磁力式煙草穴盤精密播種機(jī)的設(shè)計與試驗

何玉靜，謝珣，史景釗，余泳昌

河南農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，鄭州市文化路95號 450002

煙草設(shè)備

磁力式煙草穴盤精密播種機(jī)的設(shè)計與試驗

何玉靜，謝珣，史景釗，余泳昌

河南農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，鄭州市文化路95號 450002

針對煙草等小粒種子精密播種存在的問題，在分析了現(xiàn)有精密播種機(jī)的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一臺磁力式穴盤精密播種機(jī)。該播種機(jī)利用電磁吸嘴通電產(chǎn)生磁力，吸取磁粉包衣種子完成吸種過程；斷電時，電磁吸嘴失去磁力，種子在重力作用下落入導(dǎo)種板中，完成排種過程。利用正交試驗確定了該機(jī)的最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)：匝數(shù)12，線圈長度10mm，線圈導(dǎo)線半徑0.2mm，鐵芯半徑1.8mm。并且通過播種性能試驗，該機(jī)平均單粒率96.45%，重播率3.55%，空穴率0，滿足精密播種的要求。

磁力式；精密播種機(jī)；設(shè)計；試驗

隨著全球精密播種技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的以氣吸式和機(jī)械式排種方式為主的播種技術(shù)已經(jīng)比較成熟，但對于播種煙草這類體積小、形狀不規(guī)則的種子，氣吸式和機(jī)械式播種機(jī)都存在著不足之處。機(jī)械式播種機(jī)雖然結(jié)構(gòu)簡單，但播種精度低，且排種時易傷種[1]；氣吸式播種機(jī)播種精度高，但吸孔直徑小易堵塞[2]。目前，國內(nèi)外學(xué)者做了大量的研究，利用不同的原理去實現(xiàn)精密排種的目的。如日本提出的靜電播種，英國提出的液體播種和超音速播種[3-5]，我國學(xué)者提出的電磁振動式[6-7]播種和磁吸式播種方式[8-9]等。

本文設(shè)計的磁力式穴盤精密播種基于對煙草種子體積小、形狀不規(guī)則、播種精度要求高的特點(diǎn)，參考國內(nèi)外真空氣吸式和錯板式兩種穴盤播種技術(shù)[10-11]，結(jié)合種子丸?；に?，實現(xiàn)了磁力式精密播種。該機(jī)有較高的播種精度，而且結(jié)構(gòu)簡單，方便操作，更加有利于精密播種技術(shù)的推廣，適合煙草工廠化育苗。

1 磁力式播種機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理

如圖1所示，為煙草磁力式精密播種機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖，該播種機(jī)主要由3個部分組成,即機(jī)架、排種裝置和供電裝置。機(jī)架上安裝有導(dǎo)軌12、種盒3、導(dǎo)種板1，種盒3和導(dǎo)種板1沿著導(dǎo)軌12方向排列；排種裝置包括手柄箱2、手柄箱底板7、手柄箱下方的排種板11，排種板11上固定有一定數(shù)量的電磁吸嘴9，電磁吸嘴9的下端套有絕磁套筒，且與吸嘴下表面平齊；供電裝置（整流器4、變壓器5、總開關(guān)6）位于機(jī)架下方，主要是為排種裝置提供電力來源。

該播種機(jī)的工作原理如圖1所示：在吸種位置，排種板11位于種盒3上方，電源開關(guān)處于閉合狀態(tài)，排種板11上的電磁吸嘴9通電產(chǎn)生磁力吸起種盒3內(nèi)磁粉包衣處理過的種子；然后排種板11沿著導(dǎo)軌12移動至導(dǎo)種板1上方，此時開關(guān)螺釘首先觸發(fā)電源開關(guān)，然后撞針8使排種板11停止運(yùn)動，電源開關(guān)斷開，電磁吸嘴9失去磁力，種子在重力作用下落入導(dǎo)種板1中，完成排種過程。

2 主要部件的設(shè)計

2.1 導(dǎo)種板的設(shè)計

如圖2所示，為導(dǎo)種板結(jié)構(gòu)圖。導(dǎo)種板為460×220×5mm的金屬板，板上有10×20=200個孔，根據(jù)丸?；臒煵莘N子粒徑大小確定孔徑為8mm，為了使種子能夠順利從孔中落下不至于落在導(dǎo)種板上，導(dǎo)種板正面孔邊倒角45°×2mm，這樣就提高了種子落下的概率，有效的提高了精量播種機(jī)的性能。

2.2 排種板的設(shè)計

圖1 磁力式精密播種機(jī)結(jié)構(gòu)原理示意圖Fig.1 Structure of magnetic precision seeder

圖2 導(dǎo)種板結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of guide plates

排種板是整個播種機(jī)的核心部件，其主要由底板和電磁吸嘴構(gòu)成，結(jié)構(gòu)如圖3所示。為了防止干擾磁場，整個底板為460×220×30mm的不導(dǎo)磁板，其上有10×20個貫通錐孔，錐孔內(nèi)放置電磁吸嘴。為了保證及時的導(dǎo)磁和斷磁，電磁吸嘴的主體部分采用工業(yè)純鐵做的鐵芯，鐵芯與底板上半部纏繞著一定匝數(shù)的導(dǎo)線，鐵芯下半部套著與之平齊的絕磁套筒，結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖3 排種板的俯視圖和左視圖Fig.3 Top view and left view of metering plate

圖4 吸種過程原理圖Fig.4 Schematic diagram of seed absorption process

整個排種板的電路為每行10個電磁吸嘴采用串聯(lián)，串聯(lián)后20行采用并聯(lián)。整機(jī)使用家用220V交流電，通過變壓器和整流器轉(zhuǎn)換為直流，供每個電磁吸嘴產(chǎn)生磁力。若要確保電磁吸嘴能吸附起種子，則

F≥G

式中，G—單粒種子的重量（N）；F—磁吸力(N)。

磁吸力大于種子自身重量時，確定能吸附種子，但磁吸力若過大，就有可能吸附多粒種子，電磁吸嘴吸附種子的個數(shù)直接反映著播種性能，其電磁吸嘴單吸率越高，則該播種機(jī)播種時精播率越高，反之亦然。

電磁吸嘴通電后，會對下方的磁粉包衣種子產(chǎn)生一個向上的磁吸力。根據(jù)對麥克斯韋爾磁力計算公式的推導(dǎo)[12]，得出電磁吸嘴對磁粉包衣種子的磁吸力為：

式中，I—線圈電流(A)；N—線圈匝數(shù)(常量)；l—線圈長度(mm)；rw—為線圈導(dǎo)線半徑(mm)；r—鐵芯半徑(mm)；δ—?dú)庀堕L度(mm)；x—為鐵芯伸入線圈內(nèi)腔的長度(mm)；m—種子質(zhì)量（kg）。

綜上所述，磁吸力的大小是可控的，只要通過對電磁吸嘴的結(jié)構(gòu)參數(shù)如線圈長度、線圈導(dǎo)線半徑、鐵芯半徑、線圈匝數(shù)等進(jìn)行合適的選取，就可以實現(xiàn)精密播種。

3 試驗與分析

3.1 試驗設(shè)備及試驗對象

（1）試驗設(shè)備：磁力式煙草穴盤精密播種機(jī)，電磁吸嘴均勻地分布于排種板上，每排20個，共10排。

（2）試驗對象：具有磁性的煙草種子，包衣劑鐵粉含量為5%，包衣后種子的千粒重是8.550g。

3.2 試驗因素及試驗方案

（1）由于目前該樣機(jī)只針對于煙草種子播種，種子質(zhì)量一定，通過將電壓降壓整流至 12 v，電流為100mA,即可滿足對煙草種子的播種。所以該次試驗把影響磁力大小的線圈匝數(shù)A、線圈長度B、線圈導(dǎo)線半徑C、鐵芯半徑D作為試驗因素，將電磁吸嘴單吸率、多吸率、空吸率作為性能指標(biāo)。

（2）由于試驗因素比較多，采用正交試驗，將試驗因素各取3個水平，因素與水平如表1所示。以L9（34）正交表安排試驗[13]，形成了正交試驗方案，方案如下表2所示。

表1 試驗因素水平表Tab.1 Experimental factors and levels

表2 試驗方案Tab.2 Test schemes

3.3 試驗結(jié)果

為了提高精度，減小誤差的影響，對每種水平搭配進(jìn)行3次重復(fù)試驗，將電磁吸嘴吸附單粒種子個數(shù)、吸附多粒種子個數(shù)、無種子吸附個數(shù)作為試驗結(jié)果并將其填入表格中，并計算每種方案的平均單吸率、多吸率和空吸率。其試驗結(jié)果如下表3所示。

表3 試驗結(jié)果Tab.3 Test results

3.4 試驗分析

由表3可知，電磁吸嘴的空吸率為0，證明該機(jī)吸附種子能力強(qiáng)；單吸率越大，則多吸率就越小，所以只需要針對單吸率這一性能指標(biāo)，選取最佳的結(jié)構(gòu)參數(shù)組合。

在正交試驗中對試驗結(jié)果采用極差分析，能夠得到最優(yōu)的設(shè)計方案，如表4所示。通過對原始數(shù)據(jù)的計算，分清各因素對試驗指標(biāo)影響的主次順序，并確定最佳的因素水平組合，為進(jìn)一步的試驗指明方向。

表4 極差分析表Tab.4 Range analysis

極差越大，對單吸率的影響越重要。通過表4得知，影響單吸率因素的主次順序為：匝數(shù)A，鐵芯半徑D，線圈長度B，線圈導(dǎo)線半徑C。為了選取最優(yōu)的水平組合，繪制出因素效應(yīng)曲線，如圖5所示，因素A的3個水平選擇A3時，其單吸率最高，選其為最佳水平；因素B的3個水平選擇B1時，單吸率最高，B1為最佳水平；因素C的3個水平選擇C1時，單吸率最高，C1為最佳水平；因素D的3個水平選擇D2時，單吸率最高，D2為最佳水平。綜合考慮，最佳方案為A3B1C1D2, 即匝數(shù)12，線圈長度10mm，線圈導(dǎo)線半徑0.2mm，鐵芯半徑1.8mm。

3.5 驗證試驗

2014年2月16日，在許昌市襄城縣十里鋪鄉(xiāng)煙葉育苗基地對該樣機(jī)進(jìn)行播種性能驗證試驗，驗證結(jié)果如表5所示。

圖5 因素效應(yīng)曲線Fig.5 Factor effect curves

表5 結(jié)果驗證Tab.5 Verification results

由表5得知，該機(jī)平均單粒率96.45%,空穴率0，重播率3.55%。該機(jī)單粒率96.45%達(dá)到國內(nèi)精密播種機(jī)對精密播種的要求；目前國內(nèi)先進(jìn)的氣力式播種機(jī)空穴率≦1.5%，該機(jī)空穴率為0，不存在漏吸漏播現(xiàn)象。但在測試中發(fā)現(xiàn)，重播率偏高。通過磁場分布均勻性測試，磁場分布存在邊緣效應(yīng)，排種板中間部位磁場較強(qiáng)，磁場分布不均勻，容易造成重播率偏高。

4 討論

本文設(shè)計的磁力式精密播種機(jī)與參考文獻(xiàn)[9]中胡建平老師的設(shè)計有借鑒之處，工作原理基本相似，都是利用磁力吸附種子，磁力消失，排下種子。相對于胡建平老師及其他電磁式播種機(jī)，本機(jī)的改進(jìn)點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾方面：

（1）整機(jī)結(jié)構(gòu)由滾筒式改為平板式，體積更小，價格更低廉，既可電動也可手動操作，搬動更換地方也更為方便，適用于一般工廠化育苗的農(nóng)戶。

（2）利用撞針實現(xiàn)電源的開關(guān)，從而實現(xiàn)磁力的產(chǎn)生與磁力的消失，最終實現(xiàn)吸種與排種。

（3）在種盒下面安裝高頻振蕩器，種子處于沸騰狀態(tài)，使種子與吸嘴間距離減小，更有利于吸附種子。

（4）吸嘴所繞線圈在分布上以塊管理，可以克服吸嘴電流電壓存在差異，導(dǎo)致吸力不同或吸不上種子。維修拆卸方便。

5 結(jié)論

（1）針對于煙草精密播種存在的問題，在分析了現(xiàn)有精密播種機(jī)的基礎(chǔ)上，設(shè)計了磁力式穴盤精密播種機(jī)。參考國內(nèi)外真空氣吸式和錯板式兩種穴盤播種技術(shù)，結(jié)合種子丸?；に嚕瑢崿F(xiàn)了磁力式精密播種。

（2）利用正交試驗確定了該機(jī)的最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)：匝數(shù)12，線圈長度10mm，線圈導(dǎo)線半徑0.2mm，鐵芯半徑1.8mm。

（3）通過樣機(jī)播種性能試驗，該機(jī)平均單粒率96.45%,重播率3.55%，空穴率0，其具有較高的播種精度。但在測試中發(fā)現(xiàn)，重播率偏高，是由磁場分布不均勻造成的。

（4）目前該機(jī)只針對于煙草種子穴盤播種。在以后的研究中，只需改變電流大小即可滿足蔬菜、辣椒等小粒種子的精密播種要求。

[1] 張寧, 廖慶喜. 我國小粒徑種子播種技術(shù)與裝備的應(yīng)用與研究進(jìn)展[J]. 中國農(nóng)機(jī)化, 2012(1):93-96.Zhang Ning, Liao Qingxi. Research Progress of Seeding Technology and Equipment for Small Seeds in China [J].Chinese Agricultural Mechanization, 2012(1):93-96. (in Chinese)

[2] 陳鳳艷, 張晉國, 陳鳳娟. 槽縫式小麥氣吸精密播種機(jī)的設(shè)計與研究[J]. 農(nóng)機(jī)化研究, 2011(8):81-84.Chen Fengyan, Zhang Jinguo Chen Fengjuan. Design and Research on Suction Slot- type Precision Wheat Seeder[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research,2011(8):81-84. (in Chinese)

[3] 李強(qiáng), 劉明剛, 渠聚鑫,等. 林木穴盤精密播種機(jī)的選型設(shè)計[J]. 林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備, 2012(3):21-24.Li Qiang, Liu Minggang, Qu Juxin, et al. The Type Selection Design of Tree Tray Precision Seeders [J].Forestry Machinery & Woodworking Equipment,2012(3):21-24. (in Chinese)

[4] 程歡慶, 張祖立, 張為政. 蔬菜穴盤播種裝置的研究進(jìn)展[J]. 農(nóng)業(yè)科技與設(shè)備, 2010(4):31-33.Cheng Huanqing , Zhang Zuli, Zhang Weizheng. Research Progress in Vegetable Plug Tray Seeding Device[J].Agricultural Science&Technology and Equipment,2010(4):31-33. (in Chinese)

[5] 胡建平,毛罕平. 精密播種技術(shù)的研究與創(chuàng)新[J]. 農(nóng)機(jī)化研究, 2013(4):52-53.Hu Jianping, Mao Hanping. A Study and Innovation on Precision Seeding Technology [J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2013(4):52-53. (in Chinese)

[6] 王高峰, 楊堅, 黃亦其,等. 電磁振動式水稻芽種播種機(jī)的試驗研究[J]. 農(nóng)機(jī)化研究, 2012(2):122-126.Wang Gaofeng , Yang Jian, Huang Yiqi, et al. The Experimental Study on Seeder for Rice Bud-sowing of Electromagnetic Vibrating Type [J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2012(2):122-126. (in Chinese)

[7] 楊堅, 楊望, 王高峰. 電磁振動式拌漿育秧水稻芽種播種機(jī)優(yōu)化試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報, 2012(6):32-38.Yang Jian, Yang Wang, Wang Gaofeng. Optimization Experiments on Electromagnetic Vibrated Seeder of Rice Bud-seed for Field Seedling Raising [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2012(6):32-38. (in Chinese)

[8] 胡建平, 李宣秋, 毛罕平. 磁吸式精密播種器磁力排種空間的磁場特性分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報, 2005(12):39-42.Hu Jianping, Li Xuanqiu , Mao Hanping. Magnetic Field Characteristic Analysis for the Magnetic Seed-metering Space of the Precision Seeder [J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering,2005(12):39-42. (in Chinese)

[9] 胡建平, 毛罕平, 陸黎. 磁吸式穴盤精密播種器排種機(jī)構(gòu)的設(shè)計[J]. 農(nóng)機(jī)化研究, 2005(2):133-136.Hu Jianping, Mao Hanping, Lu Li. The Seed-metering Mechanism's Design for the Precision Plug Seeder by Magnetic Force[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2005(2):133-136. (in Chinese)

[10] KARAYEL D,BARUT Z B,OZMERZI A. Mathematical Modeling of Vacuum Pressure on Precision Seeder[J],Biosystems Engineering, 2004(4):437-444.

[11] GUARELLA P, PELLERANO A,PASCUZZI S.Experimental and Theoretical Performance of a Vacuum Seeder Vegetable Seeds[J]. Agriculture Engineer Research,2006, 64:29-36.

[12] 李達(dá), 張軍, 張道清. 直流螺管式電磁鐵吸力經(jīng)驗公式的修正[J]. 贛南師范學(xué)院學(xué)報, 2010(6):58-60.Li Da, Zhang Jun, Zhang Daoqing. The Modification of Suction Formula for DC Solenoid Electromagnet [J]. Journal of Gannan Normal University, 2010(6):58-60. (in Chinese)

[13] 陳魁.試驗設(shè)計與分析[M].北京:清華大學(xué)出版社，2005:94-181.Chen Kui. Design and Analysis of Experiments[M]. Bei Jing: Tsinghua University Press，2005:94-181. (in Chinese)

Design and test of magnetic tobacco precision seeder

HE Yujing, XIE Xun, SHI Jingzhao, YU Yongchang
College of Mechanical and Electrical Engineering, Henan Agricultural University, Zhengzhou 450002, China

On the basis of existing research in precision seeders, a magnetic seeder was designed for tobacco seeds which are small. The machine absorbed powder-coated seeds by electromagnetic nozzle. Its optimal structural parameters were determined by orthogonal test as follows: turns 12, coil length 10mm, coil radius 0.2mm, and nails radius 1.8mm. Through seeding performance test, the average single seed rate was 96.45%, reseeding rate 3.55%, empty hole rate 0, which could meet the requirements of precision seeding.

magnetic; precision seeder; design; test

何玉靜，謝珣，史景釗,等. 磁力式煙草穴盤精密播種機(jī)的設(shè)計與試驗[J]. 中國煙草學(xué)報，2016,22（3）

河南省科技攻關(guān)項目（092102210417）

何玉靜（1974—），講師，主要從事農(nóng)業(yè)機(jī)械化技術(shù)與裝備研究，Email:heyujinghn@126.com

余泳昌（1955—），Email:hnyych@163.com

2014-12-12

:HE Yujing, XIE Xun, SHI Jingzhao, et al. Design and test of magnetic tobacco precision seeder[J]. Acta Tabacaria Sinica,2016,22(3)