手扶式水稻種繩直播機設計與試驗研究

韓 雙，任文濤，劉翠紅

(1.沈陽農業大學 工程學院，沈陽 110161；2.營口職業技術學院，遼寧 營口 115009)

0 引言

隨著農村勞動力的轉移和國家對農業機械化的大力投入，水稻直播種植方式以其省工、省時、成本低的優點而得到重視。紙載體繩播種植是一項水稻直播種植新技術，國內外相關研究甚少,國內外尚缺少與該技術相配套的機械裝備。種繩直播機是水稻紙載體繩播種植技術的關鍵裝備之一。為此，針對牽引式直播機不適合小地塊作業，而手推式直播機作業效率低下的問題，應用UGNX數字虛擬設計技術，設計了一種手扶式水稻種繩直播機，并對原有的種繩直播機的開溝器、導繩機構、限深輪及整機結構布局等進行了改進設計和參數優化。

1 手扶式水稻種繩直播機總體設計

整機由5.5kW汽油手扶拖拉機提供動力，采用兩點懸掛式，直播機外形尺寸為581.8mm×800mm×387.2mm，總體長度顯著減小；整機質量21.4kg，作業行數為2行，單體可拆卸，單體質量明顯減輕，行距為200～700mm可調。此款機型輕巧便攜，安裝方便，節約能耗，結構簡單。結構參數：手扶拖拉機(汽油)5.5kW；兩點懸掛；整機質量21.1kg；限深輪壓溝深度為10～30mm；開溝深度為20～50mm。該機主要由機架、牽引桿、限深輪、開溝播繩裝置、覆土器、鎮壓輪等組成，如圖1所示。水稻種繩直播機安裝在手扶拖拉機上，動力由手扶拖拉機提供，2行播種，行距可調。拖拉機前方安裝有微型旋耕部件，旋耕機的旋耕深度為3～15cm；種繩盤懸掛在手扶拖拉機兩個手柄之間的橫梁上，種繩盤的位置可以根據設定的行距進行左右調節，種繩盤旋轉的動力來自于覆土鎮壓后的種繩與土壤之間的摩擦力；機架通過牽引架上的兩個定位銷與手扶拖拉機后端進行定位連接，限深輪與機架之間安裝有仿形機構，通過調節仿形機構螺桿的長度來調節彈簧的預緊力和限深輪與地面之間的距離；開溝器為尖角形，入土性能良好，后端安裝有凹槽導繩輪，在開出的種溝內播放種繩，種繩通過安裝在機架上的兩個導繩輪進行導向和定位，導繩輪上安裝有軸承，可以減小種繩與導繩輪之間的摩擦；覆土器和鎮壓輪上安裝有仿形機構，實現對耕作地面的實時仿形，并能夠保證種繩的覆土厚度均勻一致。

1. 手扶手柄 2.種繩盤 3.種繩 4.鎮壓輪 5.覆土器 6.導繩輪 7.開溝器 8.限深輪 9.機架 10.旋耕部件 11.手扶拖拉機

2 關鍵部件設計

2.1 開溝器的設計

開溝器的主要作用是為直播機播放的種繩開出一條種溝，引導種繩進入溝內。開溝器需要滿足以下條件：

1)種溝深淺一致，為適應不同作業條件的播種要求，開溝深度要能在一定范圍內可調；

2)要有良好的入土性能，工作可靠，不易被殘茬和雜草等堵塞；

3)工作阻力小，結構盡量簡單，使用維護和調整方便；

4)有一定的回土作用，能實現濕土覆蓋種繩，利于水稻種子發芽。

本機開溝深度采用高度可調法，通過調整限深輪底部與開溝器底部之間的垂直距離來調節開溝深度，開溝器上方有3個定位孔，可以實現開溝深度2、35、50mm3個檔位進行調節，實際播種過程中，根據土壤的類型和土壤墑情進行調節，如圖2所示。

2.2 限深輪的設計

農業機械設計安裝限深輪的目的是控制農機具陷入土壤的深度，對農機具起到一定的支撐和平衡作用。本文設計的限深輪，不僅要起到限深和平衡的作用，還要在開溝器的前面預壓出一條種溝，開溝器在后面再開出一條種溝。限深輪壓出的淺溝， 能夠減少開溝器與土壤的接觸量，減小開溝器的開溝阻力。為了能使限深輪壓出規整的種溝，而不使限深輪作用后的土壤板結，對限深輪輪緣進行了設計制作。限深輪輪緣選擇尼龍材料，輕巧耐磨。為了保證輪子仍能起到限深的作用，輪的外邊緣寬度為15mm，限深輪的厚度為45mm，外邊緣直徑為180mm，雙側配套安裝6203深溝球軸承，軸承內孔直徑17mm，形狀如圖3所示。

圖2 種繩開溝器模型

圖3 限深輪設計

為了減小加工誤差，提高試驗數據的準確性，限深輪邊界加工采用數字化控制系統進行精準加工，即數控車床加工。近年來，數控技術作為現代化的加工手段，已成為一個國家制造業的發展標志。利用數控加工技術可以完成依靠普通車床不能完成的曲線、曲面零件加工，而且精度高，保證了加工的準確性。本設計采用Fanuc 0i-mate TD 數控車床進行數控加工方法，分別采用G00、G01、G90、G73等命令實現對限深輪進行數控程序的編制，研制了直線邊界、圓弧邊界和二次曲線邊界3種不同結構形式的輪子。設計直線方程為X= -0.8Z。為了與數控編程系統的坐標一致，采用Z為自變量(水平向右方向為正)，X為因變量(豎直向下方向為正)。設計二次曲線邊界限深輪的曲線方程為X= 0.0268Z2- 1.6019Z+ 9E-14。

2.3 覆土裝置設計

覆土裝置在開溝器的后面，把播放種繩后的種溝兩側土壤回填，將種繩覆蓋。覆土厚度過大和過小都會對水稻種子的發芽有影響，覆土厚度不均勻會使水稻種子發芽參差不齊，疏密不均，既影響水稻生長又影響產量。所以，種繩直播機的覆土裝置設計要保證覆土厚度要適宜，薄厚均勻一致。

對試驗田中的水稻殘茬進行了檢測與分析，殘茬的長度8～12cm，殘茬的直徑在2～6cm。若使水稻種繩直播機不會因為水稻殘茬而出現堵塞的現象，要求覆土器兩支架之間的距離及覆土板后開于水稻殘茬橫向最大值。如圖4所示：設計的覆土裝置支架之間的距離為6cm，覆土板后開口寬度為12.7cm，水稻殘茬能夠從覆土裝置通過，不影響覆土效果。

圖4 覆土裝置

2.4 鎮壓輪的設計

鎮壓輪將播放后的種繩覆土后壓實，使種繩與土壤接觸良好，給種繩播放提供足夠的動力，使覆土厚度均勻一致。為了使鎮壓輪能夠正常運轉，減少滑移和壅土，應滿足如下計算模型，即

(1)

Smax=Q·f

(2)

將式(2)帶入式(1)得

(3)

其中，Smax為土壤對輪子表面的最大附著力；Q為鎮壓輪負荷；f為土壤與鎮壓輪間的摩擦因數；Wr為軸套的摩擦力矩；R為鎮壓輪半徑。

由以上模型可知：使鎮壓輪能夠正常運轉，必須有足夠的附著力。摩擦因數f取決于鎮壓輪材料和土壤的條件，在一定情況下，f是定常數；增大Q值雖可以提高土壤對輪子的附著力，但隨著Q值的增大，輪子下限增大，滾動阻力增加，土壤的壓實度也增加，而土壤的過于壓實，對種子的發芽生長也不利。

根據設計要求，選擇圓柱形鎮壓輪，每行配備一個鎮壓輪，要求鎮壓輪轉動靈活，直徑不能過小，不易粘土，鎮壓輪的寬度要大于開溝器開溝寬度。為了使整機結構簡單，減輕質量，鎮壓輪采用兩個標準凹槽輪合并而成，直徑為140mm，軸向幅寬為90mm，每個鎮壓輪質量0.4kg，如圖5所示。

圖5 鎮壓輪簡圖

為了使種繩與土壤的接觸緊密，使種繩的播放有動力，要求鎮壓輪的壓強一般在0.05～3N/mm2，其壓強與下陷深度Z之間的關系可以用下面模型表示，即

P=KZt

(4)

其中，P為單位面積上的壓力(N/mm2)；K為與輪子有關的土壤特性系數，K=a(1+0.27B2)；t為與土壤性質有關，一般耕層土壤取0.5；Z為鎮壓輪下陷深度(mm)。

2.5 機架的設計

水稻種繩直播機的牽引機是由山東華興機械股份有限公司生產的華興機械TG4型田園管理機，使用燃油為汽油，最大功率為5.5kW，連續功率為4.1kW，轉速為1 800r/min，整機質量為115kg。

直播機的機架起到牽引、支撐、連接安裝組件的作用，如圖6所示。其采用兩點定位的方式與牽引機進行連接，機架總寬度為800mm，能夠滿足種繩行距的調節。在機架上焊接帶有矩形槽的鋼板，主要限制開溝器延X、Y方向的自由活動，在Z方向上安裝長桿，以上下調整開溝器開溝的深度。

圖6 直播機機架

3 田間試驗及結果

3.1 開溝器強度和剛度分析

開溝器曲面受到土壤的表面載荷作用，在ANSYS中，可以將表面載荷施加在節點和單元上，假設成線性載荷分布。選擇List-Loads-On picked Nodes命令，實現線性壓力的變化，選擇等分的節點，列出壓力載荷，得到開溝器最大工作阻力下等效應力分布云圖，如圖7所示。

圖7 開溝器最大工作阻力下等效應力分布云圖

從圖7可以看出：水稻種繩直播機開溝器的等效應力主要集中在開溝器最下面的定位孔的位置。經計算，開溝器在線性壓力下的最大等效應力為330MPa，標注點的位置為最大等效應力點，小于45鋼的屈服強度，開溝器結構能夠滿足強度要求。開溝器延Y方向會產生受力變形，最大變形為2.074 2mm，位于開溝器尾部。開溝器尾部安裝有導繩輪，由于導繩輪下邊緣在開溝器底部以下，所產生的變形對種繩播放的深度影響不大，能夠滿足剛度要求。

3.2 限深輪壓溝深度試驗

為了探索最佳的限深輪結構形式，分別將設計的圓弧形、直線形、二次曲線形邊界的限深輪安裝在機器上進行試驗研究，以壓出種溝的形狀和壓溝深度為試驗檢測指標，利用傳統經驗法進行多點重復檢測。觀察3種不同處理方式的限深輪的下限情況，進行6次重復試驗取其均值。

設計的3種限深輪壓出種溝的形狀如圖8所示。由圖8可見：圓弧型限深輪與其余兩種相比，壓出種溝的兩側土壤量比較多，土壤回填較少，種繩在溝內的穩定性較好，限深輪可以壓出形狀規則的種溝。溝底深度的檢測結果，如表1所示。由表1可知：圓弧型限深輪壓溝深度的變異系數為5.05%，直線型限深輪壓溝深度的變異系數為15.17%，二次曲線型限深輪壓溝深度的變異系數為11.74%。可見，圓弧型限深輪壓溝深度變異系數最小，壓溝深度最穩定，因此選擇使用圓弧形輪緣的限深輪。

(a) 直線型

(b) 圓弧型

表1 壓溝深度檢測結果

3.3 覆土厚度檢測結果與分析

依據GB/T20865-2007《免耕施肥播種機》的測試方法，在半自動化種繩直播機播種后，隨機進行6點取樣，在每個采樣點人工將土壤扒開，用直尺檢測種繩的覆土深度。國標要求播種深度合格率≥70%。當開溝深度設置在35mm檔位時，種繩的覆土厚度均值為29.03mm，標準差均值為1.09mm，變異系數均值為3.72%，最大變異系數僅為4.88%。本文為水稻繩播，在播種過程中，種子在種繩內受到種繩的約束，覆土時受到土壤的攪動較小，因此覆土厚度變異系數相差不大，達到了國標的基本要求。

3.4 鎮壓輪滑移率

水稻種繩直播機播種種繩過程中，鎮壓輪對覆土后的種繩進行鎮壓，使土壤與種繩緊密結合，而在直播機工作時，鎮壓輪相對于地面有一定的滑移量。根據GB/T6973-2005《單粒(精密)播種機試驗方法》的測試方法，在手扶式水稻種繩直播機田間作業過程中，隨機選取一個鎮壓輪作為測試對象。在鎮壓輪上用記號筆試驗的起始位置，記錄鎮壓輪通過S距離轉動的圈數n，用卷尺量出直播機行駛的距離S，鎮壓輪的直徑為D=140mm，兩行2個鎮壓輪，進行5次重復試驗。本機設計使用的鎮壓輪材料密度為1.15g/cm3，遠遠小于鐵的密度7.86g/cm3，減輕了整機的質量。機組作業速度的平均值為3.7km/h，利用模型(5)計算鎮壓輪滑移率，即

(5)

其中，η為鎮壓輪的滑移率(%)；S為鎮壓輪行駛距離；D為鎮壓輪直徑(mm)；n為鎮壓輪轉動圈數。

計算結果表明：輪1的滑移率為7.36%，輪2的滑移率為7.10%，不超過10%能夠滿足種繩播種要求。

3.5 機具通過性

根據國家標準GB/T20865-2007《免耕施肥播種機》的測試要求，要求在剛收獲小麥的殘茬地，秸稈覆蓋量為2.0～4.0kg/m2，測試區長度為60m，往返1個行程不發生堵塞或者有1次輕度堵塞。本文機具通過性試驗在稻田耕整地后進行，在田間有少量水稻殘茬覆蓋的狀況下進行6次重復試驗。試驗表明：在通過性試驗測試中，手扶式水稻種繩直播機沒有出現堵塞現象，通過性能良好。該機在播放種繩的過程中，開溝器能夠將水稻殘茬推向兩側，水稻殘茬還田，導繩輪將種繩限制在開溝器的后面，覆土器對種繩進行覆蓋，防堵塞效果明顯；但不排除有長水稻秸稈鉤掛在開溝器支架上的可能，需要進行簡單清理。

4 結論

1)研制的手扶式水稻種繩直播機整機輕巧，安裝方便，行距可調，能夠滿足水稻種繩直播的農業技術要求。

2)水稻種繩直播機開溝器結構能夠滿足強度和剛度要求，圓弧型限深輪壓溝深度變異系數為5.05%，種繩的覆土厚度變異系數均值為3.72%，輪1的滑移率為7.36%，輪2的滑移率為7.10%，機具的通過性滿足農藝要求，各項指標均達到了農業設計要求。