磁吸滾筒式煙草穴盤播種機的設(shè)計

姬少龍， 朱二麗， 秦偉樺， 何玉靜， 李祥付， 王萬章

(1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，河南 鄭州 450002； 2.江蘇科地現(xiàn)代農(nóng)業(yè)有限公司，河南 鄭州 450000)

煙草穴盤精密播種是煙草工廠化漂浮育苗技術(shù)的一項關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)，漂浮育苗將丸?；療煵莘N子精確地播入裝有基質(zhì)的聚乙烯穴盤中，實行1穴1粒.精密播種機按工作原理不同分為機械式、氣力式、磁力式、電磁振動式等.目前國內(nèi)外使用較多的是機械式和真空氣吸式精密播種技術(shù)[1，2].按設(shè)計樣式不同分為針式、管式、板式和滾筒式播種機.按自動化程度，可分為半自動和全自動播種機.半自動播種機配合機器的運轉(zhuǎn)，還須人工操作，能節(jié)省50%以上的勞動力；全自動播種機按流水線操作，播種效率提高幾十倍甚至幾百倍，播種的深淺，壓實程度，覆料的厚薄一致性較好[3].中國煙草漂浮育苗技術(shù)起步晚，生產(chǎn)規(guī)模小，相關(guān)配套設(shè)備簡單，機械化程度低，這一現(xiàn)狀使中國的煙草育苗效率低下，人力勞動投入較多.目前，從國外引進(jìn)的播種流水線或單一用途的播種設(shè)備，價格非常高，增加了播種育苗成本，加上設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維護(hù)成本高，超出了農(nóng)民的承受能力，很難推廣應(yīng)用[4，5].根據(jù)當(dāng)前國內(nèi)煙草播種育苗裝備技術(shù)的實際情況，本研究設(shè)計了一種投資少、省力、省時的磁吸滾筒式穴盤精密播種機，以期為煙草播種育苗提供技術(shù)支持.

1 磁吸滾筒式播種機的設(shè)計

1.1播種機的結(jié)構(gòu)及工作原理

磁吸滾筒式煙草穴盤播種機的結(jié)構(gòu)如圖1所示.其結(jié)構(gòu)主要由種盒、播種滾筒、刮種板、傳送帶、減速電機、行程開關(guān)、控制箱和鏈傳動裝置等部分組成.種盒放在播種滾筒的左側(cè)，種盒底面與通過磁吸滾筒軸線的水平面成傾角α，滿足煙草丸?；N子自然休止角的要求.磁吸滾筒表面根據(jù)煙草播種穴盤尺寸排列有磁吸點.在煙草種子包衣料中加入一定比例的還原鐵粉，使種子具有磁吸性.減速電機通過鏈條裝置帶動播種滾筒和傳送帶按規(guī)定速比運動.播種時，放置在傳送帶播種位置的穴盤觸動行程開關(guān)，磁吸滾筒順時針旋轉(zhuǎn)，在滾筒磁吸點吸附種子，旋轉(zhuǎn)至刮種板的位置時，脫離滾筒落入種穴內(nèi)完成一個播種過程，磁吸滾筒連續(xù)旋轉(zhuǎn)規(guī)定轉(zhuǎn)數(shù)完成一個穴盤的播種.

1.種盒；2.播種滾筒；3.刮種板；4.穴盤；5.穴盤傳送帶；6,8.鏈傳動裝置；7.減速電機；9.控制箱；10.行程開關(guān)；11.被吸附種子.

1.2磁吸滾筒結(jié)構(gòu)設(shè)計與材質(zhì)選擇

播種滾筒是精密播種機的核心部分，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示.主要由滾筒、導(dǎo)磁釘、調(diào)節(jié)墊片、永磁體、固定底座、壓條與連接螺釘以及滾筒端蓋等幾部分組成.永磁體、調(diào)節(jié)墊片與導(dǎo)磁釘構(gòu)成磁性吸頭，固定底座、壓條和鏈接螺釘將磁性吸頭裝置在播種滾筒的內(nèi)部，導(dǎo)磁釘?shù)哪┒伺c滾筒表面平齊.

播種滾筒的主要參數(shù)包括：滾筒材質(zhì)、滾筒長度、滾筒直徑、滾筒上每排開孔的孔徑、磁吸點間距、導(dǎo)磁釘尺寸、磁感應(yīng)強度等，其中滾筒的長度與磁吸點的間距等參數(shù)的選擇與確定參照穴盤的規(guī)格.目前，國內(nèi)外實際使用的穴盤有多種尺寸規(guī)格.磁吸滾筒播種機是根據(jù)200目的標(biāo)準(zhǔn)穴盤設(shè)計的，穴盤外形尺寸是660 mm×336 mm，單目尺寸是25.5 mm×25.5 mm，穴盤孔中心距是32 mm.播種滾筒的長度在穴盤寬度的基礎(chǔ)上選取，采用了1根長度350 mm，外徑為159 mm的不銹鋼管.綜合考慮播種效率與播種精度的關(guān)系，沿滾筒周向均勻地開有4排小孔，孔間距按照穴盤孔中心距32 mm陣列，每排共10個[6～9].根據(jù)播種滾筒的工作原理可知，播種滾筒上除了磁吸點之外的其他部分不能吸附種子，因此滾筒材質(zhì)選用奧氏體不銹鋼SUS304.

1．滾筒； 2.導(dǎo)磁釘； 3.調(diào)節(jié)墊片； 4.永磁體； 5.固定底座； 6.壓條； 7.連接螺釘.

2 磁吸點磁感應(yīng)強度的確定方案

磁吸點是播種機吸附種子的執(zhí)行部分，其主要任務(wù)是從種盒中吸取種子并攜種到播種區(qū)域.因此，磁吸點磁感應(yīng)強度的大小直接影響到播種機的工作性能.磁吸點的吸力不足或者過大將造成漏播和重播[10，11].為了合理地選擇永磁體的規(guī)格和磁感應(yīng)強度，確定導(dǎo)磁鐵釘?shù)闹睆胶烷L度，需對種子進(jìn)行受力分析和磁吸試驗，為磁吸滾筒的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供理論依據(jù).

2.1丸粒化煙草種子在不同播種位置的受力分析

種子在跟隨播種滾筒運轉(zhuǎn)的過程中，其受力情況也隨之發(fā)生變化.根據(jù)滾筒的外形特性，選擇了種子在3個不同位置進(jìn)行受力分析(圖3).由圖3可知，種子所受的力分別為： 1)重力G，其大小和方向始終不變，只是隨著位置的變化而變化； 2)磁吸力Fm，由于種子被吸附在滾筒外壁上，被吸附種子在運動的整個過程中，種子相對與磁吸頭的位置未發(fā)生變化，因此，受到的磁吸力Fm大小不會變化，方向始終順著導(dǎo)磁釘軸線指向永磁體的磁極面； 3)支撐力N，隨著滾筒的轉(zhuǎn)動，支撐力N的大小和方向不斷發(fā)生變化； 4)離心力FR，由于滾筒為勻速圓周運動，因此離心力的大小始終和向心力大小相等，方向始終背離滾筒旋轉(zhuǎn)中心； 5)滾筒外壁摩擦力Ff，摩擦力的大小隨著支撐力的改變而發(fā)生變化，方向始終背離種子的運動趨勢方向.

G為重力；Fm為磁吸力；N為支撐力；FR為離心力；Ff為滾筒外壁摩擦力.

由圖3可知，當(dāng)磁性種子脫離種盒跟隨滾筒旋轉(zhuǎn)至最高點的過程中，種子的運動方向和重力方向相反，種子重力與磁吸力之間的夾角逐漸減小，作用于滾筒外壁上的壓力將會越來越大.當(dāng)種子到達(dá)最高點時，重力與磁吸力作用方向相同，因此，這個位置是磁性種子整個運動過程中最穩(wěn)定的一個點，種子不易脫落滾筒.磁性種子經(jīng)過最高點后，開始向下運動，重力和磁吸力之間的夾角逐漸增大，夾角等于90 °時，種子將處于最易脫落的位置.因此，當(dāng)種子運動到這個位置時，為了避免磁性種子脫離滾筒，必須滿足Ff=f·N=G.

2.2永磁體和導(dǎo)磁釘?shù)倪x擇

為便于磁吸滾筒的加工，試驗選用直徑為8 mm，高度為2 mm軸向磁化的圓柱形永磁體，表面磁感應(yīng)強度為190 mT.導(dǎo)磁釘材料選用Q195L，用1.3 ，1.5 ，1.8 mm 3種不同直徑導(dǎo)磁釘進(jìn)行試驗.將導(dǎo)磁釘分別與永磁體的N極中心接觸構(gòu)成磁吸頭.3種不同直徑導(dǎo)磁釘釘端磁感應(yīng)強度隨釘長變化情況如圖4所示.釘端磁感應(yīng)強度隨釘長按對數(shù)曲線變化.

圖4 釘端磁感應(yīng)強度與不同直徑導(dǎo)磁釘長度間的關(guān)系

由圖4可知，導(dǎo)磁釘?shù)拈L度和直徑是影響磁性吸頭端面磁感應(yīng)強度的主要因素.改變導(dǎo)磁釘?shù)拈L度和直徑，可以控制磁性吸頭對種子的吸附力.通過煙草樣種粒徑檢測分析，其平均直徑為1.994 mm，主要分布于1.8～2.2 mm之間，為了避免重播，選擇小于種子平均直徑的導(dǎo)磁釘較為合理，確定導(dǎo)磁釘?shù)闹睆綖?.5 mm.按照工作間隙2～3 mm來計算所需磁吸力，綜合考慮磁吸滾筒加工工藝，確定導(dǎo)磁釘長度為13.5 mm.因此，測得導(dǎo)磁釘端面的磁感應(yīng)強度是42 mT.

3 試驗結(jié)果分析

磁吸滾筒式煙草穴盤精密播種機試驗樣機，磁吸點均勻分布于播種滾筒上，每排10個，共4排，滾筒外徑是159 mm，利用刮種板進(jìn)行落種；用WT-3A型數(shù)字式特斯拉計來測量直流磁場強度；試驗用200孔標(biāo)準(zhǔn)穴盤，具有磁性的煙草種子，丸粒化種子的千粒質(zhì)量是8.550 g，平均直徑是1.994 mm.在相同的磁感應(yīng)強度條件下，分別對鐵粉含量為3%，5%，10% 的3種不同樣種進(jìn)行吸附試驗，結(jié)果表明，隨著鐵粉含量的增多，種子的吸附率增高.播種試驗選用鐵粉含量為5%的樣種.

播種滾筒分別按照25，38，50，75，100 r·min-1的不同轉(zhuǎn)速，對鐵粉含量為5%的樣種進(jìn)行連續(xù)播種試驗，每次播2盤，試驗結(jié)果如圖5所示.

由圖5可知，播種滾筒的轉(zhuǎn)速也是影響播種精度的一個關(guān)鍵因素，隨著滾筒轉(zhuǎn)速提高，重播率快速下降；單播率隨著播種滾筒轉(zhuǎn)速提高而增加，漏播率也隨之增高，在試驗速度范圍內(nèi)漏播率增加趨勢低于單播率增加的趨勢.根據(jù)溫室蔬菜穴盤精密播種機技術(shù)條件12，控制漏播率在5%以下，滾筒轉(zhuǎn)速應(yīng)在50 r·min-1.

圖5 滾筒速度對煙草播種精度的影響

4 結(jié)論

1)磁吸滾筒式煙草穴盤播種技術(shù)在煙草種子丸?；に囍刑砑?%的鐵粉，大大簡化了穴盤播種機的結(jié)構(gòu).與滾筒氣吸式播種機相比它省去了負(fù)壓風(fēng)機、管路和氣密部件，避免了因氣路堵塞，種子質(zhì)量問題造成的維修和漏播.更加有利與煙草穴盤精密播種技術(shù)的推廣應(yīng)用，為煙草工程化育苗提供了一種高效率低成本的技術(shù)裝備.

2)磁吸滾筒式煙草穴盤精密播種機性能試驗結(jié)果顯示，煙草丸?；N子中鐵粉含量5%，磁吸頭磁感應(yīng)強度42 mT，在播種滾筒轉(zhuǎn)速為50 r·min-1以下時，漏播率小于5%.能夠滿足煙草穴盤精密播種的要求.此外，可通過改變滾筒表面質(zhì)量和改進(jìn)磁吸頂頭尺寸結(jié)構(gòu)來進(jìn)一步提高播種精度.

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