手扶式水稻种绳直播机设计与试验研究

韩 双，任文涛，刘翠红

(1.沈阳农业大学 工程学院，沈阳 110161；2.营口职业技术学院，辽宁 营口 115009)

0 引言

随着农村劳动力的转移和国家对农业机械化的大力投入，水稻直播种植方式以其省工、省时、成本低的优点而得到重视。纸载体绳播种植是一项水稻直播种植新技术，国内外相关研究甚少,国内外尚缺少与该技术相配套的机械装备。种绳直播机是水稻纸载体绳播种植技术的关键装备之一。为此，针对牵引式直播机不适合小地块作业，而手推式直播机作业效率低下的问题，应用UGNX数字虚拟设计技术，设计了一种手扶式水稻种绳直播机，并对原有的种绳直播机的开沟器、导绳机构、限深轮及整机结构布局等进行了改进设计和参数优化。

1 手扶式水稻种绳直播机总体设计

整机由5.5kW汽油手扶拖拉机提供动力，采用两点悬挂式，直播机外形尺寸为581.8mm×800mm×387.2mm，总体长度显著减小；整机质量21.4kg，作业行数为2行，单体可拆卸，单体质量明显减轻，行距为200～700mm可调。此款机型轻巧便携，安装方便，节约能耗，结构简单。结构参数：手扶拖拉机(汽油)5.5kW；两点悬挂；整机质量21.1kg；限深轮压沟深度为10～30mm；开沟深度为20～50mm。该机主要由机架、牵引杆、限深轮、开沟播绳装置、覆土器、镇压轮等组成，如图1所示。水稻种绳直播机安装在手扶拖拉机上，动力由手扶拖拉机提供，2行播种，行距可调。拖拉机前方安装有微型旋耕部件，旋耕机的旋耕深度为3～15cm；种绳盘悬挂在手扶拖拉机两个手柄之间的横梁上，种绳盘的位置可以根据设定的行距进行左右调节，种绳盘旋转的动力来自于覆土镇压后的种绳与土壤之间的摩擦力；机架通过牵引架上的两个定位销与手扶拖拉机后端进行定位连接，限深轮与机架之间安装有仿形机构，通过调节仿形机构螺杆的长度来调节弹簧的预紧力和限深轮与地面之间的距离；开沟器为尖角形，入土性能良好，后端安装有凹槽导绳轮，在开出的种沟内播放种绳，种绳通过安装在机架上的两个导绳轮进行导向和定位，导绳轮上安装有轴承，可以减小种绳与导绳轮之间的摩擦；覆土器和镇压轮上安装有仿形机构，实现对耕作地面的实时仿形，并能够保证种绳的覆土厚度均匀一致。

1. 手扶手柄 2.种绳盘 3.种绳 4.镇压轮 5.覆土器 6.导绳轮 7.开沟器 8.限深轮 9.机架 10.旋耕部件 11.手扶拖拉机

2 关键部件设计

2.1 开沟器的设计

开沟器的主要作用是为直播机播放的种绳开出一条种沟，引导种绳进入沟内。开沟器需要满足以下条件：

1)种沟深浅一致，为适应不同作业条件的播种要求，开沟深度要能在一定范围内可调；

2)要有良好的入土性能，工作可靠，不易被残茬和杂草等堵塞；

3)工作阻力小，结构尽量简单，使用维护和调整方便；

4)有一定的回土作用，能实现湿土覆盖种绳，利于水稻种子发芽。

本机开沟深度采用高度可调法，通过调整限深轮底部与开沟器底部之间的垂直距离来调节开沟深度，开沟器上方有3个定位孔，可以实现开沟深度2、35、50mm3个档位进行调节，实际播种过程中，根据土壤的类型和土壤墒情进行调节，如图2所示。

2.2 限深轮的设计

农业机械设计安装限深轮的目的是控制农机具陷入土壤的深度，对农机具起到一定的支撑和平衡作用。本文设计的限深轮，不仅要起到限深和平衡的作用，还要在开沟器的前面预压出一条种沟，开沟器在后面再开出一条种沟。限深轮压出的浅沟， 能够减少开沟器与土壤的接触量，减小开沟器的开沟阻力。为了能使限深轮压出规整的种沟，而不使限深轮作用后的土壤板结，对限深轮轮缘进行了设计制作。限深轮轮缘选择尼龙材料，轻巧耐磨。为了保证轮子仍能起到限深的作用，轮的外边缘宽度为15mm，限深轮的厚度为45mm，外边缘直径为180mm，双侧配套安装6203深沟球轴承，轴承内孔直径17mm，形状如图3所示。

图2 种绳开沟器模型

图3 限深轮设计

为了减小加工误差，提高试验数据的准确性，限深轮边界加工采用数字化控制系统进行精准加工，即数控车床加工。近年来，数控技术作为现代化的加工手段，已成为一个国家制造业的发展标志。利用数控加工技术可以完成依靠普通车床不能完成的曲线、曲面零件加工，而且精度高，保证了加工的准确性。本设计采用Fanuc 0i-mate TD 数控车床进行数控加工方法，分别采用G00、G01、G90、G73等命令实现对限深轮进行数控程序的编制，研制了直线边界、圆弧边界和二次曲线边界3种不同结构形式的轮子。设计直线方程为X= -0.8Z。为了与数控编程系统的坐标一致，采用Z为自变量(水平向右方向为正)，X为因变量(竖直向下方向为正)。设计二次曲线边界限深轮的曲线方程为X= 0.0268Z2- 1.6019Z+ 9E-14。

2.3 覆土装置设计

覆土装置在开沟器的后面，把播放种绳后的种沟两侧土壤回填，将种绳覆盖。覆土厚度过大和过小都会对水稻种子的发芽有影响，覆土厚度不均匀会使水稻种子发芽参差不齐，疏密不均，既影响水稻生长又影响产量。所以，种绳直播机的覆土装置设计要保证覆土厚度要适宜，薄厚均匀一致。

对试验田中的水稻残茬进行了检测与分析，残茬的长度8～12cm，残茬的直径在2～6cm。若使水稻种绳直播机不会因为水稻残茬而出现堵塞的现象，要求覆土器两支架之间的距离及覆土板后开于水稻残茬横向最大值。如图4所示：设计的覆土装置支架之间的距离为6cm，覆土板后开口宽度为12.7cm，水稻残茬能够从覆土装置通过，不影响覆土效果。

图4 覆土装置

2.4 镇压轮的设计

镇压轮将播放后的种绳覆土后压实，使种绳与土壤接触良好，给种绳播放提供足够的动力，使覆土厚度均匀一致。为了使镇压轮能够正常运转，减少滑移和壅土，应满足如下计算模型，即

(1)

Smax=Q·f

(2)

将式(2)带入式(1)得

(3)

其中，Smax为土壤对轮子表面的最大附着力；Q为镇压轮负荷；f为土壤与镇压轮间的摩擦因数；Wr为轴套的摩擦力矩；R为镇压轮半径。

由以上模型可知：使镇压轮能够正常运转，必须有足够的附着力。摩擦因数f取决于镇压轮材料和土壤的条件，在一定情况下，f是定常数；增大Q值虽可以提高土壤对轮子的附着力，但随着Q值的增大，轮子下限增大，滚动阻力增加，土壤的压实度也增加，而土壤的过于压实，对种子的发芽生长也不利。

根据设计要求，选择圆柱形镇压轮，每行配备一个镇压轮，要求镇压轮转动灵活，直径不能过小，不易粘土，镇压轮的宽度要大于开沟器开沟宽度。为了使整机结构简单，减轻质量，镇压轮采用两个标准凹槽轮合并而成，直径为140mm，轴向幅宽为90mm，每个镇压轮质量0.4kg，如图5所示。

图5 镇压轮简图

为了使种绳与土壤的接触紧密，使种绳的播放有动力，要求镇压轮的压强一般在0.05～3N/mm2，其压强与下陷深度Z之间的关系可以用下面模型表示，即

P=KZt

(4)

其中，P为单位面积上的压力(N/mm2)；K为与轮子有关的土壤特性系数，K=a(1+0.27B2)；t为与土壤性质有关，一般耕层土壤取0.5；Z为镇压轮下陷深度(mm)。

2.5 机架的设计

水稻种绳直播机的牵引机是由山东华兴机械股份有限公司生产的华兴机械TG4型田园管理机，使用燃油为汽油，最大功率为5.5kW，连续功率为4.1kW，转速为1 800r/min，整机质量为115kg。

直播机的机架起到牵引、支撑、连接安装组件的作用，如图6所示。其采用两点定位的方式与牵引机进行连接，机架总宽度为800mm，能够满足种绳行距的调节。在机架上焊接带有矩形槽的钢板，主要限制开沟器延X、Y方向的自由活动，在Z方向上安装长杆，以上下调整开沟器开沟的深度。

图6 直播机机架

3 田间试验及结果

3.1 开沟器强度和刚度分析

开沟器曲面受到土壤的表面载荷作用，在ANSYS中，可以将表面载荷施加在节点和单元上，假设成线性载荷分布。选择List-Loads-On picked Nodes命令，实现线性压力的变化，选择等分的节点，列出压力载荷，得到开沟器最大工作阻力下等效应力分布云图，如图7所示。

图7 开沟器最大工作阻力下等效应力分布云图

从图7可以看出：水稻种绳直播机开沟器的等效应力主要集中在开沟器最下面的定位孔的位置。经计算，开沟器在线性压力下的最大等效应力为330MPa，标注点的位置为最大等效应力点，小于45钢的屈服强度，开沟器结构能够满足强度要求。开沟器延Y方向会产生受力变形，最大变形为2.074 2mm，位于开沟器尾部。开沟器尾部安装有导绳轮，由于导绳轮下边缘在开沟器底部以下，所产生的变形对种绳播放的深度影响不大，能够满足刚度要求。

3.2 限深轮压沟深度试验

为了探索最佳的限深轮结构形式，分别将设计的圆弧形、直线形、二次曲线形边界的限深轮安装在机器上进行试验研究，以压出种沟的形状和压沟深度为试验检测指标，利用传统经验法进行多点重复检测。观察3种不同处理方式的限深轮的下限情况，进行6次重复试验取其均值。

设计的3种限深轮压出种沟的形状如图8所示。由图8可见：圆弧型限深轮与其余两种相比，压出种沟的两侧土壤量比较多，土壤回填较少，种绳在沟内的稳定性较好，限深轮可以压出形状规则的种沟。沟底深度的检测结果，如表1所示。由表1可知：圆弧型限深轮压沟深度的变异系数为5.05%，直线型限深轮压沟深度的变异系数为15.17%，二次曲线型限深轮压沟深度的变异系数为11.74%。可见，圆弧型限深轮压沟深度变异系数最小，压沟深度最稳定，因此选择使用圆弧形轮缘的限深轮。

(a) 直线型

(b) 圆弧型

表1 压沟深度检测结果

3.3 覆土厚度检测结果与分析

依据GB/T20865-2007《免耕施肥播种机》的测试方法，在半自动化种绳直播机播种后，随机进行6点取样，在每个采样点人工将土壤扒开，用直尺检测种绳的覆土深度。国标要求播种深度合格率≥70%。当开沟深度设置在35mm档位时，种绳的覆土厚度均值为29.03mm，标准差均值为1.09mm，变异系数均值为3.72%，最大变异系数仅为4.88%。本文为水稻绳播，在播种过程中，种子在种绳内受到种绳的约束，覆土时受到土壤的搅动较小，因此覆土厚度变异系数相差不大，达到了国标的基本要求。

3.4 镇压轮滑移率

水稻种绳直播机播种种绳过程中，镇压轮对覆土后的种绳进行镇压，使土壤与种绳紧密结合，而在直播机工作时，镇压轮相对于地面有一定的滑移量。根据GB/T6973-2005《单粒(精密)播种机试验方法》的测试方法，在手扶式水稻种绳直播机田间作业过程中，随机选取一个镇压轮作为测试对象。在镇压轮上用记号笔试验的起始位置，记录镇压轮通过S距离转动的圈数n，用卷尺量出直播机行驶的距离S，镇压轮的直径为D=140mm，两行2个镇压轮，进行5次重复试验。本机设计使用的镇压轮材料密度为1.15g/cm3，远远小于铁的密度7.86g/cm3，减轻了整机的质量。机组作业速度的平均值为3.7km/h，利用模型(5)计算镇压轮滑移率，即

(5)

其中，η为镇压轮的滑移率(%)；S为镇压轮行驶距离；D为镇压轮直径(mm)；n为镇压轮转动圈数。

计算结果表明：轮1的滑移率为7.36%，轮2的滑移率为7.10%，不超过10%能够满足种绳播种要求。

3.5 机具通过性

根据国家标准GB/T20865-2007《免耕施肥播种机》的测试要求，要求在刚收获小麦的残茬地，秸秆覆盖量为2.0～4.0kg/m2，测试区长度为60m，往返1个行程不发生堵塞或者有1次轻度堵塞。本文机具通过性试验在稻田耕整地后进行，在田间有少量水稻残茬覆盖的状况下进行6次重复试验。试验表明：在通过性试验测试中，手扶式水稻种绳直播机没有出现堵塞现象，通过性能良好。该机在播放种绳的过程中，开沟器能够将水稻残茬推向两侧，水稻残茬还田，导绳轮将种绳限制在开沟器的后面，覆土器对种绳进行覆盖，防堵塞效果明显；但不排除有长水稻秸秆钩挂在开沟器支架上的可能，需要进行简单清理。

4 结论

1)研制的手扶式水稻种绳直播机整机轻巧，安装方便，行距可调，能够满足水稻种绳直播的农业技术要求。

2)水稻种绳直播机开沟器结构能够满足强度和刚度要求，圆弧型限深轮压沟深度变异系数为5.05%，种绳的覆土厚度变异系数均值为3.72%，轮1的滑移率为7.36%，轮2的滑移率为7.10%，机具的通过性满足农艺要求，各项指标均达到了农业设计要求。