气力式小麦精量排种器研究现状及展望

河北农业大学机电工程学院 张玉洁 毕珈宁 江东博 杨诺 刘明 马笑宇

引言

小麦作为世界三大粮食作物之一，具有种植面积最大、产量最多、分布最广的特点。同时，小麦种植在我国的历史悠久，其在我国粮食生产中的地位愈加重要，小麦产业的发展直接关系到国家粮食安全和社会的稳定。小麦传统播种方式主要为撒播、条播、穴播，存在着播量高、水肥施用量大等问题，致使出现群体密度大、个体吸收养分和光照不足，易倒伏且穗粒小等现象，严重限制了小麦单产的提高[9]。

小麦播种机是小麦生产的主要载体，排种器是影响播种机播种性能的重要因素，其作业效果对小麦的出苗与成长发挥着重要作用[1]。田间环境复杂，在作业过程中易产生排种传动系统不稳定、播深难以调节等问题，在一定程度上造成了漏播、播量不均、播深不一致等现象，从而影响着小麦的播种质量。

因此，本文基于对气力式小麦精量播种排种器国内研究现状的分析，主要从气吹、气吸两方面对气力式排种器研究进行介绍，希望对今后气力式小麦排种器的发展产生一定的积极作用。

1 排种器发展现状

目前，国外气力式排种器是精量播种的常用装置，在玉米、大豆等作物的播种机上得到了广泛应用，麦类精密播种是一直以来的世界性难题[2]，而实现精密播种的关键零件就是排种器，它保证了种子能够单粒且定时排出[3]，降低了播种量，并且能使种子具有准确的播种深度，行距以及株距，同时提高了播种质量。排种器按照排种方式的不同可分为两大类，一类是机械式，另一类是气力式，前者结构简单，成本较低，但对种子的大小有严格要求，并且在送种和排种的过程中容易破坏种子，所以为了解决因种子大小不同而造成的漏播和一般排种器对种子的破损等问题，20世纪30年代开始研制气力式排种器，这种排种器可以有效避免上述问题，并且可以进行7~10公里/小时的高速作业。根据气力式排种器按照排种器的原理不同又分成三种形式，分别是气吸式、气吹式以及气压式[4]，气力式排种器能够输出稳定的气流，通过这三种方式与排种盘共同作用实现挟持种子目的，最后通过排种器将种子排出。

1.1 气吸式

气吹式的主要工作原理是利用压力差，将种子吸在吸种孔，转动到投种点。

小范围内应用的2XJB-4型精量播种机由黑龙江农科院仿制[5]，但由于该播种机的工作效率难以适应大田作业的要求，故没有进行大量的田间试验，缺少实验数据也就没有普及推广。因此西北农林科技大学对该播种机进行了改进研究，但是作业效率低和耗能大的缺陷仍然存在。

2008年王瑞雪等人[6]对小麦气吸式排种器的关键部件进行了结构设计，通过对排种效果影响因素的分析，经回归方程优化得到了最佳组合。改进后的精密排种装置结构简单，提高了排种性能。该研究对气吸式排种器的下一步深入研究具有一定的参考价值，但排种器的田间适应性和可行性有待考察。

2010年张晋国等人[7]设计的圆管孔眼式小麦气吸排种器，采用了孔眼吸种结构，这种结构使该机能够连续均匀的供种，提高了播种精度，对于不同类型的种子具有良好的适应性，但是容易堵塞。而同年设计研究的缝隙式小麦气吸排种器，采用双管缝隙结构，解决了堵塞问题，同时在种箱内加入搅拌机构，提高了小麦的流动性。

然而，随着气吸式小麦排种装置的应用，因小麦种子颗粒尺寸小、形状不规则而导致的排种性能不稳定、充种效果差等问题逐渐暴露出来。2017年于佳杨[8]针对该问题，采用理论与试验相结合的方法，设计了气吸滚筒式小麦精密排种器，采用3D打印技术进行加工试验。2018年程修沛等人[9]研究了一种气吸型孔组合式小麦精密排种器，该装置采用了气流与型孔结合的工作原理，能够满足小麦精密排种在充种性能方面的要求，解决了上述问题。但由于试验台加工精度、密封等因素，对试验结构造成了一定影响。

2019年崔东云[10]针对当时气吸式小麦精播机存在的问题，以PWM电液比例控制的气吸式小麦精播装置作为研究对象，建立了基于PWM电液比例控制系统模型和垂直双吸盘排种器的几何模型，通过仿真试验，获得了最佳的排种效果。

1.2 气吹式

气吹式的主要工作原理是利用气压差和重力实现种子充入、清出以及投种。

2016年胡靖明等人完成了一种气吹式小粒种子精量排种器气室的模型[11]，实现了单粒取种和气压卸种，可以有效地防止型孔堵塞，并且通过仿真分析，证明了气室中平衡气孔的重要性。通过建立气吹式排种器的模型进行了仿真分析，但未运用到实物上去，在实际工作过程中，排种器的排种性能与理论分析可能存在偏差。

2019年宋爱卿通过流体分析软件对腔体优化后的气吹式排种器进行了仿真分析和验证，完成了对气吹式精密排种器流场的一次分析，发现从相同的风速吹入排种器腔体，流场随着排种盘的转动，会出现周期性变化[12]。在一个周期内会影响充种、清种等重要环节，合理的腔体设计能够有效地提高播种的效率。根据调查结果显示，目前市场上气吹式排种器成熟应用的产品较少，还有待进一步完善相关应用。

1.3 气压式

气压式的主要工作原理是利用压差来携带种子至投种区。2020年在以针对小麦精量播种技术及装备开展研究的河北农业大学创新创业训练项目中，本团队借助真空负压原理，完成了小麦精量排种器的设计[13]。该设计在节约种子的同时，也实现了对作业速度的控制，在一定程度上提升了小麦精量播种的效果。

2 讨论与展望

2.1 存在问题

当前我国的小麦气力式排种器存在的不足主要有:

（1）田间实验的缺乏，排种器具体实用性不能确定[1]。创新力不足，多为学习引进国外技术。国内对于气力式小麦精量播种机的研究较晚，大部分是对国外的播种机进行改造，而且只适用于小区作业。（2）排种器在排种过程中，排种的均匀性，伤种率以及作业效率还有待提升。由于小麦每粒籽粒的大小以及形状不同引起的充种效果差、排种性能稳定性不高等问题，导致排种器在排种过程中作业效率有待提高[9]。（3）对于排种性能的检测没有很好地解决方式，人工数种检测法、光电传感器检测法、高速摄影检测法都有着不可避免的缺点[14]。

2.2 发展趋势

近几年，我国气力式排种器发展迅速，经过不断创新和丰富，工作能力也在不断提升。气力式排种器的排种性能，排种精度，排种效率将不断提升，加强了与作物生长方式和农艺要求的结合。

（1）提高排种器的排种速度和排种精度[15]，保证播种机的作业效率和工作质量。加强排种器与机具之间的协调配合，加强与作物生长方式和农艺要求的结合[16]。（2）排种智能监测系统的研究与应用，利用图像处理技术和各种算法，对排种器的排种性能进行准确高效的检测，将是排种器性能检测的一个新的趋势。（3）提升排种器的材料和工艺技术[17]。利用新型材料和加工工艺，提升排种器的外观质量和工作性能，延长排种器的使用寿命。

3 总结

小麦是在世界各地广泛种植的谷类作物，是三大谷物之一，同时也是人类的主食之一。我国人多地少，仅仅实现机械化是不够的，目前的播种机存在伤种、排种精度不高以及排种性能无法准确检测等问题，导致小麦质量还不能满足高产的要求。播种机播种质量的优劣直接影响到农作物的产量以及农产品的成本，因此研制高质量的小麦播种机械是现代农业的迫切要求[7]。随着农业的产业化和机械化发展，小麦的精量播种是发展的必然趋势。气力式排种器能够很好地解决这个问题，对气力式排种器的研究，是小麦精量播种以及小麦产业的重要问题和热点方向，是实现小麦机械化产业化种植的重要途径，具有巨大的经济价值和深远的社会意义[18]。我国气力式排种器发展较晚，技术相对落后。我国研究人员和企业在学习引进国外先进技术的同时，根据我国的社会背景和土地情况进行不断创新，全面提升了气力式排种器的工作能力，缩小了与国外的差距，但是针对气力式排种器的研究还需利用新技术和实践数据继续研究。