勺式排种技术及其排种均匀性的研究分析

政东红，陈　伟,杜文亮，樊明寿,刘广硕

(内蒙古农业大学 a.机电工程学院；b.农学院，呼和浩特　010018)



勺式排种技术及其排种均匀性的研究分析

政东红a，陈伟a,杜文亮a，樊明寿b,刘广硕a

(内蒙古农业大学 a.机电工程学院；b.农学院，呼和浩特010018)

摘要：针对马铃薯播种机上普遍采用的勺式排种装置存在排种均匀性差的问题，就影响其排种均匀性的两个主要因素—皮带运行速度和种薯形状进行研究分析。建立了排种装置的运动模型，并进行运动学分析。理论研究分析表明：将排种装置倾斜布置并配合有小直径的下从动辊可以改善排种的不均匀性；对于种薯要避免选择长条形和特长条形种薯，形状统一的种薯有利于排种的均匀性。

关键词：勺式排种技术；均匀性；种薯形状；皮带运行速度

0引言

马铃薯自明朝万历年间引入我国，至今已有400年多的种植历史，其引入对于加速我国人口的迅速增长有着重要的作用。由于马铃薯富含碳水化合物，且含有大量的钾、维生素C，以及与人体需求匹配的蛋白质，使其成为良好的热能来源和重要的食物，在我国成为继小麦、水稻和玉米之后的第四大粮食作物[1-3]。自前苏联解体后，我国就成为世界上马铃薯种植第一大国，近年来马铃薯种植面积稳定在540万hm2左右；但是，马铃薯机械化种植程度却只有1%左右，与国际先进水平的70%相比[4]，还有很长的路要走。出现这种现象的主要原因就是我国的马铃薯种植没有形成规模化，是小户经营，大型的马铃薯种植机械得不到推广，马铃薯的种植仍然停留在传统的人工种植方式上。因此，针对我国的基本国情，研制和推广小型马铃薯播种机是提高我国马铃薯种植机械化的有效途径。

马铃薯的机械化播种是集开沟、播种、施肥、起垄、整形和覆膜作业于一体的综合机械化垄作方式[5]。排种装置是马铃薯播种机的核心部件，常规的排种方式有薯夹式、针刺式、勺式、取种转盘式、板阀式和输送带式[6]。1992年，加拿大学者C.D.McLeod等人以微型整薯为播种对象，研究了气吸式排种装置，试验表明：84%的种薯被吸附在取种盘上，且影响吸种的主要因素是气流速度。由于排种对风机的要求较高，所以研制出新型风机有利于该技术的推广应用。近几年，勺式排种技术是马铃薯播种机上普遍采用的一种排种方式。排种装置性能的好坏直接决定着播种质量，排种均匀性是排种装置的一项重要性能参数也是一项较难测定的参数。因此，在马铃薯的机械化种植过程中，用重种指数、漏种指数和变异系数来衡量排种装置的排种均匀性。

1勺式排种装置的工作原理及应用

勺式排种装置依据不同的驱动方式可分为带勺式和链勺式两种。带勺式排种装置结构简单、造价低，易于增设振动装置并且能够更好的协调排种器与拖拉机之间速度的关系[7]；但皮带传动的可靠性低，容易出现打滑现象，进而导致了排种的不均匀性。链勺式排种装置具有可靠的传动性能，结构简单；但链条对种薯时有损伤现象，破坏了种薯的幼芽，从而影响了种薯的发芽率，进而影响了马铃薯的产量。

带勺式排种装置主要由取种皮带、取种勺、护种罩、激振器、上驱动辊和下从动辊组成，如图1所示。具体的工作过程：经传动系统，将地轮的动力传递给上驱动辊，上驱动辊的转动带动着取种皮带(等间距交错布置有取种勺)经过种箱舀取1颗或多颗马铃薯种薯；在激振器的作用下，将多余的种薯从取种勺中震落到种箱中，始终保证取种勺上有1颗种薯；当取种勺越过上驱动辊的最高点时，薯种落到上一个取种勺的背部，然后在护种罩的限制和种勺背部的托种作用下，将种薯运送到排种桶的底部；当取种勺和护种罩之间的夹角合适时，将薯种投落到种沟中，完成整个投种过程。

1.取种皮带　2.取种勺　3.护种罩　4.激振器　5.种薯

勺式排种是现有马铃薯播种机上普遍采用的一种排种技术。在我国典型的马铃薯播种机有辽宁省农业机械化研究所研究设计的2CM-2型马铃薯播种机和由内蒙古农业大学研制的2BSL-2型马铃薯起垄播种机。2CM-2型马铃薯种植机经过试验验证，其工作性能稳定且主要的技术参数(漏种指数0.67%，重种指数0%，种薯间距变异系数0.18[8])均符合国家标准的相关规定。该机主要由机架、地轮、开沟器、投种单体、覆土器及种箱等组成，整体结构紧凑。由于采用带勺式排种装置取种和充种充分，采用低点投种且开沟器在投种单体上，从而保证了种子落到地面时弹跳量小，且开沟与播种中心一直保持一致，因而株距均匀性较好。2BSL-2型马铃薯播种机集施肥、播种、起垄和镇压于一体，该机于1998年底设计和试制，经过试验验证各项指标均符合国家标准的要求，1999年底开始投入生产，2000年在北京、内蒙古进行大面积播种，种植面积达270hm2。经实际种植考核，该机满足农艺要求，大大减弱了人工劳动强度，并且工作性能稳定可靠[9]，现已经实现批量化生产。

2勺式排种技术排种均匀性的分析

生产率和种植均匀性是评价一台马铃薯播种机的两个主要性能参数，种植均匀性高不仅在收获时可以获得比较一致的块茎排序，且可为马铃薯的生长提供充足的养分，进而奠定了高产的基础。在实际工作中，有很多因素影响着种植的均匀性，取种皮带的运转速度、种薯的形状、排种装置距离地面的高度、种薯在护种罩中的运动情况、种植地块的土壤坚实度，以及牵引机车运动情况等。除去种植过程中外部客观条件的影响，取种皮带的运转速度和种薯的形状是影响排种均匀性的两个主要参数。

2.1皮带运行速度对排种均匀性的影响

种薯在向下运动的过程中可以划分为3个运动过程：在护种罩中的运动(过程1)、通过B-B中心线(见图2)到种薯完全离开种勺的运动(过程2)和种薯离开种勺下落到种沟中的运动(过程3)。过程1假设种薯相对于取种勺是静止的；过程2对排种的均匀性起着关键性作用，假设种薯落到种沟中没有弹跳且牵引机组匀速行驶；过程3对排种均匀性的影响可以忽略不计(假设导种情况一致)，在此对过程2进行理论分析。为了分析方便，建立如图3所示的理论模型。当取种勺运动到中心线B-B时开始释放种薯，转过α角后将种薯完全释放，称角α为释放角，有

式中r0—种勺边缘距离上下辊中心线的距离(mm)；

r1—种勺边缘距离护种罩的距离(mm)；

r2—释放种薯时种勺距离护种罩的距离(mm)。

1.护罩　2.取种勺　3.取种皮带　4.下从动辊

实际工作中，由于马铃薯种薯的形状各异，致使种薯有着不尽相同的释放角。在皮带运行速度一定时，就会出现不同的投种时间间隔，因此会产生落种位置的间距偏差(重种指数、漏种指数)；但当皮带的运转速度很快时，马铃薯种薯的形状对排种均匀性的影响就不显著[10]，即每一个马铃薯种薯有着近似相同的释放角。由于只考虑从中心线B—B到种薯完全释放而不考虑离开种勺到种沟的运动过程，用相邻种薯的时间间隔来度量排种的均匀性。由于每一个马铃薯种薯的释放角近似相等，所以转过相同的角度α时，所用的时间也相同，即时间间隔相等。但是，实际试验中表明：当皮带运行的线速度>0.5m/s时[11]，种植效果(漏种指数、重种指数、种薯间距变异系数)明显变差，进而影响了马铃薯的产量。所以，不能将皮带的运行速度提高很多，但可以通过减小下从动辊的直径来获得较短的释放时间。所以，工作中，可以在保证下从动辊强度和运转灵活性的前提下，采用小直径(技术上可以达到的最小直径为50mm)的下从动辊。

种薯在释放时的运动是一个合成运动(速度分析见图2)，种薯相对于地面的绝对速度V0是机车相对于地面的牵引速度V1和种薯相对于机车的相对速度V2的合成，即

由速度图可知：如果在种薯自由下落到种沟的过程中，种薯的绝对速度V0的水平分速度为0时，这时的落种位置的准确性就有了一定的保证，进而种薯间距的变异系数就会很小。但是，在实际工作中，由于牵引机车的运动不是恒定不变的，随着拖拉机油门开度和地面的起伏等原因，会导致V1的波动，从而使种薯的绝对速度在水平方向的分速度不为0，落种位置的准确性必然不能保证，同时种薯间距的均匀性也会相应变差。在实际中，如果将排种装置朝前进方向倾斜布置，即上下辊的中心线A-A(见图1)相对于铅锤方向有一个夹角，同时对取种勺和护种罩的形状进行优化设计，就可以削弱种薯相对于机车的运动速度V2的影响，从而保证了落种的准确性。

2.2种薯形状对排种均匀性的影响

马铃薯作为播种对象，常见的两种播种形式：整薯播种和切块薯播种。虽然脱毒微型整薯的生产已经进入商业化阶段，由于其成本较高，从而使得市场上的脱毒微型整薯价格昂贵，进而制约整薯播种的推广应用，现在马铃薯的种植多数采用切块种薯进行播种。

由于切块种薯是由人工进行切制，所以种薯的形状不尽相同。依据国家标准，可以利用3个方向(长度L、宽度W、厚度t)的尺寸对种薯块进行分类，根据式(1)计算出种薯的形状指数(f)的值将种薯分为圆形、椭圆形、长条形和特长条形4类[12]。则有

(1)

式中L—最大长度(mm)；

W—最大宽度(mm)；

t—最大厚度(mm)。

马铃薯种薯在护种罩的限制和取种勺托种的作用下将种薯护送到排种桶底部，为了防止马铃薯种薯在向下运动过程中出现从取种勺边缘和护种罩之间的间隙中掉落的现象，取种勺与护种罩的最小间隙应稍小于马铃薯的最小尺寸(厚度方向)即可。

在取种皮带经过种箱舀取种薯的过程中，由于种薯的形状不规则，舀取时就不会像想象的那样，取种勺一次舀取1颗或两颗马铃薯种薯，在实际的种植过程中往往会出现如图3所示的情况。

图3　舀取种薯时的情况

图3中:图示1所示的情况是正常的取种情况;图示2所示的情况是由于种薯形状和取种勺空间布置的原因，使得种薯出现“串接”的现象；虽然在分种器的作用下会将其破坏，但是种薯会受到一定程度的损伤，所以在取种勺的布置上，c和d的值要给予重要的考虑，c值应至少大于种薯的最大尺寸，d值应大于最小尺寸和最大尺寸之和;图示3所示的情况是典型的重种情形，是由于两个种薯的形状近视为“三角形”，很容易贴合在一起出现重种现象，所以在种薯的切制过程中要避免出现“三角形的种薯”。图4所示的情况是空勺的现象，是由于在充种的时候，马铃薯在取种勺上没有稳定的落位而导致。

如果两个相邻的马铃薯在随皮带下降的过程中出现图4所示的情况，即当下面的一个种薯是厚度方向接触勺背向下运动，而上面的种薯是长度方向接触勺背向下运动。假设两个种薯在到达底部时，下面的种薯释放时种薯在下落的过程中相对于种勺是静止的，这样就会需要较大释放角α(见图2)；相反，上面的种薯需要较小的释放角α，在下从动辊转动的角速度ω一定的情况下，这两个种薯离开取种勺的时间间隔就会变大，进而导致了种薯落种位置的间距相对于标称间距出现偏差。

图4　下落过程中种薯在护罩中的位置

从这样的分析似乎可以得出：种薯的形状越是规则，落种位置的偏差会得到改善。但是，荷兰学者W.B.Hoogmoed利用高尔夫球代替马铃薯进行马铃薯形状对落种位置准确性的试验研究，试验结果表明：形状规则的高尔夫球与形状不规则的马铃薯相比，并不能获得较均匀的落种位置。这主要是由护种罩和取种勺的形状引起的，可以对取种勺和护罩的形状进行优化设计；同时，由于形状规则的高尔夫球在勺背上存在各个方向的运动，对落种的准确性影响较大。

3结论与建议

1)研究分析表明：在马铃薯播种机排种装置设计中，采用小直径(>50mm)的下从动辊，并将排种装置向机器前进方向倾斜布置，有利于排种的均匀性。

2)种薯的形状对落种位置准确性有影响。在种薯的选择上，要避免出现长条型(241≤f≤340)和特长条形种薯(f>340)。在种薯的切制中，建议使用切种器。

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[12]GB/T 6242—2006,种植机械 马铃薯种植机 试验方法[S].

The Study and Analysis of Cup Seed Sowing Technology and Uniformity

Zheng Donghonga, Chen Weia, Du Wenlianga, Fan Mingshoub,Liu Guangshuoa

(a.College of Mechanical and Electrical Engineering; b.Agricultural College, Inner Mongolia Agricultural University, Hohhot 010018, China)

Abstract：Cup seed sowing device which is widely used in potato planter, has low uniformity.This paper will discuss two major factors that have significant influence in the uniformity in planting, by establishing and analyzing the motion model of sowing device.Theoretical studies have shown that combining seed sowing device mounted obliquely with small diameter driven roller can improve the uniformity. For potato selection, oblong and special oblong should be avoided,unified shape is favorable to sowing uniformity.

Key words：cup seed sowing technology;uniformity; potato shape;speed of cup-belt

文章编号：1003-188X(2016)07-0106-04

中图分类号：S220.1；S220.3

文献标识码：A

作者简介：政东红(1988-),男，河北张家口人，硕士研究生，(E-mail) zhengdh56@126.com。通讯作者：杜文亮(1957-)，男，内蒙古达拉特旗人，教授，博士生导师，(E-mail)duwl5711@vip.imau.edu.cn。

基金项目：国家重点基础研究发展计划(937计划)项目(2012CB126307)；公益性行业(农业)科研专项(201303104)

收稿日期：2015-07-03