氣吸振動滾筒式防堵塞精密播種裝置設(shè)計與分析

龔智強，劉永慶，魏如志，陳 進，李耀明，趙 湛

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氣吸振動滾筒式防堵塞精密播種裝置設(shè)計與分析

龔智強1，劉永慶1，魏如志1，陳 進2a，李耀明2b，趙 湛2b

(1.巢湖學院 機械與電子工程學院，合肥 238000；2.江蘇大學 a.機械工程學院; b.農(nóng)業(yè)裝備工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

針對目前精密播種裝置在長時間的播種中容易出現(xiàn)吸嘴被堵塞、播種合格率降低等問題，設(shè)計了一種氣吸振動滾筒式防堵塞精密播種裝置。該裝置由滾筒裝置、落種裝置、振動種盤及加種箱等組成，利用振動種盤振動使其內(nèi)的種子群做“沸騰”運動；帶有負壓的吸嘴將種子吸附并攜帶種子進入排種區(qū)，利用重力和正壓進行排種；并通過安裝在滾筒裝置中的導針以實現(xiàn)清理吸嘴中的雜物，可有效防止播種過程中吸嘴堵塞，有利于播種裝置實現(xiàn)精量、低傷種率的播種需求。在播種前向加種箱中加入適量的種子，可實現(xiàn)自動精量均勻加種，播種裝置加種過程對種子損傷率小，加種效率高，可實現(xiàn)長時間連續(xù)播種的需求，播種工作效率可達到225盤/h以上。

氣吸振動；滾筒式；防堵塞；精密播種裝置

0 引言

近年來，國家大力支持農(nóng)業(yè)機械化發(fā)展，推廣水稻全程機械化。播種在保證糧食增產(chǎn)、推動種植業(yè)發(fā)展和農(nóng)業(yè)科技進步中，具有極其重要的地位和作用[1-3]，而播種機則是實現(xiàn)精密播種的前提與基礎(chǔ)。

隨著我國農(nóng)業(yè)機械技術(shù)的快速發(fā)展，對播種育苗技術(shù)提出了更高的要求，播種裝置性能的好壞直接影響秧苗的質(zhì)量及其生長狀況。精密播種裝置是實現(xiàn)精量播種的關(guān)鍵設(shè)備，對種子的著床出苗、分蘗及后期秧苗存活率都具有很大的關(guān)聯(lián)。目前，在超級稻播種的領(lǐng)域還有待研究[4-6]，現(xiàn)有的播種裝置大都采用機械式播種，其性能較差、工作效率低，難以連續(xù)作業(yè)，且容易造成空穴，播種精度難以有效控制，對種子的損傷率較大，容易造成吸嘴堵塞，難以廣泛使用[7-8]。因此，亟待研制一種氣吸振動滾筒式防堵塞精密播種裝置。本播種裝置采用電磁振動器實現(xiàn)振動種盤的振動，使其內(nèi)的種子群處于“沸騰”運動狀態(tài)，以便吸嘴實現(xiàn)精密吸種與排種，可降低空穴率、提高合格率、保證精量播種；采用齒輪傳動裝置帶動滾筒裝置運動，使得滾筒裝置轉(zhuǎn)動平穩(wěn)，提高了吸、排種過程的穩(wěn)定性；通過對滾筒裝置供負壓和正壓實現(xiàn)吸種和清種，保證了種子顆粒低損傷率。同時，通過安裝在滾筒裝置中的導針清理吸嘴中的雜物，可有效防止播種過程中吸嘴堵塞。本播種裝置具有操作簡單方便、播種均勻穩(wěn)定、傷種子率低及效率高等優(yōu)點，可實現(xiàn)不同種子的精密播種。

1 整體結(jié)構(gòu)與工作原理

氣吸振動滾筒式防堵塞精密播種裝置由機架、控制單元、傳動裝置一、加種箱、落種裝置、正壓氣泵、電磁振動器、振動種盤、滾筒裝置、傳動裝置二、電機一、彈簧、負壓氣泵及電機二等組成，如圖1所示。

1.機架 2.控制單元 3.傳動裝置一 4.加種箱 5.落種裝置

工作過程：開啟主電源，將種子放入振動種盤內(nèi)，啟動電磁振動器，使得電磁振動器帶動種箱做上下振動，使得振動種盤內(nèi)的種子處于“沸騰“運動狀態(tài)；啟動負壓氣泵和正壓氣泵，使得滾筒體的中心空腔和吸嘴內(nèi)分別處于正壓狀態(tài)和負壓狀態(tài)。啟動電機二，通過傳動裝置二使得滾筒裝置轉(zhuǎn)動，吸嘴越過振動種盤上的兩海綿塊的間隙，帶負壓的吸嘴與種子接觸實現(xiàn)吸種；種子隨滾筒體回轉(zhuǎn)至排種區(qū)域時，導管架上的凹槽壓板與安裝在正壓端蓋上的固定輪接觸，固定輪壓著導體架向外移動；當導體架處于豎直狀態(tài)且移動至吸嘴內(nèi)孔時，導管架上的導管板空心內(nèi)腔通入正壓，使得導管二的內(nèi)腔的負壓轉(zhuǎn)換為正壓，致使種子落入吸嘴正下方的排種位置。隨著滾筒裝置繼續(xù)回轉(zhuǎn)，導針架上的直壓板與正壓端蓋上的固定輪接觸，固定輪又壓著導針板向外繼續(xù)移動使位于導管二內(nèi)導針插入吸嘴中，實現(xiàn)清理吸嘴中的雜物；當導體架漸漸與正壓端蓋上的固定輪脫離時，導管架和導針架受到彈簧的彈力作用向回移動至復(fù)位，完成一次吸、排種。播種進行一定時間后，當種槽內(nèi)種子達到一定質(zhì)量后，通過位于滑種槽一下方的稱重傳感器將信號反饋給控制器，控制加種箱停止轉(zhuǎn)動；位于滑種槽一上的電磁鐵斷電，使得安裝在滑種槽一上的擋板閉合，阻止種子下落，以保證對播種裝置精量均勻加種。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計

氣吸振動滾筒式防堵塞精密播種裝置核心部件有滾筒裝置、振動種盤、傳動裝置及加種箱，其結(jié)構(gòu)參數(shù)直接影響播種裝置的播種性能。

2.1 滾筒裝置設(shè)計

滾筒裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)直接影響播種過程吸、排種。滾筒裝置由滾筒體、吸嘴、負壓凹蓋、導體架、密封圈、圓柱滾子軸承、固定空心軸、正壓端蓋及固定輪等組成，如圖2所示。滾筒裝置上裝有6行、14列共84個吸嘴，縮小氣腔的體積[9]，使得結(jié)構(gòu)更緊湊，吸種嘴的內(nèi)孔直徑為2.0mm。固定空心軸一端通過螺釘連接在機架上，另一端與正壓端蓋上的軸孔形成螺紋配合；負壓凹蓋與固定空心軸通過圓柱滾子軸承連接；吸嘴通過螺紋連接在滾筒體上；滾筒體與兩側(cè)的負壓凹蓋分別通過螺釘連接；導體架有6個，分別安裝在滾筒上，且呈周向排列，導體架的兩端分別與正壓端蓋內(nèi)側(cè)面密封相切；密封圈有2個，安裝在正壓端蓋上；固定輪有2個，分別安裝在兩側(cè)的正壓端蓋上。

導體架由凹槽壓板、導針、導管一、導管二、導管板、導針板、導桿及直壓板等組成，如圖3所示。凹槽壓板通過螺釘連接在導管板上；導針和導桿固連在導針板上，導管一和導管二固連在導管板上；導桿安裝在導管一內(nèi)，起到導向作用；導針插入導管二內(nèi)；直壓板通過螺釘連接在導針板上。

1.滾筒體 2.吸嘴 3.負壓凹蓋 4.導體架 5.密封圈 6.圓柱滾子軸承 7.固定空心軸 8.正壓端蓋 9.固定輪

1.凹槽壓板 2.導針 3.導管一 4.導管二 5.導管板

2.2 落種裝置設(shè)計

落種裝置由稱重傳感器、支撐板架、滑種槽一、滑種槽二、槽板二、扭簧、擋板、扭簧固定板、槽板一及電磁鐵組成，如圖4所示。稱重傳感器安裝在機架上；滑種槽一通過螺釘連接在支撐板架上；滑種槽二下端連接在滑種槽一上；扭簧的一端固連在扭簧固定板上，另一端固連在擋板上；扭簧固定板通過螺釘連接在滑種槽一上。

根據(jù)種子顆粒特性[10]，將滑種槽斜面角度設(shè)計為大于水稻種子休止角度，滑種槽一斜面二傾角設(shè)計為45°，滑種槽二斜面的傾角設(shè)計為60°。

1.稱重傳感器 2.支撐板架 3.滑種槽一 4.滑種槽二 5.槽板二 6.扭簧 7.擋板 8.扭簧固定板 9.槽板一 10.電磁鐵

種子在重力作用下落入滑種槽一中，然后順著滑種槽一落入滑種槽二中，最后進入振動種盤內(nèi)；當滑種槽一內(nèi)的種子達到一定質(zhì)量后，通過位于滑種槽一下方的稱重傳感器將信號反饋給控制器，控制加種箱停止轉(zhuǎn)動，位于滑種槽一上的電磁鐵通電，使得安裝在滑種槽一上的擋板打開，使種子落入振動種盤中，以保證對播種裝置精量均勻加種。

2.3 振動種盤設(shè)計

振動種盤按一定規(guī)律振動，以實現(xiàn)種子群在其凹槽內(nèi)做“沸騰”運動，其結(jié)構(gòu)參數(shù)直接影響種群運動規(guī)律。振動種盤主要由海綿塊、海綿粘貼板條、海綿固定板、隔板及種盤體組成，如圖5所示。

1.海綿塊 2.海綿粘貼板條 3.海綿固定板 4.隔板 5.種盤體

振動種盤通過螺栓連接在電磁振動器的振動體上；凹槽底部均勻開有直徑為2.5mm的圓孔，用于篩除種群中的細小雜質(zhì)顆粒，避免吸嘴被細小雜質(zhì)顆粒堵塞；海綿塊共有15塊，分別膠結(jié)在海綿粘貼板條上，兩海綿塊間間隙為1mm，可使得吸嘴越過振動種盤，防止種子從振動種盤與滾筒體的間隙掉落。

2.4 加種箱設(shè)計

加種箱由掛鎖扣、加種箱蓋、滾筒軸、加種箱體、隔板、下料口、下料蓋及電磁鐵組成，如圖6所示。

加種箱體的截面輪廓曲線為渦狀線，用于存儲種子；隔板均勻焊接在加種箱內(nèi)部；下料口上有凹形通道且通過螺栓連接在加種箱口；下料蓋通過鉸鏈連接在加種箱體上；掛鎖扣通過螺釘連接在加種箱體上；電磁鐵位于下料口左右兩側(cè)并安裝在加種箱體上。

1.掛鎖扣 2.加種箱蓋 3.滾筒軸 4.加種箱體 5.隔板 6.下料口 7.下料蓋 8.電磁鐵

向加種箱體中加入適量種子，蓋上加種箱蓋，并掛上掛鎖扣。需加種時，啟動電機一，通過傳動裝置一帶動加種箱體轉(zhuǎn)動，使得其內(nèi)的種子運動。當下料口旋轉(zhuǎn)至落種區(qū)域時，箱體內(nèi)的種子將沿著加種箱體內(nèi)壁運動并填滿下料口；當下料口處于加種箱體的軸線所在水平位置附近時，處于通電狀態(tài)下的電磁鐵斷電，致使下料蓋打開，位于下料口中內(nèi)的種子在重力作用下落入滑種槽一中。此時，位于加種箱體上的電磁鐵又被通電，使得下料蓋被閉合。

3 播種裝置播種效率分析

播種裝置工作效率是衡量播種裝置經(jīng)濟性的一個重要指標，其工作效率與滾筒轉(zhuǎn)速相關(guān)。當滾筒體旋轉(zhuǎn)過快可能導致部分吸嘴難以吸附到種子，也可能導致吸嘴上吸附的種子掉落，導致播種漏播率增高。在保證滿足超級稻播種農(nóng)藝要求的前提下，應(yīng)盡可能提高播種裝置工作效率。

滾筒體旋轉(zhuǎn)1周的時間為1個播種周期，滾筒體旋轉(zhuǎn)速度設(shè)定為20r/min，選擇長×寬為608mm×289mm，32行、14列共448個穴孔的缽體育秧盤，播完一盤育秧盤所需時間為16s，作業(yè)效率可達225盤/h。

4 結(jié)論

1)針對目前精密播種裝置在長時間的播種中容易出現(xiàn)吸嘴被堵塞、播種合格率較低等問題，設(shè)計了一種氣吸振動滾筒式防堵塞精密播種裝置。該裝置由滾筒裝置、落種裝置、振動種盤及加種箱等組成，利用振動使種子群在按一定規(guī)律振動的振動種盤內(nèi)“沸騰”運動；種箱上均勻開有小孔，可以篩除細小的雜質(zhì)顆粒，避免吸嘴被細小雜質(zhì)顆粒堵塞；帶有負壓吸種嘴將種子吸附并攜帶種子進入排種區(qū)，利用重力和正壓進行排種，并通過安裝在滾筒裝置中的導針以實現(xiàn)清理吸嘴中的雜物，有利于播種裝置實現(xiàn)精量、低傷種率的播種需求，可有效防止播種過程中吸嘴堵塞。其播種工作效率可達到225盤/h以上，有利于(2±1)滿足粒/穴及低傷種率的播種需求。

2)設(shè)計了加種箱，在播種前向加種箱中加入適量的種子，加種過程對種子損傷率小、加種效率高，可實現(xiàn)自動精量均勻加種，有利于提高播種性能，實現(xiàn)長時間連續(xù)播種的需求。

3)在保證滿足超級稻播種農(nóng)藝要求的前提下，盡可能提高播種裝置工作效率。通過對設(shè)計的播種裝置分析，得到播種作業(yè)效率可達到225盤/h以上。

[1] 許劍平, 謝宇峰, 徐濤.國內(nèi)外播種機械的技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].農(nóng)機化研究, 2011,33(2): 234-237.

[2] 青先國, 黃大金, 艾治勇.中國雜交水稻產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟發(fā)展戰(zhàn)略[J].湖南農(nóng)業(yè)大學學報：自然科學版，2008，34(6)：618-623．

[3] 張國忠，羅錫文，臧英，等．水稻氣力式排種器群布吸孔吸種盤吸種精度試驗[J].農(nóng)業(yè)工程學報，2013,29(6):13-20.

[4] 翟建波，夏俊芳，周勇.氣力式雜交稻精量穴直播排 種器設(shè)計與試驗[J].農(nóng)業(yè)機械學報. 2016,47(1):75-82.

[5] 楊然兵，張翔，李建東，等.錐體帆布帶式排種器參數(shù)優(yōu)化與試驗[J].農(nóng)業(yè)工程學報，2016，32(3)：6-13.

[6] 陶桂香，衣淑娟，毛欣，等.水稻植質(zhì)缽盤精量播種裝置投種過程的動力學分析[J].農(nóng)業(yè)工程學報，2013，29(21)：33-39.

[7] 李耀明,趙湛,陳進.種群空間分布狀態(tài)對排種器吸種性能的影響[J].江蘇大學學報,2009,30(6):559-563.

[8] Zhao zhan, Li Yaoming, Liang Zhenwei, et al.DEM simulation and physical testing of rice seed impact against a grain loss sensor[J].Biosystems Engineering. 2013, 116(4): 410-419.

[9] 龔智強, 陳進,李耀明,等.吸盤式精密排種裝置吸種過程氣流場中種子受力研究[J].農(nóng)業(yè)機械學報， 2014,45(6):92-97.

[10] 張紅生.種子學[M].北京: 科學出版社,2010.

Design and Analysis of Vacuum-vibration Drum Type Precision Seeding Device

Gong Zhiqiang1， Liu Yongqing1，Wei Ruzhi1， Chen Jin2a， Li Yaoming2b， Zhan Zhan2b

(1.School of Mechanical and Electronic Engineering, Chaohu University, Hefei 238000, China; 2.a,School of Mechanical Engineering；b.School of Agricultural Equipment Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China)

Aiming at the problems of sowing is easy to occur in suction mouth was blocked,and resulting in low seeding qualified rate precision seeding device in the long time,design a vacuum-vibration drum type anti-blocking precision seeding device,which is composed of a roller device,drop device,vibrating seed tray,add a kind of box etc,vibrating seed tray vibrate to make the seed group “boiling”,with negative pressure suction nozzle will absorb and carry the seeds into seed zone, using gravity and pressure rowing seeds,and to achieve cleaning sundries in suction mouth through guide pin is installed on the roller device, which can effectively prevent the process of seeding in suction mouth blocking, achieve the demand of precision and low damage rate in the process of seeding; adding seeds to seeding boxes before seeding, can realize the automatic precision seeding with uniform,seeding damage rate is small and adding efficiency is high in the process of seeding, the requirement of continuous seeding can be realized for a long time, and seeding efficiency can reach over 225 seedling tray/h.

vacuum-vibration; drum type;anti-blocking; precision seeding device

2016-08-11

國家自然科學基金項目(51305169)；安徽省高等學校自然科學研究重點項目(KJ2015A246);巢湖學院博士科研啟動資助項目(KYQD-201403)；巢湖學院校級科研項目(XLY-201403)

龔智強(1983-),男，江西宜春人，講師，博士研究生，(E-mail) gzhq2008@126.com。

S223.2；TH112

A

1003-188X(2017)07-0089-04