磁力指尖式精量排種器的設計*

董文學 ， 張 濤 ， 邢 珂

（1.內蒙古農業大學機電工程學院，內蒙古 呼和浩特 010010；2.常州機電職業技術學院，江蘇 常州 213164；3.內蒙古機電職業技術學院，內蒙古 呼和浩特 015501）

0 引言

播種作業指的是將農作物種子播入土壤的過程。播種作業是農業生產過程中的一道重要工序，播種質量決定著農作物后期管理質量以及農作物的質量與產量。傳統的播種技術主要是通過窩眼式播種機實現的，由于播種機無法很好地對種子的大小進行篩選，且種子之間的形狀尺寸是有差別的，這就很難保證一個窩眼對應一粒種子，導致窩眼式播種機的種植效率低。除此之外，窩眼式播種機的人工成本和機械成本也較高。傳統的播種技術已然不能滿足當下高效精播的播種需求，因此催生了精量播種技術的研究[1-2]。精量播種技術較傳統播種技術而言，可以節約種子、降低成本、節省勞動力、節省工時，還可提高播種合格率、增加產量，進而提高農民收入。

黑龍江八一農墾大學周祖良等[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%；山東理工大學耿端陽等[4]針對現有指夾式排種器存在的問題，設計了一種可伸縮的指夾式精量排種器，該排種器結構形式簡單、夾種位置精度高、成本低，且對高速種子作業中的種子形狀尺寸大小有著較好的機械適應性能；吉林大學李洪剛[5]設計了一種仿生指夾式排種器，通過模仿人類手指在實際生活中的優越性，設計該排種器的相關部件，很大程度上減少了機械式排種器在工作過程中對種子造成的傷害；內蒙古農業大學林震[6]設計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定這一難題；沈陽農業大學劉艷芬等[7]設計了一種帶倒角的周邊式傾斜長方形型孔的水平圓盤排種器，其性能指標滿足單粒精密播種的農藝要求；西北農林科技大學杜榮飛等[8]設計了一種聯動補償套輪式玉米精量排種器，采用聯動補償的方法提高排種器的排種性能。以上學者研發的機械式精量排種器為排種器研究提供了一定理論依據和參考。

目前，機械式精量排種器基本上可以滿足我國的播種要求，但仍然存在一些問題[9-14]，比如其在高速作業時可靠性降低、重要的運動部件易磨損、指夾式排種器受種子形狀影響較大以及攜種過程中存在一定的種子破損率等。為此，課題組設計了一種磁力指尖式精量排種器。

1 排種器結構與工作原理

1.1 排種器的整體結構

磁力指尖式精量排種器主要由排種盤、指尖器、指尖壓盤、永磁體等結構組成。其中，指尖磁體和永磁體為釹鐵硼永磁鐵；排種盤分為內外兩個，利用3D打印技術生產。排種盤的作用是利用排種盤上的凹槽固定指尖器，利用外側的排種盤型孔與指尖器頭部配合實現攜種，并且通過更換外排種盤就可以可實現不同農作物的播種作業。排種盤軸向固定在排種軸上，并且隨著排種軸同步轉動，具體結構如圖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、指尖器、排種盤、排種軸、變速箱和殼體，永磁體固定在排種器前側外殼上，指尖器尾部固定一個指尖磁鐵，排種盤內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凹槽內進行往復運動。

排種器工作時，前、后外殼固定，內部排種盤、指尖器和指尖壓盤隨排種軸轉動。當指尖器上的指尖磁鐵與前側外殼上的永磁體異極相對時，指尖器在排種盤凹槽內向后運動，種子進入排種盤型孔內；當指尖器上的指尖磁鐵與前側外殼上的永磁體同極相對時，指尖器在排種器凹槽內向前運動，阻止種子繼續進入排種盤型孔，同時指尖器頭部與排種盤型孔配合，保證種子在排種盤型孔內隨排種盤轉動，指尖器頭部與型孔配合空間只能存放一粒種子，多余種子會被指尖器推出，以此完成清種。排種盤在殼體內轉動，當指尖器上的指尖磁鐵與前側外殼上的永磁體再次異極相對時，指尖器后移，指尖器頭部與排種盤型孔之間的配合結束，種子經投種孔落在壟溝內。至此，充種—清種—攜種—投種四個環節就此完成，如圖2所示。

圖2 排種器局部圖

2 相關零部件的設計

2.1 關鍵參數的確定

設計計算型孔尺寸需要依據種子的三軸尺寸以及種子的等效直徑進行。因此，首先需要對種子的三軸尺寸進行測量，選取玉龍9號玉米種子和吉育302大豆種子進行測量。測量時，首先從各類種子中隨機抽取100粒，使用0.01 mm外徑千分尺測量種子的長l、寬w、高h尺寸并記錄。具體如圖3、圖4所示。

圖3 玉米種子的三軸測定

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

式中，l為大豆種子的長度；w為大豆種子的寬度；h為大豆種子的高度。

通過對兩種種子進行三軸測定并取其平均值，得到結果如表1所示。

表1 三軸尺寸測量結果統計表

由表可知，玉龍9號為圓形大粒種子，吉育302為近圓形小粒種子，利用公式（1）計算出吉育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，其結構如圖5所示。指尖器頭部是一個不規則多面體，其長度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前后自由移動，并且可以保證排種盤型孔內只進入一粒種子，多余種子被擋在型孔外。

圖5 指尖器結構

2.3 型孔的設計

2.3.1 型孔參數計算

排種盤型孔設置在外排種盤上，其結構如圖6所示。排種盤型孔主要與指尖器頭部配合，種子進入型孔后，指尖器向前運動，將多余種子推出后，與排種盤型孔配合完成攜種過程。外排種盤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，種子越容易進入型孔內，導致填充率提高，進而使重播率增加；型孔尺寸過小，種子進入型孔內就很困難，導致漏播率增加。實現精量播種要求只有一粒種子進入型孔，因此型孔的尺寸應按照種子的三軸尺寸界定，在計算時，排種盤型孔長度方向應加上指尖器頭部的長度，兩者配合后的空間才是攜種空間。農業機械設計手冊中對型孔的參數要求如表2所示[16]。

表2 槽孔盤型孔參數公式表

圖6 外排種盤

玉米種子進入型孔的形態大致有三種：順著長度方向進入，種子在型孔內呈豎立狀態；順著寬度方向進入，種子在型孔內呈側立狀態；順著高度方向進入，種子在型孔內呈扁平狀態。三種情況都有可能發生，屬于隨機事件，為保證種子順利進入型孔，在計算型孔參數時應考慮三種情況下種子的最大尺寸，由此計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，種子進入型孔的形態基本是相同的，因此，在計算型孔參數時，可以利用大豆種子的等效直徑進行計算。經計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。

因種子進入型孔內的空間是指尖器頭部與排種盤型孔配合后的空間，所以排種盤型孔的長度要在上述L的基礎上加上指尖器頭部的長度Lx，形成型孔的最終尺寸。根據以上結果形成兩種型孔的長度、寬度和高度的具體尺寸，在型孔的左半部分采用圓弧過渡，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程中的種子破損率。在使用時，外排種盤直接與內排種盤同軸安裝即可。在使用不同類型的種子進行播種時，直接更換外排種盤即可，操作簡單方便。

2.3.2 排種盤轉速、線速度及傳動比的計算

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

由此可知排種盤的極限速度vd（m/s）可表示為式（3）：

式中，L為型孔的長度，g為重力加速度[17-18]。

通過計算得出適合玉龍9號玉米播種子播種的排種盤極限線速度為vd1=0.61 m/s；適合吉育302大豆種子播種的排種盤極限線速度為vd2=0.59 m/s。

通過式（4）、式（5）計算得出適合玉龍9號玉米種子播種的排種盤極限轉速n1=48.99 r/min；適合吉育302大豆種子播種的排種盤極限轉速為n2=47.36 r/min。

排種盤轉速np、線速度vp和傳動比ip分別可表示為式（6）、式（7）、式（8）：

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

根據上述三個公式，分別計算出排種盤正常工作時的轉速np、線速度vp和傳動比ip的理論值，結果如表3、表4所示。

表3 玉米排種盤轉速、線速度及傳動比

表4 大豆排種盤轉速、線速度及傳動比

經計算得出，適合玉米和大豆的兩種排種盤線速度和排種盤轉速均小于排種盤極限線速度和排種盤極限轉速，故此設計合理。

3 結論

本文主要設計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，解決了機械式精量排種器工作部件易磨損、攜種過程中種子損傷率較高等問題，計算并設計了適合玉米、大豆兩種作物播種的排種盤型孔：適合玉米種子的型孔尺寸為L=11.22 mm、W=10.92 mm、H=10.22 mm，適合大豆種子的型孔尺寸為L=7.19 mm、W=6.89 mm、H=6.19 mm。根據農機設計手冊對排種盤線速度和轉速進行驗證，符合要求，故該排種器理論上可以實現精量播種。