马铃薯播种机及其排种器的研究现状及发展趋势

陈贰浩， 石林榕， 孙步功

(甘肃农业大学机电工程学院，甘肃 兰州 730070)

马铃薯俗称“洋芋”“土豆”，具有丰富的蛋白质含量，是继小麦、水稻、玉米之后的第四大粮食作物。近年来，我国马铃薯的种植面积约为533 hm2，其种植范围广，在全国所有的省市自治区都有种植，总产量约达8 000多万t[1]。随着马铃薯产业飞快发展，其种植面积逐年增加，提高马铃薯机械种植技术对推进马铃薯产业的发展有着重要作用。

长期以来，马铃薯种植机械化是我国马铃薯全程机械化的薄弱环节[2]。由于我国南北差异较大，马铃薯播种机械的差异也随地区的不同有所差异，东部、北部地区地势平坦，种植面积广，已经基本实现机械化；西北、南部地区，由于平原稀少，多为丘陵山地，地块狭小，大型的马铃薯播种机不适用所以机械化水平相对来说比较低[3]。由于所选用马铃薯播种机的类型不同，其播种所用的马铃薯也就各有差异，可以选择整薯、切块薯和微型薯播种。其中，整薯播种对种薯的损伤小、出芽率高，适合机械化操作，但要专门培育；块薯播种可节约种薯，降低种子成本，但由于增加了切块环节，操作繁琐，而且在切块时容易造成马铃薯交叉感染，降低出苗率和产量[4]；微型薯是马铃薯经过脱毒后，经过育苗而得到的微型马铃薯，形状整齐、大小均匀且品质优良，可直接进行播种，出苗率可高达100%[5]。本文介绍了国内外马铃薯播种机及常用排种器的研究现状，并对未来机械化播种进行展望。

1 国内外马铃薯播种机现状

1.1 国外马铃薯播种机现状

欧美等发达地区对马铃薯机械化播种的研究较早，19世纪末期就已经开始研发以简单的机具劳动来代替复杂的人工种植。1880年，英国人Ransomes和Sims研究了以畜力为主要动力、人工辅助的半自动两行马铃薯播种机具，这是世界上最早的马铃薯播种机。20世纪30年代后期，随着马铃薯移栽机的出现，标志着半机械化的实现，20世纪中叶开始，马铃薯播种机飞速发展，经过不断加工，不断完善，已经逐步实现自动化。目前，国际上的马铃薯播种机根据其技术水平可以分为两大类，一类以德国的Grimme公司、美国的Carry公司和英国的Standed公司为代表，主要生产大型和中型马铃薯播种机，而且其液压系统和检测重播漏播的电子监测系统也十分成熟，自动化程度高；第二类是以韩国和日本为代表的小型马铃薯播种机械[6]。

德国Grimme公司的Grime GL34T型马铃薯播种机如图1所示，该机种箱的容量约3.5 t，采用牵引式和链传动，可以一次性完成开沟、播种、覆土等作业，喷药和施肥装置是自主选择装与不装，其主要特点是带有电子监控装置和液压控制系统，驾驶员在驾驶室就可以自由控制马铃薯的播种量和开沟深度。

图1 德国Grimme GL34T型马铃薯播种机

美国Carry公司研制的Lockwood606大型马铃薯播种机作业速度快、播种效率高，其为气吸式排种，由拖拉机提供动力，适用于整薯和切块薯种植，可进行4行、6行、8行作业，而且该机器的液压系统采用雷达控制，工作效率高，手臂对种子的损伤较小，同样采用电子监控装置来控制播种量[6]，如图2所示。

图2 美国Lockwood606大型马铃薯播种机

英国Standen公司推出了SP400马铃薯播种机，该机采用勺链式排种器，配备先进的电子检测和液压系统；挪威TKS公司underhaug马铃薯播种机，采用液压升降来控制种箱，种箱可容纳8 t种薯；印度MPP-04系列马铃薯播种机是小型播种机，适用于小丘陵等小面积的马铃薯播种，对种薯的形状要求不高。

在过去的几十年里，国外马铃薯播种机从无到有，逐渐完善，播种技术已经十分成熟，很好地应用了现代科技技术，基本实现了马铃薯播种机械化。但国外播种机以大型机械为主，结构复杂，价格昂贵，不适合我国的国情。

1.2 国内马铃薯播种机现状

我国的机械化水平较低，马铃薯的机械化研究起步较晚，近年来我国的马铃薯机械化产业高速发展，针对块茎播种，市场潜力巨大。我国南北差异较大，国内很多学者针对我国各地区进行研究，并且取得了巨大突破。

东北农业大学吕金庆等[7]研制出了2CM-2型马铃薯播种机，如图3所示。该播种机采用勺链式马铃薯排种器，作业效率高，而且对不同土壤的适应能力强，株距均匀性好，可以简单地调节不同株距的播种，可一次性完成开沟、施肥、播种、覆土和镇压过程。赵举文等[8]在2CM-2型马铃薯播种机上采用了三角形支撑，当马铃薯从取种箱中升运到水平携种时，进行人工补种，提高了充种效率。青岛农业大学郭栋等[9]设计出一款针对山区丘陵地带的2CM-SF型马铃薯播种机，该机由8.82 kW的拖拉机提供动力，对排种链装置进行优化设计，排种链对称分布在种箱的两侧，降低了重种率和漏种率，提高了西南地区马铃薯的机械播种水平。内蒙古农业大学的赵满全等[10]研制出的2BSL-2型马铃薯播种机如图4所示，该机器采用勺链式马铃薯排种器，种箱的倾斜角大于马铃薯的自然休止角，马铃薯可以自然形成流动，种箱底部的横截面与种勺的大小相等，一次仅能通过一个取种勺，大大提高了充种效率。

图3 2CM-2型马铃薯播种机

图4 2BSL-2型马铃薯播种机

虽然我国南北种植差异较大，机械化起步较晚，经过科研人员的不断努力，已经研发出了针对不同区域所使用的马铃薯播种机，相关类型的播种机还有很多。目前，国内马铃薯播种机与国外一体化的种植机相比还有较大的差距。

排种器是马铃薯播种机的核心部件，是影响马铃薯播种机性能的关键因素。目前，我国马铃薯排种器主要采用勺带(链)式，研究多是对排种器工作参数进行优化，以降低排种器的重播率和漏播率。孙伟等[11]提出一个核心为AT-mega16单片机的补种装置，在排种器工作过程中及时补种，但由于存在专门补种的补种箱，容易发生堵塞；牛康等[12]提出双层种箱式排种装置，基于离散单元法，利用EDEM进行运动仿真，将种箱设计成为双层，增强了种薯的流动性，提高了充种效率。

2 马铃薯排种器研究现状

重播率和漏播率以及作业效率是马铃薯播种机作业效果的关键指标[13]，排种器是马铃薯播种机的核心部件。目前，按照马铃薯排种器工作原理的不同，将其主要分为气力式排种器和机械式排种器两类[14]。

气力式排种器按照其工作原理的不同可以分为气吸式[15]、气吹式[16]和气压式[17]排种器，其通用性好，不伤种子，对种子的几何尺寸要求不高，提高了马铃薯播种的精度，但其结构复杂，制造成本高，价格昂贵。

机械式排种器的结构简单，价格低廉，适用于我国马铃薯产业，因其良好的互换性，被很多学者所研究。机械式排种器主要有勺带式[18]、勺链式[19]、勺盘式[20]、针刺式[21]和输送带式[22]。

2.1 勺链式排种器

勺链式排种器是常用的排种器，德国Grimme马铃薯播种机最初将勺链式排种器用于播种机上，取种勺固定在传送链上，利用链条传动实现马铃薯的排种，但由于自身原因，取种勺与链条的链接容易脱落，链轮上的齿容易被打坏，而且随着链轮的转动，种薯容易出现伤痕[23-25]，影响种薯的发芽率和产量。

勺链式马铃薯排种器如图5所示，排种器由上下皮带轮、排种槽、清种装置和种箱等组成，工作可分为四个过程，即取种、清种、携种和排种。链条带动取种勺自下而上运动，经过种箱时舀取1～2个种薯向上运动，进入清种区，清种装置对链条进行振动，将种勺内多余的种薯去除，以保证每个种勺内只有一个种薯，随着链条继续向上运动，翻越上皮带轮，种薯离开种勺，落在前一个种勺的背部向下运动，最后在播种区排种，完成一个播种过程。

图5 勺链式马铃薯排种器1.上皮带轮；2.清种装置；3.排种槽；4.种子；5.种勺；6.下皮带轮

2.2 气吸式排种器

针对勺链式马铃薯播种机高速作业时产生严重的重漏播问题，吕金庆设计了一种气吸式排种器[26]。影响播种效率的主要因素是转速和正负压，采用小块茎马铃薯播种，将传统的吸气孔改为手臂，将排种板改为配风阀，手臂安装在末端，可更换吸嘴，提高通用性，采用真空压力吸薯，动态喂料装置控制种子高度，提高性能，可调节播种角度，根据环境更换合适的位置，正压气流可以清除残留杂质，延长排种器的使用寿命。

气吸式排种器如图6所示，其工作过程可以分成四部分，即抽吸、搬运、播种和空转过程，手臂在真空状态下从种箱内抽吸种薯；被吸出的种薯与旋转阀同步旋转，搬运种薯；当支臂在播种区时，支臂与真空室的连接被堵塞，吸附力消失，种薯掉落空转；为了防止杂质堆积，阀门堵塞，在空转区产生正压，排出杂质，完成工作循环。

图6 气吸式排种器1.吸嘴；2.吸臂；3.种箱；4.静止阀；5.静止轴；6.吸管；7.旋转轴；8.旋转阀；9.吹管；10.调节螺丝；11.护壳

2.3 勺盘式排种器

勺盘式排种器的结构简单，通用性较好，苏联CH-4A马铃薯播种机上最早使用勺盘式排种器。勺盘式排种器如图7所示，其工作过程简单，将取种凹勺固定在排种器的勺盘上进行取种，刮种器作业，刮掉多余的种子，然后在自重和推种器的作用下掉入种沟，完成排种过程，取种凹勺的大小由种薯的大小确定，这种排种器的缺点是排种的均匀性不稳定，播种的质量低，精度也远低于勺链式排种器[27]。

图7 勺盘式排种器1.种箱；2.推种器；3.排种盘；4.种子；5.刮种器

2.4 针刺式排种器

20世纪末期，针刺式排种器在美国被研究与应用的较多，其工作原理是一个排种盘的外围固定了多个脱毒刺针，在排种盘的转动下，脱毒刺针从种箱中刺取种薯，随着排种盘的转动，种薯在脱种装置的作用下脱离刺针，排入种沟，完成一个排种过程，达到精密播种的目的。但由于针刺式排种器伤种的致命缺点，如果一个种薯有病毒，会造成其他种薯的大面积感染。工作过程中，泥土中混有的碎石、杂草等杂质能使刺针变形，造成损坏，因此国内外对针刺式排种器的研究很少，市场需求也少。

2.5 指夹式排种器

指夹式马铃薯排种器的工作原理是排种盘的下部浸于种箱内，指夹随着排种盘转动，经过种箱时在弹簧的作用力下张开指夹获得种薯，然后指夹带着种薯随着转动盘转动，到达投种区时弹簧打开指夹，完成播种过程。

这种排种器主要用于玉米、谷物等颗粒较小的作物播种机上，马铃薯的块茎分布不均匀，质量参差不齐，这种排种器会产生极大的漏播，国内很少有人研究。

3 存在的问题和展望

我国农业机械化的发展起步较晚，相比发达国家机械化水平低，主要存在以下问题：

(1)马铃薯播种机上漏播补偿装置的方案尚不成熟，传感器的使用和开发不成熟，结合现代科技技术来提高马铃薯的播种质量，提高播种机的适应性和寿命是未来发展的方向。

(2)播种机作业时，由于机具振动等原因，重播和漏播现象明显，与世界马铃薯播种机平均水平相比，生产效率低，同时所需配套的动力也大，作业损耗大。在之后马铃薯播种机的发展中，勺链式排种器将广泛用于马铃薯播种机，对其参数、工作状态的优化、降低重种和漏种率，提高链条的稳定性和播种效率是研究者未来的研究方向。

(3)在未来一段时间内，马铃薯排种器的市场将以机械式为主，而气力式排种器则被广泛用于玉米、小麦等种子粒径较小的作物。由于马铃薯块茎较大，如果气力式排种器用于马铃薯播种时，应提高气力式排种器吸嘴的吸入能力，控制吸入的个数，降低重播率和漏播率。

4 小结

我国自古以来就是农业大国，拥有数千年的农耕文明。但我国农业机械化的起步较晚，目前虽然在一些技术上有所突破，但相比西方发达国家来说，总体机械化水平低，生产效率不高，工作稳定性较差。未来我国农业将与现代技术相结合，实现机电液一体化联动，马铃薯播种机在未来必将朝着更加大型化、智能化、自动化方向发展。