基于電磁振動的玉米種子定向排序輸送技術(shù)探析

魏紅梅

摘? ? 要：根據(jù)通過機(jī)器振動實現(xiàn)有序傳輸材料的設(shè)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(tài)變化，對種子進(jìn)行動力學(xué)分析，從而得到可以將種子定向排序輸送的試驗裝置。

關(guān)鍵詞：玉米種子;電磁振動;定向排序;輸送技術(shù)

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

定向播種對于玉米增產(chǎn)有明顯的促進(jìn)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(fēng)條件。實現(xiàn)玉米大規(guī)模機(jī)械化定向播種，關(guān)鍵技術(shù)是實現(xiàn)玉米種子定向排序。而這項研究，無論是國內(nèi)還是國外都處于起步階段，沒有現(xiàn)成資料可以參考借鑒。所以，通過電磁振動對物料進(jìn)行傳輸?shù)脑O(shè)計思路，提出一種可以實現(xiàn)玉米種子定向排序輸送設(shè)計思路，為實現(xiàn)玉米機(jī)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(jìn)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(jìn)行擺動振動。料斗內(nèi)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(fù)扭轉(zhuǎn)式振動，在工作過程中經(jīng)過調(diào)整后就可以順利實現(xiàn)將無序工件進(jìn)行有序排列的目標(biāo)[1]。

2? ?玉米種子定向排序方法

根據(jù)通過機(jī)械振動達(dá)到傳輸物料的設(shè)計思路，物料在機(jī)器內(nèi)部進(jìn)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(jī)械運送玉米種子時，由于種子時刻與運送槽接觸，所以每當(dāng)運送槽振動時，種子都會沿著軌道進(jìn)行短暫的滑動。通過對機(jī)器頻率與輸送電壓的控制，種子就可以平穩(wěn)向前輸送。而扁形、尖頭、圓底的玉米種子可以對其進(jìn)行抽象化理解。種子質(zhì)量集中于胚乳端，即“圓底”。

假設(shè)種子以長軸平行于運動方向，在振動運送槽進(jìn)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(shè)為順行）;以胚乳端，即圓底朝前運動（假設(shè)為逆行）。在設(shè)計裝置過程中，可以使順行與逆行發(fā)生的概率不同，從而調(diào)節(jié)相關(guān)參數(shù)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(jìn)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(chǎn)生輕微的變化，主要分為兩種：一為種子繼續(xù)以順行姿勢進(jìn)行滑動;二為種子在與臺階接觸的同時進(jìn)行180°翻轉(zhuǎn)，變?yōu)槟嫘凶藙荨?/p>

當(dāng)種子在初始狀態(tài)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(dāng)機(jī)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(jī)器振動幅度過大、振動角度過大，都會讓種子從機(jī)器運送槽中飛起，進(jìn)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(jìn)行旋轉(zhuǎn)，從而改變其自身狀態(tài)。如果種子沒有被拋起，將會在沿斜面向下滑動的同時產(chǎn)生一個扭矩，對種子自身的狀態(tài)也會有一定程度的影響。從而得知，種子開始進(jìn)入機(jī)器中，只有當(dāng)機(jī)器的振動幅度與振動角度過大時，才會讓種子產(chǎn)生方向旋轉(zhuǎn)。經(jīng)過試驗可以得到結(jié)論，當(dāng)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(jī)器振動幅度及振動頻率控制種子的轉(zhuǎn)向[2]。

2.2? ?玉米種子逆行定向方法

當(dāng)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(dǎo)致重心前移。同時，在重力、摩擦力與機(jī)器振動共同作用下，種子將會以重心周圍某一點進(jìn)行滾動。如果機(jī)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(zhuǎn)角度超過90°，將會變成順行姿勢進(jìn)行滑動。如果小于90°的翻轉(zhuǎn)角度，將會在重力影響下繼續(xù)以逆行姿勢進(jìn)行滑動。如圖1所示，當(dāng)種子在進(jìn)入機(jī)器瞬間，會從機(jī)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(fā)生改變。當(dāng)機(jī)器施加給種子的力超過種子本身維持自身狀態(tài)的重力影響后，將會對種子進(jìn)行一次翻轉(zhuǎn)，將其狀態(tài)變?yōu)轫樞?。?dāng)機(jī)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(chǎn)生平拋運動，進(jìn)而改變自身的狀態(tài)。經(jīng)過多次試驗可知，當(dāng)種子逆行經(jīng)過臺階時，會發(fā)生繞胚乳的旋轉(zhuǎn)動作。如果在種子進(jìn)行旋轉(zhuǎn)時，對機(jī)器振動幅度及振動頻率進(jìn)行調(diào)整，可以將種子由逆行狀態(tài)翻轉(zhuǎn)為順行狀態(tài)，從而讓種子以順行狀態(tài)進(jìn)行滑動[3]。

2.3? ?臺階高度對定向效果的影響

當(dāng)種子大小和質(zhì)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(zhuǎn)點，對自身進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，破壞原本的順行姿態(tài)。而且，增加臺階高度后，種子落到滑槽會產(chǎn)生二次翻轉(zhuǎn)，導(dǎo)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(zhuǎn)。所以，增加臺階高度，可以讓種子進(jìn)行順時針翻滾，破壞順行狀態(tài)下種子運動趨勢，阻礙逆行狀態(tài)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(jié)果都有影響。經(jīng)過多次試驗發(fā)現(xiàn)，臺階高度設(shè)置在2～6 mm時，對于種子翻轉(zhuǎn)有穩(wěn)定且定向的效果。

3? ?試驗結(jié)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(xiàn)搭建起一個簡單的基于電磁振動原理對玉米種子實現(xiàn)定向輸送的試驗裝置。當(dāng)電磁鐵線圈有交流電進(jìn)入，就會在電磁鐵表面產(chǎn)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(jìn)行前后滑動，使得種子實現(xiàn)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(zhuǎn)進(jìn)行動態(tài)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(biāo)，即順行未發(fā)生超過180°轉(zhuǎn)動，逆行發(fā)生180°轉(zhuǎn)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(jìn)行試驗。試驗裝置通過50 Hz頻率交流電進(jìn)行供電。由于頻率比在0.95時，振動效果最好，所以設(shè)計頻率比為0.95。試驗?zāi)繕?biāo)是在相同試驗條件下，對于結(jié)果順行與逆行種子定向排序比例作記錄分析。即當(dāng)種子順行運動時，統(tǒng)計最后仍是順行姿勢的試驗數(shù)量;當(dāng)種子逆行運動時，統(tǒng)計最后變?yōu)轫樞凶藙莸姆N子數(shù)量。每組試驗選取300粒大小、質(zhì)量、形狀類似的玉米種子，其中150粒保持順行姿勢進(jìn)行試驗，另外150粒保持逆行姿勢進(jìn)行試驗。進(jìn)行5次重復(fù)性試驗，對于結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計，記錄順行與逆行種子數(shù)量，并選取5次試驗的結(jié)果平均值作為試驗結(jié)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(zhuǎn)有顯著影響。當(dāng)臺階高度增加，逆行種子發(fā)生翻轉(zhuǎn)的概率也在增加。但是對于質(zhì)量較輕、形狀不規(guī)則、大小不均勻的種子，結(jié)果則無法預(yù)知。順行種子也會產(chǎn)生翻轉(zhuǎn)概率。而滑槽傾角增加，會讓種子增加向前傾斜的趨勢，發(fā)生翻轉(zhuǎn)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(chǎn)生二次或多次翻轉(zhuǎn)，對于輸送極不穩(wěn)定。

3.3? ?振動幅度和振動頻率

對于逆行種子，機(jī)器的振動幅度越大，越有利于種子翻轉(zhuǎn)，同時會發(fā)生平拋運動。而對于順行種子，機(jī)器振動幅度越大，種子越會發(fā)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(zhuǎn)不充分。振動頻率則對試驗結(jié)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(jìn)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(jìn)行順行和逆行姿勢試驗，并進(jìn)行5次重復(fù)性試驗。結(jié)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(jié)論

根據(jù)玉米定向播種對于產(chǎn)量有積極作用的理論，與玉米種子形狀進(jìn)行聯(lián)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(jìn)行試驗。因為種子在傳送帶上進(jìn)行輸送時會被拋到空中，落地時會有短暫的滾動。在調(diào)整各個試驗相關(guān)參數(shù)后，就可以實現(xiàn)種子不重復(fù)翻轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)種子定向排序輸送。

參考文獻(xiàn)：

[ 1 ] 權(quán)龍哲，王建宇，王旗，等.基于電磁振動與卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的玉米品質(zhì)精選裝置[J].江蘇大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2020，41（3）：288-293，313.

[ 2 ] 史立新.玉米定向精播種粒品質(zhì)動態(tài)檢測方法研究——基于計算機(jī)姿態(tài)識別[J].農(nóng)機(jī)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(jié)構(gòu)設(shè)計[J].時代農(nóng)機(jī)，2018，45（12）：246，248.

[ 4 ] 夏紅梅，周士琳，劉園杰，等.扁平茄果類種子導(dǎo)向振動供種裝置設(shè)計與試驗[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2020，51（9）：82-88.