直播机播种装置关键机构的研究与设计

吴斌方 周 超

（湖北工业大学 湖北武汉 430068）

引言

水稻的机械化种植方式一般分为机械化插秧和机械化直播两种。由于机械化插秧面临着插秧质量差，漏秧率高，且受秧龄的限制等缺陷，且难以解决。相比之下，机械化直播越来越受农户欢迎。机械化直播省去了育秧环节，工序简单，成本低，效率高，具有较大的发展潜力，逐渐成为了水稻机械化种植的研究热点。目前，已被推广使用的水稻直播机在性能上各有千秋，优缺点较为明显，所有机型均为很好地实现经济性，实用性和先进性的统一[1]。

迄今为止，我国已经研制出了与独轮-船板底盘配套的窝眼轮式、外槽轮式直播机，与四轮底盘配套的气吹式芽种直播机以及水平圆盘式直播机等多种机型[2]。各种机型均有自己独特的优势，但都存在着各自的缺陷，无论何种机型都有没有完美地实现集实用、经济、精准等特性于一体，仍亟待研发。

国外水稻机械化种植水平较高的国家为美国、韩国、澳大利亚、日本和意大利，在以直播机机械化为主的欧洲，美国最具有代表性[3]。美国是最早实现水稻的机械化种植的国家之一，目前以实现100%的水稻机械化种植。另外，在水稻的直播过程中，杂草的生长的速度比水稻秧苗要快，因此杂草的控制至关重要。在国外，高效除草剂的推广进一步推动了水稻机械化直播技术的发展，且直播方式分为水直播和旱直播两种[4]。

综上所述，全球的水稻种植都在朝着机械化的趋势发展，相对与国外发达国家，我国的水稻种植机械化程度相对缓慢，全球的机械化种植分为两种模式，即机械化插秧和机械化直播，如图1所示。

图1 机械插秧和机械直播

本文针对目前大部分水稻直播机未达到播种均匀度的精量要求，设计一种新型的水稻直播机播种装置，克服目前水稻播种机所体现的用种量大和出苗均匀性差等缺点，实现水稻的精少量直播，从而有效降低稻种的用种量，减少匀苗的生产用工环节，获得均匀的育苗，为秧苗的生长提供均衡的透光、通风环境，有利于充分利用资源，实现水稻的增收。

一、播种装置的机械结构设计与分析

1.播种装置的工作原理

本文所设计的播种装置的在机架上的布置如图2所示，8个播种装置按300mm的间距以螺钉的形式安装在在支架上，动力是由机架所悬挂的原动机的传动轴从中部传入，经锥齿轮传动到播种装置的输入轴，再经链传动传入输出轴，最后由输出轴上的齿轮传递到播种装置的六角轴的齿轮上，从而使播种装置工作。

图2 播种装置的在机架上的布置

图3 播种装置的整体结构

播种装置的整体结构如图3所示，主要有料斗、箱体、排种槽轮组件、清种刷组件、调节手柄组件、调节齿轮组件、传动齿轮、排种轴、限位手柄、排种斗等。播种装置未工作时，稻种储存在进种箱中，当播种装置开始工作时，排种槽轮组件在在六角轴的带动下旋转，当排种槽轮组件上的凹槽进入稻种填充区时，稻种在重力的作用下进入凹槽。排种槽轮组件继续旋转，离开稻种的填充区域，清种刷组件将多余的稻种阻挡在填充区，左后凹槽内的种子被排进排种口。排种槽轮组件是由排种槽轮和与之相配合的四角轮组合件，两者配合形成一定长度的凹槽，四角轮内孔为螺纹孔，与调节齿轮组件形成螺纹传动，当固定六角轴时，转动调节齿轮，四角轮可以沿轴向滑动，从而可以调节凹槽的长度，进而调节播种量。手柄组件与六角轴为螺纹连接，在没有连接外部动力元件时，可通过转动手柄使播种装置工作。播种装置内部结构示意图如图4所示。

图4 播种机内部结构示意图

2.排种器的设计

本文在对比分析了已有排种器的优缺点的基础上，以外槽轮式排种器为基础，借鉴了其他排种器的一些优点来弥补外槽轮式排种器工作时存在间断性冲击这一问题，排种器的具体结构如图5所示，由排种轮、四脚轮、转轴、六角轴组成，六角轴与排种轮为型面连接，可带动排种轮一起旋转，排种轮上沿圆周开了四条凹槽，与四脚轮的凸缘相配合，形成长度可调节的凹槽。转轴与四脚轮为螺纹配合，形成螺纹传动，固定六角轴，转动转轴，四脚轮沿轴向滑动，可调节凹槽的长度，从而实现播种量的调节。

图5 排种器结构

考虑到已有的外槽轮式排种器的间接性冲击问题，本文在凹槽的轮廓曲线上进行了设计，轮廓曲线的尺寸如图6所示，将凹槽的轮廓设计成曲面，将直边改成斜边，虽然增加了制作成本，但很好地减少了工作时种子因摩擦而造成的冲击和损伤，既增大了种子的流动性，有利于种子的填充，同时有利于种子的排出。

图6 排种轮凹槽轮廓曲线

排种量的准确控制衡量是排种性能的重要参数，因此，需要对排种器的排种能力进行计算，计算公式如下：

其中，q为排种器每转一周所排出的种子的数量，Z为排种器上凹槽的数量，为凹槽的体积，为种子的体积，m为伊利稻种的平均质量，g为重力加速度，取9.8m/m2。

对于排种器凹槽的体积，有

考虑到一粒种子的体积不方便测量，可对公式（1）中的部分参数进行整理，令

其中a为种子的容重，即单位体积的种子的质量，可将一定体积的量具量取的种子进行称重而求得。查得a=0.75～0.79，整理得排种器种子容量的计算公式为：

表1 排种能力q随凹槽长度L的对应关系

1.3排种量微调机构的设计

排种量的调节是通过转动调节齿轮，通过螺旋传动，使四脚轮相对排种轮相对滑动，从而调节凹槽的长度，其结构如图7所示。考虑到在转动齿轮的过程中无法准确把握所转的角度，故在设计上增加了微调机构。图7所示的转轴端面上均布有10个凹圆槽，排种轮的内部槽孔中安装有弹簧和钢球。装配时，钢球与转轴的凹圆槽相配合，弹簧处于压缩状态，转轴转动的过程中，每当钢球与凹圆槽重新接触时，便会在冲击的作用下产生声音，因此，可在通过听声音来辨别自己所转动的角度。

图7 微调机构

结语

本文进行了直播机播种装置的结构设计，其核心部件为排种器，其性能影响着播种量的精量调节。在外槽轮排种器的基础上，结合其他排种器的优点，对排种器进行了改进设计，该排种器通过螺旋传动实现播种量的调节。

同时为了确保播种量的精量调节精度，设计了微调机构，并进行了参数计算，使种量的调节更加便捷。8个播种装300mm的间距均布于机架上，机架悬挂在高速插秧机的尾架上，在插秧机的带动下，实现精量穴播。

该设计理论上可实现水稻的精量点播播种，并实现了播种穴距可调，设计了五种可调的播种穴距，播种性能稳定，结构紧凑，使用可靠，具有节约种子、节省人工劳动力，降低劳动强度、适用性强、作业成本低等优点，适合大规模推广使用。