氣吸滾筒式煙草育苗播種機設計

江明會，梅益，胡大兵，羅彥英

（550025 貴州省 貴陽市 貴州大學 機械工程學院）

0 引言

播種作為煙草農藝過程中最關鍵一環，其質量好壞直接影響煙草的品質高低。而播種機最關鍵部分為排種器，排種器排種質量影響后期煙草育苗質量。排種器的結構和充、排種機理的研究始終是精密播種機的主要研究方向[1]。氣吸式排種器結構較為簡單，生產率高，應用較廣泛，且機型種類多，實應性強。近年來，我國一些科研單位和農機企業對氣吸式精量播種機進行研發。2008 年，華南農業大學夏紅梅等[2]采用單剛體系統對吸排種過程進行研究，建立了動力學模型，得到滾筒材料、種子與滾筒間的摩擦系數、氣流量、種子與吸孔的距離這4 個因素與吸附效果之間的關系；2017 年，孫炎等[3]設計了一臺集裝填、按壓、噴淋、播種、覆蓋功能于一體的煙草育苗機，可完成煙草播種的一系列工作，效率高；2020 年，宋東方等[4]針對煙草穴盤育種基質裝不滿、壓不實、播種合格率低及淋水覆土不均等問題，分別設計了裝基、壓穴、播種、裂解和覆土裝置。上述機型能夠在一定程度上解決一些問題，但要更好地對播種過程進行控制，仍需創新結構設計。

1 煙草育苗播種機結構及工作原理

1.1 工作原理

煙草育苗播種機由播種機構、育苗盤輸送裝置、單片機控制系統、風機等構成，如圖1 所示。按下啟動按鍵后，滾筒開始旋轉，光電傳感器1 檢測到播種原點后，將結果反饋給單片機，單片機通過直流電機驅動器控制育苗盤輸送裝置開始工作。輸送帶上的育苗盤通過輸送裝置輸送到播種區域時，光電傳感器2 檢測到育苗盤邊沿，將信號傳遞給單片機，單片機控制步進電機按照規定轉速旋轉，滾筒隨步進電機旋轉，風機電源接通，中心軸提供負壓，將種子吸收到滾筒上的吸孔中，跟隨滾筒做圓周運動，種子轉到正下方時，因自身重力掉到正下方的育苗盤中，其中育苗盤的速度和滾筒的轉速相匹配。在滾筒從播種原點再到光電傳感器1 再次監測到播種原點時，滾筒剛好轉完1周，播種完1盤，這時滾筒停止。將進行下一盤的播種。

1.2 傳動方案

本文的滾筒式排種裝置和輸送裝置動力傳遞采用鏈輪傳動，通過步進電機帶動鏈輪傳動使滾筒轉動。方案如圖2 所示，步進電機提供動力，再通過鏈輪傳動將動力傳送到滾筒上。育苗盤采用輸送帶輸送，由直流電機提供動力，通過鏈傳動帶動滾輪，滾輪帶動輸送帶運輸育苗盤，傳動方案如圖3所示。

圖3 輸送裝置傳動方案Fig.3 Transmission scheme of conveyor

2 關鍵部件設計

2.1 煙草物理特性測量

種子的物理特性直接影響排種器囊種效果和排種能力[5]，本文采用煙草包衣種子K326，參照劉劍鋒[6]的研究，其物理特性數據如表1 所示。

表1 K326 包衣種子物理特性Tab.1 Physical properties of K326 coated seeds

從表1 可知，種子的質量很小，測得的休止角和孔隙率可作為煙草種子種箱的設計參數；煙草包衣種子與不銹鋼板的摩擦角最小，本文采用不銹鋼作為滾筒的加工材料；通過測得的包衣種子的漂浮速度和漂浮系數，為提供負壓的風機選型提供參數支撐。劉劍鋒[6]測量了包衣種子的三軸尺寸，取包衣種子的平均寬度為1.688 mm。

2.2 工作過程

主要對種子在排種器排種工作過程的吸種、攜種2 個階段分別進行受力分析，進一步為后續排種器的結構設計提供依據。

2.2.1 吸種過程受力分析

種子在振動下，從種箱中沿導種板滾到導種板V 型槽，被滾筒吸孔中的負壓吸在滾筒上，其受力分析如圖4 所示。

圖4 種子吸種階段受力分析圖Fig.4 Stress analysis diagram of seed suction stage

劉劍鋒[6]對煙草包衣種子的研究表明，種子吸附過程時間較短，近似認為種子的運動狀態無變化，按靜力學平衡條件對其進行受力分析。本文沿滾筒法線和切線方向分別建立輔助坐標系，在對種子剛被吸附時的臨界狀態列受力平衡方程為

式中：FN——滾筒對吸附種子的支持力；G——種子自身的重力；FZ——其它種子對吸附種子的擠壓力；Fc——滾筒吸孔對吸附種子的吸附力；Fcf——其它種子對吸附種子的摩擦力；Ff——滾筒對吸附種子的摩擦力；μ——種子與滾筒的摩擦系數；η——種子與種子之間的摩擦系數；α——種子在滾筒上的角度。

將式（2）—式（4）分別代入式（1）整理得：

η、α、μ這3 個參數可由實驗測得，若能忽略種子間的相互作用力，也就是其它種子對吸附種子的擠壓力FZ，則式（5）可簡化為

從式（6）可看出，在煙草種子和滾筒確定后，煙草種子在吸種階段所受的吸附力就只與種子在滾筒上的角度有關。

2.2.2 攜種過程受力分析

在攜種過程中，種子在90°和270°的受力分析圖如圖5 所示。

圖5 種子攜種過程受力分析圖Fig.5 Force analysis diagram of seed carrying process

種子在90°和270°位置時，自身所受的重力最大，由于角度和重力等因素，導致種子在攜種階段所受的吸附力大小產生變化。本文主要對種子沿法向和切向分別建立坐標系，對種子在攜種過程任意位置進行受力分析：

其中，F=mω2r。

式中：m——種子自身的質量；ω——滾筒的角速度；r——滾筒的半徑；F——種子所受的離心力；FN——種子受的滾筒對種子的支持力；FQ——種子所受的吸附力；G——種子自身重力；β——種子隨滾筒轉過的角度。

種子所受的吸附力最終由式（6）解得：

由式（7）可知，在種子和滾筒確定后，Fc與滾筒的ω和β有關。種子的轉速越大，要使種子不離開滾筒，則需要的吸附力也愈大，那么種子需要的負壓也愈大。但負壓增大，不但消耗功率，還會導致種子的重播率增大，由此可知，在滾筒的設計中，要合理設計滾筒轉速。

2.3 氣吸滾筒的總體結構和工作原理

2.3.1 氣吸滾筒的總體結構

本文設計的滾筒式排種器結構如圖6 所示，主要由固定端蓋、滾筒、可轉動端蓋、中心軸、緊定螺釘以及種子箱等構成。

圖6 滾筒結構示意圖Fig.6 Schematic diagram of roller structure

2.3.2 氣吸滾筒的工作原理

滾筒被焊接在固定端上的隔板分成負壓吸種區和常壓排種區，負壓區用于吸附種子，常壓區用于投種。其一端與固定端蓋間隙配合，通過密封圈密封，另一端用緊定螺釘與轉動端蓋連接，通過端蓋和鏈輪相連，實現滾筒轉動。

播種時，風機通過中心軸里開的中心孔形成負壓，使滾筒上吸孔的兩端形成負壓差。滾筒繞中心軸轉動，當吸孔經過種子箱時，種子在吸孔壓差的作用下被吸附在吸孔上跟隨滾筒一起轉動[7]。當滾筒上的種子轉至正下方隔氣板所形成的常壓區時，筒內外壓差為零，種子做自由運動，最終落入育苗盤穴孔中，完成播種環節。工作原理如圖7 所示。

圖7 滾筒工作原理示意圖Fig.7 Schematic diagram of drum principle

2.4 滾筒結構的設計

2.4.1 滾筒外形尺寸設計

（1）滾筒直徑。圖8 為育苗盤外形圖，育苗盤的規格為160 孔（16×10 孔）/盤，長、寬、高分別為570、360、60 mm。滾筒直徑按照育苗盤的長度設計，滾筒直徑D=570/3.14≈181.5,現有排種器的直徑通常為140～260 mm，為便于加工，取D=184 mm。

圖8 育苗盤外形圖Fig.8 Outline drawing of seedling tray

（2）滾筒長度。滾筒長度通常按照育苗盤寬度設計，根據L>育苗盤寬度，且根據兩端蓋的長度，兩端需各留出20 mm 用于安裝兩端蓋，則取滾筒長度L=364 mm。

（3）滾筒壁厚取為2 mm。

2.4.2 滾筒吸孔形狀確定及吸孔直徑的設計

（1）吸孔形狀。種子的吸收快慢不但由負壓腔真空度決定，還與滾筒吸孔的形狀有關。常見的吸孔有錐孔、沉孔、直孔3 種形式[7]，如圖9 所示。研究表明直孔吸種能力最強，本文滾筒吸孔類型選擇直孔，用于種子的吸收[8]。

圖9 吸孔形狀Fig.9 Suction hole shape

（2）吸孔直徑。氣吸滾筒式排種器吸孔直徑的經驗公式[8]為

式中：d——吸孔直徑；b——種子的平均寬度。

根據實驗測量，包衣種子平均寬 b=1.688 mm，則d=1.133 mm，取d=1.2 mm。

2.4.3 滾筒吸孔排列

滾筒上吸孔排列分為沿軸向排列和周向排列，本文氣吸滾筒的設計，滾筒旋轉1 周能夠對1 盤育苗盤播種。因育苗盤的規格為16×10 孔，所以滾筒的沿軸向的排列為10 排，沿周向的排列為16 排。其結構如圖10 所示。

圖10 滾筒吸孔排列圖Fig.10 Arrangement diagram of drum suction hole

2.5 種箱的設計

一般要保證播種機能夠連續工作2 h，平均每小時按播種600 盤計算，需要大約1.92×105粒種子，這些種子所占的體積為 500 mL，最終設計供種箱的容量為600 mL[9]。為使種子平均分布在細孔附近，種箱的寬度需比10 個吸孔的總距離稍寬，吸孔間的中心距為36 mm，取供種箱總體長度為350 mm，寬度為100 mm，高度170 mm。

圖11 為種箱示意圖，導種板為V 型槽，其上寬下窄的形狀利于種子吸附，V 型槽與滾筒相切部分的寬度與滾筒上吸孔直徑相等，保證吸附種子時，不會產生兩粒種子因擠壓而不能吸收。

圖11 種箱結構示意圖Fig.11 Schematic diagram of seed box structure

為提高滾筒吸孔種子的吸附能力，本文采用激振系統對種箱進行激振。激振系統參照張敏[10]的研究，采用電磁式激振機構實現種箱的上下振動，使種子在種箱中上下拋動，產生“沸騰”狀態，有利于滾筒吸收種子。具體力學模型如圖12 所示。

圖12 電磁振動系統力學模型Fig.12 Mechanical model of electromagnetic vibration system

由圖12 可知，激振系統同時受到激振力和彈簧恢復力二者的作用。其中彈性恢復力能夠產生自激振動；彈簧的彈性恢復力與種箱離開平衡位置的位移成正比。該彈性恢復力使種箱能夠回到平衡位置，彈性恢復力的方向和種箱移動的位移方向相反。由于種箱在運動過程中受到阻尼作用，使種箱的振動逐漸趨于停止[10]。

2.6 風機的選型計算

風機的氣管與中心軸左端連接，通過中心軸將滾筒內部空氣吸走，形成負壓環境，為吸孔吸收種子提供動力。首先，設吸孔內流動空氣的平均速度為 v，得知通孔內外的壓差為ΔP=4 kPa。滾筒吸孔內阻力系數為

由式（10）可得：

根據文獻可知，當吸孔直徑為0.8～3.0 mm 時，ξ的取值為0.17～0.72。用插值法可得ξ=0.27，代入數據后，可得v=15.68 m/s。

單個吸孔通過的空氣流量Qi為

滾筒所需的總流量Q 為

根據以上數據，選用型號為NK-125 的風機，該風機吸力12 kPa，額定電壓220 V，頻率為50 Hz。

2.7 中心軸設計

中心軸結構如圖13 所示，其內部打有φ10 的孔，沿軸向分別鉆有2 個垂直相交的通孔，沿軸向共打有5 排直徑為2 mm 的通孔，為滾筒提供足夠負壓。中心軸主要起提供負壓、支撐滾筒的作用。

圖13 中心軸結構圖Fig.13 Structure diagram of central shaft

2.8 換氣裝置的設計

換氣裝置主要是通過滾筒中心的中心軸左端與風機吸管相連，通過風機的作用將滾筒內的空氣抽走，形成負壓[11]。隔板焊接在左端蓋上，左端蓋對應的位置開有小孔，隔板隔離的滾筒部分與大氣相通形成常壓室。換氣裝置主要由固定端蓋、隔板、可動端蓋組成。

2.9 育苗盤輸送裝置的工作原理

直流電機將動力傳遞給鏈輪，鏈輪通過鏈條將動力傳遞給輥筒上的從動鏈輪，從動鏈輪帶動輥筒運動，從而帶動輥筒上的傳送帶，傳送帶通過摩擦力帶動傳送帶上的育苗盤運動。

2.10 輸送裝置結構設計

2.10.1 傳送帶的設計

傳送帶輸送育苗盤，穴盤外形尺寸為570×360 mm，由此選擇傳送帶輥筒長度400 mm，傳送帶寬度確定為380 mm，厚度為2 mm，材料選擇橡膠，密度為1.3 g/cm3。輸送過程中最多4 盤，則傳送帶長度：L=4×570×2+100×3.14=4 874 mm。

2 個傳送帶輥筒中心距

傳送帶面積

傳送帶質量

2.10.2 電機的選型

電機選擇直流電機。最多每次同時有4 盤裝有基質的育苗盤，育苗盤總質量記為m2=20 kg，輸送帶輸送裝置中電機的選擇計算為

電機所需功率

式中：m——總質量；μ——輥筒與傳送帶間的摩擦系數，μ=0.2；Κ——安全系數，Κ=0～3，本文取Κ=3；vd——傳送帶速度，vd=0.096 m/s；η=0.75。

計算可得P=20.46 W。輸送裝置的電機選擇直流電機，型號為ZGB70R-60SRZ-1，電壓為24 V，額定功率為36 W，轉速為100 r/min，電機驅動器選用 LMD18200。

2.10.3 穴盤前進速度的確定

穴盤前進速度與輸送帶主動輥筒的速度成正比，即穴盤前進速度由輥筒轉速決定，可表示為

式中：n2——主動輥筒的轉速；s——兩穴孔之間的中心距。

2.11 鏈傳動的設計計算

播種和育苗盤輸送部分都采用鏈傳動，采用齒數13 齒的鏈輪，經功率計算，通過查表選擇鏈條型號為08A，節距為12.7 mm。計算過程為

（1）鏈條鏈節數LP

初定中心距a0=40 P，則鏈節數為

（2）鏈傳動的最大中心距amax

（3）鏈輪尺寸

分度圓直徑d

齒頂圓直徑da

取da=69 mm。

分度圓弦齒高ha

取ha=4 mm。

齒根圓直徑df

3 關鍵零部件校核

3.1 滾動軸承的校核

本文軸承選用深溝球軸承，型號為6006，內徑為30 mm，外徑為55 mm，厚度為9 mm，查機械設計手冊可知，其Cr=13.2 kN，C0r=8.30 kN。

式中：X0、Y0——當量靜載荷的徑向載荷系數和軸向載荷系數。

按軸承靜載荷能力選擇軸承公式為C0≥S0P0，其中S0為軸承靜強度安全系數，S0=1.5。

由于C0≥S0P0=107.94 N，符合要求，滾動軸承滿足強度要求。

3.2 中心軸校核

中心軸受力分析如圖14 所示。由于左右端蓋質量較小且不規則，取G1=200 N，G2=200 N，中心軸的材料選45 鋼，彎曲許用應力σ=100 MPa。

圖14 中心軸受力分析圖Fig.14 Stress analysis diagram of central axis

由靜力平衡方程ΣX=0，ΣY=0，ΣM=0 求解軸所受的支座反力。

求得：F1=194.41 N，F2=205.59 N。

應力彎矩圖如圖15 所示。

圖15 彎矩圖Fig.15 Bending moment diagram

對于A 截面，許用應力為

滿足強度要求。

對于B 截面，許用應力為

滿足強度要求。

4 結語

本文綜合分析了現有氣吸排種器結構及其性能，根據煙草包衣種子的物理力學特性，對播種機的播種滾筒、育苗盤輸送裝置各結構零部件進行了設計、對關鍵零件進行校核。總結如下：

（1）吸種裝置簡單新穎，根據種子的平均寬度，吸孔適應種子個體尺寸差異，實現精量取種；（2）介紹了播種機工作原理，對排種過程進行受力分析，了解了影響吸附力的因素，為滾筒的設計提供技術數據。（3）V 型槽保證種子被更好吸收，通過種箱激振器振動種子，提高種子吸收率，為吸滾筒式排種器的結構設計提供了新思路。（4）利用AutoCAD 繪制了排種器裝配圖，對關鍵部件校核，結果符合強度要求。