秦 鋒，劉大為,2，楊 靖，李 旭,2，符志勇，龔 明

（1.湖南農(nóng)業(yè)大學機電工程學院，湖南 長沙 410128；2.智能農(nóng)機裝備湖南省重點實驗室，湖南 長沙 410128；3.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南方智能育秧（苗）重點實驗室，湖南 益陽 413055 ）

0 引言

水稻是我國主要的糧食作物之一，每年種植面積在3 000 萬hm2以上，產(chǎn)量約2 億t，全國每年直接消耗大米約1.3～1.4 億t，所以保障水稻持續(xù)穩(wěn)增高產(chǎn)對糧食安全具有重大意義[1-3]。根據(jù)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部在2021 年統(tǒng)計的數(shù)據(jù)顯示，當前我國主要三大糧食作物小麥、玉米、水稻綜合機械化率均達到較高水平，小麥和玉米超過90%，水稻耕種綜合機械化率為85%。然而，水稻種植機械化率仍為短板，其中育秧環(huán)節(jié)是水稻種植的關鍵。在2021 年我國的水稻種植機械化率僅為58.5%。國家在“十四五”規(guī)劃戰(zhàn)略中明確指出，到2025年，水稻種植機械化率要提高至65%，由此可見水稻種植機械化是實現(xiàn)水稻全程機械化的重中之重，需要發(fā)揮好育秧移栽在水稻種植領域的主體地位[4-5]。

現(xiàn)階段水稻機械化育秧方式主要有田間育秧和工廠化育秧2 種，其中以工廠化育秧流水線為主。播種流水線主要由供盤、鋪床土、壓穴、淋水、播種、覆土等流程組成，其播種排種器是整套設備上的核心部件之一，因此開發(fā)低損、高效、精量的水稻排種器對促進水稻機械化發(fā)展具有重要作用[6]。

1 國外研究現(xiàn)狀

在水稻種植領域，主要有育秧移栽和水稻直播2種形式。美國、德國等發(fā)達國家因其人均耕作面積大，地廣人稀，其水稻種植普遍采用直播，秧盤育秧播種設備較少，主要以飛機撒播和條播機條播為主[7]。相比于歐美國家大面積采用直播的方式種植水稻，亞洲地區(qū)則以育秧移栽為主[8]。在水稻育秧領域，亞洲的日、韓兩國形成了一套標準化的育秧流程和操作模式，其相關農(nóng)機企業(yè)所生產(chǎn)的育秧播種設備在全球農(nóng)機市場占有較高水平。例如，日本矢崎、久保田等株式會社所生產(chǎn)制造的自動化秧盤育秧播種機適用于常規(guī)稻和雜交稻的育秧，可以一次性完成秧盤鋪土、灑水、播種、覆土等工序，播種效果好，自動化程度高[9-11]。國外主要育秧播種裝備類型及特點如表1 所示。

表1 國外主要育秧播種裝備類型及特點

綜合來看，日本和韓國在亞洲水稻育秧裝備的發(fā)展上處于領先地位，播種機排種器的類型大多以機械槽輪式或窩眼型孔輪式為主[12]，其特點是結構緊湊、播種穩(wěn)定性好，但是整機引進價格較高，在國內(nèi)推廣速度較為緩慢。

2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

水稻秧盤育苗的主要成秧形式有毯狀苗、缽體毯狀苗及缽體苗3 類，育秧播種量影響著不同的成秧形式。從相關研究文獻中了解到，常規(guī)稻的育秧播種，按相關農(nóng)藝要求缽體穴盤育秧每穴3～6 粒稻種，毯狀盤播量控制在120～160 g 左右；雜交稻需實現(xiàn)低用種量、精量播種，理論上要求缽體盤每穴1～4 粒，毯狀盤每盤需要70～100 g。育秧播種排種器是整個播種機的核心部件，通過優(yōu)選排種器形式以滿足不同水稻播種的技術要求。當前，排種器從結構和原理上主要分為機械式排種器、振動式排種器、氣力式排種器等類型[13-14]，3 類育秧播種排種器類型及特點如表2 所示。

表2 育秧播種排種器類型及特點

2.1 機械式排種器

在上個世紀八十年代初期，我國開始研制各種類型的水稻育秧播種設備，水稻育秧播種排種器的主要結構有槽輪式、窩眼型孔輪式、凸棒式等機械式排種器[15]，其結構分別如圖1～ 4 所示。

圖1 直槽輪式排種器

圖2 斜槽輪式排種器

圖3 窩眼型孔輪式排種器

圖4 凸棒式排種器

槽輪式排種器主要分為直槽輪式排種器和斜槽輪式排種器。直槽輪式排種器在排種滾芯上布置的直線型線槽，播種時種子受重力作用從種箱落入型槽充種，隨排種輪轉動強制排種；斜槽輪式和直槽輪排種器整體結構類似，區(qū)別在于斜槽式型槽成傾斜排布。槽輪式排種輪在育秧播種機上應用廣泛，中國農(nóng)業(yè)大學研制的一種水稻穴盤育秧播種機和蘇恒昌農(nóng)機科技有限公司開發(fā)的2BL-280A 型全自動育秧播種流水線，其上的播種部件均采用了外槽輪式排種器，結構緊湊，播種時設備穩(wěn)定性好，但槽輪式排種器因其線型槽之間存在間距，播種后種子存在脈動性會造成播量不均的現(xiàn)象[16-17]。

窩眼型孔輪式排種器通常在排種輪的外圓周表面加工不同形狀型孔，根據(jù)不同的型孔深度或直徑尺寸適用于不同水稻品種播種要求，種子充滿型孔空腔，隨排種滾芯轉動播種，可以實現(xiàn)育秧盤穴播和條播的精量播種。

杭州塞得林有限公司[18]為實現(xiàn)水稻秧盤播種，研制了一款矩形窩眼型孔式播種裝置，如圖5 所示，該裝置主要由排種滾芯、毛刷、振動器、護種板、驅動電機等組成，排種滾芯沿著外圓周徑向均勻分布矩形型孔，充種后在柔性護種板的夾持作用下攜帶種子至投種區(qū)域，整個過程減少了種子磨損，提高了播種質量，實現(xiàn)了常規(guī)稻無損條播的育秧要求。

圖5 矩形窩眼型孔式播種排種器

華中農(nóng)業(yè)大學姜锍[19]針對機械槽輪式排種器傷種率較高的情況，設計了一種型孔深度可調(diào)水稻排種器，如圖6（a）所示，通過調(diào)節(jié)排種器內(nèi)部的活塞改變滾筒輪上型孔的深度，在型孔底部開有氣孔，依靠每個型孔底部的氣孔吸附稻種，充種時活塞下移增加型孔深度；當轉動到投種位置時活塞上移型孔深度減小，型腔內(nèi)的種子被推出完成投種。圖6（b）為排種器型孔內(nèi)部截面結構，其形狀為徑向圓柱型通孔，在研究中發(fā)現(xiàn)型孔傾斜角度對排種器的充種性能起著至關重要的作用，過大的傾角易使稻種卡種，過小則導致稻種充種不及時，影響充種效率。此排種器在運作時因可以改變其型孔深度，減緩了水稻芽種機械受力程度，降低了稻種碰撞損傷率。但整體結構復雜，排種穩(wěn)定性需要進一步提高。

圖6 型孔深度漸變式水稻排種器

南京農(nóng)業(yè)大學何麗楠[20]針對傳統(tǒng)槽輪排種輪播種后種子不均勻的問題，提出了一種適應水稻和小麥2 種作物播種的螺旋槽輪式排種器，如圖7 所示，利用一種旋轉手柄鑲嵌入螺旋凹槽內(nèi)，調(diào)節(jié)手柄可以改變排種輪的作業(yè)長度，實現(xiàn)對稻麥不同播種量的調(diào)節(jié)。但該螺旋槽輪式排種器在試驗時發(fā)現(xiàn)播種的調(diào)節(jié)范圍較小，使用的稻麥谷種是脫水后的干種，需要進一步驗證種子在出芽時的播種效果。

張明華、王在滿等[21-22]針對常規(guī)水稻排種器存在漏播空穴的問題，研制了一種大小型孔組合式排種器，如圖8 所示。此排種器在排種輪的圓周上均勻分布瓢型形狀的大小2 種型孔，工作時水稻稻種在第一充種區(qū)域填充型孔，完成此過程后排種輪逆時針旋轉帶動種子至第二充種區(qū)域，當?shù)谝怀浞N區(qū)域存在空穴的型孔時，在第二充種區(qū)域進行重復補種。這種組合型孔式水稻排種器可以滿足常規(guī)稻及雜交稻的播種要求，播種量可根據(jù)要求快速調(diào)節(jié)，二次補種的結構設計使播種漏播率低，播種合格率高，很大程度上減少了空穴的情況。

圖8 組合型孔式排種器

2.2 振動式排種器

振動式排種器結構簡單、易于操作、對種子的外形尺寸適應性強、傷種率低、播種效果好。華南農(nóng)業(yè)大學鹿芳媛等[23]為提高在低播量下的水稻播種精度，設計了一種兩級雙振動式水稻精密排種器，如圖9 所示，即在種箱底部安裝電磁振動器實現(xiàn)定量供種，在排種V 型槽板接上一個氣動振動器進行振動勻種，從而保證在排種槽盤上形成均勻連續(xù)的種子流，可以準確地落入到下方運輸線的育秧盤種中。該類型排種器在其研制的2SJB-500 水稻播種流水線上得以應用，對于毯狀缽體秧盤播種適應效果好、均勻性高，但播種效率較低、速度較慢[24]。

圖9 兩級雙振動式水稻精密排種器

為精量調(diào)節(jié)水稻育秧播種時種子的用量需求，李志偉等[25]研制出一種電磁振動式水稻穴盤播種排種器，如圖10 所示，該播種裝置主要由供種箱、調(diào)速電動機、排種輪、電磁振動器、振動排種盤等組成，作業(yè)時，電機控制外槽輪排種輪定量供種，可根據(jù)生產(chǎn)需要調(diào)節(jié)種量，落種精度高。

圖10 電磁振動式水稻穴盤播種排種器

中國農(nóng)業(yè)大學研究員袁昊等[26]為提高育秧播種排種器對超級雜交稻的播種性能，開發(fā)了一種壓電振動式播種設備，如圖11 所示，該排種器主要由種箱、排種輪電機、供種輪電機、振動板等部件組成，通過分析壓電振動式模型以及稻種在振動板上的運動機理，優(yōu)化并確定了振幅、種箱內(nèi)稻種深度等主要參數(shù)，在不同播量的條件下實現(xiàn)種子振動板上的單行有序均勻供種，為超級雜交稻精量穴盤育秧播種排種器的研究提供了理論基礎。整機的性能試驗表明對雜交稻精量播種適應性良好，但未對其他品種水稻做播種性能試驗。

圖11 壓電振動式播種排種設備

2.3 氣力式排種器

氣力式排種器主要是通過正負氣流壓力差完成取種與投種，相比于機械式和振動式播種方式，氣力式更能滿足精量播種的要求，對種子的外形形狀適應性好，大幅減少種子損傷的情況。氣吸式排種器主要分為吸針式、吸板式以及氣吸滾筒等類型。吸針式排種器在蔬菜、花卉等種子播種時運用較多，水稻育秧播種以吸盤式和氣吸滾筒式排種器為主要結構[27]。王勝等[28]發(fā)明了一種氣吸板式水稻育秧排種器，如圖12 所示。通過設置在吸種板上的吸嘴內(nèi)氣壓變化產(chǎn)生吸力吸種，種箱推桿的上下移動以及吸種板的反復來回翻轉完成稻種的充種和排種動作。這種氣吸板式排種器可以實現(xiàn)精量播種，解決了雜交稻播種時用種量大的問題，播種效益好，但排種器的氣路設計復雜，且需要來回往復取種，播種效率較低。

圖12 氣吸板式水稻育秧排種器

為解決吸種盤氣孔易堵造成種子吸附不穩(wěn)的問題，龔智強等[29]設計了一種皮帶傳送氣吸振動式水稻排種器，如圖13 所示，通過安裝在篩分網(wǎng)孔板上的振動器有規(guī)律的振動作用實現(xiàn)種子和雜質的分離，落入排種盤的稻種在振動作用下呈現(xiàn)“沸騰”狀態(tài)，此時吸種盤上分布的吸孔均勻吸附種子，配合投種裝置實現(xiàn)定量播種。此水稻排種器結合氣吸振動原理減少播種時種子用量，可同時剔除稻種中其他雜質，播種時的作業(yè)效率達到309 盤/h 以上。

圖13 皮帶傳送氣吸振動式水稻排種器

南京農(nóng)業(yè)機械化研究所[30]為改善水稻育秧環(huán)節(jié)中種子落種時精度低、隨機性高等情況，設計研發(fā)了一款氣吸滾筒式育秧播種裝置，如圖14 所示，其播種原理是通過吸種滾筒內(nèi)部連通負壓氣體空心軸，滾筒表面軸向排列吸種氣孔，工作時在負壓氣室的作用下，吸種孔將振動種箱內(nèi)跳動的種子吸附，然后吸種滾筒繞空心軸旋轉至播種區(qū)域，斷開氣壓，種子受重力作用下落至秧盤播種。此氣吸滾筒排種器可以實現(xiàn)對穴精確播種，可以滿足60 g 左右每盤的毯狀秧盤雜交稻播種和1～2 穴缽體苗精量播種。

圖14 氣吸滾筒式育秧播種裝置

3 水稻播種排種器典型研究方法

水稻稻種因其外形呈現(xiàn)“中間粗大，兩端尖細”的紡錘型結構，通常在優(yōu)化設計不同排種器結構時需要系統(tǒng)分析種子在充種、囊種、攜種和投種各個階段的運動受力情況，而每次搭建試驗臺架試驗播種效果則要消耗較高的人力、物力及時間成本，現(xiàn)階段主要通過計算機軟件仿真分析排種器的工作情況，簡化試驗設計流程?？紤]到水稻的外形特征，相關理論研究主要通過離散元和氣固耦合仿真模擬排種器的作業(yè)過程。

3.1 EDEM離散元仿真分析

EDEM 離散元軟件在工業(yè)礦石、粉末、農(nóng)業(yè)物料等離散顆粒體研究領域廣泛應用，對于模擬分析谷物排種器中顆粒的運動狀態(tài)和谷物與機械部件作用過程的研究發(fā)揮了重要作用[31]。采用離散元仿真可以對整個播種過程進行虛擬研究分析，得到不同排種結構、參數(shù)、運動軌跡等多種因素對排種器播種性能的關系。

李曉冉等[32]針對水稻、小麥和油菜3 種籽粒外形差異大且稻麥種子種群流動性差的問題，運用EDEM離散元仿真建模分析不同型孔、轉速下種群的流動狀態(tài)，得到了型孔型腔的最優(yōu)取值及穩(wěn)定播種的轉速范圍。鹿芳媛等[33]采用離散元分析對水稻育秧播種機的振動供種裝置進行模擬，標定了水稻芽種在仿真模型中接觸參數(shù)，后續(xù)又基于離散元研究了稻種在種箱的運動規(guī)律，確定了振動頻率和振幅的最優(yōu)參數(shù)范圍，在頻率為57～59 Hz 時排種效果較好。

3.2 CFD-DEM氣固兩相耦合流仿真

對于氣力式排種器，常規(guī)的仿真方法較難模擬出復雜的氣流動態(tài)效果，為明確氣吸式排種器氣流場的分布規(guī)律，現(xiàn)可利用流體力學軟件Fluent 和EDEM離散元耦合仿真技術分析排種器工作過程[34-36]。

張敏等[37]為優(yōu)化吸盤式水稻育秧排種器吸孔結構和參數(shù)，對3 種形狀的型孔在不同氣流場下進行仿真分析，F(xiàn)luent 數(shù)值模擬預測結果與實際物理實驗結果較吻合，為結構參數(shù)選擇提供了有效參考。趙湛等[38]為精準控制吸種位置，采用氣固兩相流（CFDDEM）耦合完成了吸種過程的動力學仿真，分析計算了水稻籽?？臻g分布情況和離散系數(shù)，確定了吸種位置和調(diào)節(jié)距離，提高了整體育秧播種性能。

4 存在的問題

我國對育秧播種機械設備的研究起步較晚，早期研制的設備大多是從國外引進，在吸收借鑒其技術成果后逐步開發(fā)出了適用于本國的育秧播種機型，使得育秧播種技術發(fā)展迅速[39]，但當前水稻排種器的結構對稻種的適應性上還有進一步提升的空間，存在的主要問題如下：

1）育秧播種機排種器的結構形式較為單一。當前的水稻育秧排種方式主要是機械槽輪（窩眼輪）式為主，受槽型和窩眼型孔結構的限制，存在播種不均勻，播種量不能精確控制等缺陷，難以滿足精量播種要求[40]；氣吸式結構播種效率較低，且使用成本較高。

2）育秧播種排種器性能的檢測監(jiān)控功能不完善。當前水稻排種器的總體性能較過去已經(jīng)有了很大提升，但仍存在水稻播種后秧盤內(nèi)種子分布不均，漏播、空穴等情況，而目前市面上的水稻育秧播種設備中對播種質量和排種性能檢測的功能較少，對后期秧苗成苗率無法做到及時預測[41]。

3）排種器難以滿足對不同水稻品種播種要求，對種子的適應性差。目前在使用的育秧播種機對常規(guī)稻的播種效果較好，但對長粒型秈稻品種及雜交稻品種播種效果較差。

5 展望

隨著經(jīng)濟社會的快速發(fā)展，我國農(nóng)業(yè)機械化水平已經(jīng)邁上新的臺階，隨著育秧播種領域不斷取得突破，也為未來播種排種器的研究發(fā)展提供了新的思路。

1）研制精密度高、播種損失率低的排種器。未來需要持續(xù)優(yōu)化排種器的結構特征，提高播種后水稻稻種分布的均勻性，同時播種機能適應不同水稻品種的播種要求，提高育秧播種設備綜合性能。

2）增加排種器的性能檢測功能。水稻稻種因其特殊的外形結構，在播種的作業(yè)中極易發(fā)生重播或者漏播、空穴等情況，在高速播種的過程中為降低重播率和空穴率，在播種段需要增加種子智能在線檢測裝置。通過智能監(jiān)控可以及時有效的發(fā)現(xiàn)重播、漏播的情況，從而能及時調(diào)整播種參數(shù)實時補種，實現(xiàn)播種量的精細控制，提高后期秧苗成活率。

3）發(fā)展通用性好的復合型播種機具。目前水稻播種機只適用于水稻這一種作物，未來可以設計適用于多種作物的播種排種器，關注播種輔助設備的研發(fā)，如在整個秧盤育秧播種過程中，可以設計增加自動供種和回收裝置以及秧盤基質土的篩分除雜設備，提高播種過程的生產(chǎn)效率[42]。