小型智能水稻直播机研究与设计*

周小波刘征明吴志强何俊峰张艳向智宗谢崇平

1.四川省农业机械研究设计院，四川成都

2.四川水稻创新团队，四川成都

3.四川省农机鉴定站，四川成都

4.四川省德姆达机电科技有限公司，四川成都

0 引言

加快推进水稻生产全程机械化，对于减轻劳动强度，提高粮食产量，保证粮食安全，促进农业节本增效、提高农民收入，促进农村劳动力转移、加快城市化和工业化进程具有重要的意义。[1-4]目前，四川在平原区和大田块中，已经采用无人机直播和拖拉机带动的8行水稻直播机直播等技术，取得了较好的效果。研究适合丘陵山区田块使用的水稻直播机，对于进一步提高四川水稻全程机械化水平具有重要意义。本设计针对丘陵山区条田的特点，设计了一款以锂电池为动力的遥控4行水稻直播机。

1 总体方案

1.1 设计依据

为满足丘区条田播幅窄、机具转弯半径小的作业要求，提出了一种四行小型电动遥控水稻直播机，采用锂电池驱动电机行走，控制采用4G网络远程遥控，组成部分主要包括行走装置、控制装置、排种装置。主要的设计控制参数为机组整体重量≤80 kg，作业效率≥0.20 hm2/h，漏播率≤5.0%，载种量≥2 kg，连续工作时间≥2 h。

1.2 整机结构

四行小型电动遥控水稻直播机结构如图1所示，整机结构左右对称，重心居中且位于底盘主梁上，主要包括精量播种器、动力底盘装置、控制装置3个部分，精量播种器采用湖北永祥农机稻油4行精量播种器，幅宽1 m（可调），行距25 cm（可调），播种器后置有利于排种管件的布置，种箱尺寸410 mm×350 mm×220 mm，排种装置位于种箱正下方，利用稻种自身重力排种。动力底盘采用三个水田轮，前轮转向，三轮独立驱动，前轮由电机直接驱动，后轮由独立电机、链轮、链条驱动，半轴连接。整机三维尺寸为1 900 mm×790 mm×1 365 mm。

图1 四行小型电动遥控水稻直播机结构图

1.3 工作原理

直播机工作时，种箱中的稻种经槽轮式排种装置连续排出，在精量排种装置出口被风机产生的气流送到排种管，在气流作用下，均匀稳定地经各排种管，成条地落入播种行。行走过程中，采用雷达定位，排种器根据定位控制水稻播种，雷达定位精度能达5 cm。三轮独立电机驱动，实现小半径转弯，转向直流电机控制转向操作杆，控制转向，精准控制转向角度。控制采用4G连接后台服务器，通过手机App控制直播机行走和转向。

2 关键参数确定

2.1 管径

排种管径是直播机的基准结构参数，根据稻种的物理特性和在气流输送过程中的悬浮速度，通过计算，确定排种管管径为25 mm。

2.2 电池容量

要满足整体设备连续运行大于2 h的要求，需要合理配置锂电池。经过统计和初步测算，精量播种器功率为340 W，电压为DC 12 V，所需容量为56.67 A·h；行走轮功率为1 460 W，电压为DC 24 V所需容量为121.58 A·h，选配两组120 A·h锂电池并联，输出电压为DC 24 V。精量播种器通过变压器与电池连接。电机控制接线图如图2所示,控制回路接线图如图3所示。

图2 电机控制电机接线图

图3 控制回路接线图

2.3 行走轮直径

四川冬水田水层深度8～11 cm、泥脚深度28～30 cm[5]，综合考虑结构尺寸和整体平衡，前轮选用半径为375 mm的水田轮，后轮选用半径为450 mm的水田轮，由于前后轮直径不同，前轮采用电机直接驱动，后轮采用链条传动，传动比根据两轮的大小差别进行调速驱动，使得前后轮轮沿线速度误差小于1%。

3 关键部件设计

3.1 转向机构

前轮转向通过直流电机带动蜗轮蜗杆，选用1∶40蜗轮蜗杆，蜗杆为120齿，蜗杆每齿转动对应前轮转动角度为3°，通过电机电源换向，实现左右转弯。转弯极限角度为左右各45°。转向末端设限位块，防止超限过转。

3.2 后轮驱动机构

后轮通过直流电机带动小链轮，小链轮与大链轮之间用链条传动。电机转速为1 400 r/min，后轮直径为900 mm，按照车体最大行走速度5 km/h设计，链轮直径比为1∶2.5。水稻直播机整体外观如图4所示。

图4 水稻直播机外观

4 评价和结论

通过测试和试验表明，机组整体重量为78 kg，作业效率为0.24 hm2/h，漏播率为3.3%，载种量为8 kg，连续工作时间为2.3 h，各项指标均达到了设计要求。排种器通过雷达定位测量控制机组位和水稻播种，实现了精准播种，减小了水田作业中由于轮子打滑造成的播种误差，通过三轮独立电机驱动，减小了机组田间转弯半径，电池续航历程超过2 h，整体机组重量轻、移动方便、转向精准、漏播率小、播种精准，适合丘陵山区条田中水稻直播使用。测试试验中发现，由于操作人员离机组太远，导致其对周围情况识别有难度，下一步将在此基础上，增加视频监控功能，通过视频观察机器运行情况，从而精确给出操作指令，防止对机器误操作。