小型多功能种子筛选装置的研制

张 建，孙付春, 侯天凤，甘露萍 ,孙丰云

(1.成都大学 a.机械工程学院，b.师范学院，成都 610106；2.成都农业科技职业学院，成都 611130)

0 引言

种子是农业生产不可或缺的必需物质，世界上约有90%食用作物是用种子播种进行栽培的[1]。种子质量的优劣是影响作物产量的内在要素，是各项技术措施，特别是种子筛选的核心载体和关键。当前主要应用于种子筛选的方法有两种：一是水选法。该方法利用密度不同的特性，对种子进行筛选；但对于种子中存在的一些密度与完好种子无异，却经受物理性损伤而致其破碎的种子，水选法则无法选除。另一种方法是机选法。该方法是将种子放入旋转的筛网中，利用筛网旋转产生的离心力，将碎种子及被筛网挤压后的空秕粒从筛网中甩出，以达到对种子进行筛选的目的。但是，机械筛选法在对种子造成一定的损伤的同时还容易出现种子的纯度、净度低等问题。由此可知，无论是水选法还是机选法都无法实现高质量的种子筛选，都会给农业的增产、丰收带来不利的影响。因此，为解决单一的水选或机选都无法实现对种子的高质量筛选这一现状，通常采用先机选后水选或者先水选后机选的方法予以解决；但目前水选法、机选法需要分别通过不同的装置完成，比较麻烦。为此，本研究以简单、实用、好用为目的，旨在研制出一款集水选、机选于一体的多功能种子筛选机。

1 总体结构及工作原理

1.1 总体结构

为解决现有种子筛选装置鲜有能够实现对多种作物种子进行筛选的现状，结合当前国内外种子筛选装置所存的问题，对种子筛选装置的工作原理和结构特点进行了深入分析[2-6]。着眼于体积和结构对振动式和离心式机械筛选装置进行综合考究，从本设计追求小型的原则出发，选择采用离心式的机械筛选方式。通过对传动系统机构的对比研究，本设计从结构简单的角度出发摒弃了经典的电机通过传动装置带动筛选桶方式，设计为电机带动外桶的方式。该方式不仅结构简单可靠，还可以在一定程度上减轻筛选对种子造成的损伤。为适应不同作物种子形状、大小不同对筛选的要求，在力求简单可靠的基础上，将筛选桶设计为方便拆卸、更换的结构形式。进一步设计出了一款结构简单、实用、好用的小型多功能种子筛选装置，该装置集水选、机选于一体，通过更换筛选孔不同的筛选桶可以实现对多种作物种子的高质量筛选。该装置主要包括动力部分和筛选部分，动力部通过带传动与筛选部连接在一起，如图1所示[7]。动力部分筛选部分由变频调速电机提供动力，变频电机通过带轮与带传动连接在一起。筛选部由外桶和筛选桶组成，内外桶间可拆通过键连接在一起，外桶上设置有进水口和上、下排水口以及限位环。筛选桶上设置有键、侧翼板、底翼板和筛选孔。

1.变频调速电机 2.带传动 3.下排水口 4.筛选桶底部翼板 5.限位环 6.上排水口 7.水阀 8.筛选桶 9.进水口 10.外桶 11.键 12.筛选桶侧面翼板 13.筛选孔

1.2 工作原理

小型多功能种子筛选装置的工作原理：使用前，将所需筛选的种子放入内盛料桶内，并通过预先设置在内盛料桶方的进水口向内盛料桶内加入水或者其他液体，直至水或者其他液体的液面超过外缘的上端面，等待一段时间后，打开上排水口水阀将漂浮起的空秕粒排出，即完成水选法的过程。然后，将下出水口水阀打开，将外桶以及内盛料桶内的水或者其他液体排空；开启电机通过同步带带动外桶转动，内盛料桶随外桶转动一段时间后，即完成机械筛选法的过程。

由此可以看出：本小型多功能种子筛选装置，可以方便地通过一个装置实现水选法及机械筛选法对种子的筛选；当然，也可以根据需要通过该装置单独地实现水选法或者机械筛选法对种子的筛选。

2 机构设计

2.1 电机的选择

电机为种子机械式筛选时提供动力，是整个种子筛选装置的核心部件，种子的筛选要实现机选和水选两种。种子进行机械式筛选时，依靠电机带动外桶进而带动筛选桶旋转产生的离心力对种子进行筛选，如果滚筒的转速不变化，则达不到理想的筛选效果，不同种子对筛选桶的转速要求也不一样；水选时，电机的旋转有助于不饱满种子的上浮，转速的不同种子上浮的速度也有所区别。因此，为满足此装置实现运动的需要，本研究设计选择变频调速电机[8]，型号为YVP801-4，0.55kW，额定转速为1 420r/min；电机在5～50Hz运行时输出恒转矩，在50～100Hz运行时输出恒功率。则该电机的转速范围为

式中n—转速(r/min)；

f—频率(Hz)；

s—转差率(%)；

p—级对数。

由数据可得，当f=5Hz时，n=142r/min；f=100Hz时，n=2 840r/min。故该电机的转速范围为142～2 840r/min。

2.2 带传动的选择

带传动的作用是把电机输出的运动和动力传递给外桶进而带动筛选桶，为适应本设计调速和适应不同作物种子的需求，本设计选用B型V带传动。V带传动过载时将引起带在带轮上打滑，可起到保护整机的作用[9]，能够满足本设计的需要。通过理论计算，选取电机皮带轮基准直径D1=200mm，V带轮的传动比i=3，则筛选部大带轮的基准直径为

D2=i·D1=600mm

取V带传递功率为0.55kW，工况系数为KA=1.1，则设计功率Pd为

Pd=KA·P=0.61KW

根据转速n=142r/min，D1=200mm，查表[9]得：单根V带额定功率P1=0.66kW，单根V带额定功率增量ΔP1=0.04kW，小带轮包角修正系数KA=0.96，带长修正系数KL=1.07，则V带的根数为

则实际取V带数为1根。

2.3 筛选部带轮轴的设计

筛选部带轮轴的作用主要是：将电机的运动传递给外桶以带动筛选桶转动，从而完成种子筛选过程。本设计带轮轴采用两端轴头，方便连接外桶和带轮，料选用45钢并进行调质。根据扭转强度确定其最小直径为

取A0=110，n1为

考虑到本设备的不均恒受载情况，取dmin=50mm。

2.4 外桶的设计

外桶的主要作用是：在水选时，盛装溶液，保证筛选顺利进行；机选时密封筛选区域，避免选除的种子四处撒落，有益于保护环境。在设计外桶时主要着眼于功能和安全两个方面进行考虑，首先保证外桶最基本的功能，即盛装溶液和防护。在盛装溶液方面，主要考虑溶液的进出，设计了一个进水口，考虑加水的方便性，该进水口外露可直接通过管道与水龙头相连接；考虑到设计本身对机选和水选的需要，分别设置了上、下两个排水口。在安全方面，主要考虑接触高速旋转桶所带来的伤害，故设计为只要外桶盖打开则自动断电。为使本设计能够适用于不同作物的种子，外桶和筛选桶之间应为可更换且更换方便的设计，结合筛选桶本身做旋转运动，在上下运动方面没有固定要求，本设计采用键连接的方式，在外桶上设置可拆连的限位环，环上设置键槽，筛选桶上设置键[9]。为加工与定位方便，保证筛选装置的可靠性，键槽数量设置为3个。此外为验证设计的可靠性，对外桶进行了三维建模，如图2所示。

图2 外桶

2.5 筛选桶的设计

筛选桶的主要作用是:盛装种子，机选时在电机的带动下选除去受物理性损坏破碎的种子和不饱满的种子，水选时在电机的带动下旋转可加速不饱满种子的上浮。进行设计时，主要考虑其功能和使用的便捷性，适应对不同作物种子筛选的需求，保证筛选效果，筛选桶上的筛选孔大小应根据不同作物种子的不同形状、大小特点设置，并且便于更换。为此，从筛选装置运动的特点出发，以更换便捷的目的，以连接可靠为原则，内外桶间设计为键连接，即筛选桶与外桶对应地设置3个键，键呈锥形，上大下小，便于利用重力的特性使连接更为可靠。为使筛选效果更好，在筛选桶侧壁和底部设置翼板，以便于在筛选过程中产生漩涡，增强种子的筛选效果。最后，为了便于更换，筛选桶上还设置有提手(图中为未画出)。为验证设计的可靠性，对筛选桶进行了三维建模，如图3所示。

图3 筛选桶

2.6 筛选装置总结设计

综合以上对本小型多功能种子筛选装置各主要部件的设计，运用三维软件建模如图4所示。

3 性能试验

试验选用原料为大豆，大豆中含有较多的作物茎秆、破碎种子和空秕粒，对其进行单独水选、机选，以先水选后机选和先机选后水选。

试验结果表明：单独进行水选时，筛选完成后，破碎种子残留明显；单独进行机选时，茎秆、空秕粒残留显著；先水选后机选及机选后水选，茎秆、空秕粒、碎种子都无可见残留，但前者大豆损伤情况较重。综上所述，先进行机选后进行水选的筛选方式，能获得较高质量的种子。试验结果如表1所示。

图4 小型多功能种子筛选装置

方法茎秆空秕粒碎种子损伤情况水选☆☆★★★☆机选★★★☆★★先水选后机选☆☆☆★先机选后水选☆☆☆☆

残留/损伤情况：☆ 几乎没有，★ 轻微， ★★ 中度，★★★ 严重。

4 结论

该小型多功能种子筛选装置，操作便捷，通过更换筛选桶，合理选择配套动力转速，即可完成不同作物种子的水选、机选及水机混合筛选。该装置体积小、机构简单、操作方便，能够有效地提升种子的筛选质量，适合与精量播种机等机械配套使用，可有效助力农作物的优质高产。