電磁振動棉花精密播種裝置的設計【電磁振動式棉花精密排種器】【分流回收裝置】,電磁振動式棉花精密排種器,分流回收裝置,電磁振動棉花精密播種裝置的設計【電磁振動式棉花精密排種器】【分流回收裝置】,電磁,振動,棉花,精密,播種,裝置,設計,排種器,分流,回收 濰坊學院本科畢業(yè)設計 摘要 棉花營養(yǎng)缽育苗移栽是具有中國特色的植棉手段之一，在我國內陸棉區(qū)已得到較大規(guī)模的推廣應用。實現(xiàn)棉花機械化精密播種是進行棉花工廠化制缽育苗的關鍵，但是近些年來，對棉花種子尤其是光籽棉種機械化精播的研究及相關設備幾乎是空白。本文在對多種播種裝置的比較研究的基礎上，提出了電磁振動式棉花精密播種的思想。 為了實現(xiàn)光籽棉種的單粒精播，設計了電磁振動式棉花精密播種裝置，該裝置主要包括電磁振動排種器、分流回收裝置和缽盤輸送機構。通過對電磁振動排種器工作原理的分析，得出了實現(xiàn)種子連續(xù)前移的條件，在此基礎上完成了對電磁振動排種器的參數(shù)選擇，在保證棉種單列有序排列的前提下，完成了排種盤基本結構尺寸的結構設計；根據(jù)棉種的形狀尺寸設計出了孔的形狀尺寸和分流裝置的結構形式。應用PLC編程技術，控制各個工作機構的協(xié)調順序動作，實現(xiàn)了種子的單粒精密播種。 為了使得排種裝置能夠以一種較好的排種速度進行排種，在實驗室里較為理想的條件下，進行了大量的試驗，找出了影響排種速度的因素，得出了排種速度隨著它們的變化規(guī)律，確定了它們的取值范圍。在此基礎上，通過正交試驗，分析了分流通道傾角、輸出電壓和工作頻率對播種質量（單粒率、空穴率）的影響效果，得到了它們的最優(yōu)組合，給出了各個指標隨三個因素的變化規(guī)律。 關鍵詞：棉花 電磁振動 精密播種 控制 I ABSTRACT Growing and transplanting seedling of cotton, which is one of Chinese cotton planting methods has been widely applied and popularized throughout the cotton planting areas in our country. The key process of industrialized bowl-making and growing of cotton is the realization of mechanically precision seeding, but the study on the technology and equipment of mechanically precision seeding of cottonseed is still blank. In this paper, electromagnetic vibration precision theory used in cotton precision seeding was put forward firstly. Electromagnetic vibration cotton precision seeder was designed to realize precision seeding of bare cottonseed. This seeder was composed of three parts, which were electromagnetic vibration feeder, diffluent device and bowl feeding device. Through theory analysis of the feeder, the continuous slippage condition of cottonseed was gained, which provided theory base for the design of electromagnetic vibration feeder. And on the base of ordinal single-line of cottonseed the structure dimensions of electromagnetic vibration feeder were got. According to the figure and dimension of cottonseed, the figure and dimension of hole and diffluent device was designed. PLC was applied to control the harmonious action of all working parts, and precision seeding was achieved. A lot of experimental tests were carried out to find out the better feeding velocity, and the changing disciplinarian of feeding velocity along with the obliquity of diffluent device and output voltage was gained. Experimental tests were carried out to measure effects of several factors, including the obliquity of diffluent device and output voltage and the working frequency. According to the experimental data, the better level of the three variables, their better combination and the varied curves of performance index were received. Key words: cotton;electromagnetic vibration;precision;seeding;control II 目錄 第1章 緒 論 1 1.1研究的目的和意義 1 1.2 常見的幾種精密播種裝置 2 1.3 課題主要研究內容及關鍵點 3 1.3.1研究內容 3 1.3.2關鍵點 4 第2章 電磁振動式棉花精密播種裝置的設計 4 2.1 電磁振動播種裝置的整體設計方案 4 2.2電磁振動式棉花精密排種器的設計 5 2.2.1結構及工作原理 5 2.2.2 種子的受力分析 7 2.2.3 種子的運動分析 8 2.2.4排種器主要參數(shù)設計 10 2.2.5 排種盤基本結構尺寸 11 2.3.6 排種盤材料及尺寸確定 12 2.3.7 彈簧常數(shù)的確定 13 2.3 分流回收裝置的設計 13 2.3.1分流通道的基本結構及動作過程 14 2.3.2 孔的設計 15 2.3.3 電磁鐵和彈簧的選擇 16 2.4 缽盤輸送機構的設計 17 2.5機架的設計 18 2.6 其它附屬設備 19 第3章 結 論 19 結束語 20 參考文獻 21 致謝 22 第1章 緒 論 1.1研究的目的和意義 棉花是我國農業(yè)生產中一種主要經(jīng)濟作物，主要產棉區(qū)分布在、山東、河南、湖北、江蘇、山西、安徽等省份。據(jù)統(tǒng)計，2004年我國的棉花種植面積約為569萬公頃，棉花總產量約為594萬噸，位居世界前列。近幾年來，由于棉田投入增加，棉農比較利益下降，收入增加緩慢，定苗工序繁重，影響了棉農種棉積極性。因此，必須推廣節(jié)本增效工程技術[1]。 種植機械是農業(yè)機械中最大的一個家族，完成著農業(yè)生產中最基本最重要的一環(huán)——播種，播種質量的好壞直接關系到農作物的出苗情況和產量[2]。圍繞高產、優(yōu)質、高效農業(yè)的發(fā)展，開發(fā)節(jié)約型農業(yè)所需的技術與設備已是我國農業(yè)機械技術的主攻方向。如免耕、少耕機具，深施化肥、地膜覆蓋機械，精量與半精量播種機等。 精密播種是指按精確的粒數(shù)、間距和播深，將種子播入土中。它可以是單粒播種，也可以將多于一粒的種子播成一穴，要求每穴粒數(shù)相等[3]。精密播種是一項省種、省工、省制種田、苗全、苗壯，增加產量的一項農業(yè)新技術。精密播種具有省種30﹪～50﹪，省間苗工時4～8個工/公頃，增產10﹪～30﹪的優(yōu)點，精密播種能降低農業(yè)生產成本，提高產出效益，是今后發(fā)展農業(yè)生產，增加農民收入的一項重要措施之一。 許多發(fā)達國家非常重視精密播種機的研究和推廣，已實行了單粒精播，而我國正處在研究、試驗、推廣階段，國家“九五”期間確定在河北省開墾66.7萬hm2（1000萬畝）優(yōu)質棉基地、引進優(yōu)質棉籽進行精密播種。棉花精密播種技術的研究、引進、試驗工作存在著認識問題，也有技術問題，但最終體現(xiàn)在精密播種機具的不完善，精密播種各環(huán)節(jié)不配套[1]。 由于精密播種可以保證種子最合理分布，播種量精確，株距均勻，播深一致，為種子的生長發(fā)育創(chuàng)造最佳條件，可以大量節(jié)省種子，保證作物穩(wěn)產高產。因此，現(xiàn)代農業(yè)對精密播種機械的要求越來越迫切，精密播種機已成為現(xiàn)代播種技術的主要特征，成為播種的主要發(fā)展方向[4]。 精密播種技術經(jīng)歷了兩個主要階段：在種子加工、農藥、除草劑等技術不完備的條件下，精密播種最初是對玉米、棉花等中耕作物從條播發(fā)展為定量穴播。在育種和種子加工技術逐漸成熟以后，對精密播種的要求就提高到單粒穴播[5]。 工廠化育苗在本世紀60年代由美國人開發(fā)，于80年代初在歐美、日本等國家推廣應用。至今，工廠化育苗已發(fā)展成一項成熟的農業(yè)先進技術。 工廠化育苗是指在人工控制的最佳環(huán)境條件下，運用機械化、自動化手段，采用科學化、標準化技術及現(xiàn)代企業(yè)的管理方式，按一定的生產流程，使育苗生產達到快速、優(yōu)質、高效、成批而穩(wěn)定的生產水平。實現(xiàn)種苗的工廠化生產、商品化供應，是傳統(tǒng)農業(yè)走向現(xiàn)代農業(yè)的一個重要標志[6]。 工廠化育苗即是在育苗工廠(溫室)中采用機械精密播種，并在塑料苗盤上培育出適合移栽的種苗，然后進行大田移植，以實現(xiàn)播種和育苗過程機械化、工廠化生產[7]。 當前國際上使用最廣泛的工廠化育苗體系是穴盤育苗系統(tǒng)。穴盤育苗就是用一種稱為“穴盤”的容器作為工具的育苗方式。我國在園藝和棉花生產中早有了多年推行“營養(yǎng)缽”的容器育苗的經(jīng)驗。營養(yǎng)缽育苗是一次成苗，在寒冷季節(jié)用保護地進行育苗，創(chuàng)造合適的氣溫和水分條件，育成茁壯的成苗。到大地轉暖時，從暖棚中移栽到土地或者大棚中，這樣能提早種植季節(jié)且保證成活率。而所謂的穴盤，也可以看作是把許多營養(yǎng)缽連成一體的連體缽?，F(xiàn)代的穴盤已經(jīng)逐漸規(guī)格化，一張穴盤上連接幾十個甚至幾百個大小一致、上大下小的錐形小缽，每一個小缽稱之為“穴”，穴與穴之間緊密連接，這樣就達到最大的種植密度。而且，現(xiàn)代穴盤育苗已不再用土作基質，改用泥炭、蛭石、珍珠巖等輕材料作基質。在溫室、暖棚中育苗時，苗的密度大大增加，節(jié)省了溫室、暖棚的基建投資和冬季采暖耗費，使育苗場固定成本和生產成本降低，加上勞力耗費也相應節(jié)省，因此經(jīng)濟效益顯然大為提高了[8] [9]。 棉花營養(yǎng)缽育苗移栽是具有中國特色的植棉手段之一，對棉花早發(fā)、提高棉花生產品質具有重要的作用，既符合人多地少、勞動力資源豐富的國情，也滿足了精耕細作、高產優(yōu)質高效的生產需要，在我國內陸棉區(qū)已得到較大規(guī)模的推廣應用。其中播種質量的好壞直接影響育苗的質量及作物的產量。在制缽育苗中，穴盤精密播種是一個影響育苗的重要工序。 穴盤精密播種是現(xiàn)代工廠化育苗技術的一個重要環(huán)節(jié)，穴盤精密播種是將種子精確的播入裝有基質的穴盤穴孔內的一種現(xiàn)代化播種技術，一般實行一穴一粒[10]。 實現(xiàn)棉花種子機械化精播是進行棉花工廠化制缽育苗的關鍵，但是近些年來，對棉花種子機械化精播的研究及相關設備幾乎是空白。所以在已有研究的基礎上，結合現(xiàn)有種子精播技術研制一種適合我國國情的、自動化程度高、性能先進的精量播種生產線對實現(xiàn)棉花的工廠化制缽育苗具有很高的實際生產意義。 1.2 常見的幾種精密播種裝置 根據(jù)精量播種的原理不同，播種機分為吸附式（吸嘴式、板式、齒盤轉動式）播種機、磁性播種機、針式播種機和抽板式播種機等多種形式。 1、齒盤轉動式播種器 這是一種機械式播種器，主要部件是一組可以轉動的凹齒圓盤。其原理是齒盤利用盤緣上的凹齒將種子帶出，在護種板的保護下到達穴盤的下方，在重力的作用下落入同步運動的穴盤的種穴中，實現(xiàn)穴盤播種。根據(jù)穴盤孔數(shù)和種子粒徑可選換齒盤。該裝置結構簡單，生產效率高。缺點是它對種子的大小和形狀要求比較嚴格。 2、抽板式播種器 這也是一種機械式播種器。主要部件是一塊開有眼孔的抽板。在曲柄連桿機構的帶動下(或用手工操作)使抽板往復運動，當抽板上的眼孔和滾筒上的眼孔相對時，種子靠重力作用落入穴盤種穴中。根據(jù)穴盤孔數(shù)和種子粒徑可選換抽板和底板。該裝置對種子外形尺寸要求較高，一般需對種子進行丸?；幚恚也シN過程中傷種嚴重，生產率低。 3、磁力式排種器 它的工作原理是利用磁鐵相互吸引的性質制成的，在種子上附著帶磁性的粉末，用磁極吸引，然后用消磁的方法使被吸的種子靠重力落入穴盤種穴種。該裝置播種精度較低，特別是難以保證每穴一粒的要求。 4、氣吸式排種器 它的工作原理是利用負壓設備產生一定的負壓，使種子在吸孔的吸附力的作用下被帶出種箱后切斷氣流，種子在自身重力的作用下落入穴盤。這種設備對種子的外形尺寸要求不高，不易傷種，播種精度較高，生產率較高，但是應用性差，對不同顆粒大小種子需更換吸嘴。 5、電磁振動排種器 它的工作原理是利用經(jīng)半波整流的電流產生變化的電磁吸力，在變化的電磁吸力的作用下，排種盤產生伴隨著扭動的上下垂直振動，種子在振動的作用下形成均勻的種子流，沿著相應的軌道由排種口排出，落入送進的缽盤中。該裝置對種子的形狀尺寸要求不高，調節(jié)方便，結構簡單，不傷種。 目前，排種器又有了新發(fā)展，如液力排種器、集排式排種器等。其中一階或多階集排式排種器已在歐洲國家廣泛使用,取得了較好的作業(yè)效果。集排式排種器又稱集中排種器。集中排種器或中心排種器(或系統(tǒng))是排種器發(fā)展的最高成就，是指一個排種部件、一個種子箱或一個統(tǒng)一輸種系統(tǒng)同時進行3行或3行以上的多行播種的裝置，有的多階集排式播種機已達到一器60余行的播種能力。它是對一器一行排種器的革新和發(fā)展，是播種機高速高效的需要,也是排種器結構原理多樣發(fā)展的結果。根據(jù)結構原理和應用范圍，集中排種系統(tǒng)可分為機械式、氣流式、氣壓氣送式等集排。 1.3 課題主要研究內容及關鍵點 1.3.1研究內容 本課題的研究內容主要包括： 1、電磁振動式棉花精密排種器的主要參數(shù)設計：通過對電磁振動排種器工作原理的分析，得出實現(xiàn)棉種在排種盤內單列有序排列和快速平穩(wěn)前進的條件，并在此基礎上，求得電磁振動排種器的各個主要參數(shù)的設計計算方法，從而為電磁振動式棉花精密排種器的設計提供了理論依據(jù)。 2、電磁振動排種裝置的整體設計：根據(jù)棉種的特性選擇合適的排種器，并根據(jù)實際情況具體設計電磁振動排種器的結構；根據(jù)光籽棉種的結構形狀尺寸在排種裝置上設計一套合適的分流回收裝置，從而實現(xiàn)種子的分流回收和單粒排種；由輸送帶的運轉帶動缽盤的前進，完成缽盤的送進。 4、控制裝置的設計：采用 PLC控制技術，通過編寫程序對電磁振動播種裝置各個執(zhí)行機構進行控制，實現(xiàn)整個播種過程的協(xié)調順利進行，最終完成單粒精密播種。 5、試驗分析及驗證：試驗主要分為三個階段，首先，通過反復的試驗確定分流通道的結構、尺寸和分流通道與排種盤之間的連接方式及位置；其次，通過調整現(xiàn)有的可變因素，觀察它們對排種速度的影響效果，找到排種裝置較好的排種速度；在此基礎上，設計正交試驗，在已經(jīng)設計好的試驗臺上，進行播種試驗，得出各因素對播種質量的影響規(guī)律，驗證該播種裝置的播種質量是否滿足棉花精密播種的要求。 1.3.2關鍵點 1、電磁振動理論用于棉種的精密播種技術中，利用電磁振動排種器實現(xiàn)種子在排種盤上的單列有序排列； 2、根據(jù)種子形狀尺寸設計出一套合適的分流回收裝置，實現(xiàn)對種子的分流回收和單粒排種。 3、采用可編程控制器編程技術，控制整套播種裝置各個機構的協(xié)調動作，最終實現(xiàn)棉種的單粒精密播種。 第2章 電磁振動式棉花精密播種裝置的設計 2.1 電磁振動播種裝置的整體設計方案 圖2.1 播種裝置的總體設計方案 電磁振動排種機構 控制系統(tǒng) 缽盤輸送機構 分流裝置 本課題要研究的是棉花單粒精播技術，機械裝置必須根據(jù)要實現(xiàn)的功能來設計。播種的基本過程分為排種、分流和缽盤送進三個部分，所以要求必須配備排種器、種子分流裝置、缽盤輸送機構，以及一套機械裝置以實現(xiàn)整套機構的行走，位移控制。該套播種裝置的核心部件是電磁振動排種裝置，包括電磁振動排種器和分流裝置。此外還需要有相應的控制裝置，控制裝置的設計是為了實現(xiàn)這三個動作過程的順序協(xié)調動作，總體設計方案如圖2-1所示。 電磁振動播種裝置主要由電磁振動排種器、缽盤輸送機構、導種管、電磁鐵和機架等組成。播種裝置的總體結構示意圖如圖2.2所示。 圖2.2 電磁振動式棉花精密播種裝置的結構示意圖 1.機架 2.營養(yǎng)缽 3.支撐架 4.導種管 5.電磁鐵 6.分流裝置 7.電磁振動排種器 8.傳送帶 9.電機 2.2電磁振動式棉花精密排種器的設計 本課題研究的對象是光籽棉種，棉種的形狀不規(guī)則，傳統(tǒng)的排種器都存在問題，不能滿足光籽棉種的播種要求。電磁振動排種器是一種控制簡單的排種器，鑒于電磁振動排種器的優(yōu)點及棉種的特殊性，所以擬定采用電磁振動排種器作為光籽棉種的排種器。它的設計要求結構緊湊，性能可靠，能夠實現(xiàn)棉種在排種器內的單列有序排列。 電磁振動排種器是影響整套播種裝置工作性能和工作質量的主要部分。本章就是圍繞電磁振動排種器的工作原理及影響其工作性能的參數(shù)進行理論分析，以尋求電磁振動式棉花精密排種器的主要參數(shù)的設計計算方法。 2.2.1結構及工作原理 電磁振動排種器的一般由四部分組成，即排種盤、底盤（電磁鐵和支持彈簧片）、減振部分和供電部分，其結構如圖2.3所示。 在整體播種裝置中，電磁振動排種器的主要功能是實現(xiàn)棉種在排種盤內的單列有序排列，并能夠以一種快速平穩(wěn)的速度前進，其原理與電磁振動上料器的工作原理基本相同，所以下面的分析以及參數(shù)設計計算方法，都是參照電磁振動上料器進行的。 工作的時候，電磁鐵中通有經(jīng)半波整流后的50HZ的交流電，鐵芯線圈產生脈動的 電磁力，如圖2.4所示，鐵芯線圈產生的脈動電磁力使排種盤產生伴隨著扭動（或直動）的上下垂直振動，從而使排種盤內的棉種在自身重力、摩擦力和慣性力的共同作用下沿 著排種盤內的螺旋輸送軌道順序、均勻的向上輸送，從排種口排出。 圖2.3 電磁振動排種器基本結構示意圖 1.出種口 2.排種盤 3.螺旋槽 4.銜鐵 5.電磁鐵 6.盤底7.支持彈簧 8.底盤 9.減振彈簧 10.底座 為了分析種子的運動情況，把種子在排種盤內的運動，近似的看成滑塊在斜面上的運動。當電磁力減小為零的瞬間，排種盤將在彈簧反力作用下，帶著種子從后下方朝前上方升移，種子受到與排種盤運動方向相反的慣性力作用。此時，與排種盤垂直的慣性力分量向下，增加了種子與排種盤之間的正壓力及摩擦力，而與排種盤平行的慣性力分量向后，故一般不會使種子滑動，而只會隨排種盤一起向前上方運動。如圖2.5 (a)所示，排種盤從A1至A2，種子從B1至B2。 圖2.4 電磁吸力變化曲線圖 T——交流電周期 tA——電磁吸力最大時刻 tB——電磁吸力最小時刻 在電磁力最大瞬間，排種盤在吸力作用下，帶著種子從前上方向后下方運動，種子受到與排種盤運動方向相反的慣性力的作用。此時，與排種盤垂直的慣性力分量向上，使種子作用在排種盤上的正壓力減小，摩擦力也減??；若與排種盤平行的慣性力大于摩擦力時，種子便沿排種盤螺旋軌道向前上方滑移；若與排種盤垂直的慣性力分量大于種子自重在垂直排種盤方向的分量時種子將跳起來。如圖2.5 (a)中從位置B2到B3。 圖2.5 種子騰空時間與升移量的關系 如果種子騰空時間等于排種盤下降時間，則種子再與排種盤接觸時，就升移了一大步，如圖2.5 (a)所示，種子從B1到B4。如果種子騰空時間小于排種盤下降時間，則種子將過早的返回排種盤，隨排種盤一起下降，有如在排種盤上“進一步退兩步”，每次升移都很小，如圖2.5 (b)所示。如果種子騰空時間大于排種盤下降時間，則種子將過晚返回排種盤，跳的很高落得很近；甚至落回原位，沒有升移。如圖2.5 (c)所示。 2.2.2 種子的受力分析 圖2.6 種子的受力分析 種子在排種盤內的受力情況可以分為兩種狀態(tài)，一種是在電磁力減小到零的時候，一種是電磁力在增加到最大的時候。這兩種狀態(tài)的受力情況分別如圖2.6（a）、（b）所示。 其中：F——種子與螺旋軌道之間的摩擦力； m——種子的質量； g——重力加速度； N——螺旋軌道的反力； a——排種盤的加速度； α——螺旋軌道的升角（螺旋軌道與水平面夾角）； β——螺旋軌道的振動升角或種子的拋射角； 根據(jù)達蘭貝爾原理，作用在工件上沿螺旋槽方向的力，除摩擦力F和工件重量沿x方向的分量外，還有慣性力；而由于排種盤圓周速度不大，離心力對工件沿x方向運動的影響很小，可以忽略。 故種子在排種盤上的運動微分方程為： 式（2-1） 式(2-1)中 ——種子沿螺旋軌道相對移動的加速度。 為了確定種子的輸送條件，可以對排種盤作進一步分析，當彈簧長度和排種盤振幅之比值很大時，排種盤振動方向與彈簧垂直。設排種盤在此方向以角頻率和振幅A作簡諧振動，則在t時間，排種盤的位移s，速度v，加速度a分別為： ； ； 將加速度值帶入（2-1）式中，得： 式（2-2） 摩擦力F的方向取決于相對運動的方向，即當相對速度大于0時，F(xiàn)＝-N 當相對速度小于0時，F(xiàn)＝+N 式中 ——種子與螺旋軌道之間的摩擦系數(shù)。 由圖2-4可知： 式（2-3） 式(2-3)中“+”用于排種盤向前升移時，“－”用于排種盤向后降移時。將F值帶入(2-2)式并整理后，得： 式（2-4） 式(2-4)中兩括號內的正號用于種子向前升移時，負號用于種子向后降移時 。 2.2.3 種子的運動分析 種子在排種盤上的運動主要有兩種形式，即跳躍和滑移。下面就對這兩種運動形式的產生條件進行理論分析，如下： 1、產生跳躍的條件： 種子產生跳躍的情況發(fā)生在電流I>0時，螺旋槽在電磁力的吸引下，向左下方加速運動時，由于種子受慣性力作用而脫離螺旋槽，作瞬時微小的跳躍。 由于螺旋槽突然離開種子，向左下方運動，使得式（2-3）中的N0時，種子便產生騰空現(xiàn)象，此時式（2-3）可以改寫成： 式（2-5） 所以，種子產生跳躍的條件為： 式（2-6） 2、 產生滑移的條件： 排種盤振動時，與螺旋槽平行的慣性力分量大于靜摩擦力F以及種子重量在螺旋槽方向分量的代數(shù)和時，種子才有可能向前或向后滑移，故種子滑移的條件是： 式（2-7） 種子向后降移的條件是： 式（2-8） 種子向前升移的條件是： 式（2-9） 其中 由此可知，種子運動狀態(tài)主要取決于慣性力的大小，慣性力又取決于使種子獲得加速度的排種盤的振幅的大小。設螺旋槽沿x方向的最大振幅為 故螺旋槽的瞬時振幅為： 令、、分別表示種子向前、向后滑移和跳躍時，螺旋槽沿x方向所必須的振幅值，由式（2-6）、（2-8）、（2-9）得 式（2-10） 式（2-11） 式（2-12） 由以上分析可知，通過調整排種盤的振幅，可以得到種子的各種運動狀態(tài)。當然，對于設計者來說，追求的就是種子的連續(xù)向前升移。 2.2.4排種器主要參數(shù)設計 1.輸種速度的估算 種子在排種盤上運動的平均速度取決于排種盤的螺旋升角、振動升角、和種子的形狀、尺寸及二者之間的摩擦系數(shù)，還同電磁鐵的激振頻率f和螺旋槽方向振幅Ax的大小有關。 = 式中 ——排種盤的最大速度， k ——速度損失系數(shù)，種子沿螺旋槽滑移前進時，k＝0.6～0.7；種子沿螺旋槽跳躍前進時，k=0.8~0.82。 因此電磁振動排種器的輸種速度可由下式估算： 式（2-13） 式中 f——電磁鐵激振頻率； l——種子長度； ——充滿系數(shù)，形狀簡單而表面光滑的種子，＝0.7～0.9，復雜而又帶毛刺的種子，＝0.4～0.5。 2.振動升角β的選擇 由主振彈簧的安裝角及排種盤的升角確定，角的大小直接影響到種子的運動狀態(tài)。因此，角選擇應保證在其它條件相同的情況下，使種子沿排種盤前進的速度最大。根據(jù)$2.2.3中得到的種子滑移條件，令x＝，＝0°，對式（2-4）化簡，然后積分，得到種子速度與角的函數(shù)關系，再求速度對角的偏導數(shù)，并令其值等于零，經(jīng)計算得： 式(2-14) 其中，0——種子與排種盤之間的靜摩擦系數(shù) 一般當激振頻率f＝100HZ時，＝10～16°；激振頻率f＝50HZ時，＝20～25°。 經(jīng)過試驗測量得到，棉種與排種盤之間的靜摩擦系數(shù)0＝0.42，將其帶入式(2-14)中，得： ＝23° 3.排種盤螺旋升角α的選擇 由升程及中徑大小確定，太大則速度降低，甚至無法輸種：小些，輸種速度提高，但升程減小，一般?。?～3°，對摩擦系數(shù)大的種子，可適當?shù)娜〈笠稽c，?。?～5°。根據(jù)$3.2.2中的分析，種子向前滑移的條件為<,在極端情況下，令＝，由式（2-10）、（2-11），可得許可的最大排種盤傾角為： ， ——種子與排種盤之間的摩擦系數(shù) 式(2-15) 在實際設計時， 角應比 小些，即 k， k——可靠系數(shù)，一般取0.7～0.8 式(2-16) 經(jīng)過試驗測量得到，棉種與排種盤之間的動摩擦系數(shù)為=0.41，已求得＝23°，將以上數(shù)據(jù)帶入式（2-15）中，得 °)4.04° 取k＝0.75，由式（3-16）得：＝0.75×4.043° 2.2.5 排種盤基本結構尺寸 圖2.7 排種盤基本結構尺寸 排種盤的形式確定后，排種盤的基本結構尺寸主要取決于種子的形狀、尺寸、螺旋槽的整理要求，以及兩者之間的摩擦系數(shù)、輸種速度等因素。排種盤的基本結構尺寸如圖2.7所示。 如已知棉種尺寸為： lp——種子的長度； bp——種子的寬度； hp——種子的高度。 則排種盤的基本結構尺寸可由表1初步確定。為保證結構的設計能夠適應于大多數(shù)棉種，設計時依據(jù)較大尺寸的棉種為準。經(jīng)初步粗略測量，得到光籽棉種的幾何尺寸如下： lp=9.0mm， bp=5.0mm， hp=4.5mm 在$2.2.4中求得＝3°，取s＝3mm，e＝3mm，根據(jù)表1中計算公式，得出排種盤的基本結構參數(shù)為： t=1.6 hp+s=10.2mm 62mm B＝bp＋3＝8mm D外＝D中＋B＋2e＝76mm D內＝D中－B＝54mm H＝0.3 D外23mm 表2.1 排種盤基本尺寸計算公式 待定參數(shù) 參數(shù)計算公式及說明 螺旋槽間距t t=1.6 hp+s (mm) 或滿足：2 hp+s>t>1.5 hp+s 螺旋槽板厚度s 車制螺旋槽：s=3～5 (mm)，鈑金螺旋槽：s＝1～2 (mm) 排種盤中徑D中 (mm) 排種盤外徑D外 D外=D中+B+2e (mm) 螺旋槽寬度B B=bp+2～3 (mm) 排種盤壁厚度e 車制螺旋槽：e=3～5 (mm) ，鈑金螺旋槽：e＝1～2 (mm) 排種盤內徑D內 D內＝D中－B，一般D內＝（8～11）lp (mm) 排種盤高度H H＝（0.2～0.4）D外 (mm)，一般保證H＝（1.5～3）t 在實際工作中，為了避免頻繁的添加棉種，并保證種子更快更穩(wěn)定的從排種盤內輸出，種子在排種盤內的層數(shù)不易過多，所以排種盤的內徑要相對增大，在本課題設計中，選用的排種盤的中徑為200mm。 2.3.6 排種盤材料及尺寸確定 排種盤的材料應盡量選擇相對密度小且無磁性的材料，如有機玻璃、硬塑料、鋁、銅合金及奧氏體不銹鋼等。在本課題中排種盤采用的材料是不銹鋼合金。根據(jù)前面的計算結果，并綜合考慮到實際情況，設計得出排種盤的結構尺寸如表2所示。 表2.2 排種盤結構尺寸 傾角 振動升角 中徑 總高 出口高度 槽間距 螺旋槽寬 螺旋槽板厚 壁厚 3 23° 200 mm 80mm 66mm 25mm 8mm 3mm 3mm 2.3.7 彈簧常數(shù)的確定 在設計時，一般采用的彈簧組數(shù)為3組，彈簧片的傾角為20°～25°，也可以達到45°；彈簧片的寬度b=15~25mm；彈簧片的厚度h=2～3mm，一般取b：h＝10～20 ；彈簧片的安裝圓半徑r＝D中/2（D中——料斗中徑）；彈簧片的工作長度l＝r。 在計算時，一般是把支承彈簧按兩端完全緊固的梁來考慮的，認為工作時只有厚度方向的彎曲變形，這時其彈簧常數(shù)k的表達式為： k= 其中，E——材料的彈性模量， J——彈簧截面的慣性矩，J＝bh3/12。 選取彈簧厚度h＝2.2mm，寬度b＝22mm, 彈簧工作長度l＝100mm，則根據(jù)彈簧剛度計算公式 E——鋼的彈性模量，對于碳素彈簧鋼，E＝2.07Gpa 計算得出，k＝4.85N/m。 所以三條彈簧片的總剛度K＝14.55N/m。 2.3 分流回收裝置的設計 通過對平板式整苗盤排種器和分流式電磁振動排種器的結構的分析和綜合考慮，構思出了這樣一種方案是：沿排種盤出口的切線方向聯(lián)接上一套種子分流回收裝置，分流裝置通道的上面是一條槽，可以讓種子在其上流動，下面是一中間中空的方形薄壁管道，插進一塊可以抽動的帶有6個槽孔的活動板，通過設計各部分上孔的結構尺寸和相互位置關系，來實現(xiàn)進種和排種動作。經(jīng)過初步試驗驗證，這種結構能夠將種子進行分流，分別進入6個孔內，基本滿足設計的最初要求。分流回收裝置的基本結構示意圖如圖2.8所示。 在本套裝置中，由于圓弧形分流通道難以加工，且活動抽板的動作難以實現(xiàn)，所以分流通道4是做成直板形式的，分流通道與排種盤的連接如果過于直線化，會造成分流 通道的振動不一致，影響到種子的運動情況和進種效果，所以采用了圓弧過渡通道8，使得分流通道末端與排種盤之間的距離盡量減小，以保證分流通道的振動平穩(wěn)性。此外，為了保證分流通道各處的振動情況趨向一致，聯(lián)接分流通道和排種盤的兩塊聯(lián)接架9的長度要大致相等，它們的剛性要好，不能出現(xiàn)顫動現(xiàn)象，聯(lián)接架與排種盤之間的聯(lián)接采用螺栓聯(lián)接，可以通過調整定位螺栓5和聯(lián)接架之間的相互位置來改變分流通道的傾角的大小。 圖2.8 分流回收裝置結構示意圖 1.集種器 2.支撐架 3.傾斜滑道 4.分流通道 5.定位螺栓 6.排種盤 7.底盤 8.過渡圓弧通道 9.聯(lián)接架 10.擋種板 在實現(xiàn)了種子的分流的同時，還有一部分多余的種子沿著分流通道流過，需要對這部分多余的種子進行回收，為此設計了傾斜滑道3，多余的種子通過傾斜滑道滑落到集種器1內。為防止種子濺出分流通道，落到外面，在分流通道的兩側加設了擋種板10，被擠出分流通道的種子落到兩擋板與分流通道之間的空間，最終沿著傾斜滑道落入集種器內。 2.3.1分流通道的基本結構及動作過程 分流通道的結構如圖2.9所示。種子經(jīng)過排種盤出口進入分流通道的上槽內，沿著槽長度方向前進，分流通道上下兩個表面分別均勻分布6個與種子形狀大小相似的孔，并且兩表面上6個孔在水平面上的位置完全錯開，永不重合。下面方形管內部插進一塊可抽動的活動板，在板的長度方向上均勻設置成6個高度跟種子厚度相近的槽孔，孔的大小只允許一粒種子平躺在其中，所有的孔之間的距離都是相同的。 圖2.9 分流通道結構示意圖 分流通道的動作過程為：活動板在初始位置時，活動抽板上的6個孔與分流通道的上表面上的6個孔位置完全重合，種子在運動過程中落入各個種子槽中，實現(xiàn)進種動作；當6個槽中都有一粒種子時，電磁鐵通電，抽動活動抽板至極限位置，此時，活動抽板的6個孔與下表面的6個孔處于重合位置，種子通過下表面的6個孔落下，進入導種管，最后落入相應的6個缽盤中，完成了排種動作。 2.3.2 孔的設計 1.孔的形狀選擇 孔的設計應能很好的完成種子的進種和排種一整套工作過程，孔的形狀是根據(jù)所播種子的形狀、尺寸、表面狀態(tài)和所要求的穴粒而設計的。本課題研究的是光籽棉種的單粒精播，鑒于光籽棉種形狀的特殊性，可供選擇的孔的形狀有三種，即長方形孔、圓形孔和長圓形孔。由于棉種在排種盤上的運動是以長軸方向平躺在軌道中的，經(jīng)過大量的試驗驗證，方形孔和圓形孔出現(xiàn)卡種的現(xiàn)象比較嚴重，所以，擬定采用長圓形孔。 2.孔的尺寸確定 在對孔的尺寸設計上也經(jīng)過多次試驗，首先，進種孔的尺寸應以保證一次只能有一粒種子落入為準，種子與孔之間要留有一定的間隙，以保證種子的順利通過，并且種子能夠以最佳的狀態(tài)躺在孔內，如果孔過長或過寬，就會影響排種性能，容易出現(xiàn)多粒種子進入一個孔中，造成卡種或重播現(xiàn)象；但是如果孔過短或過窄，就會出現(xiàn)種子無法進入孔內或無法平躺在孔內的現(xiàn)象，會造成漏播或卡種現(xiàn)象。其次，排種孔應以能夠保證種子的順利排出為依據(jù)，所以排種孔的尺寸要適當?shù)拇笠恍? 在1千克魯棉研16號棉種中隨機的抽取100粒，測量棉種的尺寸，其長度和寬度分布曲線如圖2.10和圖2.11所示。 由圖2.10和圖2.11可以看出，棉種尺寸的分布范圍較廣，在設計孔的尺寸時，不好掌握，為了試驗時孔的尺寸能夠保證大部分的棉種順利進孔和排出，對棉種進行了一下篩選，將長度大于等于9mm和寬度大于等于5mm的棉種篩除。 圖2.10 種子長度分布曲線圖 圖2.11 種子寬度分布曲線圖 設進種孔的最大長度為l進，最大寬度為b進，棉種最大長度為l種，棉種最大寬度為b種，設排種孔的最大長度為l出，最大寬度為b出，孔的結構圖如圖2.12所示。 為保證棉種順利平穩(wěn)的進入孔內，并盡量避免卡種現(xiàn)象，進種孔尺寸是這樣來設計： l進＝l種＋0.1～0.6mm b進＝b種＋0.1～0.6mm 在設計孔的尺寸時，應該選擇尺寸較大的棉種為依據(jù)，所以，進種孔的尺寸設計為： 圖2.12 孔的結構尺寸圖 l進=9.0～9.5mm，b進=5.0～5.5mm。 為了保證棉種能夠順利及時的排出，在設計排種口尺寸時，應該適當?shù)姆艑挘梢园凑者@樣一個尺度來設計： l出＝l種＋1.0～2.0mm b出＝b種＋0.3～0.5mm 鑒于棉種尺寸對排種孔的尺寸影響不大，所以，為保證棉種順利的排出，排種孔的尺寸設計為： l出=11.0mm，b出=5.5mm。 2.3.3 電磁鐵和彈簧的選擇 在本裝置中，電磁體牽引中間活動抽板頻繁的作往復移動，活動抽板與外圍套筒之間的阻力并不大，為了保證復位準確，電磁鐵選MQ1-1.5N。 彈簧的主要功能是復位，所以彈簧的類型選用壓縮彈簧，復位彈簧的功能是在電磁鐵斷電后，使得活動抽板迅速復位到初始位置，受到的載荷不大，工作環(huán)境也非高溫，對彈簧的循環(huán)特性、工作持續(xù)時間等因素要求不是很高，彈簧的材料采用普通的碳素彈簧鋼。選取鋼絲直徑d＝1mm，節(jié)距t＝6mm，總圈數(shù)n＝8，中徑D＝12mm，則根據(jù)彈簧的剛度計算公式 式中，G——切變模量，對于碳素彈簧鋼絲，G＝81Gpa。 經(jīng)過計算，kp＝0.732N/m。如果電磁鐵采用MQ1-1.5N，其額定吸力為P＝15N，額定行程為x＝20mm，當彈簧的變形量為電磁鐵的額定行程時，其所需的牽引力為： ＝0.732=14.64N 與MQ1-1.5N型電磁鐵的額定吸力相當，滿足動作要求。 電磁鐵適用于兩種工作制：間斷長期工作制和反復短時工作制，在本系統(tǒng)里工作方式為反復短時工作制。電磁鐵系交流單相螺管式無罩結構；分拉動式和推動式兩種，該機構采用的是拉動式，線圈斷電后無復位裝置，所以還需加裝彈簧復位裝置。電磁鐵是由磁軛和銜鐵兩部分組成。在使用時將磁軛安裝在固定支架上，而將銜鐵連接在活動板上，當鐵芯線圈通電時銜鐵被吸合，帶動活動板動作。 電磁鐵的使用注意事項： （1）電磁鐵必須垂直安裝，在線圈電壓為85﹪額定值及行程為額定行程時，電磁鐵可靠的吸合而不讓其停留在中間位置。 （2）電磁鐵安裝前要用干凈的布將銜鐵與磁軛吸合面的污垢和防油脂擦凈。 （3）電磁鐵安裝時需注意它所連接的機構要保證銜鐵能安全吸入并有適當行程，否則當銜鐵磨損后，將會發(fā)生嗡嗡聲，甚至過熱而燒壞線圈。 （4）所選電磁鐵吸力最好與機構反作用力相近似，不可太懸殊，否則將降低其機械壽命。 2.4 缽盤輸送機構的設計 根據(jù)播種裝置的試驗要求，輸送機構必須在規(guī)定的時間內將缽盤送進一個缽盤間距，并且能夠與排種動作協(xié)調一致，實現(xiàn)準確的對缽播種。為此，必須設計一套輸送機構以實現(xiàn)缽盤的送進。輸送機構的基本組成部分有電機、電磁離合器、輸送帶等，它的基本結構示意圖如圖2.13所示。 在本套裝置中，電機的主要作用是驅動輸送帶，在規(guī)定的時間內將缽盤送進一定的距離，對電機的轉速要求不高，所以，選用的電機型號是：Y2-132M1-6，轉速為960轉/min，額定功率是4.0KW，額定電流9.80A，效率82﹪。 電機的頻繁啟動停止會影響到電機的工作性能，所以一般不直接控制電機的啟動與停止，而是通過控制電磁離合器的開與合來實現(xiàn)電機驅動機構的動作與否。選用的電磁離合器的型號是：DLM4-2.5, 動力矩2.5（?！?0m）， 空轉力矩0.025（N×10m），接通時間0.01s，斷開時間0.03s，額定電壓DC24V，線圈消耗功率17W，摩擦片需用相對轉速3500轉/min，無電刷、無滑環(huán)。 圖2.13 輸送機構總體示意圖 1.電機 2.電磁離合器 3.缽盤托盤 4.輸送帶 基本動作過程：當排種器完成了對一行缽盤的播種后，由控制系統(tǒng)發(fā)出一個信號給電磁離合器，電磁離合器通電閉合，電機通電，帶動輸送帶前行，輸送帶運轉一定時間，缽盤隨輸送帶前進一個缽盤間距；而后電磁離合器失電，輸送帶停止運轉。電機運轉的時間可以通過程序中的時間參數(shù)來控制，以保證與排種動作相協(xié)調。 2.5機架的設計 由于試驗是在試驗室進行，所以首先需要設計機架，再在其上安裝電磁振動排種裝置、缽盤輸送裝置和控制裝置部分。機架部分的簡單示意圖如圖2.14。 根據(jù)試驗室條件和缽苗盤的結構，機架整體尺寸為1200×600，為了安裝電磁振動排種器，采用了固定鋼板（＝6mm），尺寸為 30×30，考慮到該試驗裝置的負荷并不大，機架的基本框架可用40mm角鋼制作。在機架上表面鋪設皮帶，皮帶的寬度為500mm，在機架的兩端分別固定一根皮帶軸。為固定缽盤的位置，在機架上對稱的安置兩根鋼板導軌，鋼板采用30mm角鋼。從試驗要求的角度來分析，控制電路主要對排種裝置的三 個過程：排種盤振動、分流裝置動作、缽盤輸送裝置前進進行控制，為了簡化試驗裝置，在本課題中并沒有對機架進行控制。 圖2.14 機架基本結構示意圖 2.6 其它附屬設備 1、導種管 ：導種管的型式有很多，可采用金屬、橡膠或塑料制成，在本課題中選用塑料導種管。 2、輸送帶：在本設計中采用的輸送裝置是輸送帶，要求不高，選用普通的平帶就可以滿足設計的要求。 3、集種器： 集種器的主要作用是收集多余的種子，對其形狀尺寸沒有什么嚴格的要求，為簡單起便，選用一個上方敞口的方形盒。 第3章 結 論 本課題利用電磁振動播種理論知識，設計出了一套電磁振動式棉花精密播種裝置，并配有相應的控制裝置，實現(xiàn)了光籽棉種的單粒精密播種。該播種裝置利用電磁振動排種器實現(xiàn)了棉種的單列有序排列，排列有序的棉種經(jīng)過排種盤的出口，進入分流通道中，由分流裝置完成單粒精密排種，通過控制分流通道上孔的數(shù)量來實現(xiàn)同時對多個缽的排種；完成排種動作后，由輸送帶帶動缽盤前進，所有機構的動作由PLC通過編程控制，播種質量比較理想，得出以下結論： 1、運用機械振動和電磁振動理論知識，對電磁振動排種器的工作原理進行了分析；通過力學分析，得出了種子各種運動形式的產生條件，在保證棉種連續(xù)平穩(wěn)的快速前移的前提下，通過理論分析，設計計算出了電磁振動式棉花精密排種器主要設計參數(shù)。電磁振動排種器的工作性能較為理想，可以實現(xiàn)棉種在其內部的單列有序排列，棉種能夠沿著螺旋軌道快速平穩(wěn)的前進。 2、根據(jù)光籽棉種的形狀和結構尺寸，設計了分流通道，通過對分流通道上進種孔的形狀尺寸設計，保證了棉種的單粒進孔；根據(jù)電磁振動理論和實際設計條件，并經(jīng)過大量的試驗分析，確定了分流通道的安放方式和位置，基本保證了種子在分流通道上的平穩(wěn)運動和順利進孔。 3、選用電磁鐵帶動活動抽板的往復動作，基本能夠滿足動作要求，通過活動抽板的往復動作，實現(xiàn)了進種、排種動作過程。 結束語 近三個月的畢業(yè)設計即將結束，在這段時間里我學到了很多課堂上學不到的東西。它不但增強了我的實際動手操作能力，而且使我學會了如何把現(xiàn)實中的東西和自己所學的理論聯(lián)系起來?，F(xiàn)在我已能用自己所學的知識來分析和解決生活中的一些簡單的機械設計工作原理和制造方法。 畢業(yè)設計是我們在大學里所學到的最后一門重要課程，是對我們大學四年學習的全部課程的一次綜合性檢測。它不但使我們有了一次復習過去所學課程的機會，而且更重要的是它把我們所學的各門課程都穿插起來，組成了一個整體，使我們對所學知識有了一個綜合性、整體性的認識，加深對所學專業(yè)的了解。 畢業(yè)設計是我第一次自己獨立的運用所學知識設計機器零件，使我對設計工作有了一個大體的了解。當我成功的設計出一個零件并且經(jīng)過檢驗后正確無誤，那種滋味真讓人興奮。當然也有苦惱的時候，如果對某個零件經(jīng)過多次設計、計算后仍然需要改進，或者是需要從頭開始重新計算設計時，也是非常痛苦的。從某種意義上說，畢業(yè)設計錘煉了我的意志，使我戒驕戒躁，勝利不驕傲，失敗不氣餒，始終以平靜的心態(tài)去面對生活中的任何事情，為我今后的學習、工作打下一個良好的基礎。 本次畢業(yè)設計除了對所學知識的復習、鞏固、提高和更新外，還使我學到了一些道理。設計工作與別的工作不同，在工作時必須養(yǎng)成扎扎實實和一絲不茍的工作作風。以計算為例，如果其中的一個零件計算錯誤而又不去改的話，這個數(shù)據(jù)可能影響到機器的某種工作特性，嚴重時可能還會對企業(yè)經(jīng)濟造成影響。所以說在設計工作中要養(yǎng)成一個好的工作習慣。 總之，這次畢業(yè)設計給我上了人生中完美的一課，為我接下來的工作打下了一個良好的基礎。我會以積極的心態(tài)去面對以后的人生。 限于本人的知識水平，本次設計難免會有很多錯誤，敬請各位領導、老師指正。 參考文獻 [1]吐魯洪，帕合爾鼎，米爾沙提.探討我區(qū)棉花精密播種技術存在的問題及對策[J].農機化，1999, (3): 18-19. 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