水稻播种覆膜一体机结构设计*

张 禹，刘荣辉，赵博然，尹宇航，姚志远，杨天峰，王友哲

（吉林农业科技学院机械与土木工程学院，吉林 吉林 132101）

水稻播种根据土壤的条件可分为水田直播和旱田直播。二者的适用条件不同，水田直播在播种水稻之前需对土壤进行浸泡、松土及平整作业，且大型播种设备无法在水田中平稳运行，严重影响到播种效率[1-3]；旱田直播相比于水田直播有极大的优势，主要体现在无需育秧及对土壤进行浸泡等流程，播种机在水稻旱田直播时有较大的发挥空间和适应性[4-5]，使用直播机进行大规模作业较为方便可行，可提高劳动效率和经济效益。基于此，课题组设计了一种新型的适用于水稻旱田精准直播的播种覆膜一体机，该一体机可一次性完成覆膜及精量播种的任务，大大节约了劳动力，提高了劳动效率，缓解农村劳动力短缺的问题，而且还可以提高水资源利用率。

1 系统组成及其工作原理

水稻播种覆膜一体机（以下简称一体机）总体方案设计如图1 所示。一体机包括机架单元、覆膜单元、排种单元、压实单元等。其中，机架单元为各部件提供安装支撑；覆膜单元由镇压轮、开沟器、拉膜轮、覆土压膜轮组成；排种单元由排种器、支撑轮、链轮组成；压实单元主要指压实轮。

图1 水稻播种覆膜一体机整机方案示意图

工作原理为：整机由拖拉机作为动力源牵引前进，一对支撑轮与地面接触，随着整机前行而转动，两轮之间由轴连接，轴上安装链轮，通过链传动，将动力输出到一体机各部分。行进过程中，覆膜单元最前端的镇压轮进行简单的土地平整，之后开沟器进行开沟，拉膜轮将挂膜轮上的地膜持续拉出，由覆土压膜轮和压膜板将地膜铺于地表并进行膜上覆土，完成覆膜工序；继而排种单元按照设计好的间距，完成地膜开孔作业，排种器将水稻芽种排入开好的种坑中，完成排种工序；最后由压实轮将土壤压实，完成整体的播种覆膜作业。

2 方案设计

2.1 覆膜单元

覆膜是旱播水稻中非常重要的一环，覆膜单元方案示意图如图2 所示。覆膜单元由挂膜轮、拉膜轮、覆土压膜轮及压膜板组成。覆膜可以有效地抑制杂草生长，使水稻芽种不受杂草干扰健康出苗[6-7]。覆土压膜装置与地膜接触的地方截面设计为近似梯形，可以将地膜的两侧向下弯折一定角度进入沟槽中，压膜板将沟槽两侧的土壤拨入沟槽中，防止地膜被风刮起。

图2 覆膜单元方案示意图

2.2 排种单元

排种单元中的核心部件包含排种器和破膜开孔装置，排种单元方案示意图如图3 所示，排种器主要由种箱、排种盘、链轮、排种器前盖、排种器后盖、抵膜片、打孔器、摇杆、主轴等组成。

图3 排种单元方案示意图

工作过程中，由驱动链轮带动排种器主轴旋转，从而带动排种器中排种盘旋转。同时在外接负压风机的作用下，经由负压管在排种器后盖内形成负压区域，透过排种盘上的吸种孔对处于排种器前盖的水稻芽种产生吸附作用，使得水稻芽种附着于排种盘上随之旋转。当种子随吸种孔旋转一周后离开排种器前盖的储种区，中间盘上的凸台会遮挡排种盘上的一组吸种孔，受到影响的一组吸种孔所吸附的水稻芽种随排种盘旋转一周后排出。以链轮作为动力源，通过曲柄摇杆机构，带动打孔器刺穿地膜的同时，在土壤中挖掘种坑，排种盘排出的种子落入种坑内，完成一次排种作业[8-9]。

2.2.1 排种盘设计

排种盘方案设计如图4 所示，排种盘上有很多组均匀排布的吸种孔，这些吸种孔负责吸种、携种以及将芽种投入二次投种机构。二次投种机构可以接受来自种盘投下的种子，同时给予每一个单独小室内的几粒芽种一个预设运动轨迹。

图4 排种盘方案设计图

2.2.2 曲柄摇杆开孔机构设计

按照水稻直播农艺要求，开孔位置和排种器排种位置要对应准确。曲柄摇杆打孔机构结构示意图如图5 所示，工作时，大齿轮随排种器主轴一起旋转，带动小齿轮进行旋转，小齿轮带动摇杆摆动，摇杆带动底部打孔器进行膜上打孔和开设种坑，种子由排种口排出之后落入种坑之中。曲柄摇杆打孔机构结构简单紧凑，直播精度较高，方便种子落入[10-11]。

图5 曲柄摇杆打孔机构结构示意图

3 整机结构设计

采用三维设计软件进行了整机建模，一体机整机结构模型如图6 所示。机架部分外形尺寸为1 600 mm×800 mm，采用标准尺寸的方管焊接而成。

图6 一体机整机结构模型

开沟器结构中开沟铲尖部分与地面形成一定的夹角，方便入土开沟，开沟器开沟面与底面的角度为40°，为了适应不同区域环境，开沟深度可以根据需求调节[12]，开沟宽度可达90 mm，开沟深度为10 mm～50 mm。由于直接和土壤接触，开沟器下方要求足够的耐磨性，上方焊接一段30 mm×30 mm 的方管，安装时由夹紧螺丝固定于机架上。

镇压轮、拉膜轮以及压实轮两侧都通过螺栓固定两个带座轴承于机架上，带座轴承零件上使用紧定螺丝固定镇压轮轴，防止轴的轴向窜动[13]。排种器两侧使用轴承座固定于机架上，在排种器传动轴的一端使用的是紧定螺丝和键连接轴与链轮。前进轮上焊接了另一个链轮作为驱动链轮，当前进轮在地面上行走时，前进轮上的链轮通过链条带动排种器一端的链轮实现传动。而覆膜单元为了防止铺上的膜出现褶皱或重叠的现象，给予地膜一个张紧力，在覆膜装置的前端和后端与机架相连之处都未采用轴承，而是使用直接连接的方式来增大轮上的摩擦力，使得地膜平整地铺于地面[14-15]。

4 结论

课题组根据水稻旱田播种的农艺要求，设计了一种能够实现精准播种的播种覆膜一体机。仿真结果表明，该播种覆膜一体机由农用拖拉机牵引作为动力源，能够实现旱田覆膜，精准播种一体化，减轻劳动强度，提高劳动效率。相关零部件采用标准化设计，便于加工制造，有利于一体机市场化推广。