1.3　国内外马铃薯精量排种器的研究现状

目前，按工作原理的不同，马铃薯精量排种器可分为机械式精量排种器和气力式精量排种器两类。气力式精量排种器相对机械式精量排种器，有播种质量高、作业速度快、伤种率低和通用性好等诸多优点，但其结构复杂、价格昂贵。机械式精量排种器广泛应用于播种装置上，主要因其具有结构简单、造价低廉、维修方便等特点[19~25]。

机械式精量排种器主要有勺带式、勺链式、勺盘式、针刺式等类型[26~30]。勺链式精量排种器可以通过更换不同尺寸的取种凹勺来满足不同尺寸种薯播种的要求，具有更换方便、通用性好的优点，应用较广泛。但此种排种器也存在一些缺点，如勺链式结构易对马铃薯种芽造成损伤、影响马铃薯后期的产量等。相对而言，勺带式精量排种器因其具有工作可靠、通用性好、种植精度较高等优点，将逐步取代勺链式精量排种器，成为目前世界上马铃薯精量播种机械大多数使用的排种器类型。勺盘式精量排种器的结构简单，通用性较好，但排种均匀性不稳定，可靠性较低。针刺式精量排种器虽然对种薯的大小、形状要求不高，但其伤种现象较严重，目前国内外学者已经停止对该类排种器的研究。

气力式精量排种器按其工作原理可分为气吸式精量排种器、气吹式精量排种器和气压式精量排种器[31]。气力式精量排种器对种子的几何尺寸要求不高、通用性好且不伤种子，因此能大大提高播种的精度，但结构较复杂，制造成本高。

1.3.1　国外马铃薯精量排种器的研究现状

国外对马铃薯精量播种机械的研究起步较早，在19世纪末期，欧美一些发达国家为了减小劳动者的劳动强度，研制了以人工种植方式为主的简易机具来播种马铃薯。1880年，英国的Ransomes和Sims等人研制了以畜力为动力，采用人工半自动排种的两行马铃薯播种装置，这是世界上最早的马铃薯播种机具。到20世纪30年代后期，出现了马铃薯栽植机构，初步实现了半机械化[32~36]。从20世纪中期开始，马铃薯精量播种机械快速发展，逐步实现自动化。经过不断的完善，国外马铃薯精量播种机械无论是在生产效率还是在工作性能方面，都比我国有较大的优越性。国外马铃薯精量播种机械经历了从半机械化向自动化方向的发展历程，并且在基础理论研究及技术水平上取得了丰硕的成果。目前，国际市场上的马铃薯机械化种植装备种类繁多，但其技术水平参差不齐，基本可分为两个档次：一是以德国Grimme、美国Double L及挪威TKS公司为主的马铃薯种植机械生产厂家，主要生产大中型播种配套机具，具有完备的液压系统及播种电子监测系统，自动化程度较高；二是意大利、荷兰、日本等国的公司，主要生产中小型马铃薯种植机具，价格稍低，适用于小面积马铃薯播种作业[37~38]。

（1）勺带（链）式精量排种器

勺带（链）式精量排种器是国外马铃薯播种机中应用最广泛的一种排种装置，它最初应用于德国Grimme马铃薯播种机上，将取种凹勺固装在链条（传送带）上，利用链（带）进行传动。勺链式精量排种器由于存在取种凹勺与链条间易脱落、链轮上的链齿易被打坏、链条易损伤种薯/破坏种薯幼芽[39]等缺点，因此影响马铃薯的出苗率及后期产量。勺带式精量排种器具有工作可靠、通用性好、种植精度较高等优点。

勺链式精量排种器工作过程如图1-2所示，勺链式精量排种器由主动链轮、被动链轮、多个取种凹勺、链条、护种罩壳组成。取种凹勺安装在链条上，工作时地轮转动驱动主动链轮旋转，通过链条带动取种凹勺自下而上进行升运，在升运过程中取种凹勺从种箱中舀取一粒或多粒种薯，取种凹勺带动种薯向上运动，种薯依靠自身重力及清种装置的作用实现一个取种凹勺中只盛有一粒种薯，从而达到精量播种的目的，种薯到达被动链轮处翻越被动链轮，取种凹勺将种薯抛到前一个取种凹勺的背面，在护种罩壳的保护下向下运动，到达底部时种薯失去支持力，在自身重力的作用下投入事先开好的种沟内，完成投种过程。

H.Buitenwerf等人[40]对勺链式精量排种器种薯的排种过程进行了数学模拟仿真，并利用高速摄像技术验证了输种管和取种凹勺的参数对马铃薯播种精度的影响较显著。试验得出结论，在同一参数的情况下，速度越高，排种均匀性越好，且种薯形状对排种性能的影响不显著。

Sunil Gulati和Manjit Singh[41]于2003年设计并研制了一种应用勺链式精量排种器的播种装置，采用人工驱动方式进行两行播种作业，每天可播种0.5公顷，播种均匀性较好，工作方便，价格低廉。

国外运用勺带（链）式精量排种器的马铃薯精量播种机具较多，主要包括以下几种。

德国Grimme GL34T型马铃薯播种机如图1-3所示。该机的配套动力为120马力（1马力=0.735kW）以上，种箱容量为3.5吨，可一次性完成开沟、播种、施肥、覆土等作业，也可选装其他部件，如喷药装置。该马铃薯播种机配备了先进的电子监控系统及液压控制系统，驾驶员可在驾驶室内按要求控制单位面积的播种量，并且也可通过电子控制设备对开沟深度及沟形进行调节，可在坡地上作业是该机的主要特点之一。

如图1-4所示为美国Double L公司9540系列马铃薯播种机，其结构坚固，驾驶室内的操作员可利用电子控制液压系统调整播种株距，精度可达98%，配备超大种箱以减小填种频率，运用仿形机构来满足地形变化时的播种要求。

如图1-5所示为美国Crary公司生产的Lockwood 506马铃薯播种机，其作业速度快，播种效率高，对马铃薯整薯及切块种薯均能进行4行、6行、8行播种作业。该机利用液压操纵行走部件，并装有雷达控制系统，保证了播种精度，驾驶室内配置完备的电子监控设备，时刻对播种机的重播及漏播情况进行监测，以保障播种作业性能[42]。

如图1-6所示为挪威TKS公司underhaug马铃薯播种机，采用勺链式精量排种器，利用液压驱动种箱的升降，种箱容量可达8吨。

如图1-7所示为英国Standen Engineering公司研制生产的可播种2～9行的SP—200型马铃薯播种机，其配备了先进的电子监测及液压系统，可一次性完成开沟、播种、施肥、镇压等多项作业[43]。

如图1-8所示为印度MPP—04系列手动式马铃薯播种机。该机为小型马铃薯播种机，可用于小面积地块的播种作业，采用勺链式精量排种器对马铃薯切块种薯或整薯进行播种，其特点是对种薯的形状要求不高。

勺链式精量排种器在作业时的传动比稳定可靠，但链传动取种作业存在不规则的振动现象，且勺链式结构易对马铃薯种芽造成损伤，影响马铃薯的产量；相对而言，勺带式精量排种器在保证排种作业质量的同时可解决振动及伤种等问题，世界上很多国家生产研制的马铃薯精量播种机都采用了此种类型的排种器。

德国Grimme公司最先研制生产了利用勺带式精量排种器进行排种的马铃薯播种机，该公司的GrimmeVL19E马铃薯播种机如图1-9所示。该机主要由勺带式精量排种器、芯铧式开沟器、覆土起垄圆盘、链条式传动机构、橡胶充气地轮等部分组成。该机可一次性完成开沟、播种、覆土等作业，主要用于马铃薯、菊芋等薯类的播种作业[44]。通过改变链轮的传动比进行株距的调整，株距可在20～41.5cm范围内进行调节，以满足不同作物的播种农艺要求。该机具有传动平稳、结构紧凑、排种可靠等优点。

目前，德国Grimme公司研制的GL、VL系列马铃薯播种机的排种器都由最初的勺链式改为了勺带式。勺带（链）式精量排种器作业稳定，播种精度较高，而且可适应不同行距、株距的播种要求，目前市场上广泛采用该类型排种器。

（2）勺盘式精量排种器

勺盘式精量排种器因具有结构简单、通用性好的优点，最先应用于苏联CH—4A马铃薯播种机上。如图1-10所示，勺盘式精量排种器利用固定在勺盘上的取种凹勺进行取种，从排种器上方进行投种，根据种子的形状和尺寸来确定取种凹勺的大小。为了便于更换，一台马铃薯播种机配备多组勺盘。但该排种器存在播种均匀性不稳定、播种质量低、可靠性低等问题，勺盘式精量排种器的排种精度远低于勺链式精量排种器[43]。

（3）针刺式精量排种器

20世纪末，针刺式精量排种器在美国研究与应用得较多。如图1-11所示，针刺式精量排种器的工作原理是在排种盘的外缘固定多个刺针取种器，每个刺针取种器中装有两枚刺针，排种盘旋转，刺针从种箱中刺取种薯，随即种薯在脱落装置的作用下脱离刺针，落入种沟。针刺式精量排种器的主要优点是投种均匀度高、对种薯的尺寸要求不高，但伤种是针刺式精量排种器的致命缺点，容易使种薯感染病菌从而降低产量。同时，刺针易损坏变形，作业环境中的泥土、杂草易缠绕刺针而造成损坏，因此美国停止了对针刺式精量排种器的研究。

（4）气吸式精量排种器

随着科技的进步与发展，欧美一些发达国家开始开发并应用其他形式的马铃薯精量排种器。如图1-12所示为美国Crary公司开发的Lockwood 604型气吸式马铃薯播种机，该机可播种马铃薯整薯或切块种薯，采用负压吸种原理从种箱中吸拾种薯，并最终投入种沟内[43]。

该气吸式精量排种器的工作原理是排种器负压由风机提供，链轮、链条的传动最终带动排种盘转动，排种盘上的吸种管在充种区进行吸种，种薯被吸附在吸种管上随排种盘转动，随后负压气流被中断，种薯在重力及离心力的作用下离开排种盘，实现投种作业。

由以上分析可知，国外马铃薯精量排种器的类型较多，但勺带（链）式精量排种器仍是目前研究的重点。国外马铃薯精量播种机经过几十年的不断发展，其技术水平已经相当完善，智能化、精量化及联合作业将是马铃薯精量播种机未来的发展方向。目前，欧美的一些发达国家正不断研究新型排种方式及工作原理，力求在机具的通用性、适应性、工作效率、机具的使用寿命方面有所突破。

1.3.2　国内马铃薯精量排种器的研究现状

20世纪50年代末至20世纪60年代初，我国开始对马铃薯精量播种机械进行研究，起步较晚。由于生产机械化水平较低，与发达国家相比有很大差距，因此目前还处于发展的初级阶段。随着科技的进步，出现了很多新技术、新工艺、新方法，为马铃薯精量播种机械的发展提供了先进的技术支持，具有良好的发展前景。自20世纪80年代起，马铃薯精量播种机械迅速发展，国内很多科研单位及高校开始致力于马铃薯精量播种机的研究。近几年，随着国内科技的进步，在科研人员的努力下，马铃薯精量播种机正处于不断的改进及优化中[45]。

我国马铃薯精量播种机多以切块种薯为播种对象，排种器主要采用勺带（链）式精量排种器。

宁夏工商职业技术学院的赵润良[46]研制了一种适于在山区小地块作业的马铃薯播种机，该机采用集开沟、播种、覆土、施肥等功能于一体的作业方式，配套动力由手扶式拖拉机提供。通过试验及田间作业情况检验，该机结构设计合理，播种量、播深及肥量均可调，操作可靠。

内蒙古农业大学的赵满全等人[47]设计了2BSL—2型马铃薯起垄播种机，如图1-13所示。该机采用勺链式精量排种器，选用了芯铧式开沟器和搅刀-拨轮式排肥装置。另外，种箱的下部为锥形，底部的横截面几乎与取种凹勺相等，仅能通过一个取种凹勺，增大了舀种成功的概率。2BSL—2型马铃薯起垄播种机的设计满足播种农艺要求且工作性能稳定可靠，但也存在重播及肥箱容积过小等问题。

黑龙江八一农垦大学的周桂霞等人[48]研制了2CM—2型马铃薯播种机，其结构图如图1-14所示。该机选用节距为30mm的钩形链-勺式排种机构，避免了普通钩形链-勺由于田间作业条件恶劣而导致的润滑困难、作业速度减小等现象。另外，该机在原有通用取种凹勺的基础上配备了不同大小的种薯杯，可用于播种不同尺寸的种薯。

黑龙江八一农垦大学的李明金等人[49]在对国内马铃薯播种机现状研究的基础上，依据播种农艺要求，设计了2CM—4型马铃薯播种施肥联合作业机，如图1-15所示。该机采用勺带式精量排种器，利用交叉取种和种肥分施的技术，并配有振动器来减少重播现象，保证精量播种。经田间试验证实，该机作业效果良好，故障率低，各性能指标均符合农业行业标准，可实现行距715～900mm范围内可调、株距160～420cm范围内可调、播深0～25cm范围内可调、重播率及漏播率均小于4%的目标。

沈阳农业大学的高明全等人[50]在研究我国马铃薯精量播种机械发展现状的基础上，设计了2CM—2型马铃薯播种机的关键部件。该机采用勺带式精量排种器，在排种带上交叉布置两行投种碗，采用交叉取种方式并配以振动器来实现精量播种，带传动选用橡胶平带传动设计。田间试验表明，该播种机减小了农民的劳动强度，提高了马铃薯播种的工作效率，能够满足马铃薯的播种农艺要求。

黑龙江省农业机械运用研究所的赵举文等人[51]研制的2CMF—2型马铃薯播种机采用勺链式精量排种器，如图1-16所示。该播种机的排种链在结构上采用三角形支撑，工作人员可在一段可视的水平传动中进行补种，随即种薯进入导种管进行投种，从而提高种薯的充种率，达到降低漏播率的目的，但人工劳动强度较大。

华中农业大学的段宏兵等人先后设计了三种适于脱毒微型薯播种的马铃薯排种器，分别为链勺式、内充种式和气吸式。谢敬波[45]根据微型薯的播种农艺要求，秉承农机与农艺相结合的指导思想，设计了一种适于脱毒微型薯播种的气吸式精量排种器，如图1-17所示。该气吸式精量排种器主要由排种盘、真空气室壳体、种室、传动轴、输入链轮等组成。通过理论分析可知道，排种器的工作转速及倾斜角度是影响排种性能的主要因素，对排种器进行排种性能的单因素及多因素室内台架试验，得到了排种器工作性能最佳的参数组合。

毛琼[43]针对微型薯的物理特性及播种农艺要求设计了一种适用于脱毒微型薯播种的气力式精量播种机，如图1-18所示。该播种机的排种器为气吸式倾斜圆盘排种器，该机采用单垄双行宽窄行种植模式。排种器的负压由离心式风机来提供，在地轮转动时，通过链轮将动力传递给排肥器，同时倾斜排种器，在链轮和锥齿轮的作用下进行转动，根据气力式原理完成吸种、携种、投种的过程，在微型薯排种过程中也存在种薯表皮破损和种芽损伤的现象。

马铃薯精量播种机在播种作业时，由于机具振动、种薯尺寸等多种原因可使取种凹勺出现叠种或空勺现象，从而造成重播及漏播，使马铃薯播种质量及产量下降。采用人工方式进行补种虽可提高马铃薯充种率、降低漏播率，但存在人工劳动强度大、生产效率低、成本高等缺点。因此针对以上问题，甘肃农业大学一直致力于马铃薯精量播种机播种监测及漏播补偿系统的研究。刘全威等人[52]在借鉴了国内外播种机播种监测及漏播补偿系统科研成果的基础上，采用先进的单片机技术，通过C语言编写了播种监测及漏播补偿系统的程序，设计了适合勺链式马铃薯精量播种机的播种监测及漏播补偿系统。该系统能够在检测到漏播时自动进行补种，同时在种箱排空或排种器等其他关键部件出现故障时能够进行声光报警，还可对播种量、补种量及漏播率进行统计。该系统的灵敏度可达0.1356s，补种率高于90%，有效减少了漏播现象，提高了播种质量。

甘肃农业大学的吴建民等人[55~57]为了提高马铃薯播种质量，减少播种过程的漏播问题，设计了马铃薯精量播种机的自动补偿系统。该系统由红外光电传感器、单片机、步进电机三部分组成。工作时，红外光电传感器时刻监测取种凹勺有无种薯，当监测到取种凹勺上没有种薯时，传感器将该信号传送给单片机，随后单片机对步进电机的转动方向和转动角度进行控制，驱动步进电机带动播种机上的补偿排种器进行转动，实现及时补种。试验结果表明，该系统能够降低漏播率，提高播种质量。

目前，国内市场上常见的马铃薯精量播种机主要包括以下几种。

青岛洪珠农业机械有限公司生产的2MB—1/2型大垄双行覆膜圆盘形马铃薯精量播种机，如图1-19所示。其采用勺链式精量排种器，可一次性完成开沟、播种、施肥、铺膜等作业，具有结构简单、价格低廉、可适应不同土壤进行播种作业等优点。播种后种子呈三角形排布，便于合理利用空间。

黑龙江德沃科技开发有限公司在吸收国内外先进技术、结合我国马铃薯播种农艺要求的基础上开发研制了2CMZ—4型马铃薯精量播种机，如图1-20所示。该机采用独立的勺带式播种单体，如图1-21所示。该机可以根据不同地域种植模式来调整株距及垄距，株距在120～380mm范围内可调，垄距为800mm、850mm、900mm可调。

中机美诺科技股份公司开发的1240A型马铃薯播种机，采用勺带式精量排种器，如图1-22所示。该机可一次性完成播种、施肥、培土、喷药等作业，株距在140～350mm范围内可调，行距为800mm、900mm可调，采用牵引式配套方式，配套动力100马力以上，工作效率较高。

我国马铃薯精量播种机主要存在以下几个方面的问题。

（1）生产效率低，功率消耗大。在高速作业过程中因机具振动等原因造成的重播、漏播现象明显，因此我国马铃薯精量播种机的生产效率低于国际平均水平，同时作业时的功率消耗较大，与国外发达国家同机型的播种机相比，所需配套动力较大。

（2）适应性和可靠性较差。我国研制生产的马铃薯精量播种机由于播种作业地域条件多样、种薯尺寸存在差异，且加工工艺、材料等方面较国外发达国家相比还较落后，所以机具的可靠性、适应性、使用寿命与发达国家相比还有一定的差距。

（3）播种质量较低。我国马铃薯精量播种机播种后的重播率和漏播率较高，所以从目前我国马铃薯精量播种机的发展来看，降低重播率及漏播率、提高播种质量是首要任务。

从国内外马铃薯播种机械市场来看，排种器作为马铃薯精量播种机的关键部件，仍以机械式为主，大部分采用勺带（链）式精量排种器，播种对象为切块种薯或整薯。气力式精量排种器广泛应用于玉米、小麦、油菜等小粒径作物的排种作业，由于马铃薯种薯尺寸较大且形状不规则，因此此类型的排种器并不适用于播种薯类等大粒径种子作物。国外马铃薯精量播种机技术先进，机械化水平较高，但体型庞大、价格昂贵、不适合我国国情。我国马铃薯精量播种机存在功率消耗大、生产效率低等问题，在作业质量、通用性、可靠性、播种精度方面与国外发达国家相比还有一定的差距，因此延长机具的使用寿命、降低生产成本、提高工作效率、提高播种机的适应性及通用性是未来国内外马铃薯精量播种机的发展方向。

自20世纪60年代起，国内外学者开始对勺带（链）式精量排种器进行研究，而我国主要对马铃薯精量排种器进行了结构、形式上的创新，对排种器关键部件理论分析和影响因素的研究较少。高速作业时因存在播种种薯（切块薯或整薯）尺寸差异及机具振动等原因，排种器作业质量较差、效率较低，播种的稳定性及均匀性较差，重播和漏播情况严重，适应范围较小，无法满足实际生产需求，且机械化发展总体水平相对落后[58~62]。针对以上问题，本书根据生产实际的需求及马铃薯精密播种要求，对马铃薯精量播种机的关键部件（排种器）进行研究、设计、试验及优化，通过选择合适的制造材料及加工工艺来提高关键部件的刚度和强度，从而延长马铃薯精量播种机的使用寿命、提高工作可靠性，进一步推动马铃薯播种产业规模化、标准化发展。