基于電磁振動的玉米種子定向排序輸送技術探析

魏紅梅

摘? ? 要：根據通過機器振動實現有序傳輸材料的設計理念，對玉米種子定向排序輸送提出一個簡要方法。通過對種子在定向運動時的各種姿態變化，對種子進行動力學分析，從而得到可以將種子定向排序輸送的試驗裝置。

關鍵詞：玉米種子;電磁振動;定向排序;輸送技術

文章編號： 1005-2690（2021）08-0009-02? ? ? ?中國圖書分類號： S513? ? ? ?文獻標志碼： B

定向播種對于玉米增產有明顯的促進作用，可以使玉米植株生長整齊，行距、株距均勻一致，果穗與葉子得到充分舒展，為玉米作物提供良好光照及通風條件。實現玉米大規模機械化定向播種，關鍵技術是實現玉米種子定向排序。而這項研究，無論是國內還是國外都處于起步階段，沒有現成資料可以參考借鑒。所以，通過電磁振動對物料進行傳輸的設計思路，提出一種可以實現玉米種子定向排序輸送設計思路，為實現玉米機械化提供思路。

1? ?基于電磁振動的玉米種子定向排序輸送原理

振動盤料斗下有一個脈沖電磁鐵，通電后可以使料斗進行垂直方向的振動。通過傾斜的彈簧片帶動料斗繞垂直中軸進行擺動振動。料斗內部物體會隨著振動沿螺旋軌道上升。因為圓筒形料斗是反復扭轉式振動，在工作過程中經過調整后就可以順利實現將無序工件進行有序排列的目標[1]。

2? ?玉米種子定向排序方法

根據通過機械振動達到傳輸物料的設計思路，物料在機器內部進行3種方式的運送，分別為正向運送、反向運送和拋擲運送。通過機械運送玉米種子時，由于種子時刻與運送槽接觸，所以每當運送槽振動時，種子都會沿著軌道進行短暫的滑動。通過對機器頻率與輸送電壓的控制，種子就可以平穩向前輸送。而扁形、尖頭、圓底的玉米種子可以對其進行抽象化理解。種子質量集中于胚乳端，即“圓底”。

假設種子以長軸平行于運動方向，在振動運送槽進行移動，則存在兩種運動方式，分別為以果柄端，即尖頭朝前運動（假設為順行）;以胚乳端，即圓底朝前運動（假設為逆行）。在設計裝置過程中，可以使順行與逆行發生的概率不同，從而調節相關參數與振動條件，使玉米種子都以順行方式運送。接下來將通過理論分析與實踐操作，對種子振動運送進行分析。

2.1? ?玉米種子順行定向方法

玉米種子正向運送滑行時，在通過臺階后會產生輕微的變化，主要分為兩種：一為種子繼續以順行姿勢進行滑動;二為種子在與臺階接觸的同時進行180°翻轉，變為逆行姿勢。

當種子在初始狀態下，會被自身的種子重力與斜面的摩擦力影響朝斜面向下滑動。而當機器的振動超過種子重心，使其中線位置超過重心位置，將會給種子有一個向上拋的相對力。如果機器振動幅度過大、振動角度過大，都會讓種子從機器運送槽中飛起，進行平滑的平拋運動。種子運動軌跡會受到重量、運動慣性等因素影響，種子會在空中繞重心范圍的某一點進行旋轉，從而改變其自身狀態。如果種子沒有被拋起，將會在沿斜面向下滑動的同時產生一個扭矩，對種子自身的狀態也會有一定程度的影響。從而得知，種子開始進入機器中，只有當機器的振動幅度與振動角度過大時，才會讓種子產生方向旋轉。經過試驗可以得到結論，當種子以順行姿勢滑過臺階時，可以通過改變滑槽傾斜角度、機器振動幅度及振動頻率控制種子的轉向[2]。

2.2? ?玉米種子逆行定向方法

當種子逆行通過臺階時，由于種子圓底較為光滑，且可以看成圓弧形狀，所以導致重心前移。同時，在重力、摩擦力與機器振動共同作用下，種子將會以重心周圍某一點進行滾動。如果機器振動頻率與振動幅度過大，也會讓種子作平拋運動。如果翻轉角度超過90°，將會變成順行姿勢進行滑動。如果小于90°的翻轉角度，將會在重力影響下繼續以逆行姿勢進行滑動。如圖1所示，當種子在進入機器瞬間，會從機器出口獲得一個向上運動的力。隨著種子向前滑動，重心位置將會發生改變。當機器施加給種子的力超過種子本身維持自身狀態的重力影響后，將會對種子進行一次翻轉，將其狀態變為順行。當機器振動幅度過大、振動頻率過高及滑槽傾斜角度過大時，將會讓種子產生平拋運動，進而改變自身的狀態。經過多次試驗可知，當種子逆行經過臺階時，會發生繞胚乳的旋轉動作。如果在種子進行旋轉時，對機器振動幅度及振動頻率進行調整，可以將種子由逆行狀態翻轉為順行狀態，從而讓種子以順行狀態進行滑動[3]。

2.3? ?臺階高度對定向效果的影響

當種子大小和質量一定時，種子從臺階上順行脫離，接觸到滑槽，增加臺階高度，就會讓種子有被拋起的可能性，加上種子會以重心為旋轉點，對自身進行翻轉，破壞原本的順行姿態。而且，增加臺階高度后，種子落到滑槽會產生二次翻轉，導致種子的方向更加不易被控制。而臺階過小，對于逆行的種子無法做到有效翻轉。所以，增加臺階高度，可以讓種子進行順時針翻滾，破壞順行狀態下種子運動趨勢，阻礙逆行狀態下種子運動趨勢。

綜上，臺階高度對于種子逆行和順行的定向結果都有影響。經過多次試驗發現，臺階高度設置在2～6 mm時，對于種子翻轉有穩定且定向的效果。

3? ?試驗結果及分析

為了驗證玉米種子定向輸送的方法是否與本文猜想一致，現搭建起一個簡單的基于電磁振動原理對玉米種子實現定向輸送的試驗裝置。當電磁鐵線圈有交流電進入，就會在電磁鐵表面產生交流電磁力，從而使玉米種子受到來自水平和垂直方向振動推力，垂直分量使玉米向上作平拋運動，水平分量則是讓玉米進行前后滑動，使得種子實現定向滑動運動。通過高速攝影，對逆行與順行的種子運動翻轉進行動態觀察與分析。

3.1? ?試驗方法

選擇同一品種、大小均等的玉米種子，分為順行定向試驗與逆行定向試驗兩部分。以順行成功率為評價目標，即順行未發生超過180°轉動，逆行發生180°轉動。選取臺階高度、滑槽傾角、振動幅度、振動頻率4個試驗因素，每個試驗因素選擇3個對照組進行試驗。試驗裝置通過50 Hz頻率交流電進行供電。由于頻率比在0.95時，振動效果最好，所以設計頻率比為0.95。試驗目標是在相同試驗條件下，對于結果順行與逆行種子定向排序比例作記錄分析。即當種子順行運動時，統計最后仍是順行姿勢的試驗數量;當種子逆行運動時，統計最后變為順行姿勢的種子數量。每組試驗選取300粒大小、質量、形狀類似的玉米種子，其中150粒保持順行姿勢進行試驗，另外150粒保持逆行姿勢進行試驗。進行5次重復性試驗，對于結果進行統計，記錄順行與逆行種子數量，并選取5次試驗的結果平均值作為試驗結果記錄[4]。

3.2? ?臺階高度及滑槽傾角

臺階高度對于種子能夠定向成功翻轉有顯著影響。當臺階高度增加，逆行種子發生翻轉的概率也在增加。但是對于質量較輕、形狀不規則、大小不均勻的種子，結果則無法預知。順行種子也會產生翻轉概率。而滑槽傾角增加，會讓種子增加向前傾斜的趨勢，發生翻轉的可能性會增大。如果傾斜角度超過30°，會讓部分近乎橢圓形、圓形的種子產生二次或多次翻轉，對于輸送極不穩定。

3.3? ?振動幅度和振動頻率

對于逆行種子，機器的振動幅度越大，越有利于種子翻轉，同時會發生平拋運動。而對于順行種子，機器振動幅度越大，種子越會發生平拋運動，從而破壞定向效果。而振動幅度過小，會讓逆行種子翻轉不充分。振動頻率則對試驗結果影響不明顯。

3.4? ?最佳組合選擇

通過多次對照組試驗，對于變量進行控制，可以從中選擇最佳的組合方案，即臺階高度4 mm、滑槽傾角4°、振幅0.15 mm、頻率52 Hz，對于種子的順行通過最佳。用300粒種子進行順行和逆行姿勢試驗，并進行5次重復性試驗。結果表明，順行定向成功率為95.3%，逆行定向成功率為88.7%。

4? ?結論

根據玉米定向播種對于產量有積極作用的理論，與玉米種子形狀進行聯系，通過對玉米種子的受力分析，采用電磁振動的原理對玉米種子進行試驗。因為種子在傳送帶上進行輸送時會被拋到空中，落地時會有短暫的滾動。在調整各個試驗相關參數后，就可以實現種子不重復翻轉，從而實現種子定向排序輸送。

參考文獻：

[ 1 ] 權龍哲，王建宇，王旗，等.基于電磁振動與卷積神經網絡的玉米品質精選裝置[J].江蘇大學學報（自然科學版），2020，41（3）：288-293，313.

[ 2 ] 史立新.玉米定向精播種粒品質動態檢測方法研究——基于計算機姿態識別[J].農機化研究，2021，43（3）：240-244.

[ 3 ] 劉永洪.電磁振動式棉花精密播種裝置的主要結構設計[J].時代農機，2018，45（12）：246，248.

[ 4 ] 夏紅梅，周士琳，劉園杰，等.扁平茄果類種子導向振動供種裝置設計與試驗[J].農業機械學報，2020，51（9）：82-88.