机械式排种器

机械式排种器

精密播种机是指那些能将单粒种子等距播种到土壤中预定深度的器具。精密播种具有省种30% ~50%、省间苗工4 ~ 8个工/hm2、增产10% ~30%的优点,是中耕作物发展的必然趋势。提高作业效率是精密播种机发展的重要一环,而精密排种器的性能优劣对精密播种机作业质量和效率的提高起着举足轻重的作用。

精密排种器按其工作原理可分为机械式和气力式。其中,气力式排种器包括气吸式、气吹式气压式3种;机械式主要有窝眼轮式、圆盘式、指夹式等。气力式排种器具有对种子适应强、损伤轻等优点;但其结构复杂,成本和技术要求高。而机械式排种器,虽然结构简单,但存在着对种子尺寸要求严格,无法适应高速作业及种子破损率高等问题。国外精密播种机主要向大型、高效、操作和控制电子化发展,排种器主要采用气力式。我国目前还存在农业机械化水平、农民的收入及技术均不高的状况,因此研究设计、推广机械式精密排种器适合我国国情。机械式精密排种器主要特点是结构简单,重力清种,破碎率低。

一．现有机械式精密排种器的结构及原理分析

限制排种器排种频率提高的原因主要是在提高排种器转速时,充种率会下降。现有精密排种器的充种方式有内充、侧充、外充、外充加侧充的复合充种等4种。侧充的情形下,种子主要是依靠种子重力转化的横向作用力挤压进入型孔外充时,主要依靠种子重力充种,但是当排种盘转动时,种子所受的离心力对充种起不利作用,此外充的充种方式不利于排种频率的提高。本研究设计采用内充的充种方式,充分利用其离心力和重力充种,从理论上保证了充种率的提高。将型孔设计在紧靠排种盘内壁的位置,有利于单粒种子沿排种盘内壁下滑,对准型孔,顺利进入型孔,有利于充种率的提高。此外,该排种器有效利用了圆周空间,在一周布置了尽量多个型孔。上述两个重要的改进在理论上保证了新设计的精密排种器的排种频率

能够得到提高。同时,充分考虑了种子在排种器中的运动及受力情况,对关键部件的形状、尺寸及有关参数的设计提供了可靠的依据。

二．国内机械式排种器的发展现状

气力式精密排种系统有太多由其工作原理所形成和决定的必然缺陷，若机械式精密排种器具备高速排种能力，则以上问题均不复存在，并可极大降低机具的成本、提高可靠性、减少使用、维护的技术要求和费用。也只有这样才能更好地适应国内市场的需求及定位，使“替代进口、自主创新、振兴农机装备工业”的战略目标得以真正地实现。我国精密排种技术的研究始于上世纪 70 年代末，当时从美、德等发达国家引进了一批较先进的精密播种机，通过对该批机具的使用以及核心技术的消化和吸收奠定了该领域的研究基础，对推进精密播种及精密排种技术研究起了很大作用。目前，精密排种技术总体上正处于从以满足市场需求为第一目标的仿制到追求自主知识产权的创新发展的初始过渡阶段。当前国内市场情况是：仅存的几种机械式精密排种器只被应用于小型低速机具上，代表性的产品除高速作业能力欠缺外，还存在其它一些问题：如窝眼轮式排种器窝眼易堵塞、种子尺寸适应性差，而且清种毛刷需频繁更换，不仅增加了成本，还在一定程度上延误农时；传统立式圆盘排种器对种子尺寸要求严格、强制清种过程中伤种率高、型孔易堵塞且清理困难。对于大型高速精密播种机具而言，几乎全部采用气力式排种器，绝大多数为国外引进，少数为仿制产品。

三．机械式排种器的发展方向

（1）提高排种器的充填性能，为高速机型研发奠定必要的理论基础和科学的研究方法；

（2）改变目前气力式排种器占领整个高速播种领域的局面，使其在满足高速作业的同

时降低成本和提高可靠性；

（3）促进产品多样化，满足市场多元化需求。

四．发达国家的发展阶段

发达国家高速精密排种机构的研究与产品开发历经了三个阶段：

第一阶段，为机械式精密排种机构一统天下的时期，时间从 1940 年直至上世纪末期。代表性的研究工作有：Richard L. Parish 发明的一种窄行立式圆盘排种器[21]；Holderson J.L 对指夹式、型孔带式等 4 种当时主流排种器的极限作业速度进行评估；Wright F. S 和 MozingoR. W 等人研制的可实现排出的种子在种床上成菱形交替布置且能够精确控制种子间距的排种装置；Ryu I.H 和 Kim K.U.等发明的具有良好排种均匀性的滚筒式精密排种器；R.L.Parish， J. E. McCoy 等设计的大豆带式排种器；Sahoo P.K，Mayande V.M，ShrivastavaA.K 等人研究优化的倾斜圆盘式精密排种器。

图 1-4 型孔带式排种器

Fig.1-4 Hole-belt seed-metering device

图 1-5 指夹式排种器

Fig.1-5 Finger-clamped seed-metering device

第二阶段，是当机械式精密排种机构面对高速度的要求表现出一些不适应后，农业装备科研人员借助气力的帮助来保证排种机构的定量型孔在高速作业状态下的有效充填，从而在机械式精密排种器的基础上发展了气力式精密排种，并在市场对高速机型的巨大需求推动下

得到了快速的发展，机械式精密排种机构的研究陷入全面的停滞。

第三阶段，始于近五年，当来自于市场产品需求的压力得到缓解后，气力式排种系统的功耗、噪音、附属设备庞杂、价格昂贵、变工况播种质量不稳定等种种固有的弊端日渐突出。装备企业与研究机构开始重新规划并调整精密排种技术的发展思路：一方面是探索新的精密排种原理，如磁吸式、液流、喷射、种子带等新的形式[29]，虽取得一些进展但目前仍处理原理验证或试用阶段；另一个重要的方面是重新评估机械式精密排种机构的高速作业潜力，通过机构创新与优化研究开发高速机型。由此，机械式精密排种器又重新得到了重视，以提高其高速作业能力为核心的研究工作开始全面展开，一些新的理论与方法得到应用

五．我国科研人员对机械式排种器的研究

一． 我国科研工作者在机械式精密排种机构的改进与创新方面做了大量的工作，这也体现出对一种理想的具备高速作业能力的机械式精密排种机构的渴求。研究各具特点，以某一结构的改进与优化居多，创新了不少新的机构形式。但针对传统机型的优化与改进并未使其实现一个质的提高，这类排种器仍仅应用于低速小型机具上，而创新的机型鲜见实践应用，由于缺乏系统的理论支持、关键技术的实用性研究、以及全面严谨的科学试验，导致无法形成有影响的批量生产与推广。

二． 传统的力学分析加试验研究（基于各种试验设计的试验研究）基础上，科研工作者不断探索与尝试引入或创造新的研究方法和技术手段，试图解决复杂的散粒体物料精确定量分离问题。其中：水稻与油菜等方面的研究较为深入和富有成效，对本项目有很好的借鉴作用；利用图像技术检测排种机构性能的技术已经成熟，配套软件及相关产品已推向市场，是检验最终研究成效的重要工具。但由于农业物料的多样性和特殊性，目前大部分

作物的精密播种理论并不系统，专门针对高速作业机理的研究更显不足，很多以工作过程机理研究为目的的新技术应用仍处于验证和摸索阶段。

六．以后对于机械式排种器的改进方向

1．型孔盘和窝眼轮的充种率型孔和窝眼的充种和清种情况决定了型孔盘和窝眼轮的排种质量。为了获得高充种率，种子必须精选并按尺寸分级，有的还要特殊加工( 如使有棱角的种子丸粒化) ，以保证籽粒大小均匀、尺寸均一。对于长、宽、厚差别较大的扁粒种子，在一个足够大的型孔内，可以是平躺、竖立或侧立。试验表面，扁粒玉米种子常常是以侧立或竖立状态从种子筒侧壁向下运动进入型孔。由于摩擦力和离心力的关系，而以侧立式型孔充种情况较好。因此，在播种作业时，型孔盘选用得当，能够提高充种率，减少漏播。

2．在窝眼轮排种器上用气流清种被认为是一种很好的方法，原理新颖，效果良好。清种器的气流喷嘴位于窝眼轮上方略微偏斜，当盛满种子的窝眼转到喷气嘴下方时，气流立即将窝眼内位于上面的多余种子吹走。位于窝眼底部的一粒种子，就处在流动的气流中，气流

从窝眼底部的小孔中流过时，由于流速增大，因而压力降低，于是在种子的上面和下面造成压力差。种子向上的一面压力较大，紧靠窝眼底部的一面压力减小。两面的压差使这粒种子不仅不能被吹出，反而紧附在窝眼内。这样，每个窝眼都只保留一粒种子，无论窝眼直径或种子粒径大小，只要气流调整适当，都可以获得这样的效果。气流清种对不分级的种子也能使用，还可以高速作业( 10 km/h) 。

排种器的工作过程可以分为以下四个阶段：

充种过程：种子堆放在上定盘的进种口内，随着排种盘的转动，种子在重力的作用下，进入到排种盘的型孔内并随排种盘一起转动完成充种过程。

清种过程：随着排种盘的转动，装有种子的型孔离开进种口，在上下定盘的剪切作用下清种，于是排种盘型孔孔内保留了预定量的种子。

护种过程：排种盘上的型孔转过上定盘与充种孔边缘交界之后，型孔内保留定量的种子，在排种盘和上、下定盘的保护作用下，保证种子顺利到达投种区。

投种过程：种子随着排种盘的转动，角度转动 20 度，进入到投种区，在这个区域，型孔内的种子失去排种器部件的保护作用，在重力和离心力的作用下，种子脱离排种盘型孔，进入接种管，完成投种过程。

排种盘转角转动 40 度，进行一次充种、清种、护种和投种全过程，随着排种盘的转动，排种器重复这四个过程。