楊昌敏，易文裕， 2，邱云橋，趙幫泰，程方平，陳昶

(1. 四川省農(nóng)業(yè)機(jī)械研究設(shè)計(jì)院，成都市，610066； 2. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部丘陵山地農(nóng)業(yè)裝備技術(shù) 重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都市，610066)

0 引言

育苗播種與傳統(tǒng)直播方式相比，可提高土地利用率，緩解季節(jié)茬口矛盾，改善種苗條件，增加產(chǎn)量和收入[1]。蔬菜、花卉等小粒種子種類(lèi)繁多，種植廣泛，少部分采用直播，多數(shù)采用育苗移栽[2]。育苗精量播種機(jī)是機(jī)械化育苗的關(guān)鍵設(shè)備，可以減輕人工點(diǎn)播勞動(dòng)強(qiáng)度、提高播種效率、降低人力成本，近年來(lái)被廣泛應(yīng)用。

育苗精量播種機(jī)按排種器的特性有多種分類(lèi)方式[3]，按排種器攜種方式不同，可以分為機(jī)械式、氣力式、磁吸式；按排種器設(shè)計(jì)樣式不同，可分為板(盤(pán))式、針(管)式、滾筒式；按自動(dòng)化程度不同，可分為手持式、半自動(dòng)、全自動(dòng)播種機(jī)[4]。氣力式精量播種，對(duì)種子的結(jié)構(gòu)尺寸要求不嚴(yán)格，不損傷種子，可進(jìn)行較高速度作業(yè)，是小粒種子育苗精量播種的首選和趨勢(shì)。

通過(guò)對(duì)當(dāng)前氣力板式、針式、滾筒式育苗精量播種機(jī)技術(shù)研究現(xiàn)狀及產(chǎn)品特性介紹，分析我國(guó)育苗精量播種機(jī)技術(shù)發(fā)展存在的問(wèn)題，并提出相應(yīng)建議措施，以期為我國(guó)進(jìn)一步研制、優(yōu)化、推廣育苗精量播種機(jī)提供參考。

1 育苗精量播種機(jī)排種器特點(diǎn)

排種器是育苗精量播種機(jī)的核心部件，其工作性能直接影響播種精度、均勻性和種子的出苗率。機(jī)械式排種器結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，成本低，但對(duì)種子幾何尺寸要求較嚴(yán)格，在充種、清種過(guò)程中，種子容易遭受擠壓而損傷，且單粒播種效果差，不適合高速作業(yè)[5]；氣力式排種器有氣吸和氣吹兩種方式，采用真空吸附原理，可以根據(jù)種子的大小、形狀等規(guī)格設(shè)計(jì)不同的風(fēng)孔，對(duì)不同類(lèi)型的種子具有更好的適應(yīng)性，生產(chǎn)效率高，是排種器研究的主要方向[6-7]。氣力板式播種機(jī)能實(shí)現(xiàn)單次整盤(pán)播種，效率較高，但對(duì)種子一致性要求高，否則易因穴孔氣壓不均勻出現(xiàn)漏播；氣力針式播種機(jī)在國(guó)內(nèi)外最早出現(xiàn)，操作簡(jiǎn)單，適用面廣；氣力滾筒式播種機(jī)打破板式、針式間歇作業(yè)方式，通過(guò)滾筒圓周吸附種子，實(shí)現(xiàn)種子的連續(xù)播種，效率較高。氣力手動(dòng)、半自動(dòng)播種機(jī)作業(yè)效率不高，但成本較低，適用于小規(guī)模用戶(hù)；氣力全自動(dòng)播種機(jī)多應(yīng)用于生產(chǎn)線(xiàn)，適合規(guī)模較大的用戶(hù)使用，價(jià)格較高。育苗精量播種機(jī)不同分類(lèi)方式，見(jiàn)表1。

表1 育苗精量播種機(jī)不同分類(lèi)方式Tab. 1 Different classification of seed metering device

2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2.1 國(guó)外對(duì)育苗播種機(jī)的研究

歐美等國(guó)家對(duì)播種機(jī)排種器的研究開(kāi)始較早，20世紀(jì)50年代后期歐美等國(guó)家開(kāi)始對(duì)氣力式精量排種器進(jìn)行研究，采用理論研究、特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)加上新型材料、新加工工藝的應(yīng)用，使排種器通用性、播種精度和效率不斷提高。理論研究方面，如歐洲的P. Guarella教授團(tuán)隊(duì)認(rèn)為空氣是不可壓縮的，將其作為理想氣體，設(shè)定特殊環(huán)境，對(duì)吸盤(pán)式排種器進(jìn)行試驗(yàn)研究，建立相關(guān)模型，為排種器研究奠定理論基礎(chǔ)；Dylan St等對(duì)氣力式精量排種器的轉(zhuǎn)動(dòng)速度與負(fù)壓值間的關(guān)系進(jìn)行研究，得到了試驗(yàn)種子相對(duì)應(yīng)的排種器轉(zhuǎn)速、排種孔參數(shù)、氣壓值，為研制高質(zhì)量排種器提供支持。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料應(yīng)用方面，法國(guó)公司生產(chǎn)的氣吸式排種器殼體和種盤(pán)均采用鋁合金壓鑄，排種盤(pán)采用不銹鋼板，耐磨、抗腐蝕，同時(shí)配備高強(qiáng)塑料密封環(huán)防止氣室漏氣，配備黃銅攪種裝置增加種子流動(dòng)性，提高排種器播種性能，延長(zhǎng)使用壽命[8-9]；意大利公司設(shè)計(jì)的氣吸式排種器，裝置結(jié)構(gòu)緊湊，以種盤(pán)圓心為中心周向分布攪種片，提高種群的流動(dòng)性，有利于吸種，同時(shí)采用雙側(cè)清種裝置提高清種性能，單粒率較好[10-11]；韓國(guó)的Hwang S J等[12]對(duì)播種洋蔥種子的滾筒形狀進(jìn)行了優(yōu)化，盡量減少重量，同時(shí)滿(mǎn)足所需的強(qiáng)度，形狀優(yōu)化后的滾筒重量，比傳統(tǒng)滾筒減輕17.7%，并且滿(mǎn)足2.0以上的安全系數(shù)。

隨著氣動(dòng)技術(shù)發(fā)展以及元器件制造水平的提高，在氣力式排種器研究的基礎(chǔ)上，發(fā)達(dá)國(guó)家研制出了多種氣力式精量播種機(jī)，并很快應(yīng)用到育苗生產(chǎn)中[13]。國(guó)外研制的機(jī)型較多，功能較完善，自動(dòng)化程度較高，并且配套設(shè)備齊全，這其中包括英國(guó)、美國(guó)、澳大利亞、荷蘭、韓國(guó)等國(guó)家眾多公司的知名產(chǎn)品[14-15]。荷蘭公司生產(chǎn)的氣力板式精量播種機(jī)，適用于單粒播種，對(duì)種子外形有一定要求，生產(chǎn)效率較高。荷蘭生產(chǎn)的Nozzle系列針式精量播種機(jī)如圖1所示，采用真空吸附原理，具有自動(dòng)清潔吸嘴的功能，并且能夠一次完成兩排穴孔的播種，播種精度高。

圖1 針式精量播種機(jī)Fig. 1 Nozzle precision seeder

圖2為英國(guó)公司生產(chǎn)的滾筒式穴盤(pán)育苗精量播種機(jī)。該播種機(jī)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)滾筒播種多種蔬菜種子和播種大小不同的穴盤(pán)，正常播種效率700盤(pán)/h，對(duì)研究播種機(jī)滾筒的多適用性邁出了一大步。

圖2 滾筒式精量播種機(jī)Fig. 2 Roller precision seeder

隨著技術(shù)發(fā)展，荷蘭、美國(guó)、日本、韓國(guó)都有工廠化育苗自動(dòng)生產(chǎn)線(xiàn)，工廠化育苗自動(dòng)生產(chǎn)線(xiàn)成套技術(shù)在發(fā)達(dá)國(guó)家已基本形成，并向高科技、高度自動(dòng)化發(fā)展。澳大利亞公司生產(chǎn)的ST1500型育苗播種生產(chǎn)線(xiàn)，適用于多種類(lèi)型穴盤(pán)，播種精確可靠，廣泛應(yīng)用于蔬菜等種植領(lǐng)域，最大播種速度可達(dá)1 500盤(pán)/h；荷蘭公司生產(chǎn)的Granette 2000Tex型雙排針式流水線(xiàn)，能使用可編程TEX電腦進(jìn)行多種播種模式的設(shè)置和儲(chǔ)存，播種精度非常高，噴嘴具有獨(dú)特的自清潔機(jī)構(gòu)，有效減少吸嘴堵塞，如果發(fā)生堵塞，且無(wú)法通過(guò)自清潔解決時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)還會(huì)發(fā)出報(bào)警[16]。意大利公司生產(chǎn)的Line1400型播種生產(chǎn)線(xiàn)，如圖3所示，有強(qiáng)大的工作能力，可以通過(guò)電子系統(tǒng)控制全部的工作部件[17]。

圖3 Line1400播種生產(chǎn)線(xiàn)Fig. 3 Line1400 type seeder

2.2 國(guó)內(nèi)對(duì)育苗播種機(jī)的研究

我國(guó)在20世紀(jì)80年代中期正式引進(jìn)育苗技術(shù)，通過(guò)對(duì)排種器進(jìn)行理論分析、仿真模擬、結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)等，精量播種機(jī)工作性能得到較大提高，播種精度、效率得到大幅提升。理論研究方面，李耀明等[18]以油菜等作物種子為研究對(duì)象，對(duì)振動(dòng)種盤(pán)內(nèi)種子的運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行理論分析，通過(guò)性能試驗(yàn)，確定了振動(dòng)氣吸式排種器核心部件的結(jié)構(gòu)和參數(shù)；陳進(jìn)等[19-20]通過(guò)ANSYS對(duì)滾筒吸孔結(jié)構(gòu)流場(chǎng)進(jìn)行了模擬仿真分析，得出吸孔結(jié)構(gòu)對(duì)取種性能的影響規(guī)律，并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了性能試驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，楊葉[21]提出緊湊型沖穴播種一體式的設(shè)計(jì)方案，采用鴨嘴型播種頭機(jī)構(gòu)和吸盤(pán)吸種機(jī)構(gòu)巧妙配合，實(shí)現(xiàn)沖穴播種一步到位，減少播種工序，提高育苗質(zhì)量和效率；張歡等針對(duì)現(xiàn)有氣吸滾筒式排種器部件多、裝配難、密封性差的問(wèn)題，提出了利用3D快速成型技術(shù)打印部分負(fù)壓吸種滾筒的新思路，并創(chuàng)新設(shè)計(jì)了雙腔排種滾筒，以番茄種子為試驗(yàn)對(duì)象，確定了影響排種性能指標(biāo)較優(yōu)的結(jié)構(gòu)和工作參數(shù)；劉云強(qiáng)等[22]為解決播種非球形蔬菜種子重播率較高的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種清種裝置，并通過(guò)對(duì)清種裝置內(nèi)流場(chǎng)仿真模擬，優(yōu)化了清種裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)。

經(jīng)過(guò)多年探索，我國(guó)多種育苗播種機(jī)產(chǎn)品問(wèn)世。2BXP-500型壓穴翻轉(zhuǎn)式精量播種機(jī)，可配32孔至288孔的多種規(guī)格育苗播種板，播種速度300～400盤(pán)/h，但高速作業(yè)時(shí)，氣壓不夠穩(wěn)定，播種板穴孔存在漏播現(xiàn)象。RSZN-600型針吸式穴盤(pán)播種機(jī)如圖4所示，采用氣電二合一的傳動(dòng)控制技術(shù)，節(jié)能、環(huán)保，要求種子飽滿(mǎn)，可實(shí)現(xiàn)一穴一粒精準(zhǔn)播種。

圖4 RSZN-600型針吸式播種機(jī)Fig. 4 RSZN-600 Needle suction seeder

2YB-G30A-2型滾筒式精量播種機(jī)如圖5所示，采用高精度電子滾筒系統(tǒng)，適用于0.3～4 mm之間的種子，形狀不限，適應(yīng)性好，適用于小型育苗工廠，但播種機(jī)不帶氣源系統(tǒng)，需外配氣源裝置才能投入使用，成本較高。

圖5 2YB-G30A-2滾筒式精量播種機(jī)Fig. 5 2YB-G30A-2 Drum precision planter

全自動(dòng)水稻育秧流水線(xiàn)如圖6所示，播種機(jī)排種器采用螺旋排種，改變傳統(tǒng)直線(xiàn)排種方式，實(shí)現(xiàn)螺旋交替充、排種，大大提高了播種均勻性，配備全自動(dòng)上盤(pán)機(jī)、上土機(jī)以及壘盤(pán)機(jī)，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)，大大節(jié)約勞動(dòng)力，提高了生產(chǎn)效率。

圖6 全自動(dòng)育秧流水線(xiàn)Fig. 6 Automatic seedling production line

2BS-6型氣力式蔬菜穴盤(pán)高速播種生產(chǎn)線(xiàn)，采用氣力滾筒播種，正負(fù)氣壓端面換氣技術(shù)，帶有自動(dòng)清洗裝置，實(shí)現(xiàn)了播種生產(chǎn)的機(jī)械化和自動(dòng)化，適用于蔬菜、煙草、花卉等種子播種，600～900盤(pán)/h，播種效率較國(guó)外精播流水線(xiàn)還存在一定差距。

2.3 國(guó)內(nèi)外對(duì)新型播種技術(shù)的研究

近年來(lái)，國(guó)外專(zhuān)家學(xué)者在利用不同原理實(shí)現(xiàn)精量播種方面進(jìn)行著不斷探索，為了解決形狀不規(guī)則、重量輕的蔬菜種子的播種問(wèn)題，研究利用一些新的播種方式。如日本提出的蔬菜靜電播種[23]，是一種將靜電吸附現(xiàn)象應(yīng)用于播種作業(yè)的技術(shù)，播種前用磁性材料對(duì)種子進(jìn)行包衣處理，利用電磁鐵與磁性物質(zhì)間的吸附力實(shí)現(xiàn)對(duì)種子的吸附，通過(guò)控制電源開(kāi)關(guān)間接控制磁力產(chǎn)生，達(dá)到吸種和落種目的；日本提出的種子帶播種，將種子按照一定距離放入編織帶中，由專(zhuān)門(mén)的播種機(jī)械將打包成捆的種子帶鋪在田間，覆蓋土壤，保證播種的均勻性和出苗率，此技術(shù)在發(fā)達(dá)國(guó)家廣泛應(yīng)用；英國(guó)提出的液體播種[24]，將種子與由水、農(nóng)藥、肥料等按照一定比例配置成的懸浮劑混合，使種子均勻的分布于懸浮劑之中，通過(guò)噴灑懸浮劑來(lái)達(dá)到精量播種的目的，克服了小顆粒種子因質(zhì)量輕，播種過(guò)程中漂浮、不易控制的難題，目前已經(jīng)用于蔬菜和花卉的播種；英國(guó)還提出了適合牧草的超音速播種[25]。

我國(guó)王家勝等[26]研制了一種基于種子帶模式的播種裝置，種子帶采用易于土壤分解的材料制成，通過(guò)更換配套吸種輥輪可適應(yīng)多種作物播種；張燕青[33]等以谷物種子為研究對(duì)象，按一定比例配置了谷子種?；旌蠎腋∫?，將谷種與液體混合均勻后利用流體排種裝置完成排種。國(guó)內(nèi)也有學(xué)者研究磁力式排種的精量播種機(jī)，此類(lèi)播種機(jī)吸種部件主要由磁吸頭、電磁線(xiàn)圈和反磁性套管組成[27]，調(diào)節(jié)電磁線(xiàn)圈通電電流的大小，可改變磁吸力大小，從而實(shí)現(xiàn)各類(lèi)種子的精量播種。此種播種方法簡(jiǎn)便，對(duì)種子外形和體積沒(méi)有過(guò)高要求，單粒精播率高，播種速度快[28]，但該類(lèi)播種方式需提前將種子進(jìn)行磁粉包衣處理。

通過(guò)上述論述可以看到我國(guó)育苗精量播種機(jī)的攜種方式、排種器樣式、產(chǎn)品種類(lèi)以及對(duì)新型播種技術(shù)的研究上都緊跟國(guó)外，但在種子適應(yīng)性、播種效率、作業(yè)性能等方面與國(guó)外還存在一定差距。國(guó)內(nèi)外育苗精量播種機(jī)比較，見(jiàn)表2。

表2 國(guó)內(nèi)外育苗精量播種機(jī)比較Tab. 2 Comparison of seedling planters

3 存在問(wèn)題

1) 育苗精量播種機(jī)播種性能還不夠穩(wěn)定。我國(guó)氣力式育苗播種機(jī)，一般需要借助空氣壓縮機(jī)作為氣源，由于氣源壓力的不斷變化，許多機(jī)型在高速作業(yè)下易因氣壓不穩(wěn)，造成漏播、重播等問(wèn)題。播種盤(pán)中的種子常含有灰塵和雜質(zhì)，清理不及時(shí)，播種過(guò)程中也極易造成導(dǎo)管、吸種口的堵塞，出現(xiàn)漏播現(xiàn)象。

2) 育苗精量播種機(jī)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、參數(shù)精準(zhǔn)控制技術(shù)有待突破。氣力式排種器因種子適應(yīng)性好，而被廣泛應(yīng)用，但我國(guó)排種器在多功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、氣壓精準(zhǔn)控制技術(shù)方面還存在不足，育苗過(guò)程中所需的播種關(guān)鍵部件相當(dāng)大程度上還依賴(lài)進(jìn)口。

3) 農(nóng)機(jī)農(nóng)藝融合有待加強(qiáng)。種子的物理特性與播種裝置結(jié)構(gòu)和性能參數(shù)相關(guān)性較大，影響播種質(zhì)量。育苗播種機(jī)械一般只注重了播種的能力，而忽略了播種時(shí)農(nóng)藝方面的要求，機(jī)藝融合不夠，影響出苗的整齊度，導(dǎo)致幼苗后期生長(zhǎng)不好，并且機(jī)具互換性較差，播種機(jī)利用率不高。

4) 設(shè)備成本高，推廣應(yīng)用難。當(dāng)前我國(guó)種植模式是分散種植多、規(guī)模種植少，育苗精量播種機(jī)成本較高，與我國(guó)農(nóng)產(chǎn)品價(jià)格水平不相適應(yīng)，個(gè)體經(jīng)營(yíng)、小規(guī)模生產(chǎn)戶(hù)機(jī)具購(gòu)買(mǎi)率低，設(shè)備推廣應(yīng)用難。

4 發(fā)展建議

1) 重視技術(shù)創(chuàng)新，提高育苗精量播種機(jī)作業(yè)穩(wěn)定性。學(xué)習(xí)國(guó)外先進(jìn)的設(shè)計(jì)、制造方法，引進(jìn)與自主創(chuàng)新相結(jié)合，通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新為育苗精量播種機(jī)提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐和基本保障。對(duì)播種機(jī)關(guān)鍵部件建立標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計(jì)方法，統(tǒng)一制造規(guī)范，改善播種機(jī)播種性能，提高設(shè)備穩(wěn)定性。

2) 突破關(guān)鍵參數(shù)控制難的問(wèn)題，提升育苗播種機(jī)作業(yè)精準(zhǔn)度。應(yīng)用精密電器控制元件，采用先進(jìn)電氣控制技術(shù)，對(duì)排種器氣密性進(jìn)行精準(zhǔn)控制，提高播種作業(yè)精度。同時(shí)，利用計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)等，加裝播種智能監(jiān)控系統(tǒng)和補(bǔ)漏裝置，對(duì)漏播位置及時(shí)補(bǔ)種，提高出苗整齊性。

3) 加強(qiáng)機(jī)藝融合，研發(fā)多功能播種機(jī)，實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用。播種機(jī)設(shè)計(jì)充分考慮種子物理特性的差異性和播種農(nóng)藝要求，為播種機(jī)排種器關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)提供支撐。機(jī)藝融合，研發(fā)參數(shù)可調(diào)、能適應(yīng)不同類(lèi)型種子播種的通用性播種機(jī)，提高機(jī)具互換性，擴(kuò)大適用范圍，實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用。

4) 降低生產(chǎn)成本，大力推廣應(yīng)用，持續(xù)提升播種機(jī)技術(shù)水平。育苗精量播種機(jī)的研制應(yīng)在保證工作性能的條件下盡可能降低成本，同時(shí)將研發(fā)的新型育苗播種機(jī)納入國(guó)家農(nóng)機(jī)購(gòu)機(jī)補(bǔ)貼，提高用戶(hù)購(gòu)買(mǎi)力，推動(dòng)機(jī)具推廣應(yīng)用，在推廣應(yīng)用中不斷進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，持續(xù)提升其技術(shù)水平。

5 結(jié)語(yǔ)

精量播種技術(shù)是當(dāng)前播種機(jī)械中的最新技術(shù)，隨著科學(xué)技術(shù)的日新月異，世界各國(guó)出現(xiàn)了許多新型的育苗播種機(jī)，工作質(zhì)量和效率不斷提升。目前，我國(guó)育苗精量播種機(jī)取得了較大進(jìn)步，但相比國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家在技術(shù)和裝備水平上仍有一定的差距。引進(jìn)吸收國(guó)外先進(jìn)技術(shù)結(jié)合我國(guó)實(shí)際，通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新提升育苗精量播種機(jī)作業(yè)效率、播種精度和自動(dòng)化水平是我國(guó)今后育苗科技的重要研究和發(fā)展方向。