直播機播種裝置關鍵機構的研究與設計

吳斌方 周 超

（湖北工業大學 湖北武漢 430068）

引言

水稻的機械化種植方式一般分為機械化插秧和機械化直播兩種。由于機械化插秧面臨著插秧質量差，漏秧率高，且受秧齡的限制等缺陷，且難以解決。相比之下，機械化直播越來越受農戶歡迎。機械化直播省去了育秧環節，工序簡單，成本低，效率高，具有較大的發展潛力，逐漸成為了水稻機械化種植的研究熱點。目前，已被推廣使用的水稻直播機在性能上各有千秋，優缺點較為明顯，所有機型均為很好地實現經濟性，實用性和先進性的統一[1]。

迄今為止，我國已經研制出了與獨輪-船板底盤配套的窩眼輪式、外槽輪式直播機，與四輪底盤配套的氣吹式芽種直播機以及水平圓盤式直播機等多種機型[2]。各種機型均有自己獨特的優勢，但都存在著各自的缺陷，無論何種機型都有沒有完美地實現集實用、經濟、精準等特性于一體，仍亟待研發。

國外水稻機械化種植水平較高的國家為美國、韓國、澳大利亞、日本和意大利，在以直播機機械化為主的歐洲，美國最具有代表性[3]。美國是最早實現水稻的機械化種植的國家之一，目前以實現100%的水稻機械化種植。另外，在水稻的直播過程中，雜草的生長的速度比水稻秧苗要快，因此雜草的控制至關重要。在國外，高效除草劑的推廣進一步推動了水稻機械化直播技術的發展，且直播方式分為水直播和旱直播兩種[4]。

綜上所述，全球的水稻種植都在朝著機械化的趨勢發展，相對與國外發達國家，我國的水稻種植機械化程度相對緩慢，全球的機械化種植分為兩種模式，即機械化插秧和機械化直播，如圖1所示。

圖1 機械插秧和機械直播

本文針對目前大部分水稻直播機未達到播種均勻度的精量要求，設計一種新型的水稻直播機播種裝置，克服目前水稻播種機所體現的用種量大和出苗均勻性差等缺點，實現水稻的精少量直播，從而有效降低稻種的用種量，減少勻苗的生產用工環節，獲得均勻的育苗，為秧苗的生長提供均衡的透光、通風環境，有利于充分利用資源，實現水稻的增收。

一、播種裝置的機械結構設計與分析

1.播種裝置的工作原理

本文所設計的播種裝置的在機架上的布置如圖2所示，8個播種裝置按300mm的間距以螺釘的形式安裝在在支架上，動力是由機架所懸掛的原動機的傳動軸從中部傳入，經錐齒輪傳動到播種裝置的輸入軸，再經鏈傳動傳入輸出軸，最后由輸出軸上的齒輪傳遞到播種裝置的六角軸的齒輪上，從而使播種裝置工作。

圖2 播種裝置的在機架上的布置

圖3 播種裝置的整體結構

播種裝置的整體結構如圖3所示，主要有料斗、箱體、排種槽輪組件、清種刷組件、調節手柄組件、調節齒輪組件、傳動齒輪、排種軸、限位手柄、排種斗等。播種裝置未工作時，稻種儲存在進種箱中，當播種裝置開始工作時，排種槽輪組件在在六角軸的帶動下旋轉，當排種槽輪組件上的凹槽進入稻種填充區時，稻種在重力的作用下進入凹槽。排種槽輪組件繼續旋轉，離開稻種的填充區域，清種刷組件將多余的稻種阻擋在填充區，左后凹槽內的種子被排進排種口。排種槽輪組件是由排種槽輪和與之相配合的四角輪組合件，兩者配合形成一定長度的凹槽，四角輪內孔為螺紋孔，與調節齒輪組件形成螺紋傳動，當固定六角軸時，轉動調節齒輪，四角輪可以沿軸向滑動，從而可以調節凹槽的長度，進而調節播種量。手柄組件與六角軸為螺紋連接，在沒有連接外部動力元件時，可通過轉動手柄使播種裝置工作。播種裝置內部結構示意圖如圖4所示。

圖4 播種機內部結構示意圖

2.排種器的設計

本文在對比分析了已有排種器的優缺點的基礎上，以外槽輪式排種器為基礎，借鑒了其他排種器的一些優點來彌補外槽輪式排種器工作時存在間斷性沖擊這一問題，排種器的具體結構如圖5所示，由排種輪、四腳輪、轉軸、六角軸組成，六角軸與排種輪為型面連接，可帶動排種輪一起旋轉，排種輪上沿圓周開了四條凹槽，與四腳輪的凸緣相配合，形成長度可調節的凹槽。轉軸與四腳輪為螺紋配合，形成螺紋傳動，固定六角軸，轉動轉軸，四腳輪沿軸向滑動，可調節凹槽的長度，從而實現播種量的調節。

圖5 排種器結構

考慮到已有的外槽輪式排種器的間接性沖擊問題，本文在凹槽的輪廓曲線上進行了設計，輪廓曲線的尺寸如圖6所示，將凹槽的輪廓設計成曲面，將直邊改成斜邊，雖然增加了制作成本，但很好地減少了工作時種子因摩擦而造成的沖擊和損傷，既增大了種子的流動性，有利于種子的填充，同時有利于種子的排出。

圖6 排種輪凹槽輪廓曲線

排種量的準確控制衡量是排種性能的重要參數，因此，需要對排種器的排種能力進行計算，計算公式如下：

其中，q為排種器每轉一周所排出的種子的數量，Z為排種器上凹槽的數量，為凹槽的體積，為種子的體積，m為伊利稻種的平均質量，g為重力加速度，取9.8m/m2。

對于排種器凹槽的體積，有

考慮到一粒種子的體積不方便測量，可對公式（1）中的部分參數進行整理，令

其中a為種子的容重，即單位體積的種子的質量，可將一定體積的量具量取的種子進行稱重而求得。查得a=0.75～0.79，整理得排種器種子容量的計算公式為：

表1 排種能力q隨凹槽長度L的對應關系

1.3排種量微調機構的設計

排種量的調節是通過轉動調節齒輪，通過螺旋傳動，使四腳輪相對排種輪相對滑動，從而調節凹槽的長度，其結構如圖7所示。考慮到在轉動齒輪的過程中無法準確把握所轉的角度，故在設計上增加了微調機構。圖7所示的轉軸端面上均布有10個凹圓槽，排種輪的內部槽孔中安裝有彈簧和鋼球。裝配時，鋼球與轉軸的凹圓槽相配合，彈簧處于壓縮狀態，轉軸轉動的過程中，每當鋼球與凹圓槽重新接觸時，便會在沖擊的作用下產生聲音，因此，可在通過聽聲音來辨別自己所轉動的角度。

圖7 微調機構

結語

本文進行了直播機播種裝置的結構設計，其核心部件為排種器，其性能影響著播種量的精量調節。在外槽輪排種器的基礎上，結合其他排種器的優點，對排種器進行了改進設計，該排種器通過螺旋傳動實現播種量的調節。

同時為了確保播種量的精量調節精度，設計了微調機構，并進行了參數計算，使種量的調節更加便捷。8個播種裝300mm的間距均布于機架上，機架懸掛在高速插秧機的尾架上，在插秧機的帶動下，實現精量穴播。

該設計理論上可實現水稻的精量點播播種，并實現了播種穴距可調，設計了五種可調的播種穴距，播種性能穩定，結構緊湊，使用可靠，具有節約種子、節省人工勞動力，降低勞動強度、適用性強、作業成本低等優點，適合大規模推廣使用。