高翔宇，全偉，孫松林*，肖名濤

(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)

缽盤苗移栽機分為半自動移栽機和全自動移栽機[1–3]。全自動缽盤苗移栽機主要由取苗機構(gòu)和栽植機構(gòu)組成。取苗機構(gòu)將穴盤苗從空穴中夾取出來并喂入到栽植機構(gòu)[4–6]。筆者針對2Y–2 型半自動缽盤苗移栽機設(shè)計了一種新型的扇形齒輪式取苗機構(gòu)，以期實現(xiàn)自動取苗。由于該機構(gòu)的主要運動形式為箱體繞軸的回轉(zhuǎn)運動，通過溝槽凸輪的輪轂形狀來控制扇形齒輪的擺動，而扇形齒輪的擺動直接關(guān)系到伸縮式苗夾末端的軌跡形態(tài)，因此，溝槽凸輪的形狀設(shè)計是實現(xiàn)取苗機構(gòu)精確取苗投苗的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。運用解析法對凸輪的中心距、擺桿長度和極半徑等參數(shù)進(jìn)行設(shè)計，并對取苗機構(gòu)進(jìn)行了仿真試驗。

1 取苗機構(gòu)的工作原理

取苗機構(gòu)主要由機架、溝槽凸輪、箱體、銷釘、扇形齒輪、轉(zhuǎn)動軸、從動齒輪、伸縮式苗夾和動力輸入軸組成，如圖1 所示。

圖1 取苗機構(gòu)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structural diagram of the seedling pick-up mechanism

輸入軸通過方形凸臺和法蘭與箱體固聯(lián)在一起。在輸入軸轉(zhuǎn)動的同時帶動箱體轉(zhuǎn)動。箱體內(nèi)安裝有扇形齒輪和與之嚙合的配合齒輪。扇形齒輪的另一端安裝有銷子，卡在溝槽凸輪內(nèi)。溝槽凸輪通過螺栓與機架固結(jié)，配合齒輪與苗夾通過中間軸連接，帶動整個苗夾的擺動。苗夾采用伸縮式苗夾，通過拉桿控制苗夾的張合。拉桿的另一端安裝有滾柱，與箱體外側(cè)的溝槽配合，用來控制苗夾的張合時間。箱體通過輸入軸作圓周運動，而苗夾的支點在箱體上。苗夾支點在作繞輸入軸的勻速圓周運動的同時，通過扇形齒輪控制其擺動，實現(xiàn)類似“6”字形的取苗軌跡。

2 溝槽凸輪的解析法設(shè)計

試驗苗盤采用煙草通用式苗盤。由于苗盤是泡沫硬式苗盤，取苗時需保證苗盤不與下方的栽植機構(gòu)發(fā)生干涉，苗盤安裝角度應(yīng)大于45°[7]，否則下移的苗盤將干涉栽植機構(gòu)的運行。

苗盤的苗腔為倒錐形結(jié)構(gòu)，上方為28 mm×28 mm 的正方形，下端為18 mm×18 mm 的正方形，深50 mm。在兼顧機構(gòu)尺寸的同時要保證取苗軌跡的準(zhǔn)確性，應(yīng)選擇較大的傳動比齒輪，以保證苗夾在繞軸轉(zhuǎn)動中能順利取苗，以免碰撞苗腔?，F(xiàn)有國標(biāo)最小齒輪為10 齒，結(jié)構(gòu)較小，強度差，不利于中間軸的安裝固定。綜合考慮整個機構(gòu)尺寸，選用88 齒的扇形齒輪，11 齒的配合齒輪。傳動比為8∶1。

凸輪機構(gòu)屬于擺動從動件凸輪機構(gòu)，對生產(chǎn)制造精度要求較高，普通作圖法難以完成。根據(jù)擺動從動件運動規(guī)律，運用極坐標(biāo)公式，在Excel 中導(dǎo)入數(shù)據(jù)，再在CAD、Pro/E 中生成凸輪外形，可以較精確地設(shè)計凸輪，達(dá)到所需技術(shù)要求。

根據(jù)取苗的設(shè)計要求，確定凸輪的位移曲線,如圖2 所示。根據(jù)扇形齒輪的傳動比為8∶1，苗夾擺動角度約為180°，確定凸輪升程為23°。選用余弦角速度運動規(guī)律，雖有柔性沖擊但無剛性沖擊，適合中速中載的場合，確定推程運動角為160°，遠(yuǎn)休止角50°，回程運動角90°，近休止角60°。

圖2 凸輪位移曲線Fig.2 Displacement curve of the cam

采用反轉(zhuǎn)法[8]設(shè)計凸輪形狀。運用余弦定理，可得極半徑[9]：

式中：h 為轉(zhuǎn)動中心到凸輪中心的距離； L為擺桿長度；ψ0為擺桿夾角；ψi為扇形齒輪擺動角度。擺桿長度L 和中心距d 的計算參照文獻(xiàn)[10–11]。

根據(jù)角度與弧度的換算方法，分別在Excel 表中輸入A 列(θ 轉(zhuǎn)角)、B 列(ψi)、C 列(ψ0+ψi對應(yīng)的弧度)、D 列(ri)、E 列(凸輪壓力角α)。θ 為輸入軸帶動箱體轉(zhuǎn)過的角度，θ=ω·t。ω 根據(jù)栽植機構(gòu)的工作效率來確定，ω=(η/3 600)·2π，機構(gòu)設(shè)計為轉(zhuǎn)1 圈取苗1 次，其中η 為栽植機構(gòu)的工作效率(株/h)，t為時間。凸輪壓力角的計算公式為：

結(jié)果如表1 所示。

表1 凸輪的設(shè)計參數(shù)Table 1 Parametric design for the cam

經(jīng)計算，擺桿長度為46 mm，中心距51 mm。由于擺動從動件凸輪許用壓力角的最大推程范圍為40°～45°，回程范圍為70°～80°[12]，因而本研究滿足設(shè)計要求，其中負(fù)值代表與擺桿的運動反向的夾角方向不同。

3 溝槽凸輪驗證試驗

3.1 試驗材料

由湖南省植物保護(hù)研究所提供的三生煙，苗齡約4 周，平均苗高19.3 mm。煙草缽盤苗尺寸670 mm×340 mm，長度方向上20 個苗腔，寬度方向上10 個苗腔，共200 個苗腔。

圖3 樣機作業(yè)情況Fig.3 Model mechanism under working

3.2 試驗方法

將穴盤安裝在可調(diào)式試驗臺上。試驗臺的支撐板和底板通過鉸鏈連接，可調(diào)節(jié)苗盤安裝傾角。通過固定實驗臺的位置，可調(diào)節(jié)取苗點與苗腔的橫向尺寸。

檢測取苗機構(gòu)苗夾在取苗時是否和苗腔發(fā)生碰撞，取苗軌跡是否與苗盤發(fā)生干涉。選取入苗深度、安裝角度、基質(zhì)含水率和取苗轉(zhuǎn)速進(jìn)行4 因素3 水平L9(34)正交試驗[10](表2)，考察4 因素對基質(zhì)脫落量、斷根總長度和漏苗率的影響[11]。

表2 正交試驗因素Table 2 Factors and levels for the orthogonal test

經(jīng)測試，樣機動作平穩(wěn)流暢，無機構(gòu)干涉，協(xié)調(diào)性能良好。苗夾在取苗時與苗腔無碰撞，同時苗夾在運苗時與已取苗盤無干涉。

正交試驗結(jié)果(表3)表明，影響基質(zhì)脫落量大小的因素依次為取苗轉(zhuǎn)速、安裝角度、基質(zhì)含水率、入苗深度；影響斷根總長度大小的因素依次為安裝角度、基質(zhì)含水率、入苗深度、取苗轉(zhuǎn)速；影響漏苗率大小的因素依次為入苗深度、基質(zhì)含水率、取苗轉(zhuǎn)速、安裝角度。根據(jù)各指標(biāo)不同水平的平均值確定各因素的優(yōu)化水平組合，結(jié)果，基質(zhì)脫落量的最優(yōu)組合為A2B2C3D1，斷根總長度最優(yōu)組合為A1B2C1D1，漏苗率最優(yōu)組合為A2B2C2D3。根據(jù)因素的影響主次順序，確定最優(yōu)組合為A2B2C2D1。但是此優(yōu)化組合不在9 次試驗當(dāng)中，需要追加試驗加以驗證。通過試驗，得出基質(zhì)脫落量為1.58 g，斷根總長度18 mm，漏苗率7%，比正交試驗方案更優(yōu)，即入苗深度為34 mm，安裝角度為75°，基質(zhì)含水率為22%，轉(zhuǎn)速為18 r/min。

表3 正交試驗結(jié)果Table 3 Result of the orthogonal test

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