玉米播种机械发展现状与优化设计研究

程 艳

（西安理工大学高科学院，陕西 西安 710043）

随着全球人口不断增长，粮食需求持续上升，粮食生产成为人民关注的重要议题。玉米是全球主要粮食作物之一，占据重要的经济地位[1]。为了满足人类对粮食的需求，提高农业生产效率和玉米产量成为当务之急。在此背景下，玉米播种机械的研究和发展日益受到关注。玉米播种机械作为农业生产过程中的关键设备，对提高农业生产效率、降低劳动力成本和保障国家粮食安全具有重要意义[2-3]。近年来，玉米播种机械在我国农业生产中得到了广泛应用，但仍存在一些问题，如播种精度不足、作业效率低下、设备结构复杂以及耗能与环境影响等[4-6]。为了解决这些问题，对玉米播种机械进行优化设计，有助于推动玉米播种机械的技术创新和发展。

1.3 6行以上的气吸式精量播种机

这种类型的玉米播种机适用于黑龙江、内蒙古和新疆等地区，可以做少量免耕作业。由于采用气吸式设计，它的作业速度最高可以达到12 km/h，并且也可适应多种形状的种子。但是，由于它对耕整地质量的要求比较高，需要在使用前进行相应的准备工作。

1 玉米播种机械类型

随着我国农业现代化建设的不断推进和科技水平的不断提高，玉米播种机行业也迅速发展壮大，并逐步出现了多种类型的产品[7-8]。现阶段，我国自主生产的玉米播种机主要分为三大类，即轻便型玉米播种机、2~4 行牵引式免耕播种机和6 行以上的气吸式精量播种机[9-10]。

1.1 轻便型玉米播种机

这种类型的玉米播种机结构简单、重量轻，适合在黄淮海地区生产使用。但是由于播种精度不高，作业速度慢，在一些作业区域的环境恶劣或者作业面积较大时，可能会影响玉米的播种效率。

1.2 2~4行牵引式免耕播种机

这种类型的玉米播种机采用进口指夹式排种器，适合于干旱区的免耕播种。它的性能可靠、速度快，最高可达10 km/h，并且对适合种子的要求也比较高。

2 玉米播种机械发展现状

2.1 排种方式由机械式转变为气吸式

早期的玉米播种机采用机械滚筒排种方式，虽然可以自动化地进行播种，但会出现一穴多苗或者少苗的问题，影响了种植效果和经济效益。后来的气动精量播种机则采用压缩空气推动排种，解决了多苗少苗的问题，降低了玉米种子成本，提高了播种效率和质量。但是也存在维修难度大、播种机体积大等问题，限制了其在小面积种植中的应用。近年来，随着科技不断发展，玉米播种机技术也得到了进一步升级和改良。例如利用微控制器、传感器等技术，可以实现播种深度、密度等参数的智能化调节；利用GPS 导航和遥控技术，可以实现无人驾驶和精准作业等功能，提高了玉米播种的效率和准确性。同时，对于小面积种植需求，还出现了便携式、手持式等小型玉米播种机，方便农民在家庭农场或者个人耕地中使用。

2.2 单一作业方式转变为一体式作业

在过去，玉米播种机多采用单独点播、携种播种等方式，难以满足大规模农作物种植的需求，设备之间缺乏有效的协同性，导致在农业生产中存在断片式的单个环节，无法实现全面自动化生产。而自从推广使用气吸排种发展模式后，玉米播种机械的应用范围逐渐拓宽，设备之间能够互联互用，使得设备的功能和使用范围都得到了进一步扩展和提升。同时，在施肥、覆膜、滴灌等配套机组上增加可拆卸式的玉米播种机组，并且实现了各机组之间的分体式连接，可以很好地解决在种植过程中断片式的问题，提高了各机组之间的协同作用，进一步提高了设备的整体使用效率。

2.3 材质设计由铁质转变为新材料

早期的玉米播种机采用铁质设计，体积较大、重量较重，不便于携带和使用。在使用过程中，种子包衣剂的存在可能会导致农药腐蚀种箱，影响使用年限。为了解决这些问题，后续的研发过程中，玉米播种机的种箱设计采用了新型材料，如塑钢、碳钢等，有效地减轻了种箱的重量，使得携带和使用更加方便。在种箱材料的选择上，也考虑到了耐腐蚀性的因素，防止药剂对种箱造成损坏，延长了使用寿命。此外，现代玉米播种机在设计时还注重提高种植效果和耐用度，采用先进的技术和材料。例如采用智能控制系统，使得操作更加简单，种子的播种量可以更准确；采用精密附件，使得种植效果更加稳定；采用可调整的部件，使得玉米播种机具有更强的适应性和灵活性，可以应对不同的种植需求。

在玉米播种机的发展历程中，人力推种滚筒排种是最早的播种方式。这种方式的优点是简单、低成本，适合于小型农田使用。但缺点也很明显，就是生产效率低、劳动强度大。为了提高生产效率，玉米播种机采用了拖拉机驱动等技术进行升级改进。这种方法虽然降低了劳动强度，但仍需要农民坐在拖拉机后面手工操作，对于大规模农田来说难以满足要求。另外，由于拖拉机车架结构复杂，容易受到地形条件的限制，无法轻松通行于复杂的地形。为此，电动自走式玉米播种机应运而生。该机具有自主式、高效可靠的特点，可以有效节省人力和时间成本。同时，它还能够精确控制播种深度和密度，提高播种成功率，保证玉米的良好生长和发展。总的来说，随着科技的不断创新与发展，玉米播种机械化的水平已经得到了大幅提升。可以预见，未来玉米播种机械化的发展将更加迅速，在科技进步的推动下，可以实现更自动化、更高效、更精准的机械播种。

3 玉米播种机械存在的问题

3.1 播种精度不足

尽管现代玉米播种机械在播种精度方面取得了一定的进步，但在实际操作中仍存在种子排列不均匀、种子堆积、漏种等现象。这些问题可能是由种子输送机构设计不合理、种子分散装置不精确、驱动系统不稳定等原因引起的。播种精度不足会导致种植密度不均、田间竞争加剧，进而影响玉米产量和品质。

3.2 作业效率低下

部分玉米播种机械在作业过程中，由于结构设计、操作方式等原因，作业效率较低，耗时较长。例如，播种机械在转弯时需要减速或停止作业，或者由于播种机械行走速度过慢导致作业时间过长。尤其是在大规模农业生产中，作业效率的提高对于降低生产成本、缩短生产周期具有重要意义。

3.3 设备结构复杂

为了实现多功能、一体化，部分玉米播种机械的结构设计过于复杂，包括繁多的零部件和复杂的传动系统，这导致维修难度加大、故障率提高，甚至影响设备的稳定性和使用寿命。此外，复杂的结构设计可能增加设备的重量，进而影响作业效率和能耗。

3.4 耗能与环境影响

传统的玉米播种机械在作业过程中，能耗较高，会排放较多污染物，如废气、噪声等。这些问题主要是由设备驱动方式（如内燃机驱动）和材料选择等原因造成的，在对环境造成一定影响的同时，也增加了农业生产成本。随着环保政策的实施和绿色农业的推广，降低能耗、减少环境影响已成为玉米播种机械发展的重要目标。为此，研究人员正努力探索新型驱动方式（如电动驱动）和环保型材料，以降低玉米播种机械对环境的负面影响。

4 玉米播种机械优化设计策略

4.1 提高播种精度

1）采用高精度传感器与控制系统。为了实现精确播种和实时监测，玉米播种机械可以引入高精度传感器，例如光电传感器、压力传感器等。这些传感器可以对播种过程中的种子分布进行实时监测。同时，采用先进的控制系统，如基于微处理器的控制系统、模糊逻辑控制等技术，可以实现播种过程中的自动调节，从而提高播种精度。

2）优化种子输送与分散机构。针对现有的种子输送机构，可以进行改进以降低种子在输送过程中堆积的可能性。例如，采用变形的螺旋输送装置，使种子在输送过程中不易跳动。此外，优化种子分散装置设计，如采用气动式种子分散装置，可以确保种子在播种过程中分布均匀。

3）引入智能化调控技术。利用物联网、大数据等技术，实现对播种机械的远程监控与智能调控。例如，通过物联网技术将播种机械与云端服务器连接，实现数据实时传输与分析；通过大数据分析技术，为播种机械提供智能化决策支持，这些技术有助于提高播种精度和作业效率。

4.2 改进作业效率

1）减轻机器重量，简化结构。为了提高作业速度和稳定性，玉米播种机械可以采用轻型化材料，如铝合金、高强度塑料等。这些材料不仅可以降低设备重量，还可以提高设备的抗腐蚀性能和使用寿命。同时，通过简化结构设计，例如采用模块化设计、集成多个功能于一个部件等方法，可以进一步降低设备重量。

2）提高作业速度与稳定性。优化驱动系统设计，提高作业速度，同时确保在高速作业状态下设备的稳定性。例如，采用高效的液压驱动系统，以提高行走速度；设计合理的减震系统，以减小行走过程中的震动。此外，针对转弯等作业过程中的效率损失，可以设计自适应的转向控制系统，使播种机械在转弯过程中实现平稳过渡，减少作业停顿时间。

3）多功能与一体化设计。为了提高作业效率，可以将播种、施肥、除草等多个农业作业功能集成到一台设备上，实现一体化作业。例如，在播种机械上增加施肥装置和喷药装置，使播种、施肥和喷药过程一次性完成，从而降低农业作业的时间成本和劳动力成本。

4.3 降低能耗并减少对环境的影响

1）采用节能型驱动方式。为降低能耗，减少废气排放，玉米播种机械可以研究并采用节能型驱动方式，如电动驱动、混合动力等。例如，采用高效的电动马达和先进的电池技术，实现播种机械的电动驱动，从而降低能耗；或采用混合动力系统，将内燃机与电动驱动相结合，实现更高效的能源利用。

2）轻型化材料与结构优化。采用轻型化材料和结构优化设计，降低设备重量，从而降低能耗。采用铝合金、高强度塑料等轻型化材料，可以有效减轻设备重量；同时，采用模块化设计、简化结构等方法，进一步降低设备重量。

3）引入精确施肥与喷药技术。为了减少化肥、农药的使用量，降低对环境的影响，可以引入智能化精确施肥与喷药技术。例如，采用GPS 导航系统和高精度传感器，实现对田间施肥、喷药的精确控制；利用大数据技术，实现对施肥、喷药的智能化调度，以提高农药利用率，减少对环境的负面影响。

5 结语

随着农业科技的不断发展，未来的玉米播种机械将更加智能化、高效化、环保化。为此，有关部门和企业应持续加大对玉米播种机械研究与开发的投入，推动相关技术的创新与应用。同时，政府应加强对农业机械的政策支持，为农业机械发展创造良好的市场环境。在实际应用中，玉米播种机械的优化设计需要根据具体需求和条件进行有针对性的调整。例如，在不同地区、不同土壤条件下，播种机械的设计要求可能存在差异；针对不同规模的农业生产，播种机械的设计需求也会有所不同。因此，在进行玉米播种机械优化设计时，应充分考虑这些因素，以确保设计方案的实用性与针对性。未来，随着人工智能、物联网、大数据等新兴技术在农业领域的广泛应用，玉米播种机械将更好地满足农业生产的需求，助推我国农业现代化进程。