直播机除草剂喷洒装置的研究与设计

直播机除草剂喷洒装置的研究与设计

作者：吴斌方 陆斌

来源：《新教育时代·学生版》2019年第03期

摘 要：为了达到农忙时期的省力化，本文设计了一种可以将插秧和固体除草剂药品播撒同时进行的直播机除草剂喷洒装置。先分析了该装置的技术要求，确定了系统的功能结构，设计了一种可行性高的机械整体系统方案。然后利用计算机辅助技术，自上而下地设计了除草剂喷洒装置的各部分机械结构。经三维建模与仿真，该装置机械结构可靠性高，满足其设计要求，能够实现高精度高效率的进行药品播撒。 关键词：直播机 除草剂 精量喷洒 引言

在我国，粮食问题依旧是一个严峻的问题。如何提高大米的产量，对解决我国粮食问题有十分重要的作用。近年来，水稻免耕直播耕作发展迅速。它不仅节省时间、节省劳动力、节约能源、环保和易于管理，但水稻直播也存在一些问题，因稻种前期生长需要，直稻稻田的生长环境同样很适合杂草的生长，从而影响作物的生长发育。在处理杂草问题时，通常采用的方法是喷洒除草剂，且大部分的喷洒除草剂是在水稻进行插秧操作之后。当前大部分农民之所以选择用除草剂来除稻田的杂草，是因为它可以减少农民的体力劳动，同时也可以提高水稻的产量

[1]

。

目前国内外直播机的喷洒装置主要为液体喷洒，将液体进行雾化，但是在插秧时，如果为液体的除草剂，会被水进一步稀释，所以固体除草剂在保持时效上有一定的优势;同时，国内的直播机除草剂喷洒装置系统稳定性差，所以有必要对直播机除草剂喷洒装置进行一定的研究。

针对实现除草剂的精量喷洒，胡亚玲介绍了一种由实时机器视觉识别系统和自动喷洒装置组成的喷洒系统[2]。林来福与廖庆喜介绍2BFQ-6型油菜精量联合直播机变量播种机构，通过改变输入轴转速来实现变量播种[3];针对类球形蔬菜种子王磊设计一种内充种气力式的精量播种机，能实现不同品种蔬菜种子的精量播种[4]。

国内的学者在如何实现精量播种以及实现除草剂剂量的精量喷洒问题上投入了一定的研究，但是如何根据不同的插植密度配以不同的播撒速度还需要进行完善。

本文通过分析我国直播机除草剂的精量喷洒装置的现状以及借鉴其现有的研究成果，对除草剂播撒装置进行深入研究，采用Solidworks等计算机软件，运用相关的机械设计与机械传动理论，设计了一种新型的、方便拆卸、便于保养的高精度的播撒装置，其结构包括草剂存储装置、送料装置、播撒装置。

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一、喷洒装置的机械结构设计

喷洒装置的机械结构分为以下部分：除草剂输入及存储装置（即料斗结构）、除草剂剂量精量控制部分、步进电机传动部分、除草剂颗粒破碎结构以及支撑与连接整个各个部分的支撑箱体结构部分。

1.除草剂输入及存储部分机构设计

根据上述方案，除草剂输入部分采用重力输入，存储部分采取漏斗类似的机构。由于该除草剂喷洒装置位于直播机上，工作条件为水田中，为了方便水稻种植者能够减少除草剂输入的次数，选择用大容量的料斗，方便进行高效作业。为了防止除草剂由于直播机的震动而外漏，应该保证除草剂存储装置需要有密封盖。与此同时，除草剂的颗粒为固体颗粒，除草剂中难免会夹杂一些比除草剂大的颗粒物，为了让除草剂在重力的作用下，下落均匀，可以在料斗底端设置一个过滤网。

经结构设计后，除草剂输入与存储部分分为以下一个部分：料斗盖、料斗、过滤网、漏斗、漏斗开合部分。

直播机采用大容量的料斗，可以进行高效作业。料斗采用按钮式拆卸，排除残留药品或保养都可以简单进行。在料斗进行拆卸过程中，如果料斗和漏斗这一整体从除草剂喷洒装置上拆除的话，除草剂会直接从漏斗底部泄露，故需设计一个结构来防止泄露。即，当料斗和漏斗整体拆除后，漏斗底部开合装置应处于闭合状态;当料斗和漏斗整体装上时，漏斗底部开合装置应处于打开状态。

新设计的结构采用机械结构，在该装置中使用直臂扭转弹簧。它多用于控制机械零件的运动、缓冲吸震。

在此装置中，有两个扭转弹簧，它们分别位于支撑架零件的轴两侧。支撑架由支架轴、舌头和销轴三部分组成。舌头需要能够自由转动，有一个转动副。

舌头的一段位于与漏斗配套的漏斗移动件的槽子中。支架轴固定在漏斗上，舌头位于槽子中，当支撑架部分绕支架轴旋转时，舌头会随之转动，但是舌头的移动并非只限移动，避免造成实际约束，故还需要在漏斗处加上一个漏斗移动件，漏斗移动件与漏斗之间用圆柱螺旋弹簧连接，从而来自动调节漏斗移动件所处的位置。

在料斗和漏斗整体装上喷洒装置时，支撑架的一部分由于受到箱体中所示结构的挤压，漏斗底部会打开;当料斗和漏斗整体喷洒装置拆除时，支撑架由于扭转弹簧恢复其变形，导致漏斗底部闭合。

2.除草剂剂量精量控制部分

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除草剂的精量控制部分的作用是控制除草剂的剂量，根据不同的作业要求及除草剂的种类，调节除草剂的喷洒量，即控制除草剂单位时间通过漏斗的速率。除草剂剂量精量控制部分采用电控的方式，用电机控制凝气阀往复摆动的速度即可调节除草剂喷洒的剂量。

步进电机通过齿轮将运动传递至齿轮轴，齿轮轴再将摆动传递通过轴栓传递给凝气阀，凝气阀往复摆动即可调节除草剂进入料孔的速度。

凝气阀为除草剂剂量精量调节的核心零件。其材料采用工程塑料，为了加强其结构强度，设计了多根加强筋。凝气阀上有两个ɸ12的圆孔，除草剂通过这两个圆孔进入除草剂颗粒破碎区。在设计凝气阀时，需要考虑避免其它领零件的干涉，比如螺钉。

凝气阀为塑料件，箱体也为塑料件，凝气阀在工作时高速往复转动，而且为了减小凝气阀和箱体之间的摩擦力，在箱体与凝气阀之间设计了一个金属的垫片，能延长凝气阀和箱体的使用寿命。金属垫片与箱体的连接用螺钉连接。 3.步进电机传动部分

步进电机传动部分的作用是将步进电机产生的往复转动传递到与齿轮轴。由上可知，雷塞科技的42HS05A步进电机的保持转矩为0.45N.m经实验可知，齿轮轴所需的转矩为5N.m。上述步进电机传动方案选择齿轮传动，在该装置中齿轮装置的作用是增矩减速，其传动比为i为 — 齿轮的传动比 、 — 小、大齿轮的转速 、 — 小、大齿轮的分度圆半径 、 — 小、大齿轮的转矩 故选择i为11.25。即i=11.25。

为了使结构紧凑且减少加工费用，齿轮模数m为0.9，z1为16，z2为180。小齿轮直接从市场上已经加工好的，经济实惠，能够减少加工费用;大齿轮不需要全部，只需要局部即可，因为步进电机传出来的运动为往复转动，转动角度不大，为了减小大齿轮所占据的空间，提高结构的紧凑型，保留40个大齿轮的齿。

齿轮轴的结构设计如图所示。步进电机轴直接与小齿轮之间连接的种类为过盈配合，过盈配合结构简单，能够传递较大的扭矩。大齿轮与齿轮轴的配合种类也为过盈配合。该齿轮轴上的旋转件有凝气阀、大齿轮、轴瓦，其中凝气阀与齿轮轴之间的连接为销轴连接。为了减少磨损，凝气阀与箱体之间以及大齿轮与箱体之间有垫片。由于齿轮轴为45，步进电机板同样为

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金属，金属之间直接接触，其摩擦力较大，极易磨损。为了减少提高零件耐用性，采用性能较好的材料代替45与钣金件的步进电机板之间的接触。 4.除草剂破碎部分

直播机除草剂喷洒装置输入的原料为直径为1到2mm左右的颗粒状除草剂，为了充分发挥除草剂的性能，需要将除草剂进行粉碎。 按照总体结构设计，选择机械式方案。

除草剂经过箱体的两个小孔进入破碎装置后，颗粒状除草剂在高速旋转的叶片下被破碎成较小颗粒的除草剂。这一结构简单，可行性高。为了减少加工难度，旋转叶片分为叶片1与叶片2，这两个叶片通过螺钉与转子连接，转子与转轴之间的连接为过盈配合。

破碎装置需要有良好的密封。其中一个隔离部分就是用反射板将箱体内部与箱体外部隔离开来。另外一个隔离部分就是转轴支撑部分。转轴支撑部分的中部钣金围绕转轴，防止叶片破碎后的固体除草剂进入箱体内部。转轴需要处于正确位置，也就是说，转轴组合件需要装置支撑。为了减小其整个装置的质量，选择支撑结构的零件均为钣金件。 结语

本文主要设计了一个位于直播机上的除草剂喷洒装置，对于系统的整体方案设计来说，本文先对该装置进行了需求分析，对整个机械系统整体方案进行设计，然后对直播机的除草剂喷洒装置的各部分进行结构设计，对于本设计而言，其机械系统整体来说比较稳定，结构相对紧凑，零件简单，便于加工，其方案具有较高的可行性，且经济实惠，控制操作简单，后期维修保养来说比较省心，基本达到了设计目的与要求。

[1]许恩龙，夏孝勤，施祺琪等.我国水稻直播机发展现状与研究对策[J].安徽农业科学.2013（21）：9316-9137.

[2]胡亚玲.除草剂精量喷洒系统[J].四川农机.2004，（2）：33.

[3]林来福，廖庆喜.2BFQ-6型油菜精量联合直播机变量播种机构的设计[J].华中农业学报.2011（6）：775-779.

[4]王磊.类球形蔬菜种子精量播种机设计与试验[D].华中农业大学.2015.

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