磁力指尖式精量排種器的設(shè)計(jì)*

董文學(xué) ， 張 濤 ， 邢 珂

（1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010；2.常州機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 常州 213164；3.內(nèi)蒙古機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 015501）

0 引言

播種作業(yè)指的是將農(nóng)作物種子播入土壤的過(guò)程。播種作業(yè)是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的一道重要工序，播種質(zhì)量決定著農(nóng)作物后期管理質(zhì)量以及農(nóng)作物的質(zhì)量與產(chǎn)量。傳統(tǒng)的播種技術(shù)主要是通過(guò)窩眼式播種機(jī)實(shí)現(xiàn)的，由于播種機(jī)無(wú)法很好地對(duì)種子的大小進(jìn)行篩選，且種子之間的形狀尺寸是有差別的，這就很難保證一個(gè)窩眼對(duì)應(yīng)一粒種子，導(dǎo)致窩眼式播種機(jī)的種植效率低。除此之外，窩眼式播種機(jī)的人工成本和機(jī)械成本也較高。傳統(tǒng)的播種技術(shù)已然不能滿足當(dāng)下高效精播的播種需求，因此催生了精量播種技術(shù)的研究[1-2]。精量播種技術(shù)較傳統(tǒng)播種技術(shù)而言，可以節(jié)約種子、降低成本、節(jié)省勞動(dòng)力、節(jié)省工時(shí)，還可提高播種合格率、增加產(chǎn)量，進(jìn)而提高農(nóng)民收入。

黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)周祖良等[3]成功研制出了玉米指夾式排種器，其排種合格率一般不低于90%；山東理工大學(xué)耿端陽(yáng)等[4]針對(duì)現(xiàn)有指夾式排種器存在的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種可伸縮的指夾式精量排種器，該排種器結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單、夾種位置精度高、成本低，且對(duì)高速種子作業(yè)中的種子形狀尺寸大小有著較好的機(jī)械適應(yīng)性能；吉林大學(xué)李洪剛[5]設(shè)計(jì)了一種仿生指夾式排種器，通過(guò)模仿人類(lèi)手指在實(shí)際生活中的優(yōu)越性，設(shè)計(jì)該排種器的相關(guān)部件，很大程度上減少了機(jī)械式排種器在工作過(guò)程中對(duì)種子造成的傷害；內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)林震[6]設(shè)計(jì)了一種磁力指夾式排種器，該排種器利用磁力解決了排種器中彈簧材料性能不穩(wěn)定這一難題；沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)劉艷芬等[7]設(shè)計(jì)了一種帶倒角的周邊式傾斜長(zhǎng)方形型孔的水平圓盤(pán)排種器，其性能指標(biāo)滿足單粒精密播種的農(nóng)藝要求；西北農(nóng)林科技大學(xué)杜榮飛等[8]設(shè)計(jì)了一種聯(lián)動(dòng)補(bǔ)償套輪式玉米精量排種器，采用聯(lián)動(dòng)補(bǔ)償?shù)姆椒ㄌ岣吲欧N器的排種性能。以上學(xué)者研發(fā)的機(jī)械式精量排種器為排種器研究提供了一定理論依據(jù)和參考。

目前，機(jī)械式精量排種器基本上可以滿足我國(guó)的播種要求，但仍然存在一些問(wèn)題[9-14]，比如其在高速作業(yè)時(shí)可靠性降低、重要的運(yùn)動(dòng)部件易磨損、指夾式排種器受種子形狀影響較大以及攜種過(guò)程中存在一定的種子破損率等。為此，課題組設(shè)計(jì)了一種磁力指尖式精量排種器。

1 排種器結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 排種器的整體結(jié)構(gòu)

磁力指尖式精量排種器主要由排種盤(pán)、指尖器、指尖壓盤(pán)、永磁體等結(jié)構(gòu)組成。其中，指尖磁體和永磁體為釹鐵硼永磁鐵；排種盤(pán)分為內(nèi)外兩個(gè)，利用3D打印技術(shù)生產(chǎn)。排種盤(pán)的作用是利用排種盤(pán)上的凹槽固定指尖器，利用外側(cè)的排種盤(pán)型孔與指尖器頭部配合實(shí)現(xiàn)攜種，并且通過(guò)更換外排種盤(pán)就可以可實(shí)現(xiàn)不同農(nóng)作物的播種作業(yè)。排種盤(pán)軸向固定在排種軸上，并且隨著排種軸同步轉(zhuǎn)動(dòng)，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 磁力指尖式精量排種器示意圖

1.2 排種器的工作原理分析

磁力指尖式精量排種器包括入料口、永磁體、指尖壓盤(pán)、指尖器、排種盤(pán)、排種軸、變速箱和殼體，永磁體固定在排種器前側(cè)外殼上，指尖器尾部固定一個(gè)指尖磁鐵，排種盤(pán)內(nèi)有固定指尖器的凹槽，指尖器依靠指尖磁鐵與永磁體之間的磁力作用在排種盤(pán)凹槽內(nèi)進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

排種器工作時(shí)，前、后外殼固定，內(nèi)部排種盤(pán)、指尖器和指尖壓盤(pán)隨排種軸轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)指尖器上的指尖磁鐵與前側(cè)外殼上的永磁體異極相對(duì)時(shí)，指尖器在排種盤(pán)凹槽內(nèi)向后運(yùn)動(dòng)，種子進(jìn)入排種盤(pán)型孔內(nèi)；當(dāng)指尖器上的指尖磁鐵與前側(cè)外殼上的永磁體同極相對(duì)時(shí)，指尖器在排種器凹槽內(nèi)向前運(yùn)動(dòng)，阻止種子繼續(xù)進(jìn)入排種盤(pán)型孔，同時(shí)指尖器頭部與排種盤(pán)型孔配合，保證種子在排種盤(pán)型孔內(nèi)隨排種盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)，指尖器頭部與型孔配合空間只能存放一粒種子，多余種子會(huì)被指尖器推出，以此完成清種。排種盤(pán)在殼體內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)指尖器上的指尖磁鐵與前側(cè)外殼上的永磁體再次異極相對(duì)時(shí)，指尖器后移，指尖器頭部與排種盤(pán)型孔之間的配合結(jié)束，種子經(jīng)投種孔落在壟溝內(nèi)。至此，充種—清種—攜種—投種四個(gè)環(huán)節(jié)就此完成，如圖2所示。

圖2 排種器局部圖

2 相關(guān)零部件的設(shè)計(jì)

2.1 關(guān)鍵參數(shù)的確定

設(shè)計(jì)計(jì)算型孔尺寸需要依據(jù)種子的三軸尺寸以及種子的等效直徑進(jìn)行。因此，首先需要對(duì)種子的三軸尺寸進(jìn)行測(cè)量，選取玉龍9號(hào)玉米種子和吉育302大豆種子進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量時(shí)，首先從各類(lèi)種子中隨機(jī)抽取100粒，使用0.01 mm外徑千分尺測(cè)量種子的長(zhǎng)l、寬w、高h(yuǎn)尺寸并記錄。具體如圖3、圖4所示。

圖3 玉米種子的三軸測(cè)定

大豆外形尺寸大多為橢圓形或近圓形，當(dāng)已知大豆的三軸尺寸時(shí)，可以利用大豆的等效直徑尺寸公式（1）計(jì)算大豆的等效徑D[15]：

式中，l為大豆種子的長(zhǎng)度；w為大豆種子的寬度；h為大豆種子的高度。

通過(guò)對(duì)兩種種子進(jìn)行三軸測(cè)定并取其平均值，得到結(jié)果如表1所示。

表1 三軸尺寸測(cè)量結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

由表可知，玉龍9號(hào)為圓形大粒種子，吉育302為近圓形小粒種子，利用公式（1）計(jì)算出吉育302大豆種子的等效直徑D2=6.19 mm。

2.2 指尖器形狀的確定

指尖器由指尖頭部、中間推桿和指尖磁鐵三部分構(gòu)成。指尖磁鐵固定于指尖器尾部，中間推桿連接頭部和尾部，頭部與攜種槽配合攜帶種子，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。指尖器頭部是一個(gè)不規(guī)則多面體，其長(zhǎng)度Lx=9.58 mm，寬Wx=4.27 mm，高Hx=5.73 mm，該尺寸可以保證指尖器頭部在攜種槽內(nèi)前后自由移動(dòng)，并且可以保證排種盤(pán)型孔內(nèi)只進(jìn)入一粒種子，多余種子被擋在型孔外。

圖5 指尖器結(jié)構(gòu)

2.3 型孔的設(shè)計(jì)

2.3.1 型孔參數(shù)計(jì)算

排種盤(pán)型孔設(shè)置在外排種盤(pán)上，其結(jié)構(gòu)如圖6所示。排種盤(pán)型孔主要與指尖器頭部配合，種子進(jìn)入型孔后，指尖器向前運(yùn)動(dòng)，將多余種子推出后，與排種盤(pán)型孔配合完成攜種過(guò)程。外排種盤(pán)型孔的形狀尺寸以及其與指尖器頭部的配合情況將直接影響排種器的排種合格率、重播率和漏播率。型孔尺寸越大，種子越容易進(jìn)入型孔內(nèi)，導(dǎo)致填充率提高，進(jìn)而使重播率增加；型孔尺寸過(guò)小，種子進(jìn)入型孔內(nèi)就很困難，導(dǎo)致漏播率增加。實(shí)現(xiàn)精量播種要求只有一粒種子進(jìn)入型孔，因此型孔的尺寸應(yīng)按照種子的三軸尺寸界定，在計(jì)算時(shí)，排種盤(pán)型孔長(zhǎng)度方向應(yīng)加上指尖器頭部的長(zhǎng)度，兩者配合后的空間才是攜種空間。農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)中對(duì)型孔的參數(shù)要求如表2所示[16]。

表2 槽孔盤(pán)型孔參數(shù)公式表

圖6 外排種盤(pán)

玉米種子進(jìn)入型孔的形態(tài)大致有三種：順著長(zhǎng)度方向進(jìn)入，種子在型孔內(nèi)呈豎立狀態(tài)；順著寬度方向進(jìn)入，種子在型孔內(nèi)呈側(cè)立狀態(tài)；順著高度方向進(jìn)入，種子在型孔內(nèi)呈扁平狀態(tài)。三種情況都有可能發(fā)生，屬于隨機(jī)事件，為保證種子順利進(jìn)入型孔，在計(jì)算型孔參數(shù)時(shí)應(yīng)考慮三種情況下種子的最大尺寸，由此計(jì)算出適合玉米種子的型孔尺寸為：L=11.22 mm、W=10.92 mm、H=10.22 mm。

大豆種子的形狀近似圓形，種子進(jìn)入型孔的形態(tài)基本是相同的，因此，在計(jì)算型孔參數(shù)時(shí)，可以利用大豆種子的等效直徑進(jìn)行計(jì)算。經(jīng)計(jì)算得出適合大豆種子的型孔尺寸為：L=7.19 mm、W=6.89 mm、H=6.19 mm。

因種子進(jìn)入型孔內(nèi)的空間是指尖器頭部與排種盤(pán)型孔配合后的空間，所以排種盤(pán)型孔的長(zhǎng)度要在上述L的基礎(chǔ)上加上指尖器頭部的長(zhǎng)度Lx，形成型孔的最終尺寸。根據(jù)以上結(jié)果形成兩種型孔的長(zhǎng)度、寬度和高度的具體尺寸，在型孔的左半部分采用圓弧過(guò)渡，一方面可以更好地和指尖器頭部配合，另一方面可以降低攜種過(guò)程中的種子破損率。在使用時(shí)，外排種盤(pán)直接與內(nèi)排種盤(pán)同軸安裝即可。在使用不同類(lèi)型的種子進(jìn)行播種時(shí)，直接更換外排種盤(pán)即可，操作簡(jiǎn)單方便。

2.3.2 排種盤(pán)轉(zhuǎn)速、線速度及傳動(dòng)比的計(jì)算

若指尖器和排種盤(pán)以速度v（m/s）共同運(yùn)動(dòng)，當(dāng)種子的重心從外排種盤(pán)型孔邊緣降落到外排種盤(pán)型孔上沿的下部，即降落種子的直徑d（mm）長(zhǎng)度的一半（d/2）時(shí)，就可以認(rèn)為填充是可靠的。型孔邊緣的種子填充可用的時(shí)間t最大可由式（2）表示：

由此可知排種盤(pán)的極限速度vd（m/s）可表示為式（3）：

式中，L為型孔的長(zhǎng)度，g為重力加速度[17-18]。

通過(guò)計(jì)算得出適合玉龍9號(hào)玉米播種子播種的排種盤(pán)極限線速度為vd1=0.61 m/s；適合吉育302大豆種子播種的排種盤(pán)極限線速度為vd2=0.59 m/s。

通過(guò)式（4）、式（5）計(jì)算得出適合玉龍9號(hào)玉米種子播種的排種盤(pán)極限轉(zhuǎn)速n1=48.99 r/min；適合吉育302大豆種子播種的排種盤(pán)極限轉(zhuǎn)速為n2=47.36 r/min。

排種盤(pán)轉(zhuǎn)速np、線速度vp和傳動(dòng)比ip分別可表示為式（6）、式（7）、式（8）：

式中，vm為播種機(jī)的作業(yè)速度（m/s）；S為株距（m）；Z為排種盤(pán)型孔數(shù)；dp為排種盤(pán)直徑（m）；D為地輪直徑（m）；δ為輪滑移系數(shù)，一般取0.05～0.12。

根據(jù)上述三個(gè)公式，分別計(jì)算出排種盤(pán)正常工作時(shí)的轉(zhuǎn)速np、線速度vp和傳動(dòng)比ip的理論值，結(jié)果如表3、表4所示。

表3 玉米排種盤(pán)轉(zhuǎn)速、線速度及傳動(dòng)比

表4 大豆排種盤(pán)轉(zhuǎn)速、線速度及傳動(dòng)比

經(jīng)計(jì)算得出，適合玉米和大豆的兩種排種盤(pán)線速度和排種盤(pán)轉(zhuǎn)速均小于排種盤(pán)極限線速度和排種盤(pán)極限轉(zhuǎn)速，故此設(shè)計(jì)合理。

3 結(jié)論

本文主要設(shè)計(jì)了一種全新的磁力指尖式精量排種器，該排種器引入了永磁體，解決了機(jī)械式精量排種器工作部件易磨損、攜種過(guò)程中種子損傷率較高等問(wèn)題，計(jì)算并設(shè)計(jì)了適合玉米、大豆兩種作物播種的排種盤(pán)型孔：適合玉米種子的型孔尺寸為L(zhǎng)=11.22 mm、W=10.92 mm、H=10.22 mm，適合大豆種子的型孔尺寸為L(zhǎng)=7.19 mm、W=6.89 mm、H=6.19 mm。根據(jù)農(nóng)機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)對(duì)排種盤(pán)線速度和轉(zhuǎn)速進(jìn)行驗(yàn)證，符合要求，故該排種器理論上可以實(shí)現(xiàn)精量播種。