浅谈国内外气力式播种机的研究现状与发展趋势

王子轩，鲁少英，徐佳瑞

（石河子大学机械电气工程学院，新疆 石河子 832000）

0 引言

精量播种技术是指从种室中分离准确数目的种粒并按一定行距和株距将其播种到土壤中，而采用精量播种技术是走向智能农业的必经之路[1]。目前国内外的精密播种机中应用最普遍的是气力式排种器，其对种子形状尺寸适用性好，易实现高速作业，能够有效提高充种精度及播种效率[2,3]。

1 气力式排种器结构与原理

气力式排种器结构各异，但其原理大多数都相似，以气力式水稻精量播种机为例，该机主要由排种盘、排种管、种箱和气室等组成，如图1。该排种器在田间播种时通过排种器内部气力系统形成负压完成种子的吸附，然后切换至正压环境，将种子顺利排出，实现播种作业[4]。气力式播种机的工作过程如下：

图1 气力式水稻精量播种机结构示意

（1）种箱内的种子随着气室的压力变化稳定地流入充种室，在充种室内形成种堆；

（2）排种器进行播种作业，在梳种条的作用下不断将种子向上涌动，为气室吸种做好准备；

（3）气室内压力变化，吸附涌动的种子，芽种随着排种盘流动，当气室内压力变为正压时，种子在重力及吹力的作用下落入导种管内；

（4）种子沿着导种管的内壁落进田间土壤中，完成播种工作。

2 气力式播种机国内外研究现状

2.1 国外研究现状

在国外，已有不少企业和团队在研究排种器。气吸搅种钮大豆排种器是由法国的Monosem 公司设计的一种排种器[5]，它创新性地设计出搅种钮，搅种钮位于吸孔四周，用于拌种，利于吸附种子，其总体构造如图2（a）；法国的Pneumasem 农机公司[6]生产的同类型排种器的搅种钮也位于气孔的四周，其构造如图2（b）；德国的Franz Klerinz 公司[7]研制的排种器的取种区域位于两导种块间，二者同步进行，在移动过程中，种子先进入取种区域，到投种区后进入投种口，其结构如图2（c）；Eset 排种器由美国Prcision 公司[8]设计，该排种器也有许多搅种轮用于拌种，使种子全面均匀分布，使群体较好地分散，利于排种器的充种，其构造如图2（d）。

图2 气吸式排种器

Elebaid 等[9]对油菜的精量播种盘进行创新，如图3，该团队设计了一种四排气动式播种盘，在试验中确认了转速、真空度等因素都将影响排种器吸种和排种等特性。结果表明：当转速为20 r/min，真空度在3～15 kPa 范围内时，排种器吸种和排种能力最佳，并且多行播种的效果良好，此外，行间种子的数目无显著差距，不会导致种子流失。

图3 四排气动式油菜精量播种盘

美国的AGCO 公司[10]成功研制了气力式玉米精量排种器（图4），其原理是利用正气压充种和清种，携种与排种采用侧压式精量排种器，该排种器可根据种子尺寸大小替换排种盘，适应性较好，但是对于气压和机具密封性要求较高。

图4 美国AGCO 公司气力式玉米精量排种器

以上研究可看出国外对排种器的研发起步较早，通过理论和试验结合改善了排种器性能，研发了适应当地土壤和规模的播种方案，随着时代的发展，排种器的高效、精量以及兼容性会越来越强。

2.2 国内研究现状

我国早在20 世纪70 年代就开始了对气力式播种机械的研究与开发，其研究领域主要集中在精量播种方面，研发了不同型孔形状式样的排种器。李兆东[11]以自行设计的“倒方锥”型孔排种滚筒作为试验对象研制出一种油菜气压型集排种器，如图5。该排种器由种子盒、负压装置及输种管构成，采用气吹式清种和气吸式护种实现了精量播种，并对其排种性能进行了测试[12]。

图5 油菜气压型集排种器

中国农业大学课题组[13]研发出内吹式玉米精量播种机，如图6。该团队采用CFD-DEM 耦合方法对型孔的宽度和位置进行了研究，发现了弧长对种子在排种器内移动的影响特征，分析了不同型孔结构对排种器性能的影响，其清种装置能够适应不同大小的种子。

图6 玉米精量播种器

闫建伟[14]研发的排种器主要由排种器左壳体、鸭嘴固定架、排种器主体、鸭嘴、气管种、挡板、密封圈、种盘限位架、种盘、排种器右壳体及种室壳体等组成，如图7，其中种盘分为充种区、清种区、携种区和落种区4 个区域。

图7 气送式杂交稻精量直播器

明哲等[15]采用虚拟样机技术研制了新型气吸式水稻排种器，如图8，并由仿真试验得到以下参数：孔径2.2 mm、真空度3.0 kPa，当排种盘的转速为45 r/min时排种器性能最好。

图8 气送式杂交稻精量直播器

除了田间播种，气力式播种机还用于工厂化育苗种，近年来国内在精量排种器研究开发方面有明显进展，对精量排种器的研发水平正在稳步提升，气力式精量排种器以其播种效率高、质量好、对种子适应性强、不伤种等优点必将会占有更多的市场份额。

3 气力式播种机的不足

3.1 排种量不均匀

排种量不均主要表现为在气力式播种机作业时排种量突然增大或者减小，这会对播种的均匀程度造成影响，导致株距不匀，资源利用率降低等一系列问题[16]，造成排种量不均的原因一般为气力式排种器的密封结构失效。

3.2 播种功能失效

风机工作时内部空气压力较低导致风机无法正常运转，从而使种子与空气之间产生摩擦，发生漏播现象。造成气力式播种机漏播率大的原因主要是负压不够，也就是风机功能失效，风机功能失效的原因也是多方面的，如传动结构维护不到位、传动结构的损坏等[17]。

3.3 功耗大

相对于机械式播种机，气力式播种机需要额外配备一个风机，用来形成正压或负压条件，以此为取种和投种提供基础，这是造成功耗大的主要原因。而影响风机功耗的主要因素两个，其一气力式播种机对于气压的要求较高，需要消耗较多能量来满足这个条件；其二是在播种过程中，无论是气吸式还是气吹式，完成一次播种需要风机启动一次和停止一次，当连续工作时风机频繁地启动停止，势必导致功耗大。

4 展望

排种器的排种性能会对农作物的产量造成直接影响，因此研制一种低成本、高质量的精密排种器成为推动现代农业机械发展的当务之急。随着农业机械化和智能化的不断发展，精量播种和精密播种是大势所趋。目前，气力式排种器尤其是气吸式排种器是精量播种研究的热点。