精量排种器的研究现状与发展趋势

侯云涛

（黑龙江省农业机械工程科学研究院，黑龙江 哈尔滨 150081）

0 引言

精密播种是现代农业生产的重要技术手段之一，它通过种子的精准分布和利用，大大提高了播种作业的精度和速度，避免了种子的浪费，从而有效降低农业生产成本。精量排种器作为精密播种机的核心部件和装置，是保证精密播种过程精确实施的关键。目前，精量排种器根据工作原理可以分为机械式和气力式2 种类型，机械式精量排种器虽然制造成本较低，但它的工作精度较低，在工作过程中容易导致种子破损率的上升；相比之下，气力式排种器可以更好地保护种子，提高精度和效率。

气力式精量排种器根据排种方式和结构特点，可以分为气吸式、气压式和气吹式3 种类型[1-2]。气吸式排种器采用真空吸力将种子吸入排种器内，再通过控制气流的停止和启动来控制种子的排放，其精度较高，适用于种子较小的作物。气压式排种器则是通过利用压缩空气对种子进行推动和分配，具有速度快和适应性强等优点，适用于各种类型的种子，但由于气流的惯性效应，其精度相对较低。气吹式排种器则采用高压气流将种子从种子箱中吹入排种器内，通过控制气流的速度和方向，实现高精度的种子排放，适用于较大颗粒的种子。正因为气力式精量排种器具有以上优点，目前已成为国内外精量排种器发展的主要趋势。

1 国外精量排种器研究现状

1.1 气吸式精量排种器

约翰迪尔公司在2014 年推出了ExactEmerge 排种器。John Deere ExactEmerge 是一款新型的气吸式排种器，它采用了John Deere 自主研发的BrushBelt技术，使用空气流和刷带将种子从种子箱中吸出，并通过管道将种子输送到排种器，然后通过真空吸力将种子从排种器排出。这种技术可以提高种子输送的速度和精度，使种子间距更加均匀，从而提高了作物的收成量。具有高速种子输送能力，可达每分钟10 英尺（约3 m），并且具有非常高的排种准确性。其排种器结构主要由2 个独立的排种器单元组成，每个单元都有1 个电动马达和1 个气压系统，控制种子的排放和分配。排种器单元之间采用间隙式排种，种子之间的间隔可以根据不同作物的需求进行调整。排种板上的孔数量比传统的气吸式排种器多得多，因此可以更有效地分布种子，提高种子的密度和均匀性。

另外，近年来，美国的气吸式排种器还开始采用更先进的材料和工艺，以提高耐用性和使用寿命。例如，Kinze Manufacturing 公司在2015 年推出了一款名为“True Speed”的气吸式排种器，它使用高强度钢和铝合金制成的排种管和排种器盘，可以更好地抵御磨损和腐蚀。

Horsch Maestro RC 是德国Horsch 公司于2015 年推出的一款气吸式排种器，Maestro RC 使用的排种板分为前后2 部分，前部分用于吸取种子，后部分用于排放种子。排种板采用可调节的空气隙技术，可以根据种子大小和形状进行调整，以确保精准排放。Maestro RC 采用独特的气流系统，通过多级风扇和气管将空气引导到种子排放口，气流的压力和速度可以根据种子类型和土壤情况进行调整，以确保种子能够精准地投放到所需位置。该排种器的压实轮是通过液压系统控制的，可以根据不同作物和土壤类型的需求进行调节。

1.2 气压式精量排种器

Case IH 公司于2018 年推出了Early Riser 2150排种器，采用了气压式技术，其设计结构和技术水平都比较先进。Early Riser 2150 采用先进的高速排种系统，每排种植单元可以独立操作，提高了种植的准确性和一致性。该机的排种器结构采用了双排式设计，每行之间的距离可以根据作物需求进行调整。Early Riser 2150 排种器梳齿轮可以通过不同的齿轮组合实现不同种子的种植深度和间距，以适应不同作物和田间环境；排种器的每个排种单元都有1 个独立的弹簧悬挂系统，可以跟随地形变化，保持一定的压力，并确保种子能够在正确的深度和位置种植，这种悬挂系统可以帮助排种器适应不同的田地条件，确保种子种植的准确性和一致性。Early Riser 排种器采用了独特的“Seed Tube”结构设计，可以将种子送到地面上并精确定位，确保种子的准确性和稳定性。排种器还配备了精密的真空控制系统和电子控制系统，可以实时监测种子的流量和位置，并自动调节真空压力和排种速度，保证种子落地的准确性和一致性。

KUHN ESPRO 于2011 年由法国KUHN 公司推出。ESPRO 排种器采用了双排种轮排种技术，每个排种单元包括2 个排种轮，可以实现一次性排种2行作物，从而提高了作业效率。排种单元还配备了独立的空气压力控制系统，确保种子的精准投放。KUHN ESPRO 排种器配备了高精度的感应器，用于检测排种管的位置和机具的移动速度。感应器可以确保种子在正确的时间及位置被释放，从而提高了种植效率和作物产量。

1.3 气吹式精量排种器

Kinze 4900 Air Seeder 是Kinze Manufacturing 公司2014 年推出的一款气吹式排种器，采用了新型的气流喷射技术和结构设计，可以实现更高效、更精确的种植作业。Kinze 4900 Air Seeder 采用单排式设计，每个排种单元包括1 个种子箱、1 个压力室、1个分配器和1 个排种管，通过控制排种管的开闭，实现种子的精准排种；每个排种单元都配备了1 个种子分配器，用于将种子分配到每个排种管中，该分配器采用了多级分配设计，可以确保种子的均匀分配和流量的精准控制。气压系统采用液压驱动，通过高压气体将种子送入排种管，该系统能够提供稳定的气压，确保种子排放的精度和均匀性。种子通过排种器进入气路系统，在气流控制下可以将种子精确地喷向地面，并且可以自动调节喷射角度和气流速度，适应不同种植条件和种子类型。排种器还配备了高精度的种子传感器和电子控制系统，可以实时监测种子的流量。排种器的结构采用了先进的复合材料和金属材料，保证了排种器的轻量化和耐用性。

AMAZONE EDX 是德国AMAZONE 公司生产的一款气吹式排种机。EDX 采用坚固的框架结构，确保排种单元的稳定性和可靠性，通过电子驱动精确控制种子的落地和压实，该排种单元设计紧凑，安装和拆卸方便，易于维护。AMAZONE EDX 的种子箱和压力槽采用可拆卸设计，方便清洁和更换种子，压力槽配有调节器，可以根据种子类型和土壤状况进行调整。EDX 采用锥形排种轮，使得种子能够垂直落地，避免种子侧向移动，排种轮的形状也可以根据不同的种子进行调整，以达到最佳的排种效果。

2 国内精量排种器研究现状

2.1 气吸式精量排种器

四川农业大学张黎骅团队设计的小株距密植气吸式精量排种器能够实现双重清种，适用于大豆-玉米带状复合种植模式下的精量排种作业[3]。该排种器在玉米和大豆的排种过程中，具有较高的合格指数（97.78%）和较低的重播指数（0.32%）、漏播指数（1.90%），这些结果表明，该排种器具有优异的精度和稳定性，可以有效提高农作物的产量和品质，能够满足现代农业生产对精量排种的要求。南京农业大学工学院李骅[4]团队通过对排种器的工作原理和关键设计参数的计算，设计了一种具有良好排种性能的小青菜精量排种器。这款排种器通过仿真试验和台架验证试验，表现出较高的合格率、较低的漏播率和重播率，与传统排种器相比，这款排种器在排种过程中具有更高的精度和稳定性，能够保证种子的均匀分布和良好生长条件，适用于小青菜的精量排种作业，从而提高了作物的产量和品质。山东理工大学兰玉彬[5]团队针对气吸式排种器在进行扁平形状种子排种时，充种性能不稳定，排种效果不佳的问题，设计了一种具有倾斜凸台式取种结构的气吸式排种器，田间试验结果表明，可大大提高排种器吸附稳定性和作业性能。

2.2 气压式精量排种器

在实际应用中，气力式集中排种器需要调整不同的参数来适应不同作物的需求，具体来说，排种器的精度和稳定性主要受到真空压力、排种盘转速和吹种风速等参数的影响，其中，真空压力是调整种子吸附和放置的重要参数，排种盘转速可以控制种子的精确计量和放置，吹种风速可以影响种子的精准输送。为此，谢宇峰等[6]人进行了排种器性能试验，并通过试验结果得出了真空压力、排种盘转速和最优吹种风速的最优参数组合，通过调整这些参数，气力式集中排种器可以更加准确地进行排种，从而提高种子的发芽率和产量。中国农业大学王德成[7]团队研发了一种气压式精量排种器，种子被储存在种子仓中，通过正压风管被输送到排种器中，排种器采用气压式精量排种器，可以根据不同的作物和种子大小进行调整；经过排种试验，证明该排种器具有良好的排种均匀性和通用性，在对苜蓿、披碱草和玉米进行排种试验时，结果显示排种器能够较均匀地排种，并且符合行业标准要求。河北农业大学赵晓顺[8]团队在研究气吸式排种器的过程中发现，该类型排种器存在易堵塞的问题，因此，他们着手设计了一种滚筒正负压式排种器，以解决这一问题。相比气吸式排种器，滚筒正负压式排种器采用的是正压和负压的双重作用方式，可以将种子精确地排放到排种孔中，减少了种子被堵塞的风险，从而提高了排种器的可靠性，满足行业标准要求。

2.3 气吹式精量排种器

与传统的排种方式相比，气吹式精量排种器可以更加精确地控制种子的排放量，尤其是对于大颗粒种子，它的排种效果更好[9]。在实际应用中，为了达到更好的排种效果，可以根据种子的大小和形状等特性，选择合适的气嘴和锥孔结构参数，以及调整气嘴和锥孔的相对位置。同时，还需要控制排种盘的转速，以确保单粒种子能够充分附着在锥形窝眼内。为了提高气吹式排种器的充种效率和精度，山西省农业机械发展中心刘中峰[10]团队设计了一种气流辅助充种装置，该装置通过间断气流的方式，对充种过程进行辅助，能够提高充填合格率、充填性能和充种效率，相较于一般气吹式排种器，具有气流辅助充种装置的气吹式排种器的排种效果更好。在气流辅助充种装置的设计中，关键因素包括间歇气流的时间、强度和频率等参数，团队通过试验分析，优化了气流辅助充种装置的参数组合，从而实现了更高效的充种效果。根据三七种子的外形特征和种植要求，昆明理工大学赖庆辉[11]研发了一种专门适用于播种三七的气吹式精量排种器，该排种器经过理论计算与分析，确定了主要结构参数，如排种盘的锥形窝眼大小、气嘴形状和大小等，旨在解决三七种子充填不均匀、播种效率低等问题。为了验证排种器的性能，研究团队采用正交试验方法，在台架试验中对种层高度、作业速度、清种风压等参数进行了优化，并得到了最佳参数组合，进一步提高了排种器的精度和效率。

3 讨论与展望

随着我国农业现代化的推进，精密农业技术的应用日益受到重视，精量排种器作为其中的关键技术之一，其发展前景非常广阔，以下是未来我国精量排种器的发展趋势。

3.1 提高排种器的作业性能和精度

随着现代农业的不断发展和升级，对于精量排种器的性能和精度要求也越来越高。未来，国内的精量排种器将会致力于提高作业效率和精度，包括优化排种器的结构设计、改善排种器的机械控制系统和提高排种器的作业自动化程度等方面。同时，通过对气动力学和颗粒力学的深入研究，优化排种器的排种原理和工作机制，以提高排种器的性能和精度。

3.2 排种器的设计与农艺相结合

精量排种器的设计需要结合不同农业作物的生长需求和种植条件，才能更好地实现作物的精准种植。未来，国内的精量排种器将会结合不同作物的生长要求和种植条件，进行设计和优化，从而实现精准种植和提高作物产量的目标；同时，将不同种植条件下的农艺技术和种植方法与精量排种器的设计和使用相结合，以实现更加科学、高效和节能的种植方式。

3.3 完善排种器设计的辅助研究

精量排种器的设计需要多学科知识和技术的支持，将会更加注重与其他领域的交叉融合,包括气动力学、流体力学、机械工程、自动化技术、农学等领域，需要加强对排种器设计的辅助研究，探索新的理论和方法，提高设计效率和准确性，例如，运用数值模拟技术和实验研究手段，优化排种器结构和参数设计，提高排种器的性能和可靠性。未来，国内的精量排种器研究将会更加注重跨学科合作和知识共享，加强与国内外相关领域的合作，共同推动精量排种器的研发和应用；同时，加强对排种器使用过程中问题和需求的研究，开发相应的辅助技术和系统，以满足不同农业生产者的需求和要求。