全偉，孫松林,2*，肖名濤,2，李軍政,2，高翔宇,2，羅江河,2

(1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，湖南 長沙 410128；2.湖南省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備工程技術(shù)研究中心，湖南 長沙 410128)

穴盤苗自動移栽機苗盤回收機構(gòu)設(shè)計與試驗

全偉1，孫松林1,2*，肖名濤1,2，李軍政1,2，高翔宇1,2，羅江河1,2

(1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，湖南 長沙 410128；2.湖南省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備工程技術(shù)研究中心，湖南 長沙 410128)

為實現(xiàn)穴盤苗移栽全自動化，在自制的穴盤苗自動移栽機上設(shè)計了苗盤自動回收機構(gòu)。該機構(gòu)主要由輸送帶、托舉凸輪、限位塊和集盤架組成。取苗完成后的苗盤以一定的傾角下落至輸送帶上，再輸送至集盤架下方，由托舉凸輪托舉苗盤至集盤架內(nèi)的限位塊上，以完成自動回收。苗盤的下落傾角β、托舉凸輪的輪廓半徑R和轉(zhuǎn)速n是實現(xiàn)苗盤自動回收的主要影響因素。單因素試驗結(jié)果表明，苗盤下落傾角β為55°～65°，托舉凸輪的輪廓半徑R為120～160 mm，托舉凸輪轉(zhuǎn)速為30～120 r/min，可實現(xiàn)苗盤自動回收。多因素正交試驗結(jié)果表明，苗盤的下落傾角β為60°，托舉凸輪輪廓半徑R為140 mm，凸輪轉(zhuǎn)速n為30 r/min，是實現(xiàn)苗盤的自動回收較佳組合。關(guān) 鍵 詞：自動移栽機；回收機構(gòu)；穴盤苗；自動回收

近年來，穴盤苗機械化自動移栽技術(shù)已廣泛應(yīng)用于煙草、油菜、棉花、蔬菜等作物的生產(chǎn)中[1–3]，大大緩解了農(nóng)村勞動力不足的問題，但現(xiàn)有穴盤苗移栽機的苗盤回收均需手工完成[4–7]。為減輕勞動強度，提高生產(chǎn)效率，筆者在自制的穴盤苗自動移栽機(由送苗機構(gòu)、取喂苗機構(gòu)和栽植覆土機構(gòu)組成)上設(shè)計了苗盤自動回收機構(gòu)，實現(xiàn)苗盤下落后由輸送帶輸送，再由挺舉凸輪托舉至集盤架內(nèi)的收集過程。該機構(gòu)主要由輸送帶、托舉凸輪、活動限位塊和集盤架組成，安裝于取喂苗機構(gòu)一側(cè)(左右均可)，其輸送帶置于取喂苗機構(gòu)苗盤正下方。苗盤下落傾角、托舉凸輪轉(zhuǎn)速和托舉凸輪輪廓半徑為苗盤回收機構(gòu)的主要設(shè)計參數(shù)。為了使苗盤自動回收機構(gòu)與現(xiàn)有機型參數(shù)匹配，進行了單因素和多因素試驗，得到了苗盤下落至輸送帶時與輸送帶的最佳傾角，以及托舉凸輪輪廓半徑和托舉凸輪轉(zhuǎn)速的最佳組合，以期為該類型穴盤苗回收機構(gòu)的設(shè)計和參數(shù)選擇提供依據(jù)。

1 苗盤回收機構(gòu)的結(jié)構(gòu)和工作原理

苗盤回收機構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖1所示。主要由集盤架、輸送帶、主(從)動滾筒、電機(Ⅰ、Ⅱ)、齒輪、托舉凸輪及活動限位塊組成。苗盤取苗完成后，送苗機構(gòu)控制苗盤以一定的傾角下落，當苗盤落在輸送帶上時，電機Ⅱ工作。當輸送帶將苗盤輸送到集盤架正下方時，程序控制電機Ⅱ停止工作，電機Ⅰ啟動(電機均使用5IK120AC調(diào)速電機)，并驅(qū)動4個齒輪帶動 4個托舉凸輪分別作順時針和逆時針旋轉(zhuǎn)(齒輪和托舉凸輪均安裝在集盤架的2根軸上)。當托舉凸輪托舉苗盤向上運動直至接觸限位塊時，苗盤頂開活動限位塊繼續(xù)向上運動(A–A為限位塊的局部放大圖，限位塊通過鉸鏈固定在集盤架內(nèi)壁上)，當苗盤離開限位塊時，限位塊在復(fù)位彈簧的作用下復(fù)位，隨后苗盤下落到限位塊上，從而實現(xiàn)苗盤的收集。

圖1 苗盤回收機構(gòu)的結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of the seedling tray recovery mechanism

2 機構(gòu)設(shè)計

2.1 集盤架結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定

苗盤是常用的漂浮育苗苗盤和缽苗苗盤，規(guī)格分別為670 mm×340 mm ×55 mm(20×10穴)和530 mm×280 mm×45 mm(16 ×8穴)。要實現(xiàn)苗盤自動回收，苗盤回收機構(gòu)需與送苗機構(gòu)配合，根據(jù)苗盤的規(guī)格，設(shè)計集盤架長700 mm，寬410 mm，高500 mm，長度方向壁厚5 mm，寬度方向壁厚10 mm。

2.2 輸送帶速度的確定

根據(jù)自制移栽機的結(jié)構(gòu)尺寸和苗盤大小，選取輸送帶長1 700 mm，寬380 mm；送苗機構(gòu)的最快送苗速度為60株/min[8–9]；送苗機構(gòu)送完1個苗盤最短時間為128 s，最長時間為200 s。為了保證回收機構(gòu)整齊有序回收苗盤，在第2個苗盤落下時，回收機構(gòu)輸送帶上的第1個苗盤的位移必須大于或等于苗盤本身的長度，否則，2個苗盤將會在輸送帶上發(fā)生疊加，故輸送帶的速度V≥L/t= 4.14 mm/s(式中：L為苗盤長度，t為送苗機構(gòu)完成1個苗盤輸送所需時間)。根據(jù)設(shè)計經(jīng)驗，為防止輸送帶發(fā)生跑偏現(xiàn)象，選取V=35 mm/s[10]。

2.3 托舉凸輪的設(shè)計

托舉凸輪是回收機構(gòu)的關(guān)鍵零件。凸輪的輪廓半徑是主要設(shè)計參數(shù)。圖2所示為苗盤在集盤架內(nèi)的運動位置關(guān)系。托舉凸輪與苗盤在起始位置接觸，推程過程中苗盤到達最高位置，回程過程中苗盤回落到限位塊上。根據(jù)分析，苗盤起始位置與最高位置之間的距離等于限位塊長度L，故凸輪的輪廓半徑R必須大于或等于限位塊的安裝高度H與限位塊的長度L之和(測量H=68 mm)。為適應(yīng)所回收的 2種苗盤的長度，取限位塊長度 70 mm，寬度30 mm，厚度5 mm。根據(jù)苗盤的厚度尺寸，確定限位塊距輸送帶55 mm。

圖2 托舉過程中苗盤的運動位置Fig. 2 Motion of seedling tray during seedling lifting process

根據(jù)設(shè)計經(jīng)驗[13]，推程時凸輪的運動角δ1取值為6°～90°，回程時的運動角δ2取值為90°～145°。圖3為苗盤的位移S、速度v和加速度a隨時間t變化的規(guī)律[11]。

圖3 苗盤運動規(guī)律Fig.3 Characteristics of motion of seedling

根據(jù)苗盤的運動規(guī)律，由圖解法[11–12]得出，托舉凸輪的輪廓半徑R=140 mm。

3 回收試驗

試驗在湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院農(nóng)業(yè)工程中心進行。

3.1 試驗設(shè)計

確定輸送帶速度V=35 mm/s，選取苗盤下落傾角β、凸輪輪廓半徑R、凸輪轉(zhuǎn)速n進行單因素和多因素正交試驗。以苗盤下落至輸送帶上時，苗盤中心位置與輸送帶中心位置的偏差 sΔ 、苗盤的位移S為評價指標(sΔ 越小，輸送效果越好；S等于限位塊距輸送帶的距離與限位塊的厚度之和時，即S=60 mm時，苗盤落在限位塊上，收集成功)。

3.2 單因素試驗

1) 保持凸輪輪廓半徑為140 mm，凸輪轉(zhuǎn)速120 r/min，根據(jù)不同類型的取苗機構(gòu)對苗盤傾角的要求，調(diào)節(jié)苗盤下落傾角的范圍為 50°≤β≤80°[15]，測試苗盤能否落在輸送帶上(根據(jù)苗盤和輸送帶的尺寸可知，當 sΔ≤25 mm時，苗盤能落到輸送帶上)。由于受試驗設(shè)備的限制，采取每間隔 5°做 1次試驗，每組試驗進行 3次，取 sΔ 的平均值，記錄不同下落傾角的 sΔ 值。

2) 保持苗盤下落傾角為 60°，凸輪轉(zhuǎn)速為 120 r/min，取凸輪輪廓半徑分別為100、120、140、160 mm，每組試驗重復(fù)3次，記錄苗盤位移S的平均值。

3) 保持凸輪輪廓半徑為140 mm，苗盤下落傾角為60°，取凸輪轉(zhuǎn)速分別為30、60、120、180 r/min進行試驗，每組試驗重復(fù)3次，記錄苗盤位移S的平均值。

3.3 正交試驗

根據(jù)單因素試驗結(jié)果，選擇苗盤下落傾角、凸輪輪廓半徑、凸輪轉(zhuǎn)速進行L9(34)正交試驗(表1)。每組試驗重復(fù)3次。

表1 試驗因素及水平Table 1 Test factors and levels

4 結(jié)果與分析

4.1 苗盤下落傾角對試驗指標的影響

當傾角為55°、60°、65°時， sΔ均小于25 mm，表明苗盤落在輸送帶上，正常輸送；當傾角為50°、70°、75°、80°時， sΔ 大于25 mm，苗盤在輸送過程中與機架發(fā)生碰撞，輸送失敗。苗盤下落傾角選取55°～65°為宜。

4.2 凸輪輪廓半徑對試驗指標的影響

當凸輪輪廓半徑為100 mm時，苗盤的位移S=0，表示苗盤未落在限位塊上，試驗不成功；當凸輪輪廓半徑為120、140、160 mm時，苗盤的位移S=60 mm，苗盤落在限位塊上，滿足設(shè)計要求，試驗成功。凸輪輪廓半徑選取120～160 mm。

4.3 凸輪轉(zhuǎn)速對試驗指標的影響

當凸輪轉(zhuǎn)速為30、60、120 r/min時，苗盤的位移S=60 mm，表示苗盤落在限位塊上，試驗成功；當凸輪轉(zhuǎn)速為 180 r/min時，苗盤最終位移 S=78 mm，由于凸輪轉(zhuǎn)速過大，苗盤卡在集盤架內(nèi)，試驗不成功。凸輪輪廓半徑選取120～160 mm。

4.4 正交試驗結(jié)果

采用極差分析法[14–15]，對正交試驗結(jié)果(表2)進行分析。結(jié)果表明，凸輪輪廓半徑對試驗指標影響較大，為重要因素，其次是凸輪轉(zhuǎn)速和苗盤下落傾角。通過分析對比，最優(yōu)組合為A2B1C2。此組合在試驗中出現(xiàn)，故確定最優(yōu)方案為凸輪輪廓半徑140 mm，凸輪轉(zhuǎn)速30 r/min，苗盤下落傾角60°。

表2 苗盤上升位移正交試驗結(jié)果Table 2 The orthogonal results for displacement caused by seedling tray lifting

5 小 結(jié)

當苗盤下落傾角β為55°、60°、65°時，苗盤能成功被輸送至集盤架內(nèi)；當凸輪輪廓半徑為 120 mm，凸輪轉(zhuǎn)速≥120 r/min時，苗盤被成功回收；當輪廓半徑為140、160 mm時，3種轉(zhuǎn)速下苗盤均能回收成功。

正交試驗結(jié)果表明：苗盤下落傾角、托舉凸輪輪廓半徑、凸輪轉(zhuǎn)速均能對苗盤回收成功與否產(chǎn)生影響，凸輪輪廓半徑為主要影響因素。最優(yōu)的參數(shù)組合：凸輪輪廓半徑140 mm；凸輪轉(zhuǎn)速30 r/min；苗盤下落傾角60°。

在移栽機與回收機構(gòu)之間未設(shè)置加固裝置，試驗過程中，機架的振動在一定程度上干擾了試驗結(jié)果，有待改進。

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責(zé)任編輯：羅慧敏

英文編輯：羅 維

Design and test of seedling tray recovery mechanism for transplanting machine of hole tray seedlings

QUAN Wei1, SUN Song-lin1,2*, XIAO Ming-tao1,2, LI Jun-zheng1,2, GAO Xiang-yu1,2, LUO Jiang-he1,2
(1.College of Engineering, Hunan Agricultural University, Changsha 410128, China; 2. Hunan Provincial Engineering Technology Research Center for Modern Agricultural Equipment, Changsha 410128, China)

To realize the full automation of seedling transplanting, the automatic recovery mechanism of seedling tray was designed based on the homemade seedling transplanting machine. The mechanism is mainly composed of a conveyer belt, lifting cam, a limit block and a set of plate frame. The seedling tray fell to the conveyer belt in a certain angle after the seedling was recovered, then transported to the plate frame by the conveyer belt, and finally lifted to the limit block that is in the plate frame to complete the automatic recovery which was mainly influenced by the falling angle of seedling tray β, the radius of lift cam R and the speed of revolution n. Through single factor test seedling plate falling angle β of 55°–65°, cam profile radius of lifting R of 120–160 mm, and the cam speed n of 30–120 r/min were obtained. Through multi factor orthogonal test the best combination with seedling plate falling angle β being 60°, cam profile radius of lifting R being 140 mm, and cam speed n being 30 r/min was obtained.

automatic transplanting machine; recovery mechanism; the hole tray seedling; automatic recovery

S223.9

A

1007?1032(2014)03?0330?04

10.13331/j.cnki.jhau.2014.03.021

投稿網(wǎng)址：http://www.hunau.net/qks

2013–12–31

國家科技支撐計劃項目(2011BAD20B08)

全偉(1987—)，男，湖南常德人，碩士研究生，主要從事農(nóng)業(yè)機械設(shè)計研究，110592074@qq.com；*通信作者，hnndssl@163.com