王子軒，魯少英，徐佳瑞

（石河子大學機械電氣工程學院，新疆 石河子 832000）

0 引言

精量播種技術(shù)是指從種室中分離準確數(shù)目的種粒并按一定行距和株距將其播種到土壤中，而采用精量播種技術(shù)是走向智能農(nóng)業(yè)的必經(jīng)之路[1]。目前國內(nèi)外的精密播種機中應(yīng)用最普遍的是氣力式排種器，其對種子形狀尺寸適用性好，易實現(xiàn)高速作業(yè)，能夠有效提高充種精度及播種效率[2,3]。

1 氣力式排種器結(jié)構(gòu)與原理

氣力式排種器結(jié)構(gòu)各異，但其原理大多數(shù)都相似，以氣力式水稻精量播種機為例，該機主要由排種盤、排種管、種箱和氣室等組成，如圖1。該排種器在田間播種時通過排種器內(nèi)部氣力系統(tǒng)形成負壓完成種子的吸附，然后切換至正壓環(huán)境，將種子順利排出，實現(xiàn)播種作業(yè)[4]。氣力式播種機的工作過程如下：

圖1 氣力式水稻精量播種機結(jié)構(gòu)示意

（1）種箱內(nèi)的種子隨著氣室的壓力變化穩(wěn)定地流入充種室，在充種室內(nèi)形成種堆；

（2）排種器進行播種作業(yè)，在梳種條的作用下不斷將種子向上涌動，為氣室吸種做好準備；

（3）氣室內(nèi)壓力變化，吸附涌動的種子，芽種隨著排種盤流動，當氣室內(nèi)壓力變?yōu)檎龎簳r，種子在重力及吹力的作用下落入導種管內(nèi)；

（4）種子沿著導種管的內(nèi)壁落進田間土壤中，完成播種工作。

2 氣力式播種機國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2.1 國外研究現(xiàn)狀

在國外，已有不少企業(yè)和團隊在研究排種器。氣吸攪種鈕大豆排種器是由法國的Monosem 公司設(shè)計的一種排種器[5]，它創(chuàng)新性地設(shè)計出攪種鈕，攪種鈕位于吸孔四周，用于拌種，利于吸附種子，其總體構(gòu)造如圖2（a）；法國的Pneumasem 農(nóng)機公司[6]生產(chǎn)的同類型排種器的攪種鈕也位于氣孔的四周，其構(gòu)造如圖2（b）；德國的Franz Klerinz 公司[7]研制的排種器的取種區(qū)域位于兩導種塊間，二者同步進行，在移動過程中，種子先進入取種區(qū)域，到投種區(qū)后進入投種口，其結(jié)構(gòu)如圖2（c）；Eset 排種器由美國Prcision 公司[8]設(shè)計，該排種器也有許多攪種輪用于拌種，使種子全面均勻分布，使群體較好地分散，利于排種器的充種，其構(gòu)造如圖2（d）。

圖2 氣吸式排種器

Elebaid 等[9]對油菜的精量播種盤進行創(chuàng)新，如圖3，該團隊設(shè)計了一種四排氣動式播種盤，在試驗中確認了轉(zhuǎn)速、真空度等因素都將影響排種器吸種和排種等特性。結(jié)果表明：當轉(zhuǎn)速為20 r/min，真空度在3～15 kPa 范圍內(nèi)時，排種器吸種和排種能力最佳，并且多行播種的效果良好，此外，行間種子的數(shù)目無顯著差距，不會導致種子流失。

圖3 四排氣動式油菜精量播種盤

美國的AGCO 公司[10]成功研制了氣力式玉米精量排種器（圖4），其原理是利用正氣壓充種和清種，攜種與排種采用側(cè)壓式精量排種器，該排種器可根據(jù)種子尺寸大小替換排種盤，適應(yīng)性較好，但是對于氣壓和機具密封性要求較高。

圖4 美國AGCO 公司氣力式玉米精量排種器

以上研究可看出國外對排種器的研發(fā)起步較早，通過理論和試驗結(jié)合改善了排種器性能，研發(fā)了適應(yīng)當?shù)赝寥篮鸵?guī)模的播種方案，隨著時代的發(fā)展，排種器的高效、精量以及兼容性會越來越強。

2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國早在20 世紀70 年代就開始了對氣力式播種機械的研究與開發(fā)，其研究領(lǐng)域主要集中在精量播種方面，研發(fā)了不同型孔形狀式樣的排種器。李兆東[11]以自行設(shè)計的“倒方錐”型孔排種滾筒作為試驗對象研制出一種油菜氣壓型集排種器，如圖5。該排種器由種子盒、負壓裝置及輸種管構(gòu)成，采用氣吹式清種和氣吸式護種實現(xiàn)了精量播種，并對其排種性能進行了測試[12]。

圖5 油菜氣壓型集排種器

中國農(nóng)業(yè)大學課題組[13]研發(fā)出內(nèi)吹式玉米精量播種機，如圖6。該團隊采用CFD-DEM 耦合方法對型孔的寬度和位置進行了研究，發(fā)現(xiàn)了弧長對種子在排種器內(nèi)移動的影響特征，分析了不同型孔結(jié)構(gòu)對排種器性能的影響，其清種裝置能夠適應(yīng)不同大小的種子。

圖6 玉米精量播種器

閆建偉[14]研發(fā)的排種器主要由排種器左殼體、鴨嘴固定架、排種器主體、鴨嘴、氣管種、擋板、密封圈、種盤限位架、種盤、排種器右殼體及種室殼體等組成，如圖7，其中種盤分為充種區(qū)、清種區(qū)、攜種區(qū)和落種區(qū)4 個區(qū)域。

圖7 氣送式雜交稻精量直播器

明哲等[15]采用虛擬樣機技術(shù)研制了新型氣吸式水稻排種器，如圖8，并由仿真試驗得到以下參數(shù)：孔徑2.2 mm、真空度3.0 kPa，當排種盤的轉(zhuǎn)速為45 r/min時排種器性能最好。

圖8 氣送式雜交稻精量直播器

除了田間播種，氣力式播種機還用于工廠化育苗種，近年來國內(nèi)在精量排種器研究開發(fā)方面有明顯進展，對精量排種器的研發(fā)水平正在穩(wěn)步提升，氣力式精量排種器以其播種效率高、質(zhì)量好、對種子適應(yīng)性強、不傷種等優(yōu)點必將會占有更多的市場份額。

3 氣力式播種機的不足

3.1 排種量不均勻

排種量不均主要表現(xiàn)為在氣力式播種機作業(yè)時排種量突然增大或者減小，這會對播種的均勻程度造成影響，導致株距不勻，資源利用率降低等一系列問題[16]，造成排種量不均的原因一般為氣力式排種器的密封結(jié)構(gòu)失效。

3.2 播種功能失效

風機工作時內(nèi)部空氣壓力較低導致風機無法正常運轉(zhuǎn)，從而使種子與空氣之間產(chǎn)生摩擦，發(fā)生漏播現(xiàn)象。造成氣力式播種機漏播率大的原因主要是負壓不夠，也就是風機功能失效，風機功能失效的原因也是多方面的，如傳動結(jié)構(gòu)維護不到位、傳動結(jié)構(gòu)的損壞等[17]。

3.3 功耗大

相對于機械式播種機，氣力式播種機需要額外配備一個風機，用來形成正壓或負壓條件，以此為取種和投種提供基礎(chǔ)，這是造成功耗大的主要原因。而影響風機功耗的主要因素兩個，其一氣力式播種機對于氣壓的要求較高，需要消耗較多能量來滿足這個條件；其二是在播種過程中，無論是氣吸式還是氣吹式，完成一次播種需要風機啟動一次和停止一次，當連續(xù)工作時風機頻繁地啟動停止，勢必導致功耗大。

4 展望

排種器的排種性能會對農(nóng)作物的產(chǎn)量造成直接影響，因此研制一種低成本、高質(zhì)量的精密排種器成為推動現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機械發(fā)展的當務(wù)之急。隨著農(nóng)業(yè)機械化和智能化的不斷發(fā)展，精量播種和精密播種是大勢所趨。目前，氣力式排種器尤其是氣吸式排種器是精量播種研究的熱點。