一種旋轉循環溜種氣吸式精密播種裝置設計與分析

龔智強，趙保崗，張先澤，趙 湛

（1.巢湖學院 機械與電子工程學院；2.巢湖學院智能機械與機器人研究所，安徽 合肥 238000；3.江蘇大學 農業裝備工程學院，江蘇 鎮江 212013）

近年來，在農業領域，國家大力支持農業機械化進程，推廣水稻全程機械化.播種在保證糧食增產、推動種植業發展和農業科技進步中，具有極其重要的地位和作用.而精密播種機械設備則是實現精密播種的前提與基礎[1～3].

隨著我國農業機械技術的快速發展，對播種育苗技術提出了更高的要求，目前超級稻精密播種機械化還未實現，在播種現代化和智能化方面需進一步研究和完善[4～6]，現有的播種裝置基本上采用了機械式播種，其傷種率高，工作效率低，難以連續進行工作，空穴率高，難以適現代化農業精密播種的需要[7～9].本研究設計的一種旋轉循環溜種氣吸式精密播種裝置，采用循環旋轉實現使溜種箱內的種子通過下蓋板來回溜動，以便吸孔實現精密吸種與排種，降低空穴率，提高合格率，保證精量播種；采用齒輪傳動裝置帶動吸排種裝置運動，使得旋轉裝置轉動平穩，提高了吸排種過程中的穩定性；通過對旋轉裝置供負壓和正壓實現吸種和排種，保證了種子顆粒低損傷率.本播種裝置可實現播種過程均勻穩定、傷種子率低、效率高，可實現不同種子的精密播種.

1 整體結構與工作原理

本研究的一種旋轉循環溜種氣吸式精密播種裝置如圖1所示，由臺架、動力裝置、吸排種裝置、加種機構、分種箱、溜種板、控制器、電機一、傳動機構一、傳送帶、電機二、傳動機構二、育秧盤等組成.

工作原理：使用前將種子倒入加種機構；開啟主電源，調節控制參數.打開溜種機構中的溜種箱后，通過振動電機使加種機構持續振動；種子因振動由落種孔一、落種孔二落入葉片間；電機四帶動葉片、海綿體勻速轉動，使種子均勻落入分種箱；種子被分種箱均分由溜種板落入溜種箱；當稱重傳感器檢測到種子重量達到最高設定值時，電機四停止轉動并復位；關閉溜種箱，電機一驅動傳動機構一帶動吸排種裝置繞X軸正向逆時針轉動至水平；重復上述加種過程兩次后暫停加種；電機二驅動傳動機構二，使傳送帶帶動育秧盤移動到指定位置；氣泵為氣箱提供負壓，吸排種裝置繞X軸正向逆時針轉動指定角度，種子在下蓋板中溜動時被由氣泵產生的負壓吸附，執行機構上移脫離上蓋板；電磁鐵通電吸住滑塊，電機三驅動動力裝置帶動溜種裝置繞X軸正向逆時針轉動至垂直；執行機構下移正對育秧盤；氣泵停止提供負壓，并產生正壓將種子排入育秧盤穴孔中；執行機構上移復位；位于Y軸負方向的執行機構外移與溜種機構嵌合；電磁鐵斷電并與滑塊分離，電機三驅動動力裝置復位；重復以上過程，播種裝置便可實現連續播種.

圖1 播種裝置結構圖

2 關鍵部件設計

一種旋轉循環溜種氣吸式精密播種裝置核心部件有動力機構、吸排種裝置、加種機構、分種箱，這些核心部件的結構參數直接影響播種裝置的播種性能.

2.1 動力機構設計

動力機構為吸排種裝置中的溜種裝置提供動力.動力機構由支撐板、轉軸一、齒輪一、齒輪二、電機三、連桿一、連桿二、電磁鐵等組成，如圖2所示.支撐板與臺架起固定支撐作用；轉軸一、齒輪一、齒輪二在電機三啟動時傳遞動力，使連桿二帶動電磁鐵轉動；連桿一用于支撐電機三；電磁鐵用于在必要時通電吸附住執行機構中的滑塊，并帶動滑塊轉動.

圖2 動力機構結構圖

2.2 吸排種裝置設計

吸排種裝置由三個溜種機構、四個執行機構、連桿三、液壓缸二、液壓缸三、軸套、轉軸二等組成，如圖3所示.溜種機構主要用于加種儲存種子，當與執行機構相嵌合時則共同執行溜種的功能；執行機構主要用于與溜種機構相嵌合，并在將種子吸附住以后將種子排入育秧盤；液壓缸二、液壓缸三僅用于排種的推進與收縮；連桿三支撐液壓缸一；軸套用于保護轉軸二的同時支撐液壓缸二.

溜種機構由滑桿、液壓缸一、溜種箱、支架、滑板、滑塊、上蓋板、通氣孔、稱重傳感器等組成，如圖4所示.上蓋板上開有通氣孔；溜種箱用于加種時和一次溜種完成時種子的暫時儲存；液壓缸一主要控制滑板的移動即溜種子箱的開合；滑桿與支架形成移動副使溜種箱的開關過程保持平穩；滑塊與臺架形成移動副用于吸排種機構的轉動；稱重傳感器用于檢測種子的重量，加種時，當種子數量達到最高設定值時停止加種；吸種時，當種子數量低于最低設定值時，開始加種.

圖4 溜種機構結構圖

執行機構由氣泵、氣箱、吸氣柱、下蓋板、溜種槽、吸孔等組成，如圖5所示.氣泵安裝在氣箱下方，在吸種時提供負壓，排種時提供正壓；氣箱內可保持負壓或正壓氣流狀態；下蓋板上開有溜種槽用于溜種，吸孔開在溜種槽內并與吸氣柱相通.

圖5 執行機構結構圖

根據種子顆粒特性[10]，當加種完成后，電機一驅動傳動機構一運動從而帶動吸排種裝置轉動：在繞X軸逆時針轉動的過程中，種子在下蓋板由一端溜至另一端過程中被吸孔吸附；液壓缸二和液壓缸三驅動執行機構向上移動與溜種機構脫離；電磁鐵通電吸住滑塊，電機三轉動驅動動力機構，使電磁鐵帶動溜種機構繞X軸旋轉至排種位置；液壓缸二和液壓缸三驅動執行機構向下移動，正對育秧盤；氣泵停止提供負壓，同時產生正壓將種子排入育秧盤穴孔中.

2.3 加種機構設計

加種機構由箱體、振動電機、隔板一、落種孔一、隔板二、落種孔二、海綿體、電機四、葉片、轉軸三、擋板組成，如圖6所示.隔板一用于暫存種子并對種子進行緩沖；落種孔一開在隔板一上，便于種子通過；隔板二上開有落種孔二；擋板對葉片和海綿體起保護作用；海綿體可使葉片在轉動的同時不傷種；葉片在轉動的過程中實現加種；電機四主要用于驅動轉軸三和葉片轉動.

圖6 加種機構結構圖

當種子倒入加種機構后，通過振動電機使加種機構持續振動；種子通過振動由隔板一上的落種孔一和隔板二上的落種孔二落入葉片之間；通過電機四轉動帶動葉片和固連在葉片上的海綿體勻速轉動，使種子均勻落入分種箱；種子被分種箱均勻分流落入溜種板.

2.4 分種箱設計

分種箱由底板、前箱板、分種孔、左箱板、后箱板、右箱板組成，如圖7所示.底板上具有相當數量的凸起用將種子分流；同時，底板上開有上開有分種孔，用于將種子均勻導入溜種板；前箱板、后箱板、左箱板、右箱板的作用相同，均用于限制種子的流速及流向；其中前后箱板內凸，左右箱板內凹.

圖7 分種箱結構圖

3 播種裝置播種效率分析

播種裝置工作效率是衡量播種裝置經濟性的一個重要指標，其工作效率與吸排種機構轉速相關.當吸排種機構旋轉過快可能導致部分吸孔難以吸附到種子；也可能導致吸孔上吸附的種子掉落，導致播種漏播率增高；排種時間也限制了吸排種機構的轉速.在保證滿足超級稻播種農藝要求的前提下，應盡可能提高播種裝置工作效率.由于本裝置的加種方式是將種子通過振動電機使箱體振動，經過隔板一、隔板二后落入葉片之間，隨后通過溜中板落入溜種箱，可一次性提供116次左右的吸種，即一次加種的時間設定為30s；吸排種裝置旋轉90度播種一次，吸排種旋轉速度設定為2r/min，轉動一圈可以播種4盤，即播種完116次需要870s，再另加每次加種及機構運轉調整的時間，作業效率可達到464盤/h.

4 結論

（1）針對目前精密播種裝置在長時間的播種中容易出現吸嘴被堵塞、播種合格率較低等問題.設計了一種旋轉循環溜種氣吸式精密播種裝置，該裝置由臺架、動力機構、吸排種裝置、加種機構、溜種板等組成.利用振動使種子在按一定規律箱體內振動，隔板一上開有落種孔一，用于將種子平均下落，隔板二上開有落種孔二，可以進一步將種子均分同時篩除細小的雜質顆粒，避免吸孔被細小雜質顆粒堵塞，帶有負壓吸孔將種子吸附并攜帶種子進入排種區，利用重力和正壓進行排種，有利于播種裝置實現精量、低傷種率的播種需求.

（2）設計了加種機構，在播種前向箱體中加入適量的種子，加種過程對種子損傷率小，加種效率高，可實現自動精量均勻加種，有利于提高播種性能，實現長時間連續播種的需求.

（3）在保證滿足超級稻播種農藝要求的前提下，盡可能提高播種裝置工作效率.通過對設計的播種裝置分析，得到播種作業效率可達到464盤/h以上.