淺談我國(guó)電驅(qū)動(dòng)精量排種器研究進(jìn)展*

張 惠 ， 潘 峰 ， 紀(jì) 超 ， 陳金成

（1.新疆農(nóng)墾科學(xué)院機(jī)械裝備研究所，新疆 石河子 832000；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部西北農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 石河子 832000）

作為播種機(jī)的核心單元，排種系統(tǒng)的性能優(yōu)劣決定著播種效率、質(zhì)量、便捷性等多項(xiàng)作業(yè)指標(biāo)。為提升播種機(jī)械化技術(shù)水平，我國(guó)相關(guān)領(lǐng)域?qū)W者對(duì)排種系統(tǒng)展開(kāi)了長(zhǎng)期深入的探索與實(shí)踐研究。本文從精量排種器的結(jié)構(gòu)形式、工作原理及各類精量排種器直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)形式三個(gè)角度對(duì)排種系統(tǒng)進(jìn)行綜述，針對(duì)現(xiàn)存問(wèn)題提出建議并展望發(fā)展趨勢(shì)，旨在為高端精量播種技術(shù)及裝備的研究提供參考。

1 電驅(qū)精量排種器

1.1 機(jī)械式電驅(qū)精量排種器

機(jī)械式電驅(qū)精量排種器的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，但播種精度低[1]，主要有槽輪式、窩眼輪式和勺輪式以及指夾式等機(jī)型。機(jī)械式精量排種器對(duì)種子大小、形狀要求嚴(yán)格，主要適用于玉米、大豆等種子的播種[2]。機(jī)械式排種器利用其型孔將種子從種箱中分離出來(lái)，充種、清種和排種等環(huán)節(jié)靠種子自重或機(jī)械裝置來(lái)完成，當(dāng)提高排種頻率時(shí)，容易出現(xiàn)重播、漏播和種子破碎等現(xiàn)象，限制了機(jī)械式排種器作業(yè)效率的提高[3]。

槽輪式排種器是應(yīng)用比較廣泛的一種機(jī)械式電驅(qū)精量排種器，有內(nèi)槽輪式和外槽輪式之分，其核心部件是槽輪，槽輪上都帶有凹槽用來(lái)充種。內(nèi)槽輪式排種器的槽輪是一個(gè)內(nèi)緣帶凸棱的圓環(huán)，外槽輪式排種器的槽輪是一個(gè)外緣帶齒輪的圓盤(pán)。外槽輪式較內(nèi)槽輪式排種器應(yīng)用更為廣泛，如臺(tái)沭云等[4]設(shè)計(jì)的一種傾斜外槽輪上排種式排種器，其槽齒的副工作面傾斜于一邊（槽輪轉(zhuǎn)速方向那一側(cè)），即如同在型孔前開(kāi)設(shè)一個(gè)導(dǎo)槽，有利于種子充滿凹槽，同時(shí)還不易卡種。該槽輪充種性能和排種性能均較理想，對(duì)種子損傷率低。金亦富等[5]設(shè)計(jì)了一種單行獨(dú)立外槽輪式電控排種器，其電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器和嚙合軸與外槽輪連接，電機(jī)轉(zhuǎn)速?zèng)Q定外槽輪轉(zhuǎn)速。由于阻塞輪與外槽輪同軸同徑，所以可以通過(guò)改變阻塞輪的軸向位置來(lái)改變外槽輪有效工作長(zhǎng)度，解決半幅播種手動(dòng)插板停行、漏播監(jiān)督、及時(shí)補(bǔ)種等問(wèn)題。

1.2 氣力式電驅(qū)精量排種器

由于氣力式排種器具有對(duì)種子形狀尺寸要求低、通用性好、更易于高速精量作業(yè)等優(yōu)點(diǎn)[6]，加上隨著我國(guó)農(nóng)機(jī)自動(dòng)化與信息化技術(shù)的不斷發(fā)展，自動(dòng)導(dǎo)航、播種作業(yè)監(jiān)控、高速電驅(qū)播種等技術(shù)植入精量播種機(jī)[7-8]，所以氣力式電驅(qū)精量排種器一直是國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的熱潮。

氣力式電驅(qū)精量排種器根據(jù)壓力差產(chǎn)生的來(lái)源不同，分為負(fù)壓式和正壓式兩種排種器。依照刮種方式的不同，正壓式電驅(qū)精量排種器又有氣壓式、氣吹式之分。

1)將25個(gè)雞蛋放在一個(gè)自制的25個(gè)格子的蛋盤(pán)中(格子的大小與分割圖像的設(shè)置參數(shù)對(duì)應(yīng))，同時(shí)每個(gè)雞蛋都對(duì)應(yīng)一個(gè)透光孔；將雞蛋放在海綿上，盡量保證雞蛋與透光孔對(duì)齊無(wú)縫隙。

負(fù)壓式精量排種器又叫氣吸式精量排種器，是當(dāng)前運(yùn)用最廣泛的一種精量排種器，尤其用在玉米播種機(jī)上[9]；隨著國(guó)內(nèi)外對(duì)其研究的深入，出現(xiàn)了多種不同結(jié)構(gòu)的排種器，但其工作原理基本一致，其帶有取種孔（型孔）的齒形排種盤(pán)的一邊是真空室，真空室與軟管連接到風(fēng)機(jī)，另一邊連接到充種室，充種室與種子相接觸。當(dāng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，吸種室被抽成真空產(chǎn)生負(fù)壓，齒形排種盤(pán)兩側(cè)便產(chǎn)生壓力差，排種盤(pán)外圓與電機(jī)的驅(qū)動(dòng)齒輪嚙合；通電后電機(jī)帶動(dòng)排種器轉(zhuǎn)動(dòng)，排種盤(pán)轉(zhuǎn)到吸種區(qū)，負(fù)壓室兩側(cè)的壓差使種子被吸附在型孔上，隨齒形排種盤(pán)一起運(yùn)轉(zhuǎn)到刮種區(qū)，多余的種子被刮掉，一個(gè)型孔只留一粒種子[9-10]；轉(zhuǎn)到卸種區(qū)時(shí)，吸有種子的型孔離開(kāi)真空室，種子不再被吸住，隨即落入種溝，完成排種。

1.2.1 負(fù)壓式電驅(qū)精量排種器

吳福通[11]、李明等[12]、李兆東等[13]先后設(shè)計(jì)了多種結(jié)構(gòu)的氣吸式精量排種器，如氣吸圓盤(pán)式精量排種器，利用獨(dú)立吸種區(qū)和正壓投種區(qū)，解決種孔堵塞及種粒破碎問(wèn)題；再如氣吸滾筒式精量排種器，在氣吸滾筒上增設(shè)多排吸種孔，可一器多行精量排種。曹秀龍等[14]設(shè)計(jì)了一種氣吸滾筒式穴盤(pán)育苗精密排種器，應(yīng)用Fluent軟件模擬分析滾筒內(nèi)壁和吸種孔與正壓氣室的流場(chǎng)特征，優(yōu)選正壓進(jìn)氣孔間距參數(shù)，并創(chuàng)新設(shè)計(jì)了一種帶凸起的吸種帽及倒U型清種結(jié)構(gòu)，利用光電傳感器和正壓投種機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)同步整排投種。崔東云[15]針對(duì)氣吸式小麥排種器排種性能不穩(wěn)定、充種效果差等問(wèn)題，研究了PWM電液比例控制的氣吸式小麥精量排種裝置，建立PWM電液比例控制系統(tǒng)模型和垂直雙吸盤(pán)排種器的幾何模型，并進(jìn)行了仿真與試驗(yàn)研究，得到了最佳排種效果。張禹等[16]設(shè)計(jì)的一種水稻播種覆膜一體機(jī)所采用的排種器就是氣吸式排種器。仿真結(jié)果表明，該排種器能夠?qū)崿F(xiàn)旱田覆膜和精準(zhǔn)播種一體化，提高勞動(dòng)效率。

第一，在學(xué)科建設(shè)上，旅游起源與本質(zhì)的探討是事關(guān)旅游學(xué)科能否建立以及如何建立的一個(gè)重要理論問(wèn)題，因?yàn)檫^(guò)去是現(xiàn)在和未來(lái)的基礎(chǔ)和依據(jù)，不知古，何以知今；不知今，更何以指導(dǎo)未來(lái)。深度地了解過(guò)去，也才能更前瞻地推斷未來(lái)?！耙?jiàn)異思遷”的旅游本質(zhì)可以作為概念性定義區(qū)分旅游移動(dòng)性(mobility)與其他移動(dòng)性的差別。

顏曉晨穿好后，走了出去，很標(biāo)準(zhǔn)的職業(yè)小西服，不透不露，可面對(duì)著沈侯，不知為何，就是覺(jué)得有些羞澀，都不敢直視沈侯的眼睛，直接走到了鏡子面前。

雞湯煨好了，我扯了把稻草，包住瓦罐，抱著就往上塆去。到了金寶屋里，他坐在山墻邊的矮凳上，頭埋在褲襠里，見(jiàn)我進(jìn)門(mén)，忙抬頭招呼：“她細(xì)嬸兒過(guò)來(lái)了哈?！?/p>

氣壓式電驅(qū)精量排種器有兩種，一種是集中式排種，其利用種子重力和刮種器刮種，再利用壓差攜帶種子至投種區(qū)[17]，該排種器可同時(shí)播6~8行作物[18]，是一個(gè)內(nèi)充型的回轉(zhuǎn)排種筒，其筒內(nèi)壁的窩眼小孔連通筒外，屬集中式排種。氣流流經(jīng)排種筒、接種漏斗、輸種管，最后流入排種筒，封閉的排種筒內(nèi)氣壓高，由于壓力差，種粒貼附在窩眼內(nèi)，壓差較小的多余種子隨著排氣筒上升被清除（毛刷刷除），彈性卸種輪堵住窩眼小孔，種粒由于沒(méi)有了壓力差而掉入接種漏斗，進(jìn)入輸種管，隨氣流流入各自的種溝內(nèi)；另一種氣壓式電驅(qū)精量排種器，其充種原理與集中式相同，不同的是排種圓盤(pán)，它是一行作物對(duì)應(yīng)一個(gè)排種器，還有一點(diǎn)不同于集中式：利用種粒自重卸種，降低傷種率，同時(shí)該排種器可降低投種高度，提高株距合格率。

謝宇峰等[19]研制的氣力式集中排種器采用的是氣壓式精量排種器，其不同的排種環(huán)帶適應(yīng)不同作物，并做了排種器性能試驗(yàn)，得出最優(yōu)參數(shù)組合：真空壓力0.005 5 MPa、排種盤(pán)轉(zhuǎn)速0.25 r/s、吹種風(fēng)速44 m/s。李中華等[20]設(shè)計(jì)了一種正壓式氣送免耕播種機(jī)，采用氣壓式精量排種器，并進(jìn)行了排種試驗(yàn)，證明該排種器排種均勻性和通用性較好，對(duì)苜蓿、披堿草和玉米均可較均勻排種，且達(dá)到行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。

步進(jìn)電機(jī)是將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化成固定角度位移的電氣元件，需專用的控制器通過(guò)控制脈沖頻率調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速及加速度，其控制精度高、響應(yīng)靈敏。針對(duì)機(jī)械式播種機(jī)的振動(dòng)導(dǎo)致播種質(zhì)量不高的問(wèn)題，Jiang等[25]基于DSP開(kāi)發(fā)了步進(jìn)電機(jī)位置控制的控制器，有效地減少了不同步情況的發(fā)生，并通過(guò)光電編碼器檢測(cè)電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)位置的精確控制。Yang等[26]設(shè)計(jì)了一款玉米播種機(jī)的開(kāi)環(huán)控制和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和齒輪傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)排種器，提高了排種盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)的穩(wěn)定性。張振濤[27]通過(guò)步進(jìn)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)排種器的方式，相較于機(jī)械式降低了玉米播種漏播率、重播率和變異系數(shù)，實(shí)現(xiàn)了高速作業(yè)下玉米播種株距的均勻性和任意調(diào)節(jié)。孟杰等[8]將步進(jìn)電機(jī)動(dòng)力通過(guò)兩段鏈條傳遞給排種器的方式使花生播種合格率達(dá)98%以上。由于步進(jìn)電機(jī)控制器可配置脈沖細(xì)分模式實(shí)現(xiàn)速度的精細(xì)控制，同時(shí)結(jié)合編碼器、衛(wèi)星測(cè)速等高精度傳感器，利用速度閉環(huán)控制算法，可以很好地解決小麥[28-29]、谷子[30]、辣椒[31]等小粒徑種子的精量播種問(wèn)題。

氣吹式電驅(qū)精量排種器是在窩眼輪式排種器的基礎(chǔ)上利用氣流清種，種粒在重力和氣壓差的作用下充入排種盤(pán)的錐形通孔內(nèi)[21-22]，排種器主要由型孔輪、氣流噴嘴、推種板等組成，型孔輪輪周均勻分布著錐形通孔。充種區(qū)的種粒借助重力和氣流壓差作用，吸附在取種盤(pán)，進(jìn)入排種盤(pán)型孔窩眼中，當(dāng)轉(zhuǎn)到清種區(qū)時(shí)，氣流嘴清除多余的種粒，此時(shí)，型孔內(nèi)只有一粒種子，種子繼續(xù)隨取種盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)到護(hù)種區(qū)，氣壓消失，種子利用重力和推種片，最后排出掉進(jìn)種溝。

1.2.3 氣吹式電驅(qū)精量排種器

沈永寧[23]研制的2BJ-16型氣力式精量播種機(jī)，采用氣吹式精量排種器，工作過(guò)程中氣吹式清種與氣力式充種相結(jié)合，以適應(yīng)真空室風(fēng)壓的波動(dòng)性，適用于播種多種作物。李成華等[24]對(duì)氣吹式傾斜圓盤(pán)精量排種器的結(jié)構(gòu)和工作原理進(jìn)行了研究與分析，經(jīng)試驗(yàn)得出單粒指數(shù)和漏播指數(shù)的主要影響因素：排種盤(pán)型孔的直徑和深度。

2 精量排種器電機(jī)驅(qū)動(dòng)形式

2.1 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)

1.2 市場(chǎng)優(yōu)勢(shì) 煙臺(tái)作為重要的櫻桃生產(chǎn)基地，我國(guó)各省各地的銷售的櫻桃大部分都來(lái)源于山東煙臺(tái)，特別是福山區(qū)。由于櫻桃的自然特性加上運(yùn)輸?shù)木窒扌允沟臋烟以谄渌胤降氖蹆r(jià)相對(duì)較高。隨著冷鏈物流的發(fā)展，福山大櫻桃在我國(guó)內(nèi)陸地區(qū)的市場(chǎng)巨大。煙臺(tái)地處膠東半島，地理位置優(yōu)越，與渤海黃海瀕臨，與日韓隔海相望，占據(jù)了十分有利的出口位置，特別有利于福山大櫻桃的海外銷售。所以，無(wú)論是海內(nèi)市場(chǎng)還是海外市場(chǎng)都擁有廣闊前景。

1.2.2 氣壓式電驅(qū)精量排種器

2.2 直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)

直流伺服電機(jī)是相較于步進(jìn)電機(jī)更加精密的一種執(zhí)行元件，可以實(shí)現(xiàn)位置、速度和力矩的閉環(huán)控制，克服了步進(jìn)電機(jī)失步的問(wèn)題。王方艷等[32]利用直流伺服電機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、調(diào)速范圍寬、控制方式靈活、抗速度過(guò)載和轉(zhuǎn)矩過(guò)載等特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)了一種適用于溫室胡蘿卜精量播種的氣吸式排種器。苑嚴(yán)偉等[33]針對(duì)不同地區(qū)玉米播種農(nóng)藝，采用伺服電機(jī)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，并選配1∶50速比的減速機(jī)用于驅(qū)動(dòng)排種軸，實(shí)現(xiàn)了播種粒距的自動(dòng)調(diào)節(jié)。賈昊等[34]設(shè)計(jì)的基于電機(jī)直驅(qū)的玉米播種機(jī)控制系統(tǒng)，能夠避免地輪滑移現(xiàn)象，并且隨畝播量變化而實(shí)現(xiàn)株距的動(dòng)態(tài)自適應(yīng)。

2.3 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)

直流電機(jī)按照結(jié)構(gòu)和原理可分為直流有刷電機(jī)和直流無(wú)刷電機(jī)，均可利用脈沖調(diào)制技術(shù)實(shí)現(xiàn)變電壓無(wú)級(jí)調(diào)速。直流電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、易于控制，且可根據(jù)實(shí)際部署需求實(shí)現(xiàn)控制器系統(tǒng)的高度集成。因此，基于直流電機(jī)的精量播種驅(qū)動(dòng)方式得到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛研究，且目前已有相應(yīng)的機(jī)具得到推廣應(yīng)用。He等[35-36]根據(jù)田間條件，針對(duì)直流無(wú)刷電機(jī)開(kāi)發(fā)的變量播種控制算法可顯著降低播種滯后距離，其播種單體控制單元成本僅為國(guó)外產(chǎn)品的28%。利用前期開(kāi)發(fā)的單體控制單元，進(jìn)一步利用無(wú)刷直流電機(jī)配合衛(wèi)星導(dǎo)航定位算法，有效地解決了播種機(jī)轉(zhuǎn)向時(shí)橫向速度差異造成的播種率不準(zhǔn)確的問(wèn)題[37]。趙曉順等[38]開(kāi)發(fā)的基于直流無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)的模糊控制器，可實(shí)現(xiàn)玉米等作物的單粒精播和小麥等作物的精量條播。楊碩等[39]采用直流有刷電機(jī)實(shí)現(xiàn)了玉米氣吸排種器的總線控制，并解決了快速適應(yīng)多類型排種器排種控制的問(wèn)題。為進(jìn)一步研究多路玉米單體的同步獨(dú)立電驅(qū)控制，Chen等[40]在姚潁飛等[41]的研究的基礎(chǔ)上，利用排種器外周加工的齒輪與直流有刷電機(jī)減速器齒輪嚙合，增加電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力矩，大大地降低了所選電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)矩。實(shí)現(xiàn)了18路玉米高速（大于10 km/h）精量單體的獨(dú)立同步控制，且研制的相關(guān)產(chǎn)品已得到推廣應(yīng)用。

本文通過(guò)對(duì)現(xiàn)階段我國(guó)地面氣象觀測(cè)工作在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用進(jìn)行研究可以發(fā)現(xiàn)，只有提高氣象觀測(cè)的針對(duì)性，才能有效的促進(jìn)我國(guó)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。

采用步進(jìn)電機(jī)、伺服電機(jī)或直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)精量播種機(jī)排種器，可實(shí)現(xiàn)播種單體的獨(dú)立控制及排種器轉(zhuǎn)速與作業(yè)速度匹配，有效保障高速作業(yè)下播種質(zhì)量的粒距一致性。但目前國(guó)內(nèi)電機(jī)驅(qū)動(dòng)相關(guān)研究主要圍繞傳統(tǒng)機(jī)械上的改裝，并以中心軸安裝或電機(jī)獨(dú)立安裝的方式，通過(guò)直接或鏈條間接驅(qū)動(dòng)排種器轉(zhuǎn)動(dòng)，因此機(jī)械結(jié)構(gòu)不緊湊，集成度不高，能耗較大。在今后的研究中，電機(jī)驅(qū)動(dòng)和機(jī)械布局應(yīng)統(tǒng)籌考慮，一體化設(shè)計(jì)。以減阻耐磨和小型低功率電機(jī)應(yīng)用為目標(biāo)，創(chuàng)制輕質(zhì)、耐磨新材料，優(yōu)化機(jī)械結(jié)構(gòu)，降低傳動(dòng)阻力，以期實(shí)現(xiàn)小型直流電機(jī)的適配應(yīng)用。

3 討論與展望

近年來(lái)，精量播種技術(shù)快速發(fā)展，智能化水平有所提高，但精量播種產(chǎn)品，尤其是電驅(qū)動(dòng)精量排種器相對(duì)國(guó)外還比較落后。綜合國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀，從以下三個(gè)方面對(duì)當(dāng)前存在的問(wèn)題進(jìn)行討論。

1）排種器的結(jié)構(gòu)對(duì)種子適應(yīng)性較差。目前排種器的結(jié)構(gòu)大多是根據(jù)種子的形狀設(shè)計(jì)的，適應(yīng)性較差，需繼續(xù)優(yōu)化其結(jié)構(gòu)參數(shù)，盡可能地提高排種器對(duì)不同形狀的適應(yīng)性，同時(shí)加大對(duì)氣吸集排式排種器的研究，以滿足寬幅度播種作業(yè)的要求。

2）尚未建立電驅(qū)式精量播種機(jī)質(zhì)量的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)。由于電驅(qū)式播種機(jī)在傳動(dòng)特性上要優(yōu)于機(jī)械式傳動(dòng)，如果依舊采取機(jī)械式排種器的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，難以保證成型產(chǎn)品的質(zhì)量，故需制定相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)出適合我國(guó)國(guó)情的高性能播種機(jī)，盡快縮小我國(guó)與發(fā)達(dá)國(guó)家精量播種技術(shù)的差距。

3）從農(nóng)業(yè)發(fā)展的實(shí)際需要考慮，精量播種技術(shù)仍會(huì)以提高排種效率和精度、排種設(shè)備的穩(wěn)定性和可靠性為出發(fā)點(diǎn)。從技術(shù)層面上來(lái)說(shuō)，我國(guó)在排種智能化的技術(shù)研究方面處于起步階段，隨著我國(guó)新型材料、制造精度和加工工藝等的發(fā)展，北斗定位系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，帶有自動(dòng)導(dǎo)航和播種作業(yè)監(jiān)控設(shè)備、能夠根據(jù)農(nóng)藝信息決策變量播種的高速高精度精量排種技術(shù)是我國(guó)精量排種器的未來(lái)發(fā)展方向。