杨昌敏,易文裕, 2,邱云桥,赵帮泰,程方平,陈昶
(1. 四川省农业机械研究设计院,成都市,610066; 2. 农业农村部丘陵山地农业装备技术 重点实验室,成都市,610066)
育苗播种与传统直播方式相比,可提高土地利用率,缓解季节茬口矛盾,改善种苗条件,增加产量和收入[1]。蔬菜、花卉等小粒种子种类繁多,种植广泛,少部分采用直播,多数采用育苗移栽[2]。育苗精量播种机是机械化育苗的关键设备,可以减轻人工点播劳动强度、提高播种效率、降低人力成本,近年来被广泛应用。
育苗精量播种机按排种器的特性有多种分类方式[3],按排种器携种方式不同,可以分为机械式、气力式、磁吸式;按排种器设计样式不同,可分为板(盘)式、针(管)式、滚筒式;按自动化程度不同,可分为手持式、半自动、全自动播种机[4]。气力式精量播种,对种子的结构尺寸要求不严格,不损伤种子,可进行较高速度作业,是小粒种子育苗精量播种的首选和趋势。
通过对当前气力板式、针式、滚筒式育苗精量播种机技术研究现状及产品特性介绍,分析我国育苗精量播种机技术发展存在的问题,并提出相应建议措施,以期为我国进一步研制、优化、推广育苗精量播种机提供参考。
排种器是育苗精量播种机的核心部件,其工作性能直接影响播种精度、均匀性和种子的出苗率。机械式排种器结构相对简单,成本低,但对种子几何尺寸要求较严格,在充种、清种过程中,种子容易遭受挤压而损伤,且单粒播种效果差,不适合高速作业[5];气力式排种器有气吸和气吹两种方式,采用真空吸附原理,可以根据种子的大小、形状等规格设计不同的风孔,对不同类型的种子具有更好的适应性,生产效率高,是排种器研究的主要方向[6-7]。气力板式播种机能实现单次整盘播种,效率较高,但对种子一致性要求高,否则易因穴孔气压不均匀出现漏播;气力针式播种机在国内外最早出现,操作简单,适用面广;气力滚筒式播种机打破板式、针式间歇作业方式,通过滚筒圆周吸附种子,实现种子的连续播种,效率较高。气力手动、半自动播种机作业效率不高,但成本较低,适用于小规模用户;气力全自动播种机多应用于生产线,适合规模较大的用户使用,价格较高。育苗精量播种机不同分类方式,见表1。
表1 育苗精量播种机不同分类方式Tab. 1 Different classification of seed metering device
欧美等国家对播种机排种器的研究开始较早,20世纪50年代后期欧美等国家开始对气力式精量排种器进行研究,采用理论研究、特殊结构设计加上新型材料、新加工工艺的应用,使排种器通用性、播种精度和效率不断提高。理论研究方面,如欧洲的P. Guarella教授团队认为空气是不可压缩的,将其作为理想气体,设定特殊环境,对吸盘式排种器进行试验研究,建立相关模型,为排种器研究奠定理论基础;Dylan St等对气力式精量排种器的转动速度与负压值间的关系进行研究,得到了试验种子相对应的排种器转速、排种孔参数、气压值,为研制高质量排种器提供支持。结构设计和材料应用方面,法国公司生产的气吸式排种器壳体和种盘均采用铝合金压铸,排种盘采用不锈钢板,耐磨、抗腐蚀,同时配备高强塑料密封环防止气室漏气,配备黄铜搅种装置增加种子流动性,提高排种器播种性能,延长使用寿命[8-9];意大利公司设计的气吸式排种器,装置结构紧凑,以种盘圆心为中心周向分布搅种片,提高种群的流动性,有利于吸种,同时采用双侧清种装置提高清种性能,单粒率较好[10-11];韩国的Hwang S J等[12]对播种洋葱种子的滚筒形状进行了优化,尽量减少重量,同时满足所需的强度,形状优化后的滚筒重量,比传统滚筒减轻17.7%,并且满足2.0以上的安全系数。
随着气动技术发展以及元器件制造水平的提高,在气力式排种器研究的基础上,发达国家研制出了多种气力式精量播种机,并很快应用到育苗生产中[13]。国外研制的机型较多,功能较完善,自动化程度较高,并且配套设备齐全,这其中包括英国、美国、澳大利亚、荷兰、韩国等国家众多公司的知名产品[14-15]。荷兰公司生产的气力板式精量播种机,适用于单粒播种,对种子外形有一定要求,生产效率较高。荷兰生产的Nozzle系列针式精量播种机如图1所示,采用真空吸附原理,具有自动清洁吸嘴的功能,并且能够一次完成两排穴孔的播种,播种精度高。
图1 针式精量播种机Fig. 1 Nozzle precision seeder
图2为英国公司生产的滚筒式穴盘育苗精量播种机。该播种机实现了一个滚筒播种多种蔬菜种子和播种大小不同的穴盘,正常播种效率700盘/h,对研究播种机滚筒的多适用性迈出了一大步。
图2 滚筒式精量播种机Fig. 2 Roller precision seeder
随着技术发展,荷兰、美国、日本、韩国都有工厂化育苗自动生产线,工厂化育苗自动生产线成套技术在发达国家已基本形成,并向高科技、高度自动化发展。澳大利亚公司生产的ST1500型育苗播种生产线,适用于多种类型穴盘,播种精确可靠,广泛应用于蔬菜等种植领域,最大播种速度可达1 500盘/h;荷兰公司生产的Granette 2000Tex型双排针式流水线,能使用可编程TEX电脑进行多种播种模式的设置和储存,播种精度非常高,喷嘴具有独特的自清洁机构,有效减少吸嘴堵塞,如果发生堵塞,且无法通过自清洁解决时,监控系统还会发出报警[16]。意大利公司生产的Line1400型播种生产线,如图3所示,有强大的工作能力,可以通过电子系统控制全部的工作部件[17]。
图3 Line1400播种生产线Fig. 3 Line1400 type seeder
我国在20世纪80年代中期正式引进育苗技术,通过对排种器进行理论分析、仿真模拟、结构改进设计等,精量播种机工作性能得到较大提高,播种精度、效率得到大幅提升。理论研究方面,李耀明等[18]以油菜等作物种子为研究对象,对振动种盘内种子的运动过程进行理论分析,通过性能试验,确定了振动气吸式排种器核心部件的结构和参数;陈进等[19-20]通过ANSYS对滚筒吸孔结构流场进行了模拟仿真分析,得出吸孔结构对取种性能的影响规律,并对仿真结果进行了性能试验验证。结构设计方面,杨叶[21]提出紧凑型冲穴播种一体式的设计方案,采用鸭嘴型播种头机构和吸盘吸种机构巧妙配合,实现冲穴播种一步到位,减少播种工序,提高育苗质量和效率;张欢等针对现有气吸滚筒式排种器部件多、装配难、密封性差的问题,提出了利用3D快速成型技术打印部分负压吸种滚筒的新思路,并创新设计了双腔排种滚筒,以番茄种子为试验对象,确定了影响排种性能指标较优的结构和工作参数;刘云强等[22]为解决播种非球形蔬菜种子重播率较高的问题,设计了一种清种装置,并通过对清种装置内流场仿真模拟,优化了清种装置结构参数。
经过多年探索,我国多种育苗播种机产品问世。2BXP-500型压穴翻转式精量播种机,可配32孔至288孔的多种规格育苗播种板,播种速度300~400盘/h,但高速作业时,气压不够稳定,播种板穴孔存在漏播现象。RSZN-600型针吸式穴盘播种机如图4所示,采用气电二合一的传动控制技术,节能、环保,要求种子饱满,可实现一穴一粒精准播种。
图4 RSZN-600型针吸式播种机Fig. 4 RSZN-600 Needle suction seeder
2YB-G30A-2型滚筒式精量播种机如图5所示,采用高精度电子滚筒系统,适用于0.3~4 mm之间的种子,形状不限,适应性好,适用于小型育苗工厂,但播种机不带气源系统,需外配气源装置才能投入使用,成本较高。
图5 2YB-G30A-2滚筒式精量播种机Fig. 5 2YB-G30A-2 Drum precision planter
全自动水稻育秧流水线如图6所示,播种机排种器采用螺旋排种,改变传统直线排种方式,实现螺旋交替充、排种,大大提高了播种均匀性,配备全自动上盘机、上土机以及垒盘机,可实现自动化生产,大大节约劳动力,提高了生产效率。
图6 全自动育秧流水线Fig. 6 Automatic seedling production line
2BS-6型气力式蔬菜穴盘高速播种生产线,采用气力滚筒播种,正负气压端面换气技术,带有自动清洗装置,实现了播种生产的机械化和自动化,适用于蔬菜、烟草、花卉等种子播种,600~900盘/h,播种效率较国外精播流水线还存在一定差距。
近年来,国外专家学者在利用不同原理实现精量播种方面进行着不断探索,为了解决形状不规则、重量轻的蔬菜种子的播种问题,研究利用一些新的播种方式。如日本提出的蔬菜静电播种[23],是一种将静电吸附现象应用于播种作业的技术,播种前用磁性材料对种子进行包衣处理,利用电磁铁与磁性物质间的吸附力实现对种子的吸附,通过控制电源开关间接控制磁力产生,达到吸种和落种目的;日本提出的种子带播种,将种子按照一定距离放入编织带中,由专门的播种机械将打包成捆的种子带铺在田间,覆盖土壤,保证播种的均匀性和出苗率,此技术在发达国家广泛应用;英国提出的液体播种[24],将种子与由水、农药、肥料等按照一定比例配置成的悬浮剂混合,使种子均匀的分布于悬浮剂之中,通过喷洒悬浮剂来达到精量播种的目的,克服了小颗粒种子因质量轻,播种过程中漂浮、不易控制的难题,目前已经用于蔬菜和花卉的播种;英国还提出了适合牧草的超音速播种[25]。
我国王家胜等[26]研制了一种基于种子带模式的播种装置,种子带采用易于土壤分解的材料制成,通过更换配套吸种辊轮可适应多种作物播种;张燕青[33]等以谷物种子为研究对象,按一定比例配置了谷子种粒混合悬浮液,将谷种与液体混合均匀后利用流体排种装置完成排种。国内也有学者研究磁力式排种的精量播种机,此类播种机吸种部件主要由磁吸头、电磁线圈和反磁性套管组成[27],调节电磁线圈通电电流的大小,可改变磁吸力大小,从而实现各类种子的精量播种。此种播种方法简便,对种子外形和体积没有过高要求,单粒精播率高,播种速度快[28],但该类播种方式需提前将种子进行磁粉包衣处理。
通过上述论述可以看到我国育苗精量播种机的携种方式、排种器样式、产品种类以及对新型播种技术的研究上都紧跟国外,但在种子适应性、播种效率、作业性能等方面与国外还存在一定差距。国内外育苗精量播种机比较,见表2。
表2 国内外育苗精量播种机比较Tab. 2 Comparison of seedling planters
1) 育苗精量播种机播种性能还不够稳定。我国气力式育苗播种机,一般需要借助空气压缩机作为气源,由于气源压力的不断变化,许多机型在高速作业下易因气压不稳,造成漏播、重播等问题。播种盘中的种子常含有灰尘和杂质,清理不及时,播种过程中也极易造成导管、吸种口的堵塞,出现漏播现象。
2) 育苗精量播种机关键结构设计、参数精准控制技术有待突破。气力式排种器因种子适应性好,而被广泛应用,但我国排种器在多功能结构设计、气压精准控制技术方面还存在不足,育苗过程中所需的播种关键部件相当大程度上还依赖进口。
3) 农机农艺融合有待加强。种子的物理特性与播种装置结构和性能参数相关性较大,影响播种质量。育苗播种机械一般只注重了播种的能力,而忽略了播种时农艺方面的要求,机艺融合不够,影响出苗的整齐度,导致幼苗后期生长不好,并且机具互换性较差,播种机利用率不高。
4) 设备成本高,推广应用难。当前我国种植模式是分散种植多、规模种植少,育苗精量播种机成本较高,与我国农产品价格水平不相适应,个体经营、小规模生产户机具购买率低,设备推广应用难。
1) 重视技术创新,提高育苗精量播种机作业稳定性。学习国外先进的设计、制造方法,引进与自主创新相结合,通过技术创新为育苗精量播种机提供强有力的技术支撑和基本保障。对播种机关键部件建立标准化的设计方法,统一制造规范,改善播种机播种性能,提高设备稳定性。
2) 突破关键参数控制难的问题,提升育苗播种机作业精准度。应用精密电器控制元件,采用先进电气控制技术,对排种器气密性进行精准控制,提高播种作业精度。同时,利用计算机视觉技术等,加装播种智能监控系统和补漏装置,对漏播位置及时补种,提高出苗整齐性。
3) 加强机艺融合,研发多功能播种机,实现一机多用。播种机设计充分考虑种子物理特性的差异性和播种农艺要求,为播种机排种器关键部件的设计提供支撑。机艺融合,研发参数可调、能适应不同类型种子播种的通用性播种机,提高机具互换性,扩大适用范围,实现一机多用。
4) 降低生产成本,大力推广应用,持续提升播种机技术水平。育苗精量播种机的研制应在保证工作性能的条件下尽可能降低成本,同时将研发的新型育苗播种机纳入国家农机购机补贴,提高用户购买力,推动机具推广应用,在推广应用中不断进行优化改进,持续提升其技术水平。
精量播种技术是当前播种机械中的最新技术,随着科学技术的日新月异,世界各国出现了许多新型的育苗播种机,工作质量和效率不断提升。目前,我国育苗精量播种机取得了较大进步,但相比国外发达国家在技术和装备水平上仍有一定的差距。引进吸收国外先进技术结合我国实际,通过技术创新提升育苗精量播种机作业效率、播种精度和自动化水平是我国今后育苗科技的重要研究和发展方向。