水稻播種覆膜一體機結構設計*

張 禹，劉榮輝，趙博然，尹宇航，姚志遠，楊天峰，王友哲

（吉林農業科技學院機械與土木工程學院，吉林 吉林 132101）

水稻播種根據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土壤進行浸泡、松土及平整作業，且大型播種設備無法在水田中平穩運行，嚴重影響到播種效率[1-3]；旱田直播相比于水田直播有極大的優勢，主要體現在無需育秧及對土壤進行浸泡等流程，播種機在水稻旱田直播時有較大的發揮空間和適應性[4-5]，使用直播機進行大規模作業較為方便可行，可提高勞動效率和經濟效益。基于此，課題組設計了一種新型的適用于水稻旱田精準直播的播種覆膜一體機，該一體機可一次性完成覆膜及精量播種的任務，大大節約了勞動力，提高了勞動效率，緩解農村勞動力短缺的問題，而且還可以提高水資源利用率。

1 系統組成及其工作原理

水稻播種覆膜一體機（以下簡稱一體機）總體方案設計如圖1 所示。一體機包括機架單元、覆膜單元、排種單元、壓實單元等。其中，機架單元為各部件提供安裝支撐；覆膜單元由鎮壓輪、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；壓實單元主要指壓實輪。

圖1 水稻播種覆膜一體機整機方案示意圖

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

2 方案設計

2.1 覆膜單元

覆膜是旱播水稻中非常重要的一環，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，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計為近似梯形，可以將地膜的兩側向下彎折一定角度進入溝槽中，壓膜板將溝槽兩側的土壤撥入溝槽中，防止地膜被風刮起。

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，由驅動鏈輪帶動排種器主軸旋轉，從而帶動排種器中排種盤旋轉。同時在外接負壓風機的作用下，經由負壓管在排種器后蓋內形成負壓區域，透過排種盤上的吸種孔對處于排種器前蓋的水稻芽種產生吸附作用，使得水稻芽種附著于排種盤上隨之旋轉。當種子隨吸種孔旋轉一周后離開排種器前蓋的儲種區，中間盤上的凸臺會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一周后排出。以鏈輪作為動力源，通過曲柄搖桿機構，帶動打孔器刺穿地膜的同時，在土壤中挖掘種坑，排種盤排出的種子落入種坑內，完成一次排種作業[8-9]。

2.2.1 排種盤設計

排種盤方案設計如圖4 所示，排種盤上有很多組均勻排布的吸種孔，這些吸種孔負責吸種、攜種以及將芽種投入二次投種機構。二次投種機構可以接受來自種盤投下的種子，同時給予每一個單獨小室內的幾粒芽種一個預設運動軌跡。

圖4 排種盤方案設計圖

2.2.2 曲柄搖桿開孔機構設計

按照水稻直播農藝要求，開孔位置和排種器排種位置要對應準確。曲柄搖桿打孔機構結構示意圖如圖5 所示，工作時，大齒輪隨排種器主軸一起旋轉，帶動小齒輪進行旋轉，小齒輪帶動搖桿擺動，搖桿帶動底部打孔器進行膜上打孔和開設種坑，種子由排種口排出之后落入種坑之中。曲柄搖桿打孔機構結構簡單緊湊，直播精度較高，方便種子落入[10-11]。

圖5 曲柄搖桿打孔機構結構示意圖

3 整機結構設計

采用三維設計軟件進行了整機建模，一體機整機結構模型如圖6 所示。機架部分外形尺寸為1 600 mm×800 mm，采用標準尺寸的方管焊接而成。

圖6 一體機整機結構模型

開溝器結構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°，為了適應不同區域環境，開溝深度可以根據需求調節[12]，開溝寬度可達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，安裝時由夾緊螺絲固定于機架上。

鎮壓輪、拉膜輪以及壓實輪兩側都通過螺栓固定兩個帶座軸承于機架上，帶座軸承零件上使用緊定螺絲固定鎮壓輪軸，防止軸的軸向竄動[13]。排種器兩側使用軸承座固定于機架上，在排種器傳動軸的一端使用的是緊定螺絲和鍵連接軸與鏈輪。前進輪上焊接了另一個鏈輪作為驅動鏈輪，當前進輪在地面上行走時，前進輪上的鏈輪通過鏈條帶動排種器一端的鏈輪實現傳動。而覆膜單元為了防止鋪上的膜出現褶皺或重疊的現象，給予地膜一個張緊力，在覆膜裝置的前端和后端與機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 結論

課題組根據水稻旱田播種的農藝要求，設計了一種能夠實現精準播種的播種覆膜一體機。仿真結果表明，該播種覆膜一體機由農用拖拉機牽引作為動力源，能夠實現旱田覆膜，精準播種一體化，減輕勞動強度，提高勞動效率。相關零部件采用標準化設計，便于加工制造，有利于一體機市場化推廣。