小型智能水稻直播機研究與設計*

周小波劉征明吳志強何俊峰張艷向智宗謝崇平

1.四川省農業機械研究設計院，四川成都

2.四川水稻創新團隊，四川成都

3.四川省農機鑒定站，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

加快推進水稻生產全程機械化，對于減輕勞動強度，提高糧食產量，保證糧食安全，促進農業節本增效、提高農民收入，促進農村勞動力轉移、加快城市化和工業化進程具有重要的意義。[1-4]目前，四川在平原區和大田塊中，已經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，取得了較好的效果。研究適合丘陵山區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。本設計針對丘陵山區條田的特點，設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 設計依據

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

1.2 整機結構

四行小型電動遙控水稻直播機結構如圖1所示，整機結構左右對稱，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機稻油4行精量播種器，幅寬1 m（可調），行距25 cm（可調），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，前輪轉向，三輪獨立驅動，前輪由電機直接驅動，后輪由獨立電機、鏈輪、鏈條驅動，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構圖

1.3 工作原理

直播機工作時，種箱中的稻種經槽輪式排種裝置連續排出，在精量排種裝置出口被風機產生的氣流送到排種管，在氣流作用下，均勻穩定地經各排種管，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。三輪獨立電機驅動，實現小半徑轉彎，轉向直流電機控制轉向操作桿，控制轉向，精準控制轉向角度。控制采用4G連接后臺服務器，通過手機App控制直播機行走和轉向。

2 關鍵參數確定

2.1 管徑

排種管徑是直播機的基準結構參數，根據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

要滿足整體設備連續運行大于2 h的要求，需要合理配置鋰電池。經過統計和初步測算，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，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]，綜合考慮結構尺寸和整體平衡，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動，后輪采用鏈條傳動，傳動比根據兩輪的大小差別進行調速驅動，使得前后輪輪沿線速度誤差小于1%。

3 關鍵部件設計

3.1 轉向機構

前輪轉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，蝸桿每齒轉動對應前輪轉動角度為3°，通過電機電源換向，實現左右轉彎。轉彎極限角度為左右各45°。轉向末端設限位塊，防止超限過轉。

3.2 后輪驅動機構

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 評價和結論

通過測試和試驗表明，機組整體重量為78 kg，作業效率為0.24 hm2/h，漏播率為3.3%，載種量為8 kg，連續工作時間為2.3 h，各項指標均達到了設計要求。排種器通過雷達定位測量控制機組位和水稻播種，實現了精準播種，減小了水田作業中由于輪子打滑造成的播種誤差，通過三輪獨立電機驅動，減小了機組田間轉彎半徑，電池續航歷程超過2 h，整體機組重量輕、移動方便、轉向精準、漏播率小、播種精準，適合丘陵山區條田中水稻直播使用。測試試驗中發現，由于操作人員離機組太遠，導致其對周圍情況識別有難度，下一步將在此基礎上，增加視頻監控功能，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。