铃薯种植农艺示意图Fig.1 Breeding experiment Schematic diagram of potato planting agronomy

2 总体结构及工作原理

2.1 总体结构

育种试验马铃薯播种机由施肥装置、圆盘排种装置、种薯托盘组、下肥铲、落种装置、座椅、开沟器、覆土装置、划线器等部分组成,如图2所示。

1.施肥装置 2.种薯托盘组 3.圆盘排种装置 4.划线器 5.座椅 6.覆土装置 7.地轮图2 育种试验马铃薯播种机Fig.2 Potato planter for single plant breeding

其中,圆盘装置由圆盘底座、轴承、漏斗式圆盘内隔板等部件组成。下方为下肥铲、下种铲及覆土装置,机器前方为施肥装置。机器采用悬挂式,整台机器在拖拉机带动下向前运动,由地轮转动带动施肥装置及排种装置运动。

2.2 工作原理

马铃薯育种试验时,根据育种试验时地块内播种的种薯种类及数量需要,提前将马铃薯种薯放入种薯托盘上,每一列只放1粒种薯,并将马铃薯种类进行编号,写在托盘外壁,再将种薯摆放在放置在种薯托盘上。播种作业时,工作人员坐于座椅上,负责将种薯从托盘上取出放置于圆盘排种装置上;播种机采用三点悬挂与拖拉机进行连接,采用地轮进行驱动,地轮轴通过链轮带动格盘横梁转动,格盘横梁通过锥齿轮带动圆盘轴转动,格盘轴进而带动格盘转动;种薯随着格盘转动,经落种口、导种管落到开沟器开出的种沟内,由覆土圆盘进行覆土;完成1盘种薯的播种后,进行下一个托盘种薯的播种。

2.3 主要工作参数

育种试验马铃薯种薯播种机采用两垄两行种植方式,主要工作参数如表1所示。

3 关键部件设计

3.1 圆盘式排种装置的设计

相比于普通地块马铃薯的播种,育种试验时马铃种薯的播种需要频繁更换种类,而需要的每个种类的种薯数量不多。育种试验播种时,最主要的就是保证每个规定穴中的马铃薯品种的精确性,不能混种,否则将会对育种试验结果产生很大影响。因此,排种装置作为马铃薯播种机的重要部分,需要满足不混种的要求。圆盘式排种装置主要由底板、圆盘外圈、圆盘内圈、圆盘隔板、中心轴、轴承及漏斗式内隔板等部分构成,如图3所示。

1.中心轴 2.底板 3.漏斗式内隔板 4.落种口 5.圆盘隔板 6.圆盘外圈 7.轴承图3 圆盘式排种装置Fig.3 Disc type seed metering device

圆盘式排种装置由锥齿轮带动进行运动,装置的底板固定于机架上,全程不发生运动,中心轴、圆盘外圈、圆盘内圈、圆盘隔板、漏斗式内隔板焊接为一体式,由锥齿轮带动进行旋转运动。操作人员将种薯放置于圆盘的每一小格内,种薯随圆盘的转动同时进行转动;当种薯所在的小格与底板上的落种口对齐时,种薯在自身重力作用下掉落。为防止种薯在圆盘的小格内转动的过程中,由于空间太大,种薯掉落的初始位置不同,从而导致株距不同,影响育种试验的准确性,在圆盘的每一小格内部增加了漏斗式内隔板,如图4所示。

图4 漏斗式内隔板Fig.4 Funnel-type inner partition

考虑到种薯的三轴尺寸,选取圆盘式排种装置的外圈直径为500mm、内圈直径为300mm。为保证操作人员放置种薯速度不低于圆盘式排种装置的转速,将圆盘分为12小格,漏斗式内隔板的上周线与隔板、圆盘内圈、圆盘外圈重合,下部为直径80mm的圆形,防止圆盘转动时因种薯直径过大而堵塞落种孔,影响后续工作。

3.2 导种装置的设计

拖拉机前进速度为v1,地轮半径R1=330cm,则出地轮轴的转速n1的计算公式为

(1)

式中n1-地轮轴转速(r/s)。

设地轮与圆盘式排种装置的传动比为i,则圆盘式排种装置的转速n2的计算公式为

n2=in1

(2)

式中n2-圆盘式排种装置转速(r/s)。

因此,圆盘式排种装置转动1周所需要时间t的计算公式为

(3)

此时株距D的计算公式为

(4)

圆盘底板上落种口与地面的距离为H,种薯从到达落种口开始直到掉落至地面的过程为自由落体运动,所需时间t1的计算公式为

(5)

这段时间内机器前进距离S1的计算公式为

(6)

为防止种薯与导种管碰撞影响株距,则落种管的直径应大于S1。同时,为减小落种管与土壤接触时的阻力,考虑落种口与地面之间的距离,最终确定导种管直径为65cm,从而避免种薯下落过程中与导种管的碰撞,防止株距变异系数增大。

3.3 种薯托盘组的设计

考虑到马铃薯育种试验播种过程中需要的马铃薯种类多、数量少,为保证试验的准确性,应避免种薯种类混杂。为保证种薯按列排列在托盘上方,采用种盘隔板将种盘分为若干份;为防止两颗种薯并列造成混乱,两个种盘隔板的距离可根据种薯的大小进行调节。由于1层种薯托盘只能放置1层种薯,而马铃薯播种作业需要的种薯数量大,因此设计了组装式种薯托盘组,如图5所示。其中,下支撑固定于上支撑的圆孔中,当上一层种薯播种完毕之后,可轻松将托盘拆除,进而播种下一层托盘上的种薯。

1.种盘上支撑 2.种盘底板 3.种盘隔板 4.种薯托盘支架 5.种盘下支撑图5 种薯托盘组Fig.5 Seed potato tray group

为方便操作人员在种薯放置装置上拿取种薯,设计了倾斜式种薯托盘组,以保证种薯沿种盘底板下滑至最下端时距离操作人员最近。为减轻托盘的质量,同时保证托盘可承载一定数量的种薯,托盘材质选择工程上常用的PC(聚碳酸酯)塑料。因此,托盘的倾角应大于种薯与托盘间的摩擦角,此处选择托盘与水平面之间的夹角α=12°。根据种薯尺寸,为防止种薯卡在两个种薯隔板之间,设置相邻种薯隔板的距离为80mm。

4 田间试验

试验于2021年5月23日在山东省青岛市胶州市胶莱镇大赵家村进行。土壤类型为壤土,含水率为15.6%,如图6所示。

播种前,先用旋耕机进行碎土整平,清除杂草和石块;配套动力为92kW的东方红LX1304拖拉机;马铃薯种薯品种选用国家马铃薯产业体系农艺学家提供的各个品种的种薯,含水率为73.4%;单次播种试验长度为50m。

试验方法参照 GBT 6242-2006《种植机械马铃薯种植机试验方法》、GBT 25417-2010《马铃薯种植机技术条件》国家标准规定进行。对该育种试验马铃薯播种机进行作业性能参数测定,主要测量施肥深度、种薯播种株距、种薯播种深度度等性能指标。由于该机为人工放种,拖拉机速度足够慢,前进速度保持在0.1～0.2m/s之间,因此不存在重播、漏播等现象。 根据国家标准规定进行测试,收集并记录试验数据,计算出机器的各项性能测试参数,结果如表2所示。

表2 田间试验结果Table 2 Test results of the field experiments

5 结论

1)针对我国马铃薯育种试验时缺少专用机具、人工播种劳动量大、效率低等问题,结合我国马铃薯育种试验种植的农艺要求,设计了育种试验马铃薯播种机,可一次性完成开沟、施肥、播种、起垄作业。

2)针对育种试验的播种应每一穴中都有规定的种薯种类的要求,设计了圆盘式排种装置,采用人工放种,保证了播种的准确性。同时,结合拖拉机速度,对导种装置的尺寸进行了设计,可实现无重种、漏种现象,降低了株距变异系数。

3)对育种试验马铃薯播种机进行了田间试验,各项指标均符合马铃薯育种试验播种机的要求。