磁吸滚筒式烟草穴盘播种机的设计

姬少龙， 朱二丽， 秦伟桦， 何玉静， 李祥付， 王万章

(1.河南农业大学机电工程学院，河南 郑州 450002； 2.江苏科地现代农业有限公司，河南 郑州 450000)

烟草穴盘精密播种是烟草工厂化漂浮育苗技术的一项关键技术环节，漂浮育苗将丸粒化烟草种子精确地播入装有基质的聚乙烯穴盘中，实行1穴1粒.精密播种机按工作原理不同分为机械式、气力式、磁力式、电磁振动式等.目前国内外使用较多的是机械式和真空气吸式精密播种技术[1，2].按设计样式不同分为针式、管式、板式和滚筒式播种机.按自动化程度，可分为半自动和全自动播种机.半自动播种机配合机器的运转，还须人工操作，能节省50%以上的劳动力；全自动播种机按流水线操作，播种效率提高几十倍甚至几百倍，播种的深浅，压实程度，覆料的厚薄一致性较好[3].中国烟草漂浮育苗技术起步晚，生产规模小，相关配套设备简单，机械化程度低，这一现状使中国的烟草育苗效率低下，人力劳动投入较多.目前，从国外引进的播种流水线或单一用途的播种设备，价格非常高，增加了播种育苗成本，加上设备结构复杂，维护成本高，超出了农民的承受能力，很难推广应用[4，5].根据当前国内烟草播种育苗装备技术的实际情况，本研究设计了一种投资少、省力、省时的磁吸滚筒式穴盘精密播种机，以期为烟草播种育苗提供技术支持.

1 磁吸滚筒式播种机的设计

1.1播种机的结构及工作原理

磁吸滚筒式烟草穴盘播种机的结构如图1所示.其结构主要由种盒、播种滚筒、刮种板、传送带、减速电机、行程开关、控制箱和链传动装置等部分组成.种盒放在播种滚筒的左侧，种盒底面与通过磁吸滚筒轴线的水平面成倾角α，满足烟草丸粒化种子自然休止角的要求.磁吸滚筒表面根据烟草播种穴盘尺寸排列有磁吸点.在烟草种子包衣料中加入一定比例的还原铁粉，使种子具有磁吸性.减速电机通过链条装置带动播种滚筒和传送带按规定速比运动.播种时，放置在传送带播种位置的穴盘触动行程开关，磁吸滚筒顺时针旋转，在滚筒磁吸点吸附种子，旋转至刮种板的位置时，脱离滚筒落入种穴内完成一个播种过程，磁吸滚筒连续旋转规定转数完成一个穴盘的播种.

1.种盒；2.播种滚筒；3.刮种板；4.穴盘；5.穴盘传送带；6,8.链传动装置；7.减速电机；9.控制箱；10.行程开关；11.被吸附种子.

1.2磁吸滚筒结构设计与材质选择

播种滚筒是精密播种机的核心部分，其内部结构示意图如图2所示.主要由滚筒、导磁钉、调节垫片、永磁体、固定底座、压条与连接螺钉以及滚筒端盖等几部分组成.永磁体、调节垫片与导磁钉构成磁性吸头，固定底座、压条和链接螺钉将磁性吸头装置在播种滚筒的内部，导磁钉的末端与滚筒表面平齐.

播种滚筒的主要参数包括：滚筒材质、滚筒长度、滚筒直径、滚筒上每排开孔的孔径、磁吸点间距、导磁钉尺寸、磁感应强度等，其中滚筒的长度与磁吸点的间距等参数的选择与确定参照穴盘的规格.目前，国内外实际使用的穴盘有多种尺寸规格.磁吸滚筒播种机是根据200目的标准穴盘设计的，穴盘外形尺寸是660 mm×336 mm，单目尺寸是25.5 mm×25.5 mm，穴盘孔中心距是32 mm.播种滚筒的长度在穴盘宽度的基础上选取，采用了1根长度350 mm，外径为159 mm的不锈钢管.综合考虑播种效率与播种精度的关系，沿滚筒周向均匀地开有4排小孔，孔间距按照穴盘孔中心距32 mm阵列，每排共10个[6～9].根据播种滚筒的工作原理可知，播种滚筒上除了磁吸点之外的其他部分不能吸附种子，因此滚筒材质选用奥氏体不锈钢SUS304.

1．滚筒； 2.导磁钉； 3.调节垫片； 4.永磁体； 5.固定底座； 6.压条； 7.连接螺钉.

2 磁吸点磁感应强度的确定方案

磁吸点是播种机吸附种子的执行部分，其主要任务是从种盒中吸取种子并携种到播种区域.因此，磁吸点磁感应强度的大小直接影响到播种机的工作性能.磁吸点的吸力不足或者过大将造成漏播和重播[10，11].为了合理地选择永磁体的规格和磁感应强度，确定导磁铁钉的直径和长度，需对种子进行受力分析和磁吸试验，为磁吸滚筒的结构设计提供理论依据.

2.1丸粒化烟草种子在不同播种位置的受力分析

种子在跟随播种滚筒运转的过程中，其受力情况也随之发生变化.根据滚筒的外形特性，选择了种子在3个不同位置进行受力分析(图3).由图3可知，种子所受的力分别为： 1)重力G，其大小和方向始终不变，只是随着位置的变化而变化； 2)磁吸力Fm，由于种子被吸附在滚筒外壁上，被吸附种子在运动的整个过程中，种子相对与磁吸头的位置未发生变化，因此，受到的磁吸力Fm大小不会变化，方向始终顺着导磁钉轴线指向永磁体的磁极面； 3)支撑力N，随着滚筒的转动，支撑力N的大小和方向不断发生变化； 4)离心力FR，由于滚筒为匀速圆周运动，因此离心力的大小始终和向心力大小相等，方向始终背离滚筒旋转中心； 5)滚筒外壁摩擦力Ff，摩擦力的大小随着支撑力的改变而发生变化，方向始终背离种子的运动趋势方向.

G为重力；Fm为磁吸力；N为支撑力；FR为离心力；Ff为滚筒外壁摩擦力.

由图3可知，当磁性种子脱离种盒跟随滚筒旋转至最高点的过程中，种子的运动方向和重力方向相反，种子重力与磁吸力之间的夹角逐渐减小，作用于滚筒外壁上的压力将会越来越大.当种子到达最高点时，重力与磁吸力作用方向相同，因此，这个位置是磁性种子整个运动过程中最稳定的一个点，种子不易脱落滚筒.磁性种子经过最高点后，开始向下运动，重力和磁吸力之间的夹角逐渐增大，夹角等于90 °时，种子将处于最易脱落的位置.因此，当种子运动到这个位置时，为了避免磁性种子脱离滚筒，必须满足Ff=f·N=G.

2.2永磁体和导磁钉的选择

为便于磁吸滚筒的加工，试验选用直径为8 mm，高度为2 mm轴向磁化的圆柱形永磁体，表面磁感应强度为190 mT.导磁钉材料选用Q195L，用1.3 ，1.5 ，1.8 mm 3种不同直径导磁钉进行试验.将导磁钉分别与永磁体的N极中心接触构成磁吸头.3种不同直径导磁钉钉端磁感应强度随钉长变化情况如图4所示.钉端磁感应强度随钉长按对数曲线变化.

图4 钉端磁感应强度与不同直径导磁钉长度间的关系

由图4可知，导磁钉的长度和直径是影响磁性吸头端面磁感应强度的主要因素.改变导磁钉的长度和直径，可以控制磁性吸头对种子的吸附力.通过烟草样种粒径检测分析，其平均直径为1.994 mm，主要分布于1.8～2.2 mm之间，为了避免重播，选择小于种子平均直径的导磁钉较为合理，确定导磁钉的直径为1.5 mm.按照工作间隙2～3 mm来计算所需磁吸力，综合考虑磁吸滚筒加工工艺，确定导磁钉长度为13.5 mm.因此，测得导磁钉端面的磁感应强度是42 mT.

3 试验结果分析

磁吸滚筒式烟草穴盘精密播种机试验样机，磁吸点均匀分布于播种滚筒上，每排10个，共4排，滚筒外径是159 mm，利用刮种板进行落种；用WT-3A型数字式特斯拉计来测量直流磁场强度；试验用200孔标准穴盘，具有磁性的烟草种子，丸粒化种子的千粒质量是8.550 g，平均直径是1.994 mm.在相同的磁感应强度条件下，分别对铁粉含量为3%，5%，10% 的3种不同样种进行吸附试验，结果表明，随着铁粉含量的增多，种子的吸附率增高.播种试验选用铁粉含量为5%的样种.

播种滚筒分别按照25，38，50，75，100 r·min-1的不同转速，对铁粉含量为5%的样种进行连续播种试验，每次播2盘，试验结果如图5所示.

由图5可知，播种滚筒的转速也是影响播种精度的一个关键因素，随着滚筒转速提高，重播率快速下降；单播率随着播种滚筒转速提高而增加，漏播率也随之增高，在试验速度范围内漏播率增加趋势低于单播率增加的趋势.根据温室蔬菜穴盘精密播种机技术条件12，控制漏播率在5%以下，滚筒转速应在50 r·min-1.

图5 滚筒速度对烟草播种精度的影响

4 结论

1)磁吸滚筒式烟草穴盘播种技术在烟草种子丸粒化工艺中添加5%的铁粉，大大简化了穴盘播种机的结构.与滚筒气吸式播种机相比它省去了负压风机、管路和气密部件，避免了因气路堵塞，种子质量问题造成的维修和漏播.更加有利与烟草穴盘精密播种技术的推广应用，为烟草工程化育苗提供了一种高效率低成本的技术装备.

2)磁吸滚筒式烟草穴盘精密播种机性能试验结果显示，烟草丸粒化种子中铁粉含量5%，磁吸头磁感应强度42 mT，在播种滚筒转速为50 r·min-1以下时，漏播率小于5%.能够满足烟草穴盘精密播种的要求.此外，可通过改变滚筒表面质量和改进磁吸顶头尺寸结构来进一步提高播种精度.

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