閆建偉，魏 松，張富貴

（貴州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院/現(xiàn)代制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴陽(yáng) 550025）

0 引言

我國(guó)西北、西南部分地區(qū)常年干旱，水資源缺乏。西北地區(qū)深居內(nèi)陸，干旱少雨，屬于半干旱地區(qū)，西南地區(qū)雖然氣候濕潤(rùn)且多雨，但是雨量分配不均衡，降雨時(shí)空分布常與農(nóng)作物需水期嚴(yán)重錯(cuò)位[1-3]，且地形復(fù)雜，地貌類(lèi)型多樣，易發(fā)生干旱。常年干旱嚴(yán)重制約西北、西南的糧食安全和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。如何最大限度地利用天然降水，實(shí)現(xiàn)水肥高效耦合對(duì)提高旱地作物產(chǎn)量具有重要意義[4-5]。地膜覆蓋能減少土壤水分蒸發(fā)，改善土壤水分情況，提高土壤的水分供應(yīng)能力，并且可以把天然降水轉(zhuǎn)化為有效降水并提高土壤貯水量[6-11]。近年來(lái)，隨著國(guó)家對(duì)糧食安全高度重視以及在西部大開(kāi)發(fā)政策影響下，覆膜播種技術(shù)得到推廣。本文在介紹國(guó)內(nèi)外膜上精量播種機(jī)概況基礎(chǔ)上，分析了當(dāng)前膜上播種機(jī)具的現(xiàn)狀特點(diǎn)及存在問(wèn)題，并提出相關(guān)解決措施，為膜上精量播種機(jī)的進(jìn)一步研制和結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供參考。

1 國(guó)外膜上精量播種技術(shù)與機(jī)具

在國(guó)外，近年來(lái)由于免耕技術(shù)和保護(hù)性耕作技術(shù)的大力推廣以及精密播種技術(shù)的成熟，美國(guó)、巴西、意大利等國(guó)家主要以免耕播種機(jī)為主。對(duì)于膜上精量播種機(jī)的研究較少。其中較為典型的是由意大利比安奇公司研制的SEMINATRICE MODULA 系列覆膜打孔穴播機(jī)（圖1）。該機(jī)采用電驅(qū)式打孔穴播設(shè)計(jì)，可互換不同種類(lèi)播種分配器，能夠靈活調(diào)節(jié)播種深度、播種量和種間距離，該播種機(jī)采用拖拉機(jī)牽引，適用于大田作業(yè)，對(duì)土地的平整度要求高，在西南丘陵地區(qū)小塊地以及地勢(shì)不平地區(qū)播種作業(yè)較為困難。

2 國(guó)內(nèi)膜上精量播種技術(shù)與機(jī)具

我國(guó)對(duì)于膜上播種機(jī)的研究起步于20 世紀(jì)80 年代，起步較晚，再加之我國(guó)農(nóng)作物種類(lèi)繁多，大多數(shù)作物種子外形不規(guī)則、質(zhì)量較輕等因素導(dǎo)致我國(guó)大部分旱地播種仍采用人工點(diǎn)播或者人力式播種機(jī)，如圖2。近年來(lái)，隨著隨著國(guó)家對(duì)種植業(yè)的大力扶持，農(nóng)作物、經(jīng)濟(jì)作物及蔬菜種植業(yè)發(fā)展迅速，國(guó)內(nèi)學(xué)者開(kāi)始對(duì)膜上穴播機(jī)進(jìn)行研究，主要有鏟式、舵輪式、直插式和滾輪式穴播機(jī)以及手持式點(diǎn)播機(jī)，其中對(duì)鏟式和舵輪式研究較少，更側(cè)重于直插式和滾輪式穴播機(jī)。

圖2 貴州省畢節(jié)市威寧縣雙龍鎮(zhèn)白蘿卜播種現(xiàn)場(chǎng)

2.1 鏟式、舵輪式穴播機(jī)研究現(xiàn)狀

王鵬[12]運(yùn)用離散單元法對(duì)鏟式玉米播種機(jī)在土壤凹凸不平的工作環(huán)境下排種、成穴以及投種過(guò)程進(jìn)行分析，得出在土壤不平情況下播種機(jī)作業(yè)速度對(duì)排種影響較大，作業(yè)速度不宜過(guò)快，土壤不平對(duì)成穴器成穴影響非常小但是會(huì)導(dǎo)致種子變異系數(shù)上升，該研究對(duì)鏟式穴播機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有一定的意義；鄧瑩等[13]設(shè)計(jì)了一種手扶式鏟式玉米精量播種機(jī)，對(duì)成穴鏟轉(zhuǎn)速和播種機(jī)的前進(jìn)速度進(jìn)行了速度匹配設(shè)計(jì)，使該播種機(jī)可適用于不同的株距作業(yè)，滿足不同的種植密度要求，但是該播種機(jī)為小型機(jī)械，僅適用于小塊地作業(yè)，其株距變異系數(shù)有待降低。

郭志宏[14]設(shè)計(jì)了一舵輪式勺盤(pán)穴播器，將勺盤(pán)式排種器內(nèi)置于舵輪盤(pán)內(nèi)部，縮短了種子行程、降低了種子在輸送管道的滑移率，進(jìn)一步提高了播種精度。李忠久[15]設(shè)計(jì)了一種舵輪式杠桿開(kāi)啟穴播機(jī)，能實(shí)現(xiàn)水稻種子精量播種并且不傷種，提高了水稻育秧播種質(zhì)量。

2.2 滾輪式穴播機(jī)研究現(xiàn)狀

隨著農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)與手段的不斷創(chuàng)新，國(guó)內(nèi)學(xué)者更多側(cè)重于滾輪式穴播機(jī)相關(guān)精密播種技術(shù)的研究。穴播輪盤(pán)上的鴨嘴在地膜上運(yùn)動(dòng)時(shí)，鴨嘴在入土和出土過(guò)程中，會(huì)有撕膜和挑膜現(xiàn)象的發(fā)生，對(duì)覆膜質(zhì)量造成了極大影響，因此降低滾輪式穴播機(jī)對(duì)地膜的損壞成為滾輪式穴播機(jī)的研究難點(diǎn)。

劉曉東[16]等針對(duì)花生膜上播種設(shè)計(jì)了一種集起壟、施肥、噴藥、鋪膜及播種等于一體的2BD-3/6 型花生膜上穴播機(jī)（圖3），并且在整機(jī)后端機(jī)架加載多壟仿形機(jī)構(gòu)，大大提高了機(jī)器在不同土壤環(huán)境下作業(yè)的適應(yīng)性，該機(jī)采用拖拉機(jī)牽引膜上播種作業(yè)，行距180～220 mm，播種深度30～50 mm,作業(yè)速度0.6～0.99 hm2/h，但是該機(jī)在實(shí)際播種過(guò)程種存在撕膜、挑膜現(xiàn)象。

圖3 2BD-3/6 型花生膜上穴播機(jī)

圖4 旱地胡麻施肥覆膜穴播聯(lián)合作業(yè)機(jī)

周剛[17]針對(duì)西北旱區(qū)胡麻覆膜播種設(shè)計(jì)了一種施肥覆膜精量播種一體機(jī)（圖4），并對(duì)滾輪式穴播機(jī)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析，能夠?qū)崿F(xiàn)胡麻膜上精量播種，該機(jī)采用拖拉機(jī)三點(diǎn)懸掛牽引、膜上播種、施肥一體，行距200 mm，株距200 mm，1 壟6 行，播種效率0.12～0.8hm2/h。

馮巖等[18]運(yùn)用EDEM 仿真技術(shù)對(duì)窩眼輪式排種器排種輪轉(zhuǎn)速、窩眼輪型孔圓角直徑和窩眼輪型排列升角進(jìn)行了仿真分析并得到最佳組合，再結(jié)合田間試驗(yàn)驗(yàn)證仿真試驗(yàn)的可靠性，提高了油菜精量播種質(zhì)量。孫步功等[19]針對(duì)傳統(tǒng)全膜覆蓋雙壟溝玉米播種機(jī)播種效率低、易損壞膜和掛膜等問(wèn)題對(duì)播種機(jī)的動(dòng)力傳動(dòng)裝置采用結(jié)合非圓齒輪連接曲柄連桿機(jī)構(gòu)和圓柱齒輪曲柄連桿機(jī)構(gòu)來(lái)共同控制成穴器運(yùn)動(dòng)，大大提高了播種機(jī)播種精度并且減少了成穴器對(duì)地膜的破壞。劉小龍等[20]針對(duì)覆膜玉米穴播機(jī)的平行成穴機(jī)構(gòu)作業(yè)垂直入土擾動(dòng)等問(wèn)題設(shè)計(jì)了三剛易柔成穴機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)可大幅降低成穴時(shí)對(duì)土壤的擾動(dòng)以及對(duì)地膜的破壞。余斌等[21]針對(duì)甘肅等西北丘陵地區(qū)設(shè)計(jì)了一種手推式穴播機(jī)（圖5），該機(jī)輕巧方便、操作靈活并且采用齒輪傳動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)鴨嘴和排種器排種同步開(kāi)啟，可滿足農(nóng)作物精量膜上播種，該機(jī)采用人工推動(dòng)進(jìn)行膜上播種作業(yè)，株距可分別調(diào)整為280 mm、230 mm 和200 mm，播種深度50 mm 或者60 mm，播種效率0.43～0.67 hm2/d，但該機(jī)需人力推動(dòng)、播種效率較低，存在勞動(dòng)強(qiáng)度高等缺點(diǎn)。

圖5 手推式穴播機(jī)

圖6 2BZ-4 玉米精量穴播機(jī)

甘肅省定西市三牛農(nóng)機(jī)制造有限公司生產(chǎn)的2BZ-4 玉米精量穴播機(jī)（圖6）采用微耕機(jī)牽引式膜上播種，作業(yè)速度能夠達(dá)到1～3 km/h。該機(jī)采用微耕機(jī)牽引式膜上播種，行距300～700 mm，播種深度30～45 mm，作業(yè)效率0.22～0.50 hm2/h。

馬明義[22]設(shè)計(jì)了一種2BT-2 型玉米全膜雙壟溝電動(dòng)自走式穴播機(jī)（圖7），采用手扶式，以蓄電池為動(dòng)力源，由直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)地輪，可以滿足玉米全膜覆蓋雙壟溝播的農(nóng)藝技術(shù)要求，該機(jī)行距400 mm，1 壟2 行，播種深度20～60 mm，播種速度≤1.8 km/h。

圖7 2BT-2 型玉米全膜雙壟溝電動(dòng)自走式穴播機(jī)

石林榕等[23]對(duì)氣吸式鴨嘴滾輪排種器進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，采用彈性墊片做為吸孔材料，能夠減少播種時(shí)對(duì)種子的刮傷，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)精量播種。

2.3 直插式穴播機(jī)研究現(xiàn)狀

為避免輪式穴播機(jī)作業(yè)過(guò)程中成穴器回轉(zhuǎn)余擺線引起的撕膜挑膜現(xiàn)象和傳統(tǒng)的人工膜上點(diǎn)播人工勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低的缺陷以及為適應(yīng)少耕、免耕及地膜覆蓋播種作業(yè)要求[24]，我國(guó)于20 世紀(jì)90 年代初對(duì)直插式播種機(jī)開(kāi)展研究。王平等[25]設(shè)計(jì)了一種由曲柄滑塊機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)的平行四桿機(jī)構(gòu)直插式播種裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)膜上播種時(shí)成穴器“零速”播種，可以有效減少膜上播種作業(yè)時(shí)成穴器挑膜、撕膜現(xiàn)象。

石林榕等[26]設(shè)計(jì)了一電驅(qū)式小區(qū)玉米直插式穴播機(jī)（圖8），并設(shè)計(jì)了前進(jìn)速度補(bǔ)償機(jī)構(gòu)、限深機(jī)構(gòu)和后輪高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，對(duì)相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化分析，在兼顧玉米精密播種的農(nóng)藝要求的同時(shí)還可以大幅度提高整機(jī)作業(yè)平穩(wěn)度，降低對(duì)地膜的損傷。該機(jī)采用手扶式，以蓄電池為動(dòng)力源，由直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)地輪，結(jié)合前進(jìn)速度補(bǔ)償機(jī)構(gòu)，穴播桿入土到出土?xí)r前進(jìn)速度接近零，行距400 mm，株距330 mm，播種深度40～50 mm，播種速度≤0.62 km/h。

戴飛等[27]結(jié)合凸輪—曲柄滑塊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)了玉米全膜雙壟溝直插式精量穴播機(jī)（圖9），應(yīng)用轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)與正弦機(jī)構(gòu)進(jìn)行串聯(lián)，研發(fā)了直插式近等速補(bǔ)償機(jī)構(gòu)，采用手扶式以蓄電池為動(dòng)力源，由直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)地輪，成穴器近似垂直破膜入土及出土完成膜上播種作業(yè)。該機(jī)行距400 mm，播種深度40～50 mm，株距360 mm，播種速度≤1.8 km/h。

圖9 基于近等速機(jī)構(gòu)的玉米全膜雙壟溝直插式穴播機(jī)

圖10 玉米直插穴播機(jī)

石林榕等[28]在玉米直插穴播機(jī)的基礎(chǔ)上針對(duì)被動(dòng)鴨嘴開(kāi)啟過(guò)程播種性能受地面高低起伏影響較大的問(wèn)題開(kāi)發(fā)了由轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)平行四桿機(jī)構(gòu)的直插式前進(jìn)速度補(bǔ)償機(jī)構(gòu)，研制了由共軛凸輪、強(qiáng)排—強(qiáng)啟排種器為核心工作部件的玉米直插穴播機(jī)（圖10）。相關(guān)田間試驗(yàn)表明該機(jī)能有效減少覆膜種床擾動(dòng)，緩解采光面機(jī)械破損，降低穴孔錯(cuò)位率。

馬軍民等[29]研制了組合槽輪驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了間隙運(yùn)動(dòng)，以曲柄滑塊機(jī)構(gòu)做直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行直插播種，解決了傳統(tǒng)滾輪穴播器膜上播種時(shí)存在的撕膜、挑膜、穴位錯(cuò)孔等問(wèn)題。

3 現(xiàn)存問(wèn)題分析

目前，國(guó)內(nèi)外針對(duì)主要糧食作物的膜上精量播種機(jī)的研究已經(jīng)取得了很多成果，技術(shù)基本成熟，田間作業(yè)的大型播種機(jī)具作業(yè)性能良好，而現(xiàn)有的膜上精量播種機(jī)能用在山地丘陵地區(qū)和小粒徑蔬菜播種的成果較少，以及與農(nóng)藝要求的融合還需進(jìn)一步加強(qiáng)。

與農(nóng)藝要求不匹配。我國(guó)農(nóng)作物物種繁多，大部分種子體積小、質(zhì)量輕、形狀不規(guī)則，不同作物對(duì)農(nóng)藝有不同的要求。目前國(guó)內(nèi)大部分膜上播種機(jī)械只針對(duì)小麥、玉米等顆粒較大作物，對(duì)蔬菜等小粒作物膜上穴播機(jī)研究較少，大小粒種子播種機(jī)械由谷物類(lèi)播種機(jī)改裝而來(lái)，與農(nóng)藝不匹配導(dǎo)致播種質(zhì)量差。

4 發(fā)展建議及展望

（1）加大自主研發(fā)力度。國(guó)外播種機(jī)械大多數(shù)為大型機(jī)器，成本高，不適合大量引進(jìn)。應(yīng)加大對(duì)核心技術(shù)的研發(fā)和引進(jìn)，進(jìn)行二次創(chuàng)新，生產(chǎn)出適合本國(guó)機(jī)械化生產(chǎn)的機(jī)械。由于膜上播種機(jī)的排種盤(pán)、觸土部件鴨嘴等關(guān)鍵部分加工精度和制造要求高，應(yīng)采用新型材料和先進(jìn)的工業(yè)加工工藝，提高播種質(zhì)量、延長(zhǎng)穴播機(jī)的使用壽命。

（2）提高膜上播種機(jī)通用性。一臺(tái)播種機(jī)可以滿足不同種粒尺寸大小，能夠根據(jù)農(nóng)藝要求靈活調(diào)節(jié)行距、株距、播種深度和播種量，提高其通用性，實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用。

（3）加大對(duì)播種機(jī)觸土部件等關(guān)鍵部分研究?jī)?yōu)化。應(yīng)重點(diǎn)加大對(duì)直插式穴播機(jī)的研究力度，提高其作業(yè)效率和耐久性。對(duì)于輪式穴播機(jī)應(yīng)重點(diǎn)研究如何減少成穴器撕膜、挑膜等問(wèn)題，同時(shí)要充分考率機(jī)具的結(jié)構(gòu)和農(nóng)藝要求，還要考慮土壤條件等因素。

（4）結(jié)合蔬菜種子農(nóng)藝要求。應(yīng)加強(qiáng)對(duì)蔬菜種子的基礎(chǔ)理論研究，要掌握蔬菜種子的物理特性，建立多種完善的種子數(shù)據(jù)庫(kù)，針對(duì)農(nóng)作物種子的特性研制出專門(mén)的膜上精量播種機(jī)。

5 總結(jié)

我國(guó)現(xiàn)階段覆膜播種機(jī)研制雖然已取得一定發(fā)展，但是依然處于探索階段，針對(duì)蔬菜等小粒種子的播種機(jī)械很少。國(guó)外主要采用免耕機(jī)械播種，對(duì)覆膜播種機(jī)幾乎沒(méi)有研究，可借鑒的經(jīng)驗(yàn)很少，因此需要加大自主研發(fā)力度。