馬鈴薯排種器種層擾動(dòng)控制方法研究進(jìn)展及展望

耿愛軍 杜金源 張智龍 張姬 張萬枝 梅志勇

摘要：馬鈴薯排種器是實(shí)現(xiàn)馬鈴薯精密播種的核心工作部件，其排種性能與種群的離散程度密切相關(guān)，種群的離散程度是確保種子順利充種的關(guān)鍵，而排種器的種層高度、種層擾動(dòng)又是影響充種性能的關(guān)鍵因素。介紹現(xiàn)有馬鈴薯排種器的主要結(jié)構(gòu)形式，分析機(jī)械擾動(dòng)和氣流擾動(dòng)提升種群離散度，以及不同供種裝置控制充種區(qū)種層高度、種群流動(dòng)性來提高排種器充種性能的方法；歸納馬鈴薯排種器種層擾動(dòng)控制方法中存在的問題：對(duì)種群擾動(dòng)數(shù)學(xué)模型建立與種群運(yùn)動(dòng)分析研究較少等；對(duì)種層擾動(dòng)改善馬鈴薯排種器充種性能的方法進(jìn)行展望，提出一種大小種箱間歇式供種裝置，通過間歇供種控制種層高度，利用振動(dòng)產(chǎn)生的種群擾動(dòng)增大充種區(qū)的種群離散度、種群流動(dòng)性，以期為改善馬鈴薯排種器充種性能提供參考。

關(guān)鍵詞：馬鈴薯；排種器；種層擾動(dòng)；種層高度；充種性能

中圖分類號(hào)：S223.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2095-5553 （2023） 04-0113-09

Abstract：? Potato seed metering device is the core working component to achieve precise seeding of potato. Its seed metering performance is closely related to the dispersion degree of population. The dispersion degree of population is the key to ensure the smooth filling of seeds， and the seed layer height and seed layer disturbance of seed metering device are the key factors affecting the filling performance. This paper introduces the main structural forms of the existing potato seed metering device， analyzes the methods of mechanical disturbance and airflow disturbance to improve the population dispersion， and different seed feeding devices to control the seed layer height and population mobility in the seed filling area to improve the seed filling performance of the seed metering device. The problems existing in the seed layer disturbance control method of potato seed metering device were summarized as follows： there were few studies on the establishment of mathematical model of population disturbance and population motion analysis， and the methods for improving the seed filling performance of potato seed metering device by seed layer disturbance were prospected. An intermittent seed supply device with large and small seed boxes was proposed. The seed layer height was controlled by intermittent seed supply， and the population dispersion and population mobility in the seed filling area were increased by using the population disturbance generated by vibration， so as to provide reference for improving the seed filling performance of potato seed metering device.

Keywords：? potato; seed metering device; seed layer disturbance; seed layer height; seed filling performance

0 引言

馬鈴薯是繼小麥、玉米、水稻后的第四大糧食作物，我國馬鈴薯種植面積與總產(chǎn)量居世界第一位，但馬鈴薯單產(chǎn)水平與發(fā)達(dá)國家還有一定差距。馬鈴薯作為高產(chǎn)經(jīng)濟(jì)作物，隨著我國農(nóng)業(yè)機(jī)械化進(jìn)程的推進(jìn)，馬鈴薯全程機(jī)械化生產(chǎn)受到了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者和農(nóng)機(jī)研究人員的重視［1-2］。馬鈴薯全程機(jī)械化發(fā)展?jié)摿Υ?、需求迫切，大力推?dòng)馬鈴薯播種機(jī)械化是促進(jìn)馬鈴薯主糧化進(jìn)程的必由之路［3］。

隨著“馬鈴薯主糧化戰(zhàn)略”提出，進(jìn)一步提高馬鈴薯產(chǎn)量是當(dāng)務(wù)之急，精量播種有利于打破產(chǎn)量障礙，現(xiàn)階段精密播種是實(shí)現(xiàn)馬鈴薯產(chǎn)量和質(zhì)量再上新臺(tái)階的有力抓手［4-5］。排種器是精密播種的核心工作部件，播種作業(yè)質(zhì)量和效率由排種器性能決定，播種機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)也體現(xiàn)在排種裝置的設(shè)計(jì)上［6-7］。種層擾動(dòng)是影響排種器充種性能的關(guān)鍵因素，目前對(duì)馬鈴薯排種器的研究很多，但對(duì)種層擾動(dòng)、種群離散度對(duì)排種器充種性能影響的研究相對(duì)較少，仍需要進(jìn)一步分析。

本文在查閱大量相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)影響排種器充種性能的因素進(jìn)行歸納和分析，具體分析了兩種擾動(dòng)方式及供種裝置如何影響種層高度、種群離散度等以提升排種器的充種性能?；谖墨I(xiàn)分析，提出采取間歇式供種裝置加振動(dòng)充種室配合的方法來增加充種率，旨在為提高排種器充種性能提供參考。

1 馬鈴薯排種器主要類型

現(xiàn)有馬鈴薯排種器主要類型主要有薯夾式、針刺式、勺帶（鏈）式、轉(zhuǎn)盤式等［8-9］。根據(jù)馬鈴薯工作原理不同，可將馬鈴薯排種器分為機(jī)械式排種器和氣力式排種器。

1.1 機(jī)械式排種器

1.1.1 指夾式排種器

種薯在由進(jìn)種口進(jìn)入到充種區(qū)后，依靠自身重力和種薯間的相互作用力的作用下，被夾板形成的夾持空間所夾持完成夾種動(dòng)作，在夾種的過程后夾持空間內(nèi)的多余的種薯被清種裝置清除，被夾持的種薯隨轉(zhuǎn)盤運(yùn)動(dòng)到投種區(qū)，在彈簧的作用下薯夾打開，完成投種動(dòng)作。指夾式排種器對(duì)種薯大小具有很好的適應(yīng)性，但薯夾投放位置高于排種盤水平直徑，投種位置相對(duì)較高，種薯落入種溝時(shí)，會(huì)發(fā)生彈跳移位而導(dǎo)致排種間距均勻性差。代表機(jī)型有王業(yè)成、呂金慶等設(shè)計(jì)的指夾式馬鈴薯精密排種器，通過控制夾板開合與擺動(dòng)進(jìn)行排種，在攜種過程中實(shí)現(xiàn)對(duì)種薯可靠夾持，在清種過程中通過改變夾板對(duì)種薯的約束條件、實(shí)現(xiàn)單粒夾持［10］。

1.1.2 針刺式排種器

針刺式馬鈴薯排種器在排種圓盤的圓周上設(shè)有播種臂，每個(gè)播種臂上有可伸縮的刺針，排種器工作時(shí)刺針伸出刺入種薯內(nèi)部，種薯在排種盤的帶動(dòng)下繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，在投種點(diǎn)刺針轉(zhuǎn)變成投種狀態(tài)，刺針收縮至排種臂內(nèi)部，將種薯投入由開溝器開出的種溝里。針刺式排種器能適用于不同類型和尺寸的種薯，重播率低，但由于針刺裝置反復(fù)刺入種薯，導(dǎo)致種薯間病菌交叉感染，嚴(yán)重?fù)p傷種薯品質(zhì)，且針刺裝置在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中易發(fā)生折彎和纏繞雜物等現(xiàn)象。目前，我國對(duì)薯夾式和針刺式排種器研究較少。

1.1.3 轉(zhuǎn)盤式排種器

轉(zhuǎn)盤式馬鈴薯排種器一般由種箱、機(jī)架、排種盤、推種輪、排種軸等部分構(gòu)成，其排種盤由地輪帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，種箱內(nèi)的種薯由傳送帶或人工傳送到轉(zhuǎn)盤的種子槽中，種薯隨轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)到排種口進(jìn)行投種。該排種器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，當(dāng)使用自動(dòng)進(jìn)料斗時(shí)重播率和漏播率高；當(dāng)進(jìn)行手動(dòng)進(jìn)料時(shí)，重播率和漏播率低、播種精度高，但是勞動(dòng)力消耗較大［11］。

1.1.4 勺帶（鏈）式排種器

勺鏈?zhǔn)今R鈴薯排種器一般由地輪帶動(dòng)升運(yùn)鏈旋轉(zhuǎn)，升運(yùn)鏈上裝有托勺，當(dāng)排種器工作時(shí)托勺在充種區(qū)托取種薯，種薯在托勺中隨升運(yùn)鏈運(yùn)動(dòng)至清種區(qū)，在振動(dòng)清種裝置的作用下托勺中多余的種薯被清除，種薯隨鏈勺一起運(yùn)動(dòng)至最高點(diǎn)處依靠自身重力下落至上一托勺底部，在運(yùn)動(dòng)至投種口處下落至種溝中。勺鏈?zhǔn)今R鈴薯排種器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性好，國內(nèi)外應(yīng)用較為廣泛。但勺鏈?zhǔn)今R鈴薯排種器隨著播種速度的增加，種薯易損傷，漏播率和重播率高。代表機(jī)型有王希英等［12］設(shè)計(jì)的雙列交錯(cuò)勺帶式馬鈴薯排種器（圖1）。

1.2 氣力式排種器

氣力式馬鈴薯排種器的滾筒圓周布置著吸種臂，吸種臂的末端安裝吸嘴，供種鏈安裝在排種器的兩側(cè)上方用于為排種器供種，通過供氣閥控制氣流的通斷。工作時(shí)，由供種鏈將種薯輸送到種箱，吸種臂在轉(zhuǎn)軸的帶動(dòng)下旋轉(zhuǎn)，負(fù)壓氣流通過供氣閥、吸種臂進(jìn)入吸嘴產(chǎn)生負(fù)壓壓差，在吸嘴經(jīng)過種箱底部的種層時(shí)，種薯由于負(fù)壓的作用吸附在吸嘴上，隨著轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)經(jīng)過攜種區(qū)進(jìn)入投種區(qū)，種薯由于吸嘴負(fù)壓的消失并且在正壓氣流的作用下完成投種。代表機(jī)型有呂金慶等［13］設(shè)計(jì)的氣吸式馬鈴薯排種器（圖2），利用負(fù)壓吸種，正壓吹種實(shí)現(xiàn)零速投種，彌補(bǔ)了現(xiàn)有零速投種技術(shù)存在的是不適合高速作業(yè)，投種點(diǎn)高等缺點(diǎn)。

目前，我國對(duì)于馬鈴薯排種器的研究以勺帶式與氣吸式居多。氣力式排種器通過壓差作用來產(chǎn)生吸力和吹力，利用吸力來取種使攜種穩(wěn)定性增加；使用吹力來排種或者清種可以降低重播率。氣力式排種器對(duì)種薯的形狀適應(yīng)性強(qiáng)，漏播、重播率低，播種速度比機(jī)械式更快，利于實(shí)現(xiàn)單粒精密高速播種［14］。

2 不同種層擾動(dòng)控制方法對(duì)充種性能的影響

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)排種器的充種性能進(jìn)行了一系列研究，其中影響種群離散度、加大種層擾動(dòng)來改善充種性能的方法主要有由振動(dòng)、攪拌裝置產(chǎn)生的機(jī)械擾動(dòng)以及由氣流產(chǎn)生的擾動(dòng)。機(jī)械擾動(dòng)是通過充種室引入振動(dòng)以及攪動(dòng)等方式，使種群產(chǎn)生“沸騰”運(yùn)動(dòng)，以便于種薯完成充種。氣流擾動(dòng)是通過向充種室內(nèi)部加入擾動(dòng)氣流，增大種群的空間體積以及種群離散度，減小種子間摩擦力、移動(dòng)阻力等，方便更好地完成充種。

2.1 機(jī)械擾動(dòng)

2.1.1 攪拌裝置產(chǎn)生的機(jī)械擾動(dòng)

利用凸臺(tái)等攪拌裝置實(shí)現(xiàn)種群離散是種層擾動(dòng)的一種方法。李玉環(huán)等［15］在設(shè)計(jì)綠豆精量排種器時(shí)，在充種室內(nèi)設(shè)計(jì)“Y型”導(dǎo)種槽，當(dāng)排種器工作時(shí)，“Y型”導(dǎo)種槽在充種區(qū)能夠減少種群的內(nèi)摩擦力，降低因種子架空導(dǎo)致的漏充概率，增大種群流動(dòng)性，促進(jìn)充種。武堯堯［16］設(shè)計(jì)的大豆雙盤氣力式精量穴播排種器在種盤上安裝擾種齒，對(duì)充種區(qū)內(nèi)部的種群進(jìn)行定向擾動(dòng)，貼近種盤的種子層被擾動(dòng)齒剝離，更好完成充種動(dòng)作。丁力等［17］設(shè)計(jì)的玉米氣吸式精量排種器在排種盤內(nèi)圓周式布置著凸臺(tái)，充種區(qū)的凸臺(tái)既可以增大種群流動(dòng)性擾動(dòng)種群，也起到了托持種子的作用提高了種子的初速度，增強(qiáng)了排種器的充種性能。

2.1.2 振動(dòng)產(chǎn)生的機(jī)械擾動(dòng)

對(duì)于馬鈴薯種薯等大顆粒種子，采用排種帶振動(dòng)的方法既不會(huì)使種薯產(chǎn)生跳躍現(xiàn)象又可以將種群離散。胡周勛等將振動(dòng)排序技術(shù)應(yīng)用到微型馬鈴薯播種機(jī)，通過振動(dòng)將馬鈴薯進(jìn)行排序，由輸送帶進(jìn)行傳送排種，在滿足株距的基礎(chǔ)上，減小了漏種率和重種率，提高了播種效率和播種質(zhì)量。劉文政等［18］提出基于受迫振動(dòng)原理的單列排序機(jī)械化播種技術(shù)（圖3），設(shè)計(jì)馬鈴薯微型種薯振動(dòng)排序播種裝置。

采用種箱振動(dòng)增大種群離散度是氣力式滾筒排種器常用的方法，種箱內(nèi)供種過程是一個(gè)復(fù)雜的種群運(yùn)動(dòng)過程，受到種箱振動(dòng)頻率、振幅與種薯物料特性等因素影響，并與排種器的排種性能有直接關(guān)聯(lián)。王朝輝等［19］以氣吸振動(dòng)組合式水稻精密播種機(jī)為試驗(yàn)對(duì)象，研究了種層厚度、振動(dòng)頻率等工作參數(shù)對(duì)其吸種性能的影響。經(jīng)過研究表明，影響其吸種性能的因素有種層厚度、振動(dòng)頻率等，其中種層厚度對(duì)吸種性能影響最大。鹿芳媛等［20］為了探明振動(dòng)勻種裝置工作過程中振盤的振幅和振動(dòng)頻率對(duì)雜交水稻種群運(yùn)動(dòng)規(guī)律的影響，以及種群流動(dòng)特性對(duì)播種性能的影響，得到振動(dòng)頻率為57～59 Hz時(shí)，種群在振盤中分布均勻，播種效果好。張石平等［21］根據(jù)散粒體拋射強(qiáng)度理論，對(duì)種子受力及運(yùn)動(dòng)進(jìn)行理論分析，得到種子產(chǎn)生“沸騰”運(yùn)動(dòng)的振動(dòng)強(qiáng)度臨界條件，驗(yàn)證了臨界條件的正確性。楊明金等［22］根據(jù)振動(dòng)理論，分析了薄層種子和厚層種子在種盤上的運(yùn)動(dòng)。種子拋擲條件與振動(dòng)頻率、種盤振幅和種層厚度有關(guān)，種層越厚，振動(dòng)部件所要求的振動(dòng)強(qiáng)度越大。種子的拋擲狀態(tài)、氣力參數(shù)和吸嘴結(jié)構(gòu)及參數(shù)直接影響振動(dòng)氣吸式精密穴播裝置的排種性能；種子拋擲運(yùn)動(dòng)有利于吸種運(yùn)動(dòng)的進(jìn)行；合理的氣力參數(shù)有利于吸種運(yùn)動(dòng)的完成。采用種箱振動(dòng)的方式提高充種性能是較為常見的方法，即通過充種室引入振動(dòng)，使充種室內(nèi)種群產(chǎn)生“沸騰”運(yùn)動(dòng)，以便增強(qiáng)種群離散度，提高充種性能。當(dāng)充種室引入機(jī)械振動(dòng)后，增加種群流動(dòng)性，減小種子間的摩擦，種子間相互分離，呈現(xiàn)出“沸騰”狀態(tài)，提高了排種器的充種性能。

除上述研究外，國內(nèi)一些學(xué)者利用計(jì)算機(jī)動(dòng)態(tài)模擬開展了一系列振動(dòng)對(duì)種群運(yùn)動(dòng)規(guī)律影響的研究。陳進(jìn)等［23］研究了氣吸振動(dòng)式播種試驗(yàn)臺(tái)內(nèi)種子的運(yùn)動(dòng)機(jī)理，通過對(duì)試驗(yàn)臺(tái)內(nèi)種子運(yùn)動(dòng)過程的計(jì)算機(jī)動(dòng)態(tài)模擬，得出振動(dòng)臺(tái)內(nèi)種子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，為振動(dòng)臺(tái)的參數(shù)選擇提供了理論依據(jù)。胡建平等［24］基于顆粒離散元法，以番茄磁粉包衣種子為對(duì)象，采用Hertz-Mindlin接觸模型，建立了種子和排種器仿真分析模型，研究了種箱振動(dòng)頻率、振幅對(duì)種群運(yùn)動(dòng)規(guī)律及種箱供種性能的影響。李耀明等［25］研究了氣吸振動(dòng)式播種試驗(yàn)臺(tái)內(nèi)種子的運(yùn)動(dòng)機(jī)理，通過對(duì)試驗(yàn)臺(tái)內(nèi)種子運(yùn)動(dòng)過程的計(jì)算機(jī)動(dòng)態(tài)模擬，得出了振動(dòng)臺(tái)內(nèi)種子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，為振動(dòng)臺(tái)的參數(shù)選擇提供了理論依據(jù)。

綜上所述，采用振動(dòng)的方式增大充種區(qū)的種群離散度，種子在振動(dòng)作用下被不斷地拋起，被拋起的種子與其他的種子間的移動(dòng)阻力、摩擦力等減少，流動(dòng)性增大，方便更好地完成充種，提高排種器充種性能。振動(dòng)方式在許多排種器上得到使用，但是在馬鈴薯排種器上的相關(guān)研究較少。油菜、玉米、大豆種子等抗破損性好，種子形狀相對(duì)統(tǒng)一、差別小，而馬鈴薯種薯形狀大小不一，表面易受破損。如果將振動(dòng)頻率與幅度控制在一定范圍內(nèi)，既對(duì)種薯沒有傷害又增大了種群離散度，是提高排種器的充種性能的有效方法。

2.2 氣流擾動(dòng)

2.2.1 充種區(qū)底部引入的氣流擾動(dòng)

對(duì)于氣力式排種器，在充種區(qū)底部引入正壓氣流，由于氣流產(chǎn)生的種群擾動(dòng)可以使種群產(chǎn)生“沸騰運(yùn)動(dòng)”提高了種群流動(dòng)性，增大了種群中的種子間隙，提高了充種率。國內(nèi)外學(xué)者開展了大量的氣流擾動(dòng)影響充種性能的研究。Guarella等［26］研究了充種室內(nèi)氣力參數(shù)對(duì)充種過程的影響。崔濤等［27］提出一種氣力送種、氣流擾種、離心清種的高速排種方法，并設(shè)計(jì)了一種氣送式高速玉米精量排種器。祁兵等［28］設(shè)計(jì)一種中央集排氣送式玉米精量排種器，在充種室內(nèi)引入氣流，氣流在種群底部進(jìn)入，使種群擾動(dòng)，種群空間體積變大，種子間隙增大，通過種群的壓強(qiáng)降低，但是不影響充種孔的吸附力；同時(shí)，由于種群體積增大，種子間移動(dòng)阻力減小，已經(jīng)吸附在充種孔的種子也不會(huì)脫落，有效提高了排種器的充種性能。圖4為新舊氣流結(jié)構(gòu)對(duì)比。

張維等［29］設(shè)計(jì)的氣吹式大豆精量播種機(jī)，當(dāng)種子從輸種筒進(jìn)入排種器內(nèi)部時(shí)，由于種子的自身重力和氣嘴輸入的氣流產(chǎn)生的氣流輔助力的共同作用下，種子被填充到型孔內(nèi)。氣嘴吹入的氣流一方面可以將型孔上多余的種子吹掉實(shí)現(xiàn)清種作用；另一方面吹入的氣流增大了排種器內(nèi)部種群離散程度，有利于型孔更好的充種。史嵩等［30］設(shè)計(jì)一種氣壓組合孔式玉米精量排種器，利用導(dǎo)槽在種群內(nèi)部起到攪動(dòng)作用，加大了種群的流動(dòng)性；利用進(jìn)氣孔吹出正壓氣流，增大了種群間的離散程度，種子間的摩擦力減少。導(dǎo)槽和正壓氣流的共同作用下，種群始終處于流動(dòng)狀態(tài)，提高了排種器的充種性能。圖5為排種器工作過程圖，Ⅰ為充種區(qū)，Ⅱ?yàn)榍宸N區(qū)，Ⅲ為導(dǎo)種區(qū)，Ⅳ為推種區(qū)。

2.2.2 由進(jìn)種口引入的氣流擾動(dòng)

依靠氣流帶動(dòng)種子進(jìn)入排種盤，種子在氣流作用下形成種子流，既提高了種群的流動(dòng)性、減少了移動(dòng)阻力又解決了種群在充種區(qū)堆積的不利于充種的問題。高筱鈞等［31］設(shè)計(jì)了氣送式高速玉米精量排種器，該排種器氣流從進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入，從喂入口進(jìn)入的種子隨氣流通過文丘里管進(jìn)入到排種器內(nèi)部形成種子流。相比傳統(tǒng)的排種器中的種群依靠自身重力進(jìn)行充種的方式來說，隨氣流均勻有序地進(jìn)入排種器的種子流，避免了種子堆積帶來的中間摩擦力大等現(xiàn)象，更利于充種。圖6為排種器工作原理圖。

在氣力式精量排種器中，種群在充種室內(nèi)部由于重力作用堆積在一起，種子間摩擦力大、種群離散度低、流動(dòng)性差，工作過程中種子依靠重力和充種口的負(fù)壓作用將種子吸附在充種口處，但由于種群堆積嚴(yán)重，種子間相互摩擦力、移動(dòng)阻力等多種因素影響下，充種效果不理想。因此，在充種室內(nèi)部引入氣流擾動(dòng)，增加種群離散度，增大種子間隙，使種子間流動(dòng)性增大，排種器更容易完成充種動(dòng)作，有利于提高排種器充種性能。

3 供種裝置對(duì)充種性能的影響

對(duì)大顆粒種子而言，種群間的摩擦阻力大，將種群離散也更困難。一些研究通過設(shè)計(jì)不同的供種裝置，增加種群離散度，確保排種器的充種性能。供種裝置根據(jù)向充種區(qū)加種方式不同，可以分為連續(xù)供種和間歇式供種。

3.1 連續(xù)供種

連續(xù)供種是指種箱連續(xù)地向充種區(qū)加種，連續(xù)供種可以增加充種區(qū)種群流動(dòng)性。雷小龍等［32］通過研究明確了種層高度是影響油麥兼用集排器供種裝置充種性能的原因。邢赫等［33］設(shè)計(jì)了水稻氣力式排種器分層充種室，試驗(yàn)表明，減小排種器中水稻種子之間的擠壓力和摩擦力，改善種子流動(dòng)性，從而使吸種盤上吸孔對(duì)種子吸附能力增強(qiáng)。賴慶輝等［34］設(shè)計(jì)了一種可振動(dòng)供種的氣吸圓盤式微型薯排種器（圖7），利用EDEM軟件，對(duì)振動(dòng)供種結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，結(jié)果表明，適當(dāng)增加振動(dòng)頻率和振動(dòng)幅度可以增強(qiáng)種群擾動(dòng)性，從而提高充種性能。

?？档龋?5］為了提高鏈勺式馬鈴薯排種裝置排種性能，設(shè)計(jì)了具有雙層種箱結(jié)構(gòu)的排種裝置，并分析了充種區(qū)高度影響高效充種區(qū)大小和種薯流動(dòng)性，采用增大充種高度的方式提高充種率僅在一定范圍內(nèi)有效，但隨著充種高度的增大，底層種薯受力增大，種薯流動(dòng)性變差，反而不利于充種。

3.2 間歇式供種

間歇式供種裝置一般由料位開關(guān)、供種電機(jī)等組成，當(dāng)充種區(qū)種層高度下降至一定高度時(shí)，供種電機(jī)開始工作種箱向充種區(qū)供種，當(dāng)充種區(qū)高度上升至一定高度時(shí)，供種電機(jī)停止工作。間歇式供種容易控制種箱內(nèi)種層高度，加種方便。陳進(jìn)等［36］設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)加種裝置來控制種層高度，通過試驗(yàn)表明機(jī)械振動(dòng)式氣吸播種機(jī)的吸種高度控制方法和定量加種控制方式使種子盤內(nèi)種層高度保持在一定范圍內(nèi)，提高了充種率，滿足播種機(jī)的精密播種要求。

呂金慶等［37］設(shè)計(jì)了一種針對(duì)氣吸式馬鈴薯播種機(jī)中的動(dòng)態(tài)供種裝置（圖8），播種機(jī)動(dòng)態(tài)供種系統(tǒng)采用負(fù)反饋調(diào)節(jié)方式，當(dāng)種箱內(nèi)的種薯高度觸碰到料位傳感器K時(shí)，工作電機(jī)M停止供種作業(yè)；當(dāng)種箱內(nèi)的種薯高度下降后，料位傳感器K被釋放，電機(jī)M重新啟動(dòng)，繼續(xù)向排種器箱體內(nèi)供種，使排種器供種過程動(dòng)態(tài)化，實(shí)現(xiàn)馬鈴薯播種機(jī)的連續(xù)作業(yè)。

李明［38］設(shè)計(jì)的氣力杯勺式馬鈴薯排種器，通過地輪帶動(dòng)間歇式喂入機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)間歇式定量的輸種，維持種子室的種群高度在一定范圍內(nèi)，有利于排種器更好地實(shí)現(xiàn)單粒精量排種。圖9為氣力杯勺式馬鈴薯排種器結(jié)構(gòu)示意圖。

供種裝置提高充種性能主要以兩個(gè)因素為主。其一是種層高度。種層高度是影響排種器的充種性能的重要因素。通過動(dòng)態(tài)供種裝置或間隙式供種裝置控制充種室內(nèi)種層高度在一定范圍內(nèi)，在此范圍內(nèi)排種器的充種性能會(huì)得到提升，相反，則排種器合格率下降。其二是種群流動(dòng)性。供種裝置增大了種群流動(dòng)性，當(dāng)充種室內(nèi)的種子不斷被排種器吸種而減少，供種裝置為了保持充種室內(nèi)種層高度在一定范圍內(nèi)，而向充種室內(nèi)供種，充種室內(nèi)種群相比無供種裝置的單一種箱的種群來說流動(dòng)性增大，減小了種子間的擠壓力和摩擦力，從而增強(qiáng)排種器充種性能。

充種區(qū)種層厚度對(duì)排種器的充種性能有著重要的影響。國內(nèi)外學(xué)者通過設(shè)計(jì)不同的供種裝置來控制充種區(qū)種層厚度來提高排種器的充種性能，是提高排種器充種性能的一個(gè)重要研究方向。

4 存在問題

經(jīng)過總結(jié)上述文獻(xiàn)，在馬鈴薯排種器種層擾動(dòng)控制方法中還存在一些問題。

1）? 振動(dòng)對(duì)于馬鈴薯排種器來說可以減少充種區(qū)種子間的摩擦力，提高排種器的充種效率。EDEM作為離散元分析軟件，可模擬排種機(jī)構(gòu)與顆粒物料間相互作用后種子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和機(jī)械特性，通過離散元仿真軟件等模擬分析充種區(qū)種群運(yùn)動(dòng)的研究較少，缺少充種區(qū)振動(dòng)與排種器之間的最佳參數(shù)組合。

2）? 現(xiàn)有的馬鈴薯排種器的研究大都集中在排種器的結(jié)構(gòu)與性能優(yōu)化改進(jìn)上，對(duì)種層擾動(dòng)影響充種性能的研究較少。振動(dòng)等條件下充種區(qū)種薯種群壓力和切向力等作用力復(fù)雜，缺少排種裝置工作參數(shù)與種群作用力之間的數(shù)學(xué)模型。

3）? 種群的運(yùn)動(dòng)特性對(duì)排種器的充種性能有著重要的影響，排種器工作時(shí)充種區(qū)內(nèi)馬鈴薯種群運(yùn)動(dòng)狀態(tài)復(fù)雜，對(duì)種薯在充種過程中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律研究較少。

4）? 馬鈴薯種薯同油菜、小麥、玉米等種子不同，馬鈴薯種薯體積大、表面受碰撞易破損，振動(dòng)對(duì)種群的擾動(dòng)作用，在一定振幅和頻率內(nèi)會(huì)減少種子的內(nèi)摩擦力，增大充種的概率，但是隨著振幅和頻率的增加，會(huì)導(dǎo)致種子之間碰撞力變大，已經(jīng)被吸附的種子也可能被脫離下來，使排種器的充種性能下降，同時(shí)增大振動(dòng)對(duì)于馬鈴薯種薯來說，可能會(huì)造成種薯之間的碰撞，使種薯發(fā)生破皮等損傷，影響種薯品質(zhì)。因此振動(dòng)的頻率、振幅的具體參數(shù)對(duì)種薯品質(zhì)和充種率有著重要影響。

5）? 氣力擾動(dòng)對(duì)油菜、玉米等小顆粒種子應(yīng)用廣泛，而馬鈴薯種薯重力、體積較大，形狀不規(guī)則，使用氣力擾動(dòng)馬鈴薯種群時(shí)，氣力消耗較大。

6）? 馬鈴薯排種器充種區(qū)種層高度是影響排種器充種性能的重要因素，不同的排種器性能要求的種層高度也不同。對(duì)馬鈴薯排種器不同條件下種層厚度對(duì)充種性能影響的研究較少。

7）? 精量播種智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)提高馬鈴薯充種性能有著重要的意義，但是我國馬鈴薯播種機(jī)智能化、信息化發(fā)展起步晚，播種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的使用和開發(fā)不成熟。

5 發(fā)展趨勢(shì)

5.1 加強(qiáng)種層擾動(dòng)技術(shù)研究

無論是對(duì)于微型薯還是切塊薯，在種箱內(nèi)添加振動(dòng)的方式都能使種群增大流動(dòng)性，增強(qiáng)種群離散度，使充種動(dòng)作更易完成，提高排種器充種性能。采用種箱振動(dòng)增大種層擾動(dòng)是一個(gè)提高排種器充種性能的有效方法。

振動(dòng)狀態(tài)下的種薯運(yùn)動(dòng)是十分復(fù)雜的，利用仿真軟件、力學(xué)分析等手段，分析種薯在種箱中振動(dòng)時(shí)的受力及運(yùn)動(dòng)規(guī)律，再與實(shí)際試驗(yàn)相驗(yàn)證，可以更好地利用種層擾動(dòng)來提高馬鈴薯的充種性能。

5.2 加強(qiáng)供種裝置開發(fā)

目前，對(duì)于馬鈴薯排種器的供種裝置的研究相對(duì)較少，且市場(chǎng)上現(xiàn)有的馬鈴薯播種機(jī)采用的大都是單一種箱。單一種箱雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、補(bǔ)種方便但種箱中的種薯堆積嚴(yán)重、種層厚度大，種群流動(dòng)性差，不利于排種器完成充種。馬鈴薯排種器采用動(dòng)態(tài)供種裝置或間隙式供種裝置，能將排種器充種區(qū)的種薯厚度控制在一定范圍內(nèi)且增大種薯流動(dòng)性，有效提高排種器充種性能，對(duì)于實(shí)現(xiàn)馬鈴薯精量播種有著重要的意義。

5.3 改善馬鈴薯排種器充種性能的未來發(fā)展方向

分析上述提高充種性能的方法，采用大小種箱間歇式供種裝置是較為有效的方法。將小種箱作為排種器的充種區(qū)，同時(shí)利用振動(dòng)產(chǎn)生的種群擾動(dòng)增大充種區(qū)的種群離散度、種群流動(dòng)性?？刂菩》N箱的種層高度在一定范圍內(nèi)，減少種群擠壓造成的摩擦阻力大等不利因素，通過振動(dòng)裝置進(jìn)一步離散種群，提高種群離散度，以提高排種器充種性能。與傳統(tǒng)馬鈴薯排種裝置相比，大小種箱間歇式供種裝置在排種器的整體結(jié)構(gòu)上并沒有增加冗余的結(jié)構(gòu)，但對(duì)排種器的充種性能有著顯著的提升。

5.4 推進(jìn)馬鈴薯播種機(jī)復(fù)式作業(yè)

未來馬鈴薯播種機(jī)隨著效率的不斷提升，播種機(jī)的智能化和多功能化也在不斷進(jìn)步。在不斷提升排種器的性能同時(shí)，加強(qiáng)對(duì)馬鈴薯播種機(jī)復(fù)式作業(yè)的研究，將起壟、開溝、播種、施肥、覆土、鎮(zhèn)壓一體化，使馬鈴薯播種機(jī)多功能化，一次可完成多道播種流程，提高工作效率。

5.5 推進(jìn)馬鈴薯播種機(jī)機(jī)電液一體化

氣力式馬鈴薯播種機(jī)的風(fēng)機(jī)一般由拖拉機(jī)后旋轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)，當(dāng)拖拉機(jī)在轉(zhuǎn)彎或怠速時(shí)，風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速會(huì)發(fā)生波動(dòng)，影響氣力系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性。機(jī)電液一體化技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械中應(yīng)用廣泛，利用拖拉機(jī)后液壓輸出系統(tǒng)帶動(dòng)液壓馬達(dá)，通過液壓馬達(dá)帶動(dòng)風(fēng)機(jī)為馬鈴薯播種機(jī)提供氣力源，方便調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，使風(fēng)機(jī)保持穩(wěn)定的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)馬鈴薯播種機(jī)機(jī)電液一體化。

5.6 推進(jìn)馬鈴薯播種機(jī)智能化、信息化

提高馬鈴薯排種器充種性能對(duì)馬鈴薯精密播種性能、推進(jìn)馬鈴薯種植機(jī)械化、提高馬鈴薯產(chǎn)量與質(zhì)量都有著重要意義。馬鈴薯精量播種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)ΣシN作業(yè)時(shí)的漏播、重播、播種行距等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并將數(shù)據(jù)反饋到智能化的人機(jī)交互界面。精量播種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將智能化與農(nóng)業(yè)機(jī)械相結(jié)合，既有利于監(jiān)測(cè)馬鈴薯播種機(jī)的播種情況，又有利于實(shí)現(xiàn)馬鈴薯精量播種智能化、現(xiàn)代化、信息化。

6 結(jié)語

隨著馬鈴薯生產(chǎn)機(jī)械化的不斷推進(jìn)，馬鈴薯播種機(jī)的播種性能也在不斷提升。排種器的充種性能是影響馬鈴薯播種機(jī)精密播種的重要因素。影響種群離散度、加大種層擾動(dòng)來改善充種性能的方法主要有由振動(dòng)、攪拌裝置產(chǎn)生的機(jī)械擾動(dòng)以及由氣流產(chǎn)生的擾動(dòng)和供種裝置。

采用種箱振動(dòng)的方式提高充種性能是較為常見的方法，即通過充種室引入振動(dòng)，使充種室內(nèi)種群產(chǎn)生“沸騰”運(yùn)動(dòng)，以便增強(qiáng)種群離散度，提高充種性能。當(dāng)充種室引入機(jī)械振動(dòng)后，增加種群流動(dòng)性，減小種子間的摩擦，種子間相互分離，呈現(xiàn)出“沸騰”狀態(tài)，提高了排種器的充種性能。氣流擾動(dòng)則是在充種室內(nèi)部引入氣流，通過氣流增加種群空間體積，增大種群間的離散度；種子間相互的摩擦力、移動(dòng)阻力減少，增大了種群流動(dòng)性，但是充種口的吸附作用卻沒有變化，因此種子則更容易完成充種過程。連續(xù)性供種裝置增大了充種區(qū)種群流動(dòng)性；間歇式供種裝置可以控制充種區(qū)種層高度，提高排種器的充種率。

精量播種是馬鈴薯機(jī)械化生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，排種器是播種機(jī)的核心，高效、可靠的馬鈴薯排種器是確保馬鈴薯種植質(zhì)量與效率的關(guān)鍵。研究和分析種層擾動(dòng)對(duì)排種器充種性能的影響，對(duì)提高排種器的精密播種性能、推動(dòng)馬鈴薯種植機(jī)械化有著重要的意義。

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