氣力式高速精量排種器研究現(xiàn)狀及展望

郭文騏 張文毅 祁兵 袁建寧 王云霞 夏倩倩

摘要：高速作業(yè)是當(dāng)前精量播種技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，氣力式精量排種器是實(shí)現(xiàn)高速作業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)載體。分析限制氣力式排種器作業(yè)速度提升的主要因素，提出高速充種技術(shù)、穩(wěn)定清種技術(shù)、投種過(guò)程種子平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)、排種器平穩(wěn)驅(qū)動(dòng)技術(shù)四項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。綜述氣力式精量排種器主要類別及特點(diǎn)，梳理國(guó)內(nèi)外氣力式排種器研發(fā)應(yīng)用現(xiàn)狀，針對(duì)提出的四項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)分析國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，得出穩(wěn)定充種、有效清種、平穩(wěn)投種、排種器平穩(wěn)驅(qū)動(dòng)是有效提升高速作業(yè)播種合格率、降低變異系數(shù)、保證粒距均勻性的主要技術(shù)措施。結(jié)合我國(guó)的情況分析高速精量播種存在作業(yè)速度及效率低、電驅(qū)技術(shù)及質(zhì)量監(jiān)控技術(shù)不完善等問(wèn)題，提出氣力式高速精量排種器需要加大自主創(chuàng)新，未來(lái)向著高精度、高效率、智能化方向發(fā)展。

關(guān)鍵詞：精量排種器；氣力式；高速作業(yè)；播種合格率

中圖分類號(hào)：S223.2? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：2095-5553 （2024） 03-0031-07

Research status and prospects of pneumatic high-speed precision seeder

Guo Wenqi1， 2， Zhang Wenyi2， Qi Bing2， Yuan Jianning1， Wang Yunxia2， Xia Qianqian2

（1. Nanjing Institute of Technology， Nanjing， 211100， China； 2. Nanjing Institute of Agricultural Mechanization，Ministry of Agriculture and Rural Affairs， Nanjing， 210014， China）

Abstract：

High speed operation is the development trend of precision seeding technology at present， and the pneumatic precision seeding device is the key technical carrier to realize high speed operation. In response to the problem of limiting the speed increase of pneumatic seed metering devices， high-speed seed filling technology， stable seed cleaning technology， seed smooth motion control technology during the seed feeding process， and seed metering device smooth driving technology have been proposed. This article summarizes the development status of pneumatic seeders both domestically and internationally， analyzes the research status of key technologies at home and abroad， and concludes that stable seed filling， effective seed cleaning， stable seed input， and stable driving of seeders can effectively improve the seeding qualification rate， reduce the coefficient of variation， and ensure the uniformity of grain spacing. Combined with the situation in China， the problems of high-speed precision seeding such as low operating speed and efficiency， imperfection of electric drive technology and quality monitoring technology are analyzed. It is proposed that the pneumatic high-speed precision seed discharger needs to increase its independent innovation， develop towards high precision， high efficiency and intelligent direction in the future.

Keywords：precision seed metering device; pneumatic; high-speed; seeding qualification rate

0 引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)種子加工水平快速發(fā)展和出苗率的提高，強(qiáng)調(diào)“定量、定位”的精量播種技術(shù)目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于玉米、大豆等中耕作物種植，一些性能優(yōu)越的機(jī)型不斷涌現(xiàn)并推廣應(yīng)用。研究表明，精量播種質(zhì)量是影響農(nóng)作物產(chǎn)量水平最重要的因素之一［1］。美國(guó)某公司試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，玉米播種單粒率每提高一個(gè)百分點(diǎn)，產(chǎn)量將提高156.75 kg/hm2，而每一個(gè)空穴則會(huì)損失越0.8個(gè)果穗（約為0.12 kg），播種質(zhì)量對(duì)產(chǎn)量具有舉足輕重的影響［2］。

高速、高密、高效是當(dāng)前精量播種技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)［2］，高速精量播種裝備是提高播種質(zhì)量和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率的技術(shù)保障與物質(zhì)基礎(chǔ)，同時(shí)也是國(guó)際農(nóng)業(yè)裝備產(chǎn)業(yè)技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)。排種器作為播種機(jī)的“心臟”部件，是高速精量播種技術(shù)的核心載體，其中氣力式排種器利用氣壓差充種或高速氣流清種，對(duì)種子形狀適應(yīng)性好、播種精度高、適應(yīng)高速作業(yè)，是高速精量播種技術(shù)的發(fā)展方向。限制氣力式排種器作業(yè)速度提升的關(guān)鍵因素主要有四個(gè)方面：一是高速作業(yè)充種性能不穩(wěn)定；二是清種裝置高轉(zhuǎn)速易失效、傷種；三是高速作業(yè)投種過(guò)程易受導(dǎo)種管碰撞、落地彈跳等因素影響，排種器種子流原始均勻度受到嚴(yán)重破壞，導(dǎo)致粒距均勻性顯著下降；四是排種器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)不適應(yīng)高速作業(yè)，排種盤與前進(jìn)速度無(wú)法精準(zhǔn)匹配進(jìn)而影響粒距一致性。

本文綜述國(guó)內(nèi)外氣力式精量排種器主要類別，針對(duì)影響氣力式排種器高速作業(yè)性能的關(guān)鍵因素，重點(diǎn)從氣力式精量排種器高速充種技術(shù)、穩(wěn)定清種技術(shù)、投種過(guò)程種子平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)及電驅(qū)控制系統(tǒng)四方面對(duì)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀進(jìn)行系統(tǒng)梳理，總結(jié)氣力式高速精量排種器未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)并予以展望。

1 氣力式精量排種器主要類別

國(guó)外學(xué)者在20世紀(jì)40年代開始研究精量排種器，初期以機(jī)械式為主，由于機(jī)械式精量排種器存在對(duì)種子形狀尺寸要求嚴(yán)格以及作業(yè)速度不高等問(wèn)題，20世紀(jì)50年代國(guó)外學(xué)者結(jié)合流體力學(xué)探究氣流與種子的相互作用以及種子在機(jī)械結(jié)構(gòu)中狀態(tài)，創(chuàng)制多種形式氣力式精量排種器。目前歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家精量播種機(jī)大部分均采用氣力式排種器，氣力式精量排種器主要有三類，分別為氣吸式、氣壓式和氣吹式。

氣吸式高速精量排種器通過(guò)負(fù)壓氣室在排種盤型孔兩側(cè)形成氣壓差，利用氣壓差將種子吸附在型孔上，通過(guò)清種裝置清掉多余吸附種子保證單粒性，最終通過(guò)阻氣裝置消除氣壓差，種子憑借自身重力落下。氣吸式排種器對(duì)種子形狀尺寸適應(yīng)性強(qiáng)、通用性好、作業(yè)速度高。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外將GPS、電驅(qū)排種、智能控制、精確投種等技術(shù)與氣吸式排種器結(jié)合，進(jìn)一步提高了氣吸式排種器作業(yè)速度。當(dāng)前國(guó)外氣吸式排種器研究以企業(yè)為主，相關(guān)先進(jìn)技術(shù)已經(jīng)形成了產(chǎn)品。

國(guó)內(nèi)氣吸式排種器近年來(lái)發(fā)展迅速，已有部分企業(yè)開始生產(chǎn)相關(guān)產(chǎn)品，但技術(shù)水平與國(guó)外仍有較大差距。山東農(nóng)機(jī)院研制的驅(qū)導(dǎo)輔助充種氣吸式高速精量排種器。黑龍江省農(nóng)業(yè)機(jī)械工程科學(xué)研究院在垂直凸圓型孔圓盤氣吸式精量排種器基礎(chǔ)上，優(yōu)化研制了2BJQ系列氣吸式精量播種機(jī)。山東農(nóng)業(yè)大學(xué)研制的氣吸式免耕施肥播種機(jī)，該機(jī)可實(shí)現(xiàn)單粒精播，減少種子用量，提高播種精度，重播指數(shù)、漏播指數(shù)明顯低于同類型播種機(jī)，可實(shí)現(xiàn)高速播種［3］。

氣壓式高速精量排種器是近年來(lái)逐漸興起的一種新型排種器，此類排種器氣室與種子室共用一個(gè)腔室，利用正壓氣流把種子壓附在排種盤上，具有作業(yè)速度高、株距均勻性好的特點(diǎn)。瑞典Temp氣壓式高速精量播種機(jī)，采用獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電機(jī)，根據(jù)機(jī)具前進(jìn)速度調(diào)控排種器驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速以調(diào)節(jié)播種粒距，結(jié)合區(qū)段控制、播深一致性調(diào)控、播種質(zhì)量云監(jiān)控和ISOBUS等功能，作業(yè)速度可達(dá)20～22 km/h，合格率達(dá)98%。史嵩［4］研發(fā)了氣壓組合孔式精量排種器，取消種子攪拌裝置，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單工作穩(wěn)定的特點(diǎn)。祁兵［5］設(shè)計(jì)了一種中央集排氣送式精量排種器，利用氣流進(jìn)行擾種，正壓滾筒充種，能夠?qū)崿F(xiàn)一器多行作業(yè)，充種性能優(yōu)越適合高速作業(yè)。

氣吹式高速精量排種器主要通過(guò)種子自身重力充種，依靠氣流吹掉多余的種子，最后通過(guò)型孔存種和封閉空間攜種完成投種［6］，氣吹式排種器所需氣流壓力更低，無(wú)需嚴(yán)格密閉，使用壽命更長(zhǎng)。德國(guó)Aeromat氣吹排種器利用窩眼式排種輪囊入種子，當(dāng)充種孔轉(zhuǎn)到清種區(qū)時(shí)，由風(fēng)機(jī)提供給氣嘴高壓氣流，將型孔里多余的種子吹掉，只有一粒種子被壓在型孔底部最終依靠自重排入種溝。我國(guó)在引進(jìn)Becker排種器后開始全面了解氣吹式排種器。中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)對(duì)氣吹式排種器進(jìn)行理論研究與分析，在參數(shù)優(yōu)化后應(yīng)用在精量播種機(jī)上，田間試驗(yàn)合格率可以達(dá)到97.28%，田間播種穩(wěn)定可靠。

綜上，目前國(guó)內(nèi)外氣力式精量排種器的絕大部分為氣吸式，技術(shù)相對(duì)成熟，作業(yè)性能穩(wěn)定，應(yīng)用比較廣泛，但氣吸式排種器氣密性要求較高，對(duì)氣室密封圈耐磨性要求高。氣吹式排種器種植適應(yīng)性較好［7］，但高速作業(yè)適應(yīng)性相對(duì)較差，目前相關(guān)應(yīng)用機(jī)型不多。氣壓式排種器具有密封性要求低、充種性能好的優(yōu)點(diǎn)，有利于實(shí)現(xiàn)氣流高速投種，能夠適應(yīng)高速作業(yè)，但需要在投種環(huán)節(jié)額外增加壓種機(jī)構(gòu)，防止氣流加速投種讓種子在地面發(fā)生彈跳。總的來(lái)說(shuō)，目前氣吸式排種器是主流，應(yīng)用最為廣泛，氣吹式應(yīng)用較少，氣壓式排種器因更為適應(yīng)高速作業(yè)，符合未來(lái)高速精量的發(fā)展趨勢(shì)，近年來(lái)發(fā)展較快。

2 氣力式排種器高速充種技術(shù)

在充種過(guò)程分析及相關(guān)模型的構(gòu)建方面，現(xiàn)有研究主要關(guān)注排種器結(jié)構(gòu)參數(shù)、工作參數(shù)、種子特性、工作環(huán)境等因素對(duì)充種性能的影響。如李林［8］在忽略種子摩擦力、外部干擾等因素的理想狀態(tài)下建立了充種所需真空度的數(shù)學(xué)模型，并提出可靠性系數(shù)對(duì)模型進(jìn)行修正。他還通過(guò)試驗(yàn)建立了吸孔直徑與種子平均寬度的數(shù)學(xué)模型，并確定了吸孔線速度不宜高于0.344 m/s，這些研究成果被我國(guó)學(xué)者廣泛應(yīng)用在氣力式精量排種器的研究中［9， 10］。以上結(jié)論在zmerzi等［11］的研究中得到了驗(yàn)證，他們利用流體力學(xué)理論對(duì)氣吸式排種器的充種過(guò)程、投種過(guò)程進(jìn)行了力學(xué)描述，通過(guò)棉花、玉米排種試驗(yàn)得出吸孔線速度不能超過(guò)0.34 m/s，在建立充種過(guò)程數(shù)學(xué)模型時(shí)，他們假設(shè)充種瞬間種子所處流場(chǎng)的氣流速度與種子懸浮速度相等，因此應(yīng)用該模型時(shí)必須得到充種孔附近的氣流速度分布。

Guarella等［12］對(duì)氣吸針式育苗播種裝置的充種距離進(jìn)行了研究，建立了充種距離與氣流速度、真空度、型孔直徑、種子尺寸的數(shù)學(xué)模型，分析發(fā)現(xiàn)最大充種距離在氣室真空度為0～20 kPa時(shí)隨真空度增大而急劇增大，超過(guò)20 kPa后隨真空度增大變化不明顯。趙湛等［13］在對(duì)氣吸滾筒式排種器充種過(guò)程的動(dòng)力學(xué)分析中也得到了類似的結(jié)論，此外他們還通過(guò)CFD仿真和插值計(jì)算建立了最大充種距離與滾筒轉(zhuǎn)速的數(shù)學(xué)模型。祁兵［5］也對(duì)充種距離進(jìn)行了研究，認(rèn)為充種孔對(duì)種子的吸附力主要為繞流阻力，建立了繞流阻力與充種距離的數(shù)學(xué)模型，發(fā)現(xiàn)充種距離的微小變化都會(huì)引起繞流阻力的大幅波動(dòng)，并在此基礎(chǔ)上描述了“架空”現(xiàn)象引起斷條漏播的原因。

近年來(lái)，有大量研究發(fā)現(xiàn)種子群體狀態(tài)對(duì)充種性能具有顯著影響［14］，如Dylan等在對(duì)氣吸式檀香排種器的試驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)在一定范圍內(nèi)排種盤轉(zhuǎn)速越高充種性能越好的反常現(xiàn)象，觀察分析后認(rèn)為，轉(zhuǎn)速的升高提高了種子群體的流動(dòng)性，其對(duì)充種性能的積極作用大于因轉(zhuǎn)速升高而造成的充種時(shí)間的浪費(fèi)。陳進(jìn)等［15］通過(guò)對(duì)種子群體狀態(tài)的流態(tài)化，有效提高了播種精度。李耀明等［16］利用Matlab編程對(duì)振動(dòng)盤中的種子群體狀態(tài)進(jìn)行了分析，通過(guò)膨脹系數(shù)分析了種子群體離散程度與種子層厚度、振動(dòng)強(qiáng)度的關(guān)系。

陳進(jìn)等［17， 18］對(duì)氣吸振動(dòng)盤式播種裝置中的種子群體狀態(tài)進(jìn)行了離散元模分析，并通過(guò)試驗(yàn)建立了性能指標(biāo)與頻率、振幅、真空度等參數(shù)的數(shù)學(xué)模型，闡述了各因素的主次順序。趙湛［19］也對(duì)氣吸振動(dòng)式排種器進(jìn)行了理論與試驗(yàn)研究，基于離散元軟球接觸模型分析了油菜種子在激振器下的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，并對(duì)負(fù)壓差、滾筒轉(zhuǎn)速、振動(dòng)頻率等因素進(jìn)行了試驗(yàn)。史嵩等［20］利用組合型孔的方式對(duì)種群進(jìn)行擾動(dòng)。祁兵［5］提出新的擾種式氣流結(jié)構(gòu)，如圖1所示，利用氣流對(duì)種子群產(chǎn)生擾動(dòng)，形成充種阻力較小的種子群體狀態(tài)，氣流由充種區(qū)下方進(jìn)入，使充種區(qū)處于膨松狀態(tài)，種子流動(dòng)性好，充種性能可靠。

綜上所述，種群狀態(tài)對(duì)氣力式排種器充種性能有顯著影響，通過(guò)擾動(dòng)機(jī)構(gòu)可以改善種子群體狀態(tài)，提高充種性能，但由于沒(méi)有量化種子群體狀態(tài)對(duì)充種性能的影響機(jī)理，合理的種子群體狀態(tài)的特征尚不明確。現(xiàn)有氣力式精量排種理論主要針對(duì)排種器結(jié)構(gòu)、工作參數(shù)以及種子特性等因素對(duì)排種器性能的影響，對(duì)種子群體狀態(tài)對(duì)充種性能的影響機(jī)理研究較少，且大多停留在試驗(yàn)研究和定性描述階段。

3 氣力式排種器穩(wěn)定清種技術(shù)

排種器在充種時(shí)型孔往往會(huì)吸附多粒種子造成重播現(xiàn)象，為實(shí)現(xiàn)精量排種，需要清種裝置將多余種子去除，原理是通過(guò)毛刷、刮種板、氣流等方式打破多粒吸附種子之間的平衡狀態(tài)，通過(guò)擠壓、碰撞改變種子和型孔的接觸面積，進(jìn)而使處于吸附劣勢(shì)的種子因吸力不足落回充種區(qū)域。

現(xiàn)有氣力式精量排種器一般采用杠桿式、刮板式、毛刷式等清種裝置，主要用于排種部件為垂直圓盤的氣力式精量排種器，丁力等［21］通過(guò)種子和型孔的面積占比關(guān)系，建立清種時(shí)的數(shù)學(xué)模型，發(fā)現(xiàn)重吸主要是吸附過(guò)程中種子姿態(tài)變化導(dǎo)致的，為了保證清種回落的種子落到充種區(qū)域，計(jì)算得出清種機(jī)構(gòu)的安裝位置，對(duì)鋸齒數(shù)和清種曲線的分析，結(jié)合仿真設(shè)計(jì)氣吸式曲線鋸齒形清種機(jī)構(gòu)。李玉環(huán)等［22］提出一種雙側(cè)清種結(jié)構(gòu)的方法，由上側(cè)清種結(jié)構(gòu)對(duì)種子進(jìn)行擠壓碰撞清除一部分的種子，擠壓到下側(cè)的種子由下側(cè)清種結(jié)構(gòu)進(jìn)一步清種。對(duì)清種過(guò)程進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，確定上下側(cè)清種刀的關(guān)鍵參數(shù)，結(jié)果表明采用雙側(cè)清種，排種器合格率普遍提高5個(gè)百分點(diǎn)以上。對(duì)于排種部件為滾筒的氣力式精量排種器，清種裝置與滾筒徑向接觸，祁兵等［23］通過(guò)對(duì)周向清種過(guò)程進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)了用于滾筒式排種器的清種裝置，分析影響清種的主要因素，確定了最優(yōu)的清種距離，可以有效降低排種器工作的重播指數(shù)。劉云強(qiáng)等［24］針對(duì)滾筒式排種器非球形蔬菜種子多粒吸附的情況，設(shè)計(jì)了一種蔬菜育苗播種機(jī)上的清種裝置，通過(guò)吹走吸力不夠的種子達(dá)到清種效果。

綜上所述，清種裝置的設(shè)計(jì)以清種過(guò)程中，種子、排種盤和清種機(jī)構(gòu)的相互關(guān)系建立數(shù)學(xué)模型，確定清種機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，并對(duì)清種過(guò)程進(jìn)行正交試驗(yàn)探究最佳工作參數(shù)組合，改善種子在清種過(guò)程的運(yùn)動(dòng)，以適應(yīng)高速作業(yè)要求，保證排種器作業(yè)質(zhì)量。

4 投種過(guò)程種子平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)

投種過(guò)程種子的運(yùn)動(dòng)變異是影響高速作業(yè)粒距均勻性的關(guān)鍵因素。為解決投種時(shí)種子彈跳的問(wèn)題，現(xiàn)有技術(shù)主要通過(guò)設(shè)置具有特殊曲線的導(dǎo)種管，保證種子落入種床時(shí)的速度與播種機(jī)前進(jìn)速度部分抵消，從而減小種子的彈跳［25］。該投種方法普遍應(yīng)用于現(xiàn)有精量播種機(jī)，隨著精量播種機(jī)作業(yè)速度的提高，單純依靠提高排種器精度已難以保證種子在土壤中的粒距一致性，投種過(guò)程中如何保持種子的精確控制正成為精量播種技術(shù)迫切需要突破的瓶頸問(wèn)題。

在投種方法研究方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者重點(diǎn)對(duì)導(dǎo)種管投種過(guò)程中種子運(yùn)移規(guī)律、能量損失等方面進(jìn)行了研究，大多以種子能量損傷最小化為目標(biāo)，對(duì)導(dǎo)種曲線、投射角度、材料特性等方面展開研究。有國(guó)外研究學(xué)者指出在種子輸送系統(tǒng)中如果沒(méi)有合適的導(dǎo)種管，種子在種床中的縱向分布會(huì)惡化。大量研究表明導(dǎo)種管配置合適與否直接影響田間株距分布的均勻性［2628］。國(guó)內(nèi)在投種方法方面研究較少，近年來(lái)隨著作業(yè)速度不斷提高，投種環(huán)節(jié)失控導(dǎo)致高精度排種器的田間粒距一致性差的問(wèn)題越來(lái)越凸顯。近年來(lái)我國(guó)學(xué)者在導(dǎo)種管方面相繼開展了導(dǎo)種參數(shù)優(yōu)化方法和利用高速攝像技術(shù)相關(guān)方面的研究［29， 30］，探討了導(dǎo)種管精量播種機(jī)接導(dǎo)種管后田間植株分布變化規(guī)律的研究以及降低投種高度等方面的研究工作［31］，均取得了一定效果。

按照投種裝置的工作原理，現(xiàn)有投種方法主要可分為導(dǎo)種管式投種與全程受控式投種，其中導(dǎo)種管式投種目前的主要應(yīng)用方式，全程受控式投種方法為近年來(lái)出現(xiàn)的新型投種方法，具有適應(yīng)速度高、粒距一致性好等顯著優(yōu)點(diǎn)，正逐漸成為未來(lái)的發(fā)展方向。隨著作業(yè)速度的提升，導(dǎo)種管投種方法高速作業(yè)易出現(xiàn)碰撞、彈跳進(jìn)而影響粒距一致性，已經(jīng)無(wú)法滿足精量播種高速、高密、高效的發(fā)展方向，國(guó)內(nèi)外對(duì)投種方法的研究重點(diǎn)正在向全程受控式投種轉(zhuǎn)變。美國(guó)Precision Planting公司針對(duì)玉米精量播種機(jī)的精確投種研制出一套名為Speed Tube的輸送帶式種子投送裝置，該裝置能完成從排種盤投種區(qū)捕獲種子并將種子拋送至輸送帶上，種子被運(yùn)送至輸送帶底部后向后投出，保證種子落地平穩(wěn)性。John Deere公司研發(fā)John Deere 2015系列播種單體，通過(guò)毛刷帶式讓種子輸送的方向與機(jī)具前進(jìn)方向相反，實(shí)現(xiàn)零速投種。Amazone公司和Vaderstad公司研發(fā)了氣壓式壓種單體，避免種子彈跳。馬斯奇奧公司研發(fā)負(fù)壓充種正壓氣流送種，在導(dǎo)種管內(nèi)加入正壓氣流加速種子的運(yùn)動(dòng)，使種子快速落地，準(zhǔn)確定位。

新疆農(nóng)墾科學(xué)院陳學(xué)庚院士針對(duì)免耕播種機(jī)雙圓盤式開溝器投種點(diǎn)高，種子播入土壤中粒距變異系數(shù)大等問(wèn)題，設(shè)計(jì)開發(fā)了一種帶式導(dǎo)種裝置［32］。劉全威［33］研發(fā)了一種撥指同步帶式種子精確投送機(jī)構(gòu)，研究了排種器與輸送機(jī)構(gòu)的各個(gè)相關(guān)結(jié)構(gòu)及工作參數(shù)相互匹配關(guān)系，試驗(yàn)結(jié)果表明，該機(jī)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)種子從排種器排出到落入種溝全過(guò)程運(yùn)動(dòng)控制，避免碰種子碰撞造成的粒距偏差。王云霞等［34］根據(jù)集中排種和氣送導(dǎo)種原理，對(duì)氣流輔助投種裝置投種角度、壓種方式等進(jìn)行了優(yōu)化，設(shè)計(jì)了一種中央集排氣送式玉米精量排種器，采用正壓氣流輸送式導(dǎo)種方式，氣力滾筒式排種器可實(shí)現(xiàn)一器多行排種，排種裝置通過(guò)直接固定于機(jī)架實(shí)現(xiàn)與仿形機(jī)構(gòu)的分離，排種器振動(dòng)小，播種均勻性好且對(duì)高速作業(yè)有較好的適應(yīng)性。山東理工大學(xué)團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種氣動(dòng)式小麥精準(zhǔn)投種裝置［35］，該裝置根據(jù)引射器原理設(shè)計(jì)而成，在高速氣流的沖擊作用下將種子從加速管中高速推入土壤，完成小麥高速精準(zhǔn)投種作業(yè)，播種均勻性好。

綜上所述，被動(dòng)導(dǎo)種的輸種方式具有安裝方便，對(duì)粒距均勻性適中的特點(diǎn)，研究重點(diǎn)主要放在對(duì)優(yōu)化導(dǎo)種管的結(jié)構(gòu)和曲線參數(shù)設(shè)計(jì)上，目前國(guó)內(nèi)和國(guó)外的研究均已趨向成熟，相應(yīng)的技術(shù)已運(yùn)用在播種機(jī)上。主動(dòng)導(dǎo)種結(jié)構(gòu)復(fù)雜，播種精度高，適應(yīng)高速作業(yè)，國(guó)內(nèi)目前研究還處于試驗(yàn)研究階段，國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)實(shí)現(xiàn)機(jī)械式和氣力式主動(dòng)導(dǎo)種裝置在播種機(jī)上的應(yīng)用。

5 排種器平穩(wěn)驅(qū)動(dòng)技術(shù)

排種器的驅(qū)動(dòng)方式常見(jiàn)的是地輪帶動(dòng)鏈條驅(qū)動(dòng)，優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格便宜，安裝精度要求低。但由于鏈條存在磨損會(huì)導(dǎo)致跳齒，影響播種均勻性，面對(duì)該問(wèn)題Yang等［36］研發(fā)了電驅(qū)控制技術(shù)，通過(guò)輸入目標(biāo)株距，電機(jī)的轉(zhuǎn)速會(huì)與傳感器檢測(cè)到地輪轉(zhuǎn)速進(jìn)行匹配，從而保證播種的均勻性。丁友強(qiáng)等［37］針對(duì)地輪打滑影響播種質(zhì)量的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了基于GPS測(cè)速的電驅(qū)式播種機(jī)的控制系統(tǒng)，可以根據(jù)GPS測(cè)出的速度實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。為了驗(yàn)證系統(tǒng)的性能，在相同速度、株距、試驗(yàn)條件下與編碼器測(cè)速進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)GPS測(cè)速方式優(yōu)于編碼器，該電驅(qū)系統(tǒng)更適合高速作業(yè)。在電驅(qū)高速精量播種方面，我國(guó)農(nóng)機(jī)企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)進(jìn)行了積極探索。濰柴雷沃聯(lián)合中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)研發(fā)了12、18行玉米、大豆電驅(qū)式精量播種機(jī)，德邦大為聯(lián)合山東農(nóng)機(jī)院研發(fā)了6行電驅(qū)式玉米單粒精量播種機(jī)，黑龍江德沃公司聯(lián)合新疆農(nóng)墾科學(xué)院研發(fā)了12、18行玉米、大豆電驅(qū)氣力式精量播種機(jī)。

在排種傳動(dòng)方面國(guó)外先進(jìn)的精量播種機(jī)正逐步采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)的方式取代傳統(tǒng)的地輪驅(qū)動(dòng)，如美國(guó)約翰迪爾排種電驅(qū)系統(tǒng)，配合地力信息圖，實(shí)現(xiàn)了變量播種、變量施肥等智能化處方作業(yè)。美國(guó)Precision Planting公司電驅(qū)排種器采用Ddrive電驅(qū)系統(tǒng)，將排種盤擾動(dòng)充種與主動(dòng)投種技術(shù)相結(jié)合，研發(fā)出大豆高速精確排送系統(tǒng)，使其整機(jī)在16 km/h的作業(yè)速度下粒距變異系數(shù)由25%降低至15%，作業(yè)質(zhì)量大幅提升。意大利Maschio的Chrono型播種機(jī)，每個(gè)排種器都配備有獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，根據(jù)機(jī)具前進(jìn)速度調(diào)控排種器驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速以調(diào)節(jié)播種粒距，具有區(qū)段控制、播深一致性調(diào)控、播種質(zhì)量云監(jiān)控和ISOBUS等功能。

Amazone的Cirrus播種機(jī)采用測(cè)速雷達(dá)獲取播種機(jī)前進(jìn)速度，基于該速度調(diào)控氣力集排式排種器轉(zhuǎn)速以調(diào)節(jié)播量，作業(yè)速度最高達(dá)20 km/h，各行排量一致性變異系數(shù)低于3%。

綜上所述，我國(guó)雖對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)、測(cè)速傳感器等核心零部件有所研究，但在功能先進(jìn)性、使用可靠性等方面與國(guó)外產(chǎn)品仍有較大差距。因此補(bǔ)齊氣力式高速精量排種、電驅(qū)式高速精量播種等核心技術(shù)短板，集成研發(fā)可靠性高、可控性強(qiáng)、性價(jià)比高、適宜我國(guó)主要糧油作物規(guī)模化與適度規(guī)模生產(chǎn)需求的電驅(qū)式高速精量播種機(jī)勢(shì)在必行。

6 氣力式精量排種器發(fā)展趨勢(shì)與展望

隨著我國(guó)農(nóng)業(yè)規(guī)模化生產(chǎn)的發(fā)展，規(guī)模化經(jīng)營(yíng)主體對(duì)單產(chǎn)水平高度關(guān)注的同時(shí)，越來(lái)越重視精量播種機(jī)的作業(yè)效率，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對(duì)精量播種技術(shù)提出了更高的要求，即在保證播種質(zhì)量的前提下，盡可能提高作業(yè)效率。目前國(guó)外氣力式精量排種器作業(yè)速度普遍在10 km/h以上，由于技術(shù)水平和工作原理的限制，目前我國(guó)精量排種器僅適于6 km/h以下的低速作業(yè)，如何進(jìn)一步提高我國(guó)精量排種器作業(yè)速度已成為精量播種領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

歐美發(fā)達(dá)國(guó)家播種裝備始終將精量排種器研發(fā)作為核心放在首位，通過(guò)技術(shù)革新驅(qū)動(dòng)整機(jī)裝備更新?lián)Q代的發(fā)展模式已經(jīng)形成。國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家氣力式排種器為在實(shí)現(xiàn)高速充種、穩(wěn)定清種情況下，逐步融入種子精確投送、智能監(jiān)控等技術(shù)，電驅(qū)排種施肥逐漸成為整機(jī)標(biāo)配，大幅提高了精量播種作業(yè)速度，并通過(guò)融合衛(wèi)星定位、專家智能決策、處方圖精準(zhǔn)作業(yè)等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)種肥變量施用。國(guó)內(nèi)部分科研院所及企業(yè)雖然針對(duì)氣力式精量排種器開展大量研究，部分高端精量播種機(jī)基本實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，但高速精量排種器技術(shù)尚不成熟，少量國(guó)內(nèi)產(chǎn)品因核心技術(shù)缺失，性能方面與國(guó)外存在差距，排種低功率電驅(qū)等技術(shù)仍停留在試驗(yàn)階段，雖然普遍配備了播種質(zhì)量監(jiān)控裝置，但大部分只具備實(shí)現(xiàn)種子計(jì)數(shù)與斷條報(bào)警功能，在氣力式高速精量排種器技術(shù)方面與國(guó)外具有較大的差距。

總的來(lái)說(shuō)，國(guó)內(nèi)外氣力式精量排種器技術(shù)將繼續(xù)朝著效率高、精度高、適應(yīng)性廣、可靠性強(qiáng)、智能化程度高的方向發(fā)展。未來(lái)我國(guó)需要進(jìn)一步提高自主創(chuàng)新能力，加強(qiáng)高校、科研機(jī)構(gòu)與龍頭企業(yè)聯(lián)合攻關(guān)，重點(diǎn)從氣力式高速充種、高速作業(yè)低損傷穩(wěn)定清種、投種過(guò)程種子平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)控制、電驅(qū)平穩(wěn)驅(qū)動(dòng)控制等方面開展技術(shù)創(chuàng)新，同時(shí)加大高性能風(fēng)機(jī)、高精度專用驅(qū)動(dòng)電機(jī)、高精度測(cè)速傳感器、耐磨密封材料等配套的零部件和關(guān)鍵材料研究，推動(dòng)拖拉機(jī)液壓系統(tǒng)性能，為氣力式精量排種器打造良好的應(yīng)用環(huán)境和基礎(chǔ)，進(jìn)而促進(jìn)國(guó)內(nèi)氣力式高速精量排種器技術(shù)的不斷迭代升級(jí)。

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基金項(xiàng)目：江蘇省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（BK20211021）；重慶市與中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院戰(zhàn)略合作項(xiàng)目；江蘇省現(xiàn)代農(nóng)機(jī)裝備與技術(shù)示范推廣項(xiàng)目（NJ2022-01）；江蘇省農(nóng)業(yè)科技自主創(chuàng)新資金項(xiàng)目（CX（22）5005）

第一作者：郭文騏，男，1997年生，江蘇南京人，碩士研究生；研究方向?yàn)闅饬κ骄坎シN。E-mail： gwq970630@163.com

通訊作者：祁兵，男，1986年生，山東嘉祥人，博士，副研究員；研究方向?yàn)榫坎シN技術(shù)。E-mail： qb0823521@163.com