淺談國內外氣力式播種機的研究現狀與發展趨勢

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

精量播種技術是指從種室中分離準確數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是走向智能農業的必經之路[1]。目前國內外的精密播種機中應用最普遍的是氣力式排種器，其對種子形狀尺寸適用性好，易實現高速作業，能夠有效提高充種精度及播種效率[2,3]。

1 氣力式排種器結構與原理

氣力式排種器結構各異，但其原理大多數都相似，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部氣力系統形成負壓完成種子的吸附，然后切換至正壓環境，將種子順利排出，實現播種作業[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構示意

（1）種箱內的種子隨著氣室的壓力變化穩定地流入充種室，在充種室內形成種堆；

（2）排種器進行播種作業，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）氣室內壓力變化，吸附涌動的種子，芽種隨著排種盤流動，當氣室內壓力變為正壓時，種子在重力及吹力的作用下落入導種管內；

（4）種子沿著導種管的內壁落進田間土壤中，完成播種工作。

2 氣力式播種機國內外研究現狀

2.1 國外研究現狀

在國外，已有不少企業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 公司設計的一種排種器[5]，它創新性地設計出攪種鈕，攪種鈕位于吸孔四周，用于拌種，利于吸附種子，其總體構造如圖2（a）；法國的Pneumasem 農機公司[6]生產的同類型排種器的攪種鈕也位于氣孔的四周，其構造如圖2（b）；德國的Franz Klerinz 公司[7]研制的排種器的取種區域位于兩導種塊間，二者同步進行，在移動過程中，種子先進入取種區域，到投種區后進入投種口，其結構如圖2（c）；Eset 排種器由美國Prcision 公司[8]設計，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新，如圖3，該團隊設計了一種四排氣動式播種盤，在試驗中確認了轉速、真空度等因素都將影響排種器吸種和排種等特性。結果表明：當轉速為20 r/min，真空度在3～15 kPa 范圍內時，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，攜種與排種采用側壓式精量排種器，該排種器可根據種子尺寸大小替換排種盤，適應性較好，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起步較早，通過理論和試驗結合改善了排種器性能，研發了適應當地土壤和規模的播種方案，隨著時代的發展，排種器的高效、精量以及兼容性會越來越強。

2.2 國內研究現狀

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，其研究領域主要集中在精量播種方面，研發了不同型孔形狀式樣的排種器。李兆東[11]以自行設計的“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成，采用氣吹式清種和氣吸式護種實現了精量播種，并對其排種性能進行了測試[12]。

圖5 油菜氣壓型集排種器

中國農業大學課題組[13]研發出內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，發現了弧長對種子在排種器內移動的影響特征，分析了不同型孔結構對排種器性能的影響，其清種裝置能夠適應不同大小的種子。

圖6 玉米精量播種器

閆建偉[14]研發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、清種區、攜種區和落種區4 個區域。

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：孔徑2.2 mm、真空度3.0 kPa，當排種盤的轉速為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，近年來國內在精量排種器研究開發方面有明顯進展，對精量排種器的研發水平正在穩步提升，氣力式精量排種器以其播種效率高、質量好、對種子適應性強、不傷種等優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為在氣力式播種機作業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構失效。

3.2 播種功能失效

風機工作時內部空氣壓力較低導致風機無法正常運轉，從而使種子與空氣之間產生摩擦，發生漏播現象。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，如傳動結構維護不到位、傳動結構的損壞等[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，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作物的產量造成直接影響，因此研制一種低成本、高質量的精密排種器成為推動現代農業機械發展的當務之急。隨著農業機械化和智能化的不斷發展，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。