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        基于電磁振動的玉米種子定向排序輸送技術(shù)探析

        2021-07-11 10:58:21魏紅梅
        種子科技 2021年8期
        關(guān)鍵詞:玉米種子

        魏紅梅

        摘? ? 要:根據(jù)通過機(jī)器振動實(shí)現(xiàn)有序傳輸材料的設(shè)計(jì)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(yùn)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(yàn)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(shí)現(xiàn)玉米大規(guī)模機(jī)械化定向播種,關(guān)鍵技術(shù)是實(shí)現(xiàn)玉米種子定向排序。而這項(xiàng)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(jì)思路,提出一種可以實(shí)現(xiàn)玉米種子定向排序輸送設(shè)計(jì)思路,為實(shí)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?yàn)閳A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(shí)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(jì)思路,物料在機(jī)器內(nèi)部進(jìn)行3種方式的運(yùn)送,分別為正向運(yùn)送、反向運(yùn)送和拋擲運(yùn)送。通過機(jī)械運(yùn)送玉米種子時,由于種子時刻與運(yùn)送槽接觸,所以每當(dāng)運(yùn)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(yùn)動方向,在振動運(yùn)送槽進(jìn)行移動,則存在兩種運(yùn)動方式,分別為以果柄端,即尖頭朝前運(yùn)動(假設(shè)為順行);以胚乳端,即圓底朝前運(yùn)動(假設(shè)為逆行)。在設(shè)計(jì)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(yùn)送。接下來將通過理論分析與實(shí)踐操作,對種子振動運(yùn)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(yùn)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(yùn)送槽中飛起,進(jìn)行平滑的平拋運(yùn)動。種子運(yùn)動軌跡會受到重量、運(yùn)動慣性等因素影響,種子會在空中繞重心范圍的某一點(diǎn)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(yàn)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(diǎn)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(yùn)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(yùn)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(yùn)動,進(jìn)而改變自身的狀態(tài)。經(jīng)過多次試驗(yàn)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(diǎn),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(yùn)動趨勢,阻礙逆行狀態(tài)下種子運(yùn)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(yàn)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(yàn)結(jié)果及分析

        為了驗(yàn)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(shí)現(xiàn)定向輸送的試驗(yàn)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(yùn)動,水平分量則是讓玉米進(jìn)行前后滑動,使得種子實(shí)現(xiàn)定向滑動運(yùn)動。通過高速攝影,對逆行與順行的種子運(yùn)動翻轉(zhuǎn)進(jìn)行動態(tài)觀察與分析。

        3.1? ?試驗(yàn)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(yàn)與逆行定向試驗(yàn)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(yàn)因素,每個試驗(yàn)因素選擇3個對照組進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)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(jì)頻率比為0.95。試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)是在相同試驗(yàn)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(yùn)動時,統(tǒng)計(jì)最后仍是順行姿勢的試驗(yàn)數(shù)量;當(dāng)種子逆行運(yùn)動時,統(tǒng)計(jì)最后變?yōu)轫樞凶藙莸姆N子數(shù)量。每組試驗(yàn)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(yàn),另外150粒保持逆行姿勢進(jìn)行試驗(yàn)。進(jìn)行5次重復(fù)性試驗(yàn),對于結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì),記錄順行與逆行種子數(shù)量,并選取5次試驗(yàn)的結(jié)果平均值作為試驗(yàn)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(yùn)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(yùn)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(yàn)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(yàn),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(yàn),并進(jìn)行5次重復(fù)性試驗(yàn)。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(yàn)。因?yàn)榉N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(yàn)相關(guān)參數(shù)后,就可以實(shí)現(xiàn)種子不重復(fù)翻轉(zhuǎn),從而實(shí)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(bào)(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(jì)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(jì)[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(jì)與試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2020,51(9):82-88.

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