淺談國(guó)內(nèi)外氣力式播種機(jī)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

王子軒，魯少英，徐佳瑞

（石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)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(zhǔn)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(guó)內(nèi)外的精密播種機(jī)中應(yīng)用最普遍的是氣力式排種器，其對(duì)種子形狀尺寸適用性好，易實(shí)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(jī)為例，該機(jī)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(shí)通過排種器內(nèi)部氣力系統(tǒng)形成負(fù)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(shí)現(xiàn)播種作業(yè)[4]。氣力式播種機(jī)的工作過程如下：

圖1 氣力式水稻精量播種機(jī)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(jìn)行播種作業(yè)，在梳種條的作用下不斷將種子向上涌動(dòng)，為氣室吸種做好準(zhǔn)備；

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

（4）種子沿著導(dǎo)種管的內(nèi)壁落進(jìn)田間土壤中，完成播種工作。

2 氣力式播種機(jī)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

在國(guó)外，已有不少企業(yè)和團(tuán)隊(duì)在研究排種器。氣吸攪種鈕大豆排種器是由法國(guó)的Monosem 公司設(shè)計(jì)的一種排種器[5]，它創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)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(guó)的Pneumasem 農(nóng)機(jī)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(guó)的Franz Klerinz 公司[7]研制的排種器的取種區(qū)域位于兩導(dǎo)種塊間，二者同步進(jìn)行，在移動(dòng)過程中，種子先進(jìn)入取種區(qū)域，到投種區(qū)后進(jìn)入投種口，其結(jié)構(gòu)如圖2（c）；Eset 排種器由美國(guó)Prcision 公司[8]設(shè)計(jì)，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(duì)油菜的精量播種盤進(jìn)行創(chuàng)新，如圖3，該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種四排氣動(dòng)式播種盤，在試驗(yàn)中確認(rèn)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(dāng)轉(zhuǎn)速為20 r/min，真空度在3～15 kPa 范圍內(nèi)時(shí)，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(huì)導(dǎo)致種子流失。

圖3 四排氣動(dòng)式油菜精量播種盤

美國(guó)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(duì)于氣壓和機(jī)具密封性要求較高。

圖4 美國(guó)AGCO 公司氣力式玉米精量排種器

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

2.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國(guó)早在20 世紀(jì)70 年代就開始了對(duì)氣力式播種機(jī)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(jì)的“倒方錐”型孔排種滾筒作為試驗(yàn)對(duì)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(fù)壓裝置及輸種管構(gòu)成，采用氣吹式清種和氣吸式護(hù)種實(shí)現(xiàn)了精量播種，并對(duì)其排種性能進(jìn)行了測(cè)試[12]。

圖5 油菜氣壓型集排種器

中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)課題組[13]研發(fā)出內(nèi)吹式玉米精量播種機(jī)，如圖6。該團(tuán)隊(duì)采用CFD-DEM 耦合方法對(duì)型孔的寬度和位置進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)了弧長(zhǎng)對(duì)種子在排種器內(nèi)移動(dòng)的影響特征，分析了不同型孔結(jié)構(gòu)對(duì)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(gè)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(jī)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(yàn)得到以下參數(shù)：孔徑2.2 mm、真空度3.0 kPa，當(dāng)排種盤的轉(zhuǎn)速為45 r/min時(shí)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(jī)還用于工廠化育苗種，近年來國(guó)內(nèi)在精量排種器研究開發(fā)方面有明顯進(jìn)展，對(duì)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(duì)種子適應(yīng)性強(qiáng)、不傷種等優(yōu)點(diǎn)必將會(huì)占有更多的市場(chǎng)份額。

3 氣力式播種機(jī)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(jī)作業(yè)時(shí)排種量突然增大或者減小，這會(huì)對(duì)播種的均勻程度造成影響，導(dǎo)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(fēng)機(jī)工作時(shí)內(nèi)部空氣壓力較低導(dǎo)致風(fēng)機(jī)無法正常運(yùn)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(jī)漏播率大的原因主要是負(fù)壓不夠，也就是風(fēng)機(jī)功能失效，風(fēng)機(jī)功能失效的原因也是多方面的，如傳動(dòng)結(jié)構(gòu)維護(hù)不到位、傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的損壞等[17]。

3.3 功耗大

相對(duì)于機(jī)械式播種機(jī)，氣力式播種機(jī)需要額外配備一個(gè)風(fēng)機(jī)，用來形成正壓或負(fù)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(fēng)機(jī)功耗的主要因素兩個(gè)，其一氣力式播種機(jī)對(duì)于氣壓的要求較高，需要消耗較多能量來滿足這個(gè)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(fēng)機(jī)啟動(dòng)一次和停止一次，當(dāng)連續(xù)工作時(shí)風(fēng)機(jī)頻繁地啟動(dòng)停止，勢(shì)必導(dǎo)致功耗大。

4 展望

排種器的排種性能會(huì)對(duì)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(dòng)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機(jī)械發(fā)展的當(dāng)務(wù)之急。隨著農(nóng)業(yè)機(jī)械化和智能化的不斷發(fā)展，精量播種和精密播種是大勢(shì)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(diǎn)。