国内外穴盘育苗精密播种机研究现状及原理分析,农业机械化论文

国内外穴盘育苗精密播种机研究现在状况及原理分析,农业机械化论文我们国家当下超过2/3的蔬菜栽培采用育苗移栽的方式，工厂化育苗的方式主要有穴盘育苗、容器育苗及水培育苗等，且以穴盘育苗为主［1－4］。穴盘播种是育苗的关键环节之一。传统的穴盘播种以人工点播为主，存在劳动强度大、播种效率低、播种周期长及播种成本高等问题［5］，并且难以保证播种性能，严重制约蔬菜的规模化生产和时令性要求。穴盘育苗播种机能够减轻人工点播的劳动强度、提高播种效率、降低人力资源成本、节省大量种子［6］，且可为蔬菜的移栽生产及提高产品质量打下良好的基础。笔者调研了近年来国内外穴盘育苗精致细密播种机的发展状况及特点，分析了现有穴盘育苗精致细密播种机存在的问题，旨在为精致细密播种机的设计开发与应用提供科学根据与方式方法。1国外穴盘育苗精致细密播种机研究现在状况国外穴盘育苗精致细密播种技术发展迅速，穴盘育苗精致细密播种机已经非常成熟，产品覆盖面广，并且朝着精准化、自动化和智能化的方向发展。当下，国外穴盘育苗精致细密播种机主要有英国的Hamilton、意大利的MOSA、美国的Blackmore和SEEDEＲMAN、澳大利亚的Williames［7］、荷兰的VISSEＲ、韩国的大东机电等［8－9］。它们的特点如下:1)产品成熟，系列全面。精致细密播种设备从小型到大型，再到播种生产线，不仅能知足小型农户播种的需求，而且能知足大规模蔬菜播种的需求。针对不同的用户，开发不同构造形式的穴盘育苗精致细密播种机，既有半自动穴盘育苗播种机，也有全自动穴盘育苗播种机。2)作业效率高。当下，国外穴盘育苗精致细密播种机的播种效率普遍大于300盘/h，一些穴盘育苗播种机的播种效率甚至超过1000盘/h。美国SEEDEＲMAN公司生产的GS系列穴盘育苗精致细密播种机和英国Hamilton公司生产的Natural系列精致细密播种机使用单排针式排种构造，播种效率为300盘/h;荷兰VISSEＲ开发出的GＲANETTE2000双排针式全自动穴盘育苗精致细密播种机作业效率能到达700盘/h;美国Blackmore公司的Cylinder滚筒式穴盘育苗精致细密播种机作业效率为1200盘/h;意大利MOSA的M－DSL1200滚筒式和M－SDS600/1200电子流滚筒式穴盘育苗精致细密播种机的效率为1200盘/h。3)智能化程度高。半自动和全自动穴盘育苗精致细密播种机融合气动技术和电控技术，通过精准的气压和电气控制，实现穴盘精致细密播种自动化和智能化。4)发展多功能适应性精致细密播种机。在实现穴盘育苗精致细密播种机播种效率和精度提高的同时，对于穴盘育苗精致细密播种机多功能适应性的探寻求索性工作也一直在进行中。如此图1所示，荷兰VISSEＲ公司生产的Eco－rou-line滚筒式穴盘育苗精致细密播种机的滚筒为两用滚筒。该滚筒设置有12行吸嘴，能够实现滚筒的两种用处:一是12个吸嘴是同样规格的吸嘴尺寸和吸嘴间距，这种方式下每一种穴盘对应一种播种滚筒;二是只使用滚筒的6行吸嘴播种穴盘，其他6行吸嘴能够使用不同的吸嘴尺寸来播种不同的种子或者用同样的滚筒不同的吸嘴间距播种其他的穴盘。如此图2所示，美国Blackmore公司生产的Cylinder滚筒式精致细密播种机采用独特的四选项滚筒头，通过快速切换吸种口，实现不同规格穴盘、不同种子的精致细密播种，而无需更换滚筒。该精致细密播种机作业效率不低于1200盘/h，可适应播种不同穴盘和不同规格的种子。当下，滚筒式精致细密播种机是蔬菜精致细密播种机的发展趋势，播种速度普遍能够到达1000盘/h以上;但是对于精致细密播种机的多功能适应性研究仍处在起步阶段，适应不同形态种子的播种机仍比拟缺乏。2国内穴盘育苗精致细密播种机研究现在状况我们国家对穴盘育苗精致细密播种机的研究始于20世纪70年代。为解决穴盘育苗存在的机械化水平低、播种精度和效率低的问题，农业部和科技部先后将穴盘育苗技术研究列为重点科研项目，各地的农机化科研单位及生产企业同时跟进，通过借鉴国外的先进技术，结合我们国家穴盘育苗播种的详细要求，研制开发出了不同形式的的穴盘育苗精致细密播种机［10］。北京海淀区农机研究所研制的2BSXP－500型穴盘育苗精致细密播种机采用机械构造的垂直圆盘窝眼孔式排种器［11］，播种机生产效率为350盘/h。农业部规划设计研究院研制的2XB－400型穴盘育苗精致细密播种机［5］采用机械窝眼式播种构造，播种效率为180盘/h。上述机械式穴盘育苗精致细密播种机仅适用于包衣丸粒化种子，存在伤种率高和播种速度低等问题。江苏大学设计了磁吸滚筒式精致细密播种机［12］(如此图3所示)，排种器采用电磁铁磁吸头沿周向阵列、沿滚筒轴周向按穴盘孔距均匀分布的构造形式。经优化后的磁吸滚筒式播种机播种效率为300盘/h，能够知足精致细密播种的精度和效率要求;但磁吸式排种器对种子要求较高，待播种子需预先在外外表均匀裹上一层磁粉［13］。台州一鸣机械设备有限公司研发生产的气吸针式穴盘育苗精致细密播种机［14］(如此图4所示)借鉴国外针式穴盘育苗精致细密播种机的构造原理，采用单排针式播种构造，通过针式吸嘴杆的往复运动实现蔬菜种子的负压吸种与正压吹种，该播种机播种效率可达360盘/h。浙江博仁工贸有限公司生产的气吸滚筒式穴盘育苗精致细密播种机［15］(如此图5所示)借鉴国外滚筒式穴盘育苗精致细密播种机原理，采用负压吸种和正压吹种的原理，通过正负压转换板和旋转滚筒的相位变化实现滚筒的吸种、卸种与清孔，播种效率为900～1200盘/h。上述气力式穴盘育苗精致细密播种机存在气压调节困难、播种精度低及对气路系统要求严格等问题。在通用的构造原理上，国内的穴盘育苗精致细密播种机与国外已相差无几，但是作业性能与国外还有很大差距，限制了穴盘育苗精致细密播种机的研究开发与推广。3穴盘育苗精致细密播种机的原理和分类3．1根据排种原理分类实现穴盘育苗精致细密播种的关键是排种器，根据排种器的囊种方式和囊种力特征［16］，排种器主要有机械式、磁吸式和气力式3种构造。1)机械式排种器当下应用于穴盘精致细密播种，其构造简单、播种速度快，但对种子外形尺寸要求较严，需要对种子进行严格挑选或丸粒化处理，且排种时易伤种。2)磁吸式排种器依靠电磁吸头精到准确汲取经磁粉包衣处理的种子，断电后磁力消失，种子在重力和离心力作用下落入穴盘穴孔，通过调节磁吸力的大小来控制播种量和播种精度。其具有较高的播种精度和对不同规格种子良好的适应能力。3)气力式排种器通过真空负压吸种和正压落种实现种子的精致细密播种作业。精致细密播种机利用真空装置产生真空，负压空气从种箱中吸附种子，当传感器检测到穴盘时，排种器对准各个穴孔，此时负压被切换成较低的正压，利用弱正压力将种子播种到穴盘中的预定位置，实现一穴一粒的精致细密播种。气力式排种器不损伤种子，对待播种子的构造尺寸要求不严格，无需进行优选分级，对种子的适应性较强，并可进行较高速度作业，已成为蔬菜花卉等小粒种子穴盘育苗播种的首选［17－20］。3．2排种器设计样式分类根据气力式排种器设计样式不同，穴盘育苗播种机可分为板式播种机、针式播种机和滚筒式播种机。如此图6所示，板式精致细密播种机针对规格化的穴盘，配备相应的播种模版，整盘负压吸种，对穴正压吹种，实现一次播种1盘、一穴播种1粒。其突出特点是价格低、操作简单、播种精到准确，但存在各个穴孔气压不均匀和播种精度低的问题。针式精致细密播种机通过针式吸嘴杆的往复运动实现负压吸种和正压吹种两个工作流程。精致细密播种机通过真空发生器产生真空，同时针式吸嘴杆在摆杆气缸的作用下到达振荡的种子盘上方，吸嘴通过真空吸嘴吸附种子;随后，吸嘴杆在回位气缸作用下带动吸嘴杆返回到排种管上方，此时真空发生器喷射出正压气流，将种子吹落至排种管，种子沿着排种管落入穴盘中。针式精致细密播种机播种精度好、效率高、全自动化操作、操作简便、应用面广、省工省时，但是更换针头和种子时需要重新进行气压调试及重新设置气体压力［21－22］。针式精致细密播种机的针式吸嘴杆经历了由单排针式到双排针式的发展，美国SEEDEＲMAN公司生产的GS系列精致细密播种机(如此图7所示)和英国Hamilton公司生产的Natural系列精致细密播种机(如此图8所示)均采用单排针式的播种构造，生产效率能到达300盘/h。单排针式精致细密播种机能够实现蔬菜种子的全自动播种，减轻了人工劳动的强度，但是单排针式吸嘴杆的往复运动消耗大量时间和能量。荷兰VISSEＲ开发了采用双排针式结构的GＲANETTE2000精致细密播种机(如此图9所示)，该播种机在1个行程内播种两排种子，实现播种自动化的同时，提高了播种效率，效率达700盘/h。滚筒式精致细密播种机打破了针式播种的间歇作业流程，通过滚筒圆周吸附种子，实现种子的连续播种。如此图10所示，滚筒式穴盘育苗精致细密播种机的种子由位于滚筒上方或侧方的漏斗喂入，种子被吸附在滚筒外表的吸孔中，多余的种子被气流或刮种器清理。当滚筒转到穴盘正上方时，吸孔与大气连通，真空消失，并产生弱正压气流，种子被吹落到穴孔中;滚筒继续滚动，强正压气流清洗滚筒吸孔，为下一次吸种做准备。滚筒式穴盘育苗精致细密播种机由光电传感器信号控制播种动作的开场与结束，滚筒的转速能够调节［23］。滚筒式播种机的特点是播种效率高，每小时可播种超过1000盘，合适于大型蔬菜或花卉基地使用。3．3根据自动化程度分类根据自动化程度不同，蔬菜穴盘育苗精致细密播种机可分为手持式播种机、半自动播种机和全自动播种机。早期的手持式播种机为板式构造，没有正压吹种1苗精致细密播种，作业效率低、人工劳动强度大。美国SeedE－ZSeeder公司生产的E－Z精致细密播种机(如此图11所示)可供单人操作，操作熟练的工人播种速度可达120～300盘/h［24］。随着技术的发展，为了知足提高劳动生产率的要求，半自动精致细密播种机应运而生。如此图12所示，赛得林半自动精致细密播种机仍由人工操作，增加了正压吹种装置、辅助振动刷子及种子回收装置。气动控制装置和电子控制装置的应用提高了播种效率和精度，可节省50%以上的劳动力。气动技术和电子控制技术推动着精致细密播种机朝着精准化和高效化的方向发展，而人力成本的上升要求自动化操作的推广与普及，播种效率、播种精度和自动化水平成为衡量精致细密播种机的重要指标。如此图13所示，意大利MOSA全自动育苗播种流水线可一次完成基质装填、压穴、精量播种、覆土、喷淋等作业，播种的深浅、压实程度、覆料的厚薄一致性和播种精度较好。4我们国家蔬菜精致细密播种机存在的问题4．1精致细密播种机整体可靠性低蔬菜精致细密播种机对播种的漏播率和重播率要求比拟高，但是当下国内研制的，很多机型的播种性能达不到要求，尤其在高速作业下易因气压不稳定导致重播和漏播增加。除此之外，针头堵塞和清种不及时等工艺性故障也会引起重播和漏播现象，尤其对于形状不规则和质量比拟轻的小颗粒种子，播种质量不稳定。4．2自主创新能力有待于提高我们国家蔬菜精致细密播种机还处于对国外技术的模拟阶段，没有构成具有独立特点的播种设备，自主创新能力还有待于进一步提高。4．3机械构造与电气控制系统的融合不完善由于运用了先进的电气控制技术，国内的蔬菜精致细密播种机基本实现了全自动化播种，但是在气压等主要播种参数的精准化调节控制方面还存在缺陷，无法适应蔬菜种子的精致细密播种作业需要求。4．4农机与农艺结合不严密当下在蔬菜精致细密播种机的研究中，产品更侧重于功能性的实现，忽略了蔬菜小粒种子的特性，在实际的播种作业中造成种子的浪费，而包衣丸化处理的种子会增加成本而且影响发芽率。一般一种形式的精致细密播种机只能播种少数几个品种的种子，对种子的适应性低，不利于农业生产成本的降低［25］。5蔬菜精致细密播种机发展建议5．1提高蔬菜精致细密播种机的精细化与标准化提高蔬菜精致细密播种机的精细化程度，加强国际沟通合作，引进国外先进的设计方式方法和制造工艺，结合国情，通过设计方式方法创新和制造工艺改良，研制开发精致细密播种的新机型;建立精致细密播种机的标准化设计方式方法，提高精致细密播种机的通用性与对种子的适应性，提高设备使用率，降低用户使用成本。5．2提高装备稳定性与自动化水平优化与改良电气控制系统，实现机械部件与电气控制系统的无缝衔接;采用精致细密的电气控制器件，实现主要功能参数的精细化调试与操作，提高系统的稳定性与自动化水平。5．3农机与农艺相结合将种子物理特性、空气动力学特性的研究与精致细密播种机的设计结合起来，研究合适于不同种类种子的精致细密播种机。以下为以下为参考文献:［1］陈殿奎．国内外蔬菜穴盘育苗发