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小型滚筒式玉米播种机

第十一届“挑战杯”辽宁省大学生
课外学术作品竞赛

小型滚筒式玉米播种机
设计及制作

摘要

机械化是现代农业发展的重要内容,是农业生产技术进步的重要体现。我国作为世界第二玉米消费大国，传统的手工作业已无法满足日益增长的市场需求。如今平原地区多使用大型玉米播种机作业，而对西北丘陵、山地和面积较小的耕地，大型玉米播种机只能“望而却步”。本方案设计的小型滚筒式玉米播种机适合西北丘陵、山地和面积较小的耕地，并且弥补了现有气吸式和轮勺式播种机水准差，效果不理想的缺点。
这款小型滚筒式玉米播种机主要由驱动机构（小型汽油发动机、前后轮），送种系统（漏斗形装种箱、边缘空心同轴转盘、空心滑杆），播种机构等组成。
送料机构采用内盘转动，使玉米种子顺着空心滑杆和滚筒倒角进入下种装置，实现对玉米种子的输送。下种机构基于四棱柱下种装置和扭簧作用下的盖土片结构，完成刨土、下粒、盖土一体化耕作模式，另外设计的4个等间距下种装置，使播种列距为11cm,行距12cm，实现了等距播种。
本产品采用机械原理，多种机械结构共同工作完成播种，可以解决西北地区耗费劳动力多，生产效率低的问题。以较小的成本创造较大的经济价值，市场应用前景广阔。

关键词：播种机 西北梯田 滚筒式 轻巧灵便

目录

1 引言 1
1.1 研究背景 1
1.2 国内现状及发展趋势 2
1.3 设计思路 4
2 项目简介 6
2.1 小型滚筒式玉米播种机的结构 6
2.2 小型滚筒式玉米播种机的主要特点 6
2.3 小型滚筒式玉米播种机的创新点 7
3 产品设计与功能实现 8
3.1进料机构 8
3.2送料圆轮 8
3.3空心圆管 9
3.4下种机构 10
3.5前后轮 11
3.6动力系统 12
4 试验过程及结果分析 13
4.1 实验过程 13
4.2 实验结果分析 14
参考文献 15

小型滚筒式玉米播种机
1 引言
1.1 研究背景
在我国广大的西北地区，丘陵、山地随处可见，梯田形成了一道美丽的风景线。梯田在山坡上开垦，呈阶梯形，由一块块小面积可种植土地组成，如图1所示。在西北地区，梯田作为主要的农作物种植地，充分利用了山坡上的土地资源。近几年来，随着我国经

图1 西北梯田
济的快速发展，平原地区农业生产已实现机械化，大大提高了生产效率，把从事农业生产的人们从繁重的农业劳动中解放出来。作为农业大国，我国玉米生产位居世界第二，年产量亿余吨，占世界总产量的20%。同时，我国也是玉米头号消费国，消费量的90%以上靠国内生产。在玉米生产中，西北玉米种植区约占全国的3.5%，总产量约占3%。而在西北地区，大型农业机械却无法进入梯田进行作业，只能“望而却步”，因此在西北玉米种植区，玉米种植仍然是完全依赖人工去完成，使农民承担着繁重的劳动。
玉米播种机能为玉米种植带来极大的便利，但如今市场上可联合作业的大型玉米播种机因为体积的限制，大多只能适用于平原上的玉米播种。现有的可用于西北梯田作业的轮勺式玉米播种机作业效果差，而播种效果稍好的气吸式播种机，需大型耕种机械带动，结构复杂故障多，像梯田这样小面积的耕地它们也无法进入。要想精确控制播种的距离，使播种均匀、行距稳定、覆土良好、节约种子而且工作效率高，市场上现有的玉米播种机是无法完全同时做到的。根据西北农业种植条件与当今玉米播种机的缺陷，我们设计出了该款新型玉米播种机，来弥补市场上现有播种机的缺陷。
1.2 国内现状及发展趋势
随着经济的高速发展和人口的快速增长，我国耕地面积急剧减少，尤其在平原地带，但农业仍然是我国第一产业，据统计，2012年中国的玉米播种面积约5亿亩，为世界第二玉米生产大国。而在生产日益机械化的今天，播种机在农业生产中必不可少，使用播种机进行农作物的生产，可以很大程度的提高生产效率，减少农民的工作量。
近几年，我国的联合作业播种机发展较快，该播种机主要有播种---施肥联合作业机、耕作---播种联合作业机、松土---施肥---覆膜---穴播联合作业机和施水---播种联合作业机等，目前又发展了铺膜播种联合作业。联合播种机的作业场景如图2所示。

图 2 联合播种机作业场景
联合播种机的作业可以极大的解决平原地区的种植作业问题，但是却不能适用于面积狭小的西北梯田，而随着西部大开发的进行，地理环境并不好的西北地区也逐渐进入人们的视野。据统计，西北地区的玉米种植面积占全国玉米总种植面积的3.5%，产量占全国的3%。然而，受到地理环境的限制，大型的联合播种机并不能被用于土地面积狭小的西北梯田。因此，虽然占全国总产量3%，西北的玉米种植仍以传统的手工作业方式为主，这种作业方式劳动强度大，作业速度慢，效率低，极大的限制了广大西北地区的农业发展。西北地区地形如图3所示。

图3 西北地区地形
市场上现有的适合较小面积作业的播种机多以轮勺式和气吸式为主，然而，轮勺式存在太多的作业故障，作业效率低且效果差。气吸式虽然作业效果好，但是结构复杂，故障多，操作难度高，而且需要大驱动力带动，因此对于以小面积梯田为主且山路崎岖的西北地区，市场上现有的播种机远远不能满足西北复杂地势农业发展，实现农业机械化的需要。
对比现今市场中已有的播种机，该玉米播种机因其体型小、质量轻，更容易在西北地区的崎岖山路上行走，播种机自身安装的小型汽油发动机也能解决以大型动力装置驱动的播种机无法进入梯田的问题，而且每次三行作业也能很大程度地提高作业效率。因此，对比现今市场上的玉米播种机，这款播种机更能满足西北复杂地势农业发展、实现农业机械化的需要。
1.3 设计思路
玉米作为我国主要粮食作物之一，每年种植面积高达5亿多亩，其中梯田面积占全国种植总面积的17%，然而由于地理位置的限制，大型播种机无法进入梯田进行作业。因此，在西北地区仍以人工种植为主。为了改变西北地区种植效率低，劳动强度大的现状，我们设计研究了这款小型滚筒式玉米播种机。
该玉米播种机主要用于西北梯田玉米播种作业。由于是在山坡中开垦的一块块可耕种的土地，梯田面积狭小且交通不便，因此，该播种机应体型小，质量轻，便于携带；播种机的播种效果应该符合玉米的特性：间隔种植和合适的播种深度。
1.3.1 体积小，质量轻，便于携带
为了使该播种机实现体积小，质量轻，便于携带，该播种机设计长70cm,宽100cm,高90cm，简约的结构设计减少了材料的使用，也减轻了机身自重，达到质量轻的目的。
1.3.2间隔种植及种植深度
为了实现间隔种植并保证合适的种植深度，我们设计了滚筒式播种机构，该机构主要由可旋转的下种机构及均匀固定在下种机构上面的下种装置构成，播种机工作时，下种机构旋转作业，下种装置深入地下播种，实现了播种列距12cm，行距20cm，深度7cm，且每次播种3行。
1.3.3下种数量
玉米每次下两粒最好，既有效避免缺苗现象，又避免了种子的浪费。为了控制播种机工作时每次总下的数量，我们设计用均匀的开有4个凹槽的送料圆盘旋转送料，限制种子数量，确保每次种入的种子。
1.3.4 动力设计
由于大型动力设备无法进入梯田，我们在该玉米播种机上装配小型汽油机提供动力。并且为了适应西北崎岖的山路，我们设计了可折叠后轮，播种机工作时可将后轮折叠，对播种机作业效果无任何影响，播种机移动时，后轮可恢复到非折叠状态，方便播种机移动。
2 项目简介
2.1 小型滚筒式玉米播种机的结构
为了实现设计的功能，我们将播种机设计为由机架、进料机构、送料圆盘、空心圆管、下种机构、前后轮、动力系统七部分构成。由机架构成播种机的框架，连接各个部分。通过进料机构保证种子的存放量和供给效果。通过进料圆盘和下种机构控制下种数量，保证精确播种。送料圆盘和空心圆管连接播种机上部和下端，保证种子被运送到下种机构。前后轮的设计使播种机轻松移动。动力系统为玉米播种机工作提供动力。
2.2 小型滚筒式玉米播种机的主要特点
（1）体型小，便于携带。该玉米播种机通过对外形及结构的设计和取材及动力系统的选择，实现体型小、质量轻，且设计可折叠后轮，很容易将其携带至工作环境。既能灵便地工作于狭窄梯田或“房前院后”等小工作场地，又减少了耗能。
（2）可等间距精确播种。通过独特的转盘设计，在转盘内开以等间距凹槽，仅内盘与装种箱种子接触。通过内盘转动，凹槽每次携带两粒玉米种子至下端。下种机构设计4个等间距下精确播种。
（3）扭簧设计自动盖土。通过对下种装置，相邻两个下种装置接触地面时间间隔相等，从而实现等间距种管和盖土片间用扭簧控制，在盖土片接触地面时，受机身自重挤压，打开下种装置，进行播种。播种后，压力消失，扭簧作用，使盖土片后受力作用后移，掩盖玉米种子。
（4）仅前行时播种。通过设计齿轮连接后轴和转盘所在轴。齿轮单向转动，从而实现播种机前行时带动转盘转动，进行播种，后退时齿轮空转，送料圆盘停止转动，播种停止，减少了种子资源的浪费。
（5）故障少。通过纯机械设计，结构简单，很大程度地减少了因结构复杂带来的故障。保证该玉米播种机既能灵便高效播种的同时，又减少了“后顾之忧”。
2.3 小型滚筒式玉米播种机的创新点
（1）独特的下种机构。使用四棱柱形下种装置，保证了播种时下种深度；创新性的扭簧和盖土片设计，一次完成刨土、下种、盖土三个作业过程。
（2）精密的播种机构。利用转盘控制玉米下种数目并通过转盘内盘等距凹槽和控制下种箱同速转动来进行等间距种植，大大减少缺苗现象。
（3）巧妙的传动装置。通过齿轮和链条连接，下种箱所在轴承和转盘所在轴承的设计可使播种机在前行时播种，后退或转弯时齿轮空转停止播种。
（4）简约灵巧的机身。产品结构简单，减少了因结构复杂造成的使用故障。并且体积小，质量轻，即避免了使用后的土地硬化，也更方便人们携带。
3 产品设计与功能实现
该播种机由机架、进料机构、送料圆轮、空心圆管、下种机构、前后轮、动力系统七部分组成。机架主要起固定和支撑其他组成部分的作用；进料机构主要是在播种机工作时暂时存放并供给播种机种子；送料圆轮则是在播种机工作时将进料机构中的种子以每次两粒的供给数量和一定的时间间隔送进空心圆管；空心圆管主要起到将被送入其中的种子顺利的送进下种机构的作用；下种机构将进入其中的种子以一定的行距、列距、深度种入地下并用土掩埋。
3.1进料机构
为了保证播种机在工作时种子的存放量和供给效果，我们将播种机的进料机构上部分设计为长方形，下部分为横截面呈梯形的四棱柱。播种机工作时，将种子装入进料机构，长方形的上部分保证了存放数量，而有斜面的下部分则保证了种子的供给效果，并且在种子存放数量不足时依然能继续供给，从而大大的提高了种子的利用率并减少了缺苗现象。
3.2送料圆轮
为了保证每次种入地里种子的数量只有两粒，我们首次提出了采用开有小槽的旋转圆轮送料的方法。我们在一个圆轮上均匀的做出四个大小只能放下两粒玉米的小槽，当播种机工作时，存放在进料机构中的玉米会进到小槽中，然后随着圆轮的旋转被送进空心圆管，由于小槽是均匀的分布在圆轮上的，所以随着圆轮的旋转，玉米会在相同的时间间隔下被送入空心圆管。送料圆轮如图4所示。

图4 送料圆轮
3.3空心圆管
空心圆管的上端连接着内含送料圆轮的和送料圆轮同轴固定的圆形壳的底部，下端连着下种机构。进入空心圆管的种子会在自身重力的作用下沿着圆管下落并最终被送到下种机构。空心圆管结构如图5所示。

图5 空心圆管的连接
3.4下种机构
下种机构由大圆桶、轴承、开有倒角且桶壁上开有和空心圆管外径同样大小圆孔的小圆桶、安装有弹簧的可张开和闭合并且在斜面上做有盖土片的四棱柱形下种装置组成。下种结构实物如图6所示，设计图如图7所示。

图6下种机构 图7 下种机构设计
其中，大圆桶的桶壁上均匀开有和四棱柱形下种装置底面同样形状和大小的孔，四个四棱柱形下种装置被均匀的固定在大圆桶桶壁的孔上。轴承外径和大圆桶内径一样大并被固定在大圆桶靠近四棱柱形下种装置的一侧，大圆桶的另一侧用和圆桶直径一样大小的圆形铁板封闭。内侧小圆桶外径和所述轴承的内径一样大并被固定在轴承上，该圆桶的另一边装有和它内径一样大的轴承。结构如图8所示。

图 8 下种机构
进入空心圆管的种子会落在开有倒角的圆桶里面的倒角壁上，由于种子下落时具有一定速度，所以会在惯性和碰撞的作用下沿着倒角壁滚落到装有四棱柱形下种装置的圆桶的里面。而且播种机在工作时装有四棱柱形下种装置的圆桶是不停的转动的，而玉米种子一直处于圆桶内壁的最低处，所以随着圆桶的转动，玉米会由圆桶上开的槽进入四棱柱形下种装置，随着播种机的前进，该下种装置会在播种机重力的作用下被压进土里，下种装置上的盖土片会接触到地面，由于受地面和自重挤压，盖土片会打开已深入地下的可张开和闭合的下种装置，从而使种子从下种装置种入地下。随着播种机继续前行，播种装置上的盖土片后的土壤受到盖土片的作用后移将种子遮盖。
3.5前后轮
为了方便该播种机的移动，我们在播种机下种机构的两侧安装了可折叠的轮子。当播种机进行播种作业时，可以将后轮折叠起来，不会对播种机的作业效果产生任何影响。当作业完成时，可以将轮子恢复原状，保证了播种机在非工作状态下移动的便捷。前轮使用充气轮胎，两个轮胎之间用轴固定连接在一起，轴上固定有链轮。当链轮转动时，转动的轴将带动前轮。后轮折叠前后的效果分别如图9、图10所示。

图9 后轮折叠前 图10 后轮折叠后
3.6动力系统
我们使用二冲程40-5小型汽油机发动机为播种机的前轮提供动力。该发动机型号为1E44-5，排量为49.9cc，发动机功率1.65kw，转速6500～7000r/min，发动机型式为风冷二冲件，采用膜片式，燃油配比25:1。发动机上装有离合器和变速箱，当播种机工作时，可以通过变速箱调节播种机的作业速度，并且通过离合器可以随时停止播种机的工作，实现了在不同的环境下使用不同的速度作业，可以保证播种效果良好，发动机如图11所示。

图11 二冲程40-5小型汽油机

4 试验过程及结果分析
4.1 实验过程
试验过程中，我们遇到的问题及相应的解决方法。
(1)下种槽的改进:试验过程中，我们发现滚筒上的下种槽插入土壤中的深度不足。理想下种深度约为5厘米到7厘米，由于下种槽长度不足，导致下种深度只有2厘米到4厘米。我们对其做出改进，加长了下种槽长度，从而达到理想种植深度满足5厘米到7厘米的要求。
(2)盖土装置的改进：试验过程中，我们发现种下的玉米有的不能完全被土掩盖，种子裸露在外的现象很严重。通过对盖土装置的仔细观察，发现存在两个问题：一是扭簧的拉力不够大；二是盖土片的长度不够长。为了解决这两个问题，我们换了一个粗径的扭簧，并且对盖土片进行加长，从而完美的解决盖土问题。
(3)送料圆盘的改进：试验过程中，我们将下种点刨开以后，观察下种的数量与质量，预期效果是每个下种点两粒种子，但是只有一粒种子的下种点较多。经仔细研究发现，进料斗底部的送料圆盘上的进种槽太小。我们对其进行加宽加大，从而达到理想种植效果。
(4)后轮的改装：试验过程中，该玉米播种机在不工作状态下，推动播种机时发现两个问题，一是后轮无法完成转向；二是播种机在不平坦路上行驶时容易碰到滚筒上的下种槽，影响正常行驶。我们对后轮做出改装，把原先的后轮换成能够转向的轮子并加长了轮上竖直轴的长度。这样就使得播种机能够正常的转向和行驶。
4.2 实验结果分析
试验过程我们主要关注以下四个指标：
第一点，种子下落情况：包括下种的行间距和每个下种点的下种数量。试验证明播种机前进速度并不影响种植玉米的行间距。通过对已下种点进行检查，发现90%左右的下种点播种结果为2粒，符合预期要求。
第二点，播种深度及盖土情况。通过试验过程中对播种机下种装置插入地下深度及已种下玉米深度的测量，得出下种深度约为5厘米到7厘米，盖土效果良好。试验证明盖土片受力弹起土壤足够为已种下种子盖土。
第三点，操作是否费力。实验过程中，土质符合播种要求，操作起来比较轻松。在小型动力驱动下，使用者只需手握播种机扶手，掌控方向，播种机就能前进并且正常工作。在很大程度上减轻了劳动强度。
第四点，操作是否简单，容易。实验证明，使用只需掌控方向，无需学习，便可使用。
实验结果证明了该玉米播种机达到了预期要求。
参考文献
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