磁力指尖式精量排种器的设计*

董文学 ， 张 涛 ， 邢 珂

（1.内蒙古农业大学机电工程学院，内蒙古 呼和浩特 010010；2.常州机电职业技术学院，江苏 常州 213164；3.内蒙古机电职业技术学院，内蒙古 呼和浩特 015501）

0 引言

播种作业指的是将农作物种子播入土壤的过程。播种作业是农业生产过程中的一道重要工序，播种质量决定着农作物后期管理质量以及农作物的质量与产量。传统的播种技术主要是通过窝眼式播种机实现的，由于播种机无法很好地对种子的大小进行筛选，且种子之间的形状尺寸是有差别的，这就很难保证一个窝眼对应一粒种子，导致窝眼式播种机的种植效率低。除此之外，窝眼式播种机的人工成本和机械成本也较高。传统的播种技术已然不能满足当下高效精播的播种需求，因此催生了精量播种技术的研究[1-2]。精量播种技术较传统播种技术而言，可以节约种子、降低成本、节省劳动力、节省工时，还可提高播种合格率、增加产量，进而提高农民收入。

黑龙江八一农垦大学周祖良等[3]成功研制出了玉米指夹式排种器，其排种合格率一般不低于90%；山东理工大学耿端阳等[4]针对现有指夹式排种器存在的问题，设计了一种可伸缩的指夹式精量排种器，该排种器结构形式简单、夹种位置精度高、成本低，且对高速种子作业中的种子形状尺寸大小有着较好的机械适应性能；吉林大学李洪刚[5]设计了一种仿生指夹式排种器，通过模仿人类手指在实际生活中的优越性，设计该排种器的相关部件，很大程度上减少了机械式排种器在工作过程中对种子造成的伤害；内蒙古农业大学林震[6]设计了一种磁力指夹式排种器，该排种器利用磁力解决了排种器中弹簧材料性能不稳定这一难题；沈阳农业大学刘艳芬等[7]设计了一种带倒角的周边式倾斜长方形型孔的水平圆盘排种器，其性能指标满足单粒精密播种的农艺要求；西北农林科技大学杜荣飞等[8]设计了一种联动补偿套轮式玉米精量排种器，采用联动补偿的方法提高排种器的排种性能。以上学者研发的机械式精量排种器为排种器研究提供了一定理论依据和参考。

目前，机械式精量排种器基本上可以满足我国的播种要求，但仍然存在一些问题[9-14]，比如其在高速作业时可靠性降低、重要的运动部件易磨损、指夹式排种器受种子形状影响较大以及携种过程中存在一定的种子破损率等。为此，课题组设计了一种磁力指尖式精量排种器。

1 排种器结构与工作原理

1.1 排种器的整体结构

磁力指尖式精量排种器主要由排种盘、指尖器、指尖压盘、永磁体等结构组成。其中，指尖磁体和永磁体为钕铁硼永磁铁；排种盘分为内外两个，利用3D打印技术生产。排种盘的作用是利用排种盘上的凹槽固定指尖器，利用外侧的排种盘型孔与指尖器头部配合实现携种，并且通过更换外排种盘就可以可实现不同农作物的播种作业。排种盘轴向固定在排种轴上，并且随着排种轴同步转动，具体结构如图1所示。

图1 磁力指尖式精量排种器示意图

1.2 排种器的工作原理分析

磁力指尖式精量排种器包括入料口、永磁体、指尖压盘、指尖器、排种盘、排种轴、变速箱和壳体，永磁体固定在排种器前侧外壳上，指尖器尾部固定一个指尖磁铁，排种盘内有固定指尖器的凹槽，指尖器依靠指尖磁铁与永磁体之间的磁力作用在排种盘凹槽内进行往复运动。

排种器工作时，前、后外壳固定，内部排种盘、指尖器和指尖压盘随排种轴转动。当指尖器上的指尖磁铁与前侧外壳上的永磁体异极相对时，指尖器在排种盘凹槽内向后运动，种子进入排种盘型孔内；当指尖器上的指尖磁铁与前侧外壳上的永磁体同极相对时，指尖器在排种器凹槽内向前运动，阻止种子继续进入排种盘型孔，同时指尖器头部与排种盘型孔配合，保证种子在排种盘型孔内随排种盘转动，指尖器头部与型孔配合空间只能存放一粒种子，多余种子会被指尖器推出，以此完成清种。排种盘在壳体内转动，当指尖器上的指尖磁铁与前侧外壳上的永磁体再次异极相对时，指尖器后移，指尖器头部与排种盘型孔之间的配合结束，种子经投种孔落在垄沟内。至此，充种—清种—携种—投种四个环节就此完成，如图2所示。

图2 排种器局部图

2 相关零部件的设计

2.1 关键参数的确定

设计计算型孔尺寸需要依据种子的三轴尺寸以及种子的等效直径进行。因此，首先需要对种子的三轴尺寸进行测量，选取玉龙9号玉米种子和吉育302大豆种子进行测量。测量时，首先从各类种子中随机抽取100粒，使用0.01 mm外径千分尺测量种子的长l、宽w、高h尺寸并记录。具体如图3、图4所示。

图3 玉米种子的三轴测定

大豆外形尺寸大多为椭圆形或近圆形，当已知大豆的三轴尺寸时，可以利用大豆的等效直径尺寸公式（1）计算大豆的等效径D[15]：

式中，l为大豆种子的长度；w为大豆种子的宽度；h为大豆种子的高度。

通过对两种种子进行三轴测定并取其平均值，得到结果如表1所示。

表1 三轴尺寸测量结果统计表

由表可知，玉龙9号为圆形大粒种子，吉育302为近圆形小粒种子，利用公式（1）计算出吉育302大豆种子的等效直径D2=6.19 mm。

2.2 指尖器形状的确定

指尖器由指尖头部、中间推杆和指尖磁铁三部分构成。指尖磁铁固定于指尖器尾部，中间推杆连接头部和尾部，头部与携种槽配合携带种子，其结构如图5所示。指尖器头部是一个不规则多面体，其长度Lx=9.58 mm，宽Wx=4.27 mm，高Hx=5.73 mm，该尺寸可以保证指尖器头部在携种槽内前后自由移动，并且可以保证排种盘型孔内只进入一粒种子，多余种子被挡在型孔外。

图5 指尖器结构

2.3 型孔的设计

2.3.1 型孔参数计算

排种盘型孔设置在外排种盘上，其结构如图6所示。排种盘型孔主要与指尖器头部配合，种子进入型孔后，指尖器向前运动，将多余种子推出后，与排种盘型孔配合完成携种过程。外排种盘型孔的形状尺寸以及其与指尖器头部的配合情况将直接影响排种器的排种合格率、重播率和漏播率。型孔尺寸越大，种子越容易进入型孔内，导致填充率提高，进而使重播率增加；型孔尺寸过小，种子进入型孔内就很困难，导致漏播率增加。实现精量播种要求只有一粒种子进入型孔，因此型孔的尺寸应按照种子的三轴尺寸界定，在计算时，排种盘型孔长度方向应加上指尖器头部的长度，两者配合后的空间才是携种空间。农业机械设计手册中对型孔的参数要求如表2所示[16]。

表2 槽孔盘型孔参数公式表

图6 外排种盘

玉米种子进入型孔的形态大致有三种：顺着长度方向进入，种子在型孔内呈竖立状态；顺着宽度方向进入，种子在型孔内呈侧立状态；顺着高度方向进入，种子在型孔内呈扁平状态。三种情况都有可能发生，属于随机事件，为保证种子顺利进入型孔，在计算型孔参数时应考虑三种情况下种子的最大尺寸，由此计算出适合玉米种子的型孔尺寸为：L=11.22 mm、W=10.92 mm、H=10.22 mm。

大豆种子的形状近似圆形，种子进入型孔的形态基本是相同的，因此，在计算型孔参数时，可以利用大豆种子的等效直径进行计算。经计算得出适合大豆种子的型孔尺寸为：L=7.19 mm、W=6.89 mm、H=6.19 mm。

因种子进入型孔内的空间是指尖器头部与排种盘型孔配合后的空间，所以排种盘型孔的长度要在上述L的基础上加上指尖器头部的长度Lx，形成型孔的最终尺寸。根据以上结果形成两种型孔的长度、宽度和高度的具体尺寸，在型孔的左半部分采用圆弧过渡，一方面可以更好地和指尖器头部配合，另一方面可以降低携种过程中的种子破损率。在使用时，外排种盘直接与内排种盘同轴安装即可。在使用不同类型的种子进行播种时，直接更换外排种盘即可，操作简单方便。

2.3.2 排种盘转速、线速度及传动比的计算

若指尖器和排种盘以速度v（m/s）共同运动，当种子的重心从外排种盘型孔边缘降落到外排种盘型孔上沿的下部，即降落种子的直径d（mm）长度的一半（d/2）时，就可以认为填充是可靠的。型孔边缘的种子填充可用的时间t最大可由式（2）表示：

由此可知排种盘的极限速度vd（m/s）可表示为式（3）：

式中，L为型孔的长度，g为重力加速度[17-18]。

通过计算得出适合玉龙9号玉米播种子播种的排种盘极限线速度为vd1=0.61 m/s；适合吉育302大豆种子播种的排种盘极限线速度为vd2=0.59 m/s。

通过式（4）、式（5）计算得出适合玉龙9号玉米种子播种的排种盘极限转速n1=48.99 r/min；适合吉育302大豆种子播种的排种盘极限转速为n2=47.36 r/min。

排种盘转速np、线速度vp和传动比ip分别可表示为式（6）、式（7）、式（8）：

式中，vm为播种机的作业速度（m/s）；S为株距（m）；Z为排种盘型孔数；dp为排种盘直径（m）；D为地轮直径（m）；δ为轮滑移系数，一般取0.05～0.12。

根据上述三个公式，分别计算出排种盘正常工作时的转速np、线速度vp和传动比ip的理论值，结果如表3、表4所示。

表3 玉米排种盘转速、线速度及传动比

表4 大豆排种盘转速、线速度及传动比

经计算得出，适合玉米和大豆的两种排种盘线速度和排种盘转速均小于排种盘极限线速度和排种盘极限转速，故此设计合理。

3 结论

本文主要设计了一种全新的磁力指尖式精量排种器，该排种器引入了永磁体，解决了机械式精量排种器工作部件易磨损、携种过程中种子损伤率较高等问题，计算并设计了适合玉米、大豆两种作物播种的排种盘型孔：适合玉米种子的型孔尺寸为L=11.22 mm、W=10.92 mm、H=10.22 mm，适合大豆种子的型孔尺寸为L=7.19 mm、W=6.89 mm、H=6.19 mm。根据农机设计手册对排种盘线速度和转速进行验证，符合要求，故该排种器理论上可以实现精量播种。