基于电磁振动的玉米种子定向排序输送技术探析

魏红梅

摘    要：根据通过机器振动实现有序传输材料的设计理念，对玉米种子定向排序输送提出一个简要方法。通过对种子在定向运动时的各种姿态变化，对种子进行动力学分析，从而得到可以将种子定向排序输送的试验装置。

关键词：玉米种子;电磁振动;定向排序;输送技术

文章编号： 1005-2690（2021）08-0009-02       中国图书分类号： S513       文献标志码： B

定向播种对于玉米增产有明显的促进作用，可以使玉米植株生长整齐，行距、株距均匀一致，果穗与叶子得到充分舒展，为玉米作物提供良好光照及通风条件。实现玉米大规模机械化定向播种，关键技术是实现玉米种子定向排序。而这项研究，无论是国内还是国外都处于起步阶段，没有现成资料可以参考借鉴。所以，通过电磁振动对物料进行传输的设计思路，提出一种可以实现玉米种子定向排序输送设计思路，为实现玉米机械化提供思路。

1   基于电磁振动的玉米种子定向排序输送原理

振动盘料斗下有一个脉冲电磁铁，通电后可以使料斗进行垂直方向的振动。通过倾斜的弹簧片带动料斗绕垂直中轴进行摆动振动。料斗内部物体会随着振动沿螺旋轨道上升。因为圆筒形料斗是反复扭转式振动，在工作过程中经过调整后就可以顺利实现将无序工件进行有序排列的目标[1]。

2   玉米种子定向排序方法

根据通过机械振动达到传输物料的设计思路，物料在机器内部进行3种方式的运送，分别为正向运送、反向运送和抛掷运送。通过机械运送玉米种子时，由于种子时刻与运送槽接触，所以每当运送槽振动时，种子都会沿着轨道进行短暂的滑动。通过对机器频率与输送电压的控制，种子就可以平稳向前输送。而扁形、尖头、圆底的玉米种子可以对其进行抽象化理解。种子质量集中于胚乳端，即“圆底”。

假设种子以长轴平行于运动方向，在振动运送槽进行移动，则存在两种运动方式，分别为以果柄端，即尖头朝前运动（假设为顺行）;以胚乳端，即圆底朝前运动（假设为逆行）。在设计装置过程中，可以使顺行与逆行发生的概率不同，从而调节相关参数与振动条件，使玉米种子都以順行方式运送。接下来将通过理论分析与实践操作，对种子振动运送进行分析。

2.1   玉米种子顺行定向方法

玉米种子正向运送滑行时，在通过台阶后会产生轻微的变化，主要分为两种：一为种子继续以顺行姿势进行滑动;二为种子在与台阶接触的同时进行180°翻转，变为逆行姿势。

当种子在初始状态下，会被自身的种子重力与斜面的摩擦力影响朝斜面向下滑动。而当机器的振动超过种子重心，使其中线位置超过重心位置，将会给种子有一个向上抛的相对力。如果机器振动幅度过大、振动角度过大，都会让种子从机器运送槽中飞起，进行平滑的平抛运动。种子运动轨迹会受到重量、运动惯性等因素影响，种子会在空中绕重心范围的某一点进行旋转，从而改变其自身状态。如果种子没有被抛起，将会在沿斜面向下滑动的同时产生一个扭矩，对种子自身的状态也会有一定程度的影响。从而得知，种子开始进入机器中，只有当机器的振动幅度与振动角度过大时，才会让种子产生方向旋转。经过试验可以得到结论，当种子以顺行姿势滑过台阶时，可以通过改变滑槽倾斜角度、机器振动幅度及振动频率控制种子的转向[2]。

2.2   玉米种子逆行定向方法

当种子逆行通过台阶时，由于种子圆底较为光滑，且可以看成圆弧形状，所以导致重心前移。同时，在重力、摩擦力与机器振动共同作用下，种子将会以重心周围某一点进行滚动。如果机器振动频率与振动幅度过大，也会让种子作平抛运动。如果翻转角度超过90°，将会变成顺行姿势进行滑动。如果小于90°的翻转角度，将会在重力影响下继续以逆行姿势进行滑动。如图1所示，当种子在进入机器瞬间，会从机器出口获得一个向上运动的力。随着种子向前滑动，重心位置将会发生改变。当机器施加给种子的力超过种子本身维持自身状态的重力影响后，将会对种子进行一次翻转，将其状态变为顺行。当机器振动幅度过大、振动频率过高及滑槽倾斜角度过大时，将会让种子产生平抛运动，进而改变自身的状态。经过多次试验可知，当种子逆行经过台阶时，会发生绕胚乳的旋转动作。如果在种子进行旋转时，对机器振动幅度及振动频率进行调整，可以将种子由逆行状态翻转为顺行状态，从而让种子以顺行状态进行滑动[3]。

2.3   台阶高度对定向效果的影响

当种子大小和质量一定时，种子从台阶上顺行脱离，接触到滑槽，增加台阶高度，就会让种子有被抛起的可能性，加上种子会以重心为旋转点，对自身进行翻转，破坏原本的顺行姿态。而且，增加台阶高度后，种子落到滑槽会产生二次翻转，导致种子的方向更加不易被控制。而台阶过小，对于逆行的种子无法做到有效翻转。所以，增加台阶高度，可以让种子进行顺时针翻滚，破坏顺行状态下种子运动趋势，阻碍逆行状态下种子运动趋势。

综上，台阶高度对于种子逆行和顺行的定向结果都有影响。经过多次试验发现，台阶高度设置在2～6 mm时，对于种子翻转有稳定且定向的效果。

3   试验结果及分析

为了验证玉米种子定向输送的方法是否与本文猜想一致，现搭建起一个简单的基于电磁振动原理对玉米种子实现定向输送的试验装置。当电磁铁线圈有交流电进入，就会在电磁铁表面产生交流电磁力，从而使玉米种子受到来自水平和垂直方向振动推力，垂直分量使玉米向上作平抛运动，水平分量则是让玉米进行前后滑动，使得种子实现定向滑动运动。通过高速摄影，对逆行与顺行的种子运动翻转进行动态观察与分析。

3.1   试验方法

选择同一品种、大小均等的玉米种子，分为顺行定向试验与逆行定向試验两部分。以顺行成功率为评价目标，即顺行未发生超过180°转动，逆行发生180°转动。选取台阶高度、滑槽倾角、振动幅度、振动频率4个试验因素，每个试验因素选择3个对照组进行试验。试验装置通过50 Hz频率交流电进行供电。由于频率比在0.95时，振动效果最好，所以设计频率比为0.95。试验目标是在相同试验条件下，对于结果顺行与逆行种子定向排序比例作记录分析。即当种子顺行运动时，统计最后仍是顺行姿势的试验数量;当种子逆行运动时，统计最后变为顺行姿势的种子数量。每组试验选取300粒大小、质量、形状类似的玉米种子，其中150粒保持顺行姿势进行试验，另外150粒保持逆行姿势进行试验。进行5次重复性试验，对于结果进行统计，记录顺行与逆行种子数量，并选取5次试验的结果平均值作为试验结果记录[4]。

3.2   台阶高度及滑槽倾角

台阶高度对于种子能够定向成功翻转有显著影响。当台阶高度增加，逆行种子发生翻转的概率也在增加。但是对于质量较轻、形状不规则、大小不均匀的种子，结果则无法预知。顺行种子也会产生翻转概率。而滑槽倾角增加，会让种子增加向前倾斜的趋势，发生翻转的可能性会增大。如果倾斜角度超过30°，会让部分近乎椭圆形、圆形的种子产生二次或多次翻转，对于输送极不稳定。

3.3   振动幅度和振动频率

对于逆行种子，机器的振动幅度越大，越有利于种子翻转，同时会发生平抛运动。而对于顺行种子，机器振动幅度越大，种子越会发生平抛运动，从而破坏定向效果。而振动幅度过小，会让逆行种子翻转不充分。振动频率则对试验结果影响不明显。

3.4   最佳组合选择

通过多次对照组试验，对于变量进行控制，可以从中选择最佳的组合方案，即台阶高度4 mm、滑槽倾角4°、振幅0.15 mm、频率52 Hz，对于种子的顺行通过最佳。用300粒种子进行顺行和逆行姿势试验，并进行5次重复性试验。结果表明，顺行定向成功率为95.3%，逆行定向成功率为88.7%。

4   结论

根据玉米定向播种对于产量有积极作用的理论，与玉米种子形状进行联系，通过对玉米种子的受力分析，采用电磁振动的原理对玉米种子进行试验。因为种子在传送带上进行输送时会被抛到空中，落地时会有短暂的滚动。在调整各个试验相关参数后，就可以实现种子不重复翻转，从而实现种子定向排序输送。

参考文献：

[ 1 ] 权龙哲，王建宇，王旗，等.基于电磁振动与卷积神经网络的玉米品质精选装置[J].江苏大学学报（自然科学版），2020，41（3）：288-293，313.

[ 2 ] 史立新.玉米定向精播种粒品质动态检测方法研究——基于计算机姿态识别[J].农机化研究，2021，43（3）：240-244.

[ 3 ] 刘永洪.电磁振动式棉花精密播种装置的主要结构设计[J].时代农机，2018，45（12）：246，248.

[ 4 ] 夏红梅，周士琳，刘园杰，等.扁平茄果类种子导向振动供种装置设计与试验[J].农业机械学报，2020，51（9）：82-88.