小型多功能種子篩選裝置的研制

張 建，孫付春, 侯天鳳，甘露萍 ,孫豐云

(1.成都大學(xué) a.機(jī)械工程學(xué)院，b.師范學(xué)院，成都 610106；2.成都農(nóng)業(yè)科技職業(yè)學(xué)院，成都 611130)

0 引言

種子是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)不可或缺的必需物質(zhì)，世界上約有90%食用作物是用種子播種進(jìn)行栽培的[1]。種子質(zhì)量的優(yōu)劣是影響作物產(chǎn)量的內(nèi)在要素，是各項(xiàng)技術(shù)措施，特別是種子篩選的核心載體和關(guān)鍵。當(dāng)前主要應(yīng)用于種子篩選的方法有兩種：一是水選法。該方法利用密度不同的特性，對(duì)種子進(jìn)行篩選；但對(duì)于種子中存在的一些密度與完好種子無(wú)異，卻經(jīng)受物理性損傷而致其破碎的種子，水選法則無(wú)法選除。另一種方法是機(jī)選法。該方法是將種子放入旋轉(zhuǎn)的篩網(wǎng)中，利用篩網(wǎng)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力，將碎種子及被篩網(wǎng)擠壓后的空秕粒從篩網(wǎng)中甩出，以達(dá)到對(duì)種子進(jìn)行篩選的目的。但是，機(jī)械篩選法在對(duì)種子造成一定的損傷的同時(shí)還容易出現(xiàn)種子的純度、凈度低等問(wèn)題。由此可知，無(wú)論是水選法還是機(jī)選法都無(wú)法實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的種子篩選，都會(huì)給農(nóng)業(yè)的增產(chǎn)、豐收帶來(lái)不利的影響。因此，為解決單一的水選或機(jī)選都無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)種子的高質(zhì)量篩選這一現(xiàn)狀，通常采用先機(jī)選后水選或者先水選后機(jī)選的方法予以解決；但目前水選法、機(jī)選法需要分別通過(guò)不同的裝置完成，比較麻煩。為此，本研究以簡(jiǎn)單、實(shí)用、好用為目的，旨在研制出一款集水選、機(jī)選于一體的多功能種子篩選機(jī)。

1 總體結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 總體結(jié)構(gòu)

為解決現(xiàn)有種子篩選裝置鮮有能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)多種作物種子進(jìn)行篩選的現(xiàn)狀，結(jié)合當(dāng)前國(guó)內(nèi)外種子篩選裝置所存的問(wèn)題，對(duì)種子篩選裝置的工作原理和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行了深入分析[2-6]。著眼于體積和結(jié)構(gòu)對(duì)振動(dòng)式和離心式機(jī)械篩選裝置進(jìn)行綜合考究，從本設(shè)計(jì)追求小型的原則出發(fā)，選擇采用離心式的機(jī)械篩選方式。通過(guò)對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)機(jī)構(gòu)的對(duì)比研究，本設(shè)計(jì)從結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的角度出發(fā)摒棄了經(jīng)典的電機(jī)通過(guò)傳動(dòng)裝置帶動(dòng)篩選桶方式，設(shè)計(jì)為電機(jī)帶動(dòng)外桶的方式。該方式不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，還可以在一定程度上減輕篩選對(duì)種子造成的損傷。為適應(yīng)不同作物種子形狀、大小不同對(duì)篩選的要求，在力求簡(jiǎn)單可靠的基礎(chǔ)上，將篩選桶設(shè)計(jì)為方便拆卸、更換的結(jié)構(gòu)形式。進(jìn)一步設(shè)計(jì)出了一款結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、實(shí)用、好用的小型多功能種子篩選裝置，該裝置集水選、機(jī)選于一體，通過(guò)更換篩選孔不同的篩選桶可以實(shí)現(xiàn)對(duì)多種作物種子的高質(zhì)量篩選。該裝置主要包括動(dòng)力部分和篩選部分，動(dòng)力部通過(guò)帶傳動(dòng)與篩選部連接在一起，如圖1所示[7]。動(dòng)力部分篩選部分由變頻調(diào)速電機(jī)提供動(dòng)力，變頻電機(jī)通過(guò)帶輪與帶傳動(dòng)連接在一起。篩選部由外桶和篩選桶組成，內(nèi)外桶間可拆通過(guò)鍵連接在一起，外桶上設(shè)置有進(jìn)水口和上、下排水口以及限位環(huán)。篩選桶上設(shè)置有鍵、側(cè)翼板、底翼板和篩選孔。

1.變頻調(diào)速電機(jī) 2.帶傳動(dòng) 3.下排水口 4.篩選桶底部翼板 5.限位環(huán) 6.上排水口 7.水閥 8.篩選桶 9.進(jìn)水口 10.外桶 11.鍵 12.篩選桶側(cè)面翼板 13.篩選孔

1.2 工作原理

小型多功能種子篩選裝置的工作原理：使用前，將所需篩選的種子放入內(nèi)盛料桶內(nèi)，并通過(guò)預(yù)先設(shè)置在內(nèi)盛料桶方的進(jìn)水口向內(nèi)盛料桶內(nèi)加入水或者其他液體，直至水或者其他液體的液面超過(guò)外緣的上端面，等待一段時(shí)間后，打開(kāi)上排水口水閥將漂浮起的空秕粒排出，即完成水選法的過(guò)程。然后，將下出水口水閥打開(kāi)，將外桶以及內(nèi)盛料桶內(nèi)的水或者其他液體排空；開(kāi)啟電機(jī)通過(guò)同步帶帶動(dòng)外桶轉(zhuǎn)動(dòng)，內(nèi)盛料桶隨外桶轉(zhuǎn)動(dòng)一段時(shí)間后，即完成機(jī)械篩選法的過(guò)程。

由此可以看出：本小型多功能種子篩選裝置，可以方便地通過(guò)一個(gè)裝置實(shí)現(xiàn)水選法及機(jī)械篩選法對(duì)種子的篩選；當(dāng)然，也可以根據(jù)需要通過(guò)該裝置單獨(dú)地實(shí)現(xiàn)水選法或者機(jī)械篩選法對(duì)種子的篩選。

2 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 電機(jī)的選擇

電機(jī)為種子機(jī)械式篩選時(shí)提供動(dòng)力，是整個(gè)種子篩選裝置的核心部件，種子的篩選要實(shí)現(xiàn)機(jī)選和水選兩種。種子進(jìn)行機(jī)械式篩選時(shí)，依靠電機(jī)帶動(dòng)外桶進(jìn)而帶動(dòng)篩選桶旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力對(duì)種子進(jìn)行篩選，如果滾筒的轉(zhuǎn)速不變化，則達(dá)不到理想的篩選效果，不同種子對(duì)篩選桶的轉(zhuǎn)速要求也不一樣；水選時(shí)，電機(jī)的旋轉(zhuǎn)有助于不飽滿種子的上浮，轉(zhuǎn)速的不同種子上浮的速度也有所區(qū)別。因此，為滿足此裝置實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的需要，本研究設(shè)計(jì)選擇變頻調(diào)速電機(jī)[8]，型號(hào)為YVP801-4，0.55kW，額定轉(zhuǎn)速為1 420r/min；電機(jī)在5～50Hz運(yùn)行時(shí)輸出恒轉(zhuǎn)矩，在50～100Hz運(yùn)行時(shí)輸出恒功率。則該電機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍為

式中n—轉(zhuǎn)速(r/min)；

f—頻率(Hz)；

s—轉(zhuǎn)差率(%)；

p—級(jí)對(duì)數(shù)。

由數(shù)據(jù)可得，當(dāng)f=5Hz時(shí)，n=142r/min；f=100Hz時(shí)，n=2 840r/min。故該電機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍為142～2 840r/min。

2.2 帶傳動(dòng)的選擇

帶傳動(dòng)的作用是把電機(jī)輸出的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力傳遞給外桶進(jìn)而帶動(dòng)篩選桶，為適應(yīng)本設(shè)計(jì)調(diào)速和適應(yīng)不同作物種子的需求，本設(shè)計(jì)選用B型V帶傳動(dòng)。V帶傳動(dòng)過(guò)載時(shí)將引起帶在帶輪上打滑，可起到保護(hù)整機(jī)的作用[9]，能夠滿足本設(shè)計(jì)的需要。通過(guò)理論計(jì)算，選取電機(jī)皮帶輪基準(zhǔn)直徑D1=200mm，V帶輪的傳動(dòng)比i=3，則篩選部大帶輪的基準(zhǔn)直徑為

D2=i·D1=600mm

取V帶傳遞功率為0.55kW，工況系數(shù)為KA=1.1，則設(shè)計(jì)功率Pd為

Pd=KA·P=0.61KW

根據(jù)轉(zhuǎn)速n=142r/min，D1=200mm，查表[9]得：?jiǎn)胃鵙帶額定功率P1=0.66kW，單根V帶額定功率增量ΔP1=0.04kW，小帶輪包角修正系數(shù)KA=0.96，帶長(zhǎng)修正系數(shù)KL=1.07，則V帶的根數(shù)為

則實(shí)際取V帶數(shù)為1根。

2.3 篩選部帶輪軸的設(shè)計(jì)

篩選部帶輪軸的作用主要是：將電機(jī)的運(yùn)動(dòng)傳遞給外桶以帶動(dòng)篩選桶轉(zhuǎn)動(dòng)，從而完成種子篩選過(guò)程。本設(shè)計(jì)帶輪軸采用兩端軸頭，方便連接外桶和帶輪，料選用45鋼并進(jìn)行調(diào)質(zhì)。根據(jù)扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度確定其最小直徑為

取A0=110，n1為

考慮到本設(shè)備的不均恒受載情況，取dmin=50mm。

2.4 外桶的設(shè)計(jì)

外桶的主要作用是：在水選時(shí)，盛裝溶液，保證篩選順利進(jìn)行；機(jī)選時(shí)密封篩選區(qū)域，避免選除的種子四處撒落，有益于保護(hù)環(huán)境。在設(shè)計(jì)外桶時(shí)主要著眼于功能和安全兩個(gè)方面進(jìn)行考慮，首先保證外桶最基本的功能，即盛裝溶液和防護(hù)。在盛裝溶液方面，主要考慮溶液的進(jìn)出，設(shè)計(jì)了一個(gè)進(jìn)水口，考慮加水的方便性，該進(jìn)水口外露可直接通過(guò)管道與水龍頭相連接；考慮到設(shè)計(jì)本身對(duì)機(jī)選和水選的需要，分別設(shè)置了上、下兩個(gè)排水口。在安全方面，主要考慮接觸高速旋轉(zhuǎn)桶所帶來(lái)的傷害，故設(shè)計(jì)為只要外桶蓋打開(kāi)則自動(dòng)斷電。為使本設(shè)計(jì)能夠適用于不同作物的種子，外桶和篩選桶之間應(yīng)為可更換且更換方便的設(shè)計(jì)，結(jié)合篩選桶本身做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，在上下運(yùn)動(dòng)方面沒(méi)有固定要求，本設(shè)計(jì)采用鍵連接的方式，在外桶上設(shè)置可拆連的限位環(huán)，環(huán)上設(shè)置鍵槽，篩選桶上設(shè)置鍵[9]。為加工與定位方便，保證篩選裝置的可靠性，鍵槽數(shù)量設(shè)置為3個(gè)。此外為驗(yàn)證設(shè)計(jì)的可靠性，對(duì)外桶進(jìn)行了三維建模，如圖2所示。

圖2 外桶

2.5 篩選桶的設(shè)計(jì)

篩選桶的主要作用是:盛裝種子，機(jī)選時(shí)在電機(jī)的帶動(dòng)下選除去受物理性損壞破碎的種子和不飽滿的種子，水選時(shí)在電機(jī)的帶動(dòng)下旋轉(zhuǎn)可加速不飽滿種子的上浮。進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，主要考慮其功能和使用的便捷性，適應(yīng)對(duì)不同作物種子篩選的需求，保證篩選效果，篩選桶上的篩選孔大小應(yīng)根據(jù)不同作物種子的不同形狀、大小特點(diǎn)設(shè)置，并且便于更換。為此，從篩選裝置運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)出發(fā)，以更換便捷的目的，以連接可靠為原則，內(nèi)外桶間設(shè)計(jì)為鍵連接，即篩選桶與外桶對(duì)應(yīng)地設(shè)置3個(gè)鍵，鍵呈錐形，上大下小，便于利用重力的特性使連接更為可靠。為使篩選效果更好，在篩選桶側(cè)壁和底部設(shè)置翼板，以便于在篩選過(guò)程中產(chǎn)生漩渦，增強(qiáng)種子的篩選效果。最后，為了便于更換，篩選桶上還設(shè)置有提手(圖中為未畫(huà)出)。為驗(yàn)證設(shè)計(jì)的可靠性，對(duì)篩選桶進(jìn)行了三維建模，如圖3所示。

圖3 篩選桶

2.6 篩選裝置總結(jié)設(shè)計(jì)

綜合以上對(duì)本小型多功能種子篩選裝置各主要部件的設(shè)計(jì)，運(yùn)用三維軟件建模如圖4所示。

3 性能試驗(yàn)

試驗(yàn)選用原料為大豆，大豆中含有較多的作物莖稈、破碎種子和空秕粒，對(duì)其進(jìn)行單獨(dú)水選、機(jī)選，以先水選后機(jī)選和先機(jī)選后水選。

試驗(yàn)結(jié)果表明：?jiǎn)为?dú)進(jìn)行水選時(shí)，篩選完成后，破碎種子殘留明顯；單獨(dú)進(jìn)行機(jī)選時(shí)，莖稈、空秕粒殘留顯著；先水選后機(jī)選及機(jī)選后水選，莖稈、空秕粒、碎種子都無(wú)可見(jiàn)殘留，但前者大豆損傷情況較重。綜上所述，先進(jìn)行機(jī)選后進(jìn)行水選的篩選方式，能獲得較高質(zhì)量的種子。試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

圖4 小型多功能種子篩選裝置

方法莖稈空秕粒碎種子損傷情況水選☆☆★★★☆機(jī)選★★★☆★★先水選后機(jī)選☆☆☆★先機(jī)選后水選☆☆☆☆

殘留/損傷情況：☆ 幾乎沒(méi)有，★ 輕微， ★★ 中度，★★★ 嚴(yán)重。

4 結(jié)論

該小型多功能種子篩選裝置，操作便捷，通過(guò)更換篩選桶，合理選擇配套動(dòng)力轉(zhuǎn)速，即可完成不同作物種子的水選、機(jī)選及水機(jī)混合篩選。該裝置體積小、機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便，能夠有效地提升種子的篩選質(zhì)量，適合與精量播種機(jī)等機(jī)械配套使用，可有效助力農(nóng)作物的優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)。