氣力式小麥精量排種器研究現狀及展望

河北農業大學機電工程學院 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、產量最多、分布最廣的特點。同時，小麥種植在我國的歷史悠久，其在我國糧食生產中的地位愈加重要，小麥產業的發展直接關系到國家糧食安全和社會的穩定。小麥傳統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，致使出現群體密度大、個體吸收養分和光照不足，易倒伏且穗粒小等現象，嚴重限制了小麥單產的提高[9]。

小麥播種機是小麥生產的主要載體，排種器是影響播種機播種性能的重要因素，其作業效果對小麥的出苗與成長發揮著重要作用[1]。田間環境復雜，在作業過程中易產生排種傳動系統不穩定、播深難以調節等問題，在一定程度上造成了漏播、播量不均、播深不一致等現象，從而影響著小麥的播種質量。

因此，本文基于對氣力式小麥精量播種排種器國內研究現狀的分析，主要從氣吹、氣吸兩方面對氣力式排種器研究進行介紹，希望對今后氣力式小麥排種器的發展產生一定的積極作用。

1 排種器發展現狀

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上得到了廣泛應用，麥類精密播種是一直以來的世界性難題[2]，而實現精密播種的關鍵零件就是排種器，它保證了種子能夠單粒且定時排出[3]，降低了播種量，并且能使種子具有準確的播種深度，行距以及株距，同時提高了播種質量。排種器按照排種方式的不同可分為兩大類，一類是機械式，另一類是氣力式，前者結構簡單，成本較低，但對種子的大小有嚴格要求，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種子的破損等問題，20世紀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，并且可以進行7~10公里/小時的高速作業。根據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定的氣流，通過這三種方式與排種盤共同作用實現挾持種子目的，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，轉動到投種點。

小范圍內應用的2XJB-4型精量播種機由黑龍江農科院仿制[5]，但由于該播種機的工作效率難以適應大田作業的要求，故沒有進行大量的田間試驗，缺少實驗數據也就沒有普及推廣。因此西北農林科技大學對該播種機進行了改進研究，但是作業效率低和耗能大的缺陷仍然存在。

2008年王瑞雪等人[6]對小麥氣吸式排種器的關鍵部件進行了結構設計，通過對排種效果影響因素的分析，經回歸方程優化得到了最佳組合。改進后的精密排種裝置結構簡單，提高了排種性能。該研究對氣吸式排種器的下一步深入研究具有一定的參考價值，但排種器的田間適應性和可行性有待考察。

2010年張晉國等人[7]設計的圓管孔眼式小麥氣吸排種器，采用了孔眼吸種結構，這種結構使該機能夠連續均勻的供種，提高了播種精度，對于不同類型的種子具有良好的適應性，但是容易堵塞。而同年設計研究的縫隙式小麥氣吸排種器，采用雙管縫隙結構，解決了堵塞問題，同時在種箱內加入攪拌機構，提高了小麥的流動性。

然而，隨著氣吸式小麥排種裝置的應用，因小麥種子顆粒尺寸小、形狀不規則而導致的排種性能不穩定、充種效果差等問題逐漸暴露出來。2017年于佳楊[8]針對該問題，采用理論與試驗相結合的方法，設計了氣吸滾筒式小麥精密排種器，采用3D打印技術進行加工試驗。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。但由于試驗臺加工精度、密封等因素，對試驗結構造成了一定影響。

2019年崔東云[10]針對當時氣吸式小麥精播機存在的問題，以PWM電液比例控制的氣吸式小麥精播裝置作為研究對象，建立了基于PWM電液比例控制系統模型和垂直雙吸盤排種器的幾何模型，通過仿真試驗，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現種子充入、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]，實現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行了仿真分析，但未運用到實物上去，在實際工作過程中，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腔體優化后的氣吹式排種器進行了仿真分析和驗證，完成了對氣吹式精密排種器流場的一次分析，發現從相同的風速吹入排種器腔體，流場隨著排種盤的轉動，會出現周期性變化[12]。在一個周期內會影響充種、清種等重要環節，合理的腔體設計能夠有效地提高播種的效率。根據調查結果顯示，目前市場上氣吹式排種器成熟應用的產品較少，還有待進一步完善相關應用。

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。2020年在以針對小麥精量播種技術及裝備開展研究的河北農業大學創新創業訓練項目中，本團隊借助真空負壓原理，完成了小麥精量排種器的設計[13]。該設計在節約種子的同時，也實現了對作業速度的控制，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

當前我國的小麥氣力式排種器存在的不足主要有:

（1）田間實驗的缺乏，排種器具體實用性不能確定[1]。創新力不足，多為學習引進國外技術。國內對于氣力式小麥精量播種機的研究較晚，大部分是對國外的播種機進行改造，而且只適用于小區作業。（2）排種器在排種過程中，排種的均勻性，傷種率以及作業效率還有待提升。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、排種性能穩定性不高等問題，導致排種器在排種過程中作業效率有待提高[9]。（3）對于排種性能的檢測沒有很好地解決方式，人工數種檢測法、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[14]。

2.2 發展趨勢

近幾年，我國氣力式排種器發展迅速，經過不斷創新和豐富，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，加強了與作物生長方式和農藝要求的結合。

（1）提高排種器的排種速度和排種精度[15]，保證播種機的作業效率和工作質量。加強排種器與機具之間的協調配合，加強與作物生長方式和農藝要求的結合[16]。（2）排種智能監測系統的研究與應用，利用圖像處理技術和各種算法，對排種器的排種性能進行準確高效的檢測，將是排種器性能檢測的一個新的趨勢。（3）提升排種器的材料和工藝技術[17]。利用新型材料和加工工藝，提升排種器的外觀質量和工作性能，延長排種器的使用壽命。

3 總結

小麥是在世界各地廣泛種植的谷類作物，是三大谷物之一，同時也是人類的主食之一。我國人多地少，僅僅實現機械化是不夠的，目前的播種機存在傷種、排種精度不高以及排種性能無法準確檢測等問題，導致小麥質量還不能滿足高產的要求。播種機播種質量的優劣直接影響到農作物的產量以及農產品的成本，因此研制高質量的小麥播種機械是現代農業的迫切要求[7]。隨著農業的產業化和機械化發展，小麥的精量播種是發展的必然趨勢。氣力式排種器能夠很好地解決這個問題，對氣力式排種器的研究，是小麥精量播種以及小麥產業的重要問題和熱點方向，是實現小麥機械化產業化種植的重要途徑，具有巨大的經濟價值和深遠的社會意義[18]。我國氣力式排種器發展較晚，技術相對落后。我國研究人員和企業在學習引進國外先進技術的同時，根據我國的社會背景和土地情況進行不斷創新，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，但是針對氣力式排種器的研究還需利用新技術和實踐數據繼續研究。