2BD-10型水稻直播機的設計

孫振雨，李 寧，安龍哲，徐 峰，王麗君，聶海強，王密勝

(黑龍江省農業機械工程科學研究院 牡丹江分院，黑龍江 牡丹江 157011)

0 引言

水稻是黑龍江省的主要糧食作物，水稻生產的穩定和持續發展，對于保證我國糧食安全具有重要的戰略意義。隨著黑龍江省經濟的快速發展，農村地區青壯年勞動力大量進入城市工作，造成農村地區季節性勞動力短缺，導致勞動力成本不斷升高。以移栽為主要方式的水稻種植方式，生產過程繁雜，勞動強度大，用工多，成本高，農民收益低，將逐漸失去競爭優勢。在努力提高農民收入水平的大背景下，保持產量穩定的基礎上，節約勞動力成本的栽培技術越來越受到歡迎，水稻機械化直播作為一種輕簡的栽培方式正符合這一要求。水稻機械化直播可以省去秧田育秧和移栽等工序，節省大量人工，降低勞動強度，當水稻直播形成一定規模后，可以節省大量秧田，極大提高了土地利用率。能有效地降低投入成本，增加農民收入，具有顯著的經濟效益和社會效益。

本文根據黑龍江省水稻生產特點和農藝技術要求，設計一款與插秧機四輪驅動底盤配套，適合水田作業的水稻直播機。發揮水稻直播的傳統優點，在播種時同步進行側深施肥，降低化肥的使用量，節約成本，減輕水稻生產過程中對環境造成的破壞，符合國家的“三減”政策，為建設可持續發展的現代化農業之路提供保障[1]。

1 直播機工作原理

直播機結構設計如圖1所示，主要由掛接裝置、播種傳動系統、施肥裝置、播種裝置、分體式船板、種肥料箱、風機等部分組成。直播機行進過程中，整機利用分體式船板在泥面上滑動，開溝裝置同步在泥面上開出施肥溝。同時動力傳動系統驅動排種軸、排肥軸轉動，將種子經播種裝置排出，落在地面，化肥經施肥裝置落在相應的溝槽內，完成播種、施肥作業。

1.掛接裝置；2.播種傳動系統；3.施肥裝置；4.播種裝置；5.分體式船板；6.種、肥料箱；7.吹風機

2 主要裝置和關鍵部件的設計

2.1 傳動系統設計

播種傳動系統如圖2所示，四輪驅動底盤通過萬向節將動力傳遞給播種齒輪箱，齒輪箱兩側動力輸出鏈輪，通過鏈條與排種軸上的鏈輪連接，驅動排種軸轉動，帶動排種輪轂旋轉，進行排種作業。

1.萬向節；2.齒輪箱；3.動力輸出軸；4.鏈傳動；5.排種軸

在排肥器側面安裝有調速電機，排肥器的排肥軸與變速電機連接。變速電機轉動，帶動排肥軸轉動，驅動排肥器進行排肥作業。

2.2 播種裝置設計

播種裝置是水稻直播機的主要工作機構，播種裝置的結構和轉速是影響直播機播種性能的關鍵因素。稻種表面特性和物理機械特性是設計播種裝置的理論根據。普通稻種，種粒為橢圓形，表皮為粗糙的外殼，浸種后，其充種性能變差[2]。

在外層種子表面特性和物理機械特性確定不變的情況下，播種輪直徑發生改變，播種輪工作寬度和旋轉速度n也需要進行相關調整。根據農機設計手冊得知，用于排出稻種的輪轂直徑范圍應取30～60 mm之間；依據當地農藝要求的水稻種植最大播種量來確定播種輪槽的工作直徑，其值應大于種子長度的1.5～2倍，否則會影響稻種填充[2]。所以，本文選擇外徑為50 mm、寬度為45 mm輪槽直徑為6 mm的播種輪。在滿足播種要求的情況下，盡量與其他水稻直播機排種器的輪轂外型尺寸相近，增加零部件的通用性，提高機器的使用效率。根據部件試驗情況，總結分析數據得到輪轂排量穩定的轉速在10～60 r·min-1。如果轉速過低，容易產生漏播重播的情況，影響播種的均勻性，如果轉速過高，輪轂外圓線速度過大，排種器的充種性能會降低。

播種輪凹槽的槽型也會影響稻種的充排情況，因此選擇圓弧型凹槽，有利于稻種的填充和排出。由于外槽輪排種器工作時，在播種輪旋轉到凹槽處時排出的稻種比旋轉到齒脊處排出的種子數量多，排出的稻種產生脈動現象。因此，設計了一種螺旋槽輪式水稻排種器，播種輪上的凹槽有螺旋升角，如圖3所示，隨著輪轂旋轉，螺旋凹槽內稻種會在重力和離心力作用下離開排種器，排出的稻種呈現均勻、連續不斷的排出狀態，可以解決直槽輪結構的間斷性引起的播種脈動現象[3]。

圖3 螺旋升角凹槽示意圖

查找設計手冊可知，稻種排種器外槽輪最佳凹槽個數在10～18之間，依據稻種的表面特性和物理機械特性，結合輪轂外圓直徑50 mm和材料的硬度等特性，選定螺旋凹槽的個數為16個，如圖4所示。

圖4 輪轂側視圖

輪轂旋轉一圈的總排種量q由凹槽排種量q槽和帶動層排種量q帶兩部分組成，即

q=q槽+q帶

(1)

輪轂旋轉一周的排種量

q槽=α·B·Z·f·t

(2)

式中 α—稻種在凹槽的充盈系數；

B—輪轂工作寬度，mm；

Z—槽數，個；

f—單個凹槽斷面積，mm2;

t—谷子容重，kg·L-1；

己知：外徑D=50 mm，槽半徑r=3 mm，槽底直徑d=44 mm，單個凹槽斷面積為圖4陰影部分面積,經計算f=14.13 mm。查機械設計手冊得α=0.8，取B=45 mm，Z=16，t=0.79 kg·L-1，數據代入式(2)，計算得q槽=0.006 3 kg·r-1。

輪轂旋轉一周帶動層的排種量

q帶=v帶·r

(3)

帶動層體積V帶

V帶=π·(D+C)·C·B

(4)

C為帶動層厚度

C=β+b·B

(5)

式中β—稻種在帶動層充盈系數；

b—帶動層特性系數；

B—播種輪工作寬度，mm。

取β=1.7、b=0.02、B=45 mm，代入公式(5)，計算得C=2.7 mm。

將數據C代入公式(4)，計算得V帶=20.11 m3

將數據V帶代入公式(3)，計算得q帶=V帶·t=0.006 kg·r-1

將q槽、q帶數值代入公式(1)，計算得q=

0.012 3 kg·r-1

2.3 施肥裝置的設計

2.3.1 施肥裝置結構

施肥裝置包括吹風機、肥料箱、排肥器、驅動排肥電機、排肥控制箱、輸風管、排肥管、肥管固定器。肥料箱固定在直播機機架的前端，排肥器安裝在肥料箱的下端，排肥器側面安裝有驅動排肥電機，排肥管連接于排肥器下端，輸風管與排肥管呈Y字形連接，吹風機安裝于直播機機架側面，吹風機通過輸風管向肥管輸送風力。排肥管通過肥管固定器與分體式船板連接。

1.肥料箱；2.排肥控制箱；3.吹風機；4.驅動排肥電機；5.輸風管；6.排肥管；7.分體式船板；8.開溝器

2.3.2 施肥裝置工作原理

施肥裝置采用電動排肥、風吹送肥的工作原理。工作時，根據調整好的排肥器施肥量，驅動排肥電機使排肥器輪轂旋轉進行排肥，吹風機通過輸風管向排肥管送風，將肥料送出排肥管。排肥控制箱內有GPS衛星定位系統，能檢測到機器的行進速度，根據行進速度調整驅動排肥電機，控制排肥器輪轂的旋轉速度調節施肥速度，使前進速度與排肥速度同步調整。在直播作業時，開溝器在種帶一側開出一條施肥溝，排肥器排出的化肥在重力和風力的共同作用下，經過排肥管、肥料導向槽，施入開出的施肥溝里，完成施肥作業。

2.4 船板組件的設計

分體式船板安裝于水稻直播機機架的底部，共有5個船板，中間船板居中安裝，其余四個船板兩側對稱安裝，分體式船板降低了船板掛草和壅泥的現象。

船板組件包括分體式船板、開溝器、肥管固定座、播種管固定座。分體式船板上有肥料導向槽、播種導向槽。

3 主要技術參數

通過理論計算和分析，最終確定了主要設計參數。

配套動力：11.8～16.9 kW；

作業幅寬：3 000 mm；

播種/施肥行數：10行；

作業速度：2～4 km·h-1；

播種行距：270 mm；

排種/肥器形式：槽輪式；

傳動機構形式：機械傳動、電動。

4 結論

根據水稻直播技術發展現狀，綜合黑龍江省水稻種植的現有情況，計了一款新型的水稻直播機，通過計算和理論分析，確定了各項主要設計參數。完成了整機的設計，到達預期效果。