氣力式高速精量排種器研究現狀及展望

郭文騏 張文毅 祁兵 袁建寧 王云霞 夏倩倩

摘要：高速作業是當前精量播種技術的發展趨勢，氣力式精量排種器是實現高速作業的關鍵技術載體。分析限制氣力式排種器作業速度提升的主要因素，提出高速充種技術、穩定清種技術、投種過程種子平穩運動控制技術、排種器平穩驅動技術四項關鍵技術。綜述氣力式精量排種器主要類別及特點，梳理國內外氣力式排種器研發應用現狀，針對提出的四項關鍵技術分析國內外研究現狀，得出穩定充種、有效清種、平穩投種、排種器平穩驅動是有效提升高速作業播種合格率、降低變異系數、保證粒距均勻性的主要技術措施。結合我國的情況分析高速精量播種存在作業速度及效率低、電驅技術及質量監控技術不完善等問題，提出氣力式高速精量排種器需要加大自主創新，未來向著高精度、高效率、智能化方向發展。

關鍵詞：精量排種器；氣力式；高速作業；播種合格率

中圖分類號：S223.2? 文獻標識碼：A? 文章編號：2095-5553 （2024） 03-0031-07

Research status and prospects of pneumatic high-speed precision seeder

Guo Wenqi1， 2， Zhang Wenyi2， Qi Bing2， Yuan Jianning1， Wang Yunxia2， Xia Qianqian2

（1. Nanjing Institute of Technology， Nanjing， 211100， China； 2. Nanjing Institute of Agricultural Mechanization，Ministry of Agriculture and Rural Affairs， Nanjing， 210014， China）

Abstract：

High speed operation is the development trend of precision seeding technology at present， and the pneumatic precision seeding device is the key technical carrier to realize high speed operation. In response to the problem of limiting the speed increase of pneumatic seed metering devices， high-speed seed filling technology， stable seed cleaning technology， seed smooth motion control technology during the seed feeding process， and seed metering device smooth driving technology have been proposed. This article summarizes the development status of pneumatic seeders both domestically and internationally， analyzes the research status of key technologies at home and abroad， and concludes that stable seed filling， effective seed cleaning， stable seed input， and stable driving of seeders can effectively improve the seeding qualification rate， reduce the coefficient of variation， and ensure the uniformity of grain spacing. Combined with the situation in China， the problems of high-speed precision seeding such as low operating speed and efficiency， imperfection of electric drive technology and quality monitoring technology are analyzed. It is proposed that the pneumatic high-speed precision seed discharger needs to increase its independent innovation， develop towards high precision， high efficiency and intelligent direction in the future.

Keywords：precision seed metering device; pneumatic; high-speed; seeding qualification rate

0 引言

近年來，隨著我國種子加工水平快速發展和出苗率的提高，強調“定量、定位”的精量播種技術目前已經廣泛應用于玉米、大豆等中耕作物種植，一些性能優越的機型不斷涌現并推廣應用。研究表明，精量播種質量是影響農作物產量水平最重要的因素之一［1］。美國某公司試驗發現，玉米播種單粒率每提高一個百分點，產量將提高156.75 kg/hm2，而每一個空穴則會損失越0.8個果穗（約為0.12 kg），播種質量對產量具有舉足輕重的影響［2］。

高速、高密、高效是當前精量播種技術的發展趨勢［2］，高速精量播種裝備是提高播種質量和農業生產效率的技術保障與物質基礎，同時也是國際農業裝備產業技術競爭的焦點。排種器作為播種機的“心臟”部件，是高速精量播種技術的核心載體，其中氣力式排種器利用氣壓差充種或高速氣流清種，對種子形狀適應性好、播種精度高、適應高速作業，是高速精量播種技術的發展方向。限制氣力式排種器作業速度提升的關鍵因素主要有四個方面：一是高速作業充種性能不穩定；二是清種裝置高轉速易失效、傷種；三是高速作業投種過程易受導種管碰撞、落地彈跳等因素影響，排種器種子流原始均勻度受到嚴重破壞，導致粒距均勻性顯著下降；四是排種器驅動系統不適應高速作業，排種盤與前進速度無法精準匹配進而影響粒距一致性。

本文綜述國內外氣力式精量排種器主要類別，針對影響氣力式排種器高速作業性能的關鍵因素，重點從氣力式精量排種器高速充種技術、穩定清種技術、投種過程種子平穩運動控制技術及電驅控制系統四方面對國內外研究現狀進行系統梳理，總結氣力式高速精量排種器未來發展趨勢并予以展望。

1 氣力式精量排種器主要類別

國外學者在20世紀40年代開始研究精量排種器，初期以機械式為主，由于機械式精量排種器存在對種子形狀尺寸要求嚴格以及作業速度不高等問題，20世紀50年代國外學者結合流體力學探究氣流與種子的相互作用以及種子在機械結構中狀態，創制多種形式氣力式精量排種器。目前歐美等發達國家精量播種機大部分均采用氣力式排種器，氣力式精量排種器主要有三類，分別為氣吸式、氣壓式和氣吹式。

氣吸式高速精量排種器通過負壓氣室在排種盤型孔兩側形成氣壓差，利用氣壓差將種子吸附在型孔上，通過清種裝置清掉多余吸附種子保證單粒性，最終通過阻氣裝置消除氣壓差，種子憑借自身重力落下。氣吸式排種器對種子形狀尺寸適應性強、通用性好、作業速度高。近年來國內外將GPS、電驅排種、智能控制、精確投種等技術與氣吸式排種器結合，進一步提高了氣吸式排種器作業速度。當前國外氣吸式排種器研究以企業為主，相關先進技術已經形成了產品。

國內氣吸式排種器近年來發展迅速，已有部分企業開始生產相關產品，但技術水平與國外仍有較大差距。山東農機院研制的驅導輔助充種氣吸式高速精量排種器。黑龍江省農業機械工程科學研究院在垂直凸圓型孔圓盤氣吸式精量排種器基礎上，優化研制了2BJQ系列氣吸式精量播種機。山東農業大學研制的氣吸式免耕施肥播種機，該機可實現單粒精播，減少種子用量，提高播種精度，重播指數、漏播指數明顯低于同類型播種機，可實現高速播種［3］。

氣壓式高速精量排種器是近年來逐漸興起的一種新型排種器，此類排種器氣室與種子室共用一個腔室，利用正壓氣流把種子壓附在排種盤上，具有作業速度高、株距均勻性好的特點。瑞典Temp氣壓式高速精量播種機，采用獨立驅動電機，根據機具前進速度調控排種器驅動電機轉速以調節播種粒距，結合區段控制、播深一致性調控、播種質量云監控和ISOBUS等功能，作業速度可達20～22 km/h，合格率達98%。史嵩［4］研發了氣壓組合孔式精量排種器，取消種子攪拌裝置，具有結構簡單工作穩定的特點。祁兵［5］設計了一種中央集排氣送式精量排種器，利用氣流進行擾種，正壓滾筒充種，能夠實現一器多行作業，充種性能優越適合高速作業。

氣吹式高速精量排種器主要通過種子自身重力充種，依靠氣流吹掉多余的種子，最后通過型孔存種和封閉空間攜種完成投種［6］，氣吹式排種器所需氣流壓力更低，無需嚴格密閉，使用壽命更長。德國Aeromat氣吹排種器利用窩眼式排種輪囊入種子，當充種孔轉到清種區時，由風機提供給氣嘴高壓氣流，將型孔里多余的種子吹掉，只有一粒種子被壓在型孔底部最終依靠自重排入種溝。我國在引進Becker排種器后開始全面了解氣吹式排種器。中國農業大學對氣吹式排種器進行理論研究與分析，在參數優化后應用在精量播種機上，田間試驗合格率可以達到97.28%，田間播種穩定可靠。

綜上，目前國內外氣力式精量排種器的絕大部分為氣吸式，技術相對成熟，作業性能穩定，應用比較廣泛，但氣吸式排種器氣密性要求較高，對氣室密封圈耐磨性要求高。氣吹式排種器種植適應性較好［7］，但高速作業適應性相對較差，目前相關應用機型不多。氣壓式排種器具有密封性要求低、充種性能好的優點，有利于實現氣流高速投種，能夠適應高速作業，但需要在投種環節額外增加壓種機構，防止氣流加速投種讓種子在地面發生彈跳?？偟膩碚f，目前氣吸式排種器是主流，應用最為廣泛，氣吹式應用較少，氣壓式排種器因更為適應高速作業，符合未來高速精量的發展趨勢，近年來發展較快。

2 氣力式排種器高速充種技術

在充種過程分析及相關模型的構建方面，現有研究主要關注排種器結構參數、工作參數、種子特性、工作環境等因素對充種性能的影響。如李林［8］在忽略種子摩擦力、外部干擾等因素的理想狀態下建立了充種所需真空度的數學模型，并提出可靠性系數對模型進行修正。他還通過試驗建立了吸孔直徑與種子平均寬度的數學模型，并確定了吸孔線速度不宜高于0.344 m/s，這些研究成果被我國學者廣泛應用在氣力式精量排種器的研究中［9， 10］。以上結論在zmerzi等［11］的研究中得到了驗證，他們利用流體力學理論對氣吸式排種器的充種過程、投種過程進行了力學描述，通過棉花、玉米排種試驗得出吸孔線速度不能超過0.34 m/s，在建立充種過程數學模型時，他們假設充種瞬間種子所處流場的氣流速度與種子懸浮速度相等，因此應用該模型時必須得到充種孔附近的氣流速度分布。

Guarella等［12］對氣吸針式育苗播種裝置的充種距離進行了研究，建立了充種距離與氣流速度、真空度、型孔直徑、種子尺寸的數學模型，分析發現最大充種距離在氣室真空度為0～20 kPa時隨真空度增大而急劇增大，超過20 kPa后隨真空度增大變化不明顯。趙湛等［13］在對氣吸滾筒式排種器充種過程的動力學分析中也得到了類似的結論，此外他們還通過CFD仿真和插值計算建立了最大充種距離與滾筒轉速的數學模型。祁兵［5］也對充種距離進行了研究，認為充種孔對種子的吸附力主要為繞流阻力，建立了繞流阻力與充種距離的數學模型，發現充種距離的微小變化都會引起繞流阻力的大幅波動，并在此基礎上描述了“架空”現象引起斷條漏播的原因。

近年來，有大量研究發現種子群體狀態對充種性能具有顯著影響［14］，如Dylan等在對氣吸式檀香排種器的試驗中，發現在一定范圍內排種盤轉速越高充種性能越好的反?，F象，觀察分析后認為，轉速的升高提高了種子群體的流動性，其對充種性能的積極作用大于因轉速升高而造成的充種時間的浪費。陳進等［15］通過對種子群體狀態的流態化，有效提高了播種精度。李耀明等［16］利用Matlab編程對振動盤中的種子群體狀態進行了分析，通過膨脹系數分析了種子群體離散程度與種子層厚度、振動強度的關系。

陳進等［17， 18］對氣吸振動盤式播種裝置中的種子群體狀態進行了離散元模分析，并通過試驗建立了性能指標與頻率、振幅、真空度等參數的數學模型，闡述了各因素的主次順序。趙湛［19］也對氣吸振動式排種器進行了理論與試驗研究，基于離散元軟球接觸模型分析了油菜種子在激振器下的運動狀態，并對負壓差、滾筒轉速、振動頻率等因素進行了試驗。史嵩等［20］利用組合型孔的方式對種群進行擾動。祁兵［5］提出新的擾種式氣流結構，如圖1所示，利用氣流對種子群產生擾動，形成充種阻力較小的種子群體狀態，氣流由充種區下方進入，使充種區處于膨松狀態，種子流動性好，充種性能可靠。

綜上所述，種群狀態對氣力式排種器充種性能有顯著影響，通過擾動機構可以改善種子群體狀態，提高充種性能，但由于沒有量化種子群體狀態對充種性能的影響機理，合理的種子群體狀態的特征尚不明確?，F有氣力式精量排種理論主要針對排種器結構、工作參數以及種子特性等因素對排種器性能的影響，對種子群體狀態對充種性能的影響機理研究較少，且大多停留在試驗研究和定性描述階段。

3 氣力式排種器穩定清種技術

排種器在充種時型孔往往會吸附多粒種子造成重播現象，為實現精量排種，需要清種裝置將多余種子去除，原理是通過毛刷、刮種板、氣流等方式打破多粒吸附種子之間的平衡狀態，通過擠壓、碰撞改變種子和型孔的接觸面積，進而使處于吸附劣勢的種子因吸力不足落回充種區域。

現有氣力式精量排種器一般采用杠桿式、刮板式、毛刷式等清種裝置，主要用于排種部件為垂直圓盤的氣力式精量排種器，丁力等［21］通過種子和型孔的面積占比關系，建立清種時的數學模型，發現重吸主要是吸附過程中種子姿態變化導致的，為了保證清種回落的種子落到充種區域，計算得出清種機構的安裝位置，對鋸齒數和清種曲線的分析，結合仿真設計氣吸式曲線鋸齒形清種機構。李玉環等［22］提出一種雙側清種結構的方法，由上側清種結構對種子進行擠壓碰撞清除一部分的種子，擠壓到下側的種子由下側清種結構進一步清種。對清種過程進行數學建模，確定上下側清種刀的關鍵參數，結果表明采用雙側清種，排種器合格率普遍提高5個百分點以上。對于排種部件為滾筒的氣力式精量排種器，清種裝置與滾筒徑向接觸，祁兵等［23］通過對周向清種過程進行分析，設計了用于滾筒式排種器的清種裝置，分析影響清種的主要因素，確定了最優的清種距離，可以有效降低排種器工作的重播指數。劉云強等［24］針對滾筒式排種器非球形蔬菜種子多粒吸附的情況，設計了一種蔬菜育苗播種機上的清種裝置，通過吹走吸力不夠的種子達到清種效果。

綜上所述，清種裝置的設計以清種過程中，種子、排種盤和清種機構的相互關系建立數學模型，確定清種機構的結構參數，并對清種過程進行正交試驗探究最佳工作參數組合，改善種子在清種過程的運動，以適應高速作業要求，保證排種器作業質量。

4 投種過程種子平穩運動控制技術

投種過程種子的運動變異是影響高速作業粒距均勻性的關鍵因素。為解決投種時種子彈跳的問題，現有技術主要通過設置具有特殊曲線的導種管，保證種子落入種床時的速度與播種機前進速度部分抵消，從而減小種子的彈跳［25］。該投種方法普遍應用于現有精量播種機，隨著精量播種機作業速度的提高，單純依靠提高排種器精度已難以保證種子在土壤中的粒距一致性，投種過程中如何保持種子的精確控制正成為精量播種技術迫切需要突破的瓶頸問題。

在投種方法研究方面，國內外學者重點對導種管投種過程中種子運移規律、能量損失等方面進行了研究，大多以種子能量損傷最小化為目標，對導種曲線、投射角度、材料特性等方面展開研究。有國外研究學者指出在種子輸送系統中如果沒有合適的導種管，種子在種床中的縱向分布會惡化。大量研究表明導種管配置合適與否直接影響田間株距分布的均勻性［2628］。國內在投種方法方面研究較少，近年來隨著作業速度不斷提高，投種環節失控導致高精度排種器的田間粒距一致性差的問題越來越凸顯。近年來我國學者在導種管方面相繼開展了導種參數優化方法和利用高速攝像技術相關方面的研究［29， 30］，探討了導種管精量播種機接導種管后田間植株分布變化規律的研究以及降低投種高度等方面的研究工作［31］，均取得了一定效果。

按照投種裝置的工作原理，現有投種方法主要可分為導種管式投種與全程受控式投種，其中導種管式投種目前的主要應用方式，全程受控式投種方法為近年來出現的新型投種方法，具有適應速度高、粒距一致性好等顯著優點，正逐漸成為未來的發展方向。隨著作業速度的提升，導種管投種方法高速作業易出現碰撞、彈跳進而影響粒距一致性，已經無法滿足精量播種高速、高密、高效的發展方向，國內外對投種方法的研究重點正在向全程受控式投種轉變。美國Precision Planting公司針對玉米精量播種機的精確投種研制出一套名為Speed Tube的輸送帶式種子投送裝置，該裝置能完成從排種盤投種區捕獲種子并將種子拋送至輸送帶上，種子被運送至輸送帶底部后向后投出，保證種子落地平穩性。John Deere公司研發John Deere 2015系列播種單體，通過毛刷帶式讓種子輸送的方向與機具前進方向相反，實現零速投種。Amazone公司和Vaderstad公司研發了氣壓式壓種單體，避免種子彈跳。馬斯奇奧公司研發負壓充種正壓氣流送種，在導種管內加入正壓氣流加速種子的運動，使種子快速落地，準確定位。

新疆農墾科學院陳學庚院士針對免耕播種機雙圓盤式開溝器投種點高，種子播入土壤中粒距變異系數大等問題，設計開發了一種帶式導種裝置［32］。劉全威［33］研發了一種撥指同步帶式種子精確投送機構，研究了排種器與輸送機構的各個相關結構及工作參數相互匹配關系，試驗結果表明，該機構能夠實現種子從排種器排出到落入種溝全過程運動控制，避免碰種子碰撞造成的粒距偏差。王云霞等［34］根據集中排種和氣送導種原理，對氣流輔助投種裝置投種角度、壓種方式等進行了優化，設計了一種中央集排氣送式玉米精量排種器，采用正壓氣流輸送式導種方式，氣力滾筒式排種器可實現一器多行排種，排種裝置通過直接固定于機架實現與仿形機構的分離，排種器振動小，播種均勻性好且對高速作業有較好的適應性。山東理工大學團隊設計了一種氣動式小麥精準投種裝置［35］，該裝置根據引射器原理設計而成，在高速氣流的沖擊作用下將種子從加速管中高速推入土壤，完成小麥高速精準投種作業，播種均勻性好。

綜上所述，被動導種的輸種方式具有安裝方便，對粒距均勻性適中的特點，研究重點主要放在對優化導種管的結構和曲線參數設計上，目前國內和國外的研究均已趨向成熟，相應的技術已運用在播種機上。主動導種結構復雜，播種精度高，適應高速作業，國內目前研究還處于試驗研究階段，國外發達國家已經實現機械式和氣力式主動導種裝置在播種機上的應用。

5 排種器平穩驅動技術

排種器的驅動方式常見的是地輪帶動鏈條驅動，優點是價格便宜，安裝精度要求低。但由于鏈條存在磨損會導致跳齒，影響播種均勻性，面對該問題Yang等［36］研發了電驅控制技術，通過輸入目標株距，電機的轉速會與傳感器檢測到地輪轉速進行匹配，從而保證播種的均勻性。丁友強等［37］針對地輪打滑影響播種質量的問題，設計了基于GPS測速的電驅式播種機的控制系統，可以根據GPS測出的速度實時調節電機的轉速。為了驗證系統的性能，在相同速度、株距、試驗條件下與編碼器測速進行對比發現GPS測速方式優于編碼器，該電驅系統更適合高速作業。在電驅高速精量播種方面，我國農機企業和科研機構進行了積極探索。濰柴雷沃聯合中國農業大學研發了12、18行玉米、大豆電驅式精量播種機，德邦大為聯合山東農機院研發了6行電驅式玉米單粒精量播種機，黑龍江德沃公司聯合新疆農墾科學院研發了12、18行玉米、大豆電驅氣力式精量播種機。

在排種傳動方面國外先進的精量播種機正逐步采用電機驅動的方式取代傳統的地輪驅動，如美國約翰迪爾排種電驅系統，配合地力信息圖，實現了變量播種、變量施肥等智能化處方作業。美國Precision Planting公司電驅排種器采用Ddrive電驅系統，將排種盤擾動充種與主動投種技術相結合，研發出大豆高速精確排送系統，使其整機在16 km/h的作業速度下粒距變異系數由25%降低至15%，作業質量大幅提升。意大利Maschio的Chrono型播種機，每個排種器都配備有獨立的驅動電機，根據機具前進速度調控排種器驅動電機轉速以調節播種粒距，具有區段控制、播深一致性調控、播種質量云監控和ISOBUS等功能。

Amazone的Cirrus播種機采用測速雷達獲取播種機前進速度，基于該速度調控氣力集排式排種器轉速以調節播量，作業速度最高達20 km/h，各行排量一致性變異系數低于3%。

綜上所述，我國雖對驅動電機、測速傳感器等核心零部件有所研究，但在功能先進性、使用可靠性等方面與國外產品仍有較大差距。因此補齊氣力式高速精量排種、電驅式高速精量播種等核心技術短板，集成研發可靠性高、可控性強、性價比高、適宜我國主要糧油作物規?；c適度規模生產需求的電驅式高速精量播種機勢在必行。

6 氣力式精量排種器發展趨勢與展望

隨著我國農業規?；a的發展，規?；洜I主體對單產水平高度關注的同時，越來越重視精量播種機的作業效率，農業生產對精量播種技術提出了更高的要求，即在保證播種質量的前提下，盡可能提高作業效率。目前國外氣力式精量排種器作業速度普遍在10 km/h以上，由于技術水平和工作原理的限制，目前我國精量排種器僅適于6 km/h以下的低速作業，如何進一步提高我國精量排種器作業速度已成為精量播種領域的研究熱點。

歐美發達國家播種裝備始終將精量排種器研發作為核心放在首位，通過技術革新驅動整機裝備更新換代的發展模式已經形成。國外發達國家氣力式排種器為在實現高速充種、穩定清種情況下，逐步融入種子精確投送、智能監控等技術，電驅排種施肥逐漸成為整機標配，大幅提高了精量播種作業速度，并通過融合衛星定位、專家智能決策、處方圖精準作業等技術，實現種肥變量施用。國內部分科研院所及企業雖然針對氣力式精量排種器開展大量研究，部分高端精量播種機基本實現國產化，但高速精量排種器技術尚不成熟，少量國內產品因核心技術缺失，性能方面與國外存在差距，排種低功率電驅等技術仍停留在試驗階段，雖然普遍配備了播種質量監控裝置，但大部分只具備實現種子計數與斷條報警功能，在氣力式高速精量排種器技術方面與國外具有較大的差距。

總的來說，國內外氣力式精量排種器技術將繼續朝著效率高、精度高、適應性廣、可靠性強、智能化程度高的方向發展。未來我國需要進一步提高自主創新能力，加強高校、科研機構與龍頭企業聯合攻關，重點從氣力式高速充種、高速作業低損傷穩定清種、投種過程種子平穩運動控制、電驅平穩驅動控制等方面開展技術創新，同時加大高性能風機、高精度專用驅動電機、高精度測速傳感器、耐磨密封材料等配套的零部件和關鍵材料研究，推動拖拉機液壓系統性能，為氣力式精量排種器打造良好的應用環境和基礎，進而促進國內氣力式高速精量排種器技術的不斷迭代升級。

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基金項目：江蘇省自然科學基金項目（BK20211021）；重慶市與中國農業科學院戰略合作項目；江蘇省現代農機裝備與技術示范推廣項目（NJ2022-01）；江蘇省農業科技自主創新資金項目（CX（22）5005）

第一作者：郭文騏，男，1997年生，江蘇南京人，碩士研究生；研究方向為氣力式精量播種。E-mail： gwq970630@163.com

通訊作者：祁兵，男，1986年生，山東嘉祥人，博士，副研究員；研究方向為精量播種技術。E-mail： qb0823521@163.com