2BQS-8型气力式蔬菜播种机的设计与实验

高鹏飞,刘自强,张景阳,罗 伟,李中义,郑 威,杨 华

(黑龙江德沃科技开发有限公司,哈尔滨 150086)

0 引言

中国是蔬菜种植大国,总种植面积呈逐年增加趋势,其中2021年蔬菜总播种面积约为2 186.67万hm2,比2020年增长1.8%;2021年蔬菜总产量约为7.67亿t,比2020年增长2.4%。我国蔬菜总种植面积仅次于粮食作物居第二位,总产量则超过粮食作物近1亿t,居农产品第一位。当前我国蔬菜生产量和消费量供求关系基本平衡,但随着农村人口尤其是高素质人口的流失,蔬菜总种植面积减少及社会蔬菜总需求量增加,在确保价格稳定和食品安全的前提下如何保证稳定可持续的蔬菜有效供应,已经成为蔬菜产业发展的关键因素和工作目标。

随着劳动力缺失问题的日趋加剧,用工难度和成本逐年增加,已成为蔬菜生产中更加突显且亟待解决的问题。据统计,近十年来我国蔬菜生产成本年均涨幅在8%以上,尤其是劳动力费用涨幅较快,年均涨幅达19%,至2022年人工成本已占到蔬菜生产总成本的56%。随着我国城镇化进程的加快,将有更多的农村富余劳动力向非农产业转移,劳动力成本不断增加已成为不争的事实。蔬菜生产全程机械化是解决蔬菜产业发展和劳动生产率提高的最重要途径,实现我国蔬菜现代化的必由之路是蔬菜生产机械化[1]。蔬菜机械化程度越高,就越能加快农业发展和农村建设步伐。要想实现蔬菜产业跨越式发展和实现社会主义新农村建设目标,蔬菜生产机械化势必先行。

我国蔬菜种植规模居世界前列,传统的种植模式以人工为主,存在着用工量多、劳动强度大、种植标准不规范等显著问题。要改变落后的生产方式同时增加农民收入,采用蔬菜机械化生产模式是解决这一问题的根本。我国蔬菜生产机械化发展起步较晚,机械化程度较低,整体技术装备水平较为落后,综合机械化率仅为20%,远低于粮食作物综合机械化水平。近些年,我国在主粮作物综合机械化水平和质量方面有了显著的进步和提升,但由于蔬菜生产的差异性和特殊性,土地状况达不到机械化作业要求等因素的影响,蔬菜综合机械化技术装备发展缓慢,尤其机械化栽植和收获环节水平仍然很低[2-3]。农机与农艺融合度不高是制约蔬菜机械化发展的瓶颈,已成为行业共识[4-5]。

我国蔬菜种类繁多,种植模式差异大,农艺要求不统一。与玉米、大豆等主粮作物相比,蔬菜机械生产所需农机装备的研发推广难度更加艰巨。一直以来,农业生产中存在重视主粮作物,而轻视蔬菜的观念。在装备研发方面则重视农艺,轻视装备研发和投入,蔬菜机械化生产受到重视的程度和相关研发投入都很少,且不够系统全面。在蔬菜精量播种和机械收获等关键技术方面还未取得关键性突破,各环节机械配套程度差、作业效率和质量低下的问题非常突出。

我国蔬菜精量播种机的研发起步较晚,因此研制一种新型小粒蔬菜气吸式精密直播机械对提高蔬菜生产效率和促进蔬菜产业发展具有十分重要的意义。

1 发展现状及趋势

20世纪50年代,西方发达国家开始了蔬菜田间播种机械化技术和装备的研究,其中以日本、美国、德国和意大利等国的技术装备水平最高,应用范围最广。日本以小型化育苗移栽机械为主,手扶兼有自走机型,多应用于温室大棚或者小型地块使用。美国及欧洲国家则主要以大型化移栽机械和气力式精密直播机为主,兼有施肥等联合作业功能,应用地块和推广面积较大,并开始向自动化、智能化和机电液一体化方向发展。蔬菜直播机械中多采用光电传感器感知播种状态,根据参数变化自动调节播种各项指标以提高播种精度。从世界范围看甘蓝、芹菜、洋葱、莴苣、大白菜、萝卜等蔬菜均已实现机械化精量播种。

我国的蔬菜精量机械化直播技术及装备研究还处于起步阶段,因受播前耕整地条件、排种器综合性能、种植农艺差异化和农户传统观念等关键因素的束缚和制约,蔬菜直播机械的整体性能还有较大提升空间。

蔬菜播种机械从第一代的人工器械落种到目前较为先进的双压气力式精量播种机械共经历了六代的发展历程。

第一代由于时间久远,设备较少,作业效果欠佳。

第二代是手推式条播机(图1),采用人力推动地轮前进,带动播种器条状播种,作业效率在0.05～0.08 hm2·h-1。其优点在于价格便宜,结构简单,使用方便。但存在着人工劳动强度大,效率低的问题。

第三代是机械式条播机(图2),采用拖拉机牵引的方式带动地轮动力驱动排种器进行条播作业,该机型播种效率较高,人工强度较低,但条播精度较差,有轻微伤种现象,工作效率在0.40～0.53 hm2·h-1。

图1 手推式条播机

随后是第四代气吸式播种机和第五代气吸气吹双压播种机(图3)。第四代气吸式播种机由轮式拖拉机驱动单负压风机吸种,地轮驱动排种器自然投种,单播率≥52%,漏播率≤10%;第五代气吸气吹双压播种机是由轮式拖拉机驱动双压风机工作,其中负压吸种,正压吹种辅助投种,单播率≥78%,漏播率≤5%。气力式蔬菜直播机的使用使播种效率和质量得到了较大提升,作业效率0.40～0.67 hm2·h-1,存在问题是自然落种均匀度较差,时有堵种现象发生。

目前,技术较为先进的气力式双压精密播种机为第六代(图4)。该机型重新调整双压配置及参数设计,优化结构布局,有效提高了吸种剔种能力,降低重播漏播率,实现单粒精密播种,减少苗期间苗环节,单播率≥95%,漏播率≤2%。作业效率在0.53～0.80 hm2·h-1,满足规模种植户大面积蔬菜播种需要。

图2 机械式蔬菜条播机

图3 气力式蔬菜播种机

图4 气力式蔬菜精密播种机

2 整机结构及原理

2.1 结构

2BQS-8型气力式蔬菜播种机采用三点后悬挂的方式与轮式拖拉机挂接使用,单主梁左右对称横向布置播种单元,实现单双苗带播种作业需求。采用双压风量控制,负压用于吸种,正压剔种吹杂,防止漏播重播现象出现,单粒率高,实现高速精密播种。整机采用一行单双苗带的播种形式,适用于垄上或者整地做畦,可实现一行双苗带密植作业,苗带间距6～13 cm可调。可根据不同蔬菜种子的播种需要,一次性完成浅层开沟、精密播种、双侧覆土、圆轮压种、整体镇压等作业,行距和株距可根据需要适时调整。

该机的推广应用具有以下显著优点:1)在同等条件下,其作业效率是普通机械式蔬菜播种机效率的2倍以上,是种子铺绳机效率的5倍以上,是人工手推式播种机效率的10倍以上,显著提高了作业效率;2)该机播种种子损伤率小于1%,而机械式蔬菜播种机种子的损伤率则大于10%,该机保证精量播种种子的发芽率;3)可实现单粒精量播种,使用种子的数量为机械式蔬菜播种机的30%～50%,节省大量价格昂贵的种子;4)具有随地仿形系统保证播种深度一致、株距均匀、漏播率和重播率低等技术优势,提高蔬菜单产和品质;5)可实现一机多用,能适应不同区域、不同种植农艺模式的多种蔬菜播种作业,应用范围广泛。

蔬菜播种机整机结构根据不同品种、不同地域蔬菜播种作业农艺技术需求,结合双压吸排种高速作业对机具构造、挂接方式等方面的要求,设计结构见图5。

该机主要由播种单体、主机架、风机及风量控制系统等主体结构及在线监测报警系统等部分构成。主体结构的总风管、种箱及播种单体等组件以机架中心面两侧对称布置,播种垄数为4垄,播种行数为4～8 行。整机共配置4组仿形开沟播种镇压部件,每组可根据实际需要设置1～2套排种装置,行距大于6～13 cm,垄距55～75 cm可调,满足垄上单双条播种作业需求。播种单体垄上多行采取入土位置前后交错排列,以满足行距需求。播种开沟器为靴式开沟器,具有防风功能,播种作业时5级以下风力不影响播种精度。单体仿形与四连杆机构的组合使用,保证排种器在播种过程中株距和播深一致。微型镇压轮直接压种,保证种子与土壤充分接触,吸收水分与养分,不会出现地表露种现象。正压过滤系统,保证正压管道内清洁,有效防止排种器堵塞,避免漏吸种现象。排种器模块化处理,可以自由组合,以满足不同蔬菜播种行距的要求。吸排种盘采用特殊材质制成,耐腐蚀不易磨损,使用寿命长,播种精度高。

1.支脚;2.播种单体;3.悬挂机架;4.仿形轮;5.传动链条;6.总风管;7.双压风机;8.吸风口;9.风压压力表;10.气吸排种器;11.调压手柄;12.播深调整手柄;13.驱动地轮;14.镇压轮图5 2BQS-8型气力式蔬菜播种机侧视图

2.2 工作原理

机组进行蔬菜播种作业时,配套动力选择36.8 kW以上轮式拖拉机,三点后悬挂联接。动力输出轴PTO接合转速540 r·min-1,驱动双压风机旋转,同时启动播种及风压监测系统,机组在行进过程入土,机具入土后播种作业速度控制在3～5 km·h-1。

通常蔬菜播前整地状态较好,播种机作业速度不高,提高小粒蔬菜种子防风性能以保证稳定的株距和播深是提高播种机作业质量的关键,因此该机播种单体仿形限深机构采用前圆形辊轮的设计型式,防风型靴式开沟器开沟深度1～3 cm,宽度0.8～2.0 cm。圆辊型镇压轮起到合垄均匀压实土壤的作用。蔬菜小粒种子排种器为双压气力式,负压完成吸种,正压清除多余种子,提高播种单粒性,降低重播现象。排种器投种位置与地面高度在5～10 cm,可实现精准低位零速投种。风机选用高速涡扇低噪音型式,风扇直径ø520 mm,负压压力19～23 kPa,风量120～150 m3·h-1,输风管采用不锈钢无缝管减少压损,具备风压在线监测功能。整机在线监测系统由光电传感器检测种子下落状况,监测种子的漏播和重播数据,发生堵塞时发出报警信号,并统计株距和播种量等信息。

2.3 技术参数

2BQS-8型气力式蔬菜播种机主要技术参数见表1。

表1 主要技术参数

3 田间试验及性能测试

3.1 排种器试验

试验地点选在黑龙江省农业机械工程科学研究院播种机排种器实验室,使用播种机排种器专用检测平台进行性能试验,监测数据结果见表2。

3.2 整机性能测试

试验地点在河北省张家口市沽源县,播种的蔬菜为娃娃菜、白菜、甘蓝,播种时3 d内未下雨,地面干燥,土壤为沙壤土,播种地块已完成旋耕并起垄,垄长为500 m,种植模式为垄上直播,垄距60 cm,垄上2苗带,苗带间距20 cm,一次播种6行,风力3～4级,土壤湿度为33%。

表2 排种器性能测试数据

性能测试依据按《单粒(精密)播种机 试验方法》(GB/T6973—1986)和《单粒(精密)播种机 技术条件》(JB/T10293—2013)等国家标准及行业标准的要求执行,对该播种机各项技术性能指标进行性能测试。

播种时每次在每个排种单体种箱内填加0.5 kg的种子,配套拖拉机选择约翰迪尔904,挡位为中1挡,播种娃娃菜株距为20 cm,白菜为40 cm,甘蓝为42 cm。在已播地中随机选取一段找到连续的10粒种子测量株距。在地头时注意观察排种盘上种子吸附情况,如大面积漏种则马上调整。播种株距测试结果见表3。

表3 播种株距测试结果 单位:mm

3.3 结果分析

整机播种作业质量受排种器性能影响较大,稳定可靠的吸、排、剔种直接影响到重播率、单粒率和株距一致性,可靠稳定的双压风量系统对播种机的播种质量非常关键。通过试验可以看出该机在风量控制的稳定性方面还需要进一步加强。测试结果见表4。其次对播种、株距、行距和播深等参数影响较大的因素还有拖拉机手的操作水平与对设备的熟悉程度,需做好用户培训工作。

通过排种器实验室试验以及整机生产考核,该气力式小粒蔬菜种子专用排种器的性能达到了《单粒(精密)播种机 试验方法》(GB/T6973—1986)设计要求。

表4 蔬菜播种机性能测试结果

4 结论

1)该蔬菜直播机可完成白菜、油菜等多种丸粒蔬菜的精量播种作业。播种质量符合《播种机质量技术评价规范》(NY/T1143—2006 )行业标准的规定,可满足垄上单条双条蔬菜播种农艺技术需要。

2)经过生产考核和性能测定,该气力式蔬菜播种机专用排种器各项指标均达国家行业标准相关要求。整机播种作业顺畅,能够完成开沟、播种、覆土、镇压等各项功能,播种量完全能满足种植要求。整机结构设计合理,技术参数选择准确,具有结构紧凑,配置合理,作业效果好和经济效益显著等优点。该机的成功研制为我国蔬菜机械化直播装备的研发提供了一定的参考和借鉴。