淺談我國電驅動精量排種器研究進展*

張 惠 ， 潘 峰 ， 紀 超 ， 陳金成

（1.新疆農墾科學院機械裝備研究所，新疆 石河子 832000；2.農業農村部西北農業裝備重點實驗室，新疆 石河子 832000）

作為播種機的核心單元，排種系統的性能優劣決定著播種效率、質量、便捷性等多項作業指標。為提升播種機械化技術水平，我國相關領域學者對排種系統展開了長期深入的探索與實踐研究。本文從精量排種器的結構形式、工作原理及各類精量排種器直流電機驅動形式三個角度對排種系統進行綜述，針對現存問題提出建議并展望發展趨勢，旨在為高端精量播種技術及裝備的研究提供參考。

1 電驅精量排種器

1.1 機械式電驅精量排種器

機械式電驅精量排種器的優點是結構簡單、成本低，但播種精度低[1]，主要有槽輪式、窩眼輪式和勺輪式以及指夾式等機型。機械式精量排種器對種子大小、形狀要求嚴格，主要適用于玉米、大豆等種子的播種[2]。機械式排種器利用其型孔將種子從種箱中分離出來，充種、清種和排種等環節靠種子自重或機械裝置來完成，當提高排種頻率時，容易出現重播、漏播和種子破碎等現象，限制了機械式排種器作業效率的提高[3]。

槽輪式排種器是應用比較廣泛的一種機械式電驅精量排種器，有內槽輪式和外槽輪式之分，其核心部件是槽輪，槽輪上都帶有凹槽用來充種。內槽輪式排種器的槽輪是一個內緣帶凸棱的圓環，外槽輪式排種器的槽輪是一個外緣帶齒輪的圓盤。外槽輪式較內槽輪式排種器應用更為廣泛，如臺沭云等[4]設計的一種傾斜外槽輪上排種式排種器，其槽齒的副工作面傾斜于一邊（槽輪轉速方向那一側），即如同在型孔前開設一個導槽，有利于種子充滿凹槽，同時還不易卡種。該槽輪充種性能和排種性能均較理想，對種子損傷率低。金亦富等[5]設計了一種單行獨立外槽輪式電控排種器，其電機通過聯軸器和嚙合軸與外槽輪連接，電機轉速決定外槽輪轉速。由于阻塞輪與外槽輪同軸同徑，所以可以通過改變阻塞輪的軸向位置來改變外槽輪有效工作長度，解決半幅播種手動插板停行、漏播監督、及時補種等問題。

1.2 氣力式電驅精量排種器

由于氣力式排種器具有對種子形狀尺寸要求低、通用性好、更易于高速精量作業等優點[6]，加上隨著我國農機自動化與信息化技術的不斷發展，自動導航、播種作業監控、高速電驅播種等技術植入精量播種機[7-8]，所以氣力式電驅精量排種器一直是國內外學者研究的熱潮。

氣力式電驅精量排種器根據壓力差產生的來源不同，分為負壓式和正壓式兩種排種器。依照刮種方式的不同，正壓式電驅精量排種器又有氣壓式、氣吹式之分。

1)將25個雞蛋放在一個自制的25個格子的蛋盤中(格子的大小與分割圖像的設置參數對應)，同時每個雞蛋都對應一個透光孔；將雞蛋放在海綿上，盡量保證雞蛋與透光孔對齊無縫隙。

負壓式精量排種器又叫氣吸式精量排種器，是當前運用最廣泛的一種精量排種器，尤其用在玉米播種機上[9]；隨著國內外對其研究的深入，出現了多種不同結構的排種器，但其工作原理基本一致，其帶有取種孔（型孔）的齒形排種盤的一邊是真空室，真空室與軟管連接到風機，另一邊連接到充種室，充種室與種子相接觸。當風機轉動，吸種室被抽成真空產生負壓，齒形排種盤兩側便產生壓力差，排種盤外圓與電機的驅動齒輪嚙合；通電后電機帶動排種器轉動，排種盤轉到吸種區，負壓室兩側的壓差使種子被吸附在型孔上，隨齒形排種盤一起運轉到刮種區，多余的種子被刮掉，一個型孔只留一粒種子[9-10]；轉到卸種區時，吸有種子的型孔離開真空室，種子不再被吸住，隨即落入種溝，完成排種。

1.2.1 負壓式電驅精量排種器

吳福通[11]、李明等[12]、李兆東等[13]先后設計了多種結構的氣吸式精量排種器，如氣吸圓盤式精量排種器，利用獨立吸種區和正壓投種區，解決種孔堵塞及種粒破碎問題；再如氣吸滾筒式精量排種器，在氣吸滾筒上增設多排吸種孔，可一器多行精量排種。曹秀龍等[14]設計了一種氣吸滾筒式穴盤育苗精密排種器，應用Fluent軟件模擬分析滾筒內壁和吸種孔與正壓氣室的流場特征，優選正壓進氣孔間距參數，并創新設計了一種帶凸起的吸種帽及倒U型清種結構，利用光電傳感器和正壓投種機構實現同步整排投種。崔東云[15]針對氣吸式小麥排種器排種性能不穩定、充種效果差等問題，研究了PWM電液比例控制的氣吸式小麥精量排種裝置，建立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，并進行了仿真與試驗研究，得到了最佳排種效果。張禹等[16]設計的一種水稻播種覆膜一體機所采用的排種器就是氣吸式排種器。仿真結果表明，該排種器能夠實現旱田覆膜和精準播種一體化，提高勞動效率。

第一，在學科建設上，旅游起源與本質的探討是事關旅游學科能否建立以及如何建立的一個重要理論問題，因為過去是現在和未來的基礎和依據，不知古，何以知今；不知今，更何以指導未來。深度地了解過去，也才能更前瞻地推斷未來。“見異思遷”的旅游本質可以作為概念性定義區分旅游移動性(mobility)與其他移動性的差別。

顏曉晨穿好后，走了出去，很標準的職業小西服，不透不露，可面對著沈侯，不知為何，就是覺得有些羞澀，都不敢直視沈侯的眼睛，直接走到了鏡子面前。

雞湯煨好了，我扯了把稻草，包住瓦罐，抱著就往上塆去。到了金寶屋里，他坐在山墻邊的矮凳上，頭埋在褲襠里，見我進門，忙抬頭招呼：“她細嬸兒過來了哈。”

氣壓式電驅精量排種器有兩種，一種是集中式排種，其利用種子重力和刮種器刮種，再利用壓差攜帶種子至投種區[17]，該排種器可同時播6~8行作物[18]，是一個內充型的回轉排種筒，其筒內壁的窩眼小孔連通筒外，屬集中式排種。氣流流經排種筒、接種漏斗、輸種管，最后流入排種筒，封閉的排種筒內氣壓高，由于壓力差，種粒貼附在窩眼內，壓差較小的多余種子隨著排氣筒上升被清除（毛刷刷除），彈性卸種輪堵住窩眼小孔，種粒由于沒有了壓力差而掉入接種漏斗，進入輸種管，隨氣流流入各自的種溝內；另一種氣壓式電驅精量排種器，其充種原理與集中式相同，不同的是排種圓盤，它是一行作物對應一個排種器，還有一點不同于集中式：利用種粒自重卸種，降低傷種率，同時該排種器可降低投種高度，提高株距合格率。

謝宇峰等[19]研制的氣力式集中排種器采用的是氣壓式精量排種器，其不同的排種環帶適應不同作物，并做了排種器性能試驗，得出最優參數組合：真空壓力0.005 5 MPa、排種盤轉速0.25 r/s、吹種風速44 m/s。李中華等[20]設計了一種正壓式氣送免耕播種機，采用氣壓式精量排種器，并進行了排種試驗，證明該排種器排種均勻性和通用性較好，對苜蓿、披堿草和玉米均可較均勻排種，且達到行業標準要求。

步進電機是將脈沖信號轉化成固定角度位移的電氣元件，需專用的控制器通過控制脈沖頻率調節電機轉速及加速度，其控制精度高、響應靈敏。針對機械式播種機的振動導致播種質量不高的問題，Jiang等[25]基于DSP開發了步進電機位置控制的控制器，有效地減少了不同步情況的發生，并通過光電編碼器檢測電路，實現對步進電機位置的精確控制。Yang等[26]設計了一款玉米播種機的開環控制和驅動系統，采用步進電動機和齒輪傳動驅動排種器，提高了排種盤轉動的穩定性。張振濤[27]通過步進電機直接驅動排種器的方式，相較于機械式降低了玉米播種漏播率、重播率和變異系數，實現了高速作業下玉米播種株距的均勻性和任意調節。孟杰等[8]將步進電機動力通過兩段鏈條傳遞給排種器的方式使花生播種合格率達98%以上。由于步進電機控制器可配置脈沖細分模式實現速度的精細控制，同時結合編碼器、衛星測速等高精度傳感器，利用速度閉環控制算法，可以很好地解決小麥[28-29]、谷子[30]、辣椒[31]等小粒徑種子的精量播種問題。

氣吹式電驅精量排種器是在窩眼輪式排種器的基礎上利用氣流清種，種粒在重力和氣壓差的作用下充入排種盤的錐形通孔內[21-22]，排種器主要由型孔輪、氣流噴嘴、推種板等組成，型孔輪輪周均勻分布著錐形通孔。充種區的種粒借助重力和氣流壓差作用，吸附在取種盤，進入排種盤型孔窩眼中，當轉到清種區時，氣流嘴清除多余的種粒，此時，型孔內只有一粒種子，種子繼續隨取種盤轉動到護種區，氣壓消失，種子利用重力和推種片，最后排出掉進種溝。

1.2.3 氣吹式電驅精量排種器

沈永寧[23]研制的2BJ-16型氣力式精量播種機，采用氣吹式精量排種器，工作過程中氣吹式清種與氣力式充種相結合，以適應真空室風壓的波動性，適用于播種多種作物。李成華等[24]對氣吹式傾斜圓盤精量排種器的結構和工作原理進行了研究與分析，經試驗得出單粒指數和漏播指數的主要影響因素：排種盤型孔的直徑和深度。

2 精量排種器電機驅動形式

2.1 步進電機驅動

1.2 市場優勢 煙臺作為重要的櫻桃生產基地，我國各省各地的銷售的櫻桃大部分都來源于山東煙臺，特別是福山區。由于櫻桃的自然特性加上運輸的局限性使的櫻桃在其他地方的售價相對較高。隨著冷鏈物流的發展，福山大櫻桃在我國內陸地區的市場巨大。煙臺地處膠東半島，地理位置優越，與渤海黃海瀕臨，與日韓隔海相望，占據了十分有利的出口位置，特別有利于福山大櫻桃的海外銷售。所以，無論是海內市場還是海外市場都擁有廣闊前景。

1.2.2 氣壓式電驅精量排種器

2.2 直流伺服電機驅動

直流伺服電機是相較于步進電機更加精密的一種執行元件，可以實現位置、速度和力矩的閉環控制，克服了步進電機失步的問題。王方艷等[32]利用直流伺服電機啟動轉矩大、調速范圍寬、控制方式靈活、抗速度過載和轉矩過載等特點，開發了一種適用于溫室胡蘿卜精量播種的氣吸式排種器。苑嚴偉等[33]針對不同地區玉米播種農藝，采用伺服電機作為執行機構，并選配1∶50速比的減速機用于驅動排種軸，實現了播種粒距的自動調節。賈昊等[34]設計的基于電機直驅的玉米播種機控制系統，能夠避免地輪滑移現象，并且隨畝播量變化而實現株距的動態自適應。

2.3 直流電機驅動

直流電機按照結構和原理可分為直流有刷電機和直流無刷電機，均可利用脈沖調制技術實現變電壓無級調速。直流電機結構簡單、價格低廉、易于控制，且可根據實際部署需求實現控制器系統的高度集成。因此，基于直流電機的精量播種驅動方式得到國內外學者的廣泛研究，且目前已有相應的機具得到推廣應用。He等[35-36]根據田間條件，針對直流無刷電機開發的變量播種控制算法可顯著降低播種滯后距離，其播種單體控制單元成本僅為國外產品的28%。利用前期開發的單體控制單元，進一步利用無刷直流電機配合衛星導航定位算法，有效地解決了播種機轉向時橫向速度差異造成的播種率不準確的問題[37]。趙曉順等[38]開發的基于直流無刷電機驅動的模糊控制器，可實現玉米等作物的單粒精播和小麥等作物的精量條播。楊碩等[39]采用直流有刷電機實現了玉米氣吸排種器的總線控制，并解決了快速適應多類型排種器排種控制的問題。為進一步研究多路玉米單體的同步獨立電驅控制，Chen等[40]在姚潁飛等[41]的研究的基礎上，利用排種器外周加工的齒輪與直流有刷電機減速器齒輪嚙合，增加電機的驅動力矩，大大地降低了所選電動機驅動的轉矩。實現了18路玉米高速（大于10 km/h）精量單體的獨立同步控制，且研制的相關產品已得到推廣應用。

本文通過對現階段我國地面氣象觀測工作在現代農業中的應用進行研究可以發現，只有提高氣象觀測的針對性，才能有效的促進我國現代農業的進一步發展。

采用步進電機、伺服電機或直流電機驅動精量播種機排種器，可實現播種單體的獨立控制及排種器轉速與作業速度匹配，有效保障高速作業下播種質量的粒距一致性。但目前國內電機驅動相關研究主要圍繞傳統機械上的改裝，并以中心軸安裝或電機獨立安裝的方式，通過直接或鏈條間接驅動排種器轉動，因此機械結構不緊湊，集成度不高，能耗較大。在今后的研究中，電機驅動和機械布局應統籌考慮，一體化設計。以減阻耐磨和小型低功率電機應用為目標，創制輕質、耐磨新材料，優化機械結構，降低傳動阻力，以期實現小型直流電機的適配應用。

3 討論與展望

近年來，精量播種技術快速發展，智能化水平有所提高，但精量播種產品，尤其是電驅動精量排種器相對國外還比較落后。綜合國內研究現狀，從以下三個方面對當前存在的問題進行討論。

1）排種器的結構對種子適應性較差。目前排種器的結構大多是根據種子的形狀設計的，適應性較差，需繼續優化其結構參數，盡可能地提高排種器對不同形狀的適應性，同時加大對氣吸集排式排種器的研究，以滿足寬幅度播種作業的要求。

2）尚未建立電驅式精量播種機質量的評定標準。由于電驅式播種機在傳動特性上要優于機械式傳動，如果依舊采取機械式排種器的評價標準，難以保證成型產品的質量，故需制定相關的技術標準和性能評價標準，設計出適合我國國情的高性能播種機，盡快縮小我國與發達國家精量播種技術的差距。

3）從農業發展的實際需要考慮，精量播種技術仍會以提高排種效率和精度、排種設備的穩定性和可靠性為出發點。從技術層面上來說，我國在排種智能化的技術研究方面處于起步階段，隨著我國新型材料、制造精度和加工工藝等的發展，北斗定位系統的廣泛應用，帶有自動導航和播種作業監控設備、能夠根據農藝信息決策變量播種的高速高精度精量排種技術是我國精量排種器的未來發展方向。