一种旋转循环溜种气吸式精密播种装置设计与分析

龚智强，赵保岗，张先泽，赵 湛

（1.巢湖学院 机械与电子工程学院；2.巢湖学院智能机械与机器人研究所，安徽 合肥 238000；3.江苏大学 农业装备工程学院，江苏 镇江 212013）

近年来，在农业领域，国家大力支持农业机械化进程，推广水稻全程机械化.播种在保证粮食增产、推动种植业发展和农业科技进步中，具有极其重要的地位和作用.而精密播种机械设备则是实现精密播种的前提与基础[1～3].

随着我国农业机械技术的快速发展，对播种育苗技术提出了更高的要求，目前超级稻精密播种机械化还未实现，在播种现代化和智能化方面需进一步研究和完善[4～6]，现有的播种装置基本上采用了机械式播种，其伤种率高，工作效率低，难以连续进行工作，空穴率高，难以适现代化农业精密播种的需要[7～9].本研究设计的一种旋转循环溜种气吸式精密播种装置，采用循环旋转实现使溜种箱内的种子通过下盖板来回溜动，以便吸孔实现精密吸种与排种，降低空穴率，提高合格率，保证精量播种；采用齿轮传动装置带动吸排种装置运动，使得旋转装置转动平稳，提高了吸排种过程中的稳定性；通过对旋转装置供负压和正压实现吸种和排种，保证了种子颗粒低损伤率.本播种装置可实现播种过程均匀稳定、伤种子率低、效率高，可实现不同种子的精密播种.

1 整体结构与工作原理

本研究的一种旋转循环溜种气吸式精密播种装置如图1所示，由台架、动力装置、吸排种装置、加种机构、分种箱、溜种板、控制器、电机一、传动机构一、传送带、电机二、传动机构二、育秧盘等组成.

工作原理：使用前将种子倒入加种机构；开启主电源，调节控制参数.打开溜种机构中的溜种箱后，通过振动电机使加种机构持续振动；种子因振动由落种孔一、落种孔二落入叶片间；电机四带动叶片、海绵体匀速转动，使种子均匀落入分种箱；种子被分种箱均分由溜种板落入溜种箱；当称重传感器检测到种子重量达到最高设定值时，电机四停止转动并复位；关闭溜种箱，电机一驱动传动机构一带动吸排种装置绕X轴正向逆时针转动至水平；重复上述加种过程两次后暂停加种；电机二驱动传动机构二，使传送带带动育秧盘移动到指定位置；气泵为气箱提供负压，吸排种装置绕X轴正向逆时针转动指定角度，种子在下盖板中溜动时被由气泵产生的负压吸附，执行机构上移脱离上盖板；电磁铁通电吸住滑块，电机三驱动动力装置带动溜种装置绕X轴正向逆时针转动至垂直；执行机构下移正对育秧盘；气泵停止提供负压，并产生正压将种子排入育秧盘穴孔中；执行机构上移复位；位于Y轴负方向的执行机构外移与溜种机构嵌合；电磁铁断电并与滑块分离，电机三驱动动力装置复位；重复以上过程，播种装置便可实现连续播种.

图1 播种装置结构图

2 关键部件设计

一种旋转循环溜种气吸式精密播种装置核心部件有动力机构、吸排种装置、加种机构、分种箱，这些核心部件的结构参数直接影响播种装置的播种性能.

2.1 动力机构设计

动力机构为吸排种装置中的溜种装置提供动力.动力机构由支撑板、转轴一、齿轮一、齿轮二、电机三、连杆一、连杆二、电磁铁等组成，如图2所示.支撑板与台架起固定支撑作用；转轴一、齿轮一、齿轮二在电机三启动时传递动力，使连杆二带动电磁铁转动；连杆一用于支撑电机三；电磁铁用于在必要时通电吸附住执行机构中的滑块，并带动滑块转动.

图2 动力机构结构图

2.2 吸排种装置设计

吸排种装置由三个溜种机构、四个执行机构、连杆三、液压缸二、液压缸三、轴套、转轴二等组成，如图3所示.溜种机构主要用于加种储存种子，当与执行机构相嵌合时则共同执行溜种的功能；执行机构主要用于与溜种机构相嵌合，并在将种子吸附住以后将种子排入育秧盘；液压缸二、液压缸三仅用于排种的推进与收缩；连杆三支撑液压缸一；轴套用于保护转轴二的同时支撑液压缸二.

溜种机构由滑杆、液压缸一、溜种箱、支架、滑板、滑块、上盖板、通气孔、称重传感器等组成，如图4所示.上盖板上开有通气孔；溜种箱用于加种时和一次溜种完成时种子的暂时储存；液压缸一主要控制滑板的移动即溜种子箱的开合；滑杆与支架形成移动副使溜种箱的开关过程保持平稳；滑块与台架形成移动副用于吸排种机构的转动；称重传感器用于检测种子的重量，加种时，当种子数量达到最高设定值时停止加种；吸种时，当种子数量低于最低设定值时，开始加种.

图4 溜种机构结构图

执行机构由气泵、气箱、吸气柱、下盖板、溜种槽、吸孔等组成，如图5所示.气泵安装在气箱下方，在吸种时提供负压，排种时提供正压；气箱内可保持负压或正压气流状态；下盖板上开有溜种槽用于溜种，吸孔开在溜种槽内并与吸气柱相通.

图5 执行机构结构图

根据种子颗粒特性[10]，当加种完成后，电机一驱动传动机构一运动从而带动吸排种装置转动：在绕X轴逆时针转动的过程中，种子在下盖板由一端溜至另一端过程中被吸孔吸附；液压缸二和液压缸三驱动执行机构向上移动与溜种机构脱离；电磁铁通电吸住滑块，电机三转动驱动动力机构，使电磁铁带动溜种机构绕X轴旋转至排种位置；液压缸二和液压缸三驱动执行机构向下移动，正对育秧盘；气泵停止提供负压，同时产生正压将种子排入育秧盘穴孔中.

2.3 加种机构设计

加种机构由箱体、振动电机、隔板一、落种孔一、隔板二、落种孔二、海绵体、电机四、叶片、转轴三、挡板组成，如图6所示.隔板一用于暂存种子并对种子进行缓冲；落种孔一开在隔板一上，便于种子通过；隔板二上开有落种孔二；挡板对叶片和海绵体起保护作用；海绵体可使叶片在转动的同时不伤种；叶片在转动的过程中实现加种；电机四主要用于驱动转轴三和叶片转动.

图6 加种机构结构图

当种子倒入加种机构后，通过振动电机使加种机构持续振动；种子通过振动由隔板一上的落种孔一和隔板二上的落种孔二落入叶片之间；通过电机四转动带动叶片和固连在叶片上的海绵体匀速转动，使种子均匀落入分种箱；种子被分种箱均匀分流落入溜种板.

2.4 分种箱设计

分种箱由底板、前箱板、分种孔、左箱板、后箱板、右箱板组成，如图7所示.底板上具有相当数量的凸起用将种子分流；同时，底板上开有上开有分种孔，用于将种子均匀导入溜种板；前箱板、后箱板、左箱板、右箱板的作用相同，均用于限制种子的流速及流向；其中前后箱板内凸，左右箱板内凹.

图7 分种箱结构图

3 播种装置播种效率分析

播种装置工作效率是衡量播种装置经济性的一个重要指标，其工作效率与吸排种机构转速相关.当吸排种机构旋转过快可能导致部分吸孔难以吸附到种子；也可能导致吸孔上吸附的种子掉落，导致播种漏播率增高；排种时间也限制了吸排种机构的转速.在保证满足超级稻播种农艺要求的前提下，应尽可能提高播种装置工作效率.由于本装置的加种方式是将种子通过振动电机使箱体振动，经过隔板一、隔板二后落入叶片之间，随后通过溜中板落入溜种箱，可一次性提供116次左右的吸种，即一次加种的时间设定为30s；吸排种装置旋转90度播种一次，吸排种旋转速度设定为2r/min，转动一圈可以播种4盘，即播种完116次需要870s，再另加每次加种及机构运转调整的时间，作业效率可达到464盘/h.

4 结论

（1）针对目前精密播种装置在长时间的播种中容易出现吸嘴被堵塞、播种合格率较低等问题.设计了一种旋转循环溜种气吸式精密播种装置，该装置由台架、动力机构、吸排种装置、加种机构、溜种板等组成.利用振动使种子在按一定规律箱体内振动，隔板一上开有落种孔一，用于将种子平均下落，隔板二上开有落种孔二，可以进一步将种子均分同时筛除细小的杂质颗粒，避免吸孔被细小杂质颗粒堵塞，带有负压吸孔将种子吸附并携带种子进入排种区，利用重力和正压进行排种，有利于播种装置实现精量、低伤种率的播种需求.

（2）设计了加种机构，在播种前向箱体中加入适量的种子，加种过程对种子损伤率小，加种效率高，可实现自动精量均匀加种，有利于提高播种性能，实现长时间连续播种的需求.

（3）在保证满足超级稻播种农艺要求的前提下，尽可能提高播种装置工作效率.通过对设计的播种装置分析，得到播种作业效率可达到464盘/h以上.