呂金慶，衣淑娟，陶桂香，毛 欣

（1. 黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)工程學(xué)院，大慶 163319；2. 東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，哈爾濱 150030）

0 引 言

馬鈴薯是中國(guó)第四大主糧作物，2017年中國(guó)馬鈴薯種植面積約5 626.0×103hm2。中國(guó)馬鈴薯種植農(nóng)藝要求勞動(dòng)強(qiáng)度大、耗費(fèi)工時(shí)，播種精度、播種質(zhì)量是馬鈴薯高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)、提高馬鈴薯品質(zhì)的重要保證，因此馬鈴薯的播種過(guò)程是馬鈴薯生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，且對(duì)馬鈴薯的產(chǎn)量、品質(zhì)有著顯著的影響[1-2]。精量高速播種是馬鈴薯機(jī)械化播種所追求的目標(biāo)，也是馬鈴薯增產(chǎn)增收的關(guān)鍵，但是現(xiàn)階段馬鈴薯機(jī)械化播種技術(shù)，仍難以滿足高速精量的農(nóng)藝要求[3-5]。

目前中國(guó)馬鈴薯機(jī)械化播種仍以機(jī)械式播種為主，播種機(jī)的主要形式包括針剌式、轉(zhuǎn)盤式、舀勺式、輸送帶式和指夾式等，其中針刺式、舀勺式和輸送帶式，雖然總體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是在作業(yè)過(guò)程中由于自身機(jī)械結(jié)構(gòu)的限制以及缺少有效的清種裝置，其漏播率和重播率較高[6-7]；而轉(zhuǎn)盤式和指夾式采用單粒取種的方式，雖然播種精度較高，但是播種作業(yè)速度較低，且傷薯嚴(yán)重，落地后種薯株距合格率低，不能滿足馬鈴薯精量高速播種的作業(yè)要求[8-10]。氣力式馬鈴薯播種在中國(guó)馬鈴薯機(jī)械化播種仍是空白[11-12]；因此，針對(duì)上述問(wèn)題，本文研制了一種氣力式馬鈴薯精量播種機(jī)。

本文對(duì)馬鈴薯氣力式精量播種機(jī)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，研制了多臂均布式馬鈴薯精量排種器，采用負(fù)壓吸種、正壓吹種的吸排種方法，并對(duì)配氣閥、吸種臂、吸種嘴、風(fēng)機(jī)、動(dòng)態(tài)供種系統(tǒng)和開(kāi)溝器等關(guān)鍵部件進(jìn)行設(shè)計(jì)，并進(jìn)行田間生產(chǎn)試驗(yàn)。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

該馬鈴薯氣力精量播種機(jī)主要由施肥鏟1、機(jī)架2、肥箱3、排種器4、電機(jī)5、吹氣風(fēng)機(jī)6、種箱7、吸氣風(fēng)機(jī)8、覆土器9、傳動(dòng)裝置10、地輪11所組成，整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 工作原理

工作時(shí)播種機(jī)由拖拉機(jī)牽引運(yùn)動(dòng)，位于播種機(jī)上部種箱中的種薯在重力的作用下下落，由動(dòng)態(tài)供種裝置對(duì)排種器吸種區(qū)內(nèi)的種薯進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控動(dòng)態(tài)穩(wěn)定供種，其動(dòng)力由拖拉機(jī)的蓄電池供給，并實(shí)現(xiàn)料位傳感器控制供種區(qū)的料位；播種機(jī)兩側(cè)的吸氣風(fēng)機(jī)和吹氣風(fēng)機(jī)的動(dòng)力由拖拉機(jī)的動(dòng)力輸出軸供給，吸氣風(fēng)機(jī)進(jìn)氣口通過(guò)管道與吸種室連接，風(fēng)機(jī)工作時(shí)在種子室內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓，排種器吸嘴在吸種區(qū)吸附種子，當(dāng)吸附種子的吸嘴旋轉(zhuǎn)出排種器真空室，吸力消失，種子靠自重下落，同時(shí)吹氣風(fēng)機(jī)開(kāi)始向下落種薯吹氣，吹氣方向與機(jī)組前進(jìn)速度方向相反，可與機(jī)組前進(jìn)時(shí)下落種薯的前移速度相平衡，達(dá)到零速投種。排種器的動(dòng)力由地輪轉(zhuǎn)動(dòng)經(jīng)傳動(dòng)系統(tǒng)供給，株距調(diào)節(jié)在側(cè)傳動(dòng)箱中由更換不同齒數(shù)鏈輪滿足11～39 cm的株距調(diào)節(jié)要求，施肥系統(tǒng)由肥箱、螺旋排肥器、側(cè)深分層施肥鏟進(jìn)行施肥作業(yè)，覆土作業(yè)由整機(jī)后部的覆土器進(jìn)行覆土，從而完成整個(gè)播種作業(yè)。

圖1 馬鈴薯氣力精量播種機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)Fig.1 Integral structure of precision air-suction type planter for potato

1.3 馬鈴薯播種農(nóng)藝要求

馬鈴薯氣力精量播種機(jī)適用于大規(guī)模、大面積、大地塊的馬鈴薯播種作業(yè)，其農(nóng)藝要求如圖 2所示，參考農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)與相關(guān)文獻(xiàn)，東北一季地區(qū)馬鈴薯播種壟距在800～900 mm之間[13]，種子與肥料采用側(cè)方分層的形式，將肥料通過(guò)側(cè)深分層施肥鏟施在種薯兩側(cè)，播種后種子所在位置略高于底肥位置，以保證馬鈴薯種子生長(zhǎng)種床所需肥料，同時(shí)又不會(huì)造成傷種[14-15]。

圖2 馬鈴薯播種農(nóng)藝要求Fig.2 Agronomic requirements of potato planting

1.4 主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

整機(jī)結(jié)構(gòu)需符合東北一季作區(qū)的馬鈴薯播種農(nóng)藝要求，一次作業(yè)便可完成開(kāi)溝、施肥、播種、覆土和鎮(zhèn)壓等作業(yè)。其中，馬鈴薯株距由中間傳動(dòng)中的側(cè)傳動(dòng)箱調(diào)整，可調(diào)節(jié)范圍為11～39 cm，開(kāi)溝深度可進(jìn)行高度調(diào)節(jié)；同時(shí)根據(jù)不同種薯（整薯、切塊薯）方便更換排種器的不同吸嘴，以滿足不同作業(yè)的播種要求，整機(jī)主要參數(shù)如表1所示。

表1 2CMP2氣吸式馬鈴薯播種機(jī)主要技術(shù)參數(shù)Table 1 Main technical parameters of 2CMP2 air-suction type planter for potato

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 排種器整體結(jié)構(gòu)

排種器是播種機(jī)中最為重要的作業(yè)部件，其性能直接影響播種機(jī)的播種質(zhì)量；而傳統(tǒng)的機(jī)械式排種器作業(yè)速度較慢、播種質(zhì)量差[16]。因此，本文設(shè)計(jì)的馬鈴薯氣力式排種器采用氣吸式播種原理，與上述排種器相比，具有作業(yè)速度高和播種精度準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)[17]。

馬鈴薯氣力精量播種機(jī)排種器單體包括種箱、排種器單體、動(dòng)態(tài)供種裝置和料位開(kāi)關(guān) 4個(gè)部分，動(dòng)態(tài)供種裝置固定安裝在排種器單體的上方，為排種器動(dòng)態(tài)衡定供給播種所需種薯，其整體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 氣吸式馬鈴薯排種器整體結(jié)構(gòu)Fig.3 Integral structure of air-suction type potato seed-metering device

2.2 排種器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖 4所示，排種器的結(jié)構(gòu)包括吸種嘴、吸種臂、配氣閥、壓緊彈簧、吸管接口、吹管接口、靜止軸、旋轉(zhuǎn)軸和種箱等，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。配氣閥內(nèi)部有2個(gè)獨(dú)立的正壓氣室和負(fù)壓氣室可用作排種器的吸種和投種過(guò)程，壓緊彈簧壓緊閥體側(cè)壁，將其固定，同時(shí)還可保證排種器的氣密性，2個(gè)氣室分別通過(guò)管道與吸氣和吹氣2個(gè)風(fēng)機(jī)相連通，作業(yè)時(shí)，由拖拉機(jī)帶動(dòng)，進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)的 2個(gè)風(fēng)機(jī)為排種器提供吸種負(fù)壓和投種正壓，吸種臂通過(guò)配氣閥的通孔，使氣流可以在管路中流動(dòng)，吸種臂的末端安裝吸嘴吸取排種器種箱中的種薯，每個(gè)吸種嘴每次作業(yè)只吸取 1粒種薯進(jìn)行投種，保證馬鈴薯播種作業(yè)的精確性。

圖4 排種器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.4 Sketch structure of seed-metering device

2.2.1 吸種嘴的設(shè)計(jì)

吸種嘴與吸種臂的末端通過(guò)鎖緊圈固定連接，隨著排種器旋轉(zhuǎn)，播種作業(yè)時(shí)直接與種薯接觸，吸氣風(fēng)機(jī)使吸種臂和吸種嘴內(nèi)部形成負(fù)壓，吸種嘴便可吸取排種器種箱中種薯；設(shè)計(jì)吸種嘴的材料選用丁晴橡膠（NBR），既滿足作業(yè)剛度又有彈性，可在吸附種薯的時(shí)候產(chǎn)生微小的變形，更貼合種薯，提升吸種過(guò)程的穩(wěn)定性、減小傷種，同時(shí)也可以減少吸種嘴同時(shí)吸附多個(gè)種薯的情況，保證每個(gè)吸種嘴每次作業(yè)只吸取1粒種薯，減小重播率，提升播種質(zhì)量[18]，吸種嘴可根據(jù)吸附種薯的不同分為常規(guī)薯吸種嘴和微型薯吸種嘴。其結(jié)構(gòu)如圖5a、5b所示。常規(guī)薯吸嘴其頂部為向外發(fā)散的傘狀，內(nèi)表面可與種薯更好的貼合，增加吸種穩(wěn)定性，使每個(gè)吸種嘴只吸取 1粒種薯進(jìn)行播種作業(yè)，根據(jù)前期預(yù)試驗(yàn)，以及常規(guī)薯種薯的三軸尺寸，最終確定吸種嘴頂部最大內(nèi)徑為45 mm，折彎角為145°，吸嘴口母線夾角為90°；微型薯吸種嘴適用于播種質(zhì)量在30～50 g的微型薯，其頂部設(shè)計(jì)為向內(nèi)聚合的空心錐狀，最小內(nèi)徑為10 mm，最大內(nèi)徑為19 mm，與折彎角為145°。

2.2.2 吸種臂的設(shè)計(jì)

根據(jù)文獻(xiàn)[13]，目前中國(guó)播種用的常規(guī)種薯(包括切塊薯和整薯)三軸平均直徑約為38～57 mm，且前期預(yù)實(shí)驗(yàn)中的種薯均在此范圍內(nèi)，由此，根據(jù)文獻(xiàn)中的方法確定吸種臂的內(nèi)徑為24.32～37.62 mm[19]。本文設(shè)計(jì)的氣吸式馬鈴薯排種器由地輪提供動(dòng)力，可由馬鈴薯種植的理論粒距確定吸種臂的個(gè)數(shù)N≥18。通過(guò)改變轉(zhuǎn)速以滿足農(nóng)藝要求的株距，當(dāng)播種粒距和播種機(jī)前進(jìn)速度一定時(shí)，吸種臂的個(gè)數(shù)越多，所需的排種器轉(zhuǎn)速越低，為了提升排種器的吸種質(zhì)量及播種效率，所以吸種臂個(gè)數(shù)應(yīng)取較大值。但國(guó)內(nèi)很多地區(qū)種植馬鈴薯時(shí)使用切塊薯，切塊薯外形復(fù)雜、形狀不規(guī)則，一顆種薯被吸種嘴吸附后，吸嘴空隙較大，造成重復(fù)吸種，增加了重播率[19-20]，為降低排種器的重吸率，需要適當(dāng)縮小吸種臂內(nèi)徑，并綜合考慮配氣閥尺寸和排種器整體結(jié)構(gòu)尺寸，最終確定吸種臂內(nèi)徑為 20 mm，吸種臂后部折彎 90°，總體個(gè)數(shù)為20，吸種臂結(jié)構(gòu)和安裝排布圖如圖 6所示，在旋轉(zhuǎn)閥外表面雙排等間距交錯(cuò)排列布置，每 2個(gè)吸種臂之間的夾角為18°，吸種臂左右兩側(cè)夾角為14°。

圖5 吸種嘴結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Structure diagram of suction nozzle

2.2.3 配氣閥的設(shè)計(jì)

由于馬鈴薯種薯為大粒徑的種子，而傳統(tǒng)的型孔盤或滾筒式排種器只適合于玉米、水稻等小粒徑種子的精密播種[21]。因此，本文所設(shè)計(jì)的排種器閥體采用了配氣閥與吸種臂徑向安裝的方式，吸種臂等間距 2排交錯(cuò)排列在配氣閥的表面，可以播種較大粒徑的常規(guī)薯。

如圖7所示，配氣閥包括旋轉(zhuǎn)閥和靜止閥2個(gè)部分，靜止閥體安裝在旋轉(zhuǎn)閥的內(nèi)部，其內(nèi)部有獨(dú)立的正壓區(qū)和負(fù)壓區(qū)，負(fù)壓區(qū)與正壓區(qū)各占角度為300°與13°，與風(fēng)機(jī)和吸種臂相配合，旋轉(zhuǎn)閥外表面加工通孔，以便安裝吸種臂，使氣體在配氣閥內(nèi)流動(dòng)，并與排種器外部相連通進(jìn)行吸種和投種作業(yè)；2個(gè)閥體側(cè)面加工為錐面，均采用鋁合金為基底，在表面進(jìn)行陶瓷化處理，在減輕質(zhì)量的同時(shí)還可提高硬度，保證閥體的密封性，避免潤(rùn)滑，提升吸種效果[22-23]。

2.3 播種機(jī)風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)

風(fēng)機(jī)是氣力式播種機(jī)中極為關(guān)鍵的部件，其性能的優(yōu)劣，直接關(guān)系到能否滿足播種作業(yè)時(shí)所需的負(fù)壓和流量。小麥等小粒徑作物在氣吸式播種時(shí)，其需要的風(fēng)量較小，因此，傳統(tǒng)的軸流式風(fēng)機(jī)便可以滿足作業(yè)要求，而馬鈴薯大粒徑的物理特性，氣壓值較小，會(huì)造成排種作業(yè)漏播率較高，需要更大的負(fù)壓，由于離心式風(fēng)機(jī)作業(yè)效率高，性能穩(wěn)定在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域類應(yīng)用廣泛[24]，本研究所設(shè)計(jì)的播種機(jī)風(fēng)機(jī)為離心式風(fēng)機(jī)，其結(jié)構(gòu)如圖8所示，主要結(jié)構(gòu)包括葉片，風(fēng)機(jī)前罩殼，風(fēng)機(jī)后罩殼，底座，幅板。底座與播種機(jī)機(jī)架連接，固定安裝風(fēng)機(jī)，幅板將風(fēng)機(jī)與種箱固連的作用。

圖6 吸種臂結(jié)構(gòu)和安裝排布圖Fig.6 Structure and installation arrangement diagram of suction arm

圖7 配氣閥結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.7 Structure diagram of air distribution valve

葉輪是風(fēng)機(jī)中最為核心的關(guān)鍵部件，其中葉片是向流體傳遞能量的唯一部件，其尺寸和參數(shù)對(duì)風(fēng)機(jī)的性能有著很大的影響。葉片前傾安裝時(shí)，風(fēng)機(jī)效率較高，但是穩(wěn)定性較差、且噪音大；葉片后傾安裝，雖工作性能穩(wěn)定，但其工作效率較低，因此，本研究設(shè)計(jì)的風(fēng)機(jī)葉片采用垂直于轉(zhuǎn)軸安裝，工作效率較高，性能穩(wěn)定，且噪音小[25]。

圖8 風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)圖Fig.8 Structure diagram of fan

風(fēng)機(jī)的全壓力P與葉輪外徑D、轉(zhuǎn)速n、葉片出口的安裝角 β有很大的關(guān)系，且其關(guān)系往往通過(guò)試驗(yàn)所得，具體計(jì)算方式可由風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)公式得出。

式中P為風(fēng)機(jī)全壓力，Mpa；ρ為流體密度，kg/m3；μ為環(huán)流系數(shù)；D為葉輪外徑，m；n為風(fēng)機(jī)葉輪轉(zhuǎn)速，r/min；k為全壓系數(shù)。

前期預(yù)試驗(yàn)中所獲得的馬鈴薯排種器吸種負(fù)壓最大需要達(dá)到10.1 kPa左右，因此，考慮到能量損失，所設(shè)計(jì)的風(fēng)機(jī)在最高轉(zhuǎn)速作業(yè)時(shí)，負(fù)壓值需大于理論值，才能滿足馬鈴薯排種器作業(yè)要求。由參考文獻(xiàn)[25]可知，在風(fēng)機(jī)工作時(shí)，存在機(jī)械損失的情況，導(dǎo)致離心式風(fēng)機(jī)的全壓系數(shù)會(huì)小于100%，且與效率等因素有關(guān)，試驗(yàn)證明k一般在0.88～0.90之間[25]。

為滿足播種作業(yè)壓力要求，農(nóng)業(yè)播種機(jī)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速較高，一般在1 500～3 000 r/min間，選取氣體密度為1.29 kg/m3，通過(guò)式（1）、式（2），并綜合考慮風(fēng)機(jī)與播種機(jī)的尺寸，確定葉輪的外徑為750 mm。

2.4 分體式滑刀開(kāi)溝器設(shè)計(jì)

2.4.1 開(kāi)溝器整體結(jié)構(gòu)與工作原理

作為播種作業(yè)過(guò)程中與土壤直接接觸的工作部件，開(kāi)溝器對(duì)于種子的著床覆蓋有很大影響，傳統(tǒng)的鏵靴式開(kāi)溝器對(duì)土壤的擾動(dòng)量較大，且開(kāi)溝作業(yè)開(kāi)出的平溝降低了播種精度，種子橫向偏移系數(shù)大，工作阻力較大，而滑刀式開(kāi)溝器開(kāi)出的V型溝可使種子落入V型溝溝底，減小橫向變異系數(shù)，保證播種精度[26-28]。因此，基于傳統(tǒng)的滑刀式開(kāi)溝器，本文創(chuàng)新設(shè)計(jì)了一種分體式滑刀開(kāi)溝器，如圖 9所示，分體式滑刀開(kāi)溝器主要由開(kāi)溝鏟鏟片1、開(kāi)溝鏟主體2和開(kāi)溝器柄3組成。

圖9 滑刀式開(kāi)溝器整體結(jié)構(gòu)Fig.9 Schematic diagram of sliding-knife opener

開(kāi)溝器安裝在播種機(jī)排種器正下方，隨著拖拉機(jī)一起運(yùn)動(dòng)，開(kāi)溝鏟鏟片前端的刃口對(duì)土壤進(jìn)行切削破碎，土壤沿著開(kāi)溝鏟鏟片的側(cè)面向兩側(cè)運(yùn)動(dòng)，隨后沿著開(kāi)溝鏟的主體側(cè)壁向后運(yùn)動(dòng)，在開(kāi)溝鏟主體側(cè)壁有少量土壤顆粒，在重力和其他土壤顆粒摩擦力的作用下，先落入溝底，為種子的下落提供含水率較高的軟種床；其余大量的土壤顆粒沿著開(kāi)溝鏟主體向后運(yùn)動(dòng)，脫離側(cè)壁后在重力的作用下落入壟溝內(nèi)，對(duì)種薯進(jìn)行覆蓋；位于開(kāi)溝器上部的開(kāi)溝器柄可以根據(jù)不同的開(kāi)溝深度要求進(jìn)行調(diào)節(jié)[29]。

2.4.2 開(kāi)溝器參數(shù)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的滑刀式開(kāi)溝器，為厚度在3～8 mm的滑刀刀片，根據(jù)作業(yè)條件不同，入土角一般選在 20°～60°間，其入土切土能力好，所開(kāi)出的壟溝成V型，可提高播種質(zhì)量，且對(duì)土壤擾動(dòng)小，下層土壤可先回流，為薯種提供良好的種床，但是其開(kāi)溝寬度小、深度低，不能滿足馬鈴薯大粒徑作物的播種要求[26,28]。因此，本設(shè)計(jì)基于上述傳統(tǒng)開(kāi)溝器，創(chuàng)新設(shè)計(jì)了由開(kāi)溝器主體和鏟片組成的分體式滑刀開(kāi)溝器，根據(jù)馬鈴薯的播種農(nóng)藝要求，在播種時(shí)最大耕深可達(dá)到150 mm[5]，采用開(kāi)溝器主體與開(kāi)溝器鏟片組合的形式，可調(diào)節(jié)鏟片的高度，以此增加開(kāi)溝的深度，設(shè)計(jì)開(kāi)溝器鏟片高度為160 mm，鏟片采用鑄鋼材料，耐磨性較好，為使馬鈴薯順利落入壟溝，播種時(shí)種溝寬度較大，一般不小于150 mm[9-11]，使開(kāi)溝時(shí)土壤顆粒向兩側(cè)運(yùn)動(dòng)，設(shè)計(jì)鏟片包括左、右 2部分，采用折彎的方式，將兩部分前端進(jìn)行焊接，保證前端鏟片能順利入土，作業(yè)時(shí)土壤可沿后部折彎部分表面向兩側(cè)運(yùn)動(dòng)。舀勺式馬鈴薯排種器下部的整體寬度為240 mm，考慮到開(kāi)溝器寬度需略大于排種器寬度，為配合馬鈴薯播種機(jī)作業(yè)時(shí)開(kāi)溝器側(cè)壁不磕碰種薯、使其順利落入壟溝內(nèi)，參照鏵靴式馬鈴薯開(kāi)溝器尺寸，并綜合考慮開(kāi)溝器安裝位置和壟臺(tái)寬度，設(shè)計(jì)開(kāi)溝器的寬度為280 mm[20]。

土壤摩擦角 φ一般在 15°～38°之間，為使鏟片對(duì)土壤有滑切作用，傾角應(yīng)大于90°+φ，所以設(shè)計(jì)的鏟片傾角為 135°[26]。根據(jù)預(yù)試驗(yàn)，鏟片厚度過(guò)小，裝置強(qiáng)度低；鏟片厚度過(guò)大，會(huì)增加作業(yè)時(shí)的工作阻力，會(huì)使入土性能和土壤的滑切作用下降，土壤破碎效果差，不能達(dá)到開(kāi)溝所需的土壤顆粒破碎要求，參照傳統(tǒng)馬鈴薯開(kāi)溝器并綜合考慮開(kāi)溝器的整體寬度，設(shè)計(jì)的鏟片厚度為 8 mm[26-27]。為了減少土壤顆粒之間在開(kāi)溝器表面運(yùn)動(dòng)的相互影響，使下方濕土先回流，提高良好的種床條件，刃口曲線設(shè)計(jì)為直線[30]。

開(kāi)溝器鏟片其上沿與開(kāi)溝器主體側(cè)板下沿平行，土壤顆粒沿著鏟片側(cè)板運(yùn)動(dòng)繼而沿開(kāi)溝器側(cè)表面運(yùn)動(dòng)，在開(kāi)溝器主體側(cè)板運(yùn)動(dòng)時(shí)，部分顆粒在重力作用下回落入壟溝，且下層土壤顆粒先落到溝中，利于馬鈴薯發(fā)芽[31]，因此，側(cè)板的底部?jī)A角大于土壤顆粒的摩擦角，使土壤顆粒順利滑落至溝底，設(shè)計(jì)向內(nèi)傾斜45°的折彎形式，土壤顆?？裳刂砻嫦侣?。開(kāi)溝器的整體長(zhǎng)度與開(kāi)溝器側(cè)面夾角，即 2個(gè)鏟片折彎后的夾角，直接影響開(kāi)溝作業(yè)土壤覆蓋種薯狀態(tài)，通過(guò)前期預(yù)試驗(yàn)和大量實(shí)際生產(chǎn)試驗(yàn)，并參考文獻(xiàn)[29]，確定開(kāi)溝器長(zhǎng)度為500 mm，開(kāi)溝器側(cè)面夾角為60°。

2.5 動(dòng)態(tài)供種控制系統(tǒng)

播種機(jī)動(dòng)態(tài)供種系統(tǒng)采用負(fù)反饋調(diào)節(jié)方式，供種作業(yè)過(guò)程由4個(gè)供種電機(jī)對(duì)動(dòng)態(tài)供種系統(tǒng)提供動(dòng)力，左右2個(gè)排種器的兩端各安裝有2個(gè)料位開(kāi)關(guān)K，控制排種器種箱內(nèi)的種薯高度，當(dāng)種薯高度過(guò)高時(shí)，會(huì)觸碰料位傳感器K，與預(yù)設(shè)值的比較器進(jìn)行對(duì)比，供種電機(jī)M斷開(kāi)連接，停止供種作業(yè)，當(dāng)種箱內(nèi)的種薯高度下降后，料位傳感器K被釋放，將信號(hào)傳遞給供種電機(jī)M，電機(jī)重新啟動(dòng)，繼續(xù)向排種器箱體內(nèi)供種，料位開(kāi)關(guān)K的安裝，使排種器供種過(guò)程動(dòng)態(tài)化，并可以根據(jù)實(shí)際的作業(yè)情況進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)馬鈴薯播種機(jī)的連續(xù)作業(yè)，整個(gè)供種裝置由拖拉機(jī)提供輸出電壓，動(dòng)態(tài)供種原理如圖 10所示。

圖10 動(dòng)態(tài)供種原理圖Fig.10 Principle diagram of dynamic seed-supplying device

種箱中的馬鈴薯數(shù)量過(guò)大會(huì)使排種器運(yùn)行過(guò)程的阻力增加，數(shù)量過(guò)少會(huì)有漏吸現(xiàn)象，都會(huì)降低吸種精度，增加漏播率，通過(guò)預(yù)試驗(yàn)及生產(chǎn)試驗(yàn)，確定種箱中種面高度保持在150 mm。動(dòng)態(tài)供種裝置可向排種器種箱內(nèi)動(dòng)態(tài)供給種薯，種箱內(nèi)部側(cè)壁安裝有料位開(kāi)關(guān)，當(dāng)種箱中種薯的高度達(dá)到預(yù)設(shè)高度時(shí)，種薯便會(huì)觸碰到料位開(kāi)關(guān)，使動(dòng)態(tài)供種裝置停止向種箱輸送種薯；隨著排種器的工作，將種薯排出排種器進(jìn)行播種，種箱中種面高度下降，料位開(kāi)關(guān)被釋放，繼而重新啟動(dòng)供種裝置繼續(xù)輸送種薯，以保證種箱內(nèi)種面高度保持穩(wěn)定。

3 生產(chǎn)試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)條件

分別于2016年5月與2017年5月在黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院試驗(yàn)基地和黑龍江省克山農(nóng)場(chǎng)進(jìn)行播種試驗(yàn)，試驗(yàn)田土地平整，土壤含水率為18.2%，土壤堅(jiān)實(shí)度為60.7 kPa，試驗(yàn)地長(zhǎng)300 m，寬667 m，2 a的試驗(yàn)田面積相同，均為 200 hm2。播種機(jī)配套動(dòng)力為 73.5 kW 的東方紅1004-C輪式拖拉機(jī)，設(shè)置播種機(jī)的理論株距為200 mm；試驗(yàn)過(guò)程中采用常規(guī)種薯與微型薯 2種類型的馬鈴薯。其中單個(gè)常規(guī)種薯平均 3軸尺寸為 48.2 mm×37.5 mm×25.7 mm，形狀指數(shù)為202.9，平均含水率76.2%，單粒種薯平均質(zhì)量 24.2 g，凈度＞99%；微型薯的單粒薯平均 3軸尺寸為 32.28 mm×28.36 mm×28.34 mm，形狀指數(shù)為245.3，平均含水率67.3%，單粒種薯平均質(zhì)量12.3 g，凈度＞99%，作業(yè)過(guò)程和播種效果如圖11所示。

圖11 田間試驗(yàn)Fig.11 Field experiment

播種后，對(duì)種植行進(jìn)行編號(hào)，在其中隨機(jī)選取 3行進(jìn)行測(cè)量，除去種植行兩端各20 m區(qū)域，剩余260 m作為試驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)量段，每20 m長(zhǎng)分為1段，對(duì)每一行進(jìn)行編號(hào)，并隨機(jī)選取 5個(gè)測(cè)量段進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，每段測(cè)量100個(gè)種薯的間距，共選取500個(gè)種薯進(jìn)行株距測(cè)量，每組試驗(yàn)重復(fù) 3次，取平均值，計(jì)算出株距變異系數(shù)、重播率和漏播率。并與傳統(tǒng)的舀勺式馬鈴薯播種機(jī)在相同的作業(yè)條件下進(jìn)行對(duì)比，舀勺式排種器安裝傳統(tǒng)鏵靴式開(kāi)溝器。

3.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)

參照《GB/T 6242-2006 種植機(jī)械 馬鈴薯種植機(jī)試驗(yàn)方法》與《NY/T 990-2006 馬鈴薯種植機(jī)械 作業(yè)質(zhì)量》規(guī)定的試驗(yàn)方法和指標(biāo)，選取重播率、漏播率、株距變異系數(shù)和種子橫向偏移系數(shù)為評(píng)價(jià)指標(biāo)，進(jìn)行氣吸式馬鈴薯播種機(jī)的田間生產(chǎn)試驗(yàn)評(píng)價(jià)[32-33]。

重播是實(shí)際測(cè)量排種粒距不大于 0.5倍理論排種粒距。漏播是實(shí)際測(cè)量排種粒距大于1.5倍理論排種粒距。重、漏播率的計(jì)算方法如式（3）、式（4）所示。

式中 D0為重播率，%；n1為測(cè)量排種粒距小于 0.5倍理論排種粒距種薯數(shù)量，粒；N為測(cè)量的種薯總體數(shù)量，粒。

式中M為漏播率，%；n1為測(cè)量排種粒距大于1.5倍理論排種粒距種薯數(shù)量，粒。

株距變異系數(shù)是一行中株距實(shí)際間距的偏差與標(biāo)準(zhǔn)株距的百分比，其計(jì)算如式（5）所示。

式中 CV為株距變異系數(shù)，%；Xi為株距實(shí)際測(cè)量值，mm；X0為標(biāo)準(zhǔn)株距值，mm。

機(jī)具作業(yè)100 m測(cè)量1組數(shù)據(jù)，以種溝中線為基準(zhǔn)，測(cè)量種子偏移量，每行連續(xù)測(cè)量100粒種薯，進(jìn)行3次重復(fù)試驗(yàn)，計(jì)算每1次測(cè)量中100組數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差即為種子橫向偏移系數(shù)[30]。測(cè)量 5次取平均值，計(jì)算方法如式（6）所示。

式中η為種子橫向偏移系數(shù)，mm；xi為每次測(cè)量的偏移量，mm；δ為偏移量的算術(shù)平均值，mm；J表示試驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)量的數(shù)量。

3.3 結(jié)果與分析

表2為田間試驗(yàn)結(jié)果，由表2可知，氣力式馬鈴薯播種機(jī)在播種常規(guī)種薯和微型薯時(shí)，其漏播率為0.86%和0.40%、重播率為0.56%和0.78%，均≤1%；株距變異系數(shù)為3.6%與2.8%，均≤10%；滿足馬鈴薯播種作業(yè)要求，其種子的橫向偏移系數(shù)為3.83和3.19 mm，也均小于傳統(tǒng)舀勺式開(kāi)溝器播種的數(shù)值，表明分體式滑刀開(kāi)溝器開(kāi)出的 V形溝比鏵靴式開(kāi)溝器開(kāi)出的平溝效果好，是由于 V型溝能減少種薯落入溝底后的運(yùn)動(dòng)和橫向位移，使種薯在壟溝內(nèi)橫向位置方向更接近于壟溝中心。

其余作業(yè)指標(biāo)如表 3所示，播種機(jī)最高作業(yè)速度可達(dá)10.2 km/h，平均播種深度140 mm，測(cè)量傳統(tǒng)舀勺式馬鈴薯播種機(jī)種植馬鈴薯的出苗期為 20～25 d，氣吸式播種機(jī)選用分體式滑刀開(kāi)溝器為馬鈴薯播種提供了良好的種床，使出苗期生長(zhǎng)提前2～3 d，同苗率為96%，滿足馬鈴薯播種作業(yè)要求，達(dá)到了快速精量播種的目的。

表2 氣力式和傳統(tǒng)舀勺式馬鈴薯播種機(jī)田間生產(chǎn)試驗(yàn)對(duì)比Table 2 Performance comparison of air-suction type planter with belt-cup seed metering device

表3 氣力式馬鈴薯播種機(jī)田間生產(chǎn)試驗(yàn)Table 3 Field production test of air-suction type planter for potato

4 結(jié) 論

1）本文創(chuàng)新研制了馬鈴薯氣力式精量播種機(jī)，采用吹氣和吸氣風(fēng)機(jī)共同作用達(dá)到負(fù)壓吸種、正壓吹種精量吸排種的關(guān)鍵技術(shù)，提高了播種精度與速度；設(shè)計(jì)了馬鈴薯氣力式排種器，采用多臂均布式的形式，并研制了排種器的關(guān)鍵部件，包括錐面配氣閥的組合設(shè)計(jì)，提高了配氣閥轉(zhuǎn)動(dòng)耐磨損度，減少了由雜草、泥沙等雜物對(duì)吸排種質(zhì)量的影響；將配氣閥設(shè)計(jì)為具有2個(gè)獨(dú)立的正、負(fù)壓氣室，與吸氣、吹氣風(fēng)機(jī)進(jìn)行協(xié)同吸、吹種作業(yè)。

2）對(duì)離心式風(fēng)機(jī)葉片參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，使風(fēng)機(jī)達(dá)到播種馬鈴薯時(shí)所需負(fù)壓；采用動(dòng)態(tài)智能供種裝置，動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控排種器中種薯的數(shù)量，保證種面高度保持穩(wěn)定；研制分體式滑刀開(kāi)溝器可為種薯的著床和生長(zhǎng)提供良好的種床條件，促進(jìn)馬鈴薯生長(zhǎng)。

3）氣力式精量播種機(jī)的2 a的田間生產(chǎn)試驗(yàn)表明，在播種常規(guī)種薯和微型薯時(shí)，其漏播率為0.86%和0.40%，重播率為0.56%和0.78%，株距變異系數(shù)為3.6%與2.8%，種子橫向偏移系數(shù)為3.83和3.19 mm，相較于傳統(tǒng)的舀勺式馬鈴薯排種器，其作業(yè)效果均有顯著的提升，作業(yè)速度可達(dá)到10.2 km/h，播種早出苗2～3 d，同苗率達(dá)到96%。且遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的作業(yè)指標(biāo)，滿足馬鈴薯精量高速播種的要求。

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