河北農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 霍倩 趙樹朋 宋佳旭 馬志凱 王磊

前言

在我國(guó)，平原和丘陵地形是農(nóng)業(yè)種植的主要地形[1]。我國(guó)的丘陵面積占國(guó)土面積的三分之二，耕地面積占全國(guó)耕地總面積的31.52%，丘陵的糧食產(chǎn)出占全國(guó)的35.5%，可以看出丘陵地區(qū)農(nóng)業(yè)的重要地位。但是丘陵山區(qū)省份農(nóng)業(yè)綜合機(jī)械化占有率不足50%[2]。

丘陵山區(qū)地形崎嶇復(fù)雜，耕地多以散田小地塊為主，大型農(nóng)業(yè)機(jī)械運(yùn)輸不方便，轉(zhuǎn)向不靈活，無(wú)法實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)工作；小型山地農(nóng)業(yè)機(jī)械研究較為落后，品種稀少，導(dǎo)致大多數(shù)省份的丘陵山區(qū)農(nóng)作業(yè)的機(jī)械化程度低，人工成本大，工作效率低[3]。

根據(jù)對(duì)北方山區(qū)地形的考察，山區(qū)丘陵耕地以種植糧棉經(jīng)濟(jì)作物為主，其播種土地經(jīng)過(guò)旋耕后，地表平坦，播種環(huán)境較為良好。但山區(qū)運(yùn)輸?shù)匦味嘁云侣贰⑹窞橹?，其局限性?dǎo)致大型機(jī)械設(shè)備無(wú)法進(jìn)場(chǎng)，小型機(jī)械設(shè)備需要依靠人力輔助來(lái)運(yùn)輸與工作，人工輔助工作不僅播種效率低，播種精度也無(wú)法保證。

因此，研制適合我國(guó)的小型山地播種機(jī)，保證播種機(jī)在丘陵山區(qū)復(fù)雜環(huán)境靈活運(yùn)輸[4]，在播種工作中提高播種效率，降低播種成本，迫在眉睫。本研究對(duì)于丘陵山區(qū)小地塊的農(nóng)業(yè)工作具有指導(dǎo)效果，為提高農(nóng)業(yè)機(jī)械在丘陵山區(qū)運(yùn)輸與作業(yè)提供參考，促進(jìn)了丘陵山區(qū)農(nóng)業(yè)機(jī)械的發(fā)展。

1 小型播種機(jī)的國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀

國(guó)外對(duì)于小型播種機(jī)械的研究設(shè)計(jì)起步較早，并取得了較大成果。1954年，奧地利Wintersteiger公司生產(chǎn)的小型播種機(jī)[5]，標(biāo)志著小型播種機(jī)的發(fā)展逐步成熟。1955年，EgilΦyjord團(tuán)隊(duì)，發(fā)明了錐體格盤式排種裝置，并先后設(shè)計(jì)了與園藝拖拉機(jī)配合使用的四行、六行、十行小型條播機(jī)。EgilΦyjord小型條播機(jī)的問(wèn)世，成為世界小型播種機(jī)發(fā)展史的里程碑[6]。

20世紀(jì)70年代，為了適應(yīng)種子的不同結(jié)構(gòu)差異性和各種播種方式，提高播種精度與效率，科研人員改進(jìn)了EgilΦyjord的排種裝置，設(shè)計(jì)出錐體皮帶式、錐體離心式排種裝置[7]，增加了小型播種機(jī)械的多樣性。

20世紀(jì)80年代，Wintersteiger公司研制出氣吸組合式小型精密播種機(jī)[8]，該機(jī)型可以實(shí)現(xiàn)單粒播種。

20世紀(jì)90年代，計(jì)算機(jī)技術(shù)迅速發(fā)展，小型播種機(jī)也進(jìn)入了信息時(shí)代。仍以Wintersteiger公司為引領(lǐng)的研制中心，將播種定位控制器（GSC），GPS定位技術(shù)與排種監(jiān)控技術(shù)相結(jié)合，研發(fā)出排種檢測(cè)、數(shù)據(jù)記錄功能[9]，減少人工操作，增加播種精度，提高作業(yè)效率。

21世紀(jì)以來(lái)，許多發(fā)達(dá)國(guó)家高度重視農(nóng)業(yè)智能化發(fā)展，對(duì)其播種精確度、智能化程度有了更高的要求。國(guó)外許多播種機(jī)生產(chǎn)公司與科研機(jī)構(gòu)都相繼研發(fā)。Plotseed系列播種機(jī)，可以利用不同的分種模塊，在小區(qū)域耕田內(nèi)進(jìn)行多排播種，也可以裝配不同的構(gòu)件，實(shí)現(xiàn)不同地形環(huán)境的多功能操作。Monoseed系列小區(qū)單粒播種機(jī)，配備自動(dòng)供種系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)均勻無(wú)混雜單粒精播。

2 小型播種機(jī)的國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

根據(jù)作業(yè)環(huán)境與作業(yè)要求的分析，小型播種機(jī)更適合于丘陵山區(qū)的播種作業(yè)，國(guó)內(nèi)外針對(duì)小型播種機(jī)進(jìn)行不斷研究，并取得了突破性進(jìn)展。

改革開(kāi)放初期，我國(guó)引進(jìn)Seedmatic株行條播機(jī)、Plotspider自走式小型精播機(jī)、EgilΦyjord小型條播機(jī)等小型播種機(jī)27臺(tái)，中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院從奧地利Win-tersteiger公司引進(jìn)小型播種機(jī)和收割機(jī)48臺(tái)。由于外國(guó)機(jī)械操作復(fù)雜，我國(guó)技術(shù)受限等原因，產(chǎn)品只作為科研單位的研究，并沒(méi)有普及和使用，這延緩了我國(guó)小地區(qū)播種機(jī)的發(fā)展。

20世紀(jì)80年代，我國(guó)的小型播種機(jī)理論與設(shè)計(jì)研發(fā)有了新的進(jìn)展，由我國(guó)研發(fā)的機(jī)型有：ZXJB-4型小型精密播種機(jī)、NKXB-1.4小型條播機(jī)、2XB-10型小型播種機(jī)等。這些小型播種機(jī)的生產(chǎn)與研發(fā)，標(biāo)志著我國(guó)小區(qū)播種機(jī)的發(fā)展迅速。

2003年，黑龍江省農(nóng)墾總局紅興隆農(nóng)管局科研所研制開(kāi)發(fā)了XBJ-150系列小型播種機(jī)（如圖1所示）。該有免耕播種和排肥的功能，播種均勻性和播量一致性較好。2009年，東北農(nóng)業(yè)大學(xué)研制了小型播種機(jī)2BZXJ-1手扶式小型育種精密播種機(jī)[10（]如圖2所示），該播種機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，行動(dòng)性高，更適合在山地作業(yè)，但是由于是單行播種機(jī)，沒(méi)有驅(qū)動(dòng)平臺(tái)，所以需要靠人工引導(dǎo)播種。

圖1 XBJ-150小型播種機(jī)

圖2 2BZXJ-1手扶式小型播種機(jī)

我國(guó)的科研機(jī)構(gòu)和農(nóng)機(jī)公司自主研發(fā)了2BFM系列山地免耕施肥播種機(jī)（如圖3所示），集開(kāi)溝、播種、施肥、覆土、鎮(zhèn)壓于一體，可一次性完成聯(lián)合作業(yè)。該機(jī)器先由圓盤刀切割植物秸稈、開(kāi)槽，隨后雙圓盤開(kāi)溝器開(kāi)溝、松土，排種器、施肥器將種子、肥料撒播入溝內(nèi)，之后由覆土裝置將土壤收攏覆蓋種子，最后鎮(zhèn)壓輪進(jìn)一步覆土和壓平。該播種機(jī)可以減少動(dòng)土量，保證土壤結(jié)構(gòu)，為我國(guó)農(nóng)業(yè)保護(hù)性耕作的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

圖3 2BFM型山地免耕施肥播種機(jī)機(jī)構(gòu)圖

進(jìn)入21世紀(jì)以后，自動(dòng)化、智能化產(chǎn)品風(fēng)靡全球，我國(guó)的科研人員從中汲取國(guó)外先進(jìn)理念和科學(xué)手法，不斷總結(jié)與探索適應(yīng)我國(guó)地形的科學(xué)經(jīng)驗(yàn)，提出許多“智能農(nóng)機(jī)”的新思想、新理念。2011年，沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)劉曙光設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)供種、排種機(jī)械系統(tǒng)[11]。該系統(tǒng)利用電磁裝置驅(qū)動(dòng)方式，與電控電機(jī)相結(jié)合，設(shè)計(jì)一套電磁感應(yīng)控制電機(jī)工作的排種系統(tǒng)，可以自動(dòng)完成不斷續(xù)播種的工作。

我國(guó)的農(nóng)業(yè)機(jī)械廠，結(jié)合早期播種機(jī)的工作結(jié)構(gòu)和原理，因地制宜地研制生產(chǎn)了適合山地運(yùn)輸工作的播種機(jī)械，如圖4所示的手扶式單履帶播種多功能機(jī)，小巧輕便，功能強(qiáng)大，方便運(yùn)輸，但是需要人工輔助操作，有較大的播種誤差。如圖5所示的山地履帶多功能機(jī)，有良好的越野能力，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，底盤笨重堅(jiān)硬，在山地作業(yè)對(duì)播種精度影響較大。

圖4 手扶式單履帶播種多功能機(jī)

圖5 山地履帶多功能機(jī)

現(xiàn)如今，我國(guó)科研人員對(duì)小型播種機(jī)和山地播種機(jī)的研發(fā)取得了很大進(jìn)展，但是世界自動(dòng)化智能化技術(shù)發(fā)展迅猛，我國(guó)較先進(jìn)國(guó)家還有差距。播種機(jī)數(shù)量稀少、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)單一化、人工輔助程度大，導(dǎo)致目前的小型播種機(jī)械還遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展需求。

3 結(jié)語(yǔ)

國(guó)外小型播種機(jī)發(fā)展迅速，自動(dòng)化程度高，功能強(qiáng)大，但是操作復(fù)雜、價(jià)格昂貴、引進(jìn)成本高。而國(guó)內(nèi)研究發(fā)展較為緩慢，人工輔助操作環(huán)節(jié)較多；在行駛底盤結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，國(guó)內(nèi)外偏重于設(shè)計(jì)輪式底盤，雖然結(jié)構(gòu)輕小，但丘陵山地的運(yùn)輸行駛較為困難；在排種機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，國(guó)內(nèi)外對(duì)精準(zhǔn)播種都進(jìn)行了智能化研究，使播種精度顯著提高，但經(jīng)濟(jì)性較差，無(wú)法在國(guó)內(nèi)普及。因此，我們需要研制一種通過(guò)性好、播種精度高且操作簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)成本低、控制性能優(yōu)越的小型山地播種機(jī)。