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湖 南 农 业 大 学 全日制普通本科生毕业设计 滚筒气力式烟草 排种器 设计 F 生姓名 ： 毛利成 学 号： 200940615111 年级专业及班级： 2009 级 农业 机械 化 及其自动化 （ 1）班 指导老师及职称： 谢方平 教授 学 院： 工学院 湖南长沙 提交日期： 2013 年 5 月 1 滚筒气力式烟草排种器设计 学 生：毛利成 指导老师：谢方平 （湖南农业大学工学院，长沙 410128） 摘 要 ： 排种器是实现精密播种技术的核心部件，其工作性能的好坏直接影响着 烟草工厂化育苗的 播种精度、均匀性、种子的出苗率等。由于滚筒气力 式排种器具有对种子尺寸要求不高、不伤种子、通用性好、适应性强的优点，且易于提高播种速度，实现自动控制，是一种较为先进的排种装置，已成为当前国内外精密排种器发展的主要方向之一。本文在对国内外现有的精量播种装置进行深入研究的基础上，分析了多种形式的排种装置的优缺点，完 成了滚筒 气力 式 烟草 种子精量播种装置的机理和参数化方面的理论研究。通过建立种子在吸种孔处受力的力学模型， 得到了播种装置设计的主要结构参数。 关键字 ： 滚筒气力式 ； 精密播种 ； 烟草种子 As of s of of of to to of to of of to 1 前言 烟草育苗是烟草生产过程中的首要环节。 随着我国烟 草 生产规范化的进 一 步完善，育苗技术 也 有了较大程度的提高。近几年，工厂化育苗技术得到广泛应用，此方法能显著提高烟苗素质 ， 降低生产成本 ， 节省耕地 ， 减少育苗和移栽用工量，有效提高烤烟产量和质量 ， 增加经济效益。 工厂 化 育苗技术是指选择适宜的固定场所，采用塑料大棚盘式育苗技术， 以现代化，企业化的模式组织种苗生产和经营，从而实现种苗的规模化生产。 种子 播种 是育 苗过程 中的关键性作业环节， 而烟草种子排种器在工厂化烟草育苗中所起到的作用就显得尤为重要 。 因为它不仅实现了烟草育苗的精量播种，而且还对降低成本、提高效率产生了积极的作用。 烟草种子排种器要实现烟草种子的精密播种，精密播种可以保证种子在 种盘 拥有最合理的分布，播种量精确、 播深一致， 为种子的生长发育创造了最佳条件 ，为培育壮苗提供坚实基础。精密播种是为了适应现代农业发展的需要而提出的， 世界各国都很重视精量播种技术，发达国家以基本实现大、中粒作物的精量播种，节本增效显著。 由于 烟草等小颗粒作物种子 其籽粒小，力学性能差，易破 碎等原因，同时精良排种困难、排种后均匀性较差、容易破碎等难题，有些技术已应用于生产，但由于结构复杂、成本高，至今还没能实现大规模的推广 1。因此对烟草 种子 的精播技术有待进一步研究。 课 题来源 结合科研课题 （省烟草局） 课题名称：烟草 全程生产机械化中 育苗播种流水线研究 研究目的及意义 随着种植业对生产质量 和效率的高要求以及精密农业的快速发展，我国各地的工厂化育苗技术在经济作物、蔬菜、花卉等小颗粒种子育苗上迅速发展起来。工厂化育苗的重要性已日渐凸显， 并逐渐提到议事日程上来。 自动精密播 种生产线是工厂化穴盘育苗的关键设备，国外原有成熟的产品，而国内的研究则相对较晚，多数是引进国外的产品，但其价格比较昂贵，因此，研制开发一种新型、可靠、廉价的滚筒 气力 式精密播种机是非常必要的，在我国具有广阔的市场空间和应用前景。 工厂化育苗的播种作业要求精度高，空穴率和重播率必须低，因而穴盘精密播种是工厂化育苗的关键环节之一。 精密播种机由于节约良种、不用间苗、田间植株均匀等优点，正受到越来越多的关注和研究，现在种子直径较大的如棉花、小麦、玉米、土豆等中耕作物的排种器研究已很深入，但是对于小颗粒种子的排种器的研 究还有待3 加强。现有排种器产品也存在不少问题，例如机械式的排种器存在对种子尺寸形状要求高、伤种严重和播种效率低等缺点，而气吸式的排种器存在型孔堵塞、排种不精确、漏气等问题。 烟草作为小颗粒种子的重要 经济作物 ，其 排种器的设计具有重要的发展前景和广阔的应用领域 2。 目前 ,我国烟草播种方式以手工播种为主 ,不仅费时费力 ,劳动效率较低 ,而且还严重影响了烟草育苗的质量。随着农业机械化发展，这种以手工为主的播种方式必将被高效作业、精量播种的机械化模式所取代。但是由于烟草种子其籽粒小，力学性能差，易破碎等原因，同时精量排种 困难、排种后均匀性差、容易破碎等难题，机械播种并没想象中那么容易实现，机械播种技术难以得到突破。即使有些技术已应用于生产，但由于结构复杂、成本高，至今还没能实现大规模的推广。目前代表我国精量播种机研制水平的主导机型主要有两种结构型式：一是槽轮 (或窝眼轮 )式播种机；二是气吸盘式播种机。前者播种均匀性差，精度较低，难以满足每穴 1 2粒种子的要求且易伤种，不适宜播经过催芽的种子。后者结构比较简单，制造和使用容易，但由于手工操作，生产率较低。 而气吸式滚筒型排种器，囊种效率高，播种精度 l 2粒种子的入穴率可达到 90以上。同时要具有结构相对简单，效率较高，不易堵塞，成本较低等优点。因此，研究气吸滚筒式排种器是实现小颗粒包衣种子精密播种的有效解决方法和重要发展方向3。 精密排种器技术的落后是制约我国小颗粒种子种植机械化发展的重要原因，研究小颗粒包衣种子精量播种装置对促进我国小颗粒种子的生产机械化进程具有现实意义。 国内外排种器研究现状 国外研 究现状 欧美等国从 50年代后期开始出现气力式精密排种器。近 10年来，新机型不断涌现，通用性、播种精度和效率不断得到提高。 法国 0世 纪 90年代末开发的 核心工作部件 (排种器 )采用多种材料偶联技术，排种器壳体和排种器盖均采用铝合金精密压铸，排种盘采用不锈钢板和激光钻孔新工艺，具有平面度精度高、耐磨性好和抗腐蚀等优点，在排种器上还采用了高强塑料减磨密封环、黄铜精铸剔种刀、清种刀和搅种轮，不仅确保了种盘与吸气通道的密封性，而且提高了排种器的播种性能和使用寿命。 德国 条件、不同作物和不同农艺要求的播种作业，具有较高的生产率及可靠性，播种机上 的吸风机除了使用动力输出轴驱动外还可用液压马达驱动。 0世纪 90年代末生产的 准农业 高新技术系统，将卫星定位、地理信息、专家智能和遥感技术相融合，可根据土壤肥力和含水量等条件的变化，实施变量播种和施肥，达到节约种肥、优化生态环境和降低成本的目的，它采用了高性能、低噪音的马达液压驱动风机，实现了风机转速的无级调速，可适应不同作物、不同压差的播种需要，提高了排种器的吸排种性能。 除此之外， 气吸式代表机型 还有 意大利 P 悬挂气吸式播种机 ；气压式代 表机型如美国阿里斯恰默斯公 司生产的 压侧充式播种机 ；气吹式排种器 代表机型如德国贝克公司生产的 吹式播种机 2， 4。 国际上先进的精密排种器普遍采用了气力式工作原理，正朝着大型、高效、操控电子化方向发展，先进的液压技术、电子技术、通讯技术以及新型材料、加工工艺正逐步应用到精密排种器上，工作效率和精度不断得到提高 4。 国内发展现状 小粒径种子作物 包括烟草、油菜等， 在我国作物种植中有着 重要的地位。 我国在20世纪 80年代初期开始气力式精密排种器的研发工作，最近几年这一技术得到了迅速发展。 1991 年，中国农业工程设计研究院最早研制了一台 2盘精量播种机，采用的是机械式排种器，可用于蔬菜和一些花卉的播种， 但对外表不够光滑接近球形的种子需要丸粒化包衣处理； 1997 年，农业部南京农业机械化研究所研制了一种振动气吸式播种机，可满足每穴 12 粒精量播种的要求，空穴率在 3%以下，合格率在 90%以上； 1999年，新疆天业集团为解决番茄酱生产基地的播种需求， 从美国引进了 机当时属世界先进的精量播种机，通过 60 公顷的番茄播种试验发现，该机播种量仅为 150穴率仅为 2000 年，上海交通大学研制出一台真空吸附式精量播种流水线，系统自动化程度高，日播种量 12 万粒以上，且能适用于不同形状的小粒种子； 2003 年， 安徽省天长市研制了一种 8 型油菜数控直播机采用电子装置控制播量，每穴 1 3 粒，结构设计紧凑，动力仅靠 6V 直流电瓶供给，行走考人工推动，每台机仅重 15机比较适合于小块田地的播种，大面积播种时候效率偏低； 2004 年 ，湖南农业大学与现代农装株州联合收割机公司研制了一种 26 型油菜免耕直播机，采用新型型孔轮式排5 种器，可实现油菜的穴播，并解决了免耕直播土层覆盖的问题，不足之处是排种器的振动对播种效果存在一定的影响； 2004 年，胡建平等针对蔬菜、花卉类小粒径种子精密播种问题，利用磁吸式排种原理，设计了一种磁吸滚筒式精密排种器， 以磁粉包衣油菜种子为试验对象进行试验， 试验证明磁吸头工作电流是影响排种性能的主要因素 。该机型具有较高的播种精度和对不同类型种子的良好适应性 ； 2007 年，王希强等针对油菜籽的排种问题，研究了气吸 滚筒式精密排种器，对该排种器的吸孔吸种半径进行了理论分析和推导，得出了滚筒上吸孔的吸种半径与吸孔直径、负压大小、种子密度及种子大小有关的结论； 2007 年，廖庆喜等学者研制了一种正负气压组合式精量排种器，利用负压吸种同时在投种区利用正压将种子吹出，克服了小粒径种子由于自重较轻，依靠重力难以自由下落的问题，可以实现油菜等小粒径种子的单粒精量播种，并在此基础上研制了 22008年，夏红梅等对气力滚筒式穴盘播种机按单刚体系统对种子的吸排种过程建立动力学模型，得出了增大气流量、提高种子与 滚筒间的摩擦系数、减少种子与吸孔的距离可大大提高吸附效果的结 论；2009 年，赵湛等对气吸振动式排种器进行工作机理研究和性能试验分析，推导出了种子与种盘二自由度碰撞振动系统周期运动的 射，模拟了振动种盘内种群的三维运动规律， 为气吸振动式精密排种器的理论研究提出了新方法。 内蒙古农牧业机械化研究所研制的 牧草播种机采用摩擦盘式排种器，根据弹性材料与种子间的摩擦实现小粒种子的播种， 性能优于外槽轮式排种器；山西研制了一种滚筒式牧草播种机，将种箱和排种装置制成一体，通过滚筒转动 的方式完成扎孔、排种、覆盖过程，种子通过自重流入排种管，可用于苜蓿、谷子的条播；王振华，李中华研制的 一个中央外槽轮排种器集中给分配器供料，高速气流将种子吹到分配器分配到各行下种管，可以实现苜蓿等小粒径种子的条播，但气流的变化会影响到各行播量的均匀性。 张宇文等研制了一种多功能精量排种器并对其排种机理进行了探讨，提出了防堵的方法；连银娟等所研制的滚筒式油菜播种机 ， 滚筒孔内侧制成喇叭状以防堵塞；吴崇友等研究开发的异型窝眼轮排种器，其核心为异型窝眼 孔孔形 、 窝眼孔的布置方式和清种部件 ， 通过合理的型孔结构和尺寸保证其充种和排种性能；陈海英等设计了一种镶嵌组合式排种器，不同孔型的镶嵌块与主、副槽盘进行双列或者单列组合配置，试验发现排种轮型孔直径与深度 、 引种槽与退种槽的倾斜角和深度 、 刷种板与窝眼轮之间的间隙等是影响播种质量的关键。 6 近年来 ， 学者们对精量播种技术的研究不断探索新的方法和思路 。 例如：袁月明 ，马旭等学者采用高速摄像技术研究了气吸式排种器充种和投种的全过程，采用 对研究气力式排种器内部流场及 种子在排种器中的运动情况提供了新的方法；陈进，李耀明等学者分别利用 用计算机模拟的方法揭示了不同形式的吸孔对播种效果的影响，刘文东等采用基于 和 件的虚拟样机技术对磁吸滚筒式精密排种器排种过程进行了仿真，得到了种子在排种过程的运动规律和受力变化及滚筒转速 、 励磁电流强度和取种位置角对种子排种运动的影响规律 2 由上可知 ， 对于机械式排种器种子受力与运动规律的研究已经比较成熟，以合格指数 、漏播指数、重播指数 、 破碎率等指标量化排种器排种效果的评价体系趋于完善。 对小粒径种子气力式排种技术的研究有待于综合运用高速摄像技术、数值模拟和计算机仿真分析等手段探究气力式排种器气流场与排种器、种子的气固耦合机理，明确气流场与排种器结构的相互影响，研究种子受载、变形及其破损过程和种子的运动规律，以及对气力充种、清种与种子运动情况等进行深入探讨 2。 研究内容 在气力式排种原理的基础上研究一种正负气压组合式 适合小粒径种子的 精量直播排种器。通过系统分析排种器的工作原理、工作过程及其种子的动力学特征 ，得出包括型孔形状及孔径、型孔排数、真空度、排种滚筒的转速 等影响排种器性 能的要素，并确定排种器的结构参数。 具体内容和实施方案如下： （ 1） 确定滚筒 气力 式精量播种装置的工作原理、工艺及结构设计。 （ 2） 滚筒 体的设计。根据标准种盘尺寸和种子物理特性来确定滚筒体的设计参数。 （ 3） 种箱的结构设计。 结合滚筒气力式 烟草种子排种器 的工作原理，对种箱的结构进行了设计，确定了最佳的种箱形状、结构参数以及配合间隙，设计了滚筒与种箱之间配合间隙的凋整装置。 （ 4） 排种器工作过程动力学分析。由于气力式排 种器主要 是 靠正、负气压来完成排 种 和 吸 种 的 ， 因此需要根据 排种器正常工作的条件及烟草包衣种子自身形状特点，对排种器各工作过程进行动力学分析 。 （ 5） 相关组件的设计和校核。 运用 机械设计 和材料力学的相关知识 进行关键部件的设计计算 。 2 总体方案的确定 7 工作方案 采用机械式排种器，易受机械式排种机构的作用引起包衣种子的破损，而采用气吸式、气压式、气吹式三种中的任意一种方式又难以有效的保证排种器的充种和投种效果，从而影响排种器的性能。为了解决以上问题达到研究目的，本课题有机结合了气吸与气吹两 种方式，研究了一种正负气压组合式烟草包衣种子精量直播排种器。 所研究的气力式精量排种器与传统的机械式排种器相比能更有效的避免型孔的堵塞和种子的破损问题，保证排种器的充种和投种效果 ，并实现一气两用 8。 所设计的排种器具体工作过程如下图 1所示 : 图 1 工作流程图 of 传动方案 滚筒转速的大小应保证在排种质量合格条件下的最佳工作速度。一方面，滚筒转速越高，种子的离心惯性力越大，气吸室所需的真空度越大，为防止出现漏吸，就需要适 当提高风机的转速；另一方面，随着滚筒转速的提高，吸孔与种子的接触时间缩短，使得部分吸孔由于来不及吸种或吸种不充分脱落造成空穴，合格率下降，也需要适当提高真空度，但真空度的增加，有能使重播率增大，进而增加清种的压力 9。因此，为保证气吸式排种器的排种质量，滚筒的转速应综合选择。变速器具有结构简单，制造方便，工艺要求不高，操纵非常简单的特点。根据需要滚筒式排种装置将采用链轮传动，滚筒转速和传送带的传送速度之间的传动比，加上一个减速器连接到调速电机上，再通过传动轴带动链轮传动使滚筒转动。 根据本设计装置的需要， 传动装置主要由调速电机、轴、减速器、链轮、链条组成如图 2所示，调速电机提供动力，通过减速器，链轮传动将动力传送到滚筒上。其选用的主要参数为节距为 筒轴上的链轮选用 13齿，减速器轴上的链轮选用13齿的链轮。链条的链号选用 08 8 图 2 传动方案 总体机构及工作原理 滚筒 气力 式精密排种器总体结构及原理 滚筒 气力 式精密排种器总体结构 本文 所 设计的滚筒排种器结构主要由吸排种滚筒、传动系统、 中心 轴 、 排种箱、和机架等组成，其中电动机由变频器控制，并通过链条、链轮驱动滚筒，使滚筒能实现无级调速。 中心轴与排种滚简间靠轴承连接配合可以实现滚筒与轴的相对转动，同时轴的两端与播种机架相连，起到支撑连接作用 ； 排种滚 筒 上分布有吸孔，实现吸种、排种；吸室又分为负压区和 常 压区两部分，中间由吸室隔板隔开。其中负压区占据了吸室的绝大部分，与吸种、携种过程对应； 常 压区体积较小，伴随整个投种过程；负压风管与风机负压端相通，为负压区提供所要求的风压。 1、机架 2、支承座 3、中心轴 4、紧定螺钉 5、平 键 6、密封圈 7、左端盖 8、滚筒 9、螺钉 10、右端盖 11、轴承 12、链轮 13、紧定螺钉 14、隔板 15、壳体 16、接种槽 图 3 排种器结构示意图 of 滚筒 气力 式精密排种器的工作原理 农业物料种子通常呈现散体颗粒状，其机械特性介于固体和流体之间，自然状态下，种子之间存在着负载的挤压和摩擦作用力，力的大小与种层厚度、摩擦系数有关，且特定种子的内摩擦系数为常数。通过给种盘施加小幅高频振使种群在种盘内产生向调速电机 减速器 链传动 滚筒 9 上的抛掷运动而相 互分离，则种子之间的作用力由静摩擦转变为动摩擦，流动性增强。通过合理调节种盘振动参数，种子呈现“沸腾”状态，可以显著减小吸种阻力 10 根据排种器的设计，排种器的滚筒被隔板分为负压吸种区和零压排种区。滚筒为悬臂梁结构，一端与转动端盖用紧定螺钉连接，通过端盖与链轮相连实现转动，另一端与固定端盖间隙配合，通过密封圈密封。固定端盖上焊接隔板，通过隔板与大气相通，形成常压腔。滚筒表面的吸孔与真空室相通。零压区通过隔板、固定端盖与大气相通。播种时，空气压缩机通过空心轴上的吸孔吸走滚筒内腔的空气，产 生负压，使滚筒上吸孔的两端形成负压差。滚筒绕固定轴转动，当吸孔经过种子箱时，种子在吸孔负压差的作用下被吸附在吸孔上随滚筒一起转动。当滚筒转至正下方隔气板所形成的零压腔时，筒内外压差为零，种子在自重的作用下落入育苗盘穴孔中，实现精密播种，工作原理如图 4所示。 图 4 工作原理图 of 筒体主要是由无缝钢管经过加工而成， 模型可有其他材料代替， 通过 加工而成对应穴盘的吸种孔，通过链轮实现转动。 滚筒轴固定，主要作用是实现抽气作用形成负压室 及支撑滚筒的作用 12 要设计参数 (1） 根据标准种盘尺寸 (534278数 8 16来确定滚筒的外形尺寸； (2）根据生产率 600P/h 和滚筒尺寸来确定滚筒转速； (3）根据种子特性（通过实验测得种子三轴平均粒径 粒重 止角 漂浮速度 s。）、生产率 600P/h 来确定滚筒内的真空度大小。 4 结构设计与分析 排种器性能由其工作参数决定 ,为了得到合适的工作参数，需要对其主要因素进行10 分析计算与相关参数的确定。 其中主要 内容 包括 :对 排种 滚筒体设计、排种箱设计、中心轴设计、换气装置设计、风机的选择以及传动装置设计等等 17 滚筒体设计 滚筒尺寸 根据烟草种子育苗盘尺寸（ 534278数 8 16来确定滚筒尺寸参数，以 满足排种滚筒每旋转一周播种一盘 。 假设 排种器的 生产效率为 600P/h，则： （ 1） 滚筒的直径 D： D=L/34 （ 2）因 排种滚筒的长 需 满足 L钵盘的宽 278以取： L=300 （ 3） 壁厚 2 滚筒的吸孔 形状及孔径 常见的吸孔形式主要有直孔、锥孔、沉孔，其结构如图 5所示 20： 图 5 吸孔形式 of 据理论分析和试验结果可知，在相同工作参数下，锥孔的垂直吸种距离、径向吸种距离和吸种空间体积均大于直孔和沉孔，具有较强的吸种能力，吸种合格指数也较高。 由负压室吸孔的吸附力计算公式可知，吸孔直径的大小对负压室所需的真空度较高，及在真空度相同的条件下，小孔径吸孔易使吸附力不够会造成空穴增加，而在吸孔直径相同的条件下，真空度越大则重播率增加。因此， 为降低空穴和重播，就需要选择适合于烟草包衣种子的吸孔直径。根据经验公式确定吸孔孔径： d=(b （ 1） 式中： 根据实验测量，知包衣种子平均宽 b= 则 d= 取 d= 滚筒吸孔的周向排数 11 对于气吸滚筒是播种器而言，提高工厂化育苗生产率的途径只要有两个：一是增加气吸滚筒的转速，二是增加气吸滚筒上的吸孔周向排数。气吸 滚筒上吸孔的周向排数不变时，提高生产效率意味着滚筒的转速增大，则吸孔完成过程吸附的时间相对缩短，种子的吸附几率则会大大降低，造成吸种过程中空穴率上升而合格率下降。如滚筒转速一定，增加吸孔的周向排数，卸种频率会相对增加，滚筒吸孔的周向排数过多时，则负压降低，导致吸种能力和合格率的下降，其原因是吸孔总面积增加，负压室泄漏过多，负压室压力损失增加，降低了吸种能力，另外滚筒周向上两排孔之间的距离缩短，气流互相有影响，也影响了负压室气流的稳定。 综合考虑选用周向排数为 16排的滚筒。 最终所设计滚筒如图 6所示。 图 6 滚筒模型 滚筒内的真空度 吸孔孔径大小对所需真空度影响很大 。 吸孔孔径小则需要较高的真空度 ； 气室真空度与种子物性之间也有一定的关系 ,质量愈大 ,形状不规则以及流动性差的种子 ,所需的真空度就愈高。另外排种盘转速越高 ,离心力也越大 ,在其他条件不变的情况下 ,如提高排种盘转速 ,须相应地提高真空度 ,以免漏播增多 ,此外 ,提 高排种盘转速 ,或者虽已吸住种子 ,但因受到其他种子的碰撞及冲击比较大 ,容易脱落而造成漏播 ,为此也应适当提高真空度 ,但真空度提高 ,又有可能使吸孔不只吸一粒种子 ,从而增加了重播指数 ,结果使排种性能降低。 综合考虑以上几方面的因素，真空度为 2 4据计算公式 （ 2） 得 ，符合实验要求。 4420m o 12 滚筒的转速 提高播种机的作业速度 ,对于气吸式排种器关键在于提高排种盘的转速 ,但是排种滚筒的转速不能超过一定的限度 ,因转速过高 ,充种时问过短 ,种室内的种子来不及吸到排种盘卜 ,而造成漏播 ;另外转速过高 ,排种滚筒的线速度增高 ，种子所受的离心力增大，使种子飞出，影响播种均匀性。实验结果表明，滚筒线速度不宜超过 s。 根据公式 ,符合实验结果。 排种箱设计 播种机的核心部件是排种器，但种箱也是必不可少的，现有的蔬菜穴盘排种器按工作原理来分主要是机械式、气力式和磁力式。气力式排种器跟其他排种器相比具有不伤种子、对种子外形尺寸要求不严、整机通用性好等优点，比较适宜蔬菜播种。而种箱作为播种机上的部件，对于实现吸种具有十分重要的意义，可以保证精密播种机的单粒率、尽量减少重播率和漏种率。 目前，国内的水稻滚筒播种机采用种子箱作为其供种装置，体积比较大，适合大量种子的要求。但是由于蔬菜种子较小一些，而且价格远高于水稻种子，要 设计体积比较小一些的供种箱以适合其精密播种的要求。一般要保证播种机能够连续工作 2h，平均每小时按播种 600盘的工作效率计算，每盘需要大约 130粒种子，则需要大约 156000粒种子，这些种子所占的体积为 387供种箱要比此要求稍微大一些，所以设计供种箱的容量为 420了保证每个吸种气孔附近都有种子的平均分布，供种箱的宽度要比 8个吸种气孔的总距离稍微大一些，吸种气孔的间距为 35的距离为 7个间距长即 245此取供种箱总体长度为 270度为 种箱上还要安装清种装置，本研究 选用毛刷式清种器，清种装置安装在滚筒离开种箱时种箱的位置上，当吸孔通过时，毛刷将多余的种子清下，并使其落人种箱中，而且此清种装置可以任意调节其与滚筒之间的距离和角度，更好地调节最佳清种位置，提高播种的单粒率，减少其重播率。供种箱后面用 2个底座通过螺栓连接在播种箱的机架上。综合上述的要求，设计的供种箱结构如图 7所示。 种箱绕中心轴可调 该种箱在设计时应考虑其要满足绕中心轴能调节，为了满足其目的，在种箱的箱体两侧加两块侧板，种箱左侧有步进电机带动滚筒转动的链条，因此侧板设计成跨越式，从链条上面跨越 过去。侧板的一头设计成与中心轴同心的圆形，这样可以满足侧板绕中心轴转动。侧板的外侧再加上两个滑槽，滑槽的弧度应满足与滚筒同心，其底端的两块底板用螺栓与机架固定住。箱体通过螺栓与侧板、滑槽连接，这样箱体就可 13 1、侧板固定架 2、清种装置 3、箱体 4、底座 5、滑槽架 6、内侧底板 7、密封板 图 7 种箱结构图 通过滑槽绕中心轴转动，满足设计要求 。 种箱与滚筒 轴间 距可调 由于在工作时种箱与滚筒之间会产生摩擦，为了防止摩擦过大，种箱和滚筒接触之间会加一些如毛毡一样的摩擦因数比较小的密封装置。为了更好地调节其间的距离，在箱体两侧加工两个槽口，箱体可以通过这个槽口调节种箱与滚筒之间距离的大小，以满足其中心距可调。 箱体的形状 设计 种箱是用来盛放种子的，将种子按一定的方法放入箱体中，种子本身具有自然休止角，若将箱体的底部设计成水平结构，种箱中处在远离滚筒部位的种子就不能够被吸孔吸到。所以，种箱的箱体底部表面应具有一定的倾斜角度，以保证种子能够顺利地流向滚筒壁，从而使播 种器能够连续的播种。试验表明，当箱体的底部表面倾斜角度大于 27 时，能够保证种子顺利地向滚筒方向流动，本箱体底部表面倾斜角度为30 ，满足此要求。 另外，由于滚筒上吸 孔 取种的位置将直接影响到吸孔的吸种准确性，所以种箱高度也是一个重要的设计参数。研究中发现，吸孔吸起滚筒外壁垂直距离较高的种子比相对位置较低的种子更加容易，所以在安排种箱和滚筒相对位置时，可以将箱体底部靠近滚筒处安排在滚筒中心轴轴线所在水平平面内，以便于吸孔吸种和取种 22,23。 14 中心轴设计 中心轴（ 如图 8所示） 主要作用是抽掉滚筒负 压室的空气，形成真空度为 4时支撑滚筒体。 图 8 轴 换气装置 设计 换气装置属于悬臂梁结构，由左端盖、隔板、通气轴三部分组成。通气轴与支承座过渡配合固定在支架上不动，左端盖与滚筒间隙配合，通过轴套固定在通气轴上，隔板焊接在左端盖上。滚筒与右端盖通过紧定螺钉连接随链轮一起转动。 换气装置的工作过程主要是通过通气轴左端与风机相连将滚筒内吸出的空气抽出，使滚筒吸种的气室达到负压状态。隔板与左端盖焊接并与大气相通形成常压室。 端盖设计 左 端盖固定不动，与滚筒间隙配合，在端面开一个口，与隔板相配合实现与大气相通。右端盖通过紧定螺钉与滚筒连接，再通过螺钉与链轮相连带动滚筒旋转。 风机的选择 现设吸孔的通孔内的气流平均速度为 已知通孔内外的气压差 P= 4据流体力学原理，吸孔内的阻力系数为： (3) 由 上 式可求得： (4) 当吸孔直径为 3 =插值法得 =代入数据得s。 通过单个吸孔的空气量 10s 22 24115 气源总的流量 00 h 则风机型号为： 要参数：吸力 12率 800w，额定电压 220v， 50 风机实物图如图 9 所示。 图 9 风机 传动机构设计计算 根据需要滚筒式排种装置将采用链轮传动，传动装置主要由电动机、调速器、链条、链轮组成 24。 原动机的选择 所需电动机的功率 ： （ 5） 滚筒的转动惯量估算 : （ 6） 式中， g重力加速度， 2/81.9 G 系统旋转部分的重量， N 系统旋转部分的半径， m D 系统旋转部分的直径， m 系统旋转角速度 ，与每分钟转数 (7) n16 将 代入（ 5）式，整理得 ： 1 (8) (9) 总效率 ： 链轮（ 10） 电动机功率： (11) 选功率为 250要参数为：额定功率 250W，级数 4,同步转速 60r/定电流 2A，功率因数 为 大额定转矩为 1.7 。调速范围为： 5 排种器工作过程动力学分析 影响气吸式排种器排种性能的因素很多。包括如排种滚筒结构、吸室结构、充种区部位以及充种仓种子层的厚度等排种器结构因素，还包括直接影响排种性能的吸室真空度大小、吸孔孔径大小及排种滚筒线速度等等。由于气吸式排种器主要是靠吸力完成种子从种室内分离出来及充种、携种的，因此需要根据排种器正常工作的条件及油菜籽自身形状特点，对排种器各区 域进行动力学分析，即排种滚筒吸孔所需吸力的大小与种子运动有关因素的相关系对排种性能的影响。按照排种器工作过程的特点，将排种 滚筒整个圆周可 划分为充种弧段 、 携种弧段 和 投种弧段 三个弧段 。排种滚筒绕吸室逆时针旋转 ,在 充种、携种弧段 吸孔与吸室负压相通。在 充种弧 段依靠吸力取种 ，携种弧 段种子仍处于吸附状态 ， 起到护种作用。在 投种弧段 解除负压 ，甚至可 同时施加正压 优化投种效果， 完成投种过程。 吸孔前流场分布规律 如图 10吸孔处气流流场呈放射状 ,且在以锥顶 O 为中心的球面上气流速度大小相等 , 其值取决于吸种距离 (吸孔前 种子所在位置与 O 点的距离的大小 )。吸种距离为 气流流经截面的球冠面积 c o (12) 式中 : 2 为吸孔锥顶角； h 为球冠高度。 0 7 5 17 P 为距锥较远区域压强； x 为吸种距离； 2 为锥顶角； O 为锥顶； h 为球冠高度 图 10 吸孔前的流场分布 0 up of 据流量公式可推导出吸种距离为 x 时的气流流速 (13) 式中 Q 为空气流量。 式 (5明 ,吸孔前的气流并非均匀的定常 流 ,其速度、压强随吸种距离的变化而改变 ,越接近吸孔口附近 ,速度变化梯度越大 ,根据伯努利方程 ,吸孔口附近压强梯度较 大。 吸种最小真空度分析 理论上气流速度大于物料悬浮速度是保证物料正常向上运动的基本条件。气流速度等于物料悬浮速度时为临界状态 ,此时吸孔前气流速度 (物料悬浮速度 )为 种距离为 相应吸孔内的真空度为能吸附种子所需要的最小真空度 ,设为 距吸孔锥顶较远区域压强为 P ,其值等于大气压 ,此处速度为 0 ,根据伯努利方程： 2m .0 ii （ 14） 由连续方程可求得临界状态时吸孔内气流速度 (15） 由式 (14) 、 (15) 得 : (16） co x 4420m 2 00c o 18 可见，能吸附种子的最小真空度与吸孔参数 ( 、 和吸种距离 x 有关。参考测定参数 ,悬浮速度为 s , 吸种距离 3 吸孔直径 2 为 90，常温下为 代入计算得到最小真空度为 真空度为 4 种子受力分析计算 种子被滚筒带出时受力 图 11 种子受力分析图 1 on 种子被 吸附住后，除受到吸力 P、重力 G、支持力 受到惯性和离心力 滚筒对它的摩擦力 作用。种子在摩擦力 作用下，被滚筒带出种箱的条件是在切线方向有： 摩(17） 摩擦力 用下式表示： t (18）将 (5入（ 5有 ： (P+ (19） 式中： 吸孔附近种子与滚筒的摩擦角 种子与滚筒轴线所在水平面的夹角。 式（ 5是种子在吸孔气流作用下被滚筒带出种箱的条件。如果贴在滚筒上种子距离吸孔较远，这时 0 P 。当滚筒转速较低时，惯性离心力 可以忽略不计。这时式（ 19）可以写成下式： (20） 式（ 5明，当种子与滚筒的摩擦角 大于或等于种子与滚筒轴线所在水平面 2夹角 的余角时，种子在只有摩擦力的作用下也将被带出种箱。 由式（ 5知，增大种子与滚筒轴线所在水平面的夹角 有利于滚筒带出种子；相反，当 减小时，则对种子的带出不利。 如果有多粒种子贴近吸孔，即使各种子受到的气流吸力 在摩擦力的作用下也可能被滚筒带出种箱，很容易造成一孔吸多粒的现象。特别是当 较大时这种现象更容易发生。 种子被滚筒带出种箱后，要 保证种子不在重力的作用下从吸孔上自动掉下来，摩擦力必须始终大于种子重力的分力。 式（ 5当种子在、象限时所在的形式。 当种子在、象限时， 式（ 5写成： (21） 将式（ 5右边对 求导，并令其等于零： (22） 解式（ 5得： 。这时式（ 5右边取得最大值，即种子在这个位置最容易脱落。 种子吸附在滚筒上的条件 当种子被吸附到滚筒的吸种口上时，种子受到由正负压差引起的吸附 力 P，离心力 摩擦力 （ 为种子与滚筒的摩擦角），重力 G=作用。受力分析如图 11所示。 由图 11建立种子的受力平衡方程式 ： c n （ 23） s （ 24）作用在种子上的正压力为： 0s （ 25） 所以吸种的条件是： （ 26） 将数据代入验算符合要求 25,26。 6 关键零部件校核 232 0co s a nc o s 离20 轴的强度校核 作为关键零部件，下面将对所设计轴进行强度校核。 轴的受力分析如图 12所示： 图 12 轴受力分析 2 of on 设 001 ， 002 ，轴的材料为 45钢，弯曲许用应力 。 由静力平衡方程 0X 0Y 0M 。求出支座反力。 2121 (27) 3 4 53 0 015 221 (28) 求得： 171 832 应力弯矩图为 : 图 13 弯矩图 13 于 A 截面 ： ， 满足强度要求。 对于 ，满足强度要求 。 M P 4343 33 109 7 7 轴承校核 纯径向载荷且径向载荷小选用深沟球轴承，型号为 6006，内径 30径 55度 13本额定动载荷 本额定静载荷 由于轴承的转速很低，按照点蚀破坏来选择轴承尺寸就不符合轴承的实际失效形式。在这种情况下，滚动接触面上的接触应力过大，而使材料表面引起不允许的塑性变形才是轴承的失效形式，应按轴承的静强度来选择轴承的尺寸。 轴承上作用的径向载荷 轴向载荷折合成一个当量静载荷0P，即 00 （ 29） 式中，0X、0（ 30） 按轴承静载荷能力选择轴承公式为： 000 （ 31） 式中， 称为轴承静强度安全系数，查表 13 S 8 91 2 ， 符合要求27 7 结论 通过对排种器的工作原理、工作过程以及种子的动力学、运动学的理论分析 ,得出了包括真空度、吸孔直径、吸孔孔数、排种滚筒的线速度等影响排种器性能的要素 ,并确定了排种器的结构参数，设计出了滚筒气力式烟草种子排种器的整机结构。此次所设计的该排种器与传统的机械式排种器相比能更有效的避免型孔的堵塞和种子的破损问题 ,将气力应用到排种过程中代替机械式的推种齿和推种片 ,其研究结果对推动烟草包衣种子机械化精量播种技术的发展 ,以及其他类似作物精量排种器的研究其有一定的理论参考价值和实践价值。 并根据相关原理得到 排 种器 的 装配图。 参考文献 1徐秋萍，申国明 J1999（ 4） :52张宁，廖庆喜 . 我国小粒径种子播种技术与装备的应用与研究进展 J. 中国