水稻精量穴播机具的设计.docx
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水稻精量穴播机具的设计
宁波理工学院
毕业设计（论文）
题目水稻精量穴播机具的设计
姓名沈成勇
学号3110611018
专业班级机械设计制造及其自动化111班
指导教师张方明
分院机电与能源工程分院
完成日期2015年5月13日
摘要
本文根据水稻的播种要求设计了一种结构简单，性能可靠的气吸式穴播机。
该机具利用高速风机使真空室产生负压强，然后利用压强差使种子吸附在吸种盘上。
当种子运动出真空室后靠自重下落完成排种。
其船舵式结构可保证成穴、播种一体完成。
关键词：
气吸式；舵轮；精密播种；穴播器
Abstract
Accordingtotherequirementsofriceplantingdesignasimplestructure,reliableperformanceofairsuctionplanter.Themachineusehighspeedblowervacuumchambercanproducenegativepressure,thenthepressuredifferenceintheadsorptionofbreastplateonseed.Whentheseedmovementoutofthevacuumchamberbygravitydropcompleteseeding.Theruddertypestructurecanensuretheholeseeding,integration.
Keywords:
air-suction;wheel-type;precisionplanter;hill-dropplanter
第一章引言
1.1课题研究的意义
水稻直播技术随着现在农业科技的发达它的意义和价值已被如今社会所认可，如今全国适合水稻直播的地区已经对水稻直播技术的各个方面进行了研究，效果良好。
随着水稻直播农业技术的成熟越来越需要机械化，水稻直播机器的开发和改进与农业需求的矛盾也慢慢的体现出来。
早期的水稻直播技术存在着稻田杂草多，易倒伏等缺点。
如今随着农业科技的发展水稻直播的缺点可以得到相对应的解决并且随着人工费用的不断提高，机械直播又具有高效率的特点。
机械直播不仅能节约成本还可以提高工作效率，因此推广和发展机械直播具有重大意义。
上个世纪的四十年代,国外已经研究开发各类精密播种机，现如今的播种机已经能实现覆土、播种、施肥等一体化自动操作，技术已相当完善。
五十年代研制出的气力式精密排种器,现在在各种播种机上已经实现广泛应用。
气力式排种器可以分为气吸式、气压式和气吹式三种,如法国的纽玛西姆精密排种器,其主要工作部件是一个竖直、带有吸孔的排种盘，为气吸式排种器。
气压式是靠种子重力和刮种器完成刮种,如赛可罗排种器。
该排种器是一种气压集中排种式,主要由排种滚筒、毛刷刮种器、橡胶卸种轮等部件组成,排种滚筒的圆周上有8排窝眼孔。
气吹式排种器是用高速气流吹走多余的种子,如埃落玛特气吹式排种器。
该排种器主要由型孔轮、气流喷嘴、推种板等组成,型孔轮的轮周均匀分布着锥形通孔。
国内的精密直播农业技术相对来说研发的比较晚，国内虽然在二十世纪七十年代才开始对其进行研发，不过发展速度十分可观并且涉及到的各种排种器形式也是多样的。
而具有我国独创特色的窝眼轮式排种器、纹盘式排种器、锥盘式精密排种器获得了大量应用。
1.2精密播种器国内外发展及趋势
水稻有直播和移栽两大类。
随着水稻移栽技术的出现水稻的直播技术并没有彻底的消失。
水稻直播在人口稀少，经济、技术落后，以及水旱灾害频繁的地区仍为一种合理的选择。
但随着水稻直播技术的发展，近年来水稻直播技术越来越受到重视。
直播因为具有效率高、劳动强度低、成本低等特点，在欧洲一些国家水稻直播是其主要的种植形式，而且水稻直播对水资源要求不高可以大规模的种植。
现如今随着劳动力成本的不断提高，尤其是水资源的紧缺，在亚洲的各个水稻国家水稻直播技术也越来越受到重视。
日本九州的农业试验场一种在耕地的时候能够将作物种子同时播入土壤里的新型水稻直播机被研发出来了。
这种直播机由拖拉机牵引，每次可以播种9行。
该直播机将种子通过种子输出管播入播种沟内，然后自动覆土。
该直播机播种的种子散布均匀并且还可以覆土省时省力降低了成本。
德国研发的一种气吸式的直播机，具有各种功能。
能进行开沟、施肥、播种、镇压、覆土、喷洒药剂等作业。
为了改善播种的均匀性使其均匀播种，这种排种器利用了导种叶轮，经过导种叶轮加速过的种子进行投种时其无限接近零速。
法国研发的一种NGPlus系列的气吸式直播机，进行播种时其播种行距为90cm，这种直播机还可以与两组机架组合，上下两组机架都采用方管，上部机架的方管规格为5mm×5mm，下部机架的方管规格为7mm×7mm，在尾部设计有传动装置可以改变行距，使用便捷。
可以播种各种谷物。
条播是我国主要的水稻直播方式，但在直播的同时也要成穴称为水稻的精量直播，根据这个原则，华南农业大学罗锡文教授提出了将谷物清选筛原理用于水稻精量穴直播排种器的设计思想，研制成了一种抛掷成穴式水稻精量直播排种机构，排种粒数和种子成穴性的试验结果表明,能实现每次2~6粒的精量穴播，穴径、穴距和行距符合直播要求。
双锥面水平型排种器可以利用旋转离心力和斜面重力将种子的压力集中在平面环带上，是种子能更好的填充。
该排种器在工作时排种盘将会转动使种子填充到型孔，毛刷将会清除掉多余的种子并使种子进入投种口。
图1-1 双锥面水平圆盘三维模型
型孔链板式排种器由于其长度可以随意设定所以其可以确保快速、充分的填充种子。
充种后通过滚轮清种装置清种,吸种孔中的种子在护种板和支承装置组成的空腔内运行,当链板旋转到最低点时，种子将会在其重力的原因被投放，那些多余的种子由于剔种滚轮的存在也会进行播种。
图1-2 型孔链板式排种器
1.3各种结构排种器的比较
1.3.1外槽轮式排种器
这种排种器主要用于条播机。
该类型的排种器运作时其外槽轮将会转动，种子会根据其本身的自重填充到槽轮凹槽并且一起转动。
不过外槽轮排种器的均匀性较差，播种量比较稳定。
外槽轮排种器的有点为调节方便，结构简单，容易制造，通用性好。
1.3.2水平圆盘式排种器
该排种器是根据种子的重力或者是推种器来进行播种的，它的核心部件是一个水平排种圆盘，其上的吸种孔根据所播种子的不同而改变。
该排种器是利用吸种孔来对种子进行分离的。
因此该排种器不通用谷物的直播，对种子的形状有严格要求，根据不同种子的形状其排种盘也有不同的规格。
该排种器用于水稻直播时缺点较多。
各方面性能均较差。
1.3.3窝眼轮式排种器
工作时，窝眼轮将会旋转，种子会根据其自身重力掉入到窝眼内，多余的种子会被清种轮清除掉。
种子的排出将会在其转到最下方是利用重力或其他方法排出。
窝眼轮式排种器分离种子的方法是通过型孔和窝眼容腔将种子分离。
利用窝眼轮式排种器进行直播的水稻均匀性较差。
1.3.4电磁振动式排种器
电磁振动式排种器在排种的时候该机构内的电磁铁将会改变电磁力，排种盘会因为电磁力的改变发生振动，当其振动时通过各个参数的改变使形成种子流从而进行排种。
电磁振动式排种器最明显的优点就是对种子的损伤较小，基本不伤种。
1.3.5气吸式排种器
该排种器通过外接风机，风机工作时使其内部产生真空。
种子会由于真空所产生的压强差被吸附在吸种盘上并且会和吸种盘一起转动。
当吸种盘转出真空室时，压强差将会消失，种子就会落到排种口。
利用气吸原理的排种器对种子的损伤较小，并且基本适用于各种形状的种子，具有较好的通用性，而且其工作效率高。
第二章舵轮穴播技术与气吸排种原理的理论分析
该研究将舵轮穴播技术与气吸排种原理有机结合，本章就舵轮穴播技术与气吸排种原理及影响播种质量的参数进行理论分析，并对种子的力学和运动特性进行理论分析。
2.1舵轮穴播器的理论分析和参数设计
2.1.1成穴器的原理分析
本次设计的穴播器完成穴播的主要部件就是其成穴器（如图2-1）。
本次设计的穴播器是安装在农用拖拉机的后方，在拖拉机给其动力的前提下在土壤上滚动。
种子利用气吸的原理落到排种器的鸭嘴处，当鸭嘴转动到最下方时由于凸轮机构的作用将会打开，将种子播到土壤里并同时成穴。
当鸭嘴转过凸轮机构后在弹簧的作用下鸭嘴将会关闭，如此往复进行成穴播种。
图2-1双粒舵轮气吸式穴播器
舵轮穴播器理论分析：
以凸轮的中心为原点，机器的前进方向为X轴，竖直向上为Y轴，则入土端的参数方程为：
（2-1）
式中：
v——播种机前进速度
——大轮盘半径
——大轮盘转动的角速度
t——播种机运动的时间
X——入土端沿播种机前进方向的位移
Y——入土端垂直方向的位移
H——入土器在轮盘外的长度图2-2穴播器入土端运动迹
2.1.2成穴器的运动方式
穴播器中的成穴器在运作时会在土壤上滚动，鸭嘴进入土壤里开出播种穴。
穴孔的形状和大小与成穴器的结构参数和运动参数有关。
图2-3成穴器运动简图
穴播器在土壤上运动时，可知其并非纯滚动，存在滑移现象。
对其进行分析建立坐标系（图2-3），XOY平面垂直于轮盘轴线，坐标原点O位于轮盘轴线以下R处，R=
/（1-S），在MY平面上，轮盘的滚动实际上相当于半径为R的圆沿OX的纯滚动。
那么打孔过程中鸭嘴上任一点的运动方程为其参数方程：
（2-2）
（2-3）
式中R为鸭嘴上该点与轮盘轴心的距离。
Y为鸭嘴上任一点与轮盘轴心的连线，与鸭嘴中点与轮盘轴心连线之间的夹角。
当Y为负时，该任意点在其连线的右侧；
当Y为正时，该任意点在其连线的左侧；
2.1.3舵轮盘半径R与成穴器个数Z的确定
轮盘半径的R主要与播种时的各个参数有关，并且影响到播种穴的尺寸。
查阅相关文献资料并计算得出R为160～300mm。
穴播器在运作时的实际滚动半径
为
（2-4）
鸭嘴伸出的部分为h0；种子的深度为
；ｋ的数值大小根据其播种的土壤的不同而改变，在松软的土壤播种时ｋ一般取1/2，若土壤较为坚硬则Ｋ取１。
（2-5）
（2-6）
在计算时一般先取R通过（2-5）式可以得到Z值。
在计算时为了方便Z一般取其结果相邻的偶数。
计算得Z为8，然后通过（2-6）式可以得出R=175mm。
2.1.4鸭嘴斜角a的确定
根据图2-3可以看出，由于鸭嘴是接近90度进入土壤里的，这样就泥土就不会从下方进入鸭嘴中，为了使入土器不被泥土堵住，并且不挖土，入土器的斜角a可以根据下面的式子得出：
（2-7）
可以得出a=40
。
2.1.5入土鸭嘴高度h的确定
根据水稻的播深要求H=20mm，据式
（2-8）
其中
，经计算后选取h=57mm。
2.1.6入土鸭嘴宽度L的确定
鸭嘴的宽度可以根据下式确定：
（2-9）
其中
经计算后选取L=29mm。
2.2投种高度与投种速度对播种质量的影响
影响播种均匀性的一个很重要因素就是种子的投种高度。
当投种高度越高时，由于投种时间的增加在投种过程中种子受到的干扰也就越大，其投种的精确性也就降低了。
所以种子的投放高度不宜过高应适当降低。
为了实现零速投种，种子的绝对水平分速度也应该控制，这样也能进一步提高排种质量。
因此，应尽量采取与种子下落轨迹相吻合的曲率及降低投种高度。
2.3凸轮的结构参数设计
2.3.1凸轮的轮廓设计
当穴播器播种时，活动鸭嘴是在凸轮的作用下打开完成播种的，因此凸轮的设计也直接影响到穴播器的播种质量。
图2-8所示为凸轮机构，最小向径r称为基圆，h为鸭嘴的最大行程，w为凸轮的旋转角速度，由A0到B
凸轮旋转角度用δ0表示，由B1到B2凸轮旋转角度用δ1表示。
图2-8凸轮机构示意图
2.3.2凸轮偏心角的确定
为了使穴播器在播种的时候鸭嘴不被泥土堵住，鸭嘴必须在最低点时才打开播种根据图2-9所示，∠AOB为凸轮推程运动角，∠COD为凸轮回程运动角，∠BOC为远休止角。
设R1为轮盘外径尺寸，R2为入土器鸭嘴尖点到轴心的距离。
根据农艺要求，播种深度h1已知，则为保证种子的播种深度，凸轮推程运动角为∠AOB=arccos（R1+h1R2）。
（1）经计算推程运动角取7°、回程为3.7mm。
在保证入土器不被泥土堵住，入土器应该在离开泥土后才关闭，那么就可以得出凸轮远休止角为∠BOC≥arccosR1R2-arccosR1+h1R2
（2）经计算取远休止角为7°。
图2-9鸭舌打开角度与分凸轮参数析图
2.4本章小结
本章主要阐述了舵轮穴播技术与气吸排种原理及影响工作质量的参数的理论分析：
（1）对入土成穴器进行结构参数的计算分析，得出成穴器的运动方式、轮盘半径R、鸭嘴开口角度和尺寸。
（2）根据穴播器的播种要求分析计算了凸轮机构的各个参数为接下来的设计奠定了基础。
第三章双粒舵轮气吸式精密穴播器的设计
3.1工作原理
本设计是利用舵轮式的穴播机构和气吸式的排种机构实现水稻的精密穴播（如图3-1所示）。
其穴播机构由凸台轴座、轮盘、固定鸭嘴和活动鸭嘴组成。
排种机构由储种盘、吸风盘、吸种盘、搅种器组成。
吸种盘及搅种器是依靠凸台轴座的连接随舵轮盘的转动而转动，吸风盘、储种盘、轴是固定的保持不转。
图3-1气吸式穴播器整体结构示意图
本次设计的穴播器是安装在农用拖拉机的后方，在拖拉机给其动力的前提下在土壤上滚动。
种子利用气吸的原理落到排种器的鸭嘴处，当鸭嘴转动到最下方时由于凸轮机构的作用将会打开，将种子播到土壤里并同时成穴。
当鸭嘴转过凸轮机构后在弹簧的作用下鸭嘴将会关闭，如此往复进行成穴播种。
3.2主要工作部件的结构设计
3.2.1吸种盘与搅种器的设计
（1）吸种盘的直径
吸种盘（如图3-2所示）是在排种器中垂直放置的一个圆形盘，是由不锈钢制成。
吸种盘的直径大小选择要适当，如果吸种盘的直径太大，这将会导致吸种孔分布不够密集，这样虽然可以避免吸种孔之间距离太近影响吸种性能，但会使这个机构也相应的增大，而风机的功率消耗也相应增加。
查阅各种资料得出吸种盘的直径一般选为140mm～260mm，本设计选用的吸种盘直径为160mm，吸种孔中心处圆盘直径为144.5mm和116mm。
吸种盘的中心开有一个非圆形的口用来连接凸台轴座，从而实现吸种盘和舵轮盘的同步转动。
（2）吸种孔直径
吸种孔的大小会直接影响吸风室的真空情况，从而影响吸种盘对种子的吸附情况，吸种孔如果太大将会出现种子无法吸附的情况，吸种孔如果太小将会出现种子无法吸附的情况。
在吸种孔增大的过程中吸附种子所需要的真空度也随着慢慢降低，可以提高排种性能，但是吸种孔不宜过大否则会出现漏气的现象导致漏播率的提高。
图3-2吸种盘示意图
吸种孔直径根据所播种的水稻种子的大小而确定，吸孔尺寸可按（3-1）式确定：
d=（0.3～0.6）b（3-1）
式（3-1）中：
d——型孔直径
b——种子的平均宽度。
式中：
b——种子的平均宽度，根据水稻种子的尺寸特征为长7.84mm、宽7.21mm、厚4.72mm计算。
按公式（3-1），对于水稻盘吸孔直径d初定为为3.5mm。
图3-3搅种器示意图
（3）搅种器
搅种器（如图3-3所示）是与吸种盘固定在一起的通过4个M3的螺栓，并且会随着吸种盘的转动而转动。
为了起到搅种的作用在上面还均匀分布八个圆锥凸起，为了避免对种子的损伤材料选择橡胶类材料。
搅种器的作用就是为了提高种子的流动性防止种子架空减小漏播率。
3.2.2舵轮穴播盘总成的设计
（1）总成的设计
舵轮盘、固定鸭嘴、凸台轴座主要有这三方面构成轮盘总成，轮盘的材料为Q235，并在上面焊接固定鸭嘴和凸台轴座。
如图3-4所示。
图3-4轮盘示意图
（2）凸台轴座的设计
凸台轴座由圆台和非圆形的凸台构成。
其中圆台用来穿放轴承而非圆形的凸台连接吸种盘带动吸种盘转动。
图3-5凸台轴座示意图
3.2.3储种盘的设计
本设计中的储种盘（如图3-6）有种箱、耳状凸台、凸轮机构这三部分构成。
并且在储种盘上还开了一个进钟口和一个吸风口。
种子是从储种盘上漏斗状的进种口处放入储种盘的；在储种盘上的那个吸风口跟吸风盘上的那个吸气口是相通的，可以保证在风机运作时的正常吸风。
储种盘其中有一部分的形状是和吸风盘上相似的，在储种盘和吸风盘的环形挡板上都有伸出直径25mm长30mm的耳状凸台，其作用是与软管相接然后连接风机，上面还钻有20mm的吸风口用来与吸风盘相连接；而在储种盘下方的凸轮起到让活动鸭嘴打开播种的作用。
耳状凸台与凸轮机构上有四个阶梯通孔，使用内六角螺钉与吸风盘相连接。
图3-6储种盘示意图
3.2.4吸风盘的设计
在吸风盘的设计中在其反方向开有直角式的吸风通道并连接到储种盘上。
为了连接储种盘在吸风盘的耳状凸台和凸轮结构上都开有4个M6的螺纹孔。
（如图3-7）
图3-7吸风盘示意图
3.2.5刮种器和刮种调节器的设计
（1）刮种器的设计
为了刮掉吸种盘上吸附的多余的种子设计穴播器的刮种器（如图3-8）。
此设计是为了更好的调整种子，刮种器分别在不同时间点进行两次刮种。
刮种叉头部中心与吸种孔中心距为6mm（以水稻为例）较为适宜。
支撑棒采用6mm的圆棒制成，在其尾部轴向切除3mm材料，使之形状为非圆形，这样可以与刮种调节器相连，通过刮种调节器的旋转来带动刮种器的旋转。
尾部多余的部分拱螺纹，当调节好位置后，用螺母紧定。
图3-8刮种器示意图
（2）刮种调节器的设计
刮种器调节器用来调节刮种器，让其在合理的角度位置刮种。
调节器上下部开口，并非圆形（其形状见图3-9），这个形状与刮种器尾部的一段的形状一样，这样两者可配合起来，一方可带动另一方转动。
其上还开有环状调节沟，调节好角度后，用M3的螺钉定紧。
图3-9吸风盘示意图
3.2.6鸭嘴以及鸭嘴转动的设计
鸭嘴分为两个部分，分别为固定鸭嘴和活动鸭嘴。
当鸭嘴转动到凸轮处时将会打开将种子播入土壤里，当鸭嘴转过凸轮后在弹簧的作用下将会关闭（如图3-10）。
图3-10鸭嘴及其运动示意图
3.3本章小结
（1）对播种器的工作原理进行了介绍。
（2）本播种器结构简单紧凑、重量轻、安装调整方便，主要是由舵轮穴播器、吸风盘、吸种盘、储种盘、刮种器等部分组成。
（3）对播种器的重要部件进行了理论计算和结构设计。
第4章轴的校核
4.1轴的设计及校核
本次设计选用轴的材料为45号钢，轴图如下所示：
图4-1轴
图4-2
图4-2为轴的受力分析图，剪力图和弯矩图。
此次设计的轴为固定轴，其内部两处主要受力都约为200N，计算得出其两端的支撑力分别为258N与142N。
计算得出危险截面的
约为35
。
对该截面进行强度校核：
查机械设计手册可知45号钢的许用应力为100MPa。
所以该轴符合设计要求。
第五章影响播种质量因素理论与穴播器故障分析
本章研究分析了影响双粒舵轮气吸式精密穴播器工作性能的因素及简易故障产生的原因。
5.1影响播种质量因素理论分析
各种因素都会影响到穴播器的播种情况，只有当穴播器的各个参数都达到完美时，穴播器所播的种子质量才会达到完美。
5.1.1种子落入种床时的动能对播种质量的影响
当种子转出真空室由于重力实现排种时，当种子掉落到鸭嘴时会发生弹跳，所以当穴播器运作时应选择合适速度以达到减少种子动能的目的，使播种更加精确。
5.1.2排种盘转速与真空压力对播种质量的影响
排种盘在旋转时如果速度过快则有可能导致吸种时间过短从而造成空穴。
并且如果转速过快风机的效率也要提高，有可能将会吸附过多的种子造成一穴多种，因此必须根据实际的播种情况调整转速和风机功率，这样播种质量才会较高。
但相对于重播为了避免空穴现象应适当加大真空度。
5.1.3投种高度与投种速度的对播种质量的影响
影响播种均匀性的一个很重要因素就是种子的投种高度。
当投种高度越高时，由于投种时间的增加在投种过程中种子受到的干扰也就越大，其投种的精确性也就降低了。
所以种子的投放高度不宜过高应适当降低。
为了实现零速投种，种子的绝对水平分速度也应该控制，这样也能进一步提高排种质量。
5.1.4刮种器与拖拉机作业速度对播种质量的影响
精量穴播的过程中刮种器也起到较为重要的作用，刮去吸种盘上多余的种子能有效的降低重播率。
但如果刮种器没有固定好的话也会出现碎种的现象。
5.2双粒舵轮气吸式穴播器一般故障及其产生原因
（1）穴播器的真空室出现问题，或者是种子架空都会出现不排种现象。
（2）穴播器的工作速度过快，储种盘内的种子流动性不好以及真空室出现问题都会发生排种不均匀的现象。
（3）链条或链轮过度磨损，张紧度调节不当都会出现掉链或跳链。
5.3本章小结
本章分析了很多影响双粒舵轮气吸式精密穴播机播种质量的因素，主要是排种盘转速、排种盘转速与真空室气压的交互作用、真空室气压；影响播种效果的主要因素是排种盘转速和真空室气压；影响空穴率的主要因素是真空度和转速；影响重播率的主要因素是真空度；影响变异系数的主要因素是种子的形状。
另外简单分析了故障产生的原因。
第六章结论
本文研究了双粒舵轮气吸式精密穴播器，对该排种器进行了结构设计、理论分析，从而为今后精密播种机具的设计研究提供参考。
下面就本论文完成的主要工作做一总结：
（1）本文通过对成穴器的理论分析，得出了成穴器的尖端运动方程，得出成穴器的运动和滑移率并就有关建立了其运动方程。
（2）对成穴器的参数进行了计算。
（3）为保证鸭嘴能正常打开将种子排出，设计计算了凸轮的设计参数。
（4）介绍了播种器的工作原理，通过前面的参数计算对播种器的重要部件进行了设计与计算。
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