馬鈴薯種植機(jī)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

高全德, 高愛(ài)民, 孟養(yǎng)榮

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,甘肅 蘭州 730070)

馬鈴薯是一種全球性作物,用途廣,產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)鏈長(zhǎng),是全球第四大糧食作物[1]。它在不同氣候條件下都可以種植,其生長(zhǎng)周期比較短,產(chǎn)量高。我國(guó)是全世界馬鈴薯種植面積最大的國(guó)家[2]。

我國(guó)馬鈴薯種植方式主要以人工或半機(jī)械化為主,機(jī)械化種植占比不足30%。由于現(xiàn)在農(nóng)村年輕人口外流,勞動(dòng)力嚴(yán)重不足,加之人工作業(yè)效率低,馬鈴薯種植茬口短,嚴(yán)重制約了國(guó)內(nèi)馬鈴薯產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[3]。機(jī)械化種植相比人工種植效率可以至少提高三倍,節(jié)約成本,能夠提高農(nóng)戶(hù)種植的積極性。因此,機(jī)械化播種是馬鈴薯大面積種植的前提,是馬鈴薯產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展必不可少的環(huán)節(jié)。本文介紹了國(guó)內(nèi)外典型馬鈴薯種植機(jī)及核心零部件的類(lèi)型及工作原理,對(duì)各類(lèi)機(jī)具作業(yè)特點(diǎn)進(jìn)行分析總結(jié),闡述了我國(guó)馬鈴薯種植機(jī)研究現(xiàn)狀,指出我國(guó)與國(guó)外存在的差距,分析了我國(guó)馬鈴薯種植機(jī)的發(fā)展方向。

1 馬鈴薯種植機(jī)類(lèi)型

馬鈴薯種植機(jī)的核心零部件是排種器,按排種器的類(lèi)型分,馬鈴薯種植機(jī)主要有勺式、帶式、針刺式、氣吸式、轉(zhuǎn)盤(pán)式五種類(lèi)型,以勺式應(yīng)用最廣。

1.1 勺式馬鈴薯種植機(jī)

勺式馬鈴薯種植機(jī)根據(jù)排種裝置驅(qū)動(dòng)力的傳輸方式不同分為帶傳輸和鏈傳輸,其工作原理是:地輪驅(qū)動(dòng)傳輸鏈(帶)通過(guò)種勺在種箱內(nèi)取種,種箱呈倒三角形,薯種在重力的作用下,自動(dòng)補(bǔ)充到種箱底端的取種區(qū),在這個(gè)工作的過(guò)程中,為防薯種結(jié)拱,導(dǎo)致其不能自動(dòng)補(bǔ)充到待取種區(qū),在種箱中會(huì)有機(jī)械裝置不斷攪動(dòng)薯種,或在種箱壁上裝有震動(dòng)裝置使種箱壁不停震動(dòng)。排種鏈(帶)向上循環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng),帶動(dòng)種勺依次從取種區(qū)取種,取完種后為防止重播會(huì)有清種裝置在向上運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中自動(dòng)清種,待種勺過(guò)了最高點(diǎn)后,由于重力的作用薯種會(huì)落到前一個(gè)種勺的背面,接著在導(dǎo)種管和種勺的共同支撐下,種薯繼續(xù)向下運(yùn)動(dòng),到達(dá)排種點(diǎn)之后,傳動(dòng)鏈(帶)帶動(dòng)種勺向相反的方向運(yùn)動(dòng)以繼續(xù)取種,薯種則失去支撐自動(dòng)掉入種溝,完成一次排種。隨著機(jī)具的前進(jìn),排種器有規(guī)律循環(huán)作業(yè)。帶勺式排種器的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,維護(hù)方便,可以緩和沖擊和振動(dòng),傳動(dòng)更平穩(wěn),容易添加振動(dòng)裝置去使用。缺點(diǎn)是皮帶容易打滑,可靠性較低。鏈傳動(dòng)效率更高,株距也更準(zhǔn)確,可以在不同工況下工作,更可靠。缺點(diǎn)是取種過(guò)程中對(duì)種薯的破壞力強(qiáng),影響種薯的發(fā)芽出苗。勺式馬鈴薯種植機(jī)有:德國(guó)格瑞莫GL420、中機(jī)美諾1240、印度天鵝農(nóng)業(yè)NSE PPR-2[4]。

1.2 帶式馬鈴薯種植機(jī)

帶式馬鈴薯種植機(jī)排種裝置的工作原理是:種箱中的種薯經(jīng)限流裝置自動(dòng)掉入傳送帶一端,傳送帶由數(shù)根皮帶組成三組,四周都被圍起來(lái)防止種薯掉落,中間一組由兩根皮帶組成,可以將種薯依次單個(gè)排列輸送到排種區(qū),跟另一個(gè)同步轉(zhuǎn)動(dòng)的橡膠滾輪夾持投入種溝,在運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中多余的種薯從兩邊被反向運(yùn)動(dòng)的傳送帶運(yùn)回到待取種區(qū),在這個(gè)過(guò)程中兩邊較高的薯種不停往中央擠動(dòng)補(bǔ)位。該機(jī)具取種效率高,對(duì)種薯的大小形狀要求不高。目前采用該技術(shù)且具有代表性的種植機(jī)有英國(guó)斯坦登公司的芝諾21及德國(guó)格瑞莫制造的GB系列機(jī)具。

1.3 轉(zhuǎn)盤(pán)式馬鈴薯種植機(jī)

轉(zhuǎn)盤(pán)式馬鈴薯種植機(jī)的核心部件排種器是一個(gè)圓形轉(zhuǎn)盤(pán),內(nèi)部被隔板沿轉(zhuǎn)盤(pán)一周分成小格擋,圓盤(pán)的上端完全開(kāi)放,方便人工放種,底部留一個(gè)開(kāi)口用于排種。作業(yè)時(shí),由人工從種箱底端取種,放入排種器轉(zhuǎn)盤(pán)的各個(gè)小格擋中,地輪驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng),當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)至底部開(kāi)口處,種薯在重力作用下掉入導(dǎo)種管,通過(guò)導(dǎo)種管排入種溝。這種機(jī)械化種植方式的優(yōu)點(diǎn)是重播、漏播率極低,缺點(diǎn)是需要大量人力輔助作業(yè),成本高,效率較低。意大利IMAC 公司生產(chǎn)的PPS-2F型轉(zhuǎn)盤(pán)式馬鈴薯種植機(jī)是采用該技術(shù)的代表機(jī)具[5]。

1．4 氣吸式馬鈴薯種植機(jī)

氣吸式馬鈴薯種植機(jī)借助氣壓來(lái)完成播種工作,主要分為氣吸式、氣壓式、氣吹式和中央集排式等幾種類(lèi)型[6]。其工作原理是:氣動(dòng)裝置在將薯種從種箱中取出時(shí),使用高負(fù)壓操作以吸附和保持薯種,多余的薯種會(huì)被相關(guān)的清理裝置清除并再次返回種箱以備后用,剩余的薯種在合適的區(qū)域(無(wú)負(fù)壓)釋放并落入苗床。氣動(dòng)式裝置具有對(duì)薯種損壞率低、對(duì)不同大小和形狀的薯種適應(yīng)性強(qiáng)、操作速度快等優(yōu)點(diǎn)。例如,美國(guó)克拉里洛克伍德606型氣力式馬鈴薯種植機(jī),是采用該技術(shù)的具有代表性的種植機(jī)。

1．5 針刺式馬鈴薯種植機(jī)

針刺式馬鈴薯種植機(jī)排種器的工作原理是:取種圓盤(pán)外側(cè)周?chē)染喾植几鷪A周相切的針刺,地輪驅(qū)動(dòng)取種圓盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng),當(dāng)轉(zhuǎn)至取種區(qū)時(shí),針刺扎取一個(gè)馬鈴薯種,接著轉(zhuǎn)動(dòng)至投種區(qū)時(shí),撥出刺針,薯種自然脫落,完成一次作業(yè)[7]。這種排種的優(yōu)勢(shì)是種薯的形狀和大小對(duì)種植的均勻度沒(méi)有影響,效率也高。短板是在取種的過(guò)程種扎傷了種薯,容易發(fā)生病菌相互感染,嚴(yán)重影響出苗,應(yīng)用較少。針刺技術(shù)與裝備的研究主要集中在美國(guó),20世紀(jì)申請(qǐng)了多項(xiàng)以針刺研發(fā)為中心的技術(shù)發(fā)明專(zhuān)利,典型型號(hào)是 Lockwood 6200 系列播種機(jī)[8]。

2 國(guó)外研究現(xiàn)狀

20世紀(jì)初,西方發(fā)達(dá)國(guó)家開(kāi)始大量種植馬鈴薯,逐漸出現(xiàn)輔助人工種植的機(jī)械農(nóng)具,結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單,降低了工人勞動(dòng)強(qiáng)度。發(fā)展到30年代末,出現(xiàn)了可以完全替代人工種植馬鈴薯的機(jī)械。50年代初,逐步出現(xiàn)自動(dòng)化播種的大型機(jī)械。隨著馬鈴薯種植產(chǎn)業(yè)鏈的完善,國(guó)外馬鈴薯種植機(jī)逐步開(kāi)始向智能化發(fā)展,整機(jī)的作業(yè)效率、播種質(zhì)量都大幅提升。

英國(guó)斯坦登公司研發(fā)的SP系列馬鈴薯種植機(jī),一次作業(yè)可以完成2～12行播種,同時(shí)完成施肥、起壟等配套作業(yè)[9]。

美國(guó)Crary公司研發(fā)生產(chǎn)的Lockwood600系列氣吸式馬鈴薯種植機(jī),有Lockwood604、606、608等3種型號(hào),該系列種植機(jī)采用負(fù)壓吸種方式,排種器使用不銹鋼臂的柔性聚氨酯真空杯,既可以選用整薯也可以是切塊薯,可在保持種子放置精度的同時(shí)提高播種速度[10]。其采用拖拉機(jī)牽引式,配套馬力分別為140、180、225匹,播種行數(shù)分別為4、6、8行,并使用雷達(dá)控制的液壓驅(qū)動(dòng)控制更精確的播種距離,在機(jī)具輪軸上配備GPS導(dǎo)航系統(tǒng)。

德國(guó)格瑞莫公司的GL系列勺式馬鈴薯播種機(jī)對(duì)種薯的形狀要求不高,種箱最大容量為6 t,可選用傾斜式種箱,液壓系統(tǒng)調(diào)節(jié)種箱傾斜度,保證薯種的及時(shí)補(bǔ)充,同時(shí)配備傳感器和智能控制系統(tǒng)以保證投放到每個(gè)播種單元的薯種是等量的,控制終端都安裝在駕駛室,方便駕駛員及時(shí)操控,用戶(hù)可以根據(jù)自己的需求選裝智能控制系統(tǒng)。駕駛室還配備開(kāi)溝器的控制終端,可以根據(jù)需求隨時(shí)調(diào)整開(kāi)溝的深度和形狀。其中該系列最大的機(jī)型GL860 Compacta機(jī)身可以折疊,既可以滿(mǎn)足大型作業(yè),又方便靈活轉(zhuǎn)移,同時(shí)采用模塊化設(shè)計(jì),可以滿(mǎn)足不同需求的作業(yè),適應(yīng)性強(qiáng)[11]。

3 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國(guó)馬鈴薯種植面積和總產(chǎn)量都居世界首位,但在20世紀(jì)50年代末才開(kāi)始馬鈴薯種植機(jī)械的研究,起步較晚。由于受氣候環(huán)境、耕地地形、種植模式等多種因素影響,我國(guó)不能完全引進(jìn)國(guó)外技術(shù)[12]。目前,我國(guó)主要以勺式中小型馬鈴薯種植機(jī)為主。

青島洪珠2CM-4馬鈴薯種植機(jī),播種行數(shù)為4行,株距可調(diào),對(duì)取種、排種系統(tǒng)做了突破性改進(jìn),具有單粒取種、等株距排種、取種破損率低等優(yōu)點(diǎn)[13]。

中機(jī)美諾1240A馬鈴薯種植機(jī)適用于大田聯(lián)合播種作業(yè),播種效率高,種植效率為8 000～12 000 m2/h。為牽引式配備液壓系統(tǒng)可以阻斷地輪驅(qū)動(dòng)力,方便田間地頭倒車(chē)調(diào)頭。株距、施肥量可調(diào),使用雙圓盤(pán)開(kāi)溝器開(kāi)溝播種,圓盤(pán)兩側(cè)施肥,避免了化肥燒苗的問(wèn)題,提高了出苗率[14]。

山東希成2CM-4B馬鈴薯種植機(jī),播種單元采用了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的“碗勺”式排種裝置和振動(dòng)、晃動(dòng)、鏈條張緊機(jī)構(gòu),實(shí)現(xiàn)了無(wú)需借助人工而達(dá)到精量播種。其種植深度控制采用單體限深仿形機(jī)構(gòu),解決了因地域、土質(zhì)等因素而造成的播種深度不均的問(wèn)題,提高了播深穩(wěn)定性[15]。該馬鈴薯種植機(jī)突破固有的模式,具有圓盤(pán)式扶壟器,應(yīng)用范圍得到了擴(kuò)大,壟形控制更多樣,能夠滿(mǎn)足不同的農(nóng)藝要求。將種薯碗設(shè)計(jì)成三種不同大小的可更換式種薯碗,交錯(cuò)等間距地排列安裝于排種器薯種帶上,碗勺的背面設(shè)有翻邊,使其適應(yīng)種薯的范圍得到了擴(kuò)大[16]。

黑龍江省農(nóng)業(yè)機(jī)械工程科學(xué)研究院楊金磚[17]研制的2CMF-4型牽引式馬鈴薯種植機(jī),使用液壓系統(tǒng)控制地輪運(yùn)動(dòng)和種箱的傾斜角,設(shè)計(jì)了仿形圓盤(pán)及開(kāi)溝器,方便隨時(shí)控制播種深度的一致,設(shè)計(jì)了導(dǎo)種、清種結(jié)構(gòu),降低了重播、漏播率。

甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)孫偉[18]等設(shè)計(jì)了膜上打孔馬鈴薯種植機(jī),該機(jī)具主要針對(duì)西北干旱地區(qū)提前起壟鋪膜的種植方式,設(shè)計(jì)了雙曲柄多桿成穴機(jī)構(gòu)進(jìn)行膜上穴播作業(yè),首先通過(guò)勺鏈?zhǔn)脚欧N器將薯種在成穴器運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中排入其接種杯中,然后再由側(cè)開(kāi)式排種機(jī)構(gòu)完成種植,最后由跨越式提土裝置進(jìn)行覆土。

青島農(nóng)業(yè)大學(xué)郭棟[19]等設(shè)計(jì)了2CM-SF馬鈴薯播種機(jī),由手扶拖拉機(jī)牽引,體積小,作業(yè)靈活,適用于丘陵山區(qū)小地塊作業(yè),可以實(shí)現(xiàn)開(kāi)溝、播種、施肥及起壟等功能。同時(shí)可以根據(jù)農(nóng)戶(hù)的需求,調(diào)整起壟的寬度和壟面的高度,提高了適用性。

華中農(nóng)業(yè)大學(xué)段宏兵[20]等設(shè)計(jì)了一種三角鏈半杯勺式馬鈴薯播種機(jī),對(duì)排種器進(jìn)行了優(yōu)化,首先增大了半杯勺的結(jié)構(gòu)尺寸,取種性能更可靠,其次在排種器的頂端增加了一段水平清種區(qū),在種勺水平運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中,多余種薯在重力的作用下又回到種箱,降低了重播、漏播率。

牛康[21]等設(shè)計(jì)了一套漏種檢測(cè)、自補(bǔ)系統(tǒng),可以實(shí)現(xiàn)漏種檢測(cè)及補(bǔ)種,且補(bǔ)種株距精確,有效降低了漏播率。

4 我國(guó)馬鈴薯種植機(jī)發(fā)展過(guò)程存在的問(wèn)題

(1)生產(chǎn)效率低。我國(guó)馬鈴薯種植機(jī)以中小型為主,發(fā)展參差不齊,高新技術(shù)產(chǎn)品少,對(duì)比國(guó)外馬鈴薯種植機(jī)存在較大差距。

(2)可靠性和播種質(zhì)量低。由于我國(guó)馬鈴薯種植產(chǎn)業(yè)不成熟,薯種以切塊薯為主,對(duì)排種裝置要求較高,不能實(shí)現(xiàn)精量播種,漏播檢測(cè)及自動(dòng)補(bǔ)種系統(tǒng)還處于研究試驗(yàn)階段,不能在田間復(fù)雜工作環(huán)境下應(yīng)用。

(3)農(nóng)機(jī)農(nóng)藝融合差。受氣候環(huán)境、地形條件和土地規(guī)模等因素限制,我國(guó)馬鈴薯種植模式差異大,缺少配套的聯(lián)合作業(yè)馬鈴薯種植機(jī)。

5 發(fā)展展望

(1)針對(duì)馬鈴薯種植機(jī)播種質(zhì)量差和作業(yè)不穩(wěn)定問(wèn)題,加強(qiáng)對(duì)關(guān)鍵技術(shù)的研究,同時(shí)將目前的制造新技術(shù)、新工藝運(yùn)用到關(guān)鍵零部件的制造中,提高馬鈴薯種植機(jī)的穩(wěn)定性和可靠性,以實(shí)現(xiàn)精量播種。

(2)根據(jù)我國(guó)的地理?xiàng)l件及農(nóng)藝要求研究不同類(lèi)型的馬鈴薯種植機(jī),針對(duì)小地塊、梯田山地或丘陵地區(qū),加快實(shí)現(xiàn)馬鈴薯全過(guò)程機(jī)械化的中小型機(jī)械研發(fā),同時(shí)研究適用于大面積作業(yè)的大型機(jī),提高機(jī)具的適用性。

(3)提高馬鈴薯種植機(jī)的自動(dòng)化和智能化水平是未來(lái)的發(fā)展重點(diǎn),集液壓、電控、導(dǎo)航、智能檢測(cè)等于一體,數(shù)字技術(shù)的應(yīng)用將成為提高播種質(zhì)量和作業(yè)效率關(guān)鍵組成部分。一些發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)開(kāi)始使用這些技術(shù),未來(lái)國(guó)內(nèi)馬鈴薯種植機(jī)也將逐步向這個(gè)方向發(fā)展。