免耕播種機排種器機理及發(fā)展趨勢

黑龍江省農(nóng)業(yè)機械試驗鑒定站 東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院

□ 李曉東 李 卓 □ 孔 陽

保護性耕作是相對于傳統(tǒng)鏵式犁翻耕的新型耕作技術(shù)，改善其帶來的土壤干燥疏松和裸露休閑。保護性耕作的基本原理及要求如下：一是減少動土量，即減少機具耕作次數(shù)；二是減少對環(huán)境的污染，即收獲后的秸稈不進(jìn)行燃燒而是還田；三是減少地表的裸露，通過秸稈覆蓋和留有作物根茬提高土壤蓄水能力，保持良好的結(jié)構(gòu)狀態(tài)。其結(jié)果是，減輕水土流失和風(fēng)蝕作用，提高農(nóng)田蓄水保墑能力；提高土壤有機質(zhì)含量，為后續(xù)農(nóng)作物出苗和生長發(fā)育創(chuàng)造有利條件。

在保護性耕作技術(shù)環(huán)節(jié)中，免耕播種機是不可或缺的裝備。排種器作為其核心部件，工作質(zhì)量優(yōu)劣是評價免耕播種機整體性能的重要指標(biāo)。因此，提高排種器工作效率以及工作質(zhì)量，關(guān)系后續(xù)苗齊、苗早、苗全、苗壯，以減少人工補苗或者其他作業(yè)，為保護性耕作技術(shù)全面推廣提供強有力的技術(shù)支持。

一、排種器的分類

按播種方式分，排種器可分為穴播排種器和條播排種器。穴播排種器有：型孔輪式，型孔盤式指壓式，孔盤式（水平的、豎直的、傾斜的），氣力式（氣吸式、氣吹式和氣壓式）；條播排種器有：槽輪式（內(nèi)槽輪以及外槽輪），勺式輪，拔輪式，花盤式，磨盤式，氣力式以及離心式等。

按精確控制程度分，即排種器能否在相等時間以及相等距離內(nèi)形成均勻的種子流和精確控制排種的數(shù)量，又可分為精密排種器和非精量排種器。其中，精密排種器主要有氣力式和機械式兩種，氣力式排種器包括氣吹式、氣吸式和氣壓式3 種；機械式排種器主要包括勺輪式、指夾式、窩眼輪式、環(huán)帶孔式。

二、氣力式精密排種器性能、結(jié)構(gòu)特點及其研究

1.氣吹式排種器

氣吹式排種器以西德卡爾?貝克公司的Aeromat—Ⅱ為代表。其中，國內(nèi)很多研究都以此機型展開的。氣吹式排種器利用氣嘴吹出的氣流清除排種型孔內(nèi)多余種子，并壓附、保持排出單粒種子的排種器。氣吹式排種器是在窩眼輪盤式排種器的基礎(chǔ)上，利用種子在沖種區(qū)的自身重力和氣流壓差的作用下填充至排種輪盤型孔的內(nèi)部。沖種的型孔轉(zhuǎn)到清種區(qū)域時，風(fēng)機提供給氣嘴的高壓氣流將型孔上多余的種子吹落，只剩下一粒種子留在型孔中，隨排種輪盤轉(zhuǎn)到護種區(qū)時氣壓消失，運動到下方卸種區(qū)時種子依靠自身重力以及推種片的作用排種，然后進(jìn)入種溝內(nèi)。該排種器主要應(yīng)用于玉米、大豆等作物的播種。其特點是：對種子的尺寸形狀要求相對寬松，充種性能較好，排種過程中的種子損傷率低，并且能夠進(jìn)行高速排種作業(yè)速度為8km/h 以上。其缺點是：壓力達(dá)不到相應(yīng)要求時，不能夠清除多余的種子，進(jìn)而造成重播；當(dāng)氣壓過高時會將種子吹走，容易造成漏播；輪盤的加工精度要求較高加工復(fù)雜。主要用于大中型免耕播種機。中國農(nóng)業(yè)大學(xué)劉佳等針對玉米氣吹式排種器進(jìn)行研究得出在吹氣壓強大于2.5kPa條件下，粒距合格指數(shù)能達(dá)到90%以上，漏播指數(shù)在1.2%以下，能夠?qū)崿F(xiàn)精密排種。

2.氣吸式排種器

氣吸式排種器是以負(fù)氣壓將種子吸附到排種元件的型孔上而進(jìn)行排種的排種器。主要工作部件是為一個吸孔布滿周圍的排種圓盤和一個刮種片。其背面為一個真空室，真空室與風(fēng)機吸風(fēng)口相連，當(dāng)風(fēng)機工作時，真空室內(nèi)形成負(fù)壓。排種盤另一面放有種子。當(dāng)排種盤轉(zhuǎn)動時，在風(fēng)機吸力作用下，種子被吸附在排種盤吸孔上，與排種盤一起運動。種子離開真空后依靠自身重力落入種溝。其中，刮種片的作用是刮去吸種孔上吸附的多余種子。

其特點是：對種子的形狀尺寸要求不嚴(yán)格，可以提高播種作業(yè)速度，可以通過改變吸孔直徑來適應(yīng)不同大小的種子，并且可以通過改變吸孔數(shù)目跟播種傳動比來實現(xiàn)株距的要求。其缺點是：種子群運動不合理可能會造成重播或者漏播的現(xiàn)象；氣密性要求比較高，易磨損，并且結(jié)構(gòu)復(fù)雜。沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)高富強針對氣吸式排種器排種性能進(jìn)行正交試驗得出：對于不同種子合適的吸種孔是關(guān)鍵，對于玉米籽粒，吸種孔一般選擇5.5mm時，排種效果最佳；排種速度為35r/min，氣吸室真空度為4.0kPa時排種盤的質(zhì)量最優(yōu)。內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)趙全滿等利用吸附原理，建立空氣流場方程，并通過種子氣吸狀態(tài)下的受力狀況及種子脫離吸種孔后的分析計算，試驗得出：在大豆排種時排種盤轉(zhuǎn)速為21.7r/min、氣吸室真空度為2.5kPa 時排種效果最好，粒距合格指數(shù)達(dá)到91.26%。

3.氣壓式排種器

氣壓式排種器以正氣壓將種子壓附于排種元件的型孔內(nèi)而進(jìn)行排種的排種器。氣壓式排種器在國外主要進(jìn)行玉米、大豆、高粱等的點播得到了廣泛應(yīng)用，大致分為兩種類型：其一為單個排種器；其二是采用集中式排種。其原理為：風(fēng)機將具有一定壓力的空氣送入排種器充種室內(nèi)，排種盤轉(zhuǎn)動，氣孔內(nèi)外產(chǎn)生一定壓力差，進(jìn)而一定數(shù)目的種子被吸附在排種盤窩眼孔內(nèi)，隨著排種盤轉(zhuǎn)動，經(jīng)過清種毛刷時將多余種子清除，只留下一粒種子；與單個排種不同的是，集中式排種器最后采取彈性形卸種輪強制使窩眼與大氣相通，壓力消失，種子依靠自身重力掉進(jìn)接種漏斗中，進(jìn)而進(jìn)入氣流輸送管，在氣流的作用下進(jìn)入種溝內(nèi)。

其特點是：排種器結(jié)構(gòu)緊湊合理，簡單，通用性較好，種子損傷率低，充種的性能較好。其缺點是：投種高度相對較高，種子落地后容易彈跳，進(jìn)而造成株距的均勻性以及株距的合格率相對較低，功率消耗相對較大。針對功耗大的問題楊善東等設(shè)計了內(nèi)充側(cè)正壓玉米精量排種器能夠在風(fēng)機工作壓強為1.2kPa、播種作業(yè)速度為7.2km/h，粒距合格指數(shù)可以達(dá)到91.30%。

三、機械式排種器性能、結(jié)構(gòu)特點及其研究

1.指夾式排種器

指夾式排種器是利用裝在圓盤上的指夾排出種子的排種器。相關(guān)部件主要有：種盤、指夾器、清種刷以及前后殼體等組成。排種器在排種的過程中分為：充種區(qū)、清種區(qū)、導(dǎo)種區(qū)、投種區(qū)等。指夾器安裝在種盤上能夠避免種子和指夾器在定盤的磨損，指夾器在轉(zhuǎn)動過程中能夠定時開啟，即指夾器運動到充種區(qū)的時候指夾器開啟，充種取得種子進(jìn)入指夾器內(nèi)，繼續(xù)旋轉(zhuǎn)關(guān)閉夾持器進(jìn)而進(jìn)入進(jìn)而完成充種的過程；種子隨著指夾器進(jìn)入清種區(qū)，在清種區(qū)依靠自身重力以及清種刷的清種作用來實現(xiàn)指夾器內(nèi)只有一顆種子；當(dāng)種子進(jìn)入導(dǎo)種區(qū)時指夾器打開，種子會在離心力和重力的作用下進(jìn)入投種口完成投種的作用要求。

其特點是：機械可靠性較高，結(jié)構(gòu)緊湊、高效，能夠?qū)崿F(xiàn)條播的精量播種，株距均勻，并且種子的粒距合格指數(shù)能夠達(dá)到98%以上。其缺點是：結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，對種子外形要求相對嚴(yán)格，高速播種適應(yīng)性差，漏播相對較高，種子損傷率也較高進(jìn)而導(dǎo)致空穴較多。適用于玉米、大豆等農(nóng)作物的播種。山東理工大學(xué)耿端陽等設(shè)計了一種玉米伸縮指夾式精量排種器解決了高速作業(yè)適用性差，以及對種子形狀尺寸要求嚴(yán)格等的問題。并通過正交試驗得出指夾器開啟行程16mm、排種器轉(zhuǎn)速為45r/min 時，漏播指數(shù)為1.9%、粒距合格指數(shù)為95.4%、重播指數(shù)為1.7%。

2.窩眼輪式排種器

窩眼輪式排種器用繞水平軸旋轉(zhuǎn)的窩眼輪排出種子。種子靠自身重力填充至窩眼內(nèi)，經(jīng)過與窩眼輪轉(zhuǎn)向相反的清種輪時進(jìn)行清種作業(yè)，然后種子隨旋轉(zhuǎn)的窩眼輪進(jìn)入護種區(qū)，當(dāng)運動到卸種位置時靠推種片進(jìn)行卸種。能夠適用于高粱、大豆、玉米的點播或者穴播。其優(yōu)缺點是：結(jié)構(gòu)相對簡單，但經(jīng)常出現(xiàn)窩眼堵塞，機械可靠性差；有時不能單粒精量播種，播種均勻性差，種子機械損傷率高，作業(yè)速度一般不大于6km/h。對此，甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院趙瑞營等運用離散元法設(shè)計了一種高填充率的精量排種器，仿真得出排種輪轉(zhuǎn)速為25r/min，窩眼輪圓角半徑為1mm，排種輪與擾動滾筒之間傳動比為2:1 時排種性能最優(yōu)，粒距合格指數(shù)為98.6%、重播指數(shù)為0.8%、漏播指數(shù)為0.6%。

四、結(jié)束語

隨著自動化程度不斷提高以及大功率拖拉機的發(fā)展，精密排種器的播種作業(yè)正朝著快速、高效、精量播種的方向發(fā)展。在聯(lián)合作業(yè)模式下，盡量減少農(nóng)業(yè)機具的進(jìn)地次數(shù)，將排種器的優(yōu)勢最大限度地發(fā)揮出來，可以最大限度減輕對土壤結(jié)構(gòu)的破壞，實現(xiàn)農(nóng)作物產(chǎn)量提高，進(jìn)而達(dá)到預(yù)期經(jīng)濟效益。

從排種原理上創(chuàng)新，如國外提出的液體排種、靜電排種以及磁吸振動式排種等，通過機械式與氣力相互結(jié)合設(shè)計新結(jié)構(gòu)排種器，達(dá)到預(yù)期排種效果。

通過虛擬的儀器檢測系統(tǒng)，使整個工作狀況可視化，在排種器作業(yè)時進(jìn)行實時檢測，進(jìn)而減少重播、漏播等。Θ