精量排種器的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

侯云濤

（黑龍江省農(nóng)業(yè)機(jī)械工程科學(xué)研究院，黑龍江 哈爾濱 150081）

0 引言

精密播種是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要技術(shù)手段之一，它通過種子的精準(zhǔn)分布和利用，大大提高了播種作業(yè)的精度和速度，避免了種子的浪費，從而有效降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本。精量排種器作為精密播種機(jī)的核心部件和裝置，是保證精密播種過程精確實施的關(guān)鍵。目前，精量排種器根據(jù)工作原理可以分為機(jī)械式和氣力式2 種類型，機(jī)械式精量排種器雖然制造成本較低，但它的工作精度較低，在工作過程中容易導(dǎo)致種子破損率的上升；相比之下，氣力式排種器可以更好地保護(hù)種子，提高精度和效率。

氣力式精量排種器根據(jù)排種方式和結(jié)構(gòu)特點，可以分為氣吸式、氣壓式和氣吹式3 種類型[1-2]。氣吸式排種器采用真空吸力將種子吸入排種器內(nèi)，再通過控制氣流的停止和啟動來控制種子的排放，其精度較高，適用于種子較小的作物。氣壓式排種器則是通過利用壓縮空氣對種子進(jìn)行推動和分配，具有速度快和適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點，適用于各種類型的種子，但由于氣流的慣性效應(yīng)，其精度相對較低。氣吹式排種器則采用高壓氣流將種子從種子箱中吹入排種器內(nèi)，通過控制氣流的速度和方向，實現(xiàn)高精度的種子排放，適用于較大顆粒的種子。正因為氣力式精量排種器具有以上優(yōu)點，目前已成為國內(nèi)外精量排種器發(fā)展的主要趨勢。

1 國外精量排種器研究現(xiàn)狀

1.1 氣吸式精量排種器

約翰迪爾公司在2014 年推出了ExactEmerge 排種器。John Deere ExactEmerge 是一款新型的氣吸式排種器，它采用了John Deere 自主研發(fā)的BrushBelt技術(shù)，使用空氣流和刷帶將種子從種子箱中吸出，并通過管道將種子輸送到排種器，然后通過真空吸力將種子從排種器排出。這種技術(shù)可以提高種子輸送的速度和精度，使種子間距更加均勻，從而提高了作物的收成量。具有高速種子輸送能力，可達(dá)每分鐘10 英尺（約3 m），并且具有非常高的排種準(zhǔn)確性。其排種器結(jié)構(gòu)主要由2 個獨立的排種器單元組成，每個單元都有1 個電動馬達(dá)和1 個氣壓系統(tǒng)，控制種子的排放和分配。排種器單元之間采用間隙式排種，種子之間的間隔可以根據(jù)不同作物的需求進(jìn)行調(diào)整。排種板上的孔數(shù)量比傳統(tǒng)的氣吸式排種器多得多，因此可以更有效地分布種子，提高種子的密度和均勻性。

另外，近年來，美國的氣吸式排種器還開始采用更先進(jìn)的材料和工藝，以提高耐用性和使用壽命。例如，Kinze Manufacturing 公司在2015 年推出了一款名為“True Speed”的氣吸式排種器，它使用高強(qiáng)度鋼和鋁合金制成的排種管和排種器盤，可以更好地抵御磨損和腐蝕。

Horsch Maestro RC 是德國Horsch 公司于2015 年推出的一款氣吸式排種器，Maestro RC 使用的排種板分為前后2 部分，前部分用于吸取種子，后部分用于排放種子。排種板采用可調(diào)節(jié)的空氣隙技術(shù)，可以根據(jù)種子大小和形狀進(jìn)行調(diào)整，以確保精準(zhǔn)排放。Maestro RC 采用獨特的氣流系統(tǒng)，通過多級風(fēng)扇和氣管將空氣引導(dǎo)到種子排放口，氣流的壓力和速度可以根據(jù)種子類型和土壤情況進(jìn)行調(diào)整，以確保種子能夠精準(zhǔn)地投放到所需位置。該排種器的壓實輪是通過液壓系統(tǒng)控制的，可以根據(jù)不同作物和土壤類型的需求進(jìn)行調(diào)節(jié)。

1.2 氣壓式精量排種器

Case IH 公司于2018 年推出了Early Riser 2150排種器，采用了氣壓式技術(shù)，其設(shè)計結(jié)構(gòu)和技術(shù)水平都比較先進(jìn)。Early Riser 2150 采用先進(jìn)的高速排種系統(tǒng)，每排種植單元可以獨立操作，提高了種植的準(zhǔn)確性和一致性。該機(jī)的排種器結(jié)構(gòu)采用了雙排式設(shè)計，每行之間的距離可以根據(jù)作物需求進(jìn)行調(diào)整。Early Riser 2150 排種器梳齒輪可以通過不同的齒輪組合實現(xiàn)不同種子的種植深度和間距，以適應(yīng)不同作物和田間環(huán)境；排種器的每個排種單元都有1 個獨立的彈簧懸掛系統(tǒng)，可以跟隨地形變化，保持一定的壓力，并確保種子能夠在正確的深度和位置種植，這種懸掛系統(tǒng)可以幫助排種器適應(yīng)不同的田地條件，確保種子種植的準(zhǔn)確性和一致性。Early Riser 排種器采用了獨特的“Seed Tube”結(jié)構(gòu)設(shè)計，可以將種子送到地面上并精確定位，確保種子的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。排種器還配備了精密的真空控制系統(tǒng)和電子控制系統(tǒng)，可以實時監(jiān)測種子的流量和位置，并自動調(diào)節(jié)真空壓力和排種速度，保證種子落地的準(zhǔn)確性和一致性。

KUHN ESPRO 于2011 年由法國KUHN 公司推出。ESPRO 排種器采用了雙排種輪排種技術(shù)，每個排種單元包括2 個排種輪，可以實現(xiàn)一次性排種2行作物，從而提高了作業(yè)效率。排種單元還配備了獨立的空氣壓力控制系統(tǒng)，確保種子的精準(zhǔn)投放。KUHN ESPRO 排種器配備了高精度的感應(yīng)器，用于檢測排種管的位置和機(jī)具的移動速度。感應(yīng)器可以確保種子在正確的時間及位置被釋放，從而提高了種植效率和作物產(chǎn)量。

1.3 氣吹式精量排種器

Kinze 4900 Air Seeder 是Kinze Manufacturing 公司2014 年推出的一款氣吹式排種器，采用了新型的氣流噴射技術(shù)和結(jié)構(gòu)設(shè)計，可以實現(xiàn)更高效、更精確的種植作業(yè)。Kinze 4900 Air Seeder 采用單排式設(shè)計，每個排種單元包括1 個種子箱、1 個壓力室、1個分配器和1 個排種管，通過控制排種管的開閉，實現(xiàn)種子的精準(zhǔn)排種；每個排種單元都配備了1 個種子分配器，用于將種子分配到每個排種管中，該分配器采用了多級分配設(shè)計，可以確保種子的均勻分配和流量的精準(zhǔn)控制。氣壓系統(tǒng)采用液壓驅(qū)動，通過高壓氣體將種子送入排種管，該系統(tǒng)能夠提供穩(wěn)定的氣壓，確保種子排放的精度和均勻性。種子通過排種器進(jìn)入氣路系統(tǒng)，在氣流控制下可以將種子精確地噴向地面，并且可以自動調(diào)節(jié)噴射角度和氣流速度，適應(yīng)不同種植條件和種子類型。排種器還配備了高精度的種子傳感器和電子控制系統(tǒng)，可以實時監(jiān)測種子的流量。排種器的結(jié)構(gòu)采用了先進(jìn)的復(fù)合材料和金屬材料，保證了排種器的輕量化和耐用性。

AMAZONE EDX 是德國AMAZONE 公司生產(chǎn)的一款氣吹式排種機(jī)。EDX 采用堅固的框架結(jié)構(gòu)，確保排種單元的穩(wěn)定性和可靠性，通過電子驅(qū)動精確控制種子的落地和壓實，該排種單元設(shè)計緊湊，安裝和拆卸方便，易于維護(hù)。AMAZONE EDX 的種子箱和壓力槽采用可拆卸設(shè)計，方便清潔和更換種子，壓力槽配有調(diào)節(jié)器，可以根據(jù)種子類型和土壤狀況進(jìn)行調(diào)整。EDX 采用錐形排種輪，使得種子能夠垂直落地，避免種子側(cè)向移動，排種輪的形狀也可以根據(jù)不同的種子進(jìn)行調(diào)整，以達(dá)到最佳的排種效果。

2 國內(nèi)精量排種器研究現(xiàn)狀

2.1 氣吸式精量排種器

四川農(nóng)業(yè)大學(xué)張黎驊團(tuán)隊設(shè)計的小株距密植氣吸式精量排種器能夠?qū)崿F(xiàn)雙重清種，適用于大豆-玉米帶狀復(fù)合種植模式下的精量排種作業(yè)[3]。該排種器在玉米和大豆的排種過程中，具有較高的合格指數(shù)（97.78%）和較低的重播指數(shù)（0.32%）、漏播指數(shù)（1.90%），這些結(jié)果表明，該排種器具有優(yōu)異的精度和穩(wěn)定性，可以有效提高農(nóng)作物的產(chǎn)量和品質(zhì)，能夠滿足現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對精量排種的要求。南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院李驊[4]團(tuán)隊通過對排種器的工作原理和關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)的計算，設(shè)計了一種具有良好排種性能的小青菜精量排種器。這款排種器通過仿真試驗和臺架驗證試驗，表現(xiàn)出較高的合格率、較低的漏播率和重播率，與傳統(tǒng)排種器相比，這款排種器在排種過程中具有更高的精度和穩(wěn)定性，能夠保證種子的均勻分布和良好生長條件，適用于小青菜的精量排種作業(yè)，從而提高了作物的產(chǎn)量和品質(zhì)。山東理工大學(xué)蘭玉彬[5]團(tuán)隊針對氣吸式排種器在進(jìn)行扁平形狀種子排種時，充種性能不穩(wěn)定，排種效果不佳的問題，設(shè)計了一種具有傾斜凸臺式取種結(jié)構(gòu)的氣吸式排種器，田間試驗結(jié)果表明，可大大提高排種器吸附穩(wěn)定性和作業(yè)性能。

2.2 氣壓式精量排種器

在實際應(yīng)用中，氣力式集中排種器需要調(diào)整不同的參數(shù)來適應(yīng)不同作物的需求，具體來說，排種器的精度和穩(wěn)定性主要受到真空壓力、排種盤轉(zhuǎn)速和吹種風(fēng)速等參數(shù)的影響，其中，真空壓力是調(diào)整種子吸附和放置的重要參數(shù)，排種盤轉(zhuǎn)速可以控制種子的精確計量和放置，吹種風(fēng)速可以影響種子的精準(zhǔn)輸送。為此，謝宇峰等[6]人進(jìn)行了排種器性能試驗，并通過試驗結(jié)果得出了真空壓力、排種盤轉(zhuǎn)速和最優(yōu)吹種風(fēng)速的最優(yōu)參數(shù)組合，通過調(diào)整這些參數(shù)，氣力式集中排種器可以更加準(zhǔn)確地進(jìn)行排種，從而提高種子的發(fā)芽率和產(chǎn)量。中國農(nóng)業(yè)大學(xué)王德成[7]團(tuán)隊研發(fā)了一種氣壓式精量排種器，種子被儲存在種子倉中，通過正壓風(fēng)管被輸送到排種器中，排種器采用氣壓式精量排種器，可以根據(jù)不同的作物和種子大小進(jìn)行調(diào)整；經(jīng)過排種試驗，證明該排種器具有良好的排種均勻性和通用性，在對苜蓿、披堿草和玉米進(jìn)行排種試驗時，結(jié)果顯示排種器能夠較均勻地排種，并且符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。河北農(nóng)業(yè)大學(xué)趙曉順[8]團(tuán)隊在研究氣吸式排種器的過程中發(fā)現(xiàn)，該類型排種器存在易堵塞的問題，因此，他們著手設(shè)計了一種滾筒正負(fù)壓式排種器，以解決這一問題。相比氣吸式排種器，滾筒正負(fù)壓式排種器采用的是正壓和負(fù)壓的雙重作用方式，可以將種子精確地排放到排種孔中，減少了種子被堵塞的風(fēng)險，從而提高了排種器的可靠性，滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.3 氣吹式精量排種器

與傳統(tǒng)的排種方式相比，氣吹式精量排種器可以更加精確地控制種子的排放量，尤其是對于大顆粒種子，它的排種效果更好[9]。在實際應(yīng)用中，為了達(dá)到更好的排種效果，可以根據(jù)種子的大小和形狀等特性，選擇合適的氣嘴和錐孔結(jié)構(gòu)參數(shù)，以及調(diào)整氣嘴和錐孔的相對位置。同時，還需要控制排種盤的轉(zhuǎn)速，以確保單粒種子能夠充分附著在錐形窩眼內(nèi)。為了提高氣吹式排種器的充種效率和精度，山西省農(nóng)業(yè)機(jī)械發(fā)展中心劉中峰[10]團(tuán)隊設(shè)計了一種氣流輔助充種裝置，該裝置通過間斷氣流的方式，對充種過程進(jìn)行輔助，能夠提高充填合格率、充填性能和充種效率，相較于一般氣吹式排種器，具有氣流輔助充種裝置的氣吹式排種器的排種效果更好。在氣流輔助充種裝置的設(shè)計中，關(guān)鍵因素包括間歇氣流的時間、強(qiáng)度和頻率等參數(shù)，團(tuán)隊通過試驗分析，優(yōu)化了氣流輔助充種裝置的參數(shù)組合，從而實現(xiàn)了更高效的充種效果。根據(jù)三七種子的外形特征和種植要求，昆明理工大學(xué)賴慶輝[11]研發(fā)了一種專門適用于播種三七的氣吹式精量排種器，該排種器經(jīng)過理論計算與分析，確定了主要結(jié)構(gòu)參數(shù)，如排種盤的錐形窩眼大小、氣嘴形狀和大小等，旨在解決三七種子充填不均勻、播種效率低等問題。為了驗證排種器的性能，研究團(tuán)隊采用正交試驗方法，在臺架試驗中對種層高度、作業(yè)速度、清種風(fēng)壓等參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，并得到了最佳參數(shù)組合，進(jìn)一步提高了排種器的精度和效率。

3 討論與展望

隨著我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的推進(jìn)，精密農(nóng)業(yè)技術(shù)的應(yīng)用日益受到重視，精量排種器作為其中的關(guān)鍵技術(shù)之一，其發(fā)展前景非常廣闊，以下是未來我國精量排種器的發(fā)展趨勢。

3.1 提高排種器的作業(yè)性能和精度

隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的不斷發(fā)展和升級，對于精量排種器的性能和精度要求也越來越高。未來，國內(nèi)的精量排種器將會致力于提高作業(yè)效率和精度，包括優(yōu)化排種器的結(jié)構(gòu)設(shè)計、改善排種器的機(jī)械控制系統(tǒng)和提高排種器的作業(yè)自動化程度等方面。同時，通過對氣動力學(xué)和顆粒力學(xué)的深入研究，優(yōu)化排種器的排種原理和工作機(jī)制，以提高排種器的性能和精度。

3.2 排種器的設(shè)計與農(nóng)藝相結(jié)合

精量排種器的設(shè)計需要結(jié)合不同農(nóng)業(yè)作物的生長需求和種植條件，才能更好地實現(xiàn)作物的精準(zhǔn)種植。未來，國內(nèi)的精量排種器將會結(jié)合不同作物的生長要求和種植條件，進(jìn)行設(shè)計和優(yōu)化，從而實現(xiàn)精準(zhǔn)種植和提高作物產(chǎn)量的目標(biāo)；同時，將不同種植條件下的農(nóng)藝技術(shù)和種植方法與精量排種器的設(shè)計和使用相結(jié)合，以實現(xiàn)更加科學(xué)、高效和節(jié)能的種植方式。

3.3 完善排種器設(shè)計的輔助研究

精量排種器的設(shè)計需要多學(xué)科知識和技術(shù)的支持，將會更加注重與其他領(lǐng)域的交叉融合,包括氣動力學(xué)、流體力學(xué)、機(jī)械工程、自動化技術(shù)、農(nóng)學(xué)等領(lǐng)域，需要加強(qiáng)對排種器設(shè)計的輔助研究，探索新的理論和方法，提高設(shè)計效率和準(zhǔn)確性，例如，運用數(shù)值模擬技術(shù)和實驗研究手段，優(yōu)化排種器結(jié)構(gòu)和參數(shù)設(shè)計，提高排種器的性能和可靠性。未來，國內(nèi)的精量排種器研究將會更加注重跨學(xué)科合作和知識共享，加強(qiáng)與國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域的合作，共同推動精量排種器的研發(fā)和應(yīng)用；同時，加強(qiáng)對排種器使用過程中問題和需求的研究，開發(fā)相應(yīng)的輔助技術(shù)和系統(tǒng)，以滿足不同農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者的需求和要求。