缽體精量點播裝置的設計【半自動嘴形氣吸式穴盤育苗精密播種機】【說明書+CAD】

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滾筒式播種機播種速度較快，可達800 1200盤/ h，但結(jié)構(gòu)復雜，在高速作業(yè)時漏播率較高; 板式播種機結(jié)構(gòu)簡單，操作方便， 價格低，播種速度低于120150盤/ h，但取種精度低，空穴率高1本文依據(jù)農(nóng)村溫棚育苗生產(chǎn)的實際要求，在分析國內(nèi)外典型育苗精量播種機工作機理的情況下，研制了拋擲式穴盤育苗精量播種機，創(chuàng)新設計了針式吸種盤 拋擲式種子盤和氣吹投種和清孔系統(tǒng)，較好地解決了氣吸式精量播種機對番茄等不規(guī)整小顆粒種子播種單粒率低和空穴率高等難點經(jīng)生產(chǎn)試驗測定，該機結(jié)構(gòu)簡單，使用維護方便，各項性能指標穩(wěn)定，能夠滿足主要作物如番茄，辣椒等的育苗播種技術(shù)要求。播種是穴盤育苗中的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。穴盤育苗技術(shù)對播種要求很高，要求每穴進行單粒播種，漏播和多粒種子的穴數(shù)盡可能少，以保證出苗整齊一致，群體結(jié)構(gòu)合理，因此，工廠化育苗需要進行精密播種，精量播種還可以節(jié)省大量種子。工廠化育苗精量播種主要依靠精量播種機來完成。育苗工廠使用的育苗設備大多是從國外引進的播種流水線或是單一用途的播種機。從國外購買播種流水線價格達100萬元左右，單一用途的播種機價格也要5萬元左右，這樣高的價格與我國農(nóng)業(yè)產(chǎn)品價格水平不相適應，因此很難推廣應用。另外，由于種子形狀差異較大，種類繁多，實現(xiàn)精量播種的難度較大，因此，研究穴盤精量播種裝置對促進我國的蔬菜生產(chǎn)機械化進程具有現(xiàn)實意義。1.2本課題所涉及的問題在國內(nèi)外研究的現(xiàn)狀及分析1.2.1 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀 我國工廠化農(nóng)業(yè)起步較晚，70年代末開始引進一些國外技術(shù)設備進行試驗研究，20 年來在技術(shù)與生產(chǎn)上均有較大的發(fā)展，目前我國各種溫室已發(fā)展到30萬公頃，對我國 農(nóng)業(yè)發(fā)展起到積極有效的促進作用。但也存在很多問題。 1. 播種機的播種合格率低。我國精密播種機結(jié)構(gòu)尚不完善，排種器精度不高，特別是對于形狀不規(guī)則、重量較輕的小粒蔬菜種子，播種機的播種質(zhì)量不穩(wěn)定，重播、漏播現(xiàn)象比較嚴重，多數(shù)播種機的性能尚不能達到要求。 2. 播種機的適應能力差。機械化播種育苗技術(shù)為精密播種對種子的品質(zhì)和外形均有較高要求。但由于不同蔬菜種子差距較大，目前我國多數(shù)精密播種 機械一般還只能播種一種或少數(shù)幾種種子。多為一機一用，對不同種子的適應能力較差造成機器的使用周期短、利用率低，不利于降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的成本。3. 播種機的播種效率低。我國的排種機構(gòu)存在結(jié)構(gòu)冗余、播種速度低等問題，造成整機的工作效率 較低。一些國產(chǎn)播種機的工作情況相比人工播種，效率并沒有顯著提高，無法滿足規(guī)?；a(chǎn)的需要限制了工廠化育苗技術(shù)的推廣應用。1.2.2 國外發(fā)展現(xiàn)狀 國外發(fā)達國家普遍采用溫室營養(yǎng)缽育苗，然后進行田間移栽的作業(yè)方法。近10年來， 有關(guān)部門加強從育苗到移栽整個系統(tǒng)的研究，使育苗和移栽有機結(jié)合，研制出多種全自動移栽機，使育苗過程實現(xiàn)機械化、工廠化和設施化。 經(jīng)過二三十年的發(fā)展，工廠化育苗自動生產(chǎn)線在發(fā)達國家成套技術(shù)己基本形成并向 高科技、高度自動化發(fā)展。工廠化育苗自動生產(chǎn)線一般由育苗穴盤擺放機、送料機、基質(zhì)裝盤機、壓穴及精量播種機、覆土和噴淋機等五大部分組成，這五大部分連在一起構(gòu)成自動生產(chǎn)線，拆開后每一部分又可獨立作業(yè)。這種自動生產(chǎn)線在荷蘭、美國、日本、韓國都有產(chǎn)品。穴盤育苗生產(chǎn)線的核心部分是復雜的精量播種系統(tǒng)，其播種系統(tǒng)的型號多種多樣。穴盤育苗生產(chǎn)線上多采用吸嘴式排種器，如美國Hamilton公司、Blackmore 公司及歐共體等廠家生產(chǎn)的各種穴盤精量播種生產(chǎn)線。 布萊克默系統(tǒng)(Black more system)播種裝置可將單粒種子分別播到648個育苗缽中， 它有一個平臺，發(fā)芽盤在平臺上可靜置，亦可滑動。還有側(cè)梁對發(fā)芽盤的滑動起導向作用，對種子的吸持裝置起支持作用。種子吸持裝置有一根橫梁，橫梁懸掛在裝有彈簧的套管支臂上，并可旋轉(zhuǎn)。橫梁兩端分別與導桿相連。橫梁經(jīng)過關(guān)閉閥與真空管相通。每個吸嘴均由富有彈性的柔軟材料構(gòu)成，內(nèi)部有一個通道，一直延伸到平臺的進口處。存放單層種子的槽與橫梁平行安裝，使吸嘴能降至槽內(nèi)。 美國佛羅里達州的斯匹德林公司發(fā)明了培育蔬菜秧苗的斯匹德林系統(tǒng)(Speeding System)。該系統(tǒng)的自動播種裝置采用吸嘴式排種器將種子單粒放到TODD育苗缽(穴盤)。真空式精播機公認比較有代表性的，有美國的勃蘭克莫爾自動播種機。這種播種機只完成精量播種一道工序，所以還要配上填充基質(zhì)，壓實，壓坑，刮平，覆蓋等全部工序的機械，才能完成全部工序。 范達納(Van Dana)播種機是由美國密爾沃基的生長系統(tǒng)(Growing System lnc)設計制造的。該機較實用，成本卻僅為大多數(shù)播種機的一半。該設備能準確、快速的將種子播種于真空導板上，將真空導管轉(zhuǎn)動到排種管處，此時真空產(chǎn)生壓力，種子通過排種管進入各個缽體。它能100單個地吸持住所有顆粒狀種子，以適應各種類型的種子和缽體。 目前國外的精量播種機已達到相當完善的程度，在精量播種機上除了設有完善的整地、覆土、鎮(zhèn)壓及施肥、灑農(nóng)藥裝置外，其排種裝黃多采用新的工作原理，包括各種氣力式排種原理與機械式排種原理，以保證單粒精量播種。另外，液壓技術(shù)及電子技術(shù)也在播種機上得以應用。 精量播種裝置有機械式、氣力式等多種，由于機械式精量播種裝置對種子的外形要求嚴格，有一定的種子破碎率，而且其總體結(jié)構(gòu)配置復雜擁擠，整機笨重，效率低等因素，限制了機械式精量播種機性能的進一步提高。所以氣力式精量播種裝置較為多用。氣力式精量播種裝置是通過空氣真空度產(chǎn)生的吸力工作的。氣力式精量播種機對種子的形狀要求不嚴，通用性好而且播種速度也比機械式的高。氣力式精量播種機盡管形式多種多樣，但其工作原理只有氣吹式、氣壓式和氣吸式。 1.3對課題所涉及的任務要求及實現(xiàn)預期目標的可行性分析 1.3.1任務要求：查閱相關(guān)文獻，進行歸納整理 ，并進行總結(jié)，從而梳理思路，進行缽體精量點播機的設計，設計一種適用于棉花或番茄精量點播于穴盤（96穴或128穴）的機械，要求該機械每穴1-2粒，能連續(xù)工作，實現(xiàn)自動或半自動作業(yè)。 1.3.2 可行性分析：本設計用振動氣吸工作原理進行吸氣和排種。由于種子之間有摩擦，所以利用振動器將種子處于懸浮狀態(tài)以便吸種。當進行吸種時，將氣力吸種部件移動到種子盤振動盤正上方，調(diào)節(jié)氣力吸種部件的轉(zhuǎn)換開關(guān)，使氣源和氣室接通，氣室形成負壓，拋起的種子在氣力作用下，被吸附在吸種盤上均布的吸種孔上；吸種后將吸種盤移到育秧盤上方適當位置，氣室與氣源通路切斷，同時氣室與大氣相通，迅速釋放負壓，種子將靠自身質(zhì)量落入育秧盤，實現(xiàn)對靶播種。1.4本課題需要重點研究的、關(guān)鍵的問題及解決的思路 重點研究的問題： 1.4.1核心部件是播種裝置，它由吸種部件和振動部件組成。 1.4.2振動部件由振動臺和種子盤組成，振動臺由支架和激振機構(gòu)組成。振動部件主要是是種子處于懸浮狀態(tài)便于吸種。 1.4.3吸種部件主要由吸種盤，氣室，轉(zhuǎn)換開關(guān)，接管和氣源等組成。其主要功用是保證每孔吸附1-2粒種子，并且準確將種子點播于穴盤中。 關(guān)鍵的問題：本課題的關(guān)鍵在于吸種部件在吸種時必須保證每個孔吸附1-2粒種子，并且能準確點播于盤中。 解決的思路：需研究種子在多大的氣力下才能被吸附起來，進行種子的質(zhì)量與氣力吸附的相關(guān)試驗，得出相關(guān)數(shù)據(jù)。對于播種的準確性需對設備的整體結(jié)構(gòu)進行合理的設計，保證播種的準確性。 1 播種機的結(jié)構(gòu)與原理1 1 播種機的總體結(jié)構(gòu)播種機結(jié)構(gòu)示意圖如圖 1 所示 該機由行程控制開關(guān)，直滑軌 ，工作臺，萬向輪行走機架，針式吸種盤，氣泵，拋擲裝置，種子盤和氣動控制系統(tǒng)等組成；拋擲裝置有壓縮回位彈簧和牽引電磁鐵等組成; 針式吸種盤由吸種盤和可更換的吸嘴組成 。氣動控制系統(tǒng)由換向電磁閥 ，泄壓閥 ，輸氣管路和壓力調(diào)節(jié)開關(guān)等部件組成。1 2 播種機的工作原理工作時， 先將裝有育苗基質(zhì)的穴盤放置在播種工位， 穴盤將被夾具自動定位 拉動吸種盤把手， 吸種盤在直滑軌引導下將外移( 由取種工位向播種工位作水平移動) ; 當行程開關(guān)撞塊檢測到電信號， 反饋給牽引電磁鐵使其吸合， 拉動種子盤下降到下工位， 使吸種盤能繼續(xù)向前水平移動到播種工位; 此時行程開關(guān)撞塊檢測到吸種盤到達播種工位后， 產(chǎn)生電信號給換向電磁閥， 關(guān)閉負壓氣管， 同時開啟正壓氣管， 則氣室負壓消失， 切換正壓進入吸種盤， 將種子吹投至育苗穴盤對應的穴空， 同時完成氣吹清孔， 投種結(jié)束 投種后吸種盤內(nèi)移( 由播種工位向取種工位作水平移動) ， 當行程開關(guān)撞塊監(jiān)測到位移信號， 控制換向電磁閥關(guān)閉正壓氣管， 同時切換到負壓氣路 當吸種盤內(nèi)移至種子盤正上方， 行程開關(guān)控制牽引電磁鐵吸合器斷電， 種子盤在復位彈簧作用下垂直上彈至上工位，同時將種子拋起迎合針式吸嘴被吸住， 吸附取種結(jié)束 重復上述動作， 可連續(xù)進行穴盤精量播種作業(yè)。21主要部件結(jié)構(gòu)設計211氣室(吸種盤腔體)形狀尺寸的確定氣吸式播種機是由吸孔處的負壓來完成種子的吸附，氣室對吸孔的吸附性能影響很大。理想的氣室形狀能實現(xiàn)氣流從吸種盤到吸嘴的連續(xù)流動，形成均勻穩(wěn)定的流場。根據(jù)陳進等【5研究試驗結(jié)論：氣室形狀對氣室內(nèi)壓力傳遞、吸盤上壓力分布的均勻性無明顯影響，本設計將氣室形狀確定為長方體以便加工制造。由于氣室腔體太大會造成負壓不足，吸不上種子，而且氣室過大，會造成漏氣，從而影響流量和真空度，因此，吸種盤腔體的尺寸越小越好，另外，為了安裝吸嘴，吸種腔體尺寸又不能太小，所以按標準育苗盤尺寸，對于128穴的穴盤尺寸為：490mm240mm，空穴尺寸：30mm13mm40mm（上口下底深度）。吸種盤腔體尺寸設計為：490mm240mm40mm（長寬高）。212吸嘴的孔徑設計 吸嘴的直徑大小與真空度緊密聯(lián)系。在相同的真空度的情況下，直徑越大其吸附力也越大 吸嘴的直徑設計的要求有： 1，保證吸附力大于種子質(zhì)量(重量)，這樣種子才有可能被吸附在吸嘴上 2，吸嘴孔直徑不能大種子最大直徑 3、保證一定的吸附合格率。 經(jīng)試驗證明，當吸嘴直徑大于種子直徑時，種子會被吸入吸嘴，從而造成吸嘴孔堵塞：而當 吸嘴直徑小于六分之一種子直徑時，吸嘴的吸附能力將降低。這兩種情況都將導致播種合格率下降空穴率升高。因此吸嘴的孔徑必須是多種規(guī)格，以適應不同種類的種子需要。 2643吸嘴的規(guī)格設計 嚴格米說，每一種質(zhì)量和形狀的種子都有一個相應的最適合的吸嘴直徑。但是精密播種機不可能也不必要為每一類種子配備一種規(guī)格的吸嘴。因此，在實際設計中，應根據(jù)種子質(zhì)量的分布進行吸嘴的規(guī)格設計一般情況下，我們以克粒數(shù)作為種子的質(zhì)量指標。根據(jù)經(jīng)驗，我們一般將吸嘴設計為表2-3所示的幾個規(guī)格。 表2-3吸嘴規(guī)格對應表 吸孔孔徑大小對單粒率、多粒率影響很大，孔徑尺寸減小，單粒率上升，多粒率下降，但孔徑太小不易加工且易被堵塞。研究表明：吸嘴孔徑取物料種子直徑的0.5一0.7倍較合適6，7J。據(jù)此確定吸孔直徑分別為07mm和1.5mm二種尺寸，其中07mm用于吸附西紅柿和辣椒種子，15mm用于吸附棉種。帶導程的吸孔吸種單粒率明顯高于無導程的吸孔吸種單粒率，但吸嘴導程過長會降低吸嘴口處負壓和流量，從而不利于吸種，為便于加工和配合拋振裝置的需要，選擇吸嘴長度為8mm，吸嘴間距為30mm，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。213吸嘴端口形狀的確定真空吸嘴是氣吸式穴盤育苗精量播種機的核心工作件，國內(nèi)外研究者就其氣流場的分布及其動力學參數(shù)與播種性能間關(guān)系進行了試驗研究【IoJ，結(jié)果表明：吸嘴真空度、嘴型、孔徑和導程等是影響真空吸嘴吸附能力的主要因素。由于上述研究是一個多目標多因素問題，其影響因素互相制約，從理論上進行分析設計具有較大的難度，傳統(tǒng)的物理試驗方法費時費力，無形中增加了成本和延長了設計周期，同時不直觀的數(shù)據(jù)誤差也影響整個設計的可靠性。吸嘴端口形狀目前應用最常見的有A型、U型和V型。經(jīng)試驗表明（胡斌）其中，V型端口吸附性能最好(31。1吸嘴體 2針管 不同的吸嘴規(guī)格有不同的針管直徑。2。13氣源流量的確定物料的臨界速度是氣力輸送裝置和物料吸取裝置設計的關(guān)鍵參數(shù)。在吸嘴氣力式播種機的氣流場中，按照氣力輸送裝置的氣流速度來進一步確定流體速度，以保證種子被有效吸附。周祖愕8J研究表明：當氣流輸送速度為30m/s以上時，物科可以被有效吸附。吸嘴氣力式播種根據(jù)不同大小的種子選用不同孔徑的吸嘴，以番茄種子播種為研究對象，對吸嘴吸取種子進行分析，確定吸嘴能夠吸取種子的最小氣體流量。假定每個吸嘴的真空度和氣體流量均勻，每個吸嘴的流量為： 吸嘴的總流量為： 上式中，d為吸嘴 直徑，0.7mm；n為吸嘴個數(shù)；128個；v為吸嘴口流速。當氣源氣體流量大于5.3/h時，吸嘴能夠把種子完全吸取。2 氣泵的選擇由于溫室大棚育苗播種一般要求空粒率低，對多粒率通常沒有特殊要求，故選用流量較大、價格便宜的XWB-1型旋渦氣泵作為氣源，以提高吸附率。由無錫某機電設備有限公司氣泵研究所的有關(guān)人員對旋渦氣泵產(chǎn)品所作的實驗統(tǒng)計得到，氣泵的有效功率為總效率的2045XWB-1型旋渦氣泵最大流量為60m3h，故實際工作流量為1227m3h，完全滿足設計流量要求。具體參數(shù)見下表。型號/參數(shù)最大壓力(kpa)真空度(kpa）最大流量(M3/h)電動機功率(Kw)電機轉(zhuǎn)速(Rpm)管徑(mm)外型尺寸長寬高紙箱包裝尺寸長寬高重量(Kg)XWB-11812600.3728004028025226029026028010拋振機構(gòu)的設計拋振機構(gòu)由復位彈簧、牽引電磁鐵、種盤等組成（如圖 1 所示）。考慮到吸種盤來回吸種時，拋振裝置將種盤彈起，吸種盤落人種盤內(nèi)吸附處于懸浮狀態(tài)的種子，故種盤稍大于吸種盤面積，底面尺寸每邊大于吸種盤23個種子直徑，以免在邊緣上擠碎種子，并且由于實際吸種時為了提高吸種性能，種盤要能放多于3層的種子，需有一定深度，所以種盤尺寸設計為：550mm320mm20mm。同時在種盤底部打上小孔，孔徑小于種子直徑，以便能有足夠的氣體流入到吸嘴產(chǎn)生負壓。種盤通過螺栓與拋振裝置連接在一起，這樣當拋振裝置的牽引電磁鐵處于斷開狀態(tài)時，復位彈簧利用回復力將種盤彈起，盤內(nèi)種子上拋處于懸浮狀態(tài)，以減小吸附時的阻力，提高種子吸附率。1 拋振機構(gòu)工作原理種盤與牽引電磁鐵的銜鐵連接在一起，種盤底面四角安裝有復位彈簧。牽引電磁鐵通電時，銜鐵拉動種盤克服彈簧力向下運動一定行程。磁力斷開狀態(tài)時，復位彈簧將種盤彈起，盤內(nèi)種子隨盤產(chǎn)生上拋運動，上表面的種子將脫離種子群，處于懸空“沸騰”游離狀態(tài)，由于增加與吸盤上吸嘴的接觸機會，顯著提高種子吸附率8-10。機構(gòu)設計參數(shù)為1111 董春旺，羅昕，胡斌半自動穴盤育苗精量播種機的設計J石河子大學學報：自然科學版，2008，26(5)：630632Dong Chunwang, Luo Xin, Hu Bin. Design of semi-automatic tray precision seeding-machineJ. Journal of ShiheziUniversity: Natural Science, 2008, 26(5): 630632. (inChinese with English abstract)：種盤及連接器質(zhì)量約3 kg，彈簧系統(tǒng)剛度 4 N/mm，牽引電磁鐵使用電壓為220 V，最大牽力為 80 N，可調(diào)最大行程為 25 mm。2 拋振機構(gòu)運動規(guī)律分析2.1 種子“沸騰”運動條件與拋振強度計算對單粒（層）種子在種盤上的運動進行分析。種盤上的種子受自身的重力和種盤運動時給予的慣性力12-13，忽略空氣阻力對種子受力運動的影響，種子脫離種盤出現(xiàn)跳動的臨界條件為 P G （1）式中 P種子所受慣性力，N；G種子重力，N。種盤運動的周期性簡諧方程為 當不考慮系統(tǒng)阻尼 時，方程為 式中：x運動方程；A振幅，mm；t振動時間，s；振動初相位，rad；振系固有角頻率rad/s。種子初始加速度與種盤加速度相同 由牛頓第二定律可得 將（5）代入（1）式得 w = = 令 K為拋射強度8,14，則 僅當種子隨盤運動且與種盤之間接觸力為 0 時等號成立,說明只有 K1 時，種子才可能被拋起。如圖 2 所示，拋振機構(gòu)處于狀態(tài) A 時，彈簧處于壓縮狀態(tài)，存在 k式中： F牽引電磁鐵拉力，N；k拋振系統(tǒng)等效彈簧勁度系數(shù)；xF形成的壓縮量，mm；種盤種子的靜變形量，mm；M種盤質(zhì)量，kg；m棉種質(zhì)量，kg。將式（9）代入到公式（8）得 由拋振裝置設計結(jié)構(gòu)決定（如圖 1） ，吸嘴取種后將從種盤上方移動到穴盤上方的播種工位，為避免吸盤吸嘴移出時種子不被種盤外沿碰掉，則種盤下移距離必須大于吸嘴和棉種的累加高度（即 1620 mm） 。故選用80 N 的牽引電磁鐵時，設計拋振系統(tǒng)彈簧的剛度為4 N/mm。 則拋振系統(tǒng)的固有頻率為+ 振幅為 式中：xt1種盤位移量，mm；t1有效位移時間，s。代入式（7）得振系的拋射強度為 = = = 故拋振機構(gòu)滿足設計要求，種子能從種盤上被拋起。播種機取種時，系統(tǒng)電磁鐵斷電，回位彈簧將盤和盤內(nèi)種子向上拋擲，假設系統(tǒng)種子和種子盤均勻，均布的彈簧剛度一致，依據(jù)機械能守恒，系量方程式為Es為彈性勢能，即 則可推出 式中M一種子盤和磁鐵銜鐵質(zhì)量之和；m一種子質(zhì)量；-M+m引起的靜變形鼉；V-二者拋擲初速度；k一系統(tǒng)等效彈簧勁度系數(shù)；x一磁鐵銜鐵下拉形成的壓縮量。種子與種子盤拋擲后，種子受慣性力作用做自由上拋運動，自由上拋高度為可以看出，種子上拋高度與彈簧剛度系數(shù)后，磁鐵銜鐵下拉形成的壓縮量x和種子盤、種子和彈振機構(gòu)質(zhì)量(M+m)有關(guān)。將樣機的種盤質(zhì)量M =3 kg， 單粒棉種質(zhì)量m=0.096 g，銜鐵牽引力 F=80 N，代入式（11） 、 （13） 、 （14）得：v=735 mm/s，h =12.59 mm，h=26.67mm，棉種脫離種盤上拋高度為：hh=14.08 mm。