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国内外穴盘育苗精密播种机研究现状及原理分析

时间:2015-04-13 来源:未知 作者:小韩 本文字数:5144字

  引言

  我国目前超过 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。

  穴盘育苗播种机可以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密播种机的发展状况及特点,分析了现有穴盘育苗精密播种机存在的问题,旨在为精密播种机的设计开发与应用提供科学依据与方法。

  1 国外穴盘育苗精密播种机研究现状

  国外穴盘育苗精密播种技术发展迅速,穴盘育苗精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。目前,国外穴盘育苗精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。精密播种设备从小型到大型,再到播种生产线,不仅能满足小型农户播种的需求,而且能满足大规模蔬菜播种的需求。针对不同的用户,开发不同结构形式的穴盘育苗精密播种机,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。目前,国外穴盘育苗精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 1 000 盘/h。美国 SEEDERMAN公司生产的 GS 系列穴盘育苗精密播种机和英国Hamilton 公司生产的 Natural 系列精密播种机使用单排针式排种结构,播种效率为 300 盘/h; 荷兰 VISSER开发出的 GRANETTE 2000 双排针式全自动穴盘育苗精密播种机作业效率能达到 700 盘/h; 美国 Blackmore公司的 Cylinder 滚筒式穴盘育苗精密播种机作业效率为 1 200 盘/h; 意大利 MOSA 的 M - DSL1200 滚筒式和 M - SDS600/1 200 电子流滚筒式穴盘育苗精密播种机的效率为 1 200 盘/h。

  3) 智能化程度高。半自动和全自动穴盘育苗精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,实现穴盘精密播种自动化和智能化。

  4) 发展多功能适应性精密播种机。在实现穴盘育苗精密播种机播种效率和精度提高的同时,对于穴盘育苗精密播种机多功能适应性的探索性工作也一直在进行中。

  如图 1 所示,荷兰 VISSER 公司生产的 Eco - rou-line 滚筒式穴盘育苗精密播种机的滚筒为两用滚筒。

  该滚筒设置有 12 行吸嘴,可以实现滚筒的两种用途: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 行吸嘴可以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。如图 2 所示,美国 Blackmore 公司生产的 Cylinder滚筒式精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、不同种子的精密播种,而无需更换滚筒。该精密播种机作业效率不低于1 200 盘 / h,可适应播种不同穴盘和不同规格的种子。目前,滚筒式精密播种机是蔬菜精密播种机的发展趋势,播种速度普遍能够达到 1 000 盘/h 以上; 但是对于精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较缺乏。

  2 国内穴盘育苗精密播种机研究现状

  我国对穴盘育苗精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,结合我国穴盘育苗播种的具体要求,研制开发出了不同形式的的穴盘育苗精密播种机[10]。北京海淀区农机研究所研制的 2BSXP -500 型穴盘育苗精密播种机采用机械结构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 型穴盘育苗精密播种机[5]采用机械窝眼式播种结构,播种效率为 180盘/h。上述机械式穴盘育苗精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密播种机[12]( 如图 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结构形式。经优化后的磁吸滚筒式播种机播种效率为 300 盘/h,能够满足精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表面均匀裹上一层磁粉[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密播种机[14]( 如图 4 所示) 借鉴国外针式穴盘育苗精密播种机的结构原理,采用单排针式播种结构,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密播种机[15]( 如图 5 所示) 借鉴国外滚筒式穴盘育苗精密播种机原理,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 ~ 1 200 盘/h。

  上述气力式穴盘育苗精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。在通用的结构原理上,国内的穴盘育苗精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,限制了穴盘育苗精密播种机的研究开发与推广。

  3 穴盘育苗精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 种结构。

  1) 机械式排种器目前应用于穴盘精密播种,其结构简单、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筛选或丸粒化处理,且排种时易伤种。

  2) 磁吸式排种器依靠电磁吸头精确吸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密播种作业。精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,实现一穴一粒的精密播种。气力式排种器不损伤种子,对待播种子的结构尺寸要求不严格,无需进行精选分级,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。

  如图 6 所示,板式精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 系列精密播种机( 如图 7 所示) 和英国 Hamilton 公司生产的 Natural 系列精密播种机( 如图 8 所示) 均采用单排针式的播种结构,生产效率能达到 300 盘/h。

  单排针式精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GRANETTE 2000 精密播种机 ( 如图 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。

  如图 10 所示,滚筒式穴盘育苗精密播种机的种子由位于滚筒上方或侧方的漏斗喂入,种子被吸附在滚筒表面的吸孔中,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。滚筒式穴盘育苗精密播种机由光电传感器信号控制播种动作的开始与结束,滚筒的转速可以调节[23]。滚筒式播种机的特点是播种效率高,每小时可播种超过1 000 盘,适合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结构,没有正压吹种1苗精密播种,作业效率低、人工劳动强度大。美国Seed E - Z Seeder 公司生产的 E - Z 精密播种机( 如图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,为了满足提高劳动生产率的要求,半自动精密播种机应运而生。如图 12 所示,赛得林半自动精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密播种机的重要指标。

  如图 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 我国蔬菜精密播种机存在的问题

  4. 1 精密播种机整体可靠性低蔬菜精密播种机对播种的漏播率和重播率要求比较高,但是目前国内研制的,许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多。此外,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较轻的小颗粒种子,播种质量不稳定。

  4. 2 自主创新能力有待于提高我国蔬菜精密播种机还处于对国外技术的模仿阶段,没有形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 机械结构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密播种作业需要求。

  4. 4 农机与农艺结合不紧密目前在蔬菜精密播种机的研究中,产品更偏重于功能性的实现,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 蔬菜精密播种机发展建议

  5. 1 提高蔬菜精密播种机的精细化与标准化提高蔬菜精密播种机的精细化程度,加强国际交流合作,引进国外先进的设计方法和制造工艺,结合国情,通过设计方法创新和制造工艺改进,研制开发精密播种的新机型; 建立精密播种机的标准化设计方法,提高精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进电气控制系统,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密播种机的设计结合起来,研究适合于不同种类种子的精密播种机。

  参考文献:

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  [2] 别之龙,黄丹枫. 工厂化育苗原理与技术[M]. 北京: 中国农业出版社,2008: 80 -82.
  [3] 袁华玲,张金云,张学义,等. 蔬菜穴盘工厂化育苗技术及发展策略[J]. 安徽农业科学,2003,31( 6) : 977 -979.
  [4] 张俊杰,张西群,彭发智,等. 蔬菜工厂化播种育苗技术及应用前景[J]. 河北农业科学,2013,17( 4) : 20 -23.
  [5] 张宁,廖庆喜. 我国小粒径种子播种技术与装备的应用与研究进展[J]. 中国农机化,2012( 1) : 93 -96.

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