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 a.機械工程學院，b.師范學院，成都 610106；2.成都農業科技職業學院，成都 611130)

0 引言

種子是農業生產不可或缺的必需物質，世界上約有90%食用作物是用種子播種進行栽培的[1]。種子質量的優劣是影響作物產量的內在要素，是各項技術措施，特別是種子篩選的核心載體和關鍵。當前主要應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，對種子進行篩選；但對于種子中存在的一些密度與完好種子無異，卻經受物理性損傷而致其破碎的種子，水選法則無法選除。另一種方法是機選法。該方法是將種子放入旋轉的篩網中，利用篩網旋轉產生的離心力，將碎種子及被篩網擠壓后的空秕粒從篩網中甩出，以達到對種子進行篩選的目的。但是，機械篩選法在對種子造成一定的損傷的同時還容易出現種子的純度、凈度低等問題。由此可知，無論是水選法還是機選法都無法實現高質量的種子篩選，都會給農業的增產、豐收帶來不利的影響。因此，為解決單一的水選或機選都無法實現對種子的高質量篩選這一現狀，通常采用先機選后水選或者先水選后機選的方法予以解決；但目前水選法、機選法需要分別通過不同的裝置完成，比較麻煩。為此，本研究以簡單、實用、好用為目的，旨在研制出一款集水選、機選于一體的多功能種子篩選機。

1 總體結構及工作原理

1.1 總體結構

為解決現有種子篩選裝置鮮有能夠實現對多種作物種子進行篩選的現狀，結合當前國內外種子篩選裝置所存的問題，對種子篩選裝置的工作原理和結構特點進行了深入分析[2-6]。著眼于體積和結構對振動式和離心式機械篩選裝置進行綜合考究，從本設計追求小型的原則出發，選擇采用離心式的機械篩選方式。通過對傳動系統機構的對比研究，本設計從結構簡單的角度出發摒棄了經典的電機通過傳動裝置帶動篩選桶方式，設計為電機帶動外桶的方式。該方式不僅結構簡單可靠，還可以在一定程度上減輕篩選對種子造成的損傷。為適應不同作物種子形狀、大小不同對篩選的要求，在力求簡單可靠的基礎上，將篩選桶設計為方便拆卸、更換的結構形式。進一步設計出了一款結構簡單、實用、好用的小型多功能種子篩選裝置，該裝置集水選、機選于一體，通過更換篩選孔不同的篩選桶可以實現對多種作物種子的高質量篩選。該裝置主要包括動力部分和篩選部分，動力部通過帶傳動與篩選部連接在一起，如圖1所示[7]。動力部分篩選部分由變頻調速電機提供動力，變頻電機通過帶輪與帶傳動連接在一起。篩選部由外桶和篩選桶組成，內外桶間可拆通過鍵連接在一起，外桶上設置有進水口和上、下排水口以及限位環。篩選桶上設置有鍵、側翼板、底翼板和篩選孔。

1.變頻調速電機 2.帶傳動 3.下排水口 4.篩選桶底部翼板 5.限位環 6.上排水口 7.水閥 8.篩選桶 9.進水口 10.外桶 11.鍵 12.篩選桶側面翼板 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盛料桶內，并通過預先設置在內盛料桶方的進水口向內盛料桶內加入水或者其他液體，直至水或者其他液體的液面超過外緣的上端面，等待一段時間后，打開上排水口水閥將漂浮起的空秕粒排出，即完成水選法的過程。然后，將下出水口水閥打開，將外桶以及內盛料桶內的水或者其他液體排空；開啟電機通過同步帶帶動外桶轉動，內盛料桶隨外桶轉動一段時間后，即完成機械篩選法的過程。

由此可以看出：本小型多功能種子篩選裝置，可以方便地通過一個裝置實現水選法及機械篩選法對種子的篩選；當然，也可以根據需要通過該裝置單獨地實現水選法或者機械篩選法對種子的篩選。

2 機構設計

2.1 電機的選擇

電機為種子機械式篩選時提供動力，是整個種子篩選裝置的核心部件，種子的篩選要實現機選和水選兩種。種子進行機械式篩選時，依靠電機帶動外桶進而帶動篩選桶旋轉產生的離心力對種子進行篩選，如果滾筒的轉速不變化，則達不到理想的篩選效果，不同種子對篩選桶的轉速要求也不一樣；水選時，電機的旋轉有助于不飽滿種子的上浮，轉速的不同種子上浮的速度也有所區別。因此，為滿足此裝置實現運動的需要，本研究設計選擇變頻調速電機[8]，型號為YVP801-4，0.55kW，額定轉速為1 420r/min；電機在5～50Hz運行時輸出恒轉矩，在50～100Hz運行時輸出恒功率。則該電機的轉速范圍為

式中n—轉速(r/min)；

f—頻率(Hz)；

s—轉差率(%)；

p—級對數。

由數據可得，當f=5Hz時，n=142r/min；f=100Hz時，n=2 840r/min。故該電機的轉速范圍為142～2 840r/min。

2.2 帶傳動的選擇

帶傳動的作用是把電機輸出的運動和動力傳遞給外桶進而帶動篩選桶，為適應本設計調速和適應不同作物種子的需求，本設計選用B型V帶傳動。V帶傳動過載時將引起帶在帶輪上打滑，可起到保護整機的作用[9]，能夠滿足本設計的需要。通過理論計算，選取電機皮帶輪基準直徑D1=200mm，V帶輪的傳動比i=3，則篩選部大帶輪的基準直徑為

D2=i·D1=600mm

取V帶傳遞功率為0.55kW，工況系數為KA=1.1，則設計功率Pd為

Pd=KA·P=0.61KW

根據轉速n=142r/min，D1=200mm，查表[9]得：單根V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KA=0.96，帶長修正系數KL=1.07，則V帶的根數為

則實際取V帶數為1根。

2.3 篩選部帶輪軸的設計

篩選部帶輪軸的作用主要是：將電機的運動傳遞給外桶以帶動篩選桶轉動，從而完成種子篩選過程。本設計帶輪軸采用兩端軸頭，方便連接外桶和帶輪，料選用45鋼并進行調質。根據扭轉強度確定其最小直徑為

取A0=110，n1為

考慮到本設備的不均恒受載情況，取dmin=50mm。

2.4 外桶的設計

外桶的主要作用是：在水選時，盛裝溶液，保證篩選順利進行；機選時密封篩選區域，避免選除的種子四處撒落，有益于保護環境。在設計外桶時主要著眼于功能和安全兩個方面進行考慮，首先保證外桶最基本的功能，即盛裝溶液和防護。在盛裝溶液方面，主要考慮溶液的進出，設計了一個進水口，考慮加水的方便性，該進水口外露可直接通過管道與水龍頭相連接；考慮到設計本身對機選和水選的需要，分別設置了上、下兩個排水口。在安全方面，主要考慮接觸高速旋轉桶所帶來的傷害，故設計為只要外桶蓋打開則自動斷電。為使本設計能夠適用于不同作物的種子，外桶和篩選桶之間應為可更換且更換方便的設計，結合篩選桶本身做旋轉運動，在上下運動方面沒有固定要求，本設計采用鍵連接的方式，在外桶上設置可拆連的限位環，環上設置鍵槽，篩選桶上設置鍵[9]。為加工與定位方便，保證篩選裝置的可靠性，鍵槽數量設置為3個。此外為驗證設計的可靠性，對外桶進行了三維建模，如圖2所示。

圖2 外桶

2.5 篩選桶的設計

篩選桶的主要作用是:盛裝種子，機選時在電機的帶動下選除去受物理性損壞破碎的種子和不飽滿的種子，水選時在電機的帶動下旋轉可加速不飽滿種子的上浮。進行設計時，主要考慮其功能和使用的便捷性，適應對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根據不同作物種子的不同形狀、大小特點設置，并且便于更換。為此，從篩選裝置運動的特點出發，以更換便捷的目的，以連接可靠為原則，內外桶間設計為鍵連接，即篩選桶與外桶對應地設置3個鍵，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，在篩選桶側壁和底部設置翼板，以便于在篩選過程中產生漩渦，增強種子的篩選效果。最后，為了便于更換，篩選桶上還設置有提手(圖中為未畫出)。為驗證設計的可靠性，對篩選桶進行了三維建模，如圖3所示。

圖3 篩選桶

2.6 篩選裝置總結設計

綜合以上對本小型多功能種子篩選裝置各主要部件的設計，運用三維軟件建模如圖4所示。

3 性能試驗

試驗選用原料為大豆，大豆中含有較多的作物莖稈、破碎種子和空秕粒，對其進行單獨水選、機選，以先水選后機選和先機選后水選。

試驗結果表明：單獨進行水選時，篩選完成后，破碎種子殘留明顯；單獨進行機選時，莖稈、空秕粒殘留顯著；先水選后機選及機選后水選，莖稈、空秕粒、碎種子都無可見殘留，但前者大豆損傷情況較重。綜上所述，先進行機選后進行水選的篩選方式，能獲得較高質量的種子。試驗結果如表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☆☆★★★☆機選★★★☆★★先水選后機選☆☆☆★先機選后水選☆☆☆☆

殘留/損傷情況：☆ 幾乎沒有，★ 輕微， ★★ 中度，★★★ 嚴重。

4 結論

該小型多功能種子篩選裝置，操作便捷，通過更換篩選桶，合理選擇配套動力轉速，即可完成不同作物種子的水選、機選及水機混合篩選。該裝置體積小、機構簡單、操作方便，能夠有效地提升種子的篩選質量，適合與精量播種機等機械配套使用，可有效助力農作物的優質高產。