吳斌方 周 超

（湖北工業(yè)大學(xué) 湖北武漢 430068）

引言

水稻的機(jī)械化種植方式一般分為機(jī)械化插秧和機(jī)械化直播兩種。由于機(jī)械化插秧面臨著插秧質(zhì)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(jī)械化直播越來越受農(nóng)戶歡迎。機(jī)械化直播省去了育秧環(huán)節(jié)，工序簡(jiǎn)單，成本低，效率高，具有較大的發(fā)展?jié)摿?，逐漸成為了水稻機(jī)械化種植的研究熱點(diǎn)。目前，已被推廣使用的水稻直播機(jī)在性能上各有千秋，優(yōu)缺點(diǎn)較為明顯，所有機(jī)型均為很好地實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性，實(shí)用性和先進(jìn)性的統(tǒng)一[1]。

迄今為止，我國(guó)已經(jīng)研制出了與獨(dú)輪-船板底盤配套的窩眼輪式、外槽輪式直播機(jī)，與四輪底盤配套的氣吹式芽種直播機(jī)以及水平圓盤式直播機(jī)等多種機(jī)型[2]。各種機(jī)型均有自己獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，但都存在著各自的缺陷，無論何種機(jī)型都有沒有完美地實(shí)現(xiàn)集實(shí)用、經(jīng)濟(jì)、精準(zhǔn)等特性于一體，仍亟待研發(fā)。

國(guó)外水稻機(jī)械化種植水平較高的國(guó)家為美國(guó)、韓國(guó)、澳大利亞、日本和意大利，在以直播機(jī)機(jī)械化為主的歐洲，美國(guó)最具有代表性[3]。美國(guó)是最早實(shí)現(xiàn)水稻的機(jī)械化種植的國(guó)家之一，目前以實(shí)現(xiàn)100%的水稻機(jī)械化種植。另外，在水稻的直播過程中，雜草的生長(zhǎng)的速度比水稻秧苗要快，因此雜草的控制至關(guān)重要。在國(guó)外，高效除草劑的推廣進(jìn)一步推動(dòng)了水稻機(jī)械化直播技術(shù)的發(fā)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(jī)械化的趨勢(shì)發(fā)展，相對(duì)與國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家，我國(guó)的水稻種植機(jī)械化程度相對(duì)緩慢，全球的機(jī)械化種植分為兩種模式，即機(jī)械化插秧和機(jī)械化直播，如圖1所示。

圖1 機(jī)械插秧和機(jī)械直播

本文針對(duì)目前大部分水稻直播機(jī)未達(dá)到播種均勻度的精量要求，設(shè)計(jì)一種新型的水稻直播機(jī)播種裝置，克服目前水稻播種機(jī)所體現(xiàn)的用種量大和出苗均勻性差等缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)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(chǎn)用工環(huán)節(jié)，獲得均勻的育苗，為秧苗的生長(zhǎng)提供均衡的透光、通風(fēng)環(huán)境，有利于充分利用資源，實(shí)現(xiàn)水稻的增收。

一、播種裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

1.播種裝置的工作原理

本文所設(shè)計(jì)的播種裝置的在機(jī)架上的布置如圖2所示，8個(gè)播種裝置按300mm的間距以螺釘?shù)男问桨惭b在在支架上，動(dòng)力是由機(jī)架所懸掛的原動(dòng)機(jī)的傳動(dòng)軸從中部傳入，經(jīng)錐齒輪傳動(dòng)到播種裝置的輸入軸，再經(jīng)鏈傳動(dòng)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(jī)架上的布置

圖3 播種裝置的整體結(jié)構(gòu)

播種裝置的整體結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要有料斗、箱體、排種槽輪組件、清種刷組件、調(diào)節(jié)手柄組件、調(diào)節(jié)齒輪組件、傳動(dòng)齒輪、排種軸、限位手柄、排種斗等。播種裝置未工作時(shí)，稻種儲(chǔ)存在進(jìn)種箱中，當(dāng)播種裝置開始工作時(shí)，排種槽輪組件在在六角軸的帶動(dòng)下旋轉(zhuǎn)，當(dāng)排種槽輪組件上的凹槽進(jìn)入稻種填充區(qū)時(shí)，稻種在重力的作用下進(jìn)入凹槽。排種槽輪組件繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，離開稻種的填充區(qū)域，清種刷組件將多余的稻種阻擋在填充區(qū)，左后凹槽內(nèi)的種子被排進(jìn)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(zhǎng)度的凹槽，四角輪內(nèi)孔為螺紋孔，與調(diào)節(jié)齒輪組件形成螺紋傳動(dòng)，當(dāng)固定六角軸時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)齒輪，四角輪可以沿軸向滑動(dòng)，從而可以調(diào)節(jié)凹槽的長(zhǎng)度，進(jìn)而調(diào)節(jié)播種量。手柄組件與六角軸為螺紋連接，在沒有連接外部動(dòng)力元件時(shí)，可通過轉(zhuǎn)動(dòng)手柄使播種裝置工作。播種裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

圖4 播種機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

2.排種器的設(shè)計(jì)

本文在對(duì)比分析了已有排種器的優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，以外槽輪式排種器為基礎(chǔ)，借鑒了其他排種器的一些優(yōu)點(diǎn)來彌補(bǔ)外槽輪式排種器工作時(shí)存在間斷性沖擊這一問題，排種器的具體結(jié)構(gòu)如圖5所示，由排種輪、四腳輪、轉(zhuǎn)軸、六角軸組成，六角軸與排種輪為型面連接，可帶動(dòng)排種輪一起旋轉(zhuǎn)，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(zhǎng)度可調(diào)節(jié)的凹槽。轉(zhuǎn)軸與四腳輪為螺紋配合，形成螺紋傳動(dòng)，固定六角軸，轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)軸，四腳輪沿軸向滑動(dòng)，可調(diào)節(jié)凹槽的長(zhǎng)度，從而實(shí)現(xiàn)播種量的調(diào)節(jié)。

圖5 排種器結(jié)構(gòu)

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(jìn)行了設(shè)計(jì)，輪廓曲線的尺寸如圖6所示，將凹槽的輪廓設(shè)計(jì)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(shí)種子因摩擦而造成的沖擊和損傷，既增大了種子的流動(dòng)性，有利于種子的填充，同時(shí)有利于種子的排出。

圖6 排種輪凹槽輪廓曲線

排種量的準(zhǔn)確控制衡量是排種性能的重要參數(shù)，因此，需要對(duì)排種器的排種能力進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算公式如下：

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

對(duì)于排種器凹槽的體積，有

考慮到一粒種子的體積不方便測(cè)量，可對(duì)公式（1）中的部分參數(shù)進(jìn)行整理，令

其中a為種子的容重，即單位體積的種子的質(zhì)量，可將一定體積的量具量取的種子進(jìn)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(jì)算公式為：

表1 排種能力q隨凹槽長(zhǎng)度L的對(duì)應(yīng)關(guān)系

1.3排種量微調(diào)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

排種量的調(diào)節(jié)是通過轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)齒輪，通過螺旋傳動(dòng)，使四腳輪相對(duì)排種輪相對(duì)滑動(dòng)，從而調(diào)節(jié)凹槽的長(zhǎng)度，其結(jié)構(gòu)如圖7所示?？紤]到在轉(zhuǎn)動(dòng)齒輪的過程中無法準(zhǔn)確把握所轉(zhuǎn)的角度，故在設(shè)計(jì)上增加了微調(diào)機(jī)構(gòu)。圖7所示的轉(zhuǎn)軸端面上均布有10個(gè)凹圓槽，排種輪的內(nèi)部槽孔中安裝有彈簧和鋼球。裝配時(shí)，鋼球與轉(zhuǎn)軸的凹圓槽相配合，彈簧處于壓縮狀態(tài)，轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中，每當(dāng)鋼球與凹圓槽重新接觸時(shí)，便會(huì)在沖擊的作用下產(chǎn)生聲音，因此，可在通過聽聲音來辨別自己所轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。

圖7 微調(diào)機(jī)構(gòu)

結(jié)語(yǔ)

本文進(jìn)行了直播機(jī)播種裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其核心部件為排種器，其性能影響著播種量的精量調(diào)節(jié)。在外槽輪排種器的基礎(chǔ)上，結(jié)合其他排種器的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)排種器進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，該排種器通過螺旋傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)播種量的調(diào)節(jié)。

同時(shí)為了確保播種量的精量調(diào)節(jié)精度，設(shè)計(jì)了微調(diào)機(jī)構(gòu)，并進(jìn)行了參數(shù)計(jì)算，使種量的調(diào)節(jié)更加便捷。8個(gè)播種裝300mm的間距均布于機(jī)架上，機(jī)架懸掛在高速插秧機(jī)的尾架上，在插秧機(jī)的帶動(dòng)下，實(shí)現(xiàn)精量穴播。

該設(shè)計(jì)理論上可實(shí)現(xiàn)水稻的精量點(diǎn)播播種，并實(shí)現(xiàn)了播種穴距可調(diào)，設(shè)計(jì)了五種可調(diào)的播種穴距，播種性能穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)緊湊，使用可靠，具有節(jié)約種子、節(jié)省人工勞動(dòng)力，降低勞動(dòng)強(qiáng)度、適用性強(qiáng)、作業(yè)成本低等優(yōu)點(diǎn)，適合大規(guī)模推廣使用。