周小波劉征明吳志強何俊峰張艷向智宗謝崇平

1.四川省農(nóng)業(yè)機械研究設(shè)計院，四川成都

2.四川水稻創(chuàng)新團隊，四川成都

3.四川省農(nóng)機鑒定站，四川成都

4.四川省德姆達機電科技有限公司，四川成都

0 引言

加快推進水稻生產(chǎn)全程機械化，對于減輕勞動強度，提高糧食產(chǎn)量，保證糧食安全，促進農(nóng)業(yè)節(jié)本增效、提高農(nóng)民收入，促進農(nóng)村勞動力轉(zhuǎn)移、加快城市化和工業(yè)化進程具有重要的意義。[1-4]目前，四川在平原區(qū)和大田塊中，已經(jīng)采用無人機直播和拖拉機帶動的8行水稻直播機直播等技術(shù)，取得了較好的效果。研究適合丘陵山區(qū)田塊使用的水稻直播機，對于進一步提高四川水稻全程機械化水平具有重要意義。本設(shè)計針對丘陵山區(qū)條田的特點，設(shè)計了一款以鋰電池為動力的遙控4行水稻直播機。

1 總體方案

1.1 設(shè)計依據(jù)

為滿足丘區(qū)條田播幅窄、機具轉(zhuǎn)彎半徑小的作業(yè)要求，提出了一種四行小型電動遙控水稻直播機，采用鋰電池驅(qū)動電機行走，控制采用4G網(wǎng)絡(luò)遠程遙控，組成部分主要包括行走裝置、控制裝置、排種裝置。主要的設(shè)計控制參數(shù)為機組整體重量≤80 kg，作業(yè)效率≥0.20 hm2/h，漏播率≤5.0%，載種量≥2 kg，連續(xù)工作時間≥2 h。

1.2 整機結(jié)構(gòu)

四行小型電動遙控水稻直播機結(jié)構(gòu)如圖1所示，整機結(jié)構(gòu)左右對稱，重心居中且位于底盤主梁上，主要包括精量播種器、動力底盤裝置、控制裝置3個部分，精量播種器采用湖北永祥農(nóng)機稻油4行精量播種器，幅寬1 m（可調(diào)），行距25 cm（可調(diào)），播種器后置有利于排種管件的布置，種箱尺寸410 mm×350 mm×220 mm，排種裝置位于種箱正下方，利用稻種自身重力排種。動力底盤采用三個水田輪，前輪轉(zhuǎn)向，三輪獨立驅(qū)動，前輪由電機直接驅(qū)動，后輪由獨立電機、鏈輪、鏈條驅(qū)動，半軸連接。整機三維尺寸為1 900 mm×790 mm×1 365 mm。

圖1 四行小型電動遙控水稻直播機結(jié)構(gòu)圖

1.3 工作原理

直播機工作時，種箱中的稻種經(jīng)槽輪式排種裝置連續(xù)排出，在精量排種裝置出口被風(fēng)機產(chǎn)生的氣流送到排種管，在氣流作用下，均勻穩(wěn)定地經(jīng)各排種管，成條地落入播種行。行走過程中，采用雷達定位，排種器根據(jù)定位控制水稻播種，雷達定位精度能達5 cm。三輪獨立電機驅(qū)動，實現(xiàn)小半徑轉(zhuǎn)彎，轉(zhuǎn)向直流電機控制轉(zhuǎn)向操作桿，控制轉(zhuǎn)向，精準(zhǔn)控制轉(zhuǎn)向角度。控制采用4G連接后臺服務(wù)器，通過手機App控制直播機行走和轉(zhuǎn)向。

2 關(guān)鍵參數(shù)確定

2.1 管徑

排種管徑是直播機的基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)參數(shù)，根據(jù)稻種的物理特性和在氣流輸送過程中的懸浮速度，通過計算，確定排種管管徑為25 mm。

2.2 電池容量

要滿足整體設(shè)備連續(xù)運行大于2 h的要求，需要合理配置鋰電池。經(jīng)過統(tǒng)計和初步測算，精量播種器功率為340 W，電壓為DC 12 V，所需容量為56.67 A·h；行走輪功率為1 460 W，電壓為DC 24 V所需容量為121.58 A·h，選配兩組120 A·h鋰電池并聯(lián)，輸出電壓為DC 24 V。精量播種器通過變壓器與電池連接。電機控制接線圖如圖2所示,控制回路接線圖如圖3所示。

圖2 電機控制電機接線圖

圖3 控制回路接線圖

2.3 行走輪直徑

四川冬水田水層深度8～11 cm、泥腳深度28～30 cm[5]，綜合考慮結(jié)構(gòu)尺寸和整體平衡，前輪選用半徑為375 mm的水田輪，后輪選用半徑為450 mm的水田輪，由于前后輪直徑不同，前輪采用電機直接驅(qū)動，后輪采用鏈條傳動，傳動比根據(jù)兩輪的大小差別進行調(diào)速驅(qū)動，使得前后輪輪沿線速度誤差小于1%。

3 關(guān)鍵部件設(shè)計

3.1 轉(zhuǎn)向機構(gòu)

前輪轉(zhuǎn)向通過直流電機帶動蝸輪蝸桿，選用1∶40蝸輪蝸桿，蝸桿為120齒，蝸桿每齒轉(zhuǎn)動對應(yīng)前輪轉(zhuǎn)動角度為3°，通過電機電源換向，實現(xiàn)左右轉(zhuǎn)彎。轉(zhuǎn)彎極限角度為左右各45°。轉(zhuǎn)向末端設(shè)限位塊，防止超限過轉(zhuǎn)。

3.2 后輪驅(qū)動機構(gòu)

后輪通過直流電機帶動小鏈輪，小鏈輪與大鏈輪之間用鏈條傳動。電機轉(zhuǎn)速為1 400 r/min，后輪直徑為900 mm，按照車體最大行走速度5 km/h設(shè)計，鏈輪直徑比為1∶2.5。水稻直播機整體外觀如圖4所示。

圖4 水稻直播機外觀

4 評價和結(jié)論

通過測試和試驗表明，機組整體重量為78 kg，作業(yè)效率為0.24 hm2/h，漏播率為3.3%，載種量為8 kg，連續(xù)工作時間為2.3 h，各項指標(biāo)均達到了設(shè)計要求。排種器通過雷達定位測量控制機組位和水稻播種，實現(xiàn)了精準(zhǔn)播種，減小了水田作業(yè)中由于輪子打滑造成的播種誤差，通過三輪獨立電機驅(qū)動，減小了機組田間轉(zhuǎn)彎半徑，電池續(xù)航歷程超過2 h，整體機組重量輕、移動方便、轉(zhuǎn)向精準(zhǔn)、漏播率小、播種精準(zhǔn)，適合丘陵山區(qū)條田中水稻直播使用。測試試驗中發(fā)現(xiàn)，由于操作人員離機組太遠，導(dǎo)致其對周圍情況識別有難度，下一步將在此基礎(chǔ)上，增加視頻監(jiān)控功能，通過視頻觀察機器運行情況，從而精確給出操作指令，防止對機器誤操作。