玉米精量播种装置的研究进展

张 昆，衣淑娟

(黑龙江八一农垦大学 工程学院，黑龙江 大庆 163319)

0 引言

玉米独具粮食、经济、饲料、果蔬、能源等多元用途，在产业链条中是延伸最长的粮食作物，玉米产销的各个主要环节都贯穿于第一、第二和第三各产业，是重要的粮食作物。

我国是仅次于美国的世界第二大玉米生产国和消费国。目前，玉米在我国粮食生产中种植面积和产量均位居第一位。玉米种植面积逐年增长，产量增加，对保障我国粮食安全发挥了巨大的作用。此外，现代农业的主要标志之一是畜牧业为主导产业，发达国家的农业产业结构特征是畜牧业占60%～80%，种植业结构特征是饲料作物面积占农业耕地面积的70%以上。其中，饲料玉米的比重占西方发达国家玉米种植面积的80%以上。随着我国农村产业结构调整、现代化进程的加快及全面小康社会对畜牧业发展的迫切需求，玉米以其多样的用途、广泛的分布，在我国国民经济中发挥着越来越重要的作用。到2020年，我国的粮食增产中60%～80%需要依靠玉米来实现[1]。

播种质量是影响玉米单产水平的主要因素之一，因此提高播种质量对提升玉米产量具有重要意义。目前，玉米生产主要通过机械化来实现，要提升播种质量，就必须依靠高性能的精量播种装置来实现。要实现玉米增产增收，合理有效的研发和应用玉米精量播种装置是关键[2]。目前，种子发芽率较低是传统方法的缺陷，我国玉米生产方式曾长期采用粗放式的播种方法，如今我们国家的城镇化进程正逐渐加快步伐，不断有农业人员转移，用人成本逐年上升，种子价格逐渐提高。因此，研制出省工、省种的单粒精量播种机具势在必行。精量播种的技术是玉米机械化生产的重要保障，对促进我国玉米生产技术发展具有重大意义。

精量播种技术涉及种子处理、整地、播种、施肥、虫病害的防治及化学方式除草等农艺环节，是把传统条播转变为点播或穴播的一种综合性强的先进核心技术，该技术开始推广于20世纪80-90年代，但其发展速度十分缓慢。随着国外先进精量播种装置和机具的陆续引入和种子加工技术逐渐成熟，该项技术正逐渐被人们所认识和推广[3]。

精量播种技术能够一次完成多道工序，能够减少人工劳动，使玉米秧苗具有良好的透光性和通风性[4-6]。实施精量播种技术的重要载体是精量播种装置，随着免耕播种技术的日渐成熟，开沟器的破茬和防堵性能将逐渐提升。精量播种装置是精量播种机的关键部件，工作性能的好坏将会直接影响到播种的质量。因此，研究和开发适应农艺要求的新型精量播种装置对推动玉米精量播种技术的发展具有重要意义[7]。

1 国内研究现状

国内的精量播种技术开发和研究始于20世纪70年代。国内学者对精量播种装置进行了大量的理论及试验研究，从20世纪70年代末期开始研究气力式播种装置，主要研究大豆、玉米、水稻、花生、高粱及棉花等作物在气力作用下排种盘结构参数、种子物料特性和工作参数等因素与播种性能间的变化规律[8-17]，推进了我国大田作物精量播种装置的发展，使部分大田作物实现了气力精量机械播种。

台湾学者陈世铭采用振荡式气吸排种器和五刻划形式分布的滚筒吸孔，减少了高速气流破坏吸孔处的流体场的现象；但是，锥形吸孔存在一个缺点，即在负压被切断时，卸种的准确性和一致性无法保证，因此又采用了高速气流吹落种子。针对存在的问题，左彦军等采用了一种窝眼窄缝式的排种装置，以窄缝宽度、真空度、窝眼半径和滚筒转速为影响因素进行了试验，并优化出了最佳工艺参数[18-19]。左彦军等研究了一种气吸窝眼滚筒式排种器，并优化了结构参数[20]。苏聪英针对吸种时，吸种孔容易被堵，产生漏播的现象，设计了双层的滚筒气吸式播种装置，避免了堵塞问题，同时降低了漏播率[21]。

李法清研制出一种气吸式滚筒水稻播种装置[22]，可解决之前播种装置对播种期的适应能力差、机具对种子损害较大的问题。试验表明，此装置也可以提升播种的均匀性和工作效率。此装置滚筒表面的吸种型孔用吸吹嘴来替代，可适应多种品种的水稻种子。陈英强等针对当前市场上常用的播种装置转筒因循环转动而导致经常出现缺料或多吸料的现象，致使缺株或重株的产生及播种质量降低等问题，研制出了一种滚动式气力播种装置[23]。该播种装置的正负气压室由转筒和定子组合而成，在定子上设置了密封条能有效地隔离正负压气室；在料斗的上方设置了种子挡板能有效防止一次性吸住多粒种子，可避免重株现象产生，从而降低了重株率和缺株率。

江苏大学陈进等以排种器不同形状吸孔的气流场为研究对象，进行了有限元分析和台架试验。研究结果表明：①吸种效果的好坏和滚筒上吸孔孔径大小有关，孔径越大，吸孔效果越好；②吸种效果最好的是锥形孔，其次是直孔和沉孔；③吸孔导程具有调整和稳定气流作用。华南农业大学李志伟等利用转动换气盘相对于固定换气盘的转动实现正负气压的切换，发明了新型滚筒气力式蔬菜播种装置。该装置省去了电磁阀，结构简单、工艺可靠，但加工精度低且相对转动带来的问题是排种性能下降[24]。玄冠涛设计了一种小型蔬菜穴盘精密播种机,整机采用全气力驱动和气针播种，能连续实现自动进盘、打穴与单粒播种,通过更换播种针头的数量和型号，可适应不同形态蔬菜种子及穴盘规格。为提高样机开发速度和质量，降低生产成本，基于Solid Works软件对关键部件进行了数字化设计与三维建模，建立了小型蔬菜穴盘精密播种机虚拟样机，进而自动生成平面二维工程图进行样机的生产加工。最后，对番茄等蔬菜种子进行播种试验，结果表明:小型蔬菜穴盘精密播种机的单粒率水平在91%以上,满足了蔬菜穴盘精播育苗的要求[25]。袁文胜设计了一种悬挂式水稻田间育秧播种机，分析了育秧播种机的铺土均匀性、播种均匀性和机具的整体作业质量。该机采用直径为160mm的大直径外槽轮式排土辊和直径为110mm的大直径、大窝眼式排种辊,满足了水稻育秧底土量和播种量较大的要求。试验结果表明：育秧盘内不同点的底土铺土厚度变异系数均小于6%,每盘播种均匀度和总播种均匀度均在90%以上，作业流畅、性能稳定,各项指标符合相关标准和实际生产要求[26]。杨华等人为了解决排种孔堵塞、漏播断苗等问题，在排种器的排种腔体上设置环形凹槽及多种通气孔，设计了气力式蔬菜播种排种器，实现了负压吸种、自然泄压排种，从根本上解决了气力式排种器的漏播现象，保证了播种质量和保苗株数[27]。

目前，国内外对农作物播种机械的研究有一定的进展，但还存在一定的问题，如精度不高、播种损伤等问题[28-36]。为了解决上述问题，刘艳芬从排种器的工作原理出发,对排种盘型孔的结构形状和尺寸进行分析，设计出一种带倒角的周边式倾斜长方形型孔的水平圆盘排种器；为了得到排种器的最佳性能参数，以排种器转速、型孔倒角长度、型孔倾角为试验因素，以排种合格指数、重播指数、漏播指数为试验指标进行三元二次回归正交旋转组合试验，建立试验指标与试验因素间的数学模型。应用响应面法对回归方程进行多目标优化，得到最佳参数：排种器转速为33r/min，倒角长度为7mm，型孔倾角为61°，此时排种的合格指数为92.47%,重播指数为3.56%，漏播指数为3.97%。在最优参数组合下，台架试验验证排种器的排种合格指数为92.13%，重播指数为4.01%，漏播指数为3.86%。田间验证试验表明：当排种器转速调整为33r/min时，其线速度为0.41m/s，播种机组前进速度为8.6km/h，水平圆盘排种器的播种性能指标满足单粒精密播种的农艺要求，且对不同品种的玉米种子具有良好的适应性。陈蒋针对玉米免耕播种机在起伏较大的地面工作时播种单体被架空、导致播种深度不合格的问题，设计了一种电液播深调节装置。该装置在平行四杆机构处加装了液压缸，用以调节播深。通过对电液播深调节装置进行受力分析，确定了影响液压缸受力的因素；在ADAMS软件中建立播深调节机构简化模型，采用有限元构件法建立土壤模型，对开沟铲入土过程进行仿真，并以液压缸受力值为目标函数对液压缸进行仿真优化。结果表明：开沟铲入土仿真过程符合实际入土情况，确定了液压缸的安装位置及上-下播深休止状态液压缸伸出量。 戈天剑为了对播种机的工作状况进行实时监测，针对播种过程中出现的种箱排空和导种管堵塞情况及时报警，设计了一种对播种机作业中的各项参数实时监测系统。系统以嵌入式微处理器和红外光电传感器为主要部件，通过无线通信的方式与上位机进行数据的传输，对播种作业中出现的种箱排空和导种管堵塞及时进行声光报警，并通过上位机软件对所需的参数实时显示。试验结果表明：该系统工作稳定，对故障的报警准确率较高，有效提高了播种质量。夏俊芳为了提高播种精度，根据实际要求研制了气力式水稻芽种直播精量排种装置，该装置一方面可以解决重播、漏播指数高的问题；另一方面能够使得种子保存完好。李德鑫为了提高玉米排种器播种质量，详细分析了排种器充种、清种、投种过程中种子的受力情况，以期为该类型排种器的设计与改进提供理论依据。

宋金鹏等在研究传统精量排种理论与排种器设计的基础上[37]，设计了一种新的玉米精量排种器，采用窝眼式与气吸式两种取种方法，有效地缩小了气室的大小，减少了漏播，精简了传动机构，将精量播种装置的性能得到有效提升。李兆东等[38]研发了一种油菜精量气压式集排器，并进行了排种性能的试验研究。张国忠等[39]研发了一种新型的具有群布吸孔的吸种盘，能够同时吸附多粒稻种并可将其应用在垂直圆盘式直播排种器上。刘剑锋设计了一种烟草排种装置，解决了当今烟草排种装置存在的问题和不足[40]。陈学庚等研制了一种与播种装置速度、取种盘转速相关的输送与传动机构成一体的带式导种机构，优化了投种的高度，精确矫正了播种粒距，提高了播种的质量[41-42]。在充种过程中，如果处理不当则会造成漏播或重播现象，使排种器的工作性能受到严重的影响，致使播种的质量下滑，而利用种箱振动的方式来提高充种是目前的通用方法[43-46]。李林等对气吸式排种装置工作的过程进行了试验研究，提出了种群内部摩擦力对种子的填充和所需要的吸力可产生很大影响。陈进等采用电磁激振的方法来扰动种群，让种群产生“沸腾”效果，提升了气吸式滚筒排种装置的充种性能[47-48]。

2 国外研究现状

精量播种作为一种先进的种植技术，国外从20世纪50年代末开始研究气吸式精量排种器。1986年，苏联学者В.МГУСЕВ对气吸式播种装置进行了改进，将挡板放置在种子室和种箱底部的过渡区内，形成环流，提高了充填频率[49]。1991年，美国学者Zulin研究了发芽芹菜籽的气吸式排种器，利用水作为输送载体，将种子输送到排种盘的吸孔上[50]。1994年，伊朗学者J.Jafari Far研究了西红柿气吸式排种器，建立了包含真空度和行驶速度因素影响播种质量的数学模型[51]。1996年，P.Guarella研究了气吸式蔬菜排种器型孔直径、型孔形状和种子距离对吸种的影响并建立了数学模型[52]。2004年，D.Karayl等学者通过研究种子的千粒质量和投影面积等物理特性，建立了与真空压强之间的数学模型[53]。2004年，土耳其学者Barut研究了玉米播种装置，发现线速度增大，充种率下降，真空度增大，充种率增大[54]。2005年，印度学者R.C.Singh[55-56]等研究了气吸式棉花排种器的排种盘转速、型孔直径、型孔倒角角度和真空度对播种质量的影响规律，优化得出了最优参数组合。

近年来，Zeliha Bereket[57]等学者以吸种孔形状、排种盘转速和真空压力为影响因素进行试验，发现圆孔可提高排种均匀性，种子的物理特性可影响真空压力。Karayel D等[58]通过试验研究，建立了种子的千粒质量、吸种孔截面积、密度和球度与真空度之间的数学模型。Satti Hassan[59]研究了小麦的气力式排种器的重播率和漏播率，并对吸种、护种和投种3个阶段进行了运动及动力分析，提高了吸种性能和合格率。Dylan St[60]等学者通过研究真空度和排种器转速之间的变化规律，优化了孔间距、转速及对应的真空度。

自20世纪70年代起，日本和韩国开始工厂化育苗，不仅在蔬菜、花卉和水稻方面研制出了较完备的机型，如井关、久保田、三菱和东洋等农机企业都生产育苗播种器，工艺性好、自动化程度高[61-62]。生产线主要为气吸式(吸针和吸盘)，且主要针对小粒种子播种育苗技术，播种性能为2～5粒/穴。在穴盘育苗机械方面，欧美各国研制了蔬菜、花卉等作物的育苗播种生产线，播种同样普遍采用吸针式原理，如Blackmore System、Marksman、Speedling System机型等，播种性能通常1～5粒/穴。

由上述可知，国外对精量播种装置的研发已经非常成熟，智能化程度较高；但由于精量播种装置的结构复杂，生产制造成本比较高导致产品价格比较贵，不易被农户所接受。国内对精量播种装置多采用仿制、引进的方法，虽然短期内对精量播种装置技术水平有所帮助和提升，但是由于缺少基础理论研究和科研创新能力，不能充分掌握国外先进播种装置的核心技术，加之我国农机行业制造水平较低，仿制比较粗糙，尤其在高速作业的情况下，作业质量与国外还有很大差距。因此，研制出一种结构简单、适应性好、高质、高效、高速的气力式播种装置已成为未来的发展趋势。

3 存在问题及对策

针对目前播种装置结构复杂、制造成本高、价格昂贵及粗糙仿制等问题，研制出一种结构简单、适应性好、高质、高效、高速的气力式播种装置已成为未来的发展趋势，以适应在高速、高密条件下播种质量好及性能稳定可靠的要求。

针对播种装置理论基础研究匮乏、关键技术缺失等问题，应对玉米种子的物理特性和空气动力学特性开展研究，如种子的三轴尺寸、不同含水率下的摩擦角、休止角和漂浮系数等，为气吸滚筒式精量播种装置的研发提供理论依据和技术支持。同时，为提高播种装置设计效率和精确性，在设计软件中进行模拟仿真是新的研究目标，设计出符合要求的气吸滚筒式精量播种装置的三维模型，可利用软件对设计的虚拟装置进行密封范围内的流体仿真，确保密封处压强尽可能的均匀。研究论证影响播种性能的主要影响因素，可利用仿真软件对颗粒进行参数设计，探讨种子运动规律及播种装置的排种效果，可模拟仿真振动喂入条件下种箱供种情况并进行分析，并通过验证试验来获得最佳工艺参数，从而获得新播种装置和关键技术。

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