李紫輝 溫信宇 呂金慶， 李季成 衣淑娟 喬 丹

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

0 引言

馬鈴薯是中國(guó)第四大糧食作物，其種植范圍廣，在全國(guó)各省市自治區(qū)均有種植，2018年馬鈴薯種植面積約554萬(wàn)hm2[1-3]。馬鈴薯種薯分為整薯和切塊種薯，均具有形狀不規(guī)則、質(zhì)量大、種薯個(gè)體差別較大等生物特征[4-5]。由于馬鈴薯存在栽培模式多、栽培的自然條件差異較大、農(nóng)藝過(guò)程繁雜、勞動(dòng)強(qiáng)度大和效率低等諸多因素，因此發(fā)展馬鈴薯機(jī)械化種植技術(shù)及裝備是對(duì)我國(guó)馬鈴薯生產(chǎn)發(fā)展的有力支撐，是提高我國(guó)馬鈴薯綜合機(jī)械化水平、推進(jìn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的重要舉措之一[6-8]。

長(zhǎng)期以來(lái)，馬鈴薯種植機(jī)械化是我國(guó)馬鈴薯生產(chǎn)機(jī)械化的薄弱環(huán)節(jié)[9-11]。目前，我國(guó)馬鈴薯機(jī)械化種植分為整薯種植和切塊薯種植。按種植規(guī)模程度分為：小區(qū)實(shí)生薯育種整薯種植、規(guī)?；镩g生產(chǎn)種植和丘陵山地輕簡(jiǎn)型種植3類(lèi)機(jī)械化種植形式。小區(qū)實(shí)生薯育種種植和丘陵山地輕簡(jiǎn)型種植的種植機(jī)械均具有輕簡(jiǎn)型特點(diǎn)，而小區(qū)實(shí)生薯育種又要求精準(zhǔn)、整薯播種，機(jī)具要適合頻繁更換不同品種種薯的農(nóng)藝特點(diǎn)，目前農(nóng)機(jī)農(nóng)藝相融合的適用機(jī)具少，是機(jī)械化技術(shù)研究有待突破的重點(diǎn)[12-14]。

規(guī)?；镩g生產(chǎn)種植主要包括微型薯、分級(jí)不需切塊的小型馬鈴薯種薯種植，以及切塊種薯的種植。具有規(guī)?；?biāo)準(zhǔn)化、適合大型機(jī)械的特點(diǎn)，機(jī)械化程度較高，基本以機(jī)械式播種技術(shù)及裝備為主。區(qū)別于微型薯和不需切塊的小型馬鈴薯種薯種植，切塊薯種植還包括分級(jí)整列切塊、噴潤(rùn)滑劑、噴藥等種薯預(yù)處理過(guò)程。

本文對(duì)馬鈴薯機(jī)械化種植技術(shù)的研究歷史及現(xiàn)狀進(jìn)行分析闡述。概括和分析國(guó)內(nèi)外典型的馬鈴薯種植機(jī)械化關(guān)鍵技術(shù)及裝備的研發(fā)現(xiàn)狀，進(jìn)而圍繞馬鈴薯分級(jí)切塊種薯預(yù)處理和馬鈴薯機(jī)械化播種技術(shù)及裝備的研究動(dòng)態(tài)，對(duì)馬鈴薯機(jī)械化種植技術(shù)及裝備進(jìn)行分析、歸納，在此基礎(chǔ)上展望我國(guó)馬鈴薯種植機(jī)械研究的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。

1 馬鈴薯種植機(jī)械化發(fā)展研究歷程

國(guó)外馬鈴薯機(jī)械化發(fā)展較早，美國(guó)在1913年開(kāi)始研制，20世紀(jì)30年代全部實(shí)現(xiàn)機(jī)械化，60年代馬鈴薯聯(lián)合收獲機(jī)械達(dá)到100%；前蘇聯(lián)20世紀(jì)30年代開(kāi)始研究馬鈴薯機(jī)械化，60年代實(shí)現(xiàn)全程機(jī)械化。比利時(shí)、荷蘭、德國(guó)等也在二戰(zhàn)之后，開(kāi)始發(fā)展馬鈴薯機(jī)械化生產(chǎn)。

我國(guó)馬鈴薯機(jī)械化技術(shù)研究起步較晚，1966年在研學(xué)前蘇聯(lián)機(jī)械基礎(chǔ)上，開(kāi)始仿制馬鈴薯種收機(jī)械。1978年12個(gè)具有馬鈴薯機(jī)械生產(chǎn)優(yōu)勢(shì)的國(guó)家參加北京國(guó)際馬鈴薯機(jī)械化大會(huì)后，將參展的全部馬鈴薯機(jī)械贈(zèng)送給了中國(guó)，標(biāo)志著中國(guó)馬鈴薯機(jī)械化研究的起點(diǎn)，馬鈴薯種植機(jī)械化有了快速的發(fā)展。1987年黑龍江省農(nóng)業(yè)機(jī)械工程科學(xué)研究院研制了4U-2型馬鈴薯挖掘機(jī)；1996年黑龍江省農(nóng)業(yè)機(jī)械工程科學(xué)研究院參考西德卡拉姆的舀勺式馬鈴薯播種機(jī)研制了2ZZ-2型馬鈴薯播種機(jī)，在2001年完成了馬鈴薯播種機(jī)的樣機(jī)試制并推廣應(yīng)用；2004年，黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)設(shè)計(jì)的2CM-2型馬鈴薯播種機(jī)，采用勺鏈?zhǔn)脚欧N器，與普通鉤形勺鏈?zhǔn)脚欧N器相比，因作業(yè)環(huán)境惡劣引起的排種器堵塞現(xiàn)象明顯減少，潤(rùn)滑方便，作業(yè)速度有所提高；2011年?yáng)|北農(nóng)業(yè)大學(xué)研發(fā)團(tuán)隊(duì)研制成功了2CMB2型馬鈴薯播種機(jī)，并得到了大面積的推廣應(yīng)用。

2 馬鈴薯種植機(jī)械化關(guān)鍵技術(shù)與研究動(dòng)態(tài)

2.1 中國(guó)馬鈴薯種植總體情況及不同區(qū)域農(nóng)機(jī)農(nóng)藝相融合的機(jī)械化程度

馬鈴薯在中國(guó)種植區(qū)域廣泛，不同自然條件、不同栽培制度、不同栽培類(lèi)型，導(dǎo)致機(jī)械化程度差別顯著。馬鈴薯區(qū)域分為4個(gè)栽培區(qū)：北方一季作區(qū)、中原二季作區(qū)、南方冬作區(qū)、西南單雙季混作區(qū)，不同區(qū)域種植面積分布不同。中國(guó)馬鈴薯近5年種植面積約550萬(wàn)hm2。北方一季作區(qū)包括黑龍江、吉林兩省及遼寧省除遼東半島以外的大部，華北地區(qū)的河北北部、山西北部、內(nèi)蒙古全部以及西北地區(qū)的陜西北部、寧夏、甘肅全部、青海東部和新疆的天山以北；中原二季作區(qū)包括遼寧、河北、山西、陜西四省的南部，湖北、湖南二省的東部，河南、山東、江蘇、浙江、安徽和江西??；南方冬作區(qū)即南嶺、武夷山以南的各省，包括廣西、廣東、海南、福建、臺(tái)灣省等；西南單雙季混作區(qū)包括云貴川、西藏和湖南、湖北的西部山區(qū)[15]。北方一季作區(qū)種植面積占50%以上，中原二季作區(qū)種植面積約占7%，南方冬作區(qū)5%，西南單雙季混作區(qū)占38%。北方一季作區(qū)和中原二季作區(qū)栽培技術(shù)基本相同。目前中國(guó)馬鈴薯耕種播收綜合機(jī)械化水平約為46%，種植機(jī)械化水平約為50%。其中北方一季作區(qū)與中原二季作區(qū)基本實(shí)現(xiàn)了全程機(jī)械化，種植機(jī)械化約為95%，主要機(jī)械均采用機(jī)械式播種機(jī)播種切塊薯(約占播種面積的95%)或整薯(不足5%)。南方冬作區(qū)及西南單雙季混作區(qū)多為丘陵山地，由于地塊狹小，栽培模式多、雜等原因，機(jī)械化水平較低，耕種播收綜合機(jī)械化水平不足3%，種植機(jī)械化水平不足5%。

播種機(jī)械以舀勺式切塊種薯播種機(jī)為主要機(jī)型，其作業(yè)速度較快，作業(yè)質(zhì)量較好、故障率較低[16-18]。采用整薯播種的主要以微型薯繁育種薯為主，機(jī)具形式以轉(zhuǎn)盤(pán)式馬鈴薯播種機(jī)或帶式馬鈴薯播種機(jī)為主要產(chǎn)品，其主要特點(diǎn)為作業(yè)速度慢、效率低、播種質(zhì)量差、株距不準(zhǔn)確、重漏播率高、勞動(dòng)強(qiáng)度偏大，需人工輔助供種。馬鈴薯產(chǎn)業(yè)發(fā)展過(guò)程中育種是關(guān)鍵，所以小區(qū)播種機(jī)械化是馬鈴薯產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要組成部分。由于小區(qū)育種過(guò)程中，不同品種需頻繁更換、同行不同品種間需1～1.5 m的區(qū)間道，所以小區(qū)育種機(jī)械化仍采用機(jī)械開(kāi)溝、人工播種和機(jī)械覆土的分段播種形式[19-21]。

按排種形式不同，機(jī)械式馬鈴薯播種機(jī)主要分為轉(zhuǎn)盤(pán)式、舀勺式、帶式、針刺式、指夾式。這些機(jī)械式馬鈴薯播種機(jī)均存在一定技術(shù)局限，作業(yè)速度一般不超過(guò)6 km/h，效率偏低、重漏播率偏高[22-24]。

2.2 馬鈴薯種薯切塊預(yù)處理機(jī)械化技術(shù)及裝備

馬鈴薯機(jī)械化播種作業(yè)效率、質(zhì)量是影響馬鈴薯產(chǎn)量的關(guān)鍵因素。目前馬鈴薯機(jī)械化播種主要栽培模式以切塊薯為主，切塊的均勻度直接影響馬鈴薯的播種質(zhì)量；馬鈴薯切塊后病蟲(chóng)害易感染傳播。馬鈴薯種薯切塊預(yù)處理機(jī)械化技術(shù)及裝備一直處于馬鈴薯機(jī)械化生產(chǎn)的首要位置。目前中國(guó)馬鈴薯切塊仍處于人工切種、人工切刀消毒、人工背負(fù)式噴藥機(jī)進(jìn)行種薯噴藥的狀態(tài)；作業(yè)效率低、切塊不均勻、勞動(dòng)強(qiáng)度大和噴施農(nóng)藥影響環(huán)境等問(wèn)題嚴(yán)重影響馬鈴薯產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

圖1 馬鈴薯種薯預(yù)處理技術(shù)工序Fig.1 Seed potato pretreatment technology process

馬鈴薯種薯預(yù)處理是一個(gè)較復(fù)雜的過(guò)程，圖1所示為馬鈴薯種薯預(yù)處理涉及到的技術(shù)工序，包括種薯多級(jí)分級(jí)除雜技術(shù)、種薯整列技術(shù)、種薯定位橫豎切塊技術(shù)、種薯出料技術(shù)、切刀消毒技術(shù)、種薯噴潤(rùn)滑劑、噴藥技術(shù)和腐爛薯剔除技術(shù)。國(guó)外依托這些技術(shù)研制的裝備作業(yè)效率高，可達(dá)10～40 t/h；如美國(guó)Milestone公司生產(chǎn)的60-D型馬鈴薯分級(jí)切塊機(jī)，分級(jí)種薯的大小級(jí)別可依據(jù)農(nóng)藝要求調(diào)節(jié)，切后薯塊尺寸依據(jù)農(nóng)藝要求定制縱切刀的間距；作業(yè)質(zhì)量好，切塊種薯種牙合格率可達(dá)到99%；切塊尺寸均在合格范圍，合格率可達(dá)95%；具有效率高、調(diào)整方便、勞動(dòng)強(qiáng)度小等諸多優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是價(jià)格昂貴、零配件供應(yīng)不及時(shí)。而馬鈴薯種薯預(yù)處理技術(shù)及其裝備在我國(guó)目前處于初步研制階段。

國(guó)外對(duì)馬鈴薯分級(jí)機(jī)研究的起步較早，英國(guó)羅科特洛尼格公司研究的基于視覺(jué)進(jìn)行馬鈴薯分級(jí)的控制系統(tǒng)，自動(dòng)化程度較高，但體積龐大。德國(guó)Grimme公司生產(chǎn)了集輸送、清洗、分選包裝于一體的大型分級(jí)設(shè)備，但分級(jí)等級(jí)少。國(guó)外設(shè)備均造價(jià)昂貴，不適合我國(guó)國(guó)情。國(guó)內(nèi)對(duì)馬鈴薯分級(jí)機(jī)械的研究主要有：王相友等[25]設(shè)計(jì)的撥輥推送式馬鈴薯清選分選機(jī)，集清選分級(jí)于一體，可降低人工勞動(dòng)強(qiáng)度。劉洪義等[26]研制的馬鈴薯分級(jí)生產(chǎn)線及其關(guān)鍵部件是一種成套的加工設(shè)備，配置一條完整的生產(chǎn)線。但是我國(guó)專(zhuān)門(mén)用于馬鈴薯分級(jí)的機(jī)械較少，多采用網(wǎng)眼式分級(jí)篩進(jìn)行分選，精準(zhǔn)的網(wǎng)眼可以分選出尺寸結(jié)構(gòu)相近的馬鈴薯，但是存在級(jí)別變更困難、分級(jí)等級(jí)少、分級(jí)效率差、性能不穩(wěn)定等問(wèn)題[27-29]。

國(guó)內(nèi)外馬鈴薯切塊技術(shù)發(fā)展比較緩慢，最近幾年國(guó)外發(fā)展較快，以美國(guó)、德國(guó)、荷蘭等發(fā)達(dá)國(guó)家為代表。目前在我國(guó)處于起步階段，其主要技術(shù)包括種薯定位技術(shù)、切刀定位間隙調(diào)整技術(shù)、動(dòng)定刀切割技術(shù)、切刀酒精或高錳酸鉀精量消毒技術(shù)、種薯塊噴潤(rùn)滑劑(滑石粉)均勻噴灑技術(shù)和出料技術(shù)等。

2.3 種薯分離整列拾取技術(shù)與裝備

重漏播率、株距均勻性以及作業(yè)效率，是衡量馬鈴薯播種機(jī)作業(yè)效果的關(guān)鍵指標(biāo)[30-32]。種箱當(dāng)中無(wú)序堆放的種薯，經(jīng)過(guò)排種器形成單個(gè)種薯，按照給定株距落入種溝的過(guò)程，其實(shí)質(zhì)就是種薯的分離整列拾取技術(shù)。相對(duì)其他作物的種子，馬鈴薯種薯(含整薯、切塊薯和微型薯)具有的大尺寸、非對(duì)稱(chēng)、非球面的幾何特征，決定了種薯分離整列拾取技術(shù)與裝置的特殊性[33-35]。目前國(guó)內(nèi)外具有代表性的種薯分離整列拾取技術(shù)與裝置有帶(鏈)勺式、差動(dòng)輸送帶式、氣吸式、針刺式等。

2.3.1帶(鏈)勺式種薯分離整列拾取技術(shù)與裝置

帶(鏈)勺式種薯分離整列拾取技術(shù)與裝置結(jié)構(gòu)原理如圖2所示。

圖2 帶(鏈)勺式種薯分離整列拾取裝置原理圖Fig.2 Structure principle diagram of spoons type separating & picking device

動(dòng)力由地輪或液壓馬達(dá)、電機(jī)提供，通過(guò)傳動(dòng)系統(tǒng)帶動(dòng)主動(dòng)輪旋轉(zhuǎn)；種箱中的種薯在重力作用下流動(dòng)到種箱底部喂薯區(qū)部位，防架空裝置小幅擺動(dòng)避免種薯結(jié)拱，物料限位裝置控制流量，兩裝置共同作用保證喂薯區(qū)種薯量維持動(dòng)態(tài)恒定；此時(shí)排種帶在喂薯區(qū)一側(cè)向上運(yùn)動(dòng)，種勺依次舀取一或兩顆薯塊；排種帶繼續(xù)向上運(yùn)動(dòng)到清種區(qū)，振動(dòng)清種裝置清掉種勺內(nèi)多余種薯，防夾帶頂桿清除勺間夾帶種薯，保證每個(gè)種勺中只剩下一顆種薯，且種勺之間也不存在種薯的夾帶，被清掉的種薯落回種箱；種勺到達(dá)最高點(diǎn)越過(guò)主動(dòng)輪后，種薯在重力作用下落于前一個(gè)種勺的背上，相鄰兩個(gè)種勺和排種導(dǎo)管形成相互獨(dú)立的空間，每個(gè)勺背上只有一顆種薯；種薯在排種導(dǎo)管中繼續(xù)向下運(yùn)動(dòng)至投種點(diǎn)，種勺繞從動(dòng)輪向上翻轉(zhuǎn)進(jìn)入下一循環(huán)，種薯失去支持力，做近似斜拋運(yùn)動(dòng)，落于種溝底部，完成一次投種[36-38]。機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)重復(fù)以上過(guò)程，實(shí)現(xiàn)連續(xù)投種。

依靠安裝在動(dòng)力裝置(如地輪)與提種帶主動(dòng)輪之間的一組交換掛輪來(lái)調(diào)節(jié)株距。隨著智能控制技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械行業(yè)的應(yīng)用與發(fā)展，依靠對(duì)地測(cè)速雷達(dá)獲取機(jī)具前進(jìn)速度，進(jìn)而通過(guò)控制系統(tǒng)，調(diào)節(jié)提種帶主動(dòng)輪轉(zhuǎn)速的自動(dòng)株距調(diào)節(jié)系統(tǒng)，在國(guó)外一些大型馬鈴薯播種機(jī)上得到應(yīng)用，簡(jiǎn)化了株距調(diào)節(jié)工作[39-40]。

此類(lèi)排種器結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、可靠，既適用于整薯的分離整列拾取，又適用于切塊薯的分離整列拾??；在常規(guī)種勺里面套裝微型薯專(zhuān)用種勺，可實(shí)現(xiàn)微型薯的分離整列拾取[21]，如圖3所示。其重漏播率、株距均勻性等指標(biāo)較好，是目前國(guó)內(nèi)外采用較廣泛的一種分離整列拾取技術(shù)[41-43]。

圖3 適應(yīng)不同種薯尺寸的套裝種勺Fig.3 Spoon sets for different potato sizes

采用該分離整列拾取技術(shù)原理的典型播種機(jī)械包括：德國(guó)Grimme公司的GL系列牽引式馬鈴薯種植機(jī)，型號(hào)有GL410、GL420、GL420 Exacta、GL430、GL660、GL860、GL860 Compacta等；美國(guó)Double L公司生產(chǎn)的9500系列馬鈴薯種植機(jī)；國(guó)內(nèi)的中機(jī)美諾1240型播種機(jī)等。

Grimme GL系列馬鈴薯播種機(jī)基本參數(shù)如表1所示，以GL420四行馬鈴薯播種機(jī)為例分析該系列產(chǎn)品的特點(diǎn)，如圖4所示，種箱容量最大可達(dá)2 t，種箱可按需求進(jìn)行更換，有固定式種箱、可傾斜式種箱、可翻轉(zhuǎn)式種箱等可供更換，播種機(jī)前方可以選裝施肥部件，同時(shí)后方也可安裝土壤整形部件，若安裝整形部件所需配套動(dòng)力為90 kW[44]。

表1 Grimme GL系列馬鈴薯播種機(jī)基本參數(shù)Tab.1 Basic parameters of Grimme GL series potato planter

圖4 Grimme GL420 型馬鈴薯播種機(jī)Fig.4 Grimme GL420 type potato planter

Grimme公司在GL系列馬鈴薯播種機(jī)的產(chǎn)品改進(jìn)方面，主要體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)更加緊湊，可適用于窄行距種植，對(duì)于長(zhǎng)型或窄型等形狀不規(guī)則的種薯也可播種。液壓系統(tǒng)可調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)種箱角度，使其發(fā)生傾斜，使種薯滑落至輸送帶上，依靠傳感器控制種薯到播種單元的運(yùn)動(dòng)，保證投放到各播種單元的種薯數(shù)量一致?？刂葡到y(tǒng)的終端設(shè)備安裝在駕駛室內(nèi)，使用者可以方便地完成整個(gè)控制操作。播種漏播探測(cè)系統(tǒng)與控制系統(tǒng)，可以根據(jù)用戶的需要選裝。開(kāi)溝器組件為標(biāo)配件，開(kāi)溝器的溝形和深度均可以通過(guò)駕駛室內(nèi)的終端設(shè)備進(jìn)行控制，保證開(kāi)溝深度和形狀一致。GL860 Compacta更是具備特殊的折疊系統(tǒng)，方便運(yùn)輸，播種單元設(shè)計(jì)緊湊，增加空間利用率，機(jī)具可裝備多種整地鎮(zhèn)壓裝置，可完成開(kāi)溝、播種、施肥、灌溉、起壟、鎮(zhèn)壓等作業(yè)過(guò)程。

美國(guó)Double L公司生產(chǎn)的9500系列馬鈴薯播種機(jī)，也采用帶(鏈)勺式種薯分離整列拾取技術(shù)。以9540型4行馬鈴薯種植機(jī)為例，配套動(dòng)力110 kW以上，較以前的機(jī)型作業(yè)效率有了明顯提高，可一次完成開(kāi)溝、施藥、施肥、播種、起壟、覆土等作業(yè)，減少了進(jìn)地次數(shù)；大種箱避免了頻繁停機(jī)加注種薯；播種單元選用TKS公司優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品，可以在拖拉機(jī)駕駛室內(nèi)控制播種間距，精度達(dá)到98%以上；液壓和機(jī)械驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用電子控制；標(biāo)配的開(kāi)溝器具有自動(dòng)越障功能，可自動(dòng)翻越遇到的石塊等硬物；有4、6、8行多種機(jī)型滿足不同的用戶需求[45]，其機(jī)型基本參數(shù)如表2所示。

表2 Double L 9500系列播種機(jī)基本技術(shù)參數(shù)Tab.2 Basic technical parameters of Double L 9500 series planter

國(guó)內(nèi)采用帶勺式種薯分離整列拾取技術(shù)的播種機(jī)，具有代表性的是中機(jī)美諾公司生產(chǎn)的1240A型馬鈴薯播種機(jī)，如圖5所示，該機(jī)可進(jìn)行4行播種作業(yè)，機(jī)具自身質(zhì)量3 t，種箱最大容量為2 t，牽引式配套動(dòng)力不小于73 kW，該機(jī)可一次完成開(kāi)溝、播種、施肥、培土作業(yè)，播種精度高，可選裝噴藥機(jī)構(gòu)，開(kāi)溝器為雙圓盤(pán)式，采用雙側(cè)深施肥技術(shù)，避免種肥同位造成的燒種、燒芽問(wèn)題[46-49]，使種肥分布更加合理。

圖5 中機(jī)美諾1240A型馬鈴薯播種機(jī)Fig.5 Menoble 1240A type potato planter

2.3.2差動(dòng)輸送帶式種薯分離整列技術(shù)與裝置

差動(dòng)輸送帶式種薯分離整列裝置原理如圖6所示。

圖6 差動(dòng)輸送帶整列原理圖Fig.6 Schematic diagram of principle of differential conveyor belt1、3.差動(dòng)帶 2.整列帶組 4.螺旋輥

裝置水平安裝于機(jī)架上，裝置兩側(cè)各有一條差動(dòng)帶；裝置中央是一組整列帶，其橫截面呈V形布置，上口寬度略大于單個(gè)種薯的短軸平均直徑，整列帶組在鉛垂平面內(nèi)與差動(dòng)帶呈一定角度，輸入端低于差動(dòng)帶平面，輸出端高于差動(dòng)帶平面；差動(dòng)帶的終端裝有螺旋輥，其上的螺旋線呈反向?qū)ΨQ(chēng)布置。工作時(shí)，差動(dòng)帶、整列帶組以及螺旋輥的運(yùn)動(dòng)方向如圖6所示。

上部供種裝置適時(shí)將一定數(shù)量的種薯投放到差動(dòng)帶及整列帶表面。由于整列帶組的傾角作用，整列帶組上重列的種薯在運(yùn)動(dòng)中逐漸滑落到兩側(cè)的差動(dòng)帶上；差動(dòng)帶帶動(dòng)種薯沿v1方向運(yùn)動(dòng)，當(dāng)種薯接觸到螺旋輥表面后，由于反向?qū)ΨQ(chēng)螺旋線的作用，將種薯推向整列帶組的輸入端。由于整列帶組的寬度略大于單個(gè)種薯的短軸平均直徑，且整列帶與種薯之間的摩擦因數(shù)大于種薯之間的摩擦因數(shù)，在摩擦力的作用下，整列帶組上的種薯在隨著整列帶組沿v2方向運(yùn)動(dòng)的同時(shí)發(fā)生自旋，種薯的長(zhǎng)軸方向與整列帶組的運(yùn)動(dòng)方向v2逐漸趨于一致，在整列帶組上面形成單一連續(xù)的種薯流，從輸出端被送往投種裝置，從而實(shí)現(xiàn)了種薯的分離與整列功能。

該技術(shù)可降低播種時(shí)種薯的摩擦，從而保護(hù)種薯不受損傷，代表性播種機(jī)有德國(guó)Grimme GB系列帶式播種機(jī)，比利時(shí)Dewulf集團(tuán)生產(chǎn)的Miedima Structural 系列帶式播種機(jī)。

Grimme GB系列帶式播種機(jī)主要機(jī)型和基本技術(shù)特點(diǎn)如表3所示[50]。該機(jī)型特點(diǎn)是作業(yè)速度較高，作業(yè)穩(wěn)定，最高作業(yè)速度可達(dá)10 km/h；由于差動(dòng)輸送帶需要帶動(dòng)種薯使其具有不同速度，從而進(jìn)行分離拾取，所以對(duì)整薯播種適應(yīng)性較強(qiáng)，尤其是品種外形為長(zhǎng)條狀，但不適用于切塊種薯及微型薯播種。

表3 Grimme GB系列帶式播種機(jī)基本技術(shù)參數(shù)Tab.3 Basic technical parameters of Grimme GB series belt planter

圖7 Miedima Structural 2000P型帶式播種機(jī)Fig.7 Miedima Structural 2000P belt planter

圖7為Dewulf集團(tuán)生產(chǎn)的Miedima Structural 2000P型帶式播種機(jī)，是一種半懸掛式兩行播種機(jī)，可播種行距為75～91 mm，其料斗容量為3 t，配套最小動(dòng)力為70 kW，該機(jī)型較Miedima Structural 2000L型播種機(jī)增設(shè)了施肥噴藥裝置，作業(yè)精度和作業(yè)速度較高，播種最高速度可達(dá)11 km/h。

2.3.3氣吸式種薯分離整列拾取技術(shù)與裝置

氣吸式種薯分離整列拾取技術(shù)依靠負(fù)壓產(chǎn)生的吸力，將單顆種薯從種群中分離出來(lái)并穩(wěn)定地?cái)y帶種薯隨排種器同步轉(zhuǎn)動(dòng)[51-54]。

目前，氣吸式分離拾取技術(shù)普遍應(yīng)用在其他作物上，而能夠?qū)崿F(xiàn)馬鈴薯氣吸播種的裝置較少。形式是仿照其他小籽粒作物分離整列拾取技術(shù)，如毛瓊等[55]針對(duì)脫毒微型馬鈴薯設(shè)計(jì)的氣吸式分離整列拾取裝置，為傾斜圓盤(pán)式，排種器在播種機(jī)上傾斜一定角度安裝，傾斜角度可調(diào)，借助傾斜種盤(pán)對(duì)微型薯的支持力，減小氣室吸種負(fù)壓；種盤(pán)上均布單排吸種型孔，由于風(fēng)機(jī)的流量和壓強(qiáng)有限，當(dāng)兩?；蚨嗔７N薯同時(shí)吸附于型孔處時(shí)，種薯之間的相互接觸使型孔與種薯之間形成很大的空隙，導(dǎo)致壓差下降，所以該排種器只可能漏播而沒(méi)有重播；因?yàn)槲⑿褪淼娜S平均粒徑僅為12～36 mm，該排種器可以延用傳統(tǒng)的氣吸式排種器的結(jié)構(gòu)與工作原理，如圖8所示[56-59]。

圖8 微型薯氣吸式分離整列拾取裝置Fig.8 Diagram of pick-up device of air separation

另一種是采用多臂分布的結(jié)構(gòu)形式[60]，原理如圖9所示，主要由吸種臂、種箱、配氣閥、吸管接口、吹管接口和調(diào)節(jié)螺桿等部分組成。

圖9 氣吸式種薯分離整列拾取裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.9 Structure of air seed potato separation and picking device1.吸種臂 2.種箱 3.配氣閥 4.靜止軸 5.吸管接口 6.旋轉(zhuǎn)軸 7.吹管接口 8.調(diào)節(jié)螺桿 9.護(hù)罩

配氣閥內(nèi)為負(fù)壓氣室和正壓氣室，各占一定的角度，吸管接口和吹管接口的一端分別與兩個(gè)氣室連通，另一端分別與吸氣風(fēng)機(jī)和吹氣風(fēng)機(jī)通過(guò)軟管連接，由風(fēng)機(jī)為排種器提供作業(yè)所必需的吸種負(fù)壓和吹種正壓。作業(yè)時(shí)，由動(dòng)力驅(qū)動(dòng)整個(gè)吸種臂旋轉(zhuǎn)，當(dāng)吸種臂處于與負(fù)壓氣室連通位置時(shí)，吸種臂利用負(fù)壓從種箱中吸附單顆種薯，并穩(wěn)定地?cái)y帶種薯隨排種器同步轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)旋轉(zhuǎn)至與正壓氣室連通的位置時(shí)，吸種負(fù)壓消失，種薯受重力和吹種正壓力的作用落至壟溝，完成排種作業(yè)[61-63]。

氣吸式種薯分離整列拾取技術(shù)可以克服馬鈴薯自身形狀不規(guī)則帶來(lái)的播種問(wèn)題，既可播種切塊薯又可播種整薯，通過(guò)更換吸種臂上安裝的吸種嘴，還可以播種微型薯。該種薯分離整列拾取裝置適應(yīng)性較好，播種通用性較強(qiáng)[64]，但對(duì)技術(shù)參數(shù)要求較高，其中吸種負(fù)壓的大小，直接影響排種裝置的充種質(zhì)量和攜種穩(wěn)定性。吸種負(fù)壓大，雖然提高了攜種穩(wěn)定性，但是吸種臂同時(shí)吸附兩顆或多顆種薯的幾率增加，使得排種重播指數(shù)升高；若吸種負(fù)壓過(guò)小，種薯受到的吸附力不足以克服種薯間摩擦力等充種阻力，無(wú)法完成充種過(guò)程，當(dāng)排種作業(yè)存在振動(dòng)干擾時(shí)，被吸附的種薯易從吸種嘴脫落，造成漏播[40，65-66]。由于以上技術(shù)難點(diǎn)，目前該種薯分離整列拾取技術(shù)尚沒(méi)有被廣泛推廣應(yīng)用。

應(yīng)用氣吸式種薯分離整列拾取技術(shù)的播種裝置，國(guó)外主要以美國(guó)Lockwood公司生產(chǎn)的604p、606p、608p為代表。圖10為L(zhǎng)ockwood 606p型馬鈴薯播種機(jī)，其播種行數(shù)為6行，可播種行距為80～100 mm，機(jī)具自身質(zhì)量5 t，其種薯料斗箱容量為5.44 t，采用半牽引式，配套動(dòng)力為134 kW以上拖拉機(jī)，可實(shí)現(xiàn)高速作業(yè)，作業(yè)速度最高可達(dá)11.2 km/h，是目前馬鈴薯播種機(jī)可穩(wěn)定播種的最高作業(yè)速度，該播種機(jī)一次性可完成開(kāi)溝、播種、施肥、滴灌、覆土、鎮(zhèn)壓等作業(yè)，同時(shí)內(nèi)部多處裝備播種監(jiān)測(cè)傳感器及故障警報(bào)裝置，保障機(jī)具作業(yè)的順利進(jìn)行以及出現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)檢修[67-69]。

圖10 Lockwood 606p型馬鈴薯播種機(jī)Fig.10 Lockwood 606p potato planter

國(guó)內(nèi)以東北農(nóng)業(yè)大學(xué)馬鈴薯機(jī)械科研團(tuán)隊(duì)研制的2CMQ2型氣吸式馬鈴薯精播機(jī)為代表，如圖11所示。該機(jī)播種行數(shù)為2行，播種行距為80～90 cm，機(jī)具自身質(zhì)量2.5 t，其種薯料斗箱容量為2 t，機(jī)具采用三點(diǎn)懸掛，配套動(dòng)力為90 kW以上。該機(jī)作業(yè)時(shí)無(wú)損傷種薯現(xiàn)象，其播種效率較高，作業(yè)速度可達(dá)6～10 km/h，重漏播率較低，均小于5%，作業(yè)性能穩(wěn)定[70]。

圖11 2CMQ2型氣吸式馬鈴薯精播機(jī)Fig.11 2CMQ2 air potato planter

2.3.4針刺式種薯分離整列拾取技術(shù)與裝置

圖12 刺針式種薯分離整列拾取裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.12 Structure schematic diagram of needle picking device

圖12所示為刺針式種薯分離整列拾取裝置結(jié)構(gòu)圖。

其主要結(jié)構(gòu)為安裝在排種轉(zhuǎn)盤(pán)圓周上的刺針播種臂，排種盤(pán)帶動(dòng)刺針播種臂轉(zhuǎn)動(dòng)，在種箱內(nèi)取種、攜種，最后完成投種作業(yè)[20，71]。刺針的長(zhǎng)度及粗細(xì)與所持種薯的尺寸相關(guān)，為提高效率，可根據(jù)不同條件進(jìn)行更換，有的刺針上增加粗糙度以提高拾取穩(wěn)定性。刺針播種臂由定臂和動(dòng)臂組成，動(dòng)臂由凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)控制，形成刺針播種臂的兩種不同工作狀態(tài)，當(dāng)動(dòng)臂與定臂之間存在一定距離，針刺無(wú)法外露于定臂之外時(shí)，刺針播種臂處于投種或空臂狀態(tài)下，如圖13a所示；當(dāng)動(dòng)臂與定臂緊密相合時(shí)，針刺臂露出，可進(jìn)行刺針拾取，此狀態(tài)下可進(jìn)行取種或攜種，如圖13b所示。

圖13 刺針播種臂工作狀態(tài)Fig.13 Working states of needle type seeding arm1.凸輪機(jī)構(gòu) 2.定臂 3.動(dòng)臂

刺針式種薯分離整列拾取裝置與技術(shù)的研究主要集中在美國(guó)，廣泛應(yīng)用在20世紀(jì)90年代，該類(lèi)型分離整列拾取裝置對(duì)種薯的大小和形狀要求非常低，可以適應(yīng)各種類(lèi)型的種薯，而不會(huì)對(duì)排種穩(wěn)定性和均勻性產(chǎn)生較大影響，單獨(dú)從排種性能考慮，刺針式分離整列拾取裝置是最優(yōu)選擇。但是由于其拾取過(guò)程中刺針需要反復(fù)刺入種薯，一旦某顆種薯有病變，便有可能交叉感染，造成病變廣泛傳播，影響馬鈴薯產(chǎn)量和品質(zhì)[72-73]。代表機(jī)型為美國(guó)Lockwood公司生產(chǎn)的Lockwood 6200系列，如圖14為L(zhǎng)ockwood 6200-4100型馬鈴薯播種機(jī)，作業(yè)行數(shù)為4行，由拖拉機(jī)牽引進(jìn)行作業(yè)，配套動(dòng)力為75 kW，種箱容量達(dá)1.8 t，作業(yè)速度最高可達(dá)9.6 km/h。

圖14 Lockwood 6200-4100型馬鈴薯播種機(jī)Fig.14 Lockwood 6200-4100 potato planter

2.3.5其他種薯分離整列拾取技術(shù)與裝置

2.3.5.1機(jī)械夾持

機(jī)械夾持式種薯分離整列拾取裝置，又稱(chēng)為指夾式馬鈴薯排種器[74-75]，其結(jié)構(gòu)原理如圖15所示。

圖15 機(jī)械夾持式種薯分離整列拾取裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.15 Structure schematic diagram of mechanical clamping seed potato separation and picking device1.排種盤(pán) 2.夾指 3.勺盤(pán) 4.種勺 5.夾指彈簧 6.夾指拐臂 7.夾指導(dǎo)軌

排種盤(pán)的軸線呈水平安裝，排種盤(pán)的下半部浸沒(méi)于種箱的種薯群中。沿排種盤(pán)圓周均布若干夾指、勺盤(pán)和種勺。夾指在夾指彈簧的作用下，呈常閉狀態(tài)。當(dāng)某個(gè)夾指旋轉(zhuǎn)到取種區(qū)時(shí)，夾指拐臂碰到夾指導(dǎo)軌，迫使夾指張開(kāi)，種薯進(jìn)入夾指與種勺之間；當(dāng)該夾指轉(zhuǎn)過(guò)夾指導(dǎo)軌后，在夾指彈簧的作用下，夾指夾住種薯，并攜帶種薯繼續(xù)旋轉(zhuǎn)。當(dāng)該夾指轉(zhuǎn)到投種區(qū)時(shí)，夾指拐臂遇到另一組夾指導(dǎo)軌，迫使該夾指張開(kāi)，種薯自其中脫落。

由于夾指導(dǎo)軌的曲線形狀一定，夾指的開(kāi)閉行程也就一定，而種薯的幾何尺寸、形狀總是存在差異，該裝置難免存在較大的重漏播率。該原理在玉米、大豆等小粒徑作物的排種器中有一定的應(yīng)用[76-78]，而在馬鈴薯播種機(jī)中，僅Lockwood等少數(shù)廠商提供了能夠?qū)嶋H應(yīng)用的機(jī)型。表4為L(zhǎng)ockwood 500系列馬鈴薯播種機(jī)3種機(jī)型及基本技術(shù)參數(shù)，該機(jī)具最高作業(yè)速度為10.5 km/h。

表4 Lockwood 500系列機(jī)型基本技術(shù)參數(shù)Tab.4 Basic technical parameters of Lockwood 500 series

2.3.5.2分離轉(zhuǎn)盤(pán)整列

采用取種轉(zhuǎn)盤(pán)式排種裝置，圓盤(pán)狀的取種轉(zhuǎn)盤(pán)上均勻分布放射狀的隔板，將轉(zhuǎn)盤(pán)分成若干小格，工作時(shí)種薯從種箱滑出，經(jīng)人工輔助放到取種轉(zhuǎn)盤(pán)的格內(nèi)，經(jīng)由排種管落入種溝，該排種器對(duì)種薯的尺寸和形狀沒(méi)有要求，可播種不規(guī)則薯塊，且排種過(guò)程不傷種、不卡種，漏播指數(shù)和重播指數(shù)低，但需要人工放種，未能完全實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化播種，勞動(dòng)強(qiáng)度較大，作業(yè)效率低[79-80]。

圖16 利用人工分離轉(zhuǎn)盤(pán)整列原理的播種機(jī)Fig.16 Semi-auto planter with separating disks

圖16為東北農(nóng)業(yè)大學(xué)團(tuán)隊(duì)利用該原理研發(fā)的兩種半自動(dòng)馬鈴薯播種機(jī)。該機(jī)既可以播種整薯、切塊薯，也可以播種微型薯，適用于小地塊以及小區(qū)育種，2行作業(yè)效率為0.13 hm2/h，4行作業(yè)效率為0.4 hm2/h，可播種株距為13～39 cm，播深為5～10 cm，由于人工輔助作業(yè)，該機(jī)重漏播率在1%以下。

2.3.5.3振動(dòng)分離整列人工清(補(bǔ))種

振動(dòng)分離整列人工清(補(bǔ))種結(jié)構(gòu)原理如圖17所示。

圖17 振動(dòng)分離整列人工清(補(bǔ))種原理圖Fig.17 Principle diagram of vibration separation with man-aided1.種箱 2.抖動(dòng)輪 3.輸種帶 4.開(kāi)口調(diào)節(jié)板 5.手動(dòng)清(補(bǔ))種

輸種帶外表面上等距分布一定尺寸的圓弧凹槽，由驅(qū)動(dòng)帶輪使之沿圖示方向運(yùn)動(dòng)。由于圓弧凹槽的尺寸一定，而種薯(包括整薯和切塊薯)的外形尺寸有一定的偏差，所以在輸種過(guò)程中，很難保證每個(gè)凹槽中恰好容納一個(gè)種薯，因此需要人工對(duì)輸種帶進(jìn)行監(jiān)視和清(補(bǔ))種[76，81-82]。由于受人工能力所限，采用該原理的播種機(jī)的作業(yè)速度不會(huì)超過(guò)2 km/h。圖18為日本JAGIRL型振動(dòng)分離整列人工清(補(bǔ))種馬鈴薯播種機(jī)，適用于較小地塊及小區(qū)播種作業(yè)。

圖18 JAGIRL型人工清(補(bǔ))種馬鈴薯播種機(jī)Fig.18 JAGIRL man-aided potato planter

2.4 零速投種技術(shù)與裝備

零速投種[83]一直都是機(jī)械化播種中的技術(shù)難點(diǎn)，由于播種機(jī)進(jìn)行播種作業(yè)時(shí)，機(jī)具會(huì)沿前進(jìn)方向有一定速度，使種子脫離排種裝置后不能按預(yù)定投種位置垂直投放，而近似為斜拋運(yùn)動(dòng)，造成種子著陸種床的位置發(fā)生偏移，甚至發(fā)生種子彈跳，降低播種機(jī)的播種質(zhì)量。而馬鈴薯種塊質(zhì)量較大，隨著作業(yè)速度的提高，這種負(fù)面效果更加嚴(yán)重[84-86]。

2.4.1導(dǎo)種技術(shù)

目前，現(xiàn)有技術(shù)仍做不到絕對(duì)的零速投種。大多數(shù)馬鈴薯排種裝置通過(guò)設(shè)計(jì)合理的導(dǎo)種裝置結(jié)構(gòu)曲線，種子受重力下降，途經(jīng)曲面導(dǎo)種裝置，導(dǎo)種裝置可使種薯沿播種機(jī)前進(jìn)反方向加速，使種薯獲得與播種機(jī)前進(jìn)速度方向相反的水平分速度，進(jìn)而趨近于零速投種[87-89]，其結(jié)構(gòu)組成及在種薯分離整列裝置上的安裝位置如圖19所示。

圖19 加裝導(dǎo)流板的馬鈴薯排種裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.19 Schematic structure of potato seedling device with guide plate1.導(dǎo)種組件 2.排種架 3.主動(dòng)輪 4.清種部件 5.排種導(dǎo)板6.排種帶 7.充種箱 8.從動(dòng)帶輪組合 9.擋種部件 10.導(dǎo)流板

帶勺式種薯分離整列拾取裝置的工作過(guò)程中，會(huì)在頂部將種勺內(nèi)的種薯投擲到上一種勺的背部，這一過(guò)程會(huì)引起種薯做拋起運(yùn)動(dòng)，影響正常種薯運(yùn)動(dòng)軌跡，所以在帶勺式裝置上方安裝導(dǎo)種組件，為防止損傷種薯，導(dǎo)種組件通常為柔性材質(zhì)。在裝置投種下方安裝導(dǎo)流板，導(dǎo)流板可一定程度上使種薯具有與機(jī)具前進(jìn)速度方向相反的速度，從而降低播種前進(jìn)方向的偏移，做到趨近于零速投種。

該導(dǎo)種裝置具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、通用性好、排種質(zhì)量穩(wěn)定、均勻性好等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在帶勺式的種薯分離整列裝置上[90-91]。但也存在一定缺點(diǎn)，如種子在導(dǎo)種裝置內(nèi)需要獲得足夠的向后水平分速度，同時(shí)投種點(diǎn)須有足夠高度，這樣反而又增加了種子落地時(shí)垂直分速度，會(huì)提高種子落地后的彈跳概率；且實(shí)際作業(yè)時(shí)受機(jī)具振動(dòng)等因素影響，種子在導(dǎo)種裝置內(nèi)若與裝置罩殼發(fā)生碰撞，反而會(huì)一定程度上降低排種均勻性[92-95]。

大多數(shù)帶勺式種薯分離整列裝置都會(huì)加裝導(dǎo)種裝置，以比利時(shí)AVR公司生產(chǎn)的Ceres 400型帶勺式馬鈴薯播種機(jī)為例，如圖20所示，該排種裝置上方安裝柔性導(dǎo)種組件，下方安裝導(dǎo)流裝置。

圖20 AVR Ceres 400型馬鈴薯播種機(jī)Fig.20 AVR Ceres 400 potato planter

圖21為東北農(nóng)業(yè)大學(xué)研制的2CM系列馬鈴薯施肥播種機(jī)，有2行和4行兩種機(jī)型。2行配套動(dòng)力為48～73 kW，4行配套動(dòng)力為88～118 kW。播種機(jī)自身較輕，該機(jī)具在北方一季作區(qū)被廣泛應(yīng)用，其性能穩(wěn)定，在帶勺式種薯分離整列拾取裝置中安裝有導(dǎo)種、導(dǎo)流裝置，提高了該機(jī)具的播種效果；覆土裝置采用覆土犁鏵，更符合北方粘壤土條件的覆土作業(yè)。

圖21 2CM系列馬鈴薯施肥播種機(jī)Fig.21 2CM series potato fertilizer planter

2.4.2正壓吹種技術(shù)

東北農(nóng)業(yè)大學(xué)馬鈴薯機(jī)械研究團(tuán)隊(duì)提出了利用正壓氣流為投出的種薯沿播種機(jī)前進(jìn)反向加速，力求種薯脫離吸種臂開(kāi)始下落時(shí)水平方向分速度趨近于零[96]。結(jié)合具體作業(yè)速度，并準(zhǔn)確調(diào)節(jié)正壓氣流的大小和投種時(shí)的正壓氣室位置及所占角度，理論上就可以達(dá)到零速投種。

2.5 動(dòng)態(tài)供種技術(shù)與裝備

為提高播種效率，馬鈴薯播種機(jī)在種箱中會(huì)攜帶大量種薯，以減少停車(chē)次數(shù)，但大量的種薯在種箱中會(huì)自然堆積，影響排種裝置在取種區(qū)的取種效果，一定程度上會(huì)造成重漏播，進(jìn)而影響播種效果。同時(shí)對(duì)于高速作業(yè)條件下排種裝置在取種區(qū)供種料位變化快、供種穩(wěn)定性差，嚴(yán)重影響準(zhǔn)確取種和穩(wěn)定攜種的問(wèn)題，若保證排種裝置取種區(qū)內(nèi)種面高度水平動(dòng)態(tài)恒定，控制供種裝置向排種裝置內(nèi)輸送的種薯量，可實(shí)現(xiàn)高速作業(yè)條件下株距和重漏播率的穩(wěn)定性[97-98]。

為達(dá)到上述目的，目前播種機(jī)種箱均會(huì)設(shè)計(jì)主種箱和分種箱，主種箱較大，可為播種機(jī)承載大量種薯；分種箱較小，與排種裝置相連，控制分種箱內(nèi)種薯數(shù)量就可為排種裝置提供一個(gè)的穩(wěn)定、定量的取種區(qū)域。為保證主種箱可穩(wěn)定為分種箱提供種薯，同時(shí)保證分種箱內(nèi)的種薯數(shù)量一定，提出了一種動(dòng)態(tài)供種控制技術(shù)。

動(dòng)態(tài)供種技術(shù)的工作控制原理圖如圖22所示，系統(tǒng)由供種驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、料位傳感器、供種執(zhí)行機(jī)構(gòu)等部件組成。分種箱內(nèi)的種薯高度是系統(tǒng)的輸入量，經(jīng)由供種執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)入分種箱的種薯數(shù)量是系統(tǒng)的輸出量。輸入量與輸出量的差，由料位傳感器檢測(cè)、放大后，驅(qū)動(dòng)供種驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)作，進(jìn)而控制下部種箱中的種薯高度水平動(dòng)態(tài)恒定。

圖22 動(dòng)態(tài)供種控制原理圖Fig.22 Dynamic seed supply control schematic diagram

國(guó)內(nèi)以東北農(nóng)業(yè)大學(xué)馬鈴薯機(jī)械研究團(tuán)隊(duì)提出的動(dòng)態(tài)供種裝置為例，如圖23所示，動(dòng)態(tài)供種系統(tǒng)由主種箱、供種電機(jī)、料位傳感器、供種輸送裝置和分種箱等部件組成。動(dòng)態(tài)供種裝置向排種裝置本體輸送種薯，在排種裝置本體的種箱內(nèi)部安裝有料位傳感器，當(dāng)種箱中種面高度達(dá)到高位目標(biāo)值時(shí)，料位傳感器發(fā)出信號(hào)，使動(dòng)態(tài)供種裝置停止輸送種薯；隨著排種裝置不斷排出種薯，種箱中種面高度下降，達(dá)到低位目標(biāo)值時(shí)，料位傳感器再次發(fā)出信號(hào)，重新啟動(dòng)供種裝置繼續(xù)輸送種薯，以此方法保證種箱中種面高度相對(duì)恒定。一個(gè)分種箱安裝兩排動(dòng)態(tài)供種裝置，以便為分種箱平衡供給種薯，該動(dòng)態(tài)供種系統(tǒng)中的供種輸送裝置采用鏈板式，以降低輸送過(guò)程對(duì)種薯的損傷[99]。

圖23 動(dòng)態(tài)供種系統(tǒng)原理圖Fig.23 Dynamic seed supply system1.主種箱 2.排種裝置本體 3.供種電機(jī) 4.料位傳感器 5.供種輸送裝置 6.分種箱

國(guó)外無(wú)論是大型馬鈴薯播種機(jī)還是中小型馬鈴薯播種機(jī)，大多采用動(dòng)態(tài)供種技術(shù)。以Spudnik公司設(shè)計(jì)的馬鈴薯播種機(jī)為例，其播種單體的結(jié)構(gòu)如圖24所示，采用動(dòng)態(tài)供種技術(shù)，通過(guò)液壓驅(qū)動(dòng)供種裝置，從主種箱向播種單體分種箱內(nèi)進(jìn)行供種，設(shè)置分種箱內(nèi)的種薯水平面，通過(guò)可調(diào)節(jié)式傳感器進(jìn)行控制，確保供種輸送裝置可根據(jù)分種箱內(nèi)的薯面高度實(shí)時(shí)供種，該輸送裝置采用輸送鏈桿，上薯量穩(wěn)定，供種性能好，同時(shí)可防止主種箱內(nèi)的種薯架空結(jié)拱[100]。

圖24 Spudnik播種機(jī)播種單體Fig.24 Seeding unit on Spudnik planter1.主種箱 2.動(dòng)態(tài)供種裝置 3.分種箱

Spudnik公司在馬鈴薯種植機(jī)械上的發(fā)展趨向于高效、大規(guī)模作業(yè)，Spudnik設(shè)計(jì)生產(chǎn)的Spudnik 8069、8020、8312系列馬鈴薯種植機(jī)，一次性播種9～12行，其作業(yè)效率高。以Spudnik最新設(shè)計(jì)生產(chǎn)的8312型馬鈴薯種植機(jī)為例，如圖25所示，其作業(yè)行數(shù)為12行，整機(jī)工作寬度達(dá)到10.9 m，區(qū)別于傳統(tǒng)大型播種機(jī)，該機(jī)采用創(chuàng)新的兩側(cè)折疊升降技術(shù)，可將整機(jī)進(jìn)行折疊，為提高折疊利用效率，將兩側(cè)播種單體略前置于中心播種區(qū)域，折疊后的運(yùn)輸寬度可縮小至6.7 m；其具備超大種薯料斗箱，一次可容納16 t種薯，所需配套動(dòng)力225 kW以上；集成Spudnik的多行馬鈴薯種植機(jī)的特點(diǎn)，將播種單體、開(kāi)溝裝置和覆土裝置設(shè)計(jì)為一體，增加空間利用率。

圖25 Spudnik 8312型馬鈴薯播種機(jī)Fig.25 Spudnik 8312 potato planter

為滿足大型高速播種，采用將播種機(jī)料斗箱與播種單體分離的形式，由動(dòng)態(tài)供種裝置進(jìn)行從主種箱精準(zhǔn)定量輸入種薯，兩側(cè)的播種單體由于前置，且與中心區(qū)域的主種箱較遠(yuǎn)，為滿足兩側(cè)播種單體的播種作業(yè)，將動(dòng)態(tài)供種裝置外置同時(shí)加長(zhǎng)其輸送長(zhǎng)度；其結(jié)構(gòu)外形如圖26所示。同時(shí)為配合高速精準(zhǔn)作業(yè)，其播種單體的驅(qū)動(dòng)也由地輪改為液壓驅(qū)動(dòng)，該機(jī)器顯著提高了播種作業(yè)效率。

圖26 Spudnik 8312型馬鈴薯播種機(jī)動(dòng)態(tài)供種裝置Fig.26 Spudnik 8312 potato planter dynamic seeding device

目前，在動(dòng)態(tài)供種技術(shù)上的升級(jí)，主要體現(xiàn)在料位檢測(cè)裝置上，運(yùn)用超聲波檢測(cè)技術(shù)、紅外傳感技術(shù)或圖像識(shí)別技術(shù)，精準(zhǔn)穩(wěn)定識(shí)別分種箱內(nèi)的種薯數(shù)量變化，可以及時(shí)穩(wěn)定驅(qū)動(dòng)供種裝置進(jìn)行供種；其次體現(xiàn)供種裝置上，供種裝置的結(jié)構(gòu)原理雖各有不同，但其發(fā)展的趨勢(shì)是精量穩(wěn)定供種和降低種薯?yè)p傷。

3 發(fā)展分析與展望

通過(guò)國(guó)內(nèi)企業(yè)、科研院所、高等院校的不懈努力，我國(guó)馬鈴薯播種機(jī)械已經(jīng)從被動(dòng)仿制進(jìn)入基礎(chǔ)理論研究、產(chǎn)品創(chuàng)新研發(fā)并舉時(shí)期，適應(yīng)不同作業(yè)區(qū)域的低、中端馬鈴薯播種機(jī)械正逐步形成規(guī)模。圍繞馬鈴薯播種機(jī)械的各項(xiàng)研究已經(jīng)形成較成熟的技術(shù)體系。一些技術(shù)力量雄厚的科研院所和高校正在瞄準(zhǔn)國(guó)際先進(jìn)的馬鈴薯播種機(jī)械技術(shù)，進(jìn)入高端技術(shù)研究和研發(fā)階段。針對(duì)馬鈴薯播種機(jī)械技術(shù)，未來(lái)將從以下方面取得長(zhǎng)足的進(jìn)展：

(1)自動(dòng)化、智能化技術(shù)在馬鈴薯播種機(jī)械上的應(yīng)用。一些發(fā)達(dá)國(guó)家的高端馬鈴薯播種機(jī)械已經(jīng)廣泛采用了智能檢測(cè)與控制技術(shù)、機(jī)-電-液-氣力驅(qū)動(dòng)技術(shù)等，這些技術(shù)的采用，一方面提高了馬鈴薯播種機(jī)的作業(yè)精度和效率，另一方面，實(shí)現(xiàn)了良好的人機(jī)環(huán)境，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度和用工數(shù)量，國(guó)內(nèi)馬鈴薯機(jī)械化種植也將逐步向自動(dòng)化、智能化方向發(fā)展。

(2)我國(guó)馬鈴薯種植區(qū)域廣泛，地理?xiàng)l件和農(nóng)藝的多樣性決定了在今后相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)，工藝原理、機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的小型馬鈴薯播種機(jī)與自動(dòng)化程度、作業(yè)效率高的大型馬鈴薯播種機(jī)將長(zhǎng)期并存，以適應(yīng)不同種植區(qū)域的需求。因此，應(yīng)同時(shí)投入相應(yīng)的研發(fā)力量，研發(fā)適合南方二季作區(qū)、西南單雙季混作區(qū)特點(diǎn)、性能可靠的種薯分離整列技術(shù)與裝置。

(3)排種器是播種機(jī)的核心部件，而馬鈴薯種薯幾何尺寸大、質(zhì)量大的特點(diǎn)決定了馬鈴薯排種器的負(fù)載較其他作物排種器的負(fù)載大。在新材料、表面處理、熱處理、制造工藝等方面，將先進(jìn)的制造技術(shù)融入排種器以及整機(jī)的制造過(guò)程當(dāng)中，以提高馬鈴薯播種機(jī)性能的穩(wěn)定性和可靠性。根據(jù)我國(guó)地域種植特點(diǎn)，未來(lái)我國(guó)馬鈴薯機(jī)械化種植技術(shù)和裝備的發(fā)展將以精量、高速、智能化大型馬鈴薯播種技術(shù)及裝備為核心，同步研發(fā)經(jīng)濟(jì)、輕簡(jiǎn)型馬鈴薯機(jī)械化種植技術(shù)及裝備為主要發(fā)展方向。