滾筒氣力式煙草排種器設計【精密播種】
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湖 南 農 業(yè) 大 學
全日制普通本科生畢業(yè)設計
滾筒氣力式煙草排種器設計
DESIGN OF ROLLER PNEUMATIC SEEDER FOR TOBACCO SEED
學生姓名：
學 號：
年級專業(yè)及班級：2009級農業(yè)機械化及其自動化
（1）班
指導老師及職稱： 教授
學 院：工學院
湖南·長沙
提交日期：2013年5月
滾筒氣力式煙草排種器設計
學 生：
指導老師：
（湖南農業(yè)大學工學院，長沙410128）
摘 要：排種器是實現(xiàn)精密播種技術的核心部件，其工作性能的好壞直接影響著煙草工廠化育苗的播種精度、均勻性、種子的出苗率等。由于滾筒氣力式排種器具有對種子尺寸要求不高、不傷種子、通用性好、適應性強的優(yōu)點，且易于提高播種速度，實現(xiàn)自動控制，是一種較為先進的排種裝置，已成為當前國內外精密排種器發(fā)展的主要方向之一。本文在對國內外現(xiàn)有的精量播種裝置進行深入研究的基礎上，分析了多種形式的排種裝置的優(yōu)缺點，完成了滾筒氣力式煙草種子精量播種裝置的機理和參數(shù)化方面的理論研究。通過建立種子在吸種孔處受力的力學模型，得到了播種裝置設計的主要結構參數(shù)。
關鍵字：滾筒氣力式；精密播種；煙草種子
Design of Roller Pneumatic Seeder for Tobacco Seed
Student: Mao Licheng
Tutor: Xie Fangping
(College of Engineering, Hunan Agricultural University,Changsha410128）
Abstract：As the core component of precision sowing technique that seeder’s working performance directly influenced the sowing accuracy, seed spacing uniformity and emergencerate . Roller pneumatic seeder has become the major development trend of precision seeder because of its advantages including lower requirement of seeds size, lower harmful to seeds , higher universality, widely adaptability, easy to improve the working efficiency and realize automatic control．This paper analyzed the merits and shortcomings of diversified plant devices, to accomplished the theory of mechanism for suction drum. Through build the dynamics model of the seed received force near the suction pore，gained the principal structural parameters to design the seeder device.
Key words：roller pneumatic; precision seeder; tobacco seed
1 前言
煙草育苗是煙草生產過程中的首要環(huán)節(jié)。隨著我國煙草生產規(guī)范化的進一步完善，育苗技術也有了較大程度的提高。近幾年，工廠化育苗技術得到廣泛應用，此方法能顯著提高煙苗素質，降低生產成本，節(jié)省耕地，減少育苗和移栽用工量，有效提高烤煙產量和質量，增加經濟效益。
工廠化育苗技術是指選擇適宜的固定場所，采用塑料大棚盤式育苗技術，以現(xiàn)代化，企業(yè)化的模式組織種苗生產和經營，從而實現(xiàn)種苗的規(guī)?；a。
種子播種是育苗過程中的關鍵性作業(yè)環(huán)節(jié)，而煙草種子排種器在工廠化煙草育苗中所起到的作用就顯得尤為重要。因為它不僅實現(xiàn)了煙草育苗的精量播種，而且還對降低成本、提高效率產生了積極的作用。煙草種子排種器要實現(xiàn)煙草種子的精密播種，精密播種可以保證種子在種盤擁有最合理的分布，播種量精確、播深一致，為種子的生長發(fā)育創(chuàng)造了最佳條件，為培育壯苗提供堅實基礎。精密播種是為了適應現(xiàn)代農業(yè)發(fā)展的需要而提出的，世界各國都很重視精量播種技術，發(fā)達國家以基本實現(xiàn)大、中粒作物的精量播種，節(jié)本增效顯著。由于煙草等小顆粒作物種子其籽粒小，力學性能差，易破碎等原因，同時精良排種困難、排種后均勻性較差、容易破碎等難題，有些技術已應用于生產，但由于結構復雜、成本高，至今還沒能實現(xiàn)大規(guī)模的推廣[1]。因此對煙草種子的精播技術有待進一步研究。
1.1 課題來源
結合科研課題（省煙草局）
課題名稱：煙草全程生產機械化中育苗播種流水線研究
1.2 研究目的及意義
隨著種植業(yè)對生產質量和效率的高要求以及精密農業(yè)的快速發(fā)展，我國各地的工廠化育苗技術在經濟作物、蔬菜、花卉等小顆粒種子育苗上迅速發(fā)展起來。工廠化育苗的重要性已日漸凸顯，并逐漸提到議事日程上來。自動精密播種生產線是工廠化穴盤育苗的關鍵設備，國外原有成熟的產品，而國內的研究則相對較晚，多數(shù)是引進國外的產品，但其價格比較昂貴，因此，研制開發(fā)一種新型、可靠、廉價的滾筒氣力式精密播種機是非常必要的，在我國具有廣闊的市場空間和應用前景。
工廠化育苗的播種作業(yè)要求精度高，空穴率和重播率必須低，因而穴盤精密播種是工廠化育苗的關鍵環(huán)節(jié)之一。精密播種機由于節(jié)約良種、不用間苗、田間植株均勻等優(yōu)點，正受到越來越多的關注和研究，現(xiàn)在種子直徑較大的如棉花、小麥、玉米、土豆等中耕作物的排種器研究已很深入，但是對于小顆粒種子的排種器的研究還有待加強?，F(xiàn)有排種器產品也存在不少問題，例如機械式的排種器存在對種子尺寸形狀要求高、傷種嚴重和播種效率低等缺點，而氣吸式的排種器存在型孔堵塞、排種不精確、漏氣等問題。煙草作為小顆粒種子的重要經濟作物，其排種器的設計具有重要的發(fā)展前景和廣闊的應用領域[2]。
目前,我國煙草播種方式以手工播種為主,不僅費時費力,勞動效率較低,而且還嚴重影響了煙草育苗的質量。隨著農業(yè)機械化發(fā)展，這種以手工為主的播種方式必將被高效作業(yè)、精量播種的機械化模式所取代。但是由于煙草種子其籽粒小，力學性能差，易破碎等原因，同時精量排種困難、排種后均勻性差、容易破碎等難題，機械播種并沒想象中那么容易實現(xiàn)，機械播種技術難以得到突破。即使有些技術已應用于生產，但由于結構復雜、成本高，至今還沒能實現(xiàn)大規(guī)模的推廣。目前代表我國精量播種機研制水平的主導機型主要有兩種結構型式：一是槽輪(或窩眼輪)式播種機；二是氣吸盤式播種機。前者播種均勻性差，精度較低，難以滿足每穴1～2粒種子的要求且易傷種，不適宜播經過催芽的種子。后者結構比較簡單，制造和使用容易，但由于手工操作，生產率較低。
而氣吸式滾筒型排種器，囊種效率高，播種精度l～2粒種子的入穴率可達到90％以上。同時要具有結構相對簡單，效率較高，不易堵塞，成本較低等優(yōu)點。因此，研究氣吸滾筒式排種器是實現(xiàn)小顆粒包衣種子精密播種的有效解決方法和重要發(fā)展方向[3]。
精密排種器技術的落后是制約我國小顆粒種子種植機械化發(fā)展的重要原因，研究小顆粒包衣種子精量播種裝置對促進我國小顆粒種子的生產機械化進程具有現(xiàn)實意義。
1.3 國內外排種器研究現(xiàn)狀
1.3.1 國外研究現(xiàn)狀
歐美等國從50年代后期開始出現(xiàn)氣力式精密排種器。近10年來，新機型不斷涌現(xiàn)，通用性、播種精度和效率不斷得到提高。
法國Monosem公司20世紀90年代末開發(fā)的NGPLUS氣吸式精密播種機，其核心工作部件(排種器)采用多種材料偶聯(lián)技術，排種器殼體和排種器蓋均采用鋁合金精密壓鑄，排種盤采用不銹鋼板和激光鉆孔新工藝，具有平面度精度高、耐磨性好和抗腐蝕等優(yōu)點，在排種器上還采用了高強塑料減磨密封環(huán)、黃銅精鑄剔種刀、清種刀和攪種輪，不僅確保了種盤與吸氣通道的密封性，而且提高了排種器的播種性能和使用壽命。
德國Amazone公司最新研制生產的ED系列氣吸式單粒精密播種機能夠滿足不同土壤條件、不同作物和不同農藝要求的播種作業(yè)，具有較高的生產率及可靠性，播種機上的吸風機除了使用動力輸出軸驅動外還可用液壓馬達驅動。
JohnDeere公司在20世紀90年代末生產的Maxemerge planters系列高速氣吸式精密播種機裝備了“精準農業(yè)"高新技術系統(tǒng)，將衛(wèi)星定位、地理信息、專家智能和遙感技術相融合，可根據(jù)土壤肥力和含水量等條件的變化，實施變量播種和施肥，達到節(jié)約種肥、優(yōu)化生態(tài)環(huán)境和降低成本的目的，它采用了高性能、低噪音的馬達液壓驅動風機，實現(xiàn)了風機轉速的無級調速，可適應不同作物、不同壓差的播種需要，提高了排種器的吸排種性能。
除此之外，氣吸式代表機型還有意大利GAS-PARDO公司生產的SP懸掛氣吸式播種機；氣壓式代表機型如美國阿里斯·恰默斯公 司生產的ALLIS-CHALMERS氣壓側充式播種機；氣吹式排種器代表機型如德國貝克公司生產的AeromatⅡ氣吹式播種機[2，4]。
國際上先進的精密排種器普遍采用了氣力式工作原理，正朝著大型、高效、操控電子化方向發(fā)展，先進的液壓技術、電子技術、通訊技術以及新型材料、加工工藝正逐步應用到精密排種器上，工作效率和精度不斷得到提高[4]。
1.3.2 國內發(fā)展現(xiàn)狀
小粒徑種子作物包括煙草、油菜等，在我國作物種植中有著重要的地位。我國在20世紀80年代初期開始氣力式精密排種器的研發(fā)工作，最近幾年這一技術得到了迅速發(fā)展。
1991年，中國農業(yè)工程設計研究院最早研制了一臺2XB-400穴盤精量播種機，采用的是機械式排種器，可用于蔬菜和一些花卉的播種， 但對外表不夠光滑接近球形的種子需要丸?；绿幚恚?997年，農業(yè)部南京農業(yè)機械化研究所研制了一種振動氣吸式播種機，可滿足每穴1~2粒精量播種的要求，空穴率在3%以下，合格率在90%以上；1999年，天業(yè)集團為解決番茄醬生產基地的播種需求， 從美國引進了SN-1-130型氣吸氣吹式精量播種機，該機當時屬世界先進的精量播種機，通過60公頃的番茄播種試驗發(fā)現(xiàn)，該機播種量僅為150g每公頃，空穴率僅為0.5%。
2000年，上海交通大學研制出一臺真空吸附式精量播種流水線，系統(tǒng)自動化程度高，日播種量12萬粒以上，且能適用于不同形狀的小粒種子；2003年， 安徽省天長市研制了一種WXQ—8型油菜數(shù)控直播機采用電子裝置控制播量，每穴1～3粒，結構設計緊湊，動力僅靠6V直流電瓶供給，行走考人工推動，每臺機僅重15kg，該機比較適合于小塊田地的播種，大面積播種時候效率偏低；2004年，湖南農業(yè)大學與現(xiàn)代農裝株州聯(lián)合收割機公司研制了一種2BYF—6型油菜免耕直播機，采用新型型孔輪式排種器，可實現(xiàn)油菜的穴播，并解決了免耕直播土層覆蓋的問題，不足之處是排種器的振動對播種效果存在一定的影響；2004年，胡建平等針對蔬菜、花卉類小粒徑種子精密播種問題，利用磁吸式排種原理，設計了一種磁吸滾筒式精密排種器， 以磁粉包衣油菜種子為試驗對象進行試驗， 試驗證明磁吸頭工作電流是影響排種性能的主要因素。該機型具有較高的播種精度和對不同類型種子的良好適應性；2007年，王希強等針對油菜籽的排種問題，研究了氣吸滾筒式精密排種器，對該排種器的吸孔吸種半徑進行了理論分析和推導，得出了滾筒上吸孔的吸種半徑與吸孔直徑、負壓大小、種子密度及種子大小有關的結論；2007年，廖慶喜等學者研制了一種正負氣壓組合式精量排種器，利用負壓吸種同時在投種區(qū)利用正壓將種子吹出，克服了小粒徑種子由于自重較輕，依靠重力難以自由下落的問題，可以實現(xiàn)油菜等小粒徑種子的單粒精量播種，并在此基礎上研制了2BFQ-6型油菜精量聯(lián)合直播機；2008年，夏紅梅等對氣力滾筒式穴盤播種機按單剛體系統(tǒng)對種子的吸排種過程建立動力學模型，得出了增大氣流量、提高種子與滾筒間的摩擦系數(shù)、減少種子與吸孔的距離可大大提高吸附效果的結論；2009年，趙湛等對氣吸振動式排種器進行工作機理研究和性能試驗分析，推導出了種子與種盤二自由度碰撞振動系統(tǒng)周期運動的Poincare映射，模擬了振動種盤內種群的三維運動規(guī)律，為氣吸振動式精密排種器的理論研究提出了新方法。
內蒙古農牧業(yè)機械化研究所研制的9MB-2.4型牧草播種機采用摩擦盤式排種器，根據(jù)彈性材料與種子間的摩擦實現(xiàn)小粒種子的播種， 性能優(yōu)于外槽輪式排種器；山西研制了一種滾筒式牧草播種機，將種箱和排種裝置制成一體，通過滾筒轉動的方式完成扎孔、排種、覆蓋過程，種子通過自重流入排種管，可用于苜蓿、谷子的條播；王振華，李中華研制的9BQM-3.0型氣力輸送式免耕播種機采用正壓式外槽輪排種裝置，由一個中央外槽輪排種器集中給分配器供料，高速氣流將種子吹到分配器分配到各行下種管，可以實現(xiàn)苜蓿等小粒徑種子的條播，但氣流的變化會影響到各行播量的均勻性。
張宇文等研制了一種多功能精量排種器并對其排種機理進行了探討，提出了防堵的方法；連銀娟等所研制的滾筒式油菜播種機，滾筒孔內側制成喇叭狀以防堵塞；吳崇友等研究開發(fā)的異型窩眼輪排種器，其核心為異型窩眼孔孔形、窩眼孔的布置方式和清種部件，通過合理的型孔結構和尺寸保證其充種和排種性能；陳海英等設計了一種鑲嵌組合式排種器，不同孔型的鑲嵌塊與主、副槽盤進行雙列或者單列組合配置，試驗發(fā)現(xiàn)排種輪型孔直徑與深度、引種槽與退種槽的傾斜角和深度、刷種板與窩眼輪之間的間隙等是影響播種質量的關鍵。
近年來，學者們對精量播種技術的研究不斷探索新的方法和思路。例如：袁月明，馬旭等學者采用高速攝像技術研究了氣吸式排種器充種和投種的全過程，采用ANSYS軟件模擬了種子在充種過程中的速度場和壓力場，對研究氣力式排種器內部流場及種子在排種器中的運動情況提供了新的方法；陳進，李耀明等學者分別利用ANSYS/FOTRAN和Fluent軟件對氣吸滾筒式精密排種器吸孔氣流場和吸種性能進行了有限元分析， 用計算機模擬的方法揭示了不同形式的吸孔對播種效果的影響，劉文東等采用基于Pro/E和ADAMS軟件的虛擬樣機技術對磁吸滾筒式精密排種器排種過程進行了仿真，得到了種子在排種過程的運動規(guī)律和受力變化及滾筒轉速、勵磁電流強度和取種位置角對種子排種運動的影響規(guī)律[2-7]。
由上可知，對于機械式排種器種子受力與運動規(guī)律的研究已經比較成熟，以合格指數(shù)、漏播指數(shù)、重播指數(shù)、破碎率等指標量化排種器排種效果的評價體系趨于完善。 對小粒徑種子氣力式排種技術的研究有待于綜合運用高速攝像技術、數(shù)值模擬和計算機仿真分析等手段探究氣力式排種器氣流場與排種器、種子的氣固耦合機理，明確氣流場與排種器結構的相互影響，研究種子受載、變形及其破損過程和種子的運動規(guī)律，以及對氣力充種、清種與種子運動情況等進行深入探討[2]。
1.4 研究內容
在氣力式排種原理的基礎上研究一種正負氣壓組合式適合小粒徑種子的精量直播排種器。通過系統(tǒng)分析排種器的工作原理、工作過程及其種子的動力學特征，得出包括型孔形狀及孔徑、型孔排數(shù)、真空度、排種滾筒的轉速等影響排種器性能的要素，并確定排種器的結構參數(shù)。具體內容和實施方案如下：
（1）確定滾筒氣力式精量播種裝置的工作原理、工藝及結構設計。
（2）滾筒體的設計。根據(jù)標準種盤尺寸和種子物理特性來確定滾筒體的設計參數(shù)。
（3）種箱的結構設計。結合滾筒氣力式煙草種子排種器的工作原理，對種箱的結構進行了設計，確定了最佳的種箱形狀、結構參數(shù)以及配合間隙，設計了滾筒與種箱之間配合間隙的凋整裝置。
（4）排種器工作過程動力學分析。由于氣力式排種器主要是靠正、負氣壓來完成排種和吸種的，因此需要根據(jù)排種器正常工作的條件及煙草包衣種子自身形狀特點，對排種器各工作過程進行動力學分析。
（5）相關組件的設計和校核。運用《機械設計》和《材料力學》的相關知識進行關鍵部件的設計計算。
2 總體方案的確定
2.1 工作方案
采用機械式排種器，易受機械式排種機構的作用引起包衣種子的破損，而采用氣吸式、氣壓式、氣吹式三種中的任意一種方式又難以有效的保證排種器的充種和投種效果，從而影響排種器的性能。為了解決以上問題達到研究目的，本課題有機結合了氣吸與氣吹兩種方式，研究了一種正負氣壓組合式煙草包衣種子精量直播排種器。所研究的氣力式精量排種器與傳統(tǒng)的機械式排種器相比能更有效的避免型孔的堵塞和種子的破損問題，保證排種器的充種和投種效果，并實現(xiàn)一氣兩用[8]。所設計的排種器具體工作過程如下圖1所示:
圖1 工作流程圖
Figure 1 The figure of working process
2.2 傳動方案
滾筒轉速的大小應保證在排種質量合格條件下的最佳工作速度。一方面，滾筒轉速越高，種子的離心慣性力越大，氣吸室所需的真空度越大，為防止出現(xiàn)漏吸，就需要適當提高風機的轉速；另一方面，隨著滾筒轉速的提高，吸孔與種子的接觸時間縮短，使得部分吸孔由于來不及吸種或吸種不充分脫落造成空穴，合格率下降，也需要適當提高真空度，但真空度的增加，有能使重播率增大，進而增加清種的壓力[9]。因此，為保證氣吸式排種器的排種質量，滾筒的轉速應綜合選擇。變速器具有結構簡單，制造方便，工藝要求不高，操縱非常簡單的特點。根據(jù)需要滾筒式排種裝置將采用鏈輪傳動，滾筒轉速和傳送帶的傳送速度之間的傳動比，加上一個減速器連接到調速電機上，再通過傳動軸帶動鏈輪傳動使?jié)L筒轉動。
根據(jù)本設計裝置的需要，傳動裝置主要由調速電機、軸、減速器、鏈輪、鏈條組成如圖2所示，調速電機提供動力，通過減速器，鏈輪傳動將動力傳送到滾筒上。其選用的主要參數(shù)為節(jié)距為19.05，滾筒軸上的鏈輪選用13齒，減速器軸上的鏈輪選用13齒的鏈輪。鏈條的鏈號選用08A的鏈條。
調速電機
減速器
鏈傳動
滾筒
圖2 傳動方案
Figure2 Transmission scheme
3 總體機構及工作原理
3.1 滾筒氣力式精密排種器總體結構及原理
3.1.1 滾筒氣力式精密排種器總體結構
本文所設計的滾筒排種器結構主要由吸排種滾筒、傳動系統(tǒng)、中心軸、排種箱、和機架等組成，其中電動機由變頻器控制，并通過鏈條、鏈輪驅動滾筒，使?jié)L筒能實現(xiàn)無級調速。中心軸與排種滾簡間靠軸承連接配合可以實現(xiàn)滾筒與軸的相對轉動，同時軸的兩端與播種機架相連，起到支撐連接作用；排種滾筒上分布有吸孔，實現(xiàn)吸種、排種；吸室又分為負壓區(qū)和常壓區(qū)兩部分，中間由吸室隔板隔開。其中負壓區(qū)占據(jù)了吸室的絕大部分，與吸種、攜種過程對應；常壓區(qū)體積較小，伴隨整個投種過程；負壓風管與風機負壓端相通，為負壓區(qū)提供所要求的風壓。
1、機架 2、支承座 3、中心軸 4、緊定螺釘 5、平鍵 6、密封圈 7、左端蓋 8、滾筒
9、螺釘 10、右端蓋 11、軸承 12、鏈輪 13、緊定螺釘 14、隔板15、殼體 16、接種槽
圖3 排種器結構示意圖
Figure 3 The drawing of seeder
3.1.2 滾筒氣力式精密排種器的工作原理
農業(yè)物料種子通常呈現(xiàn)散體顆粒狀，其機械特性介于固體和流體之間，自然狀態(tài)下，種子之間存在著負載的擠壓和摩擦作用力，力的大小與種層厚度、摩擦系數(shù)有關，且特定種子的內摩擦系數(shù)為常數(shù)。通過給種盤施加小幅高頻振使種群在種盤內產生向上的拋擲運動而相互分離，則種子之間的作用力由靜摩擦轉變?yōu)閯幽Σ?，流動性增強。通過合理調節(jié)種盤振動參數(shù)，種子呈現(xiàn)“沸騰”狀態(tài)，可以顯著減小吸種阻力[10-12]。
根據(jù)排種器的設計，排種器的滾筒被隔板分為負壓吸種區(qū)和零壓排種區(qū)。滾筒為懸臂梁結構，一端與轉動端蓋用緊定螺釘連接，通過端蓋與鏈輪相連實現(xiàn)轉動，另一端與固定端蓋間隙配合，通過密封圈密封。固定端蓋上焊接隔板，通過隔板與大氣相通，形成常壓腔。滾筒表面的吸孔與真空室相通。零壓區(qū)通過隔板、固定端蓋與大氣相通。播種時，空氣壓縮機通過空心軸上的吸孔吸走滾筒內腔的空氣，產生負壓，使?jié)L筒上吸孔的兩端形成負壓差。滾筒繞固定軸轉動，當吸孔經過種子箱時，種子在吸孔負壓差的作用下被吸附在吸孔上隨滾筒一起轉動。當滾筒轉至正下方隔氣板所形成的零壓腔時，筒內外壓差為零，種子在自重的作用下落入育苗盤穴孔中，實現(xiàn)精密播種，工作原理如圖4所示。
圖4 工作原理圖
Figure 4 Principle of operation
滾筒體主要是由無縫鋼管經過加工而成，模型可有其他材料代替，通過加工而成對應穴盤的吸種孔，通過鏈輪實現(xiàn)轉動。
滾筒軸固定，主要作用是實現(xiàn)抽氣作用形成負壓室及支撐滾筒的作用[12-16]。
3.2 主要設計參數(shù)
(1）根據(jù)標準種盤尺寸(534mm×278mm）孔數(shù)8×16來確定滾筒的外形尺寸；
(2）根據(jù)生產率600P/h和滾筒尺寸來確定滾筒轉速；
(3）根據(jù)種子特性（通過實驗測得種子三軸平均粒徑1.688mm，千粒重5.12g，休止角27.09°，漂浮速度6.35m/s。）、生產率600P/h來確定滾筒內的真空度大小。
4 結構設計與分析
排種器性能由其工作參數(shù)決定,為了得到合適的工作參數(shù)，需要對其主要因素進行分析計算與相關參數(shù)的確定。其中主要內容包括:對排種滾筒體設計、排種箱設計、中心軸設計、換氣裝置設計、風機的選擇以及傳動裝置設計等等[17-19]。
4.1 滾筒體設計
4.1.1 滾筒尺寸
根據(jù)煙草種子育苗盤尺寸（534mm×278mm）孔數(shù)8×16來確定滾筒尺寸參數(shù)，以滿足排種滾筒每旋轉一周播種一盤。
假設排種器的生產效率為600P/h，則：
（1）滾筒的直徑D： D=L/3.14=534mm/3.14=170.06mm。
（2）因排種滾筒的長需滿足L>缽盤的寬278mm的要求，所以?。?
L=300mm。
（3）壁厚2mm。
4.1.2 滾筒的吸孔形狀及孔徑
常見的吸孔形式主要有直孔、錐孔、沉孔，其結構如圖5所示[20]：
圖5 吸孔形式
Figure 5 The shape of holes
根據(jù)理論分析和試驗結果可知，在相同工作參數(shù)下，錐孔的垂直吸種距離、徑向吸種距離和吸種空間體積均大于直孔和沉孔，具有較強的吸種能力，吸種合格指數(shù)也較高。
由負壓室吸孔的吸附力計算公式可知，吸孔直徑的大小對負壓室所需的真空度較高，及在真空度相同的條件下，小孔徑吸孔易使吸附力不夠會造成空穴增加，而在吸孔直徑相同的條件下，真空度越大則重播率增加。因此，為降低空穴和重播，就需要選擇適合于煙草包衣種子的吸孔直徑。根據(jù)經驗公式確定吸孔孔徑：
d=(0.64～0.66)b （1）
式中：b-種子平均寬
根據(jù)實驗測量，知包衣種子平均寬 b=1.687
則d=0.66×1.687mm=1.134mm 取d=1.2mm
4.1.3 滾筒吸孔的周向排數(shù)
對于氣吸滾筒是播種器而言，提高工廠化育苗生產率的途徑只要有兩個：一是增加氣吸滾筒的轉速，二是增加氣吸滾筒上的吸孔周向排數(shù)。氣吸滾筒上吸孔的周向排數(shù)不變時，提高生產效率意味著滾筒的轉速增大，則吸孔完成過程吸附的時間相對縮短，種子的吸附幾率則會大大降低，造成吸種過程中空穴率上升而合格率下降。如滾筒轉速一定，增加吸孔的周向排數(shù)，卸種頻率會相對增加，滾筒吸孔的周向排數(shù)過多時，則負壓降低，導致吸種能力和合格率的下降，其原因是吸孔總面積增加，負壓室泄漏過多，負壓室壓力損失增加，降低了吸種能力，另外滾筒周向上兩排孔之間的距離縮短，氣流互相有影響，也影響了負壓室氣流的穩(wěn)定。
綜合考慮選用周向排數(shù)為16排的滾筒。最終所設計滾筒如圖6所示。
圖6 滾筒模型
Figure6 Drum model
4.1.4 滾筒內的真空度
吸孔孔徑大小對所需真空度影響很大。吸孔孔徑小則需要較高的真空度；氣室真空度與種子物性之間也有一定的關系,質量愈大,形狀不規(guī)則以及流動性差的種子,所需的真空度就愈高。另外排種盤轉速越高,離心力也越大,在其他條件不變的情況下,如提高排種盤轉速,須相應地提高真空度,以免漏播增多,此外,提 高排種盤轉速,或者雖已吸住種子,但因受到其他種子的碰撞及沖擊比較大,容易脫落而造成漏播,為此也應適當提高真空度,但真空度提高,又有可能使吸孔不只吸一粒種子,從而增加了重播指數(shù),結果使排種性能降低。綜合考慮以上幾方面的因素，真空度為2～4KPa。根據(jù)計算公式
（2）
得，符合實驗要求。
4.1.5 滾筒的轉速
提高播種機的作業(yè)速度,對于氣吸式排種器關鍵在于提高排種盤的轉速,但是排種滾筒的轉速不能超過一定的限度,因轉速過高,充種時問過短,種室內的種子來不及吸到排種盤卜,而造成漏播;另外轉速過高,排種滾筒的線速度增高，種子所受的離心力增大，使種子飛出，影響播種均勻性。實驗結果表明，滾筒線速度不宜超過0.18m/s。
根據(jù)公式 ,符合實驗結果。
4.2 排種箱設計
播種機的核心部件是排種器，但種箱也是必不可少的，現(xiàn)有的蔬菜穴盤排種器按工作原理來分主要是機械式、氣力式和磁力式。氣力式排種器跟其他排種器相比具有不傷種子、對種子外形尺寸要求不嚴、整機通用性好等優(yōu)點，比較適宜蔬菜播種。而種箱作為播種機上的部件，對于實現(xiàn)吸種具有十分重要的意義，可以保證精密播種機的單粒率、盡量減少重播率和漏種率。
目前，國內的水稻滾筒播種機采用種子箱作為其供種裝置，體積比較大，適合大量種子的要求。但是由于蔬菜種子較小一些，而且價格遠高于水稻種子，要設計體積比較小一些的供種箱以適合其精密播種的要求。一般要保證播種機能夠連續(xù)工作2h，平均每小時按播種600盤的工作效率計算，每盤需要大約130粒種子，則需要大約156000粒種子，這些種子所占的體積為387mL，而供種箱要比此要求稍微大一些，所以設計供種箱的容量為420mL。為了保證每個吸種氣孔附近都有種子的平均分布，供種箱的寬度要比8個吸種氣孔的總距離稍微大一些，吸種氣孔的間距為35mm，總的距離為7個間距長即245mm，因此取供種箱總體長度為270mm，寬度為l00mm。供種箱上還要安裝清種裝置，本研究選用毛刷式清種器，清種裝置安裝在滾筒離開種箱時種箱的位置上，當吸孔通過時，毛刷將多余的種子清下，并使其落人種箱中，而且此清種裝置可以任意調節(jié)其與滾筒之間的距離和角度，更好地調節(jié)最佳清種位置，提高播種的單粒率，減少其重播率。供種箱后面用2個底座通過螺栓連接在播種箱的機架上。綜合上述的要求，設計的供種箱結構如圖7所示。
4.2.1 種箱繞中心軸可調
該種箱在設計時應考慮其要滿足繞中心軸能調節(jié)，為了滿足其目的，在種箱的箱體兩側加兩塊側板，種箱左側有步進電機帶動滾筒轉動的鏈條，因此側板設計成跨越式，從鏈條上面跨越過去。側板的一頭設計成與中心軸同心的圓形，這樣可以滿足側板繞中心軸轉動。側板的外側再加上兩個滑槽，滑槽的弧度應滿足與滾筒同心，其底端的兩塊底板用螺栓與機架固定住。箱體通過螺栓與側板、滑槽連接，這樣箱體就可
1、側板固定架 2、清種裝置 3、箱體 4、底座 5、滑槽架 6、內側底板 7、密封板
圖7 種箱結構圖
Figure 7 Box structure
以通過滑槽繞中心軸轉動，滿足設計要求。
4.2.2 種箱與滾筒軸間距可調
由于在工作時種箱與滾筒之間會產生摩擦，為了防止摩擦過大，種箱和滾筒接觸之間會加一些如毛氈一樣的摩擦因數(shù)比較小的密封裝置。為了更好地調節(jié)其間的距離，在箱體兩側加工兩個槽口，箱體可以通過這個槽口調節(jié)種箱與滾筒之間距離的大小，以滿足其中心距可調。
4.2.3 箱體的形狀設計
種箱是用來盛放種子的，將種子按一定的方法放入箱體中，種子本身具有自然休止角，若將箱體的底部設計成水平結構，種箱中處在遠離滾筒部位的種子就不能夠被吸孔吸到。所以，種箱的箱體底部表面應具有一定的傾斜角度，以保證種子能夠順利地流向滾筒壁，從而使播種器能夠連續(xù)的播種。試驗表明，當箱體的底部表面傾斜角度大于27°時，能夠保證種子順利地向滾筒方向流動，本箱體底部表面傾斜角度為30°，滿足此要求。
另外，由于滾筒上吸孔取種的位置將直接影響到吸孔的吸種準確性，所以種箱高度也是一個重要的設計參數(shù)。研究中發(fā)現(xiàn)，吸孔吸起滾筒外壁垂直距離較高的種子比相對位置較低的種子更加容易，所以在安排種箱和滾筒相對位置時，可以將箱體底部靠近滾筒處安排在滾筒中心軸軸線所在水平平面內，以便于吸孔吸種和取種[22,23]。
4.3 中心軸設計
中心軸（如圖8所示）主要作用是抽掉滾筒負壓室的空氣，形成真空度為4KPa的負壓腔，同時支撐滾筒體。
圖8 軸
Figure 8 Axis
4.4 換氣裝置設計
換氣裝置屬于懸臂梁結構，由左端蓋、隔板、通氣軸三部分組成。通氣軸與支承座過渡配合固定在支架上不動，左端蓋與滾筒間隙配合，通過軸套固定在通氣軸上，隔板焊接在左端蓋上。滾筒與右端蓋通過緊定螺釘連接隨鏈輪一起轉動。
換氣裝置的工作過程主要是通過通氣軸左端與風機相連將滾筒內吸出的空氣抽出，使?jié)L筒吸種的氣室達到負壓狀態(tài)。隔板與左端蓋焊接并與大氣相通形成常壓室。
4.5 端蓋設計
左端蓋固定不動，與滾筒間隙配合，在端面開一個口，與隔板相配合實現(xiàn)與大氣相通。右端蓋通過緊定螺釘與滾筒連接，再通過螺釘與鏈輪相連帶動滾筒旋轉。
4.6 風機的選擇
現(xiàn)設吸孔的通孔內的氣流平均速度為vi ，已知通孔內外的氣壓差△P= 4KPa。根據(jù)流體力學原理，吸孔內的阻力系數(shù)為：
(3)
由上式可求得：
(4)
當吸孔直徑為0.8～3mm時，ξ=0.17～0.72。用插值法得ξ=0.27，代入數(shù)據(jù)得=15.68m/s。
通過單個吸孔的空氣量為：
17.72×10-6m3/s
氣源總的流量Q為：
12.76m3/h
則風機型號為：NK-125，主要參數(shù)：吸力12kpa，功率800w，額定電壓220v，50Hz。
風機實物圖如圖9所示。
圖9 風機
Figure 9 Fan
4.7 傳動機構設計計算
根據(jù)需要滾筒式排種裝置將采用鏈輪傳動，傳動裝置主要由電動機、調速器、鏈條、鏈輪組成[24]。
4.7.1 原動機的選擇
所需電動機的功率：
（5）
滾筒的轉動慣量估算:
（6）
式中，g－重力加速度，
－系統(tǒng)旋轉部分的重量，N
－系統(tǒng)旋轉部分的半徑，m
－系統(tǒng)旋轉部分的直徑，m
系統(tǒng)旋轉角速度，與每分鐘轉數(shù)n的關系為:
(7)
將J及代入（5）式，整理得：
2 (8)
(9)
總效率 ：
（10）
電動機功率：
(11)
選功率為250w的單相電容啟動異步電機，主要參數(shù)為：額定功率250W，級數(shù)4,同步轉速60r/min，額定電流2A，功率因數(shù)為0.92，最大額定轉矩為1.7。調速范圍為：2.4-60r/min。
5 排種器工作過程動力學分析
影響氣吸式排種器排種性能的因素很多。包括如排種滾筒結構、吸室結構、充種區(qū)部位以及充種倉種子層的厚度等排種器結構因素，還包括直接影響排種性能的吸室真空度大小、吸孔孔徑大小及排種滾筒線速度等等。由于氣吸式排種器主要是靠吸力完成種子從種室內分離出來及充種、攜種的，因此需要根據(jù)排種器正常工作的條件及油菜籽自身形狀特點，對排種器各區(qū)域進行動力學分析，即排種滾筒吸孔所需吸力的大小與種子運動有關因素的相關系對排種性能的影響。按照排種器工作過程的特點，將排種滾筒整個圓周可劃分為充種弧段、攜種弧段和投種弧段三個弧段。排種滾筒繞吸室逆時針旋轉,在充種、攜種弧段吸孔與吸室負壓相通。在充種弧段依靠吸力取種，攜種弧段種子仍處于吸附狀態(tài)，起到護種作用。在投種弧段解除負壓，甚至可同時施加正壓優(yōu)化投種效果，完成投種過程。
5.1 吸孔前流場分布規(guī)律
如圖10吸孔處氣流流場呈放射狀,且在以錐頂O 為中心的球面上氣流速度大小相等, 其值取決于吸種距離(吸孔前種子所在位置與O 點的距離的大小)。吸種距離為x時,氣流流經截面的球冠面積S為:
(12)
式中:－為吸孔錐頂角；－為球冠高度。
為吸孔壓強；為距錐較遠區(qū)域壓強；為吸孔直徑；
為吸種距離；為錐頂角；為錐頂；為球冠高度
圖10 吸孔前的流場分布
Figure 10 Flow field distribution before the pick up holes of the sucker
根據(jù)流量公式可推導出吸種距離為 時的氣流流速：
(13)
式中為空氣流量。
式(5-13)表明,吸孔前的氣流并非均勻的定常流,其速度、壓強隨吸種距離的變化而改變,越接近吸孔口附近,速度變化梯度越大,根據(jù)伯努利方程,吸孔口附近壓強梯度較大。
5.2 吸種最小真空度分析
理論上氣流速度大于物料懸浮速度是保證物料正常向上運動的基本條件。氣流速度等于物料懸浮速度時為臨界狀態(tài),此時吸孔前氣流速度(物料懸浮速度)為v0，吸種距離為x0 ,相應吸孔內的真空度為能吸附種子所需要的最小真空度,設為Pmin。設距吸孔錐頂較遠區(qū)域壓強為P∞ ,其值等于大氣壓,此處速度為0 ,根據(jù)伯努利方程：
（14）
由連續(xù)方程可求得臨界狀態(tài)時吸孔內氣流速度vi :
(15）
由式(14) 、(15) 得:
(16）
可見，能吸附種子的最小真空度與吸孔參數(shù)(α、di )和吸種距離x 有關。參考測定參數(shù),懸浮速度為6.35m/s , 吸種距離3 mm ,吸孔直徑1.2mm，2α為90°，常溫下ρ為1.205m3/kg ,代入計算得到最小真空度為3.415kPa。取真空度為4KPa。
5.3 種子受力分析計算
5.3.1 種子被滾筒帶出時受力
圖11 種子受力分析圖
Figure 11 Forces acting on seed
當種子被吸附住后，除受到吸力P、重力G、支持力N外，還受到慣性和離心力P離和滾筒對它的摩擦力P摩的作用。種子在摩擦力P摩的作用下，被滾筒帶出種箱的條件是在切線方向有：
(17）
摩擦力P摩可用下式表示：
(18）將(5-18）帶入（5-17）有：
(P+Gsinα-P離)tanψ≥Gcosα (19）
式中：ψ－吸孔附近種子與滾筒的摩擦角
α－種子與滾筒軸線所在水平面的夾角。
式（5-19）就是種子在吸孔氣流作用下被滾筒帶出種箱的條件。如果貼在滾筒上種子距離吸孔較遠，這時。當滾筒轉速較低時，慣性離心力P離也可以忽略不計。這時式（19）可以寫成下式：
(20）
式（5-20）表明，當種子與滾筒的摩擦角ψ大于或等于種子與滾筒軸線所在水平面的夾角α的余角時，種子在只有摩擦力的作用下也將被帶出種箱。
由式（5-19）可知，增大種子與滾筒軸線所在水平面的夾角α有利于滾筒帶出種子；相反，當α減小時，則對種子的帶出不利。
如果有多粒種子貼近吸孔，即使各種子受到的氣流吸力P不是很大，但在摩擦力的作用下也可能被滾筒帶出種箱，很容易造成一孔吸多粒的現(xiàn)象。特別是當α較大時這種現(xiàn)象更容易發(fā)生。
種子被滾筒帶出種箱后，要保證種子不在重力的作用下從吸孔上自動掉下來，摩擦力必須始終大于種子重力的分力。
式（5-19）是當種子在Ⅱ、Ⅲ象限時所在的形式。
當種子在Ⅰ、Ⅳ象限時，
式（5-19）應寫成：
(21）
將式（5-21）的右邊對求導，并令其等于零：
(22）
解式（5-22）可得：。這時式（5-21）的右邊取得最大值，即種子在這個位置最容易脫落。
5.3.2 種子吸附在滾筒上的條件
當種子被吸附到滾筒的吸種口上時，種子受到由正負壓差引起的吸附力P，離心力
P離=mω2R，摩擦力P摩=（為種子與滾筒的摩擦角），重力G=的作用。受力分析如圖11所示。
由圖11建立種子的受力平衡方程式：
（23）
（24）作用在種子上的正壓力為：
（25）
所以吸種的條件是：
（26）
將數(shù)據(jù)代入驗算符合要求[25,26]。
6 關鍵零部件校核
6.1 軸的強度校核
作為關鍵零部件，下面將對所設計軸進行強度校核。
軸的受力分析如圖12所示：
圖12 軸受力分析
Figure 12 Analysis of the force on the axle
假設，，軸的材料為45鋼，彎曲許用應力。
由靜力平衡方程 。求出支座反力。
(27)
(28)
求得：
應力彎矩圖為:
圖13 彎矩圖
Figure 13 Bending moment
對于A截面 ：
，滿足強度要求。
對于B截面： ，滿足強度要求。
6.2 軸承校核
純徑向載荷且徑向載荷小選用深溝球軸承，型號為6006，內徑30mm，外徑55mm，厚度13mm，基本額定動載荷Cr=13.2KN，基本額定靜載荷C0r=8.30KN。
由于軸承的轉速很低，按照點蝕破壞來選擇軸承尺寸就不符合軸承的實際失效形式。在這種情況下，滾動接觸面上的接觸應力過大，而使材料表面引起不允許的塑性變形才是軸承的失效形式，應按軸承的靜強度來選擇軸承的尺寸。
軸承上作用的徑向載荷和軸向載荷，應折合成一個當量靜載荷，即
（29）
式中，、分別為當量靜載荷的徑向載荷系數(shù)和軸向載荷系數(shù)
（30）
按軸承靜載荷能力選擇軸承公式為：
（31）
式中，稱為軸承靜強度安全系數(shù)，查表13-8得
，符合要求[27-29]。
7 結論
通過對排種器的工作原理、工作過程以及種子的動力學、運動學的理論分析,得出了包括真空度、吸孔直徑、吸孔孔數(shù)、排種滾筒的線速度等影響排種器性能的要素,并確定了排種器的結構參數(shù)，設計出了滾筒氣力式煙草種子排種器的整機結構。此次所設計的該排種器與傳統(tǒng)的機械式排種器相比能更有效的避免型孔的堵塞和種子的破損問題,將氣力應用到排種過程中代替機械式的推種齒和推種片,其研究結果對推動煙草包衣種子機械化精量播種技術的發(fā)展,以及其他類似作物精量排種器的研究其有一定的理論參考價值和實踐價值。并根據(jù)相關原理得到排種器的裝配圖。
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致 謝
本論文是在謝方平老師的悉心指導和熱情關懷下完成的，從課題的立項、開題及課題的開發(fā)研究到論文的審稿、定稿，每一步都凝聚著謝老師的心血。同時也要感謝梅師姐在我進行論文準備的過程中對我的幫助和指導，并向那些在整個過程中不斷鼓勵我的同學和支持我的朋友表示衷心的感謝。
畢業(yè)設計是大學本科學習中的最后一次作業(yè)，也是對本科學習的最后一次復習和檢閱。通過參閱大量資料，使得我的專業(yè)知識又得到了很多補充，同時在設計過程中也是我認識到自己的很多不足，尤其是機械加工、材料應用方面知識的不足。這些都需要我在以后的工作中不斷的學習補充。
最后，衷心感謝大學四年里所有給予我教誨以及幫助過我的老師及同學們。
感謝答辯組老師！感謝你們對本設計中存在的不足給予的指正和幫助。
附
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