張 禹，劉榮輝，趙博然，尹宇航，姚志遠(yuǎn)，楊天峰，王友哲

（吉林農(nóng)業(yè)科技學(xué)院機(jī)械與土木工程學(xué)院，吉林 吉林 132101）

水稻播種根據(jù)土壤的條件可分為水田直播和旱田直播。二者的適用條件不同，水田直播在播種水稻之前需對(duì)土壤進(jìn)行浸泡、松土及平整作業(yè)，且大型播種設(shè)備無法在水田中平穩(wěn)運(yùn)行，嚴(yán)重影響到播種效率[1-3]；旱田直播相比于水田直播有極大的優(yōu)勢(shì)，主要體現(xiàn)在無需育秧及對(duì)土壤進(jìn)行浸泡等流程，播種機(jī)在水稻旱田直播時(shí)有較大的發(fā)揮空間和適應(yīng)性[4-5]，使用直播機(jī)進(jìn)行大規(guī)模作業(yè)較為方便可行，可提高勞動(dòng)效率和經(jīng)濟(jì)效益?；诖?，課題組設(shè)計(jì)了一種新型的適用于水稻旱田精準(zhǔn)直播的播種覆膜一體機(jī)，該一體機(jī)可一次性完成覆膜及精量播種的任務(wù)，大大節(jié)約了勞動(dòng)力，提高了勞動(dòng)效率，緩解農(nóng)村勞動(dòng)力短缺的問題，而且還可以提高水資源利用率。

1 系統(tǒng)組成及其工作原理

水稻播種覆膜一體機(jī)（以下簡(jiǎn)稱一體機(jī)）總體方案設(shè)計(jì)如圖1 所示。一體機(jī)包括機(jī)架單元、覆膜單元、排種單元、壓實(shí)單元等。其中，機(jī)架單元為各部件提供安裝支撐；覆膜單元由鎮(zhèn)壓輪、開溝器、拉膜輪、覆土壓膜輪組成；排種單元由排種器、支撐輪、鏈輪組成；壓實(shí)單元主要指壓實(shí)輪。

圖1 水稻播種覆膜一體機(jī)整機(jī)方案示意圖

工作原理為：整機(jī)由拖拉機(jī)作為動(dòng)力源牽引前進(jìn)，一對(duì)支撐輪與地面接觸，隨著整機(jī)前行而轉(zhuǎn)動(dòng)，兩輪之間由軸連接，軸上安裝鏈輪，通過鏈傳動(dòng)，將動(dòng)力輸出到一體機(jī)各部分。行進(jìn)過程中，覆膜單元最前端的鎮(zhèn)壓輪進(jìn)行簡(jiǎn)單的土地平整，之后開溝器進(jìn)行開溝，拉膜輪將掛膜輪上的地膜持續(xù)拉出，由覆土壓膜輪和壓膜板將地膜鋪于地表并進(jìn)行膜上覆土，完成覆膜工序；繼而排種單元按照設(shè)計(jì)好的間距，完成地膜開孔作業(yè)，排種器將水稻芽種排入開好的種坑中，完成排種工序；最后由壓實(shí)輪將土壤壓實(shí)，完成整體的播種覆膜作業(yè)。

2 方案設(shè)計(jì)

2.1 覆膜單元

覆膜是旱播水稻中非常重要的一環(huán)，覆膜單元方案示意圖如圖2 所示。覆膜單元由掛膜輪、拉膜輪、覆土壓膜輪及壓膜板組成。覆膜可以有效地抑制雜草生長(zhǎng)，使水稻芽種不受雜草干擾健康出苗[6-7]。覆土壓膜裝置與地膜接觸的地方截面設(shè)計(jì)為近似梯形，可以將地膜的兩側(cè)向下彎折一定角度進(jìn)入溝槽中，壓膜板將溝槽兩側(cè)的土壤撥入溝槽中，防止地膜被風(fēng)刮起。

圖2 覆膜單元方案示意圖

2.2 排種單元

排種單元中的核心部件包含排種器和破膜開孔裝置，排種單元方案示意圖如圖3 所示，排種器主要由種箱、排種盤、鏈輪、排種器前蓋、排種器后蓋、抵膜片、打孔器、搖桿、主軸等組成。

圖3 排種單元方案示意圖

工作過程中，由驅(qū)動(dòng)鏈輪帶動(dòng)排種器主軸旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)排種器中排種盤旋轉(zhuǎn)。同時(shí)在外接負(fù)壓風(fēng)機(jī)的作用下，經(jīng)由負(fù)壓管在排種器后蓋內(nèi)形成負(fù)壓區(qū)域，透過排種盤上的吸種孔對(duì)處于排種器前蓋的水稻芽種產(chǎn)生吸附作用，使得水稻芽種附著于排種盤上隨之旋轉(zhuǎn)。當(dāng)種子隨吸種孔旋轉(zhuǎn)一周后離開排種器前蓋的儲(chǔ)種區(qū)，中間盤上的凸臺(tái)會(huì)遮擋排種盤上的一組吸種孔，受到影響的一組吸種孔所吸附的水稻芽種隨排種盤旋轉(zhuǎn)一周后排出。以鏈輪作為動(dòng)力源，通過曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，帶動(dòng)打孔器刺穿地膜的同時(shí)，在土壤中挖掘種坑，排種盤排出的種子落入種坑內(nèi)，完成一次排種作業(yè)[8-9]。

2.2.1 排種盤設(shè)計(jì)

排種盤方案設(shè)計(jì)如圖4 所示，排種盤上有很多組均勻排布的吸種孔，這些吸種孔負(fù)責(zé)吸種、攜種以及將芽種投入二次投種機(jī)構(gòu)。二次投種機(jī)構(gòu)可以接受來自種盤投下的種子，同時(shí)給予每一個(gè)單獨(dú)小室內(nèi)的幾粒芽種一個(gè)預(yù)設(shè)運(yùn)動(dòng)軌跡。

圖4 排種盤方案設(shè)計(jì)圖

2.2.2 曲柄搖桿開孔機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

按照水稻直播農(nóng)藝要求，開孔位置和排種器排種位置要對(duì)應(yīng)準(zhǔn)確。曲柄搖桿打孔機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖如圖5 所示，工作時(shí)，大齒輪隨排種器主軸一起旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)小齒輪進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，小齒輪帶動(dòng)搖桿擺動(dòng)，搖桿帶動(dòng)底部打孔器進(jìn)行膜上打孔和開設(shè)種坑，種子由排種口排出之后落入種坑之中。曲柄搖桿打孔機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，直播精度較高，方便種子落入[10-11]。

圖5 曲柄搖桿打孔機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

3 整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

采用三維設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行了整機(jī)建模，一體機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)模型如圖6 所示。機(jī)架部分外形尺寸為1 600 mm×800 mm，采用標(biāo)準(zhǔn)尺寸的方管焊接而成。

圖6 一體機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)模型

開溝器結(jié)構(gòu)中開溝鏟尖部分與地面形成一定的夾角，方便入土開溝，開溝器開溝面與底面的角度為40°，為了適應(yīng)不同區(qū)域環(huán)境，開溝深度可以根據(jù)需求調(diào)節(jié)[12]，開溝寬度可達(dá)90 mm，開溝深度為10 mm～50 mm。由于直接和土壤接觸，開溝器下方要求足夠的耐磨性，上方焊接一段30 mm×30 mm 的方管，安裝時(shí)由夾緊螺絲固定于機(jī)架上。

鎮(zhèn)壓輪、拉膜輪以及壓實(shí)輪兩側(cè)都通過螺栓固定兩個(gè)帶座軸承于機(jī)架上，帶座軸承零件上使用緊定螺絲固定鎮(zhèn)壓輪軸，防止軸的軸向竄動(dòng)[13]。排種器兩側(cè)使用軸承座固定于機(jī)架上，在排種器傳動(dòng)軸的一端使用的是緊定螺絲和鍵連接軸與鏈輪。前進(jìn)輪上焊接了另一個(gè)鏈輪作為驅(qū)動(dòng)鏈輪，當(dāng)前進(jìn)輪在地面上行走時(shí)，前進(jìn)輪上的鏈輪通過鏈條帶動(dòng)排種器一端的鏈輪實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)。而覆膜單元為了防止鋪上的膜出現(xiàn)褶皺或重疊的現(xiàn)象，給予地膜一個(gè)張緊力，在覆膜裝置的前端和后端與機(jī)架相連之處都未采用軸承，而是使用直接連接的方式來增大輪上的摩擦力，使得地膜平整地鋪于地面[14-15]。

4 結(jié)論

課題組根據(jù)水稻旱田播種的農(nóng)藝要求，設(shè)計(jì)了一種能夠?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)播種的播種覆膜一體機(jī)。仿真結(jié)果表明，該播種覆膜一體機(jī)由農(nóng)用拖拉機(jī)牽引作為動(dòng)力源，能夠?qū)崿F(xiàn)旱田覆膜，精準(zhǔn)播種一體化，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，提高勞動(dòng)效率。相關(guān)零部件采用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，便于加工制造，有利于一體機(jī)市場(chǎng)化推廣。