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2317
钵体精量点播装置的设计
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2317 钵体精量点播装置的设计,2317,钵体精量点播装置的设计,钵体精量,点播,装置,设计
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1. 绪论1.1本课题的来源及研究的目的和意义 为了满足日益增长的种苗需求量，各地开始建立育苗工厂，引进世界先进的穴盘育苗技术，进行种苗工厂化生产。在育苗工厂中传统的手工操作方式是不能满足人们对生产的需求的，育苗工厂需要有精确、便捷、高效的现代化的育苗设备，来完成育苗的各项工作。 番茄生产在人们生活地位日益重要，发展生产机械化和工厂化是调整农村经济结构和种植业结构重要措施之一。番茄育苗是一项对整个生产至关重要的作业环节，尤其是穴盘育苗；其用种量少，幼苗分布均匀、发育好，同时节省幼苗移栽的工作量，保证秧苗的成活率和增产丰收，为机械化和工厂化育苗生产提供可能。随着我国设施园艺的快速发展，机械化育苗设备也有了较快的发展，相应的核心设备精密播种装置的重要性在整个育苗环节中显得更加突出。中国是世界最大的蔬菜生产国，蔬菜的总产量占世界总产量的60左右。近几年来，种植业内部结构不断调整，在粮食作物的播种面积呈现持续递减的趋势下，蔬菜、水果等经济作物的种植面积持续增长。健壮的幼苗是生产的基本条件，因此培育壮苗就是实现早熟、高产的重要的基础。因为幼苗的好坏直接影响到定植田地以后的生长情况，又在很大的程度上影响到产量和采收期的早晚。幼苗的品质如果不好，即使在定植以后加强管理也是事倍功半，很难获得很好的收成。因此育苗是一项对整个生产至关重要的技术，是一项需要大量劳动力的劳动密集型的作业项目。能否育出苗、育出壮苗，很大程度上决定于人对秧苗的培育。我国传统栽培上的“苗好一半收”，就是对培育壮苗重要性的概括。随着生产现代化科学技术发展，培育壮苗的意义也变得犹为重要。以轻基质无土材料草炭、蛭石等作育苗的基质、采用机械化精量播种、一次成苗的现代化育苗体系是国际上70年代发展起来的一项新的技术。穴盘育苗精量播种机是实施育苗移栽的主要装备之一， 按其结构形式可分为针式播种机 板式播种机和滚筒式播种机针式播种机播种精度虽然较高， 但速度慢 效率低，100200盘/ h，针头对种子有伤害; 滚筒式播种机播种速度较快，可达800 1200盘/ h，但结构复杂，在高速作业时漏播率较高; 板式播种机结构简单，操作方便， 价格低，播种速度低于120150盘/ h，但取种精度低，空穴率高1本文依据农村温棚育苗生产的实际要求，在分析国内外典型育苗精量播种机工作机理的情况下，研制了抛掷式穴盘育苗精量播种机，创新设计了针式吸种盘 抛掷式种子盘和气吹投种和清孔系统，较好地解决了气吸式精量播种机对番茄等不规整小颗粒种子播种单粒率低和空穴率高等难点经生产试验测定，该机结构简单，使用维护方便，各项性能指标稳定，能够满足主要作物如番茄，辣椒等的育苗播种技术要求。播种是穴盘育苗中的一个关键环节。穴盘育苗技术对播种要求很高，要求每穴进行单粒播种，漏播和多粒种子的穴数尽可能少，以保证出苗整齐一致，群体结构合理，因此，工厂化育苗需要进行精密播种，精量播种还可以节省大量种子。工厂化育苗精量播种主要依靠精量播种机来完成。育苗工厂使用的育苗设备大多是从国外引进的播种流水线或是单一用途的播种机。从国外购买播种流水线价格达100万元左右，单一用途的播种机价格也要5万元左右，这样高的价格与我国农业产品价格水平不相适应，因此很难推广应用。另外，由于种子形状差异较大，种类繁多，实现精量播种的难度较大，因此，研究穴盘精量播种装置对促进我国的蔬菜生产机械化进程具有现实意义。1.2本课题所涉及的问题在国内外研究的现状及分析1.2.1 国内发展现状 我国工厂化农业起步较晚，70年代末开始引进一些国外技术设备进行试验研究，20 年来在技术与生产上均有较大的发展，目前我国各种温室已发展到30万公顷，对我国 农业发展起到积极有效的促进作用。但也存在很多问题。 1. 播种机的播种合格率低。我国精密播种机结构尚不完善，排种器精度不高，特别是对于形状不规则、重量较轻的小粒蔬菜种子，播种机的播种质量不稳定，重播、漏播现象比较严重，多数播种机的性能尚不能达到要求。 2. 播种机的适应能力差。机械化播种育苗技术为精密播种对种子的品质和外形均有较高要求。但由于不同蔬菜种子差距较大，目前我国多数精密播种 机械一般还只能播种一种或少数几种种子。多为一机一用，对不同种子的适应能力较差造成机器的使用周期短、利用率低，不利于降低农业生产的成本。3. 播种机的播种效率低。我国的排种机构存在结构冗余、播种速度低等问题，造成整机的工作效率 较低。一些国产播种机的工作情况相比人工播种，效率并没有显著提高，无法满足规模化生产的需要限制了工厂化育苗技术的推广应用。1.2.2 国外发展现状 国外发达国家普遍采用温室营养钵育苗，然后进行田间移栽的作业方法。近10年来， 有关部门加强从育苗到移栽整个系统的研究，使育苗和移栽有机结合，研制出多种全自动移栽机，使育苗过程实现机械化、工厂化和设施化。 经过二三十年的发展，工厂化育苗自动生产线在发达国家成套技术己基本形成并向 高科技、高度自动化发展。工厂化育苗自动生产线一般由育苗穴盘摆放机、送料机、基质装盘机、压穴及精量播种机、覆土和喷淋机等五大部分组成，这五大部分连在一起构成自动生产线，拆开后每一部分又可独立作业。这种自动生产线在荷兰、美国、日本、韩国都有产品。穴盘育苗生产线的核心部分是复杂的精量播种系统，其播种系统的型号多种多样。穴盘育苗生产线上多采用吸嘴式排种器，如美国Hamilton公司、Blackmore 公司及欧共体等厂家生产的各种穴盘精量播种生产线。 布莱克默系统(Black more system)播种装置可将单粒种子分别播到648个育苗钵中， 它有一个平台，发芽盘在平台上可静置，亦可滑动。还有侧梁对发芽盘的滑动起导向作用，对种子的吸持装置起支持作用。种子吸持装置有一根横梁，横梁悬挂在装有弹簧的套管支臂上，并可旋转。横梁两端分别与导杆相连。横梁经过关闭阀与真空管相通。每个吸嘴均由富有弹性的柔软材料构成，内部有一个通道，一直延伸到平台的进口处。存放单层种子的槽与横梁平行安装，使吸嘴能降至槽内。 美国佛罗里达州的斯匹德林公司发明了培育蔬菜秧苗的斯匹德林系统(Speeding System)。该系统的自动播种装置采用吸嘴式排种器将种子单粒放到TODD育苗钵(穴盘)。真空式精播机公认比较有代表性的，有美国的勃兰克莫尔自动播种机。这种播种机只完成精量播种一道工序，所以还要配上填充基质，压实，压坑，刮平，覆盖等全部工序的机械，才能完成全部工序。 范达纳(Van Dana)播种机是由美国密尔沃基的生长系统(Growing System lnc)设计制造的。该机较实用，成本却仅为大多数播种机的一半。该设备能准确、快速的将种子播种于真空导板上，将真空导管转动到排种管处，此时真空产生压力，种子通过排种管进入各个钵体。它能100单个地吸持住所有颗粒状种子，以适应各种类型的种子和钵体。 目前国外的精量播种机已达到相当完善的程度，在精量播种机上除了设有完善的整地、覆土、镇压及施肥、洒农药装置外，其排种装黄多采用新的工作原理，包括各种气力式排种原理与机械式排种原理，以保证单粒精量播种。另外，液压技术及电子技术也在播种机上得以应用。 精量播种装置有机械式、气力式等多种，由于机械式精量播种装置对种子的外形要求严格，有一定的种子破碎率，而且其总体结构配置复杂拥挤，整机笨重，效率低等因素，限制了机械式精量播种机性能的进一步提高。所以气力式精量播种装置较为多用。气力式精量播种装置是通过空气真空度产生的吸力工作的。气力式精量播种机对种子的形状要求不严，通用性好而且播种速度也比机械式的高。气力式精量播种机尽管形式多种多样，但其工作原理只有气吹式、气压式和气吸式。 1.3对课题所涉及的任务要求及实现预期目标的可行性分析 1.3.1任务要求：查阅相关文献，进行归纳整理 ，并进行总结，从而梳理思路，进行钵体精量点播机的设计，设计一种适用于棉花或番茄精量点播于穴盘（96穴或128穴）的机械，要求该机械每穴1-2粒，能连续工作，实现自动或半自动作业。 1.3.2 可行性分析：本设计用振动气吸工作原理进行吸气和排种。由于种子之间有摩擦，所以利用振动器将种子处于悬浮状态以便吸种。当进行吸种时，将气力吸种部件移动到种子盘振动盘正上方，调节气力吸种部件的转换开关，使气源和气室接通，气室形成负压，抛起的种子在气力作用下，被吸附在吸种盘上均布的吸种孔上；吸种后将吸种盘移到育秧盘上方适当位置，气室与气源通路切断，同时气室与大气相通，迅速释放负压，种子将靠自身质量落入育秧盘，实现对靶播种。1.4本课题需要重点研究的、关键的问题及解决的思路 重点研究的问题： 1.4.1核心部件是播种装置，它由吸种部件和振动部件组成。 1.4.2振动部件由振动台和种子盘组成，振动台由支架和激振机构组成。振动部件主要是是种子处于悬浮状态便于吸种。 1.4.3吸种部件主要由吸种盘，气室，转换开关，接管和气源等组成。其主要功用是保证每孔吸附1-2粒种子，并且准确将种子点播于穴盘中。 关键的问题：本课题的关键在于吸种部件在吸种时必须保证每个孔吸附1-2粒种子，并且能准确点播于盘中。 解决的思路：需研究种子在多大的气力下才能被吸附起来，进行种子的质量与气力吸附的相关试验，得出相关数据。对于播种的准确性需对设备的整体结构进行合理的设计，保证播种的准确性。 1 播种机的结构与原理1 1 播种机的总体结构播种机结构示意图如图 1 所示 该机由行程控制开关，直滑轨 ，工作台，万向轮行走机架，针式吸种盘，气泵，抛掷装置，种子盘和气动控制系统等组成；抛掷装置有压缩回位弹簧和牵引电磁铁等组成; 针式吸种盘由吸种盘和可更换的吸嘴组成 。气动控制系统由换向电磁阀 ，泄压阀 ，输气管路和压力调节开关等部件组成。1 2 播种机的工作原理工作时， 先将装有育苗基质的穴盘放置在播种工位， 穴盘将被夹具自动定位 拉动吸种盘把手， 吸种盘在直滑轨引导下将外移( 由取种工位向播种工位作水平移动) ; 当行程开关撞块检测到电信号， 反馈给牵引电磁铁使其吸合， 拉动种子盘下降到下工位， 使吸种盘能继续向前水平移动到播种工位; 此时行程开关撞块检测到吸种盘到达播种工位后， 产生电信号给换向电磁阀， 关闭负压气管， 同时开启正压气管， 则气室负压消失， 切换正压进入吸种盘， 将种子吹投至育苗穴盘对应的穴空， 同时完成气吹清孔， 投种结束 投种后吸种盘内移( 由播种工位向取种工位作水平移动) ， 当行程开关撞块监测到位移信号， 控制换向电磁阀关闭正压气管， 同时切换到负压气路 当吸种盘内移至种子盘正上方， 行程开关控制牵引电磁铁吸合器断电， 种子盘在复位弹簧作用下垂直上弹至上工位，同时将种子抛起迎合针式吸嘴被吸住， 吸附取种结束 重复上述动作， 可连续进行穴盘精量播种作业。21主要部件结构设计211气室(吸种盘腔体)形状尺寸的确定气吸式播种机是由吸孔处的负压来完成种子的吸附，气室对吸孔的吸附性能影响很大。理想的气室形状能实现气流从吸种盘到吸嘴的连续流动，形成均匀稳定的流场。根据陈进等【5研究试验结论：气室形状对气室内压力传递、吸盘上压力分布的均匀性无明显影响，本设计将气室形状确定为长方体以便加工制造。由于气室腔体太大会造成负压不足，吸不上种子，而且气室过大，会造成漏气，从而影响流量和真空度，因此，吸种盘腔体的尺寸越小越好，另外，为了安装吸嘴，吸种腔体尺寸又不能太小，所以按标准育苗盘尺寸，对于128穴的穴盘尺寸为：490mm240mm，空穴尺寸：30mm13mm40mm（上口下底深度）。吸种盘腔体尺寸设计为：490mm240mm40mm（长宽高）。212吸嘴的孔径设计 吸嘴的直径大小与真空度紧密联系。在相同的真空度的情况下，直径越大其吸附力也越大 吸嘴的直径设计的要求有： 1，保证吸附力大于种子质量(重量)，这样种子才有可能被吸附在吸嘴上 2，吸嘴孔直径不能大种子最大直径 3、保证一定的吸附合格率。 经试验证明，当吸嘴直径大于种子直径时，种子会被吸入吸嘴，从而造成吸嘴孔堵塞：而当 吸嘴直径小于六分之一种子直径时，吸嘴的吸附能力将降低。这两种情况都将导致播种合格率下降空穴率升高。因此吸嘴的孔径必须是多种规格，以适应不同种类的种子需要。 2643吸嘴的规格设计 严格米说，每一种质量和形状的种子都有一个相应的最适合的吸嘴直径。但是精密播种机不可能也不必要为每一类种子配备一种规格的吸嘴。因此，在实际设计中，应根据种子质量的分布进行吸嘴的规格设计一般情况下，我们以克粒数作为种子的质量指标。根据经验，我们一般将吸嘴设计为表2-3所示的几个规格。 表2-3吸嘴规格对应表 吸孔孔径大小对单粒率、多粒率影响很大，孔径尺寸减小，单粒率上升，多粒率下降，但孔径太小不易加工且易被堵塞。研究表明：吸嘴孔径取物料种子直径的0.5一0.7倍较合适6，7J。据此确定吸孔直径分别为07mm和1.5mm二种尺寸，其中07mm用于吸附西红柿和辣椒种子，15mm用于吸附棉种。带导程的吸孔吸种单粒率明显高于无导程的吸孔吸种单粒率，但吸嘴导程过长会降低吸嘴口处负压和流量，从而不利于吸种，为便于加工和配合抛振装置的需要，选择吸嘴长度为8mm，吸嘴间距为30mm，其结构如图2所示。213吸嘴端口形状的确定真空吸嘴是气吸式穴盘育苗精量播种机的核心工作件，国内外研究者就其气流场的分布及其动力学参数与播种性能间关系进行了试验研究【IoJ，结果表明：吸嘴真空度、嘴型、孔径和导程等是影响真空吸嘴吸附能力的主要因素。由于上述研究是一个多目标多因素问题，其影响因素互相制约，从理论上进行分析设计具有较大的难度，传统的物理试验方法费时费力，无形中增加了成本和延长了设计周期，同时不直观的数据误差也影响整个设计的可靠性。吸嘴端口形状目前应用最常见的有A型、U型和V型。经试验表明（胡斌）其中，V型端口吸附性能最好(31。1吸嘴体 2针管 不同的吸嘴规格有不同的针管直径。2。13气源流量的确定物料的临界速度是气力输送装置和物料吸取装置设计的关键参数。在吸嘴气力式播种机的气流场中，按照气力输送装置的气流速度来进一步确定流体速度，以保证种子被有效吸附。周祖愕8J研究表明：当气流输送速度为30m/s以上时，物科可以被有效吸附。吸嘴气力式播种根据不同大小的种子选用不同孔径的吸嘴，以番茄种子播种为研究对象，对吸嘴吸取种子进行分析，确定吸嘴能够吸取种子的最小气体流量。假定每个吸嘴的真空度和气体流量均匀，每个吸嘴的流量为： 吸嘴的总流量为： 上式中，d为吸嘴 直径，0.7mm；n为吸嘴个数；128个；v为吸嘴口流速。当气源气体流量大于5.3/h时，吸嘴能够把种子完全吸取。2 气泵的选择由于温室大棚育苗播种一般要求空粒率低，对多粒率通常没有特殊要求，故选用流量较大、价格便宜的XWB-1型旋涡气泵作为气源，以提高吸附率。由无锡某机电设备有限公司气泵研究所的有关人员对旋涡气泵产品所作的实验统计得到，气泵的有效功率为总效率的2045XWB-1型旋涡气泵最大流量为60m3h，故实际工作流量为1227m3h，完全满足设计流量要求。具体参数见下表。型号/参数最大压力(kpa)真空度(kpa）最大流量(M3/h)电动机功率(Kw)电机转速(Rpm)管径(mm)外型尺寸长宽高纸箱包装尺寸长宽高重量(Kg)XWB-11812600.3728004028025226029026028010抛振机构的设计抛振机构由复位弹簧、牵引电磁铁、种盘等组成（如图 1 所示）。考虑到吸种盘来回吸种时，抛振装置将种盘弹起，吸种盘落人种盘内吸附处于悬浮状态的种子，故种盘稍大于吸种盘面积，底面尺寸每边大于吸种盘23个种子直径，以免在边缘上挤碎种子，并且由于实际吸种时为了提高吸种性能，种盘要能放多于3层的种子，需有一定深度，所以种盘尺寸设计为：550mm320mm20mm。同时在种盘底部打上小孔，孔径小于种子直径，以便能有足够的气体流入到吸嘴产生负压。种盘通过螺栓与抛振装置连接在一起，这样当抛振装置的牵引电磁铁处于断开状态时，复位弹簧利用回复力将种盘弹起，盘内种子上抛处于悬浮状态，以减小吸附时的阻力，提高种子吸附率。1 抛振机构工作原理种盘与牵引电磁铁的衔铁连接在一起，种盘底面四角安装有复位弹簧。牵引电磁铁通电时，衔铁拉动种盘克服弹簧力向下运动一定行程。磁力断开状态时，复位弹簧将种盘弹起，盘内种子随盘产生上抛运动，上表面的种子将脱离种子群，处于悬空“沸腾”游离状态，由于增加与吸盘上吸嘴的接触机会，显著提高种子吸附率8-10。机构设计参数为1111 董春旺，罗昕，胡斌半自动穴盘育苗精量播种机的设计J石河子大学学报：自然科学版，2008，26(5)：630632Dong Chunwang, Luo Xin, Hu Bin. Design of semi-automatic tray precision seeding-machineJ. Journal of ShiheziUniversity: Natural Science, 2008, 26(5): 630632. (inChinese with English abstract)：种盘及连接器质量约3 kg，弹簧系统刚度 4 N/mm，牵引电磁铁使用电压为220 V，最大牵力为 80 N，可调最大行程为 25 mm。2 抛振机构运动规律分析2.1 种子“沸腾”运动条件与抛振强度计算对单粒（层）种子在种盘上的运动进行分析。种盘上的种子受自身的重力和种盘运动时给予的惯性力12-13，忽略空气阻力对种子受力运动的影响，种子脱离种盘出现跳动的临界条件为 P G （1）式中 P种子所受惯性力，N；G种子重力，N。种盘运动的周期性简谐方程为 当不考虑系统阻尼 时，方程为 式中：x运动方程；A振幅，mm；t振动时间，s；振动初相位，rad；振系固有角频率rad/s。种
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