氣力式小麥精量排種器研究現(xiàn)狀及展望

河北農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 張玉潔 畢珈寧 江東博 楊諾 劉明 馬笑宇

引言

小麥作為世界三大糧食作物之一，具有種植面積最大、產(chǎn)量最多、分布最廣的特點(diǎn)。同時(shí)，小麥種植在我國的歷史悠久，其在我國糧食生產(chǎn)中的地位愈加重要，小麥產(chǎn)業(yè)的發(fā)展直接關(guān)系到國家糧食安全和社會(huì)的穩(wěn)定。小麥傳統(tǒng)播種方式主要為撒播、條播、穴播，存在著播量高、水肥施用量大等問題，致使出現(xiàn)群體密度大、個(gè)體吸收養(yǎng)分和光照不足，易倒伏且穗粒小等現(xiàn)象，嚴(yán)重限制了小麥單產(chǎn)的提高[9]。

小麥播種機(jī)是小麥生產(chǎn)的主要載體，排種器是影響播種機(jī)播種性能的重要因素，其作業(yè)效果對(duì)小麥的出苗與成長發(fā)揮著重要作用[1]。田間環(huán)境復(fù)雜，在作業(yè)過程中易產(chǎn)生排種傳動(dòng)系統(tǒng)不穩(wěn)定、播深難以調(diào)節(jié)等問題，在一定程度上造成了漏播、播量不均、播深不一致等現(xiàn)象，從而影響著小麥的播種質(zhì)量。

因此，本文基于對(duì)氣力式小麥精量播種排種器國內(nèi)研究現(xiàn)狀的分析，主要從氣吹、氣吸兩方面對(duì)氣力式排種器研究進(jìn)行介紹，希望對(duì)今后氣力式小麥排種器的發(fā)展產(chǎn)生一定的積極作用。

1 排種器發(fā)展現(xiàn)狀

目前，國外氣力式排種器是精量播種的常用裝置，在玉米、大豆等作物的播種機(jī)上得到了廣泛應(yīng)用，麥類精密播種是一直以來的世界性難題[2]，而實(shí)現(xiàn)精密播種的關(guān)鍵零件就是排種器，它保證了種子能夠單粒且定時(shí)排出[3]，降低了播種量，并且能使種子具有準(zhǔn)確的播種深度，行距以及株距，同時(shí)提高了播種質(zhì)量。排種器按照排種方式的不同可分為兩大類，一類是機(jī)械式，另一類是氣力式，前者結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，但對(duì)種子的大小有嚴(yán)格要求，并且在送種和排種的過程中容易破壞種子，所以為了解決因種子大小不同而造成的漏播和一般排種器對(duì)種子的破損等問題，20世紀(jì)30年代開始研制氣力式排種器，這種排種器可以有效避免上述問題，并且可以進(jìn)行7~10公里/小時(shí)的高速作業(yè)。根據(jù)氣力式排種器按照排種器的原理不同又分成三種形式，分別是氣吸式、氣吹式以及氣壓式[4]，氣力式排種器能夠輸出穩(wěn)定的氣流，通過這三種方式與排種盤共同作用實(shí)現(xiàn)挾持種子目的，最后通過排種器將種子排出。

1.1 氣吸式

氣吹式的主要工作原理是利用壓力差，將種子吸在吸種孔，轉(zhuǎn)動(dòng)到投種點(diǎn)。

小范圍內(nèi)應(yīng)用的2XJB-4型精量播種機(jī)由黑龍江農(nóng)科院仿制[5]，但由于該播種機(jī)的工作效率難以適應(yīng)大田作業(yè)的要求，故沒有進(jìn)行大量的田間試驗(yàn)，缺少實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)也就沒有普及推廣。因此西北農(nóng)林科技大學(xué)對(duì)該播種機(jī)進(jìn)行了改進(jìn)研究，但是作業(yè)效率低和耗能大的缺陷仍然存在。

2008年王瑞雪等人[6]對(duì)小麥氣吸式排種器的關(guān)鍵部件進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過對(duì)排種效果影響因素的分析，經(jīng)回歸方程優(yōu)化得到了最佳組合。改進(jìn)后的精密排種裝置結(jié)構(gòu)簡單，提高了排種性能。該研究對(duì)氣吸式排種器的下一步深入研究具有一定的參考價(jià)值，但排種器的田間適應(yīng)性和可行性有待考察。

2010年張晉國等人[7]設(shè)計(jì)的圓管孔眼式小麥氣吸排種器，采用了孔眼吸種結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)使該機(jī)能夠連續(xù)均勻的供種，提高了播種精度，對(duì)于不同類型的種子具有良好的適應(yīng)性，但是容易堵塞。而同年設(shè)計(jì)研究的縫隙式小麥氣吸排種器，采用雙管縫隙結(jié)構(gòu)，解決了堵塞問題，同時(shí)在種箱內(nèi)加入攪拌機(jī)構(gòu)，提高了小麥的流動(dòng)性。

然而，隨著氣吸式小麥排種裝置的應(yīng)用，因小麥種子顆粒尺寸小、形狀不規(guī)則而導(dǎo)致的排種性能不穩(wěn)定、充種效果差等問題逐漸暴露出來。2017年于佳楊[8]針對(duì)該問題，采用理論與試驗(yàn)相結(jié)合的方法，設(shè)計(jì)了氣吸滾筒式小麥精密排種器，采用3D打印技術(shù)進(jìn)行加工試驗(yàn)。2018年程修沛等人[9]研究了一種氣吸型孔組合式小麥精密排種器，該裝置采用了氣流與型孔結(jié)合的工作原理，能夠滿足小麥精密排種在充種性能方面的要求，解決了上述問題。但由于試驗(yàn)臺(tái)加工精度、密封等因素，對(duì)試驗(yàn)結(jié)構(gòu)造成了一定影響。

2019年崔東云[10]針對(duì)當(dāng)時(shí)氣吸式小麥精播機(jī)存在的問題，以PWM電液比例控制的氣吸式小麥精播裝置作為研究對(duì)象，建立了基于PWM電液比例控制系統(tǒng)模型和垂直雙吸盤排種器的幾何模型，通過仿真試驗(yàn)，獲得了最佳的排種效果。

1.2 氣吹式

氣吹式的主要工作原理是利用氣壓差和重力實(shí)現(xiàn)種子充入、清出以及投種。

2016年胡靖明等人完成了一種氣吹式小粒種子精量排種器氣室的模型[11]，實(shí)現(xiàn)了單粒取種和氣壓卸種，可以有效地防止型孔堵塞，并且通過仿真分析，證明了氣室中平衡氣孔的重要性。通過建立氣吹式排種器的模型進(jìn)行了仿真分析，但未運(yùn)用到實(shí)物上去，在實(shí)際工作過程中，排種器的排種性能與理論分析可能存在偏差。

2019年宋愛卿通過流體分析軟件對(duì)腔體優(yōu)化后的氣吹式排種器進(jìn)行了仿真分析和驗(yàn)證，完成了對(duì)氣吹式精密排種器流場的一次分析，發(fā)現(xiàn)從相同的風(fēng)速吹入排種器腔體，流場隨著排種盤的轉(zhuǎn)動(dòng)，會(huì)出現(xiàn)周期性變化[12]。在一個(gè)周期內(nèi)會(huì)影響充種、清種等重要環(huán)節(jié)，合理的腔體設(shè)計(jì)能夠有效地提高播種的效率。根據(jù)調(diào)查結(jié)果顯示，目前市場上氣吹式排種器成熟應(yīng)用的產(chǎn)品較少，還有待進(jìn)一步完善相關(guān)應(yīng)用。

1.3 氣壓式

氣壓式的主要工作原理是利用壓差來攜帶種子至投種區(qū)。2020年在以針對(duì)小麥精量播種技術(shù)及裝備開展研究的河北農(nóng)業(yè)大學(xué)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目中，本團(tuán)隊(duì)借助真空負(fù)壓原理，完成了小麥精量排種器的設(shè)計(jì)[13]。該設(shè)計(jì)在節(jié)約種子的同時(shí)，也實(shí)現(xiàn)了對(duì)作業(yè)速度的控制，在一定程度上提升了小麥精量播種的效果。

2 討論與展望

2.1 存在問題

當(dāng)前我國的小麥氣力式排種器存在的不足主要有:

（1）田間實(shí)驗(yàn)的缺乏，排種器具體實(shí)用性不能確定[1]。創(chuàng)新力不足，多為學(xué)習(xí)引進(jìn)國外技術(shù)。國內(nèi)對(duì)于氣力式小麥精量播種機(jī)的研究較晚，大部分是對(duì)國外的播種機(jī)進(jìn)行改造，而且只適用于小區(qū)作業(yè)。（2）排種器在排種過程中，排種的均勻性，傷種率以及作業(yè)效率還有待提升。由于小麥每粒籽粒的大小以及形狀不同引起的充種效果差、排種性能穩(wěn)定性不高等問題，導(dǎo)致排種器在排種過程中作業(yè)效率有待提高[9]。（3）對(duì)于排種性能的檢測沒有很好地解決方式，人工數(shù)種檢測法、光電傳感器檢測法、高速攝影檢測法都有著不可避免的缺點(diǎn)[14]。

2.2 發(fā)展趨勢

近幾年，我國氣力式排種器發(fā)展迅速，經(jīng)過不斷創(chuàng)新和豐富，工作能力也在不斷提升。氣力式排種器的排種性能，排種精度，排種效率將不斷提升，加強(qiáng)了與作物生長方式和農(nóng)藝要求的結(jié)合。

（1）提高排種器的排種速度和排種精度[15]，保證播種機(jī)的作業(yè)效率和工作質(zhì)量。加強(qiáng)排種器與機(jī)具之間的協(xié)調(diào)配合，加強(qiáng)與作物生長方式和農(nóng)藝要求的結(jié)合[16]。（2）排種智能監(jiān)測系統(tǒng)的研究與應(yīng)用，利用圖像處理技術(shù)和各種算法，對(duì)排種器的排種性能進(jìn)行準(zhǔn)確高效的檢測，將是排種器性能檢測的一個(gè)新的趨勢。（3）提升排種器的材料和工藝技術(shù)[17]。利用新型材料和加工工藝，提升排種器的外觀質(zhì)量和工作性能，延長排種器的使用壽命。

3 總結(jié)

小麥?zhǔn)窃谑澜绺鞯貜V泛種植的谷類作物，是三大谷物之一，同時(shí)也是人類的主食之一。我國人多地少，僅僅實(shí)現(xiàn)機(jī)械化是不夠的，目前的播種機(jī)存在傷種、排種精度不高以及排種性能無法準(zhǔn)確檢測等問題，導(dǎo)致小麥質(zhì)量還不能滿足高產(chǎn)的要求。播種機(jī)播種質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響到農(nóng)作物的產(chǎn)量以及農(nóng)產(chǎn)品的成本，因此研制高質(zhì)量的小麥播種機(jī)械是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的迫切要求[7]。隨著農(nóng)業(yè)的產(chǎn)業(yè)化和機(jī)械化發(fā)展，小麥的精量播種是發(fā)展的必然趨勢。氣力式排種器能夠很好地解決這個(gè)問題，對(duì)氣力式排種器的研究，是小麥精量播種以及小麥產(chǎn)業(yè)的重要問題和熱點(diǎn)方向，是實(shí)現(xiàn)小麥機(jī)械化產(chǎn)業(yè)化種植的重要途徑，具有巨大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和深遠(yuǎn)的社會(huì)意義[18]。我國氣力式排種器發(fā)展較晚，技術(shù)相對(duì)落后。我國研究人員和企業(yè)在學(xué)習(xí)引進(jìn)國外先進(jìn)技術(shù)的同時(shí)，根據(jù)我國的社會(huì)背景和土地情況進(jìn)行不斷創(chuàng)新，全面提升了氣力式排種器的工作能力，縮小了與國外的差距，但是針對(duì)氣力式排種器的研究還需利用新技術(shù)和實(shí)踐數(shù)據(jù)繼續(xù)研究。