气吸滚筒式烟草育苗播种机设计

江明会，梅益，胡大兵，罗彦英

（550025 贵州省 贵阳市 贵州大学 机械工程学院）

0 引言

播种作为烟草农艺过程中最关键一环，其质量好坏直接影响烟草的品质高低。而播种机最关键部分为排种器，排种器排种质量影响后期烟草育苗质量。排种器的结构和充、排种机理的研究始终是精密播种机的主要研究方向[1]。气吸式排种器结构较为简单，生产率高，应用较广泛，且机型种类多，实应性强。近年来，我国一些科研单位和农机企业对气吸式精量播种机进行研发。2008 年，华南农业大学夏红梅等[2]采用单刚体系统对吸排种过程进行研究，建立了动力学模型，得到滚筒材料、种子与滚筒间的摩擦系数、气流量、种子与吸孔的距离这4 个因素与吸附效果之间的关系；2017 年，孙炎等[3]设计了一台集装填、按压、喷淋、播种、覆盖功能于一体的烟草育苗机，可完成烟草播种的一系列工作，效率高；2020 年，宋东方等[4]针对烟草穴盘育种基质装不满、压不实、播种合格率低及淋水覆土不均等问题，分别设计了装基、压穴、播种、裂解和覆土装置。上述机型能够在一定程度上解决一些问题，但要更好地对播种过程进行控制，仍需创新结构设计。

1 烟草育苗播种机结构及工作原理

1.1 工作原理

烟草育苗播种机由播种机构、育苗盘输送装置、单片机控制系统、风机等构成，如图1 所示。按下启动按键后，滚筒开始旋转，光电传感器1 检测到播种原点后，将结果反馈给单片机，单片机通过直流电机驱动器控制育苗盘输送装置开始工作。输送带上的育苗盘通过输送装置输送到播种区域时，光电传感器2 检测到育苗盘边沿，将信号传递给单片机，单片机控制步进电机按照规定转速旋转，滚筒随步进电机旋转，风机电源接通，中心轴提供负压，将种子吸收到滚筒上的吸孔中，跟随滚筒做圆周运动，种子转到正下方时，因自身重力掉到正下方的育苗盘中，其中育苗盘的速度和滚筒的转速相匹配。在滚筒从播种原点再到光电传感器1 再次监测到播种原点时，滚筒刚好转完1周，播种完1盘，这时滚筒停止。将进行下一盘的播种。

1.2 传动方案

本文的滚筒式排种装置和输送装置动力传递采用链轮传动，通过步进电机带动链轮传动使滚筒转动。方案如图2 所示，步进电机提供动力，再通过链轮传动将动力传送到滚筒上。育苗盘采用输送带输送，由直流电机提供动力，通过链传动带动滚轮，滚轮带动输送带运输育苗盘，传动方案如图3所示。

图3 输送装置传动方案Fig.3 Transmission scheme of conveyor

2 关键部件设计

2.1 烟草物理特性测量

种子的物理特性直接影响排种器囊种效果和排种能力[5]，本文采用烟草包衣种子K326，参照刘剑锋[6]的研究，其物理特性数据如表1 所示。

表1 K326 包衣种子物理特性Tab.1 Physical properties of K326 coated seeds

从表1 可知，种子的质量很小，测得的休止角和孔隙率可作为烟草种子种箱的设计参数；烟草包衣种子与不锈钢板的摩擦角最小，本文采用不锈钢作为滚筒的加工材料；通过测得的包衣种子的漂浮速度和漂浮系数，为提供负压的风机选型提供参数支撑。刘剑锋[6]测量了包衣种子的三轴尺寸，取包衣种子的平均宽度为1.688 mm。

2.2 工作过程

主要对种子在排种器排种工作过程的吸种、携种2 个阶段分别进行受力分析，进一步为后续排种器的结构设计提供依据。

2.2.1 吸种过程受力分析

种子在振动下，从种箱中沿导种板滚到导种板V 型槽，被滚筒吸孔中的负压吸在滚筒上，其受力分析如图4 所示。

图4 种子吸种阶段受力分析图Fig.4 Stress analysis diagram of seed suction stage

刘剑锋[6]对烟草包衣种子的研究表明，种子吸附过程时间较短，近似认为种子的运动状态无变化，按静力学平衡条件对其进行受力分析。本文沿滚筒法线和切线方向分别建立辅助坐标系，在对种子刚被吸附时的临界状态列受力平衡方程为

式中：FN——滚筒对吸附种子的支持力；G——种子自身的重力；FZ——其它种子对吸附种子的挤压力；Fc——滚筒吸孔对吸附种子的吸附力；Fcf——其它种子对吸附种子的摩擦力；Ff——滚筒对吸附种子的摩擦力；μ——种子与滚筒的摩擦系数；η——种子与种子之间的摩擦系数；α——种子在滚筒上的角度。

将式（2）—式（4）分别代入式（1）整理得：

η、α、μ这3 个参数可由实验测得，若能忽略种子间的相互作用力，也就是其它种子对吸附种子的挤压力FZ，则式（5）可简化为

从式（6）可看出，在烟草种子和滚筒确定后，烟草种子在吸种阶段所受的吸附力就只与种子在滚筒上的角度有关。

2.2.2 携种过程受力分析

在携种过程中，种子在90°和270°的受力分析图如图5 所示。

图5 种子携种过程受力分析图Fig.5 Force analysis diagram of seed carrying process

种子在90°和270°位置时，自身所受的重力最大，由于角度和重力等因素，导致种子在携种阶段所受的吸附力大小产生变化。本文主要对种子沿法向和切向分别建立坐标系，对种子在携种过程任意位置进行受力分析：

其中，F=mω2r。

式中：m——种子自身的质量；ω——滚筒的角速度；r——滚筒的半径；F——种子所受的离心力；FN——种子受的滚筒对种子的支持力；FQ——种子所受的吸附力；G——种子自身重力；β——种子随滚筒转过的角度。

种子所受的吸附力最终由式（6）解得：

由式（7）可知，在种子和滚筒确定后，Fc与滚筒的ω和β有关。种子的转速越大，要使种子不离开滚筒，则需要的吸附力也愈大，那么种子需要的负压也愈大。但负压增大，不但消耗功率，还会导致种子的重播率增大，由此可知，在滚筒的设计中，要合理设计滚筒转速。

2.3 气吸滚筒的总体结构和工作原理

2.3.1 气吸滚筒的总体结构

本文设计的滚筒式排种器结构如图6 所示，主要由固定端盖、滚筒、可转动端盖、中心轴、紧定螺钉以及种子箱等构成。

图6 滚筒结构示意图Fig.6 Schematic diagram of roller structure

2.3.2 气吸滚筒的工作原理

滚筒被焊接在固定端上的隔板分成负压吸种区和常压排种区，负压区用于吸附种子，常压区用于投种。其一端与固定端盖间隙配合，通过密封圈密封，另一端用紧定螺钉与转动端盖连接，通过端盖和链轮相连，实现滚筒转动。

播种时，风机通过中心轴里开的中心孔形成负压，使滚筒上吸孔的两端形成负压差。滚筒绕中心轴转动，当吸孔经过种子箱时，种子在吸孔压差的作用下被吸附在吸孔上跟随滚筒一起转动[7]。当滚筒上的种子转至正下方隔气板所形成的常压区时，筒内外压差为零，种子做自由运动，最终落入育苗盘穴孔中，完成播种环节。工作原理如图7 所示。

图7 滚筒工作原理示意图Fig.7 Schematic diagram of drum principle

2.4 滚筒结构的设计

2.4.1 滚筒外形尺寸设计

（1）滚筒直径。图8 为育苗盘外形图，育苗盘的规格为160 孔（16×10 孔）/盘，长、宽、高分别为570、360、60 mm。滚筒直径按照育苗盘的长度设计，滚筒直径D=570/3.14≈181.5,现有排种器的直径通常为140～260 mm，为便于加工，取D=184 mm。

图8 育苗盘外形图Fig.8 Outline drawing of seedling tray

（2）滚筒长度。滚筒长度通常按照育苗盘宽度设计，根据L>育苗盘宽度，且根据两端盖的长度，两端需各留出20 mm 用于安装两端盖，则取滚筒长度L=364 mm。

（3）滚筒壁厚取为2 mm。

2.4.2 滚筒吸孔形状确定及吸孔直径的设计

（1）吸孔形状。种子的吸收快慢不但由负压腔真空度决定，还与滚筒吸孔的形状有关。常见的吸孔有锥孔、沉孔、直孔3 种形式[7]，如图9 所示。研究表明直孔吸种能力最强，本文滚筒吸孔类型选择直孔，用于种子的吸收[8]。

图9 吸孔形状Fig.9 Suction hole shape

（2）吸孔直径。气吸滚筒式排种器吸孔直径的经验公式[8]为

式中：d——吸孔直径；b——种子的平均宽度。

根据实验测量，包衣种子平均宽 b=1.688 mm，则d=1.133 mm，取d=1.2 mm。

2.4.3 滚筒吸孔排列

滚筒上吸孔排列分为沿轴向排列和周向排列，本文气吸滚筒的设计，滚筒旋转1 周能够对1 盘育苗盘播种。因育苗盘的规格为16×10 孔，所以滚筒的沿轴向的排列为10 排，沿周向的排列为16 排。其结构如图10 所示。

图10 滚筒吸孔排列图Fig.10 Arrangement diagram of drum suction hole

2.5 种箱的设计

一般要保证播种机能够连续工作2 h，平均每小时按播种600 盘计算，需要大约1.92×105粒种子，这些种子所占的体积为 500 mL，最终设计供种箱的容量为600 mL[9]。为使种子平均分布在细孔附近，种箱的宽度需比10 个吸孔的总距离稍宽，吸孔间的中心距为36 mm，取供种箱总体长度为350 mm，宽度为100 mm，高度170 mm。

图11 为种箱示意图，导种板为V 型槽，其上宽下窄的形状利于种子吸附，V 型槽与滚筒相切部分的宽度与滚筒上吸孔直径相等，保证吸附种子时，不会产生两粒种子因挤压而不能吸收。

图11 种箱结构示意图Fig.11 Schematic diagram of seed box structure

为提高滚筒吸孔种子的吸附能力，本文采用激振系统对种箱进行激振。激振系统参照张敏[10]的研究，采用电磁式激振机构实现种箱的上下振动，使种子在种箱中上下抛动，产生“沸腾”状态，有利于滚筒吸收种子。具体力学模型如图12 所示。

图12 电磁振动系统力学模型Fig.12 Mechanical model of electromagnetic vibration system

由图12 可知，激振系统同时受到激振力和弹簧恢复力二者的作用。其中弹性恢复力能够产生自激振动；弹簧的弹性恢复力与种箱离开平衡位置的位移成正比。该弹性恢复力使种箱能够回到平衡位置，弹性恢复力的方向和种箱移动的位移方向相反。由于种箱在运动过程中受到阻尼作用，使种箱的振动逐渐趋于停止[10]。

2.6 风机的选型计算

风机的气管与中心轴左端连接，通过中心轴将滚筒内部空气吸走，形成负压环境，为吸孔吸收种子提供动力。首先，设吸孔内流动空气的平均速度为 v，得知通孔内外的压差为ΔP=4 kPa。滚筒吸孔内阻力系数为

由式（10）可得：

根据文献可知，当吸孔直径为0.8～3.0 mm 时，ξ的取值为0.17～0.72。用插值法可得ξ=0.27，代入数据后，可得v=15.68 m/s。

单个吸孔通过的空气流量Qi为

滚筒所需的总流量Q 为

根据以上数据，选用型号为NK-125 的风机，该风机吸力12 kPa，额定电压220 V，频率为50 Hz。

2.7 中心轴设计

中心轴结构如图13 所示，其内部打有φ10 的孔，沿轴向分别钻有2 个垂直相交的通孔，沿轴向共打有5 排直径为2 mm 的通孔，为滚筒提供足够负压。中心轴主要起提供负压、支撑滚筒的作用。

图13 中心轴结构图Fig.13 Structure diagram of central shaft

2.8 换气装置的设计

换气装置主要是通过滚筒中心的中心轴左端与风机吸管相连，通过风机的作用将滚筒内的空气抽走，形成负压[11]。隔板焊接在左端盖上，左端盖对应的位置开有小孔，隔板隔离的滚筒部分与大气相通形成常压室。换气装置主要由固定端盖、隔板、可动端盖组成。

2.9 育苗盘输送装置的工作原理

直流电机将动力传递给链轮，链轮通过链条将动力传递给辊筒上的从动链轮，从动链轮带动辊筒运动，从而带动辊筒上的传送带，传送带通过摩擦力带动传送带上的育苗盘运动。

2.10 输送装置结构设计

2.10.1 传送带的设计

传送带输送育苗盘，穴盘外形尺寸为570×360 mm，由此选择传送带辊筒长度400 mm，传送带宽度确定为380 mm，厚度为2 mm，材料选择橡胶，密度为1.3 g/cm3。输送过程中最多4 盘，则传送带长度：L=4×570×2+100×3.14=4 874 mm。

2 个传送带辊筒中心距

传送带面积

传送带质量

2.10.2 电机的选型

电机选择直流电机。最多每次同时有4 盘装有基质的育苗盘，育苗盘总质量记为m2=20 kg，输送带输送装置中电机的选择计算为

电机所需功率

式中：m——总质量；μ——辊筒与传送带间的摩擦系数，μ=0.2；Κ——安全系数，Κ=0～3，本文取Κ=3；vd——传送带速度，vd=0.096 m/s；η=0.75。

计算可得P=20.46 W。输送装置的电机选择直流电机，型号为ZGB70R-60SRZ-1，电压为24 V，额定功率为36 W，转速为100 r/min，电机驱动器选用 LMD18200。

2.10.3 穴盘前进速度的确定

穴盘前进速度与输送带主动辊筒的速度成正比，即穴盘前进速度由辊筒转速决定，可表示为

式中：n2——主动辊筒的转速；s——两穴孔之间的中心距。

2.11 链传动的设计计算

播种和育苗盘输送部分都采用链传动，采用齿数13 齿的链轮，经功率计算，通过查表选择链条型号为08A，节距为12.7 mm。计算过程为

（1）链条链节数LP

初定中心距a0=40 P，则链节数为

（2）链传动的最大中心距amax

（3）链轮尺寸

分度圆直径d

齿顶圆直径da

取da=69 mm。

分度圆弦齿高ha

取ha=4 mm。

齿根圆直径df

3 关键零部件校核

3.1 滚动轴承的校核

本文轴承选用深沟球轴承，型号为6006，内径为30 mm，外径为55 mm，厚度为9 mm，查机械设计手册可知，其Cr=13.2 kN，C0r=8.30 kN。

式中：X0、Y0——当量静载荷的径向载荷系数和轴向载荷系数。

按轴承静载荷能力选择轴承公式为C0≥S0P0，其中S0为轴承静强度安全系数，S0=1.5。

由于C0≥S0P0=107.94 N，符合要求，滚动轴承满足强度要求。

3.2 中心轴校核

中心轴受力分析如图14 所示。由于左右端盖质量较小且不规则，取G1=200 N，G2=200 N，中心轴的材料选45 钢，弯曲许用应力σ=100 MPa。

图14 中心轴受力分析图Fig.14 Stress analysis diagram of central axis

由静力平衡方程ΣX=0，ΣY=0，ΣM=0 求解轴所受的支座反力。

求得：F1=194.41 N，F2=205.59 N。

应力弯矩图如图15 所示。

图15 弯矩图Fig.15 Bending moment diagram

对于A 截面，许用应力为

满足强度要求。

对于B 截面，许用应力为

满足强度要求。

4 结语

本文综合分析了现有气吸排种器结构及其性能，根据烟草包衣种子的物理力学特性，对播种机的播种滚筒、育苗盘输送装置各结构零部件进行了设计、对关键零件进行校核。总结如下：

（1）吸种装置简单新颖，根据种子的平均宽度，吸孔适应种子个体尺寸差异，实现精量取种；（2）介绍了播种机工作原理，对排种过程进行受力分析，了解了影响吸附力的因素，为滚筒的设计提供技术数据。（3）V 型槽保证种子被更好吸收，通过种箱激振器振动种子，提高种子吸收率，为吸滚筒式排种器的结构设计提供了新思路。（4）利用AutoCAD 绘制了排种器装配图，对关键部件校核，结果符合强度要求。