马铃薯生产机具的发展研究

　　0引言

　　截至2013年的统计数据，我国马铃薯种植面积约0．067亿hm2，总产量为1亿t左右，是世界上马铃薯种植面积及产量最大的国家。我国马铃薯的产区分布如图1所示。

　　按照马铃薯生产的农艺过程，可将马铃薯机械分为播种机械、中耕机械及收获机械3大类。其中，播种机械、收获机械在马铃薯生产机械化过程中所占比例最大，也是马铃薯生产机械化的关键机具。因此，本文针对马铃薯生产的主要机具的发展现状、存在问题和发展趋势进行详细论述［1－4］。

　　1播种机具

　　图1中，北方一季作区地势相对比较平坦，地块面积也较大，适合大型机械化播种。有资料显示，该地区的机械化播种作业率已达80%以上。作业机具主要有4行、2行施肥种植机，一次完成施肥、开沟、播种、覆土、镇压等作业［5，9］。典型代表机具如图2所示。

　　1．1大型自动化播种机

　　德国GL34T为4行牵引式马铃薯施肥种植机，配套动力88．2kW以上，种箱一次可加载3500kg种薯;行距75～90cm，株距14．7～47cm;一次完成施肥、开沟、播种、覆土、做垄型(选装)作业，可选装喷药系统，是大规模播种作业较为理想的机具。该系列播种机通过更换安装在播种带上的不同大小的舀勺，对应不同形状和尺寸的种薯，如图3所示;每个播种单元采用独立的平行四边形仿形机构，保证播深的一致性，如图4所示。

　　针对马铃薯施肥量大的特点，配置了螺旋推进式施肥系统，配合传动比的调整，可以满足大施肥量精确施肥，如图5、图6所示。

　　该系列播种机的另外一大特点就是提供了多种电子监视、控制装置，供用户选装，以满足不同用户对自动化作业程度的要求［6］。这些监控设备均由安装在拖拉机驾驶室内的GBT750控制终端来操控，如图7所示。

　　操作者在拖拉机驾驶室内，通过操作该终端就可以实现诸多信息的采集与控制，包括单独停止某个播种单元工作、漏播监视、播种带振动强度控制、料斗升降操作、播种面积显示、划印器升降控制、单位面积种子数量监测和喷药系统控制等。

　　该系列播种机采用牵引式驱动，相对于同等规模的悬挂式播种机而言，对拖拉机的动力要求较小;但牵引式结构同时也伴随着机组地头转弯半径较大的问题，对于垄长较短的地块造成了一定程度的土地资源浪费。

　　居于类似水平的进口机具还有Double9500系列播种机(美国)、MarathonTH系列播种机(荷兰APH)及MiedemaCP系列播种机(荷兰)等。

　　国产2CMF4型4行自动施肥种植机采用三点式悬挂结构，配套动力102．9kW以上，能够一次完成施肥、开沟、播种、覆土及镇压作业。与传统人工、半机械化或小型机械化种植方式相比，其不仅大大减轻了人员劳动强度，也减少了拖拉机携带机械的进地次数，更重要的是提高了作业效率和种植精度，抢回了农时。该机具有结构紧凑、使用操作简单方便、运输容易、动力适应范围大、侧施底肥均匀、肥量调节范围大、使用安全可靠、生产率高和地区适应性强等诸多优点。尤其是独特设计的导种及清种机构能最大限度地保证作业质量好、株距合格率高、重种率和漏种率低。适应行距70～90cm，株距调整范围12．1～40cm。该机采用外槽轮式排肥装置，施肥量为150～800kg/hm2;排种器采用带振动电机的播种带式排种器，每个播种带上配置36个舀勺;重播率＜12%，漏播率＜8%;作业效率可达1．0～1．5hm2/h。

　　清种装置作为标准配置，配置在该机种箱的下部，如图8所示。此装置包括截流、导种、清种等机构，而舀勺式取种方式及种粒的单一化目标只有通过这些机构联动才可能实现。截流采用转动托板与胶板来控制供种量，导种采用摆杆不断拨动种薯下移，清种通过分离杆拨动与电振动相结合来保证舀勺取种的单粒化［7］。

　　由于采用三点悬挂结构，减少了机具的地头转弯半径，最大限度地提高了土地利用率，但同时对拖拉机的动力和轴距要求也相对提高。

　　类似水平的国产播种机还有美诺1204系列播种机及德沃2CMZ－4系列等。

　　纵观大型自动化马铃薯播种机的发展现状，国产机具在机械结构、性能方面，与国际上先进的大型自动化马铃薯播种机的差距已经越来越小，零部件的材料、制造工艺也逐渐接近国际水平，在价格上也比进口播种机占有优势。但是，上述几款国产大型播种机，在电子监视和控制方面、机—电—液联合驱动和控制方面，与国际先进水平还有很大的差距。随着我国北方一季作区马铃薯产业规模的发展，人机环境友好、自动化、智能化的大型马铃薯播种机，在这一区域将会逐渐投入使用。

【图略】

　　1．2中型播种机具

　　相对于大规模种植者，种植面积在66．7～133．3hm2左右的中等规模马铃薯种植户，或者耕地坡度不大的丘陵地带的马铃薯种植户，更倾向于选择具有一定自动化程度的中型马铃薯播种机。该类机具以2行悬挂式居多，典型代表机型有德国GrimmeGL32F(E)系列，以及国产2CMF2、洪珠2MB－1/2、美诺1220等。

　　图9所示为德国GrimmeGL32F双行播种机。该机自重650kg，适应行距65～90cm，株距调节范围14．5～47cm;使用与GL34T完全相同的螺旋推进式施肥系统，施肥量200～1500kg/hm2，配套动力50kW/68PS;一次完成施肥、开沟、播种、覆土及做垄型(选装)作业，可选装喷药系统。

　　在该播种机后部，除了标准配置的圆盘式覆土器，还配置了后悬挂支架系统，为用户提供了丰富的选装部件，如做垄型、镇压等，如图10所示。

　　GrimmeGL32E为GL32F的经济版，去掉了GL32F的施肥系统，其余功能与GrimmeGL32F基本相同。

　　国产2CMF2型2行马铃薯施肥种植机如图2(c)所示。该机基本结构原理与2CMF4型相同;自重900kg，适应行距70～90cm，株距调节范围12．1～39．7cm;采用外槽轮式排肥器，排肥量150～800kg/hm2;重播率＜7%，漏播率＜3%，作业效率0．7hm2/h;配套动力47．8kW以上。

　　除一般马铃薯播种机所具有的功能外，该机型特别针对丘陵地和粘重土壤，采用铧式覆土器，适应北方一季作区的中等规模种植户的需求。

　　几年前，有国内马铃薯种植户引进了德国GrimmeGB系列带式高速播种机，如图11所示。该系列播种机所采用的取种方式与前述各种播种机不同，采用的是水平差速传送带取种，代表机型有2行悬挂式GB215型、2行牵引式GB230型、3行悬挂式GB330和4行牵引式GB430型。

　　该系列带式高速取种原理如图12所示。其工作原理是:种薯从倾斜料斗中滑落到供料传送带上，料位传感器以无级变速的方式控制供料传送带的输送速度，以适应种薯送进皮带的取种量;种薯在种薯送进皮带上面排成1行，种薯间距取决于种薯自身的尺寸和机器相应的设置;多余的种薯则滚落到两侧的逆向传送带上面，并随着逆向传送带被送到端部的螺旋滚筒;在螺旋滚筒的作用下，种薯再次被推上种薯送进皮带;泡沫辊与送进皮带接触，并以相同线速度转动，迫使种薯沿切向下落，其速度可以根据种薯尺寸进行3级设定。

　　GB215带式高速播种机自重1600kg，适应行距70～90cm，种箱容量1500kg，配套动力60kW以上，并要求连续液压输出40l/min以上;全部操作通过VC50操作终端，在拖拉机驾驶室内操作。由于国内中型拖拉机基本不具备连续液压输出功能，加之操作者的技术水平限制，该机型在国内应用较少。

　　综合考虑播种机的性价比，以国产2CMF2型2行马铃薯施肥种植机为代表的国产机型目前在北方一季作区的中等规模种植户当中应用最为广泛。

　　1．3半自动播种机

　　在西南一、二季混作区和南方冬作区，由于地块较小、坡度较大，大中型播种机具难以适应。针对该地区的作业特点和农艺要求，作者研发了两种半自动马铃薯播种机，图13和图14所示。

　　此类播种机一次作业可完成马铃薯(包括种薯、切块薯、微型薯)开沟、施肥、播种、覆土及镇压等多项作业，抢农时、效率高，且农机农艺相结合适应性强，保证了马铃薯先进栽培技术的实施和播种质量，为马铃薯高产、增产、增收奠定了良好基础。

　　其采用圆盘式半自动播种部件，解决了微型薯、微型薯与切块薯、切块薯与切块薯之间尺寸规格差异大无法通用的技术难题，降低了漏播率和重播率，提高了播种性能。

　　1．4小结

　　马铃薯播种机具从大、中型自动化到小型半自动化，基本上覆盖了北方一季作区的80%以上，并正朝着其他作业区域发展。从今后发展趋势上看，北方一季作区大型、智能化、高速化播种机的使用量将会逐年上升，传统的纯机械结构的播种机在中小规模种植户当中仍将有一定的市场。

　　2收获机具

　　目前，北方一季作区的机械化收获率，已达60%以上，但仍以分段式收获为主，大型联合作业机具较少。原因如下:一方面与传统作业方式有关，另一方面则是机具投入成本与人力成本之间的平衡。而在西南一、二季混作区和南方冬作区，由于地理条件和作业方式的限制，机械化收获率仍然极低。今后，随着劳动力成本的逐年上升，当机具投入成本与人力成本之间的平衡点发生变化时，适应该地区实际条件的收获机具将会逐步替代传统的人工收获［8－9］。

　　2．1分段式收获机具

　　分段式收获即由拖拉机牵引收获机具，可完成除秧、挖掘、土薯分离及放铺等作业，再进行人工捡拾。代表机具有GrimmrRL1700(德国)、4KJW1800(国产)、4U2A(国产)等，如图15和图16所示。

　　以笔者研发的4U2A型悬挂式2行马铃薯收获机为例，该机采用全悬挂双行升运链式结构，用于分段收获马铃薯。

　　该机具采用新型挖掘铲，很好地解决了挖掘铲与升运链之间容易壅堵的问题;采用拔草轮结构，很好地解决了升运链驱动轮位置易堵塞问题。因此，该机具地区适应性较强，一般条件下土壤含水量25%以下的粘重土壤、轻粘土、砂壤土地区皆可使用，作业质量高;能一次完成收获、升运分离及放铺等收获工艺。

　　该机具适应行距70～90cm，作业宽度161cm，挖掘深度30cm;生产率0．3～0．7hm2/h，明薯率≥98．5%，伤薯率≤0．5%，埋薯率≤1%，漏挖率≤0．14%;配套动力58．8kW以上。

　　GrimmeRL1700的尾部提供了多种选装装置，供用户选择。图17所示为土薯分离装置，图18所示为横向双行归一放铺装置等。该类选装装置在提高土薯分离质量、减轻劳动强度方面有显着的效果;但同时也增加了机具的质量，使机具重心后移，提高了连续液压输出及对拖拉机的动力要求。

　　上述此类机型配合马铃薯茎叶切碎机，在北方一季作区应用广泛，基本上能够满足大、中型马铃薯种植户的生产需求。

　　2．2联合收获机

　　在一些马铃薯生产比较发达的国家(如德国、荷兰、比利时、美国等)，大型联合收获机具占有较大比例。典型代表机型有GrimmeSE260(德国)、AVRPu-ma(比利时)、Double883(美国)及dewulf(APHGroup荷兰)等，如图19所示。

　　这些大型联合收获机有的为牵引式，有的为自走式，其共同特点是:马力大(147kW以上)、效率高，可同时一次完成茎叶切除、挖掘、升运、土薯分离、去石、分检及装载等功能，劳动力需求低，自动化、智能化水平高，适合大规模种植户使用。

　　由于机具本身成本昂贵，在北方一季作区仅有个别资金雄厚的大规模马铃薯种植户使用。随着北方一季作区马铃薯种植规模的发展，预计在“十三五”期间，大型联合收获机的用户会逐步增加;同时，性价比合适的国产大型联合收获机也将会出现在该作业区域。

　　2．3小型收获机

　　针对西南一、二季混作区和南方冬作区的地理条件和作业方式，笔者研发了4U1Z型单行振动式马铃薯收获机，配套14．7～18．4kW小型拖拉机，作业宽度48cm，挖掘深度20～25cm，振动频率9Hz;可在丘陵山地、多石地等小规模、复杂地况下完成马铃薯的挖掘、土薯分离及放铺作业。

　　3结论

　　“十二五”期间，我国马铃薯机械取得了长足的发展，特别是在北方一季作区，播种、中耕、植保、收获等作业中，中、大型机具的使用率正在逐年提高。

　　该地区的马铃薯机械化综合作业率，已达到80%以上。而在其他作业区域，仍以小农户分散经营为主，栽培模式多、杂;地块小、不规则;耕地分散、坡度大;农机作业转弯、转移等耗工多，机械基本无法作业。同时，国内机具型式上小型的多、大中型少;低端产品多，高新技术产品少，生产马铃薯机械的专业企业数量更少。

　　从今后的发展来看，笔者认为:马铃薯机械用户与马铃薯机械生产、研发单位，应该本着“各自调整，相辅相成，融为一体，共同为农业生产的综合效益服务”的原则，一方面积极整合不同地区的不同栽培模式，大力推广高产、优质、高效的适合机械化作业的栽培模式，促进机械化发展;另一方面，以产学研技术联合为主体，致力于自动控制技术、智能农业技术及物联网技术在农业机械上的应用研究，为大型联合马铃薯机械装备的研制打下坚实的基础。

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