千粒质量是种子优良品种选育和品质分析中重要的评价指标,其测定时需先对籽粒进行计数。传统分步测定的方法为人工数,再称量,费时,费事,费力,效率低且误差大。目前,国内外市场上有多款基于电磁振动的数粒仪,能够实现多通道精确计数和自动装袋等,有些还配有红外检测灵敏度调节器和数据传输接口[1-4],但由于成本高,未能获得广泛推广。基于图像处理技术的数粒仪成本高,测定时间长[5],并且是静态测定,满足不了实际需求。本文在建立的数学模型的基础上,设计了基于离心力原理的离心式农作物籽粒均布器,它是一种能对长宽尺寸差别不大的农作物种子(如玉米、大豆)进行自动数粒的电子测量仪器。
本设计的预期目标是研制出成本低、计数可调、准确可靠和能够满足实际需要的籽粒数粒仪器。
1 硬件设计
1.1 设计思路
离心式籽粒均布器是千粒质量测试仪的重要组成部分,它包括离心盘和计数传感器。离心盘结构如图1所示。设计思想为:在离心力足够大的情况下,通过辅助机构与籽粒自身重力,籽粒能够实现有序排列。在技术实现上要解决两个问题:一是满足籽粒的力学条件,即离心力方向上的合力方向与其相同;二是满足籽粒的通过性条件。
1.1.1 籽粒受力分析
籽粒在离心盘籽粒通道水平段受力如图2所示。F为离心力,f1和f2为滑动摩擦力,N为切线方向上静摩擦力,T为籽粒通道侧壁支持力。其中,N与T是一对平衡力。要实现籽粒沿径向运动必须满足F>f1+f2,此为实现籽粒能在离心盘上运动的力学条件。
1.1.2 籽粒通过性分析
离心盘结构参数在满足力学条件下,籽粒仅仅能够实现在离心盘上的直线运动。若使得籽粒顺利出仓,还必须满足通过性条件。籽粒的通过性分析如图3所示,D为籽粒的当量直径,H为仓口的有效宽度。设籽粒由籽粒通道完全运动至垂直通道所用的时间为t1,离心盘转过出仓口所用的时间为t2,为保证籽粒通道转向出仓口时通道中的籽粒能够顺利通过,须满足t1<t2,此为离心盘结构应满足的籽粒通过性条件。此外,为靠自身重力解决籽粒累积,必须避免自锁现象,即F2>f。其中,F1和F2是籽粒重力G在垂直和平行于斜面的分力,f是斜面方向上的摩擦力。籽粒通道的宽度h还应满足D<h<2D。
1.1.3 结构参数的确定
由离心盘结构参数须满足的籽粒受力条件、通过性条件和出仓口有效宽度须大于籽粒的当量直径的条件(即H>D),联立得方程组为
F <f1+f2
F -(f1+f2) =ma
H >D
t1< t2
F2>f
将各式子代入方程组得
H >D
mRX2>fsmg+fs2mg
mRX2-(1+fs)fsmg =ma
2D /[RX2-(1+fs)fsg] <H2/(RX)2
mgsinH>fsmgcosH
式中
X)离心盘转速;
m)单颗籽粒质量;
a)籽粒径向加速度;
fs)摩擦系数;
H)锥形籽粒分形器与盘面夹角。
解方程组得
H >D
RX2> (1+fs)fsg
H2-2DR >0
(H2-2DR) /H2> (1+fs)fsg/(RX2)
H>arctanfs
满足式(1)至式(5)的离心盘结构参数,即可实现均布器。假设籽粒的当量直径D=8mm,离心盘的半径R=10cm,已知fs[0. 5[6]。将上述参数代入方程组得:X\14. 3,H>4cm,H>26. 6b。上述结构参数可满足籽粒的受力和通过性条件,该数学模型可用。
1. 2 硬件设计
在上述理论分析的基础上,依据设计思路)离心原理,本文设计出了千粒质量测试仪的均布器。
1. 3 工作原理
通过水分传感器下方的锥形漏斗,种子落至离心器的离心盘上,分形器将籽粒分至籽粒通道的入口处。在离心力的作用下,种子沿着离心通道(即离心盘半径方向)运动。为了保证种子的均布性,离心盘上的种子通道应尽量少,但又需要保证效率。因此,本离心器盘面上均布了3个通道(即间隔120b),并且在每个籽粒通道上配置一把小毛刷,以防止籽粒在通道中叠加。在籽粒通过出仓口时,计数器开始计数,当最后一粒种子通过时,衔铁关闭出仓口,使种子停止下落和出仓,同时电机停车。
推荐仪器：种子数粒仪、真空数种置床仪、真空数粒置种仪
文章来源：种子仪器网
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