謝 珣， 何玉靜， 史景釗， 李祥付

(河南農(nóng)業(yè)大學機電工程學院，河南 鄭州 450002)

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磁吸板式穴盤精密播種機的設計與試驗

謝 珣， 何玉靜， 史景釗， 李祥付

(河南農(nóng)業(yè)大學機電工程學院，河南 鄭州 450002)

基于磁吸式播種機的原理，設計出了一種新型的磁吸板式穴盤精密播種機。該播種機采用錯板式結構，吸種時釘板上的鐵釘被磁板內(nèi)的磁條磁化，鐵釘吸取磁粉包衣種子完成吸種過程；當磁板和釘板產(chǎn)生錯位時，鐵釘上的磁力消失，種子在重力作用下落入導種板中，完成排種過程。試驗結果表明，磁條磁場強度為180 mT，磁鐵與鐵釘之間的距離為0.3 mm，種子磁粉含量為5%，釘長為20 mm，釘子直徑為1.8 mm時，該播種機單吸率達到了89.8%。

磁吸式；精密播種機；設計

隨著精密播種技術的發(fā)展，傳統(tǒng)的以氣吸式和機械式排種方式為主的播種技術已經(jīng)比較成熟，但是對于播種體積小、形狀不規(guī)則的種子，氣吸式和機械式在播種上都存在著不足之處。氣吸式播種機播種精度高，但吸孔直徑小易堵塞[1]；機械式播種機雖然結構簡單，但播種精度低，且排種時易傷種[2]。針對于小粒種子的播種問題，國內(nèi)外學者對此做了大量的研究，旨在通過不同的原理達到實現(xiàn)精密播種的目的[3-9]。本研究設計的磁吸板式穴盤精密播種機是針對于小粒種子精密播種存在的問題，參考磁吸式播種機原理，結合種子丸?；に囋O計而成的。該播種機相較于之前研制的磁吸式播種機而言，采用錯板式結構，在結構上更加簡單，并有較高的播種精度和對種子良好的適應性，適合大規(guī)模工廠化育苗生產(chǎn)。

1 磁吸板式穴盤精密播種機的結構及工作原理

磁吸板式穴盤精密播種機的結構主要由彈簧擋釘、導種板、限位擋釘、種板、磁板、釘板等組成(圖1)。該播種機處于吸種階段時，磁板內(nèi)磁條的磁極中心線與釘板上鐵釘?shù)闹行木€重合，鐵釘被磁條磁化，鐵釘吸附種板內(nèi)的磁粉包衣種子完成吸種過程。該播種機是由步進電機提供動力，通過曲柄連桿機構帶動安裝在釘板上的滾輪做往復運動。當釘板的滾輪沿機架上的導軌向上運動時，由于彈簧處于預壓縮狀態(tài)，彈簧給磁板施加一向上的力,釘板的前擋板與磁板前沿壓緊，釘板帶動磁板一起向上運動。當移動至播種位置時，限位擋釘通過釘板前擋板上的限位孔觸碰到磁板前沿，磁板在限位擋釘?shù)淖饔孟峦Ｖ惯\動。由于釘板與磁板之間有滑軌連接,所以釘板繼續(xù)向上運動,磁板與釘板相互錯開一定距離。此時，鐵釘與磁條的距離最大，鐵釘上的磁力消失，吸附的種子在重力作用下掉落入導種板的導種孔中，完成排種過程。然后，曲柄連桿機構帶動釘板和磁板返回至種板正上方并重復上述動作。

1.手柄；2.彈簧擋釘；3.彈簧；4.后擋板；5.滾輪；6.輪軸；7.頂蓋;8.前擋板；9.限位孔；10.導軌；11.導種板；12.磁板擋板；13.限位擋釘；14.導種孔;15.釘板；16.磁板前沿；17.磁板后沿。

1.Handle; 2.Spring nail; 3.Spring; 4.Backboard; 5.Roller; 6.Shaft; 7.Top cap； 8.Head board; 9.Spacing hole; 10.Guide; 11.The guide of plate; 12.Magnetic plate baffle; 13.Nail spacing block; 14.Guide hole; 15.Nail plate; 16.The front of the magnetic plate; 17.The back of the magnetic plate.

圖1 磁吸板式穴盤精密播種機的結構
Fig.1 The structure of magnetic suction plate tray precision seeding machine

2 關鍵部件的設計與仿真分析

2.1 關鍵部件的設計

該播種機的關鍵部件有導種板、釘板和磁板，其在播種機上的裝配關系如圖2所示。導種板為460 mm×220 mm×5 mm的金屬板，板上有10×20=200個孔，為了確保各類種子能夠順利從孔中落下，設計孔的直徑為8 mm，且孔邊倒角為45°×2 mm，這樣就提高了種子落入導種孔的概率。釘板在該播種機中主要起到吸種和排種的目的，整個釘板為460 mm的不導磁板，板上開有長為382 mm的通槽10個，間距20 mm，安裝時槽內(nèi)插入用工業(yè)純鐵做的等長的條形鐵釘，以便于及時的導磁和斷磁；在釘板上安裝有后擋板，后擋板上安裝有2個彈簧擋釘，在彈簧擋釘上套裝有預壓縮彈簧，并與磁板連接；磁板為460 mm×220 mm×30 mm的不導磁板，板上開有382 mm×4 mm×10 mm的溝槽10個，間距20 mm，裝配時，溝槽內(nèi)嵌入強磁性磁條，為該播種機提供磁力。

2.2 磁板與釘板的運動軌跡仿真

為保證該播種機的播種過程符合設計要求，防止磁板和釘板之間錯位，產(chǎn)生干涉，利用Pro /E軟件對播種機進行動態(tài)仿真分析，觀察釘板和磁板運動軌跡。首先在釘板與磁板、機架與釘板2個運動副處添加驅動電機，并設置仿真參數(shù)，如仿真時間、仿真的總幀數(shù)、幀間隔、仿真初始狀態(tài)等各種信息。分別對各個電動機的轉動速度和啟動、結束時間進行設定后，開始運動仿真分析。分析完成后進入結果回放，選擇全局干涉，可以對運動模擬的全程進行干涉檢查，找出發(fā)生干涉的幀數(shù)、幀編號、哪些零件發(fā)生了干涉，計算干涉的體積，并在裝配路徑查找器中生成各個干涉體特征。檢查完成后，干涉的部分會以紅色顯示出來，以便設計者修改。經(jīng)過多次干涉檢查，確定優(yōu)化的結構和運動參數(shù)為：運動全程共分為290個幀，釘盤以10幀·s-1運行，磁盤在100～190幀內(nèi)以10幀·s-1，1個模擬循環(huán)播種過程共29 s。

圖3和圖4分別為釘板運動軌跡圖和磁板運動軌跡圖。從圖3和圖4可以看出，磁板和釘板所做的是往復運動，完成播種機1個周期的工作。10～20 s，磁板停止運動，釘板繼續(xù)運動；15 s時，釘板移動至最大位移處，釘條磁吸點上磁感應強度最小，釘頭磁吸點吸附的種子在重力作用下克服磁場力掉落入導種板的孔中，完成播種。總體來說，2個主要部件并行運動良好，無干涉現(xiàn)象，整個播種過程可以順利完成。

1.導種板；2.前擋板；3.滾輪；4.手柄；5.手柄蓋；6.磁板；7.后擋板；8.彈簧； 9.磁條；10.釘板；11.鐵釘；12.種板；13.電機；14.曲柄連桿機構。

1.The guide of plate; 2.Head board; 3.Roller; 4. Handle; 5.Handle cover; Magnetic plate; 7.Backboard; 8.Spring; 9.Magnetic stripe; 10.Nail plate; 11.Nails; 12. Seed plate; 13.Motor; 14.Connecting rod.

圖2 關鍵部件的裝配結構
Fig.2 Assembly structure of key parts

圖3 釘板運動軌跡仿真結果Fig.3 Trajectory simulation results of nail plate

圖4 磁板運動軌跡仿真結果Fig.4 Trajectory simulation results of magnetic plate

3 磁場分析

處在釘頭下方的已經(jīng)加入磁粉處理過的包衣種子，在磁場的作用下，產(chǎn)生指向磁極端面的磁場力。單粒種子被吸起，要滿足以下條件：

FC>G+FA+FB

(1)

式中；FC—磁場力，N；G—自身重力，N；FA—種子與種子之間的摩擦阻力，N；FB—其它被磁化種子對其的磁吸力,N。由于摩擦阻力FA、磁吸力FB與重力G相比小得多，故引入計算系數(shù)K，則式(1)可簡化為式(2)：

FC≥KG(K>1)

(2)

系數(shù)K決定吸附種子的粒數(shù)，磁場力越大，吸附2粒及2粒以上種子的可能性越大。針對于該機，影響磁場力的主要因素有磁條的磁場強度，磁鐵與鐵釘之間的距離，鐵釘?shù)闹睆?，鐵釘?shù)拈L度和種子的含磁量。這些因素在影響磁場力的同時，也影響著播種的精度。

4 磁吸板式穴盤精密播種的性能試驗

本試驗選取煙草種子作為播種對象，對煙草種子進行包衣處理，確保種子外部已裹上一層磁粉且磁粉含量為5%,并取200粒包衣種子測量其長、寬、高和質(zhì)量，其平均值依次是1.697、1.695、1.698 mm、5.16 g。

本次試驗選定的磁條磁場強度為80 mT，磁鐵與鐵釘之間的距離為0.3 mm，種子磁粉含量為5%，種子千粒重平均為5.16 g。該試驗分為2組進行，第一組是用直徑為1.8 mm的釘子，釘子的長度分別是18、20、22 mm進行吸種試驗，每組試驗進行5次，記錄每次試驗的空吸率，單吸率，以及吸附兩顆以上種子的吸種率并求出平均值。第二組用釘長為20 mm的釘子，釘子的直徑分別是1.5、1.8、2.1 mm進行吸種試驗，每組試驗進行5次，記錄每次試驗的空吸率，單吸率，以及吸附2顆以上種子的吸種率并求出平均值。

由表1可知，釘長18 mm的空吸率為0，吸種率為100%，但有些鐵釘?shù)奈N個數(shù)偏多，播種不夠精密，有重播現(xiàn)象；釘長20 mm的空吸率為0，吸種率為100%，單吸率達到了89.8%，播種精度高，較為合適；釘長22 mm的空吸率為22%，吸種率為78%，空吸率太大。當磁盤與釘盤發(fā)生錯位時，3組試驗均能實現(xiàn)100%落種，鐵釘退磁滿足落種要求。因此，當選用半徑1.8 mm的釘子時20 mm長的是最為合適的。

表1 播種機不同釘長的吸種率Table 1 Different nail length absorption rate of the machine

表2 播種機不同鐵釘直徑的吸種率Table 2 Different diameter of the absorption rate of the machine

由表2可知，直徑為1.5 mm的釘子在吸種時的空吸率高達42%，造成漏播的現(xiàn)象；直徑為2.1 mm的釘子能100%實現(xiàn)種子吸附，但是每顆釘子上吸附的種子偏多，降低了播種精度；相比之下，直徑為1.8 mm的釘子最為合適。

綜合分析試驗結果認為選取直徑為1.8 mm，長度為20 mm的釘子時，能夠實現(xiàn)100%的種子吸附，而且單個種子的吸種率也比較高。當磁盤與釘盤發(fā)生錯位時，種子下落，單吸率為89.8%，播種精度比較好；在確定磁條的磁場強度，磁鐵與鐵釘之間的距離，種子的含磁量的情況下，磁場強度隨鐵釘長度的增大而減小，隨鐵釘直徑的減小而增大。

5 結論

針對于小粒種子精密播種存在的問題，基于磁吸式播種機的原理，設計出了一種新型的磁吸板式穴盤精密播種機。該機采用錯板式結構并結合種子丸?；夹g，實現(xiàn)小粒種子的吸種和排種。對該磁吸式穴盤精密播種機進行的性能試驗結果表明，磁條磁場強度為80 mT，磁鐵與鐵釘之間的距離為0.3 mm，種子磁粉含量為5%，釘長為20 mm，釘子直徑為1.8 mm時，該播種機的單吸率達到了89.8%。

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(責任編輯：蔣國良)

Design and test of the plate type plug seeder based on magnetic attraction

XIE Xun, HE Yujing, SHI Jingzhao, LI Xiangfu

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Henan Agricultural University, Zhengzhou 450002,China)

In this paper, based on the magnetic principle, a new type of plate type plug seeder was designed based on magnetic attraction. Using the misplaced plate structure of the seeding machine, in the suction, the nails on the nail plate is the magnetization of the magnetic strip inside the magnetic plate, with nails absorbing magnetic powder coating seed absorption process; When the magnetic plate and the nail plate produce dislocation, nails on the magnetic force will disappear, seed falls to the guide of plate under gravity, completing the process of planting. The experimental results showed that the magnetic field strength is 180 mT, the distance between the magnets and iron nails is 0.3 mm, seed powder content is 5%, nail is 20 mm long, nail diameter is 1.8 mm, and the machine has the highest rate of single suction, which means the rate of single seed is the best, reaching 89.8%.

magnetic; precision seeder; design

2014-08-10

公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(201303011-4)

謝 珣(1988-)，男，河南淅川人，碩士研究生，主要從事農(nóng)業(yè)裝備工程與機械化方面的研究。

史景釗(1963-)，男，河南柘城人，副教授。

1000-2340(2015)02-0219-04

S233.2

A