張 昆,衣淑娟
(黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué) 工程學(xué)院,黑龍江 大慶 163319)
玉米獨(dú)具糧食、經(jīng)濟(jì)、飼料、果蔬、能源等多元用途,在產(chǎn)業(yè)鏈條中是延伸最長(zhǎng)的糧食作物,玉米產(chǎn)銷(xiāo)的各個(gè)主要環(huán)節(jié)都貫穿于第一、第二和第三各產(chǎn)業(yè),是重要的糧食作物。
我國(guó)是僅次于美國(guó)的世界第二大玉米生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó)。目前,玉米在我國(guó)糧食生產(chǎn)中種植面積和產(chǎn)量均位居第一位。玉米種植面積逐年增長(zhǎng),產(chǎn)量增加,對(duì)保障我國(guó)糧食安全發(fā)揮了巨大的作用。此外,現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的主要標(biāo)志之一是畜牧業(yè)為主導(dǎo)產(chǎn)業(yè),發(fā)達(dá)國(guó)家的農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)特征是畜牧業(yè)占60%~80%,種植業(yè)結(jié)構(gòu)特征是飼料作物面積占農(nóng)業(yè)耕地面積的70%以上。其中,飼料玉米的比重占西方發(fā)達(dá)國(guó)家玉米種植面積的80%以上。隨著我國(guó)農(nóng)村產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、現(xiàn)代化進(jìn)程的加快及全面小康社會(huì)對(duì)畜牧業(yè)發(fā)展的迫切需求,玉米以其多樣的用途、廣泛的分布,在我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。到2020年,我國(guó)的糧食增產(chǎn)中60%~80%需要依靠玉米來(lái)實(shí)現(xiàn)[1]。
播種質(zhì)量是影響玉米單產(chǎn)水平的主要因素之一,因此提高播種質(zhì)量對(duì)提升玉米產(chǎn)量具有重要意義。目前,玉米生產(chǎn)主要通過(guò)機(jī)械化來(lái)實(shí)現(xiàn),要提升播種質(zhì)量,就必須依靠高性能的精量播種裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)。要實(shí)現(xiàn)玉米增產(chǎn)增收,合理有效的研發(fā)和應(yīng)用玉米精量播種裝置是關(guān)鍵[2]。目前,種子發(fā)芽率較低是傳統(tǒng)方法的缺陷,我國(guó)玉米生產(chǎn)方式曾長(zhǎng)期采用粗放式的播種方法,如今我們國(guó)家的城鎮(zhèn)化進(jìn)程正逐漸加快步伐,不斷有農(nóng)業(yè)人員轉(zhuǎn)移,用人成本逐年上升,種子價(jià)格逐漸提高。因此,研制出省工、省種的單粒精量播種機(jī)具勢(shì)在必行。精量播種的技術(shù)是玉米機(jī)械化生產(chǎn)的重要保障,對(duì)促進(jìn)我國(guó)玉米生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展具有重大意義。
精量播種技術(shù)涉及種子處理、整地、播種、施肥、蟲(chóng)病害的防治及化學(xué)方式除草等農(nóng)藝環(huán)節(jié),是把傳統(tǒng)條播轉(zhuǎn)變?yōu)辄c(diǎn)播或穴播的一種綜合性強(qiáng)的先進(jìn)核心技術(shù),該技術(shù)開(kāi)始推廣于20世紀(jì)80-90年代,但其發(fā)展速度十分緩慢。隨著國(guó)外先進(jìn)精量播種裝置和機(jī)具的陸續(xù)引入和種子加工技術(shù)逐漸成熟,該項(xiàng)技術(shù)正逐漸被人們所認(rèn)識(shí)和推廣[3]。
精量播種技術(shù)能夠一次完成多道工序,能夠減少人工勞動(dòng),使玉米秧苗具有良好的透光性和通風(fēng)性[4-6]。實(shí)施精量播種技術(shù)的重要載體是精量播種裝置,隨著免耕播種技術(shù)的日漸成熟,開(kāi)溝器的破茬和防堵性能將逐漸提升。精量播種裝置是精量播種機(jī)的關(guān)鍵部件,工作性能的好壞將會(huì)直接影響到播種的質(zhì)量。因此,研究和開(kāi)發(fā)適應(yīng)農(nóng)藝要求的新型精量播種裝置對(duì)推動(dòng)玉米精量播種技術(shù)的發(fā)展具有重要意義[7]。
國(guó)內(nèi)的精量播種技術(shù)開(kāi)發(fā)和研究始于20世紀(jì)70年代。國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)精量播種裝置進(jìn)行了大量的理論及試驗(yàn)研究,從20世紀(jì)70年代末期開(kāi)始研究氣力式播種裝置,主要研究大豆、玉米、水稻、花生、高粱及棉花等作物在氣力作用下排種盤(pán)結(jié)構(gòu)參數(shù)、種子物料特性和工作參數(shù)等因素與播種性能間的變化規(guī)律[8-17],推進(jìn)了我國(guó)大田作物精量播種裝置的發(fā)展,使部分大田作物實(shí)現(xiàn)了氣力精量機(jī)械播種。
臺(tái)灣學(xué)者陳世銘采用振蕩式氣吸排種器和五刻劃形式分布的滾筒吸孔,減少了高速氣流破壞吸孔處的流體場(chǎng)的現(xiàn)象;但是,錐形吸孔存在一個(gè)缺點(diǎn),即在負(fù)壓被切斷時(shí),卸種的準(zhǔn)確性和一致性無(wú)法保證,因此又采用了高速氣流吹落種子。針對(duì)存在的問(wèn)題,左彥軍等采用了一種窩眼窄縫式的排種裝置,以窄縫寬度、真空度、窩眼半徑和滾筒轉(zhuǎn)速為影響因素進(jìn)行了試驗(yàn),并優(yōu)化出了最佳工藝參數(shù)[18-19]。左彥軍等研究了一種氣吸窩眼滾筒式排種器,并優(yōu)化了結(jié)構(gòu)參數(shù)[20]。蘇聰英針對(duì)吸種時(shí),吸種孔容易被堵,產(chǎn)生漏播的現(xiàn)象,設(shè)計(jì)了雙層的滾筒氣吸式播種裝置,避免了堵塞問(wèn)題,同時(shí)降低了漏播率[21]。
李法清研制出一種氣吸式滾筒水稻播種裝置[22],可解決之前播種裝置對(duì)播種期的適應(yīng)能力差、機(jī)具對(duì)種子損害較大的問(wèn)題。試驗(yàn)表明,此裝置也可以提升播種的均勻性和工作效率。此裝置滾筒表面的吸種型孔用吸吹嘴來(lái)替代,可適應(yīng)多種品種的水稻種子。陳英強(qiáng)等針對(duì)當(dāng)前市場(chǎng)上常用的播種裝置轉(zhuǎn)筒因循環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)而導(dǎo)致經(jīng)常出現(xiàn)缺料或多吸料的現(xiàn)象,致使缺株或重株的產(chǎn)生及播種質(zhì)量降低等問(wèn)題,研制出了一種滾動(dòng)式氣力播種裝置[23]。該播種裝置的正負(fù)氣壓室由轉(zhuǎn)筒和定子組合而成,在定子上設(shè)置了密封條能有效地隔離正負(fù)壓氣室;在料斗的上方設(shè)置了種子擋板能有效防止一次性吸住多粒種子,可避免重株現(xiàn)象產(chǎn)生,從而降低了重株率和缺株率。
江蘇大學(xué)陳進(jìn)等以排種器不同形狀吸孔的氣流場(chǎng)為研究對(duì)象,進(jìn)行了有限元分析和臺(tái)架試驗(yàn)。研究結(jié)果表明:①吸種效果的好壞和滾筒上吸孔孔徑大小有關(guān),孔徑越大,吸孔效果越好;②吸種效果最好的是錐形孔,其次是直孔和沉孔;③吸孔導(dǎo)程具有調(diào)整和穩(wěn)定氣流作用。華南農(nóng)業(yè)大學(xué)李志偉等利用轉(zhuǎn)動(dòng)換氣盤(pán)相對(duì)于固定換氣盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)正負(fù)氣壓的切換,發(fā)明了新型滾筒氣力式蔬菜播種裝置。該裝置省去了電磁閥,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工藝可靠,但加工精度低且相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)帶來(lái)的問(wèn)題是排種性能下降[24]。玄冠濤設(shè)計(jì)了一種小型蔬菜穴盤(pán)精密播種機(jī),整機(jī)采用全氣力驅(qū)動(dòng)和氣針播種,能連續(xù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)進(jìn)盤(pán)、打穴與單粒播種,通過(guò)更換播種針頭的數(shù)量和型號(hào),可適應(yīng)不同形態(tài)蔬菜種子及穴盤(pán)規(guī)格。為提高樣機(jī)開(kāi)發(fā)速度和質(zhì)量,降低生產(chǎn)成本,基于Solid Works軟件對(duì)關(guān)鍵部件進(jìn)行了數(shù)字化設(shè)計(jì)與三維建模,建立了小型蔬菜穴盤(pán)精密播種機(jī)虛擬樣機(jī),進(jìn)而自動(dòng)生成平面二維工程圖進(jìn)行樣機(jī)的生產(chǎn)加工。最后,對(duì)番茄等蔬菜種子進(jìn)行播種試驗(yàn),結(jié)果表明:小型蔬菜穴盤(pán)精密播種機(jī)的單粒率水平在91%以上,滿足了蔬菜穴盤(pán)精播育苗的要求[25]。袁文勝設(shè)計(jì)了一種懸掛式水稻田間育秧播種機(jī),分析了育秧播種機(jī)的鋪土均勻性、播種均勻性和機(jī)具的整體作業(yè)質(zhì)量。該機(jī)采用直徑為160mm的大直徑外槽輪式排土輥和直徑為110mm的大直徑、大窩眼式排種輥,滿足了水稻育秧底土量和播種量較大的要求。試驗(yàn)結(jié)果表明:育秧盤(pán)內(nèi)不同點(diǎn)的底土鋪土厚度變異系數(shù)均小于6%,每盤(pán)播種均勻度和總播種均勻度均在90%以上,作業(yè)流暢、性能穩(wěn)定,各項(xiàng)指標(biāo)符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)際生產(chǎn)要求[26]。楊華等人為了解決排種孔堵塞、漏播斷苗等問(wèn)題,在排種器的排種腔體上設(shè)置環(huán)形凹槽及多種通氣孔,設(shè)計(jì)了氣力式蔬菜播種排種器,實(shí)現(xiàn)了負(fù)壓吸種、自然泄壓排種,從根本上解決了氣力式排種器的漏播現(xiàn)象,保證了播種質(zhì)量和保苗株數(shù)[27]。
目前,國(guó)內(nèi)外對(duì)農(nóng)作物播種機(jī)械的研究有一定的進(jìn)展,但還存在一定的問(wèn)題,如精度不高、播種損傷等問(wèn)題[28-36]。為了解決上述問(wèn)題,劉艷芬從排種器的工作原理出發(fā),對(duì)排種盤(pán)型孔的結(jié)構(gòu)形狀和尺寸進(jìn)行分析,設(shè)計(jì)出一種帶倒角的周邊式傾斜長(zhǎng)方形型孔的水平圓盤(pán)排種器;為了得到排種器的最佳性能參數(shù),以排種器轉(zhuǎn)速、型孔倒角長(zhǎng)度、型孔傾角為試驗(yàn)因素,以排種合格指數(shù)、重播指數(shù)、漏播指數(shù)為試驗(yàn)指標(biāo)進(jìn)行三元二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn),建立試驗(yàn)指標(biāo)與試驗(yàn)因素間的數(shù)學(xué)模型。應(yīng)用響應(yīng)面法對(duì)回歸方程進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化,得到最佳參數(shù):排種器轉(zhuǎn)速為33r/min,倒角長(zhǎng)度為7mm,型孔傾角為61°,此時(shí)排種的合格指數(shù)為92.47%,重播指數(shù)為3.56%,漏播指數(shù)為3.97%。在最優(yōu)參數(shù)組合下,臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證排種器的排種合格指數(shù)為92.13%,重播指數(shù)為4.01%,漏播指數(shù)為3.86%。田間驗(yàn)證試驗(yàn)表明:當(dāng)排種器轉(zhuǎn)速調(diào)整為33r/min時(shí),其線速度為0.41m/s,播種機(jī)組前進(jìn)速度為8.6km/h,水平圓盤(pán)排種器的播種性能指標(biāo)滿足單粒精密播種的農(nóng)藝要求,且對(duì)不同品種的玉米種子具有良好的適應(yīng)性。陳蔣針對(duì)玉米免耕播種機(jī)在起伏較大的地面工作時(shí)播種單體被架空、導(dǎo)致播種深度不合格的問(wèn)題,設(shè)計(jì)了一種電液播深調(diào)節(jié)裝置。該裝置在平行四桿機(jī)構(gòu)處加裝了液壓缸,用以調(diào)節(jié)播深。通過(guò)對(duì)電液播深調(diào)節(jié)裝置進(jìn)行受力分析,確定了影響液壓缸受力的因素;在ADAMS軟件中建立播深調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化模型,采用有限元構(gòu)件法建立土壤模型,對(duì)開(kāi)溝鏟入土過(guò)程進(jìn)行仿真,并以液壓缸受力值為目標(biāo)函數(shù)對(duì)液壓缸進(jìn)行仿真優(yōu)化。結(jié)果表明:開(kāi)溝鏟入土仿真過(guò)程符合實(shí)際入土情況,確定了液壓缸的安裝位置及上-下播深休止?fàn)顟B(tài)液壓缸伸出量。 戈天劍為了對(duì)播種機(jī)的工作狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),針對(duì)播種過(guò)程中出現(xiàn)的種箱排空和導(dǎo)種管堵塞情況及時(shí)報(bào)警,設(shè)計(jì)了一種對(duì)播種機(jī)作業(yè)中的各項(xiàng)參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)以嵌入式微處理器和紅外光電傳感器為主要部件,通過(guò)無(wú)線通信的方式與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸,對(duì)播種作業(yè)中出現(xiàn)的種箱排空和導(dǎo)種管堵塞及時(shí)進(jìn)行聲光報(bào)警,并通過(guò)上位機(jī)軟件對(duì)所需的參數(shù)實(shí)時(shí)顯示。試驗(yàn)結(jié)果表明:該系統(tǒng)工作穩(wěn)定,對(duì)故障的報(bào)警準(zhǔn)確率較高,有效提高了播種質(zhì)量。夏俊芳為了提高播種精度,根據(jù)實(shí)際要求研制了氣力式水稻芽種直播精量排種裝置,該裝置一方面可以解決重播、漏播指數(shù)高的問(wèn)題;另一方面能夠使得種子保存完好。李德鑫為了提高玉米排種器播種質(zhì)量,詳細(xì)分析了排種器充種、清種、投種過(guò)程中種子的受力情況,以期為該類(lèi)型排種器的設(shè)計(jì)與改進(jìn)提供理論依據(jù)。
宋金鵬等在研究傳統(tǒng)精量排種理論與排種器設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上[37],設(shè)計(jì)了一種新的玉米精量排種器,采用窩眼式與氣吸式兩種取種方法,有效地縮小了氣室的大小,減少了漏播,精簡(jiǎn)了傳動(dòng)機(jī)構(gòu),將精量播種裝置的性能得到有效提升。李兆東等[38]研發(fā)了一種油菜精量氣壓式集排器,并進(jìn)行了排種性能的試驗(yàn)研究。張國(guó)忠等[39]研發(fā)了一種新型的具有群布吸孔的吸種盤(pán),能夠同時(shí)吸附多粒稻種并可將其應(yīng)用在垂直圓盤(pán)式直播排種器上。劉劍鋒設(shè)計(jì)了一種煙草排種裝置,解決了當(dāng)今煙草排種裝置存在的問(wèn)題和不足[40]。陳學(xué)庚等研制了一種與播種裝置速度、取種盤(pán)轉(zhuǎn)速相關(guān)的輸送與傳動(dòng)機(jī)構(gòu)成一體的帶式導(dǎo)種機(jī)構(gòu),優(yōu)化了投種的高度,精確矯正了播種粒距,提高了播種的質(zhì)量[41-42]。在充種過(guò)程中,如果處理不當(dāng)則會(huì)造成漏播或重播現(xiàn)象,使排種器的工作性能受到嚴(yán)重的影響,致使播種的質(zhì)量下滑,而利用種箱振動(dòng)的方式來(lái)提高充種是目前的通用方法[43-46]。李林等對(duì)氣吸式排種裝置工作的過(guò)程進(jìn)行了試驗(yàn)研究,提出了種群內(nèi)部摩擦力對(duì)種子的填充和所需要的吸力可產(chǎn)生很大影響。陳進(jìn)等采用電磁激振的方法來(lái)擾動(dòng)種群,讓種群產(chǎn)生“沸騰”效果,提升了氣吸式滾筒排種裝置的充種性能[47-48]。
精量播種作為一種先進(jìn)的種植技術(shù),國(guó)外從20世紀(jì)50年代末開(kāi)始研究氣吸式精量排種器。1986年,蘇聯(lián)學(xué)者В.МГУСЕВ對(duì)氣吸式播種裝置進(jìn)行了改進(jìn),將擋板放置在種子室和種箱底部的過(guò)渡區(qū)內(nèi),形成環(huán)流,提高了充填頻率[49]。1991年,美國(guó)學(xué)者Zulin研究了發(fā)芽芹菜籽的氣吸式排種器,利用水作為輸送載體,將種子輸送到排種盤(pán)的吸孔上[50]。1994年,伊朗學(xué)者J.Jafari Far研究了西紅柿氣吸式排種器,建立了包含真空度和行駛速度因素影響播種質(zhì)量的數(shù)學(xué)模型[51]。1996年,P.Guarella研究了氣吸式蔬菜排種器型孔直徑、型孔形狀和種子距離對(duì)吸種的影響并建立了數(shù)學(xué)模型[52]。2004年,D.Karayl等學(xué)者通過(guò)研究種子的千粒質(zhì)量和投影面積等物理特性,建立了與真空壓強(qiáng)之間的數(shù)學(xué)模型[53]。2004年,土耳其學(xué)者Barut研究了玉米播種裝置,發(fā)現(xiàn)線速度增大,充種率下降,真空度增大,充種率增大[54]。2005年,印度學(xué)者R.C.Singh[55-56]等研究了氣吸式棉花排種器的排種盤(pán)轉(zhuǎn)速、型孔直徑、型孔倒角角度和真空度對(duì)播種質(zhì)量的影響規(guī)律,優(yōu)化得出了最優(yōu)參數(shù)組合。
近年來(lái),Zeliha Bereket[57]等學(xué)者以吸種孔形狀、排種盤(pán)轉(zhuǎn)速和真空壓力為影響因素進(jìn)行試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)圓孔可提高排種均勻性,種子的物理特性可影響真空壓力。Karayel D等[58]通過(guò)試驗(yàn)研究,建立了種子的千粒質(zhì)量、吸種孔截面積、密度和球度與真空度之間的數(shù)學(xué)模型。Satti Hassan[59]研究了小麥的氣力式排種器的重播率和漏播率,并對(duì)吸種、護(hù)種和投種3個(gè)階段進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力分析,提高了吸種性能和合格率。Dylan St[60]等學(xué)者通過(guò)研究真空度和排種器轉(zhuǎn)速之間的變化規(guī)律,優(yōu)化了孔間距、轉(zhuǎn)速及對(duì)應(yīng)的真空度。
自20世紀(jì)70年代起,日本和韓國(guó)開(kāi)始工廠化育苗,不僅在蔬菜、花卉和水稻方面研制出了較完備的機(jī)型,如井關(guān)、久保田、三菱和東洋等農(nóng)機(jī)企業(yè)都生產(chǎn)育苗播種器,工藝性好、自動(dòng)化程度高[61-62]。生產(chǎn)線主要為氣吸式(吸針和吸盤(pán)),且主要針對(duì)小粒種子播種育苗技術(shù),播種性能為2~5粒/穴。在穴盤(pán)育苗機(jī)械方面,歐美各國(guó)研制了蔬菜、花卉等作物的育苗播種生產(chǎn)線,播種同樣普遍采用吸針式原理,如Blackmore System、Marksman、Speedling System機(jī)型等,播種性能通常1~5粒/穴。
由上述可知,國(guó)外對(duì)精量播種裝置的研發(fā)已經(jīng)非常成熟,智能化程度較高;但由于精量播種裝置的結(jié)構(gòu)復(fù)雜,生產(chǎn)制造成本比較高導(dǎo)致產(chǎn)品價(jià)格比較貴,不易被農(nóng)戶所接受。國(guó)內(nèi)對(duì)精量播種裝置多采用仿制、引進(jìn)的方法,雖然短期內(nèi)對(duì)精量播種裝置技術(shù)水平有所幫助和提升,但是由于缺少基礎(chǔ)理論研究和科研創(chuàng)新能力,不能充分掌握國(guó)外先進(jìn)播種裝置的核心技術(shù),加之我國(guó)農(nóng)機(jī)行業(yè)制造水平較低,仿制比較粗糙,尤其在高速作業(yè)的情況下,作業(yè)質(zhì)量與國(guó)外還有很大差距。因此,研制出一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、適應(yīng)性好、高質(zhì)、高效、高速的氣力式播種裝置已成為未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。
針對(duì)目前播種裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造成本高、價(jià)格昂貴及粗糙仿制等問(wèn)題,研制出一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、適應(yīng)性好、高質(zhì)、高效、高速的氣力式播種裝置已成為未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì),以適應(yīng)在高速、高密條件下播種質(zhì)量好及性能穩(wěn)定可靠的要求。
針對(duì)播種裝置理論基礎(chǔ)研究匱乏、關(guān)鍵技術(shù)缺失等問(wèn)題,應(yīng)對(duì)玉米種子的物理特性和空氣動(dòng)力學(xué)特性開(kāi)展研究,如種子的三軸尺寸、不同含水率下的摩擦角、休止角和漂浮系數(shù)等,為氣吸滾筒式精量播種裝置的研發(fā)提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。同時(shí),為提高播種裝置設(shè)計(jì)效率和精確性,在設(shè)計(jì)軟件中進(jìn)行模擬仿真是新的研究目標(biāo),設(shè)計(jì)出符合要求的氣吸滾筒式精量播種裝置的三維模型,可利用軟件對(duì)設(shè)計(jì)的虛擬裝置進(jìn)行密封范圍內(nèi)的流體仿真,確保密封處壓強(qiáng)盡可能的均勻。研究論證影響播種性能的主要影響因素,可利用仿真軟件對(duì)顆粒進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì),探討種子運(yùn)動(dòng)規(guī)律及播種裝置的排種效果,可模擬仿真振動(dòng)喂入條件下種箱供種情況并進(jìn)行分析,并通過(guò)驗(yàn)證試驗(yàn)來(lái)獲得最佳工藝參數(shù),從而獲得新播種裝置和關(guān)鍵技術(shù)。
參考文獻(xiàn):
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