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播种在花生生产中是一个耗工、耗时的重要环节,当前市场上常见的花生种植机械存在效率低、作业单一、通用性差、无法配套等问题,已经远不能够满足我国花生的种植需求。排种器是花生播种机的核心部件,其作业性能的好坏将会直接影响花生的播种质量,从而影响花
播种在花生生产中是一个耗工、耗时的重要环 节,当前市场上常见的花生种植机械存在效率低、 作业单一、通用性差、无法配套等问题,已经远不能 够满足我国花生的种植需求。排种器是花生播种 机的核心部件,其作业性能的好坏将会直接影响花 生的播种质量,从而影响花生产量。因此,设计出 排种性能优良的高效排种器,是提高花生产量的关 键因素。除排种器外,整机的联合作业也是影响花生种植的重要因素。目前,常见的大多数花生种植机械存在效率低、通用性差、适应性差和整机配套 不够标准化的问题。因此,设计一种通用性强、标 准化的花生联合作业种植机械可以大幅度提高我 国花生种植的机械化水平。
1 花生种植概况及种植方式
1. 1 花生种植概况
花生在我国各地均有种植,主要在辽宁省、山 东省、河北省、河南省、江苏省、福建省、广东省、广 西壮族自治区、贵州省、四川省等地区分布[1]。据 2018 年国家统计局统计年鉴数据显示,我国花生种 植面积约 460. 8 万 hm2 ,总产量约为 1 709. 2 万 t [2]。 其中,河南省花生种植面积和产量均居国内首位, 种植面积约为 115. 19 万 hm2 ,占全国种植总面积的 25% ; 产量约为 529. 8 万 t,占全国花生总产量的 31% 。其 次 是 山 东 省,花 生 种 植 面 积 约 为 70. 92 万 hm2 ,占全国种植总面积的 15% ; 产量约为 313. 5 万 t,占全国花生总产量的 18% 。
我国花生种植区域范围较广,受土地、气候还 有种植习惯等因素的影响,使得我国花生种植模式 多样化。同时农民对花生种植机械需求迫切,市场 上相继产出各种不同类型的花生播种机。
1. 2 花生种植方式
合理的种植方式可以更好地利用光照、土壤肥 力和方便田间机械作业与管理。
我国花生的主要种植方式有以下 3 种[3 - 4]: ( 1) 平作。即地面开穴或开沟播种,主要用于旱薄 地和夏直播田地,均可适于平作。( 2) 垄作。在播 种前整地后起垄或边起垄边播种,垄作有利于提高 地温、减少昼夜温差,通风透光,易于排灌。( 3) 畦 作。适用于降水量较多的地区,花生种植多采用高畦种植,在我国长江以南地区普遍采用高畦种植。
按播种时间分,我国花生栽培方式可分为以下 4 种[5]: ( 1) 春播。分为裸地春播和地膜春播,裸地 春播一般在 4 月下旬或 5 月上旬,地膜春播一般在 5 月中旬[6]。( 2) 夏播。北方在小麦等前茬作物收 获后进行播种,南方在油菜等作物收获后进行播 种,减少了前茬作物的限制。( 3) 秋播。在南方最 为常见,播种是在水稻等前茬作物收获后进行,8 月 播种,12 月收获。( 4) 冬播。在海南岛和云南等地 最为常见,播种一般是在 11 月[3]。
2 花生种植机械的发展现状及机器特点
2. 1 发展现状
花生种植机械的发展经历了由简单机具到联 合作业机具的多个阶段[7]。随着我国花生种植面 积的不断增长,对生产装备技术水平的需求日益增 加。播种是花生生产较为重要的环节,人工播种强 度大,且效率低; 而机械播种可以实现合理密植,保 证全苗,与人工播种相比,工作效率高[8]。目前,花 生播种机可同时完成起垄、施肥、播种、喷药、覆膜、 覆土等联合作业,实现这些功能的花生播种机在农 业领域得到了广泛应用。目前市场上的花生播种机种类较多,联合作业播种机操作繁琐、可靠性差、 通用性低,需要随时查看播种情况。因此,花生种植机械还需要进一步的优化和改进,全面提高整机 业效果。
2. 2 典型机型特点
2. 2. 1 花生精量播种机
机器操作简单、性能稳 定,下肥量、下种量和播种深度均可调节。 花生精播施肥一体机见图 1,该机配套 3 kW 汽 油机带动作业,其功能主要是完成施肥和播种。作 业时,人工手扶机器,控制机器作业速度,通过开沟 器进行施肥和播种。该机适用于山地、丘陵、梯田 等小地域作业。该机作业效率 0. 10 ~ 0. 20 hm2 /h; 外形尺寸 1 200 mm × 450 mm × 800 mm; 整机质量 50 kg。
2. 2. 2 花生覆膜播种机
、机器进行先播种后覆膜 作业,可以一次性完成筑垄、播种、覆土、喷药、展 膜、压膜、膜上筑土等作业,其功能齐全,结构紧凑。
2. 2. 2. 1 小型覆膜播种机
目前市场上开发的花 生种植机械绝大部分属于小型、单垄或者双垄作 业,能够完成播种和覆膜工作。2BFD - 2C 型多功能花生覆膜播种机见图 2 [9]。该机配套小型拖拉机牵引作业,其功能主要是完成 播种和覆膜。在作业过程中,由地轮驱动,链轮传 动,将动力传递给排种、排肥装置,实现播种和施 肥,覆土板将化肥、种子覆土盖妥,并将垄面刮平; 然后喷药覆膜,由覆土盘完成膜上苗带覆土,完成 播种。该机适应膜宽 800 ~ 900 mm; 播种深度为 30 ~ 50 mm; 播种行数 2 行; 行距 270 mm; 穴距可调 150 ~ 250 mm; 播种量可调 13 ~ 18 kg; 作业效率 0. 20 ~ 0. 35 hm2 /h; 外 形 尺 寸 2 200 mm × 1 150 mm × 910 mm; 整机质量 150 kg。除此之外, 还有 2 垄 4 行花生联合作业播种机。
2. 2. 2. 2 大型覆膜联合作业播种机
如多垄多行 宽幅花生覆膜播种联合作业机,2BMF - 4 /8 型可折 叠式花生智能化多功能复式播种联合作业机( 图 3) 。该机可以完成起垄、施肥、播种、喷药、滴灌带 铺设、覆膜、膜上覆土、漏播监测等多道工序的联合 作业[10],其作业效率比现有机具提高 3 倍以上。 2BMF - 4 /8 型可折叠式花生智能化多功能复式播 种联合作业机还具有液压水平推动式平行四边形 整体折叠功能,方便道路运输。2BMF - 4 /8 型可折 叠式花生智能化多功能复式播种联合作业机的研 发,标志着我国的花生播种机正式迈入联合化、大 型化时代。
2. 2. 3 花生覆膜打孔播种机
机器进行先覆膜后 播种作业,通过鸭嘴式穴播器实现膜上打孔播种, 省去了后续的人工放苗作业。该类机型可以一次 性完成开沟、施肥、覆膜、播种、镇压等工序的联合 作业。
2. 2. 3. 1 小型覆膜打孔播种机
如 2BMHF - 2 型 多功能花生覆膜播种机[11]( 图 4) 。该机配套 8. 8 ~ 20. 8 kW 的拖拉机牵引作业,其功能主要是完成膜 上打孔播种。作业时,由地轮驱动排肥装置施肥, 在覆土、覆膜后由鸭嘴式穴播器进行膜上打孔播 种; 再由覆土圆盘覆土压膜,镇压轮镇压,完成播 种。该机适应膜宽 800 ~ 950 mm; 播种深度为 30 ~ 50 mm; 播种行数 2 行; 行距可调 250 ~ 500 mm; 穴 距可调 170 ~ 350 mm; 作业效率 0. 26 ~ 0. 40 hm2 /h; 外形尺寸 1 800 mm × 1 100 mm × 800 mm; 整机质量 120 kg。
2. 2. 3. 2 多垄多行花生覆膜打孔播种机
如 2BMD - 3 /6 型花生膜上穴播机[12]( 图 5) 。该机配套 60 kW 以上的拖拉机牵引作业,其功能主要是完 成膜上打孔播种。作业时,拖拉机为电动下肥器和 增压泵提供电力,开沟铲汇土成垄,培土铲将土压 在地膜 2 侧; 穴播轮带动内充种排种器转动,种子顺 利导入排种管进入鸭嘴,鸭嘴压膜实现膜上打孔; 同时在垄面的作用下打开鸭嘴,实现落种; 后经覆 土铲覆土,镇压轮镇压,完成播种。该机能完成起 垄、施肥、喷药、滴灌带铺设、铺膜、覆土、膜上打孔 播种等联合作业。该机播种深度为 30 ~ 50 mm; 播 种行数 6 行; 行距 270 mm; 穴距可调 180 ~ 220 mm; 作业效率 0. 4 ~ 0. 6 hm2 /h; 外形尺寸 3 030 mm × 2 740 mm × 1 530 mm; 整机质量 500 kg。
2. 2. 4 花生免耕播种机
该类机型主要完成秸秆 覆盖地的机械化免耕播种,可实现秸秆还田。能一 次性完成灭茬、施肥、播种、喷药、镇压、均匀覆秸等 联合作业,相对于传统的旋耕机、播种机的分段作 业,省时省工。
如麦茬全秸秆覆盖地花生免耕播种机( 图 6) 。该机配套 75 kW 以上的拖拉机牵引作业,其功能主 要是完成灭茬和播种。作业时,拖拉机动力输出轴 带动秸秆粉碎装置转动,调节秸秆分流可调装置, 实现碎秸秆部分留田、部分收集,满足农艺要求; 随 后由播种机进行开沟、施肥、播种、覆土等作业,再 由抛撒装置将播种后的土地表面均匀覆盖碎秸秆, 完成免耕播种[13]。该机作业幅宽2 400 mm; 播种深 度可调30 ~ 70 mm; 播种行数6 行; 作业效率0. 53 ~ 0. 67 hm2 /h; 长度可达 3 200 mm; 整机质量 500 kg。 该机在技术方面还待改进,同时增强对我国不同地 域的适应性,可推广至不同类型产品的免耕技术和机械。
2. 2. 5 花生玉米间作播种机
该类机型主要完成 花生和玉米的分机播种,可以一次性完成花生的起 垄、开沟、施肥、喷药、覆膜、播种及膜上覆土等联合 作业,还可以完成玉米的施肥和播种等作业。
花生玉米间作播种机( 图 7) 配套 60 kW 以上 的拖拉机牵引作业,整机由中间的 2 垄 4 行花生播 种机和分别位于 2 侧的 2 行玉米播种单体组成,其 功能主要是完成花生和玉米的播种。作业时,中间 花生播种机和 2 侧玉米播种单体分别作业,互不影 响。该机播种花生适应膜宽 900 mm; 播种深度可调 30 ~ 50 mm; 播种行数 4 行; 行距 220 ~ 250 mm; 每 穴 2 粒,播种玉米 4 行; 行距 600 mm; 株距 300 mm; 整机 作 业 效 率 0. 45 ~ 0. 65 hm2 /h; 外 形 尺 寸 5 000 mm × 4 100 mm × 1 050 mm; 整机质量 800 kg。 2. 2. 6 气吸式花生播种机 该类机型采用的是气 吸式花生排种器,可以有效地减少种子的损伤和 破碎。
如 2MB - 3 /6 气吸精量花生铺膜播种机( 图 8) 。该机配套 60 kW 以上的拖拉机牵引作业,其功 能主要是完成膜上打孔和气吸式花生精密播种。 作业时,集土铲与筑土铲完成筑垄; 肥料由开沟器 将肥料埋入土中; 在喷药、覆膜后由气吸式排种器 的鸭嘴进行膜上打孔播种; 再由覆土圆盘膜上覆 土,镇压装置进行镇压。该机可以一次性完成花生 的起垄、施肥、喷药、滴灌带铺设、覆膜、膜上打孔播 种、膜上覆土及镇压等作业环节[14],该机适应膜宽 900 mm; 播种深度 50 mm; 播种行数 6 行; 行 距 220 ~ 250 mm; 穴距可调 100 ~ 200 mm; 作业效率 0. 40 ~ 0. 60 hm2 /h; 外 形 尺 寸 3 000 mm × 2 780 mm × 1 480 mm; 整机质量 900 kg。
该气吸式花生排种器,外有滚筒、鸭嘴等结构, 可实现花生膜上打孔播种,但其造价成本较高,相 对技术还不是很成熟。
3 排种器
排种器是花生播种机的核心部件,其作业性能的好坏将会直接影响花生的播种质量。根据其工 作原理的不同,可以分为机械式和气力式 2 类。机 械式花生排种器分为内充式、倾斜圆盘碟式、窝眼 轮式、水平圆盘式等[15]; 气力式花生排种器分为气 吸式、气吹式和气压式[16]。
3. 1 内充式垂直圆盘排种器
内充式垂直圆盘排种器是在花生播种机上应 用最多的排种器( 图 9) ,该排种器制造成本低、结构 简单、操作方便。排种器的工作过程可以分为充 种、清种、护种和投种 4 个阶段,作业时,由地轮带动 排种轮转动,转动 1 周为 1 个排种周期。种子通过 进种口进入到排种器内腔,受重力和离心力的作用 先进入排种轮上复式型孔的外孔,再逐渐进入复式 型孔的内孔; 在排种轮的转动下,种子逐渐升高到 最高位置,多余的种子落入充种区; 种窝内的种子 在护种板的作用下顺利转到投种区; 受重力和离心 力的作用,完成投种。
内充式垂直圆盘排种器作业速度低、伤种、漏 播和重播等问题严重制约了花生播种机的作业效 率和花生生产产量。孙玉涛等对内充式垂直圆盘 排种器作业性能进行了试验,确定了排种器性能最 优时的参数值[17]; 杨玉国等设计了 1 种斜槽底复式 型孔结构的花生排种器,有效地减少了种子在充 种、清种、护种和投种阶段的摩擦损伤[18]; 陈欣等针对花生排种器的型孔结构进行了优化设计与试验, 通过一种调整片来调节种窝尺寸的大小,从而控制 排种器 的 排 种 量,提 高 排 种 器 对 种 子 尺 寸 的 适 应性[19]。
3. 2 气吸式花生排种器
气吸式花生排种器是应用较多的一种,但由于 成本较高,相对技术还不是很成熟,气吸式花生播 种机难以在市场上推广应用。吕小莲等设计了气 吸式花生精量穴播器( 图 10) ,并进行了试验,获取 了最佳排种性能参数[20]; 何亚豪等对气力式花生精 量排种器关键技术深入研究,设计了一种气力式花 生精量排种器,增设了辅助夹持装置,提高携种稳 定性[16]; 张甜甜等在排种盘上增加了倾斜拨片和尾 风管,可以有效减少花生种子的空穴率[14]。以上试 验研究为下一步气力式花生排种器的深入研究提 供了理论依据和研究基础。
4 花生种植机械存在的问题及发展建议
随着我国花生种植机械的开发与推广应用,市 场上花生播种机种类繁多,要针对现有的花生播种 机存在的问题,在以后的发展中不断改进创新,不 断完善,全面提高花生播种机的作业性能。
4. 1 存在问题
( 1) 我国对花生种植机械的研究较晚,但发展 迅速,市场上涌现了多种类型的花生播种机,却缺 少相应的标准和规范。( 2) 我国花生种植面积较 大,单一作业的机械很难满足播种需要,大型联合 作业播种机成本相对较高,回本周期长,较难推广。 ( 3) 我国花生联合作业播种机可以完成花生种植的 基本要求,但也存在诸多问题,整机适应性差,各个 装置作业配合协调性低。( 4) 花生播种机排种器作业性能的好坏将会直接影响花生的生长质量,我国 应用较多是机械式排种器,会对种子造成一定程度的损伤。( 5) 在膜上打孔播种的关键技术还不够成 熟,存在撕膜、窜膜等问题[15]。( 6) 我国对花生播 种机智能控制方面的研究较少,机器在作业过程中 性能参数及机器状态不能及时反馈,影响对花生种 植效果的判断和机器故障的诊断。
4. 2 发展建议
( 1) 农业机具的设计制造中要融合农机农艺, 从使用者的角度设计出价格合理、容易操作、性能 优良的产品,切实满足农业生产的需要[21]。( 2) 在 花生主产区和大地块地区大力推广大型的联合作 业种植机械,针对一些地块小、坡度大的产区,加强 对小型花生播种机的研发,加大小型花生播种机在 这些产区的应用推广[7]。( 3) 整机各个装置的配合 还不够完善,在装置结构功能、外形和材料方面做 研究,简化整机,省去一些不必要的结构。有效的 缩小整机尺寸,减轻整机质量。( 4) 花生播种机应 用较多的是内充式垂直圆盘排种器,可以从型孔、 结构和材质等方面加大分析计算。气力式花生排 种器加工成本高,相对技术还不是很成熟,较难推 广,还需进一步深入研究。( 5) 在膜上打孔播种的 关键技术还需深入研究,对其鸭嘴的出入土角度和 弹性装置进行参数计算和优化改进,多次试验,确 定最佳参数和结构。( 6) 研发一套智能监测与故障 诊断的设备系统,实时监测机器作业状态,并根据 机器的故障及作业参数不达标的数据反馈,发出警 报,及时进行调整和维修。
农村农业的持续发展,离不开农业机械。通过 对以上不同类型花生播种机的分析可以看出,我国 花生种植机械已趋于正规化[22]。农业装备的不断 增加,作业水平的不断提高,社会化服务规模的不 断扩大,加快了我国农业机械化的发展。随着我国 花生种植机械化的不断发展,国家也相继出台了购 买花生播种机补贴的优惠政策,这充分调动了农民 购买花生播种机的积极性,同时加大了市场需求。
随着花生种植机械的迅速发展,我们必须了解国内外花生种植机械的新动态,掌握花生种植机械 发展的趋势,充分把握花生种植机械化发展的方 向。借鉴国外先进的技术经验,向联合化、大型化、 高效化、智能化方向发展。结合我国现有的政策情况,以市场为导向,研制符合我国特色的花生播 种机,不断完善花生种植机械,加快我国花生种植机械化的发展。全面提高花生种植效率和播种质 量,对增加花生产量、增加农民收入以及提高农产品的国际竞争力具有重要意义。
作者:陈付东,江景涛,王东伟,鲍余峰,杨文卿
来源:江苏农业科学
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王龙华