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        淺談國內(nèi)外氣力式播種機的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

        2024-01-20 07:10:44王子軒魯少英徐佳瑞
        新疆農(nóng)機化 2023年6期
        關(guān)鍵詞:氣吸式排種氣力

        王子軒,魯少英,徐佳瑞

        (石河子大學機械電氣工程學院,新疆 石河子 832000)

        0 引言

        精量播種技術(shù)是指從種室中分離準確數(shù)目的種粒并按一定行距和株距將其播種到土壤中,而采用精量播種技術(shù)是走向智能農(nóng)業(yè)的必經(jīng)之路[1]。目前國內(nèi)外的精密播種機中應(yīng)用最普遍的是氣力式排種器,其對種子形狀尺寸適用性好,易實現(xiàn)高速作業(yè),能夠有效提高充種精度及播種效率[2,3]。

        1 氣力式排種器結(jié)構(gòu)與原理

        氣力式排種器結(jié)構(gòu)各異,但其原理大多數(shù)都相似,以氣力式水稻精量播種機為例,該機主要由排種盤、排種管、種箱和氣室等組成,如圖1。該排種器在田間播種時通過排種器內(nèi)部氣力系統(tǒng)形成負壓完成種子的吸附,然后切換至正壓環(huán)境,將種子順利排出,實現(xiàn)播種作業(yè)[4]。氣力式播種機的工作過程如下:

        圖1 氣力式水稻精量播種機結(jié)構(gòu)示意

        (1)種箱內(nèi)的種子隨著氣室的壓力變化穩(wěn)定地流入充種室,在充種室內(nèi)形成種堆;

        (2)排種器進行播種作業(yè),在梳種條的作用下不斷將種子向上涌動,為氣室吸種做好準備;

        (3)氣室內(nèi)壓力變化,吸附涌動的種子,芽種隨著排種盤流動,當氣室內(nèi)壓力變?yōu)檎龎簳r,種子在重力及吹力的作用下落入導(dǎo)種管內(nèi);

        (4)種子沿著導(dǎo)種管的內(nèi)壁落進田間土壤中,完成播種工作。

        2 氣力式播種機國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

        2.1 國外研究現(xiàn)狀

        在國外,已有不少企業(yè)和團隊在研究排種器。氣吸攪種鈕大豆排種器是由法國的Monosem 公司設(shè)計的一種排種器[5],它創(chuàng)新性地設(shè)計出攪種鈕,攪種鈕位于吸孔四周,用于拌種,利于吸附種子,其總體構(gòu)造如圖2(a);法國的Pneumasem 農(nóng)機公司[6]生產(chǎn)的同類型排種器的攪種鈕也位于氣孔的四周,其構(gòu)造如圖2(b);德國的Franz Klerinz 公司[7]研制的排種器的取種區(qū)域位于兩導(dǎo)種塊間,二者同步進行,在移動過程中,種子先進入取種區(qū)域,到投種區(qū)后進入投種口,其結(jié)構(gòu)如圖2(c);Eset 排種器由美國Prcision 公司[8]設(shè)計,該排種器也有許多攪種輪用于拌種,使種子全面均勻分布,使群體較好地分散,利于排種器的充種,其構(gòu)造如圖2(d)。

        圖2 氣吸式排種器

        Elebaid 等[9]對油菜的精量播種盤進行創(chuàng)新,如圖3,該團隊設(shè)計了一種四排氣動式播種盤,在試驗中確認了轉(zhuǎn)速、真空度等因素都將影響排種器吸種和排種等特性。結(jié)果表明:當轉(zhuǎn)速為20 r/min,真空度在3~15 kPa 范圍內(nèi)時,排種器吸種和排種能力最佳,并且多行播種的效果良好,此外,行間種子的數(shù)目無顯著差距,不會導(dǎo)致種子流失。

        圖3 四排氣動式油菜精量播種盤

        美國的AGCO 公司[10]成功研制了氣力式玉米精量排種器(圖4),其原理是利用正氣壓充種和清種,攜種與排種采用側(cè)壓式精量排種器,該排種器可根據(jù)種子尺寸大小替換排種盤,適應(yīng)性較好,但是對于氣壓和機具密封性要求較高。

        圖4 美國AGCO 公司氣力式玉米精量排種器

        以上研究可看出國外對排種器的研發(fā)起步較早,通過理論和試驗結(jié)合改善了排種器性能,研發(fā)了適應(yīng)當?shù)赝寥篮鸵?guī)模的播種方案,隨著時代的發(fā)展,排種器的高效、精量以及兼容性會越來越強。

        2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

        我國早在20 世紀70 年代就開始了對氣力式播種機械的研究與開發(fā),其研究領(lǐng)域主要集中在精量播種方面,研發(fā)了不同型孔形狀式樣的排種器。李兆東[11]以自行設(shè)計的“倒方錐”型孔排種滾筒作為試驗對象研制出一種油菜氣壓型集排種器,如圖5。該排種器由種子盒、負壓裝置及輸種管構(gòu)成,采用氣吹式清種和氣吸式護種實現(xiàn)了精量播種,并對其排種性能進行了測試[12]。

        圖5 油菜氣壓型集排種器

        中國農(nóng)業(yè)大學課題組[13]研發(fā)出內(nèi)吹式玉米精量播種機,如圖6。該團隊采用CFD-DEM 耦合方法對型孔的寬度和位置進行了研究,發(fā)現(xiàn)了弧長對種子在排種器內(nèi)移動的影響特征,分析了不同型孔結(jié)構(gòu)對排種器性能的影響,其清種裝置能夠適應(yīng)不同大小的種子。

        圖6 玉米精量播種器

        閆建偉[14]研發(fā)的排種器主要由排種器左殼體、鴨嘴固定架、排種器主體、鴨嘴、氣管種、擋板、密封圈、種盤限位架、種盤、排種器右殼體及種室殼體等組成,如圖7,其中種盤分為充種區(qū)、清種區(qū)、攜種區(qū)和落種區(qū)4 個區(qū)域。

        圖7 氣送式雜交稻精量直播器

        明哲等[15]采用虛擬樣機技術(shù)研制了新型氣吸式水稻排種器,如圖8,并由仿真試驗得到以下參數(shù):孔徑2.2 mm、真空度3.0 kPa,當排種盤的轉(zhuǎn)速為45 r/min時排種器性能最好。

        圖8 氣送式雜交稻精量直播器

        除了田間播種,氣力式播種機還用于工廠化育苗種,近年來國內(nèi)在精量排種器研究開發(fā)方面有明顯進展,對精量排種器的研發(fā)水平正在穩(wěn)步提升,氣力式精量排種器以其播種效率高、質(zhì)量好、對種子適應(yīng)性強、不傷種等優(yōu)點必將會占有更多的市場份額。

        3 氣力式播種機的不足

        3.1 排種量不均勻

        排種量不均主要表現(xiàn)為在氣力式播種機作業(yè)時排種量突然增大或者減小,這會對播種的均勻程度造成影響,導(dǎo)致株距不勻,資源利用率降低等一系列問題[16],造成排種量不均的原因一般為氣力式排種器的密封結(jié)構(gòu)失效。

        3.2 播種功能失效

        風機工作時內(nèi)部空氣壓力較低導(dǎo)致風機無法正常運轉(zhuǎn),從而使種子與空氣之間產(chǎn)生摩擦,發(fā)生漏播現(xiàn)象。造成氣力式播種機漏播率大的原因主要是負壓不夠,也就是風機功能失效,風機功能失效的原因也是多方面的,如傳動結(jié)構(gòu)維護不到位、傳動結(jié)構(gòu)的損壞等[17]。

        3.3 功耗大

        相對于機械式播種機,氣力式播種機需要額外配備一個風機,用來形成正壓或負壓條件,以此為取種和投種提供基礎(chǔ),這是造成功耗大的主要原因。而影響風機功耗的主要因素兩個,其一氣力式播種機對于氣壓的要求較高,需要消耗較多能量來滿足這個條件;其二是在播種過程中,無論是氣吸式還是氣吹式,完成一次播種需要風機啟動一次和停止一次,當連續(xù)工作時風機頻繁地啟動停止,勢必導(dǎo)致功耗大。

        4 展望

        排種器的排種性能會對農(nóng)作物的產(chǎn)量造成直接影響,因此研制一種低成本、高質(zhì)量的精密排種器成為推動現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機械發(fā)展的當務(wù)之急。隨著農(nóng)業(yè)機械化和智能化的不斷發(fā)展,精量播種和精密播種是大勢所趨。目前,氣力式排種器尤其是氣吸式排種器是精量播種研究的熱點。

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