2BD-10型水稻直播机的设计

孙振雨，李 宁，安龙哲，徐 峰，王丽君，聂海强，王密胜

(黑龙江省农业机械工程科学研究院 牡丹江分院，黑龙江 牡丹江 157011)

0 引言

水稻是黑龙江省的主要粮食作物，水稻生产的稳定和持续发展，对于保证我国粮食安全具有重要的战略意义。随着黑龙江省经济的快速发展，农村地区青壮年劳动力大量进入城市工作，造成农村地区季节性劳动力短缺，导致劳动力成本不断升高。以移栽为主要方式的水稻种植方式，生产过程繁杂，劳动强度大，用工多，成本高，农民收益低，将逐渐失去竞争优势。在努力提高农民收入水平的大背景下，保持产量稳定的基础上，节约劳动力成本的栽培技术越来越受到欢迎，水稻机械化直播作为一种轻简的栽培方式正符合这一要求。水稻机械化直播可以省去秧田育秧和移栽等工序，节省大量人工，降低劳动强度，当水稻直播形成一定规模后，可以节省大量秧田，极大提高了土地利用率。能有效地降低投入成本，增加农民收入，具有显著的经济效益和社会效益。

本文根据黑龙江省水稻生产特点和农艺技术要求，设计一款与插秧机四轮驱动底盘配套，适合水田作业的水稻直播机。发挥水稻直播的传统优点，在播种时同步进行侧深施肥，降低化肥的使用量，节约成本，减轻水稻生产过程中对环境造成的破坏，符合国家的“三减”政策，为建设可持续发展的现代化农业之路提供保障[1]。

1 直播机工作原理

直播机结构设计如图1所示，主要由挂接装置、播种传动系统、施肥装置、播种装置、分体式船板、种肥料箱、风机等部分组成。直播机行进过程中，整机利用分体式船板在泥面上滑动，开沟装置同步在泥面上开出施肥沟。同时动力传动系统驱动排种轴、排肥轴转动，将种子经播种装置排出，落在地面，化肥经施肥装置落在相应的沟槽内，完成播种、施肥作业。

1.挂接装置；2.播种传动系统；3.施肥装置；4.播种装置；5.分体式船板；6.种、肥料箱；7.吹风机

2 主要装置和关键部件的设计

2.1 传动系统设计

播种传动系统如图2所示，四轮驱动底盘通过万向节将动力传递给播种齿轮箱，齿轮箱两侧动力输出链轮，通过链条与排种轴上的链轮连接，驱动排种轴转动，带动排种轮毂旋转，进行排种作业。

1.万向节；2.齿轮箱；3.动力输出轴；4.链传动；5.排种轴

在排肥器侧面安装有调速电机，排肥器的排肥轴与变速电机连接。变速电机转动，带动排肥轴转动，驱动排肥器进行排肥作业。

2.2 播种装置设计

播种装置是水稻直播机的主要工作机构，播种装置的结构和转速是影响直播机播种性能的关键因素。稻种表面特性和物理机械特性是设计播种装置的理论根据。普通稻种，种粒为椭圆形，表皮为粗糙的外壳，浸种后，其充种性能变差[2]。

在外层种子表面特性和物理机械特性确定不变的情况下，播种轮直径发生改变，播种轮工作宽度和旋转速度n也需要进行相关调整。根据农机设计手册得知，用于排出稻种的轮毂直径范围应取30～60 mm之间；依据当地农艺要求的水稻种植最大播种量来确定播种轮槽的工作直径，其值应大于种子长度的1.5～2倍，否则会影响稻种填充[2]。所以，本文选择外径为50 mm、宽度为45 mm轮槽直径为6 mm的播种轮。在满足播种要求的情况下，尽量与其他水稻直播机排种器的轮毂外型尺寸相近，增加零部件的通用性，提高机器的使用效率。根据部件试验情况，总结分析数据得到轮毂排量稳定的转速在10～60 r·min-1。如果转速过低，容易产生漏播重播的情况，影响播种的均匀性，如果转速过高，轮毂外圆线速度过大，排种器的充种性能会降低。

播种轮凹槽的槽型也会影响稻种的充排情况，因此选择圆弧型凹槽，有利于稻种的填充和排出。由于外槽轮排种器工作时，在播种轮旋转到凹槽处时排出的稻种比旋转到齿脊处排出的种子数量多，排出的稻种产生脉动现象。因此，设计了一种螺旋槽轮式水稻排种器，播种轮上的凹槽有螺旋升角，如图3所示，随着轮毂旋转，螺旋凹槽内稻种会在重力和离心力作用下离开排种器，排出的稻种呈现均匀、连续不断的排出状态，可以解决直槽轮结构的间断性引起的播种脉动现象[3]。

图3 螺旋升角凹槽示意图

查找设计手册可知，稻种排种器外槽轮最佳凹槽个数在10～18之间，依据稻种的表面特性和物理机械特性，结合轮毂外圆直径50 mm和材料的硬度等特性，选定螺旋凹槽的个数为16个，如图4所示。

图4 轮毂侧视图

轮毂旋转一圈的总排种量q由凹槽排种量q槽和带动层排种量q带两部分组成，即

q=q槽+q带

(1)

轮毂旋转一周的排种量

q槽=α·B·Z·f·t

(2)

式中 α—稻种在凹槽的充盈系数；

B—轮毂工作宽度，mm；

Z—槽数，个；

f—单个凹槽断面积，mm2;

t—谷子容重，kg·L-1；

己知：外径D=50 mm，槽半径r=3 mm，槽底直径d=44 mm，单个凹槽断面积为图4阴影部分面积,经计算f=14.13 mm。查机械设计手册得α=0.8，取B=45 mm，Z=16，t=0.79 kg·L-1，数据代入式(2)，计算得q槽=0.006 3 kg·r-1。

轮毂旋转一周带动层的排种量

q带=v带·r

(3)

带动层体积V带

V带=π·(D+C)·C·B

(4)

C为带动层厚度

C=β+b·B

(5)

式中β—稻种在带动层充盈系数；

b—带动层特性系数；

B—播种轮工作宽度，mm。

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

将数据C代入公式(4)，计算得V带=20.11 m3

将数据V带代入公式(3)，计算得q带=V带·t=0.006 kg·r-1

将q槽、q带数值代入公式(1)，计算得q=

0.012 3 kg·r-1

2.3 施肥装置的设计

2.3.1 施肥装置结构

施肥装置包括吹风机、肥料箱、排肥器、驱动排肥电机、排肥控制箱、输风管、排肥管、肥管固定器。肥料箱固定在直播机机架的前端，排肥器安装在肥料箱的下端，排肥器侧面安装有驱动排肥电机，排肥管连接于排肥器下端，输风管与排肥管呈Y字形连接，吹风机安装于直播机机架侧面，吹风机通过输风管向肥管输送风力。排肥管通过肥管固定器与分体式船板连接。

1.肥料箱；2.排肥控制箱；3.吹风机；4.驱动排肥电机；5.输风管；6.排肥管；7.分体式船板；8.开沟器

2.3.2 施肥装置工作原理

施肥装置采用电动排肥、风吹送肥的工作原理。工作时，根据调整好的排肥器施肥量，驱动排肥电机使排肥器轮毂旋转进行排肥，吹风机通过输风管向排肥管送风，将肥料送出排肥管。排肥控制箱内有GPS卫星定位系统，能检测到机器的行进速度，根据行进速度调整驱动排肥电机，控制排肥器轮毂的旋转速度调节施肥速度，使前进速度与排肥速度同步调整。在直播作业时，开沟器在种带一侧开出一条施肥沟，排肥器排出的化肥在重力和风力的共同作用下，经过排肥管、肥料导向槽，施入开出的施肥沟里，完成施肥作业。

2.4 船板组件的设计

分体式船板安装于水稻直播机机架的底部，共有5个船板，中间船板居中安装，其余四个船板两侧对称安装，分体式船板降低了船板挂草和壅泥的现象。

船板组件包括分体式船板、开沟器、肥管固定座、播种管固定座。分体式船板上有肥料导向槽、播种导向槽。

3 主要技术参数

通过理论计算和分析，最终确定了主要设计参数。

配套动力：11.8～16.9 kW；

作业幅宽：3 000 mm；

播种/施肥行数：10行；

作业速度：2～4 km·h-1；

播种行距：270 mm；

排种/肥器形式：槽轮式；

传动机构形式：机械传动、电动。

4 结论

根据水稻直播技术发展现状，综合黑龙江省水稻种植的现有情况，计了一款新型的水稻直播机，通过计算和理论分析，确定了各项主要设计参数。完成了整机的设计，到达预期效果。