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滾筒氣力式煙草排種器設(shè)計(jì)
學(xué) 生：
指導(dǎo)老師：
（湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，長(zhǎng)沙410128）
摘 要：排種器是實(shí)現(xiàn)精密播種技術(shù)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(duì)種子尺寸要求不高、不傷種子、通用性好、適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，且易于提高播種速度，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，是一種較為先進(jìn)的排種裝置，已成為當(dāng)前國(guó)內(nèi)外精密排種器發(fā)展的主要方向之一。本文在對(duì)國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的精量播種裝置進(jìn)行深入研究的基礎(chǔ)上，分析了多種形式的排種裝置的優(yōu)缺點(diǎn)，完成了滾筒氣力式煙草種子精量播種裝置的機(jī)理和參數(shù)化方面的理論研究。通過(guò)建立種子在吸種孔處受力的力學(xué)模型，得到了播種裝置設(shè)計(jì)的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)。
關(guān)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(chǎn)過(guò)程中的首要環(huán)節(jié)。隨著我國(guó)煙草生產(chǎn)規(guī)范化的進(jìn)一步完善，育苗技術(shù)也有了較大程度的提高。近幾年，工廠化育苗技術(shù)得到廣泛應(yīng)用，此方法能顯著提高煙苗素質(zhì)，降低生產(chǎn)成本，節(jié)省耕地，減少育苗和移栽用工量，有效提高烤煙產(chǎn)量和質(zhì)量，增加經(jīng)濟(jì)效益。
工廠化育苗技術(shù)是指選擇適宜的固定場(chǎng)所，采用塑料大棚盤(pán)式育苗技術(shù)，以現(xiàn)代化，企業(yè)化的模式組織種苗生產(chǎn)和經(jīng)營(yíng)，從而實(shí)現(xiàn)種苗的規(guī)?；a(chǎn)。
種子播種是育苗過(guò)程中的關(guān)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?yàn)樗粌H實(shí)現(xiàn)了煙草育苗的精量播種，而且還對(duì)降低成本、提高效率產(chǎn)生了積極的作用。煙草種子排種器要實(shí)現(xiàn)煙草種子的精密播種，精密播種可以保證種子在種盤(pán)擁有最合理的分布，播種量精確、播深一致，為種子的生長(zhǎng)發(fā)育創(chuàng)造了最佳條件，為培育壯苗提供堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。精密播種是為了適應(yīng)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的需要而提出的，世界各國(guó)都很重視精量播種技術(shù)，發(fā)達(dá)國(guó)家以基本實(shí)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(xué)性能差，易破碎等原因，同時(shí)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(shù)已應(yīng)用于生產(chǎn)，但由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高，至今還沒(méi)能實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的推廣[1]。因此對(duì)煙草種子的精播技術(shù)有待進(jìn)一步研究。
1.1 課題來(lái)源
結(jié)合科研課題（省煙草局）
課題名稱：煙草全程生產(chǎn)機(jī)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(duì)生產(chǎn)質(zhì)量和效率的高要求以及精密農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，我國(guó)各地的工廠化育苗技術(shù)在經(jīng)濟(jì)作物、蔬菜、花卉等小顆粒種子育苗上迅速發(fā)展起來(lái)。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(lái)。自動(dòng)精密播種生產(chǎn)線是工廠化穴盤(pán)育苗的關(guān)鍵設(shè)備，國(guó)外原有成熟的產(chǎn)品，而國(guó)內(nèi)的研究則相對(duì)較晚，多數(shù)是引進(jìn)國(guó)外的產(chǎn)品，但其價(jià)格比較昂貴，因此，研制開(kāi)發(fā)一種新型、可靠、廉價(jià)的滾筒氣力式精密播種機(jī)是非常必要的，在我國(guó)具有廣闊的市場(chǎng)空間和應(yīng)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(pán)精密播種是工廠化育苗的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。精密播種機(jī)由于節(jié)約良種、不用間苗、田間植株均勻等優(yōu)點(diǎn)，正受到越來(lái)越多的關(guān)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(duì)于小顆粒種子的排種器的研究還有待加強(qiáng)?，F(xiàn)有排種器產(chǎn)品也存在不少問(wèn)題，例如機(jī)械式的排種器存在對(duì)種子尺寸形狀要求高、傷種嚴(yán)重和播種效率低等缺點(diǎn)，而氣吸式的排種器存在型孔堵塞、排種不精確、漏氣等問(wèn)題。煙草作為小顆粒種子的重要經(jīng)濟(jì)作物，其排種器的設(shè)計(jì)具有重要的發(fā)展前景和廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域[2]。
目前,我國(guó)煙草播種方式以手工播種為主,不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力,勞動(dòng)效率較低,而且還嚴(yán)重影響了煙草育苗的質(zhì)量。隨著農(nóng)業(yè)機(jī)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(jī)械化模式所取代。但是由于煙草種子其籽粒小，力學(xué)性能差，易破碎等原因，同時(shí)精量排種困難、排種后均勻性差、容易破碎等難題，機(jī)械播種并沒(méi)想象中那么容易實(shí)現(xiàn)，機(jī)械播種技術(shù)難以得到突破。即使有些技術(shù)已應(yīng)用于生產(chǎn)，但由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高，至今還沒(méi)能實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的推廣。目前代表我國(guó)精量播種機(jī)研制水平的主導(dǎo)機(jī)型主要有兩種結(jié)構(gòu)型式：一是槽輪(或窩眼輪)式播種機(jī)；二是氣吸盤(pán)式播種機(jī)。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(jīng)過(guò)催芽的種子。后者結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，制造和使用容易，但由于手工操作，生產(chǎn)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(dá)到90％以上。同時(shí)要具有結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，效率較高，不易堵塞，成本較低等優(yōu)點(diǎn)。因此，研究氣吸滾筒式排種器是實(shí)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(shù)的落后是制約我國(guó)小顆粒種子種植機(jī)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(duì)促進(jìn)我國(guó)小顆粒種子的生產(chǎn)機(jī)械化進(jìn)程具有現(xiàn)實(shí)意義。
1.3 國(guó)內(nèi)外排種器研究現(xiàn)狀
1.3.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀
歐美等國(guó)從50年代后期開(kāi)始出現(xiàn)氣力式精密排種器。近10年來(lái)，新機(jī)型不斷涌現(xiàn)，通用性、播種精度和效率不斷得到提高。
法國(guó)Monosem公司20世紀(jì)90年代末開(kāi)發(fā)的NGPLUS氣吸式精密播種機(jī)，其核心工作部件(排種器)采用多種材料偶聯(lián)技術(shù)，排種器殼體和排種器蓋均采用鋁合金精密壓鑄，排種盤(pán)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(diǎn)，在排種器上還采用了高強(qiáng)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(pán)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(guó)Amazone公司最新研制生產(chǎn)的ED系列氣吸式單粒精密播種機(jī)能夠滿足不同土壤條件、不同作物和不同農(nóng)藝要求的播種作業(yè)，具有較高的生產(chǎn)率及可靠性，播種機(jī)上的吸風(fēng)機(jī)除了使用動(dòng)力輸出軸驅(qū)動(dòng)外還可用液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)。
JohnDeere公司在20世紀(jì)90年代末生產(chǎn)的Maxemerge planters系列高速氣吸式精密播種機(jī)裝備了“精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)"高新技術(shù)系統(tǒng)，將衛(wèi)星定位、地理信息、專(zhuān)家智能和遙感技術(shù)相融合，可根據(jù)土壤肥力和含水量等條件的變化，實(shí)施變量播種和施肥，達(dá)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(dá)液壓驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的無(wú)級(jí)調(diào)速，可適應(yīng)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(jī)型還有意大利GAS-PARDO公司生產(chǎn)的SP懸掛氣吸式播種機(jī)；氣壓式代表機(jī)型如美國(guó)阿里斯·恰默斯公 司生產(chǎn)的ALLIS-CHALMERS氣壓側(cè)充式播種機(jī)；氣吹式排種器代表機(jī)型如德國(guó)貝克公司生產(chǎn)的AeromatⅡ氣吹式播種機(jī)[2，4]。
國(guó)際上先進(jìn)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(jìn)的液壓技術(shù)、電子技術(shù)、通訊技術(shù)以及新型材料、加工工藝正逐步應(yīng)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(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀
小粒徑種子作物包括煙草、油菜等，在我國(guó)作物種植中有著重要的地位。我國(guó)在20世紀(jì)80年代初期開(kāi)始?xì)饬κ骄芘欧N器的研發(fā)工作，最近幾年這一技術(shù)得到了迅速發(fā)展。
1991年，中國(guó)農(nóng)業(yè)工程設(shè)計(jì)研究院最早研制了一臺(tái)2XB-400穴盤(pán)精量播種機(jī)，采用的是機(jī)械式排種器，可用于蔬菜和一些花卉的播種， 但對(duì)外表不夠光滑接近球形的種子需要丸?；绿幚?；1997年，農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所研制了一種振動(dòng)氣吸式播種機(jī)，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(tuán)為解決番茄醬生產(chǎn)基地的播種需求， 從美國(guó)引進(jìn)了SN-1-130型氣吸氣吹式精量播種機(jī)，該機(jī)當(dāng)時(shí)屬世界先進(jìn)的精量播種機(jī)，通過(guò)60公頃的番茄播種試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，該機(jī)播種量?jī)H為150g每公頃，空穴率僅為0.5%。
2000年，上海交通大學(xué)研制出一臺(tái)真空吸附式精量播種流水線，系統(tǒng)自動(dòng)化程度高，日播種量12萬(wàn)粒以上，且能適用于不同形狀的小粒種子；2003年， 安徽省天長(zhǎng)市研制了一種WXQ—8型油菜數(shù)控直播機(jī)采用電子裝置控制播量，每穴1～3粒，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)緊湊，動(dòng)力僅靠6V直流電瓶供給，行走考人工推動(dòng)，每臺(tái)機(jī)僅重15kg，該機(jī)比較適合于小塊田地的播種，大面積播種時(shí)候效率偏低；2004年，湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)與現(xiàn)代農(nóng)裝株州聯(lián)合收割機(jī)公司研制了一種2BYF—6型油菜免耕直播機(jī)，采用新型型孔輪式排種器，可實(shí)現(xiàn)油菜的穴播，并解決了免耕直播土層覆蓋的問(wèn)題，不足之處是排種器的振動(dòng)對(duì)播種效果存在一定的影響；2004年，胡建平等針對(duì)蔬菜、花卉類(lèi)小粒徑種子精密播種問(wèn)題，利用磁吸式排種原理，設(shè)計(jì)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(yàn)對(duì)象進(jìn)行試驗(yàn)， 試驗(yàn)證明磁吸頭工作電流是影響排種性能的主要因素。該機(jī)型具有較高的播種精度和對(duì)不同類(lèi)型種子的良好適應(yīng)性；2007年，王希強(qiáng)等針對(duì)油菜籽的排種問(wèn)題，研究了氣吸滾筒式精密排種器，對(duì)該排種器的吸孔吸種半徑進(jìn)行了理論分析和推導(dǎo)，得出了滾筒上吸孔的吸種半徑與吸孔直徑、負(fù)壓大小、種子密度及種子大小有關(guān)的結(jié)論；2007年，廖慶喜等學(xué)者研制了一種正負(fù)氣壓組合式精量排種器，利用負(fù)壓吸種同時(shí)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(wèn)題，可以實(shí)現(xiàn)油菜等小粒徑種子的單粒精量播種，并在此基礎(chǔ)上研制了2BFQ-6型油菜精量聯(lián)合直播機(jī)；2008年，夏紅梅等對(duì)氣力滾筒式穴盤(pán)播種機(jī)按單剛體系統(tǒng)對(duì)種子的吸排種過(guò)程建立動(dòng)力學(xué)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(jié)論；2009年，趙湛等對(duì)氣吸振動(dòng)式排種器進(jìn)行工作機(jī)理研究和性能試驗(yàn)分析，推導(dǎo)出了種子與種盤(pán)二自由度碰撞振動(dòng)系統(tǒng)周期運(yùn)動(dòng)的Poincare映射，模擬了振動(dòng)種盤(pán)內(nèi)種群的三維運(yùn)動(dòng)規(guī)律，為氣吸振動(dòng)式精密排種器的理論研究提出了新方法。
內(nèi)蒙古農(nóng)牧業(yè)機(jī)械化研究所研制的9MB-2.4型牧草播種機(jī)采用摩擦盤(pán)式排種器，根據(jù)彈性材料與種子間的摩擦實(shí)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(jī)，將種箱和排種裝置制成一體，通過(guò)滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)的方式完成扎孔、排種、覆蓋過(guò)程，種子通過(guò)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(jī)采用正壓式外槽輪排種裝置，由一個(gè)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(shí)現(xiàn)苜蓿等小粒徑種子的條播，但氣流的變化會(huì)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(duì)其排種機(jī)理進(jìn)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(jī)，滾筒孔內(nèi)側(cè)制成喇叭狀以防堵塞；吳崇友等研究開(kāi)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(guò)合理的型孔結(jié)構(gòu)和尺寸保證其充種和排種性能；陳海英等設(shè)計(jì)了一種鑲嵌組合式排種器，不同孔型的鑲嵌塊與主、副槽盤(pán)進(jìn)行雙列或者單列組合配置，試驗(yàn)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(zhì)量的關(guān)鍵。
近年來(lái)，學(xué)者們對(duì)精量播種技術(shù)的研究不斷探索新的方法和思路。例如：袁月明，馬旭等學(xué)者采用高速攝像技術(shù)研究了氣吸式排種器充種和投種的全過(guò)程，采用ANSYS軟件模擬了種子在充種過(guò)程中的速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)，對(duì)研究氣力式排種器內(nèi)部流場(chǎng)及種子在排種器中的運(yùn)動(dòng)情況提供了新的方法；陳進(jìn)，李耀明等學(xué)者分別利用ANSYS/FOTRAN和Fluent軟件對(duì)氣吸滾筒式精密排種器吸孔氣流場(chǎng)和吸種性能進(jìn)行了有限元分析， 用計(jì)算機(jī)模擬的方法揭示了不同形式的吸孔對(duì)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(jī)技術(shù)對(duì)磁吸滾筒式精密排種器排種過(guò)程進(jìn)行了仿真，得到了種子在排種過(guò)程的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和受力變化及滾筒轉(zhuǎn)速、勵(lì)磁電流強(qiáng)度和取種位置角對(duì)種子排種運(yùn)動(dòng)的影響規(guī)律[2-7]。
由上可知，對(duì)于機(jī)械式排種器種子受力與運(yùn)動(dòng)規(guī)律的研究已經(jīng)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(biāo)量化排種器排種效果的評(píng)價(jià)體系趨于完善。 對(duì)小粒徑種子氣力式排種技術(shù)的研究有待于綜合運(yùn)用高速攝像技術(shù)、數(shù)值模擬和計(jì)算機(jī)仿真分析等手段探究氣力式排種器氣流場(chǎng)與排種器、種子的氣固耦合機(jī)理，明確氣流場(chǎng)與排種器結(jié)構(gòu)的相互影響，研究種子受載、變形及其破損過(guò)程和種子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，以及對(duì)氣力充種、清種與種子運(yùn)動(dòng)情況等進(jìn)行深入探討[2]。
1.4 研究?jī)?nèi)容
在氣力式排種原理的基礎(chǔ)上研究一種正負(fù)氣壓組合式適合小粒徑種子的精量直播排種器。通過(guò)系統(tǒng)分析排種器的工作原理、工作過(guò)程及其種子的動(dòng)力學(xué)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(zhuǎn)速等影響排種器性能的要素，并確定排種器的結(jié)構(gòu)參數(shù)。具體內(nèi)容和實(shí)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
（2）滾筒體的設(shè)計(jì)。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)種盤(pán)尺寸和種子物理特性來(lái)確定滾筒體的設(shè)計(jì)參數(shù)。
（3）種箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。結(jié)合滾筒氣力式煙草種子排種器的工作原理，對(duì)種箱的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，確定了最佳的種箱形狀、結(jié)構(gòu)參數(shù)以及配合間隙，設(shè)計(jì)了滾筒與種箱之間配合間隙的凋整裝置。
（4）排種器工作過(guò)程動(dòng)力學(xué)分析。由于氣力式排種器主要是靠正、負(fù)氣壓來(lái)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(diǎn)，對(duì)排種器各工作過(guò)程進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析。
（5）相關(guān)組件的設(shè)計(jì)和校核。運(yùn)用《機(jī)械設(shè)計(jì)》和《材料力學(xué)》的相關(guān)知識(shí)進(jìn)行關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)計(jì)算。
2 總體方案的確定
2.1 工作方案
采用機(jī)械式排種器，易受機(jī)械式排種機(jī)構(gòu)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(wèn)題達(dá)到研究目的，本課題有機(jī)結(jié)合了氣吸與氣吹兩種方式，研究了一種正負(fù)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(jī)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(wèn)題，保證排種器的充種和投種效果，并實(shí)現(xiàn)一氣兩用[8]。所設(shè)計(jì)的排種器具體工作過(guò)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(dòng)方案
滾筒轉(zhuǎn)速的大小應(yīng)保證在排種質(zhì)量合格條件下的最佳工作速度。一方面，滾筒轉(zhuǎn)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(dāng)提高風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速；另一方面，隨著滾筒轉(zhuǎn)速的提高，吸孔與種子的接觸時(shí)間縮短，使得部分吸孔由于來(lái)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(dāng)提高真空度，但真空度的增加，有能使重播率增大，進(jìn)而增加清種的壓力[9]。因此，為保證氣吸式排種器的排種質(zhì)量，滾筒的轉(zhuǎn)速應(yīng)綜合選擇。變速器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造方便，工藝要求不高，操縱非常簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。根據(jù)需要滾筒式排種裝置將采用鏈輪傳動(dòng)，滾筒轉(zhuǎn)速和傳送帶的傳送速度之間的傳動(dòng)比，加上一個(gè)減速器連接到調(diào)速電機(jī)上，再通過(guò)傳動(dòng)軸帶動(dòng)鏈輪傳動(dòng)使?jié)L筒轉(zhuǎn)動(dòng)。
根據(jù)本設(shè)計(jì)裝置的需要，傳動(dòng)裝置主要由調(diào)速電機(jī)、軸、減速器、鏈輪、鏈條組成如圖2所示，調(diào)速電機(jī)提供動(dòng)力，通過(guò)減速器，鏈輪傳動(dòng)將動(dòng)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(hào)選用08A的鏈條。
調(diào)速電機(jī)
減速器
鏈傳動(dòng)
滾筒
圖2 傳動(dòng)方案
Figure2 Transmission scheme
3 總體機(jī)構(gòu)及工作原理
3.1 滾筒氣力式精密排種器總體結(jié)構(gòu)及原理
3.1.1 滾筒氣力式精密排種器總體結(jié)構(gòu)
本文所設(shè)計(jì)的滾筒排種器結(jié)構(gòu)主要由吸排種滾筒、傳動(dòng)系統(tǒng)、中心軸、排種箱、和機(jī)架等組成，其中電動(dòng)機(jī)由變頻器控制，并通過(guò)鏈條、鏈輪驅(qū)動(dòng)滾筒，使?jié)L筒能實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速。中心軸與排種滾簡(jiǎn)間靠軸承連接配合可以實(shí)現(xiàn)滾筒與軸的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)軸的兩端與播種機(jī)架相連，起到支撐連接作用；排種滾筒上分布有吸孔，實(shí)現(xiàn)吸種、排種；吸室又分為負(fù)壓區(qū)和常壓區(qū)兩部分，中間由吸室隔板隔開(kāi)。其中負(fù)壓區(qū)占據(jù)了吸室的絕大部分，與吸種、攜種過(guò)程對(duì)應(yīng)；常壓區(qū)體積較小，伴隨整個(gè)投種過(guò)程；負(fù)壓風(fēng)管與風(fēng)機(jī)負(fù)壓端相通，為負(fù)壓區(qū)提供所要求的風(fēng)壓。
1、機(jī)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(jié)構(gòu)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(nóng)業(yè)物料種子通常呈現(xiàn)散體顆粒狀，其機(jī)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(fù)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(guān)，且特定種子的內(nèi)摩擦系數(shù)為常數(shù)。通過(guò)給種盤(pán)施加小幅高頻振使種群在種盤(pán)內(nèi)產(chǎn)生向上的拋擲運(yùn)動(dòng)而相互分離，則種子之間的作用力由靜摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)摩擦，流動(dòng)性增強(qiáng)。通過(guò)合理調(diào)節(jié)種盤(pán)振動(dòng)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(shè)計(jì)，排種器的滾筒被隔板分為負(fù)壓吸種區(qū)和零壓排種區(qū)。滾筒為懸臂梁結(jié)構(gòu)，一端與轉(zhuǎn)動(dòng)端蓋用緊定螺釘連接，通過(guò)端蓋與鏈輪相連實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)，另一端與固定端蓋間隙配合，通過(guò)密封圈密封。固定端蓋上焊接隔板，通過(guò)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(guò)隔板、固定端蓋與大氣相通。播種時(shí)，空氣壓縮機(jī)通過(guò)空心軸上的吸孔吸走滾筒內(nèi)腔的空氣，產(chǎn)生負(fù)壓，使?jié)L筒上吸孔的兩端形成負(fù)壓差。滾筒繞固定軸轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)吸孔經(jīng)過(guò)種子箱時(shí)，種子在吸孔負(fù)壓差的作用下被吸附在吸孔上隨滾筒一起轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)至正下方隔氣板所形成的零壓腔時(shí)，筒內(nèi)外壓差為零，種子在自重的作用下落入育苗盤(pán)穴孔中，實(shí)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(wú)縫鋼管經(jīng)過(guò)加工而成，模型可有其他材料代替，通過(guò)加工而成對(duì)應(yīng)穴盤(pán)的吸種孔，通過(guò)鏈輪實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)。
滾筒軸固定，主要作用是實(shí)現(xiàn)抽氣作用形成負(fù)壓室及支撐滾筒的作用[12-16]。
3.2 主要設(shè)計(jì)參數(shù)
(1）根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)種盤(pán)尺寸(534mm×278mm）孔數(shù)8×16來(lái)確定滾筒的外形尺寸；
(2）根據(jù)生產(chǎn)率600P/h和滾筒尺寸來(lái)確定滾筒轉(zhuǎn)速；
(3）根據(jù)種子特性（通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)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(chǎn)率600P/h來(lái)確定滾筒內(nèi)的真空度大小。
4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(duì)其主要因素進(jìn)行分析計(jì)算與相關(guān)參數(shù)的確定。其中主要內(nèi)容包括:對(duì)排種滾筒體設(shè)計(jì)、排種箱設(shè)計(jì)、中心軸設(shè)計(jì)、換氣裝置設(shè)計(jì)、風(fēng)機(jī)的選擇以及傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì)等等[17-19]。
4.1 滾筒體設(shè)計(jì)
4.1.1 滾筒尺寸
根據(jù)煙草種子育苗盤(pán)尺寸（534mm×278mm）孔數(shù)8×16來(lái)確定滾筒尺寸參數(shù)，以滿足排種滾筒每旋轉(zhuǎn)一周播種一盤(pán)。
假設(shè)排種器的生產(chǎn)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(zhǎng)需滿足L>缽盤(pán)的寬278mm的要求，所以取：
L=300mm。
（3）壁厚2mm。
4.1.2 滾筒的吸孔形狀及孔徑
常見(jiàn)的吸孔形式主要有直孔、錐孔、沉孔，其結(jié)構(gòu)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(yàn)結(jié)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(qiáng)的吸種能力，吸種合格指數(shù)也較高。
由負(fù)壓室吸孔的吸附力計(jì)算公式可知，吸孔直徑的大小對(duì)負(fù)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(huì)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(jīng)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)測(cè)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(duì)于氣吸滾筒是播種器而言，提高工廠化育苗生產(chǎn)率的途徑只要有兩個(gè)：一是增加氣吸滾筒的轉(zhuǎn)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(shí)，提高生產(chǎn)效率意味著滾筒的轉(zhuǎn)速增大，則吸孔完成過(guò)程吸附的時(shí)間相對(duì)縮短，種子的吸附幾率則會(huì)大大降低，造成吸種過(guò)程中空穴率上升而合格率下降。如滾筒轉(zhuǎn)速一定，增加吸孔的周向排數(shù)，卸種頻率會(huì)相對(duì)增加，滾筒吸孔的周向排數(shù)過(guò)多時(shí)，則負(fù)壓降低，導(dǎo)致吸種能力和合格率的下降，其原因是吸孔總面積增加，負(fù)壓室泄漏過(guò)多，負(fù)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(fù)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(shè)計(jì)滾筒如圖6所示。
圖6 滾筒模型
Figure6 Drum model
4.1.4 滾筒內(nèi)的真空度
吸孔孔徑大小對(duì)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(guān)系,質(zhì)量愈大,形狀不規(guī)則以及流動(dòng)性差的種子,所需的真空度就愈高。另外排種盤(pán)轉(zhuǎn)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(pán)轉(zhuǎn)速,須相應(yīng)地提高真空度,以免漏播增多,此外,提 高排種盤(pán)轉(zhuǎn)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(yīng)適當(dāng)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(jié)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(jì)算公式
（2）
得，符合實(shí)驗(yàn)要求。
4.1.5 滾筒的轉(zhuǎn)速
提高播種機(jī)的作業(yè)速度,對(duì)于氣吸式排種器關(guān)鍵在于提高排種盤(pán)的轉(zhuǎn)速,但是排種滾筒的轉(zhuǎn)速不能超過(guò)一定的限度,因轉(zhuǎn)速過(guò)高,充種時(shí)問(wèn)過(guò)短,種室內(nèi)的種子來(lái)不及吸到排種盤(pán)卜,而造成漏播;另外轉(zhuǎn)速過(guò)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(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，滾筒線速度不宜超過(guò)0.18m/s。
根據(jù)公式 ,符合實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
4.2 排種箱設(shè)計(jì)
播種機(jī)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(pán)排種器按工作原理來(lái)分主要是機(jī)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(duì)種子外形尺寸要求不嚴(yán)、整機(jī)通用性好等優(yōu)點(diǎn)，比較適宜蔬菜播種。而種箱作為播種機(jī)上的部件，對(duì)于實(shí)現(xiàn)吸種具有十分重要的意義，可以保證精密播種機(jī)的單粒率、盡量減少重播率和漏種率。
目前，國(guó)內(nèi)的水稻滾筒播種機(jī)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(jià)格遠(yuǎn)高于水稻種子，要設(shè)計(jì)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(jī)能夠連續(xù)工作2h，平均每小時(shí)按播種600盤(pán)的工作效率計(jì)算，每盤(pán)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(shè)計(jì)供種箱的容量為420mL。為了保證每個(gè)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(gè)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(gè)間距長(zhǎng)即245mm，因此取供種箱總體長(zhǎng)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(kāi)種箱時(shí)種箱的位置上，當(dāng)吸孔通過(guò)時(shí)，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(diào)節(jié)其與滾筒之間的距離和角度，更好地調(diào)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(gè)底座通過(guò)螺栓連接在播種箱的機(jī)架上。綜合上述的要求，設(shè)計(jì)的供種箱結(jié)構(gòu)如圖7所示。
4.2.1 種箱繞中心軸可調(diào)
該種箱在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮其要滿足繞中心軸能調(diào)節(jié)，為了滿足其目的，在種箱的箱體兩側(cè)加兩塊側(cè)板，種箱左側(cè)有步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)的鏈條，因此側(cè)板設(shè)計(jì)成跨越式，從鏈條上面跨越過(guò)去。側(cè)板的一頭設(shè)計(jì)成與中心軸同心的圓形，這樣可以滿足側(cè)板繞中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)。側(cè)板的外側(cè)再加上兩個(gè)滑槽，滑槽的弧度應(yīng)滿足與滾筒同心，其底端的兩塊底板用螺栓與機(jī)架固定住。箱體通過(guò)螺栓與側(cè)板、滑槽連接，這樣箱體就可
1、側(cè)板固定架 2、清種裝置 3、箱體 4、底座 5、滑槽架 6、內(nèi)側(cè)底板 7、密封板
圖7 種箱結(jié)構(gòu)圖
Figure 7 Box structure
以通過(guò)滑槽繞中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)，滿足設(shè)計(jì)要求。
4.2.2 種箱與滾筒軸間距可調(diào)
由于在工作時(shí)種箱與滾筒之間會(huì)產(chǎn)生摩擦，為了防止摩擦過(guò)大，種箱和滾筒接觸之間會(huì)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(diào)節(jié)其間的距離，在箱體兩側(cè)加工兩個(gè)槽口，箱體可以通過(guò)這個(gè)槽口調(diào)節(jié)種箱與滾筒之間距離的大小，以滿足其中心距可調(diào)。
4.2.3 箱體的形狀設(shè)計(jì)
種箱是用來(lái)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(shè)計(jì)成水平結(jié)構(gòu)，種箱中處在遠(yuǎn)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(yīng)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(yàn)表明，當(dāng)箱體的底部表面傾斜角度大于27°時(shí)，能夠保證種子順利地向滾筒方向流動(dòng)，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(zhǔn)確性，所以種箱高度也是一個(gè)重要的設(shè)計(jì)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(duì)位置較低的種子更加容易，所以在安排種箱和滾筒相對(duì)位置時(shí)，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(nèi)，以便于吸孔吸種和取種[22,23]。
4.3 中心軸設(shè)計(jì)
中心軸（如圖8所示）主要作用是抽掉滾筒負(fù)壓室的空氣，形成真空度為4KPa的負(fù)壓腔，同時(shí)支撐滾筒體。
圖8 軸
Figure 8 Axis
4.4 換氣裝置設(shè)計(jì)
換氣裝置屬于懸臂梁結(jié)構(gòu)，由左端蓋、隔板、通氣軸三部分組成。通氣軸與支承座過(guò)渡配合固定在支架上不動(dòng)，左端蓋與滾筒間隙配合，通過(guò)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(guò)緊定螺釘連接隨鏈輪一起轉(zhuǎn)動(dòng)。
換氣裝置的工作過(guò)程主要是通過(guò)通氣軸左端與風(fēng)機(jī)相連將滾筒內(nèi)吸出的空氣抽出，使?jié)L筒吸種的氣室達(dá)到負(fù)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(shè)計(jì)
左端蓋固定不動(dòng)，與滾筒間隙配合，在端面開(kāi)一個(gè)口，與隔板相配合實(shí)現(xiàn)與大氣相通。右端蓋通過(guò)緊定螺釘與滾筒連接，再通過(guò)螺釘與鏈輪相連帶動(dòng)滾筒旋轉(zhuǎn)。
4.6 風(fēng)機(jī)的選擇
現(xiàn)設(shè)吸孔的通孔內(nèi)的氣流平均速度為vi ，已知通孔內(nèi)外的氣壓差△P= 4KPa。根據(jù)流體力學(xué)原理，吸孔內(nèi)的阻力系數(shù)為：
(3)
由上式可求得：
(4)
當(dāng)吸孔直徑為0.8～3mm時(shí)，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(guò)單個(gè)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(fēng)機(jī)型號(hào)為：NK-125，主要參數(shù)：吸力12kpa，功率800w，額定電壓220v，50Hz。
風(fēng)機(jī)實(shí)物圖如圖9所示。
圖9 風(fēng)機(jī)
Figure 9 Fan
4.7 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算
根據(jù)需要滾筒式排種裝置將采用鏈輪傳動(dòng)，傳動(dòng)裝置主要由電動(dòng)機(jī)、調(diào)速器、鏈條、鏈輪組成[24]。
4.7.1 原動(dòng)機(jī)的選擇
所需電動(dòng)機(jī)的功率：
（5）
滾筒的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量估算:
（6）
式中，g－重力加速度，
－系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)部分的重量，N
－系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)部分的半徑，m
－系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)部分的直徑，m
系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)角速度，與每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)n的關(guān)系為:
(7)
將J及代入（5）式，整理得：
2 (8)
(9)
總效率 ：
（10）
電動(dòng)機(jī)功率：
(11)
選功率為250w的單相電容啟動(dòng)異步電機(jī)，主要參數(shù)為：額定功率250W，級(jí)數(shù)4,同步轉(zhuǎn)速60r/min，額定電流2A，功率因數(shù)為0.92，最大額定轉(zhuǎn)矩為1.7。調(diào)速范圍為：2.4-60r/min。
5 排種器工作過(guò)程動(dòng)力學(xué)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(jié)構(gòu)、吸室結(jié)構(gòu)、充種區(qū)部位以及充種倉(cāng)種子層的厚度等排種器結(jié)構(gòu)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(nèi)分離出來(lái)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(diǎn)，對(duì)排種器各區(qū)域進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，即排種滾筒吸孔所需吸力的大小與種子運(yùn)動(dòng)有關(guān)因素的相關(guān)系對(duì)排種性能的影響。按照排種器工作過(guò)程的特點(diǎn)，將排種滾筒整個(gè)圓周可劃分為充種弧段、攜種弧段和投種弧段三個(gè)弧段。排種滾筒繞吸室逆時(shí)針旋轉(zhuǎn),在充種、攜種弧段吸孔與吸室負(fù)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(hù)種作用。在投種弧段解除負(fù)壓，甚至可同時(shí)施加正壓優(yōu)化投種效果，完成投種過(guò)程。
5.1 吸孔前流場(chǎng)分布規(guī)律
如圖10吸孔處氣流流場(chǎng)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(diǎn)的距離的大小)。吸種距離為x時(shí),氣流流經(jīng)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(qiáng)；為距錐較遠(yuǎn)區(qū)域壓強(qiáng)；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(chǎng)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(dǎo)出吸種距離為 時(shí)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(qiáng)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(qiáng)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(yùn)動(dòng)的基本條件。氣流速度等于物料懸浮速度時(shí)為臨界狀態(tài),此時(shí)吸孔前氣流速度(物料懸浮速度)為v0，吸種距離為x0 ,相應(yīng)吸孔內(nèi)的真空度為能吸附種子所需要的最小真空度,設(shè)為Pmin。設(shè)距吸孔錐頂較遠(yuǎn)區(qū)域壓強(qiáng)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(shí)吸孔內(nèi)氣流速度vi :
(15）
由式(14) 、(15) 得:
(16）
可見(jiàn)，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(guān)。參考測(cè)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(jì)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(jì)算
5.3.1 種子被滾筒帶出時(shí)受力
圖11 種子受力分析圖
Figure 11 Forces acting on seed
當(dāng)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(duì)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(yuǎn)，這時(shí)。當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)速較低時(shí)，慣性離心力P離也可以忽略不計(jì)。這時(shí)式（19）可以寫(xiě)成下式：
(20）
式（5-20）表明，當(dāng)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(shí)，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(dāng)α減小時(shí)，則對(duì)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(dāng)α較大時(shí)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(dòng)掉下來(lái)，摩擦力必須始終大于種子重力的分力。
式（5-19）是當(dāng)種子在Ⅱ、Ⅲ象限時(shí)所在的形式。
當(dāng)種子在Ⅰ、Ⅳ象限時(shí)，
式（5-19）應(yīng)寫(xiě)成：
(21）
將式（5-21）的右邊對(duì)求導(dǎo)，并令其等于零：
(22）
解式（5-22）可得：。這時(shí)式（5-21）的右邊取得最大值，即種子在這個(gè)位置最容易脫落。
5.3.2 種子吸附在滾筒上的條件
當(dāng)種子被吸附到滾筒的吸種口上時(shí)，種子受到由正負(fù)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(yàn)算符合要求[25,26]。
6 關(guān)鍵零部件校核
6.1 軸的強(qiáng)度校核
作為關(guān)鍵零部件，下面將對(duì)所設(shè)計(jì)軸進(jìn)行強(qiáng)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(shè)，，軸的材料為45鋼，彎曲許用應(yīng)力。
由靜力平衡方程 。求出支座反力。
(27)
(28)
求得：
應(yīng)力彎矩圖為:
圖13 彎矩圖
Figure 13 Bending moment
對(duì)于A截面 ：
，滿足強(qiáng)度要求。
對(duì)于B截面： ，滿足強(qiáng)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(hào)為6006，內(nèi)徑30mm，外徑55mm，厚度13mm，基本額定動(dòng)載荷Cr=13.2KN，基本額定靜載荷C0r=8.30KN。
由于軸承的轉(zhuǎn)速很低，按照點(diǎn)蝕破壞來(lái)選擇軸承尺寸就不符合軸承的實(shí)際失效形式。在這種情況下，滾動(dòng)接觸面上的接觸應(yīng)力過(guò)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(yīng)按軸承的靜強(qiáng)度來(lái)選擇軸承的尺寸。
軸承上作用的徑向載荷和軸向載荷，應(yīng)折合成一個(gè)當(dāng)量靜載荷，即
（29）
式中，、分別為當(dāng)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(qiáng)度安全系數(shù)，查表13-8得
，符合要求[27-29]。
7 結(jié)論
通過(guò)對(duì)排種器的工作原理、工作過(guò)程以及種子的動(dòng)力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)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(jié)構(gòu)參數(shù)，設(shè)計(jì)出了滾筒氣力式煙草種子排種器的整機(jī)結(jié)構(gòu)。此次所設(shè)計(jì)的該排種器與傳統(tǒng)的機(jī)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(wèn)題,將氣力應(yīng)用到排種過(guò)程中代替機(jī)械式的推種齒和推種片,其研究結(jié)果對(duì)推動(dòng)煙草包衣種子機(jī)械化精量播種技術(shù)的發(fā)展,以及其他類(lèi)似作物精量排種器的研究其有一定的理論參考價(jià)值和實(shí)踐價(jià)值。并根據(jù)相關(guān)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(dǎo)和熱情關(guān)懷下完成的，從課題的立項(xiàng)、開(kāi)題及課題的開(kāi)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(shí)也要感謝梅師姐在我進(jìn)行論文準(zhǔn)備的過(guò)程中對(duì)我的幫助和指導(dǎo)，并向那些在整個(gè)過(guò)程中不斷鼓勵(lì)我的同學(xué)和支持我的朋友表示衷心的感謝。
畢業(yè)設(shè)計(jì)是大學(xué)本科學(xué)習(xí)中的最后一次作業(yè)，也是對(duì)本科學(xué)習(xí)的最后一次復(fù)習(xí)和檢閱。通過(guò)參閱大量資料，使得我的專(zhuān)業(yè)知識(shí)又得到了很多補(bǔ)充，同時(shí)在設(shè)計(jì)過(guò)程中也是我認(rèn)識(shí)到自己的很多不足，尤其是機(jī)械加工、材料應(yīng)用方面知識(shí)的不足。這些都需要我在以后的工作中不斷的學(xué)習(xí)補(bǔ)充。
最后，衷心感謝大學(xué)四年里所有給予我教誨以及幫助過(guò)我的老師及同學(xué)們。
感謝答辯組老師！感謝你們對(duì)本設(shè)計(jì)中存在的不足給予的指正和幫助。
附