張 昆，衣淑娟

(黑龍江八一農(nóng)墾大學 工程學院，黑龍江 大慶 163319)

0 引言

玉米獨具糧食、經(jīng)濟、飼料、果蔬、能源等多元用途，在產(chǎn)業(yè)鏈條中是延伸最長的糧食作物，玉米產(chǎn)銷的各個主要環(huán)節(jié)都貫穿于第一、第二和第三各產(chǎn)業(yè)，是重要的糧食作物。

我國是僅次于美國的世界第二大玉米生產(chǎn)國和消費國。目前，玉米在我國糧食生產(chǎn)中種植面積和產(chǎn)量均位居第一位。玉米種植面積逐年增長，產(chǎn)量增加，對保障我國糧食安全發(fā)揮了巨大的作用。此外，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的主要標志之一是畜牧業(yè)為主導產(chǎn)業(yè)，發(fā)達國家的農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結構特征是畜牧業(yè)占60%～80%，種植業(yè)結構特征是飼料作物面積占農(nóng)業(yè)耕地面積的70%以上。其中，飼料玉米的比重占西方發(fā)達國家玉米種植面積的80%以上。隨著我國農(nóng)村產(chǎn)業(yè)結構調(diào)整、現(xiàn)代化進程的加快及全面小康社會對畜牧業(yè)發(fā)展的迫切需求，玉米以其多樣的用途、廣泛的分布，在我國國民經(jīng)濟中發(fā)揮著越來越重要的作用。到2020年，我國的糧食增產(chǎn)中60%～80%需要依靠玉米來實現(xiàn)[1]。

播種質(zhì)量是影響玉米單產(chǎn)水平的主要因素之一，因此提高播種質(zhì)量對提升玉米產(chǎn)量具有重要意義。目前，玉米生產(chǎn)主要通過機械化來實現(xiàn)，要提升播種質(zhì)量，就必須依靠高性能的精量播種裝置來實現(xiàn)。要實現(xiàn)玉米增產(chǎn)增收，合理有效的研發(fā)和應用玉米精量播種裝置是關鍵[2]。目前，種子發(fā)芽率較低是傳統(tǒng)方法的缺陷，我國玉米生產(chǎn)方式曾長期采用粗放式的播種方法，如今我們國家的城鎮(zhèn)化進程正逐漸加快步伐，不斷有農(nóng)業(yè)人員轉(zhuǎn)移，用人成本逐年上升，種子價格逐漸提高。因此，研制出省工、省種的單粒精量播種機具勢在必行。精量播種的技術是玉米機械化生產(chǎn)的重要保障，對促進我國玉米生產(chǎn)技術發(fā)展具有重大意義。

精量播種技術涉及種子處理、整地、播種、施肥、蟲病害的防治及化學方式除草等農(nóng)藝環(huán)節(jié)，是把傳統(tǒng)條播轉(zhuǎn)變?yōu)辄c播或穴播的一種綜合性強的先進核心技術，該技術開始推廣于20世紀80-90年代，但其發(fā)展速度十分緩慢。隨著國外先進精量播種裝置和機具的陸續(xù)引入和種子加工技術逐漸成熟，該項技術正逐漸被人們所認識和推廣[3]。

精量播種技術能夠一次完成多道工序，能夠減少人工勞動，使玉米秧苗具有良好的透光性和通風性[4-6]。實施精量播種技術的重要載體是精量播種裝置，隨著免耕播種技術的日漸成熟，開溝器的破茬和防堵性能將逐漸提升。精量播種裝置是精量播種機的關鍵部件，工作性能的好壞將會直接影響到播種的質(zhì)量。因此，研究和開發(fā)適應農(nóng)藝要求的新型精量播種裝置對推動玉米精量播種技術的發(fā)展具有重要意義[7]。

1 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

國內(nèi)的精量播種技術開發(fā)和研究始于20世紀70年代。國內(nèi)學者對精量播種裝置進行了大量的理論及試驗研究，從20世紀70年代末期開始研究氣力式播種裝置，主要研究大豆、玉米、水稻、花生、高粱及棉花等作物在氣力作用下排種盤結構參數(shù)、種子物料特性和工作參數(shù)等因素與播種性能間的變化規(guī)律[8-17]，推進了我國大田作物精量播種裝置的發(fā)展，使部分大田作物實現(xiàn)了氣力精量機械播種。

臺灣學者陳世銘采用振蕩式氣吸排種器和五刻劃形式分布的滾筒吸孔，減少了高速氣流破壞吸孔處的流體場的現(xiàn)象；但是，錐形吸孔存在一個缺點，即在負壓被切斷時，卸種的準確性和一致性無法保證，因此又采用了高速氣流吹落種子。針對存在的問題，左彥軍等采用了一種窩眼窄縫式的排種裝置，以窄縫寬度、真空度、窩眼半徑和滾筒轉(zhuǎn)速為影響因素進行了試驗，并優(yōu)化出了最佳工藝參數(shù)[18-19]。左彥軍等研究了一種氣吸窩眼滾筒式排種器，并優(yōu)化了結構參數(shù)[20]。蘇聰英針對吸種時，吸種孔容易被堵，產(chǎn)生漏播的現(xiàn)象，設計了雙層的滾筒氣吸式播種裝置，避免了堵塞問題，同時降低了漏播率[21]。

李法清研制出一種氣吸式滾筒水稻播種裝置[22]，可解決之前播種裝置對播種期的適應能力差、機具對種子損害較大的問題。試驗表明，此裝置也可以提升播種的均勻性和工作效率。此裝置滾筒表面的吸種型孔用吸吹嘴來替代，可適應多種品種的水稻種子。陳英強等針對當前市場上常用的播種裝置轉(zhuǎn)筒因循環(huán)轉(zhuǎn)動而導致經(jīng)常出現(xiàn)缺料或多吸料的現(xiàn)象，致使缺株或重株的產(chǎn)生及播種質(zhì)量降低等問題，研制出了一種滾動式氣力播種裝置[23]。該播種裝置的正負氣壓室由轉(zhuǎn)筒和定子組合而成，在定子上設置了密封條能有效地隔離正負壓氣室；在料斗的上方設置了種子擋板能有效防止一次性吸住多粒種子，可避免重株現(xiàn)象產(chǎn)生，從而降低了重株率和缺株率。

江蘇大學陳進等以排種器不同形狀吸孔的氣流場為研究對象，進行了有限元分析和臺架試驗。研究結果表明：①吸種效果的好壞和滾筒上吸孔孔徑大小有關，孔徑越大，吸孔效果越好；②吸種效果最好的是錐形孔，其次是直孔和沉孔；③吸孔導程具有調(diào)整和穩(wěn)定氣流作用。華南農(nóng)業(yè)大學李志偉等利用轉(zhuǎn)動換氣盤相對于固定換氣盤的轉(zhuǎn)動實現(xiàn)正負氣壓的切換，發(fā)明了新型滾筒氣力式蔬菜播種裝置。該裝置省去了電磁閥，結構簡單、工藝可靠，但加工精度低且相對轉(zhuǎn)動帶來的問題是排種性能下降[24]。玄冠濤設計了一種小型蔬菜穴盤精密播種機,整機采用全氣力驅(qū)動和氣針播種，能連續(xù)實現(xiàn)自動進盤、打穴與單粒播種,通過更換播種針頭的數(shù)量和型號，可適應不同形態(tài)蔬菜種子及穴盤規(guī)格。為提高樣機開發(fā)速度和質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本，基于Solid Works軟件對關鍵部件進行了數(shù)字化設計與三維建模，建立了小型蔬菜穴盤精密播種機虛擬樣機，進而自動生成平面二維工程圖進行樣機的生產(chǎn)加工。最后，對番茄等蔬菜種子進行播種試驗，結果表明:小型蔬菜穴盤精密播種機的單粒率水平在91%以上,滿足了蔬菜穴盤精播育苗的要求[25]。袁文勝設計了一種懸掛式水稻田間育秧播種機，分析了育秧播種機的鋪土均勻性、播種均勻性和機具的整體作業(yè)質(zhì)量。該機采用直徑為160mm的大直徑外槽輪式排土輥和直徑為110mm的大直徑、大窩眼式排種輥,滿足了水稻育秧底土量和播種量較大的要求。試驗結果表明：育秧盤內(nèi)不同點的底土鋪土厚度變異系數(shù)均小于6%,每盤播種均勻度和總播種均勻度均在90%以上，作業(yè)流暢、性能穩(wěn)定,各項指標符合相關標準和實際生產(chǎn)要求[26]。楊華等人為了解決排種孔堵塞、漏播斷苗等問題，在排種器的排種腔體上設置環(huán)形凹槽及多種通氣孔，設計了氣力式蔬菜播種排種器，實現(xiàn)了負壓吸種、自然泄壓排種，從根本上解決了氣力式排種器的漏播現(xiàn)象，保證了播種質(zhì)量和保苗株數(shù)[27]。

目前，國內(nèi)外對農(nóng)作物播種機械的研究有一定的進展，但還存在一定的問題，如精度不高、播種損傷等問題[28-36]。為了解決上述問題，劉艷芬從排種器的工作原理出發(fā),對排種盤型孔的結構形狀和尺寸進行分析，設計出一種帶倒角的周邊式傾斜長方形型孔的水平圓盤排種器；為了得到排種器的最佳性能參數(shù)，以排種器轉(zhuǎn)速、型孔倒角長度、型孔傾角為試驗因素，以排種合格指數(shù)、重播指數(shù)、漏播指數(shù)為試驗指標進行三元二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合試驗，建立試驗指標與試驗因素間的數(shù)學模型。應用響應面法對回歸方程進行多目標優(yōu)化，得到最佳參數(shù)：排種器轉(zhuǎn)速為33r/min，倒角長度為7mm，型孔傾角為61°，此時排種的合格指數(shù)為92.47%,重播指數(shù)為3.56%，漏播指數(shù)為3.97%。在最優(yōu)參數(shù)組合下，臺架試驗驗證排種器的排種合格指數(shù)為92.13%，重播指數(shù)為4.01%，漏播指數(shù)為3.86%。田間驗證試驗表明：當排種器轉(zhuǎn)速調(diào)整為33r/min時，其線速度為0.41m/s，播種機組前進速度為8.6km/h，水平圓盤排種器的播種性能指標滿足單粒精密播種的農(nóng)藝要求，且對不同品種的玉米種子具有良好的適應性。陳蔣針對玉米免耕播種機在起伏較大的地面工作時播種單體被架空、導致播種深度不合格的問題，設計了一種電液播深調(diào)節(jié)裝置。該裝置在平行四桿機構處加裝了液壓缸，用以調(diào)節(jié)播深。通過對電液播深調(diào)節(jié)裝置進行受力分析，確定了影響液壓缸受力的因素；在ADAMS軟件中建立播深調(diào)節(jié)機構簡化模型，采用有限元構件法建立土壤模型，對開溝鏟入土過程進行仿真，并以液壓缸受力值為目標函數(shù)對液壓缸進行仿真優(yōu)化。結果表明：開溝鏟入土仿真過程符合實際入土情況，確定了液壓缸的安裝位置及上-下播深休止狀態(tài)液壓缸伸出量。 戈天劍為了對播種機的工作狀況進行實時監(jiān)測，針對播種過程中出現(xiàn)的種箱排空和導種管堵塞情況及時報警，設計了一種對播種機作業(yè)中的各項參數(shù)實時監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)以嵌入式微處理器和紅外光電傳感器為主要部件，通過無線通信的方式與上位機進行數(shù)據(jù)的傳輸，對播種作業(yè)中出現(xiàn)的種箱排空和導種管堵塞及時進行聲光報警，并通過上位機軟件對所需的參數(shù)實時顯示。試驗結果表明：該系統(tǒng)工作穩(wěn)定，對故障的報警準確率較高，有效提高了播種質(zhì)量。夏俊芳為了提高播種精度，根據(jù)實際要求研制了氣力式水稻芽種直播精量排種裝置，該裝置一方面可以解決重播、漏播指數(shù)高的問題；另一方面能夠使得種子保存完好。李德鑫為了提高玉米排種器播種質(zhì)量，詳細分析了排種器充種、清種、投種過程中種子的受力情況，以期為該類型排種器的設計與改進提供理論依據(jù)。

宋金鵬等在研究傳統(tǒng)精量排種理論與排種器設計的基礎上[37]，設計了一種新的玉米精量排種器，采用窩眼式與氣吸式兩種取種方法，有效地縮小了氣室的大小，減少了漏播，精簡了傳動機構，將精量播種裝置的性能得到有效提升。李兆東等[38]研發(fā)了一種油菜精量氣壓式集排器，并進行了排種性能的試驗研究。張國忠等[39]研發(fā)了一種新型的具有群布吸孔的吸種盤，能夠同時吸附多粒稻種并可將其應用在垂直圓盤式直播排種器上。劉劍鋒設計了一種煙草排種裝置，解決了當今煙草排種裝置存在的問題和不足[40]。陳學庚等研制了一種與播種裝置速度、取種盤轉(zhuǎn)速相關的輸送與傳動機構成一體的帶式導種機構，優(yōu)化了投種的高度，精確矯正了播種粒距，提高了播種的質(zhì)量[41-42]。在充種過程中，如果處理不當則會造成漏播或重播現(xiàn)象，使排種器的工作性能受到嚴重的影響，致使播種的質(zhì)量下滑，而利用種箱振動的方式來提高充種是目前的通用方法[43-46]。李林等對氣吸式排種裝置工作的過程進行了試驗研究，提出了種群內(nèi)部摩擦力對種子的填充和所需要的吸力可產(chǎn)生很大影響。陳進等采用電磁激振的方法來擾動種群，讓種群產(chǎn)生“沸騰”效果，提升了氣吸式滾筒排種裝置的充種性能[47-48]。

2 國外研究現(xiàn)狀

精量播種作為一種先進的種植技術，國外從20世紀50年代末開始研究氣吸式精量排種器。1986年，蘇聯(lián)學者В.МГУСЕВ對氣吸式播種裝置進行了改進，將擋板放置在種子室和種箱底部的過渡區(qū)內(nèi)，形成環(huán)流，提高了充填頻率[49]。1991年，美國學者Zulin研究了發(fā)芽芹菜籽的氣吸式排種器，利用水作為輸送載體，將種子輸送到排種盤的吸孔上[50]。1994年，伊朗學者J.Jafari Far研究了西紅柿氣吸式排種器，建立了包含真空度和行駛速度因素影響播種質(zhì)量的數(shù)學模型[51]。1996年，P.Guarella研究了氣吸式蔬菜排種器型孔直徑、型孔形狀和種子距離對吸種的影響并建立了數(shù)學模型[52]。2004年，D.Karayl等學者通過研究種子的千粒質(zhì)量和投影面積等物理特性，建立了與真空壓強之間的數(shù)學模型[53]。2004年，土耳其學者Barut研究了玉米播種裝置，發(fā)現(xiàn)線速度增大，充種率下降，真空度增大，充種率增大[54]。2005年，印度學者R.C.Singh[55-56]等研究了氣吸式棉花排種器的排種盤轉(zhuǎn)速、型孔直徑、型孔倒角角度和真空度對播種質(zhì)量的影響規(guī)律，優(yōu)化得出了最優(yōu)參數(shù)組合。

近年來，Zeliha Bereket[57]等學者以吸種孔形狀、排種盤轉(zhuǎn)速和真空壓力為影響因素進行試驗，發(fā)現(xiàn)圓孔可提高排種均勻性，種子的物理特性可影響真空壓力。Karayel D等[58]通過試驗研究，建立了種子的千粒質(zhì)量、吸種孔截面積、密度和球度與真空度之間的數(shù)學模型。Satti Hassan[59]研究了小麥的氣力式排種器的重播率和漏播率，并對吸種、護種和投種3個階段進行了運動及動力分析，提高了吸種性能和合格率。Dylan St[60]等學者通過研究真空度和排種器轉(zhuǎn)速之間的變化規(guī)律，優(yōu)化了孔間距、轉(zhuǎn)速及對應的真空度。

自20世紀70年代起，日本和韓國開始工廠化育苗，不僅在蔬菜、花卉和水稻方面研制出了較完備的機型，如井關、久保田、三菱和東洋等農(nóng)機企業(yè)都生產(chǎn)育苗播種器，工藝性好、自動化程度高[61-62]。生產(chǎn)線主要為氣吸式(吸針和吸盤)，且主要針對小粒種子播種育苗技術，播種性能為2～5粒/穴。在穴盤育苗機械方面，歐美各國研制了蔬菜、花卉等作物的育苗播種生產(chǎn)線，播種同樣普遍采用吸針式原理，如Blackmore System、Marksman、Speedling System機型等，播種性能通常1～5粒/穴。

由上述可知，國外對精量播種裝置的研發(fā)已經(jīng)非常成熟，智能化程度較高；但由于精量播種裝置的結構復雜，生產(chǎn)制造成本比較高導致產(chǎn)品價格比較貴，不易被農(nóng)戶所接受。國內(nèi)對精量播種裝置多采用仿制、引進的方法，雖然短期內(nèi)對精量播種裝置技術水平有所幫助和提升，但是由于缺少基礎理論研究和科研創(chuàng)新能力，不能充分掌握國外先進播種裝置的核心技術，加之我國農(nóng)機行業(yè)制造水平較低，仿制比較粗糙，尤其在高速作業(yè)的情況下，作業(yè)質(zhì)量與國外還有很大差距。因此，研制出一種結構簡單、適應性好、高質(zhì)、高效、高速的氣力式播種裝置已成為未來的發(fā)展趨勢。

3 存在問題及對策

針對目前播種裝置結構復雜、制造成本高、價格昂貴及粗糙仿制等問題，研制出一種結構簡單、適應性好、高質(zhì)、高效、高速的氣力式播種裝置已成為未來的發(fā)展趨勢，以適應在高速、高密條件下播種質(zhì)量好及性能穩(wěn)定可靠的要求。

針對播種裝置理論基礎研究匱乏、關鍵技術缺失等問題，應對玉米種子的物理特性和空氣動力學特性開展研究，如種子的三軸尺寸、不同含水率下的摩擦角、休止角和漂浮系數(shù)等，為氣吸滾筒式精量播種裝置的研發(fā)提供理論依據(jù)和技術支持。同時，為提高播種裝置設計效率和精確性，在設計軟件中進行模擬仿真是新的研究目標，設計出符合要求的氣吸滾筒式精量播種裝置的三維模型，可利用軟件對設計的虛擬裝置進行密封范圍內(nèi)的流體仿真，確保密封處壓強盡可能的均勻。研究論證影響播種性能的主要影響因素，可利用仿真軟件對顆粒進行參數(shù)設計，探討種子運動規(guī)律及播種裝置的排種效果，可模擬仿真振動喂入條件下種箱供種情況并進行分析，并通過驗證試驗來獲得最佳工藝參數(shù)，從而獲得新播種裝置和關鍵技術。

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