精密播种机覆土器研究现状分析
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摘 要：覆土器是精密播种机主要工部件之一，直接影响种子触土后在种床内的位置和覆土厚度，进而影响播种均匀性和播种深度。同时，覆土过程中覆土器的类型与结构参数还直接影响土流运动状态，决定是否能实现湿土覆种而影响着播后种子发芽率及出苗时间，最终影响作物产量。本文综述了国内外基于精密播种技术的覆土器研究应用现状和存在的主要问题，为优化覆土器结构参数和运动参数，进一步改进和提高精密播种机覆土器覆土质量提供理论参考。
关键词：精密播种机；覆土器；覆土量
中图分类号： S233 文献标识码：A DOI：10.11974/nyyjs.20160732020
引言
精密播种是按精确的株距、精确的穴粒数和精确的播深将种子播入到适于种子发芽出苗的种床土壤上的一种播种方法。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[1]。目前国内外都将种子在田间分布均匀性和播种深度的一致性作为评价精密播种机工作性能好坏的首要指标。种子由投种点到最终位置的运动中，有4个过程对种子位移和分布均匀性产生影响：投种时刻，实际投种点位置波动及种子初始速度波动；从投种点到种子首次着地运动阶段；种子着地后撞击阶段；覆土阶段，即种子被土壤覆盖阶段。其中前3个过程的主要影响因素是排种器的线速度、播种机作业速度、投种口的高度以及开沟器的开沟质量等[2]。而覆土器则影响覆土过程的土流运动状态，从而不仅影响覆土深度，也最终影响种子在种床中的位置和植株田间分布的均匀性。
1 覆土器的种类与技术要求
1.1 覆土器的种类特点
玉米播种机上的覆土器通常有覆土环、覆土板和覆土镇压轮等类型。覆土环是利用链状物拖挂在开沟器后面的特定数量的环，由于覆土量较小，多用于与双圆盘开沟器配套使用；覆土板是利用板状覆土器向前运动时内侧面推动种沟两侧的土壤，使土壤相对于覆土板产生侧向滑移而落入种沟内。通常情况调节两覆土板的张角及倾角可改变覆土量，还可根据种沟情况调节两覆土板横向距离等[3]。
1.2 覆土器的技术要求
覆土器应满足覆土厚度一致，且不改变种子和幼苗在种沟内的位置，后者对精密播种尤为重要。覆土器应满足如下要求：覆土严密，覆土深度稳定，尽量使湿土接触种子，干湿土基本不混合，以利于保墒和种子发芽；覆土量可调，在土壤、作物和气候不同的播种条件下具有广泛适应性；不混土，实现湿土覆种；覆土时不拖堆，不缠草，保证覆土质量。
2 国内外研究综述
2.1 国外研究概况
20世纪40年代，国外开始研究精密播种技术， 主要致力于排种器的排种均匀性和投种后种子运动特征及整机试验方面的研究。1974年，英国学者Bufton对种子着地后的弹跳、滚动等进行试验研究，得出结论：当种子撞击地面时的着地速度低，着地角在75°～85°之间时，种子的位移量较小[4]。1980年，Harries等尝试用放射性同位素的方法进行跟踪覆土过程中种子的位移[5]。1994年，Muller等利用一种全自动的光电测量系统来测量种子的位移，该系统的处理信号频率可高达60seeds/s[6]。1995年，Kachman 和 Smith 等人在提高精密播种的精确性的研究中，描述了分析计算沿种沟长度分布的播种均匀性的方法[7]。1998年，M.F.Kocher等利用光电传感器对排种器排出的种子时间间隔进行测量，以获得播种种子间距均匀性定量评价[8].2002年，Ozmerzi等指出提高精密播种机的性能时，要同时考虑到所需平均播种深度的控制及播种深度变异系数的降低2方面，利用真空精密播种机试验并得出结论：玉米最适播种深度为60mm，此时播种深度均匀性和最大出苗率指数都达到最优[9]。2006年，D.Karayel等指出光电测量系统的限制性在于直径5mm的发光二极管和光电晶体管的挡光板，描述了用高速摄像系统来测量种子间距及下落速度的过程，无接触、高速等特点使测量数据真实性良好[10]。2009年，D. Karayel等又提出播种均匀性变异系数实际上限值为29%，种子在土壤中的位置影响着平均出苗时间和出苗百分比，且双圆盘式开沟器与锄式开沟器相比更有利于播种均匀性和覆土一致性[11]。2013年，Marlowe Edgar Cortes Burce等研究了播种深度调节控制系统，该系统主要工作部件为独立的开沟器，并通过试验证明该系统可以有效的控制播种深度，出苗情况也得以改善[12]。2015年，Pasi Suomi等开发了电控工作（扎根）深度自动调节系统，这项研究针对于现有的播种机而不用经过任何改装，工作时由8个传感器输出的信号判断工作深度，在行驶速度为10km/h时，该系统能控制实际工作深度与所需深度公差保持在±10mm范围内[13]。
2.2 国内研究概况
从 20 世纪 70 年代开始，我国为提高劳动生产率和土地产出率引进和自主研发了各种不同工作原理、不同结构形式的玉米精量排种器，1984年，马成林等采用蒙特卡罗方法，根据精密播种统计模型，利用计算机模拟精密播种工作过程，对排种装置及田间植株分布进行了预测，取得了良好效果[14]。进入20世纪 90 年代，随着国外不同类型精密播种机的相继引进，国内精密播种机研制水平的提高，新型播种机和不同型式的排种器不断出现，精密播种的优越性得到了充分的体现，精密播种技术得到了迅速的推广。1997年马旭等人对种子的弹跳滚动进行了试验研究，建立了相关的模型，并进行了计算机仿真分析，同时通过实验数据对覆土器结构进行了参数优化[15]。1998年，刘彩玲等在对水稻育秧精密播种机的研究中，指出把众多影响因素按性质分类，对每一个因素进行模糊分析和对各类因素进行综合评判，由此而产生的高级模糊判断方法，可为工作参数和结构参数的选择提供依据，使该播种机性能更加完善[16]。21世纪以来，国内开始有人尝试使用三维设计软件和虚拟制造技术对农业机械零部件进行建模与计算研究和参数化设计、仿真等并逐渐普及，解决传统农业产品开发过程中存在的问题，为农业机械研究和设计以及众多优化设计的实现开辟了新思路[17-21]。
在覆土器的设计研究方面，2004年，王未、马旭等人研制了前后分置式八字形覆土器。选取覆土器的覆土距离、覆土板的偏置距离、后开口宽和机器前进速度等作为影响因素，通过了均匀设计方法获得了不同情况下的覆土过程中种子的滚动位移量，采用最优结果而确定了该覆土器的最佳结构参数和运动参数[22]。
2006年，李亚东、李俊华研制了圆盘外连接可调式覆土器。在左、右侧的拉架顺梁后侧部上对称安装座板，圆盘轴配装在圆盘总成弧形凸面外侧部中心位置上，配装圆盘顶丝的圆盘固定套装在圆盘轴上，连接轴与圆盘定位套轴心线成直角固装在圆盘定位套外表面上，安装着连接轴顶丝的连接套套装在连接轴上，圆盘支座与连接套固装成一体，圆盘支座安装在座板上，将圆盘总成整体配装在拉架顺梁上，扩大了覆土圆盘内侧空间，有效地避免了作业时的拖土和挂草现象[23]。
2010年，新疆农垦科学院机械装备研究所刘洋，李亚雄，李斌等人针对吊篮式移栽机膜上移栽时作物幼苗根部覆土不足的问题，研制了一种具有筛土功能的膜上覆土机构，该机构具有覆土和筛土的功能，在滚动覆土的过程中，可以把超过一定规格尺寸的土块颗粒分离出来，使细碎的土块颗粒形成移栽用土道，而大的土块颗粒被分选出来[24]。
2011年，四川农业大学苟文、马荣朝等对套作模式下链环式覆土器的参数进行了优化，采用中心组合试验设计方法进行链环式覆土器的机播试验，建立了覆土合格率与外径、链环厚度、链环宽度的数学模型，并采用响应面优化分析，得到了链环式覆土器的最佳结构参数[25]。
2013年，华中农业大学吉俊宝、樊启洲、张衍林研究了基于微型开沟机的施肥覆土装置设计，设计了排肥装置和覆土装置，主要有排肥装置的肥料箱、重心配置、覆土板和仿形装置结构设计。实现了动力从行走轮传到排肥器、肥料箱重心稳定、排肥量可调、覆土板能在上下高度差约80cm实现仿形功能[26]。
2016年，西北农林科技大学黄闪闪等设计研究了一种具有覆土分流调节功能的膜上移栽机穴覆土机构，工作时动力从拖拉机输出轴经3点悬挂机构输送到覆土器，输送土壤的链条把土壤运至分土器处，输送过来的土壤进入分土器后分别依靠惯性力和重力回至膜侧行间和进入叶轮，通过调节分土器内的调节板旋转角度可调节覆土量，满足不同覆土厚度的要求，同时采用单片机、激光光电传感器直流电机等进行监控检测，改善了覆土质量，提高了机构工作的可靠性，为覆土器结构的进一步研究提供了技术支持[27]。
3 结果与讨论
目前常用的覆土器均为一次性覆土器，一次性覆土必须达到一定程度才能满足覆土厚度的要求，过大的覆土量则会引起土流运动速度大而对种子产生较大的冲击，使种子在开沟器开出的种沟内发生位移，影响种子分布均匀性和覆土厚度的一致性。同时，一次覆量大也会造成干湿土混合无法实现湿土覆种而影响种子发芽出苗。前述研究内容也表明国内外在研究开发的播种深度控制系统时，多数集中在根据土壤情况判断覆土深度值和如何控制深度值的一致性，而有关覆土过程中土壤对种子位移变化的影响方面则很少，因此，如何兼顾播种均匀性和覆土深度一致性，仍需进一步的研究。
因此，研究新型覆土器，克服现在覆土器研究中仅注重覆土深度控制局现性，基于覆土过程中土流运动特征对覆土深度、种子位置变化及播后种子发芽出苗率影响等综合因素，优化覆土器结构参数与运动参数，对提高精密播种机作业质量与进一步丰富精密播种技术理论具有十分重要的学术价值和实际意义。
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作者简介：李丽艳（1990-），女，吉林农业大学工程技术学院2014级硕士研究生，研究方向：农业机械设计制造；王景立（1965-），男，吉林农业大学工程技术学院，教授，硕士研究生导师，主要研究方向：农业机械设计制造等。