磁力式烟草穴盘精密播种机的设计与试验

何玉静，谢珣，史景钊，余泳昌

河南农业大学机电工程学院，郑州市文化路95号 450002

烟草设备

磁力式烟草穴盘精密播种机的设计与试验

何玉静，谢珣，史景钊，余泳昌

河南农业大学机电工程学院，郑州市文化路95号 450002

针对烟草等小粒种子精密播种存在的问题，在分析了现有精密播种机的基础上，设计了一台磁力式穴盘精密播种机。该播种机利用电磁吸嘴通电产生磁力，吸取磁粉包衣种子完成吸种过程；断电时，电磁吸嘴失去磁力，种子在重力作用下落入导种板中，完成排种过程。利用正交试验确定了该机的最佳结构参数：匝数12，线圈长度10mm，线圈导线半径0.2mm，铁芯半径1.8mm。并且通过播种性能试验，该机平均单粒率96.45%，重播率3.55%，空穴率0，满足精密播种的要求。

磁力式；精密播种机；设计；试验

随着全球精密播种技术的发展，传统的以气吸式和机械式排种方式为主的播种技术已经比较成熟，但对于播种烟草这类体积小、形状不规则的种子，气吸式和机械式播种机都存在着不足之处。机械式播种机虽然结构简单，但播种精度低，且排种时易伤种[1]；气吸式播种机播种精度高，但吸孔直径小易堵塞[2]。目前，国内外学者做了大量的研究，利用不同的原理去实现精密排种的目的。如日本提出的静电播种，英国提出的液体播种和超音速播种[3-5]，我国学者提出的电磁振动式[6-7]播种和磁吸式播种方式[8-9]等。

本文设计的磁力式穴盘精密播种基于对烟草种子体积小、形状不规则、播种精度要求高的特点，参考国内外真空气吸式和错板式两种穴盘播种技术[10-11]，结合种子丸粒化工艺，实现了磁力式精密播种。该机有较高的播种精度，而且结构简单，方便操作，更加有利于精密播种技术的推广，适合烟草工厂化育苗。

1 磁力式播种机的结构和工作原理

如图1所示，为烟草磁力式精密播种机的结构示意图，该播种机主要由3个部分组成,即机架、排种装置和供电装置。机架上安装有导轨12、种盒3、导种板1，种盒3和导种板1沿着导轨12方向排列；排种装置包括手柄箱2、手柄箱底板7、手柄箱下方的排种板11，排种板11上固定有一定数量的电磁吸嘴9，电磁吸嘴9的下端套有绝磁套筒，且与吸嘴下表面平齐；供电装置（整流器4、变压器5、总开关6）位于机架下方，主要是为排种装置提供电力来源。

该播种机的工作原理如图1所示：在吸种位置，排种板11位于种盒3上方，电源开关处于闭合状态，排种板11上的电磁吸嘴9通电产生磁力吸起种盒3内磁粉包衣处理过的种子；然后排种板11沿着导轨12移动至导种板1上方，此时开关螺钉首先触发电源开关，然后撞针8使排种板11停止运动，电源开关断开，电磁吸嘴9失去磁力，种子在重力作用下落入导种板1中，完成排种过程。

2 主要部件的设计

2.1 导种板的设计

如图2所示，为导种板结构图。导种板为460×220×5mm的金属板，板上有10×20=200个孔，根据丸粒化的烟草种子粒径大小确定孔径为8mm，为了使种子能够顺利从孔中落下不至于落在导种板上，导种板正面孔边倒角45°×2mm，这样就提高了种子落下的概率，有效的提高了精量播种机的性能。

2.2 排种板的设计

图1 磁力式精密播种机结构原理示意图Fig.1 Structure of magnetic precision seeder

图2 导种板结构图Fig.2 Structure of guide plates

排种板是整个播种机的核心部件，其主要由底板和电磁吸嘴构成，结构如图3所示。为了防止干扰磁场，整个底板为460×220×30mm的不导磁板，其上有10×20个贯通锥孔，锥孔内放置电磁吸嘴。为了保证及时的导磁和断磁，电磁吸嘴的主体部分采用工业纯铁做的铁芯，铁芯与底板上半部缠绕着一定匝数的导线，铁芯下半部套着与之平齐的绝磁套筒，结构如图4所示。

图3 排种板的俯视图和左视图Fig.3 Top view and left view of metering plate

图4 吸种过程原理图Fig.4 Schematic diagram of seed absorption process

整个排种板的电路为每行10个电磁吸嘴采用串联，串联后20行采用并联。整机使用家用220V交流电，通过变压器和整流器转换为直流，供每个电磁吸嘴产生磁力。若要确保电磁吸嘴能吸附起种子，则

F≥G

式中，G—单粒种子的重量（N）；F—磁吸力(N)。

磁吸力大于种子自身重量时，确定能吸附种子，但磁吸力若过大，就有可能吸附多粒种子，电磁吸嘴吸附种子的个数直接反映着播种性能，其电磁吸嘴单吸率越高，则该播种机播种时精播率越高，反之亦然。

电磁吸嘴通电后，会对下方的磁粉包衣种子产生一个向上的磁吸力。根据对麦克斯韦尔磁力计算公式的推导[12]，得出电磁吸嘴对磁粉包衣种子的磁吸力为：

式中，I—线圈电流(A)；N—线圈匝数(常量)；l—线圈长度(mm)；rw—为线圈导线半径(mm)；r—铁芯半径(mm)；δ—气隙长度(mm)；x—为铁芯伸入线圈内腔的长度(mm)；m—种子质量（kg）。

综上所述，磁吸力的大小是可控的，只要通过对电磁吸嘴的结构参数如线圈长度、线圈导线半径、铁芯半径、线圈匝数等进行合适的选取，就可以实现精密播种。

3 试验与分析

3.1 试验设备及试验对象

（1）试验设备：磁力式烟草穴盘精密播种机，电磁吸嘴均匀地分布于排种板上，每排20个，共10排。

（2）试验对象：具有磁性的烟草种子，包衣剂铁粉含量为5%，包衣后种子的千粒重是8.550g。

3.2 试验因素及试验方案

（1）由于目前该样机只针对于烟草种子播种，种子质量一定，通过将电压降压整流至 12 v，电流为100mA,即可满足对烟草种子的播种。所以该次试验把影响磁力大小的线圈匝数A、线圈长度B、线圈导线半径C、铁芯半径D作为试验因素，将电磁吸嘴单吸率、多吸率、空吸率作为性能指标。

（2）由于试验因素比较多，采用正交试验，将试验因素各取3个水平，因素与水平如表1所示。以L9（34）正交表安排试验[13]，形成了正交试验方案，方案如下表2所示。

表1 试验因素水平表Tab.1 Experimental factors and levels

表2 试验方案Tab.2 Test schemes

3.3 试验结果

为了提高精度，减小误差的影响，对每种水平搭配进行3次重复试验，将电磁吸嘴吸附单粒种子个数、吸附多粒种子个数、无种子吸附个数作为试验结果并将其填入表格中，并计算每种方案的平均单吸率、多吸率和空吸率。其试验结果如下表3所示。

表3 试验结果Tab.3 Test results

3.4 试验分析

由表3可知，电磁吸嘴的空吸率为0，证明该机吸附种子能力强；单吸率越大，则多吸率就越小，所以只需要针对单吸率这一性能指标，选取最佳的结构参数组合。

在正交试验中对试验结果采用极差分析，能够得到最优的设计方案，如表4所示。通过对原始数据的计算，分清各因素对试验指标影响的主次顺序，并确定最佳的因素水平组合，为进一步的试验指明方向。

表4 极差分析表Tab.4 Range analysis

极差越大，对单吸率的影响越重要。通过表4得知，影响单吸率因素的主次顺序为：匝数A，铁芯半径D，线圈长度B，线圈导线半径C。为了选取最优的水平组合，绘制出因素效应曲线，如图5所示，因素A的3个水平选择A3时，其单吸率最高，选其为最佳水平；因素B的3个水平选择B1时，单吸率最高，B1为最佳水平；因素C的3个水平选择C1时，单吸率最高，C1为最佳水平；因素D的3个水平选择D2时，单吸率最高，D2为最佳水平。综合考虑，最佳方案为A3B1C1D2, 即匝数12，线圈长度10mm，线圈导线半径0.2mm，铁芯半径1.8mm。

3.5 验证试验

2014年2月16日，在许昌市襄城县十里铺乡烟叶育苗基地对该样机进行播种性能验证试验，验证结果如表5所示。

图5 因素效应曲线Fig.5 Factor effect curves

表5 结果验证Tab.5 Verification results

由表5得知，该机平均单粒率96.45%,空穴率0，重播率3.55%。该机单粒率96.45%达到国内精密播种机对精密播种的要求；目前国内先进的气力式播种机空穴率≦1.5%，该机空穴率为0，不存在漏吸漏播现象。但在测试中发现，重播率偏高。通过磁场分布均匀性测试，磁场分布存在边缘效应，排种板中间部位磁场较强，磁场分布不均匀，容易造成重播率偏高。

4 讨论

本文设计的磁力式精密播种机与参考文献[9]中胡建平老师的设计有借鉴之处，工作原理基本相似，都是利用磁力吸附种子，磁力消失，排下种子。相对于胡建平老师及其他电磁式播种机，本机的改进点主要体现在以下几方面：

（1）整机结构由滚筒式改为平板式，体积更小，价格更低廉，既可电动也可手动操作，搬动更换地方也更为方便，适用于一般工厂化育苗的农户。

（2）利用撞针实现电源的开关，从而实现磁力的产生与磁力的消失，最终实现吸种与排种。

（3）在种盒下面安装高频振荡器，种子处于沸腾状态，使种子与吸嘴间距离减小，更有利于吸附种子。

（4）吸嘴所绕线圈在分布上以块管理，可以克服吸嘴电流电压存在差异，导致吸力不同或吸不上种子。维修拆卸方便。

5 结论

（1）针对于烟草精密播种存在的问题，在分析了现有精密播种机的基础上，设计了磁力式穴盘精密播种机。参考国内外真空气吸式和错板式两种穴盘播种技术，结合种子丸粒化工艺，实现了磁力式精密播种。

（2）利用正交试验确定了该机的最佳结构参数：匝数12，线圈长度10mm，线圈导线半径0.2mm，铁芯半径1.8mm。

（3）通过样机播种性能试验，该机平均单粒率96.45%,重播率3.55%，空穴率0，其具有较高的播种精度。但在测试中发现，重播率偏高，是由磁场分布不均匀造成的。

（4）目前该机只针对于烟草种子穴盘播种。在以后的研究中，只需改变电流大小即可满足蔬菜、辣椒等小粒种子的精密播种要求。

[1] 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]. 中国农机化, 2012(1):93-96.Zhang Ning, Liao Qingxi. Research Progress of Seeding Technology and Equipment for Small Seeds in China [J].Chinese Agricultural Mechanization, 2012(1):93-96. (in Chinese)

[2] 陈凤艳, 张晋国, 陈凤娟. 槽缝式小麦气吸精密播种机的设计与研究[J]. 农机化研究, 2011(8):81-84.Chen Fengyan, Zhang Jinguo Chen Fengjuan. Design and Research on Suction Slot- type Precision Wheat Seeder[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research,2011(8):81-84. (in Chinese)

[3] 李强, 刘明刚, 渠聚鑫,等. 林木穴盘精密播种机的选型设计[J]. 林业机械与木工设备, 2012(3):21-24.Li Qiang, Liu Minggang, Qu Juxin, et al. The Type Selection Design of Tree Tray Precision Seeders [J].Forestry Machinery & Woodworking Equipment,2012(3):21-24. (in Chinese)

[4] 程欢庆, 张祖立, 张为政. 蔬菜穴盘播种装置的研究进展[J]. 农业科技与设备, 2010(4):31-33.Cheng Huanqing , Zhang Zuli, Zhang Weizheng. Research Progress in Vegetable Plug Tray Seeding Device[J].Agricultural Science&Technology and Equipment,2010(4):31-33. (in Chinese)

[5] 胡建平,毛罕平. 精密播种技术的研究与创新[J]. 农机化研究, 2013(4):52-53.Hu Jianping, Mao Hanping. A Study and Innovation on Precision Seeding Technology [J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2013(4):52-53. (in Chinese)

[6] 王高峰, 杨坚, 黄亦其,等. 电磁振动式水稻芽种播种机的试验研究[J]. 农机化研究, 2012(2):122-126.Wang Gaofeng , Yang Jian, Huang Yiqi, et al. The Experimental Study on Seeder for Rice Bud-sowing of Electromagnetic Vibrating Type [J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2012(2):122-126. (in Chinese)

[7] 杨坚, 杨望, 王高峰. 电磁振动式拌浆育秧水稻芽种播种机优化试验[J]. 农业工程学报, 2012(6):32-38.Yang Jian, Yang Wang, Wang Gaofeng. Optimization Experiments on Electromagnetic Vibrated Seeder of Rice Bud-seed for Field Seedling Raising [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2012(6):32-38. (in Chinese)

[8] 胡建平, 李宣秋, 毛罕平. 磁吸式精密播种器磁力排种空间的磁场特性分析[J]. 农业工程学报, 2005(12):39-42.Hu Jianping, Li Xuanqiu , Mao Hanping. Magnetic Field Characteristic Analysis for the Magnetic Seed-metering Space of the Precision Seeder [J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering,2005(12):39-42. (in Chinese)

[9] 胡建平, 毛罕平, 陆黎. 磁吸式穴盘精密播种器排种机构的设计[J]. 农机化研究, 2005(2):133-136.Hu Jianping, Mao Hanping, Lu Li. The Seed-metering Mechanism's Design for the Precision Plug Seeder by Magnetic Force[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2005(2):133-136. (in Chinese)

[10] KARAYEL D,BARUT Z B,OZMERZI A. Mathematical Modeling of Vacuum Pressure on Precision Seeder[J],Biosystems Engineering, 2004(4):437-444.

[11] GUARELLA P, PELLERANO A,PASCUZZI S.Experimental and Theoretical Performance of a Vacuum Seeder Vegetable Seeds[J]. Agriculture Engineer Research,2006, 64:29-36.

[12] 李达, 张军, 张道清. 直流螺管式电磁铁吸力经验公式的修正[J]. 赣南师范学院学报, 2010(6):58-60.Li Da, Zhang Jun, Zhang Daoqing. The Modification of Suction Formula for DC Solenoid Electromagnet [J]. Journal of Gannan Normal University, 2010(6):58-60. (in Chinese)

[13] 陈魁.试验设计与分析[M].北京:清华大学出版社，2005:94-181.Chen Kui. Design and Analysis of Experiments[M]. Bei Jing: Tsinghua University Press，2005:94-181. (in Chinese)

Design and test of magnetic tobacco precision seeder

HE Yujing, XIE Xun, SHI Jingzhao, YU Yongchang
College of Mechanical and Electrical Engineering, Henan Agricultural University, Zhengzhou 450002, China

On the basis of existing research in precision seeders, a magnetic seeder was designed for tobacco seeds which are small. The machine absorbed powder-coated seeds by electromagnetic nozzle. Its optimal structural parameters were determined by orthogonal test as follows: turns 12, coil length 10mm, coil radius 0.2mm, and nails radius 1.8mm. Through seeding performance test, the average single seed rate was 96.45%, reseeding rate 3.55%, empty hole rate 0, which could meet the requirements of precision seeding.

magnetic; precision seeder; design; test

何玉静，谢珣，史景钊,等. 磁力式烟草穴盘精密播种机的设计与试验[J]. 中国烟草学报，2016,22（3）

河南省科技攻关项目（092102210417）

何玉静（1974—），讲师，主要从事农业机械化技术与装备研究，Email:heyujinghn@126.com

余泳昌（1955—），Email:hnyych@163.com

2014-12-12

:HE Yujing, XIE Xun, SHI Jingzhao, et al. Design and test of magnetic tobacco precision seeder[J]. Acta Tabacaria Sinica,2016,22(3)