劉凱強,曹衛(wèi)彬,連國黨,李 華,趙宏政
(石河子大學 機械電氣工程學院,新疆 石河子 832000)
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穴盤苗自動移栽機苗盤輸送裝置的設計研究
劉凱強,曹衛(wèi)彬,連國黨,李華,趙宏政
(石河子大學 機械電氣工程學院,新疆 石河子832000)
摘要:針對國內大田移栽中多數采用半自動移栽,主要由人工完成投苗工作及機械完成栽植工作,存在勞動強度大、效率低、移栽質量差等問題,對自動移栽機的苗盤輸送裝置進行了設計與研究。同時,設計了橫向和縱向進給控制機構,確定了關鍵部件應該滿足的技術參數,并進行了三維實體建模分析,驗證設計的合理性。結果表明,該裝置可滿足移栽機苗盤自動輸送的要求。
關鍵詞:自動移栽機;苗盤輸送裝置;取苗機構
0引言
穴盤苗移栽是近年才逐漸興起的種植新技術,具有縮短生育期、提早成熟及提高經濟作物單產等特點,推廣前景廣闊。目前,國內廣泛使用的旱地移栽機主要有5種形式:鉗夾式、鏈夾式、導苗管式、撓性圓盤式和吊杯式[1-2]。這些都是半自動化移栽機,需要人工投苗,栽植由機械來完成。人工投苗勞動強度大、效率低、移栽質量差,嚴重制約穴盤苗移栽技術的進一步推廣應用。一些國家已經基本實現全自動化移栽作業(yè),移栽效率較高,節(jié)省勞動力;但部分移栽機存在著價格昂貴、結構復雜、需對用戶進行長時間的技術培訓等問題。
根據查閱國內外研制的自動化移栽機的相關文獻和資料顯示:現有的多種取苗機構[3-7]大多已經投入實際使用中。其中,效果較好的是夾取式取苗機構;但是要實現移栽秧苗全程自動化,在自動取苗過程中,必須要有苗盤輸送裝置,在縱向和橫向實現苗盤自動輸送,以便很好地與取苗機構配合完成秧苗的自動輸送過程。因此,苗盤輸送裝置的是自動移栽機的關鍵部件,對實現穴盤苗自動移栽具有很大的意義。
1苗盤輸送裝置設計要求分析
穴盤苗自動移栽機苗盤輸送裝置的作用是將缽苗分別沿著縱向和橫向精準、適時地送到取苗機構的取苗位置。在本研究中,選擇的穴苗盤規(guī)格為橫向8穴、縱向16穴,穴口大小為30mm×30 mm,穴深42 mm,橫向穴孔間中心距32 mm,縱向穴孔間中心距32mm。苗盤示意圖如圖1所示。
圖1 穴苗盤
取苗機構選擇一種曲柄旋轉式取苗機構,該機構用兩根夾針插入穴孔夾取基質進行取苗,每旋轉1周完成1次取苗。具體的結構簡圖及取苗針尖點的軌跡如圖2所示。
1.連桿 2.曲柄 3.滑塊 4、5.小行星齒輪
在確定苗盤輸送裝置總體設計方案時,固定取苗機構的位置,苗盤橫向輸送機構帶動苗盤橫向做往復間歇運動,縱向輸送機構帶動苗盤做縱向運動,通過橫向和縱向二者運動的結合完成苗盤的自動輸送功能,穴苗盤以8穴為橫向、16穴為縱向的樣式放置。通過以上分析,可以得出苗盤輸送裝置的設計要求主要如下:①苗盤橫向做直線往復運動,以32 mm為間隔做間歇運動,取苗針旋轉1周,苗盤橫向完成1次移動,到達取苗位置時停止運動。這樣就可以達到取苗針進入穴孔進行取苗,確保不能發(fā)生干涉;靜止時間以取苗爪深入穴孔抓取缽苗的時間為依據。②待橫向1排8個穴的缽苗全部取完之后,穴苗盤縱向做間歇進給運動,等縱向進給1次之后,橫向運動轉換方向。③將苗盤橫向的8個穴孔與取苗機構配合取苗的位置分別標記為N=1、2、3、4、5、6、7、8。由此可以得出苗盤輸送裝置與取苗機構的配合流程,如圖3所示。
圖3 苗盤輸送與取苗機構配合的流程圖
2苗盤輸送裝置的總體結構及其原理
穴盤苗自動移栽機苗盤輸送裝置主要由動力傳動裝置、橫向進給控制機構、縱向進給控制機構、穴苗盤架及機架5部分組成,具體構造如圖4所示。
1.機架 2.穴盤回收支架 3.穴盤箱 4.鏈輪
穴苗盤架主要由苗盤支架、苗盤板及一些附屬部件組成。穴盤苗架前后安裝4個滾動軸承,通過4個滾動軸承在滑軌上進行橫向往復式移動;動力源由電機來驅動,通過皮帶將動力輸送到苗盤輸送裝置變速箱,再經變速箱里面齒輪之間的相互配合達到苗盤的輸送??v向進給機構主要由槽輪及鏈輪組成,槽輪與鏈輪同軸,鏈輪通過鏈條帶動苗盤完成縱向間歇移動。橫向進給機構主要是通過雙螺旋絲杠完成苗盤的水平往復式移動,利用動力輸入軸旋轉帶動圓柱凸輪粘合與分開來完成橫向間歇停頓,與取苗機構從取苗到投苗的時間上達到匹配;進而通過縱向和橫向進給機構的相互協(xié)調完成苗盤在橫向上往復式移動,縱向上間歇式移動,與取苗機構完成匹配,達到自動化送苗的過程。
3關鍵機構的設計與研究
3.1苗盤輸送裝置橫向進給機構的設計與研究
取苗機構的取苗過程是一個往復式勻速旋轉運動,所以苗盤的輸送需要橫向和縱向間歇移動。因此,將橫進給機構確定為雙螺旋機構,而雙螺旋機構能將旋轉運動轉化為直線運動,然后通過間歇機構控制雙螺旋機構旋轉完成苗盤橫向周期性移動。假設圓柱凸輪間歇機構的周期T(其中,粘合接觸時間為T1,分開時間為T2),雙螺旋軸在時間T內轉過的圈數為k(k>1),雙螺旋軸螺距為X(mm), 外徑為D(mm),滑塊從螺旋軸的一端旋轉到另 外一端螺旋軸旋轉n(n為整數)圈,k×X為苗盤在時間T內的橫向位移量,取苗機構取完1排缽苗之后苗盤進行換向,在此過程中苗盤橫向停頓8次。假設從A→B→C→D→E→F為苗盤橫向換向移動階段,其運動時間應等于T1。
圖5 雙螺旋軸結構圖
對以上雙螺旋結構圖及其苗盤輸送裝置應滿足的要求分析,可以得出參數方程為
(1)
通過式(1)可以看出:k和X沒有確定值,但是k> 1,所以n的取值最小為9。則有
n= 9 ,得k= 1.125,X=28.4;
n= 10,得k= 1.25,X=25.6;
n= 11,得k=1.375,X=23.3;
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由以上分析可以看出:當n= 9時,取苗機構夾針插入穴孔進行取苗,此時螺旋軸旋轉停頓位置比較靠近螺旋線交叉處,故而不考慮;當n= 10時,在停頓位置要求上符合要求,此時螺旋軸旋轉1.25圈取苗機構完成一次取苗;當n大于10時,在同樣取苗的效率下,對螺旋軸的磨損情況要求較高,所以選取n=10,從理論上完全可以達到取苗機構取苗的要求,這樣螺旋軸的螺距為25.6mm。
根據苗盤輸送裝置應滿足的要求,初步取雙螺旋軸的軸徑大小為22mm,進而驗證螺旋線螺旋升角的合理性。通過查資料得出螺旋升角φ的計算公式為
φ=arctan(X/πD)
(2)
將以上分析得出的數值代入式(2)可得:
φ=arctan(25.6/22×3.14)≈20.32°。螺旋升角為20.32°,滿足雙螺旋軸的運動要求。對橫向間歇機構采用圓柱凸輪間的相互粘合與分開,與取苗機構取苗放苗在時間上達到匹配。由取苗機構的工作原理可以得出:取苗針從插入穴孔到把苗取出期間,取苗機構主軸旋轉角度θ為45°左右,取苗機構完成1次取苗到投苗整個過程主軸旋轉角度η為180°,所以取苗針取苗時在穴孔里面停留的時間為 t=(θ/η)×T=(45°/180°)×T≈0.25T。為了滿足苗盤輸送裝置與取苗機構在時間上達到匹配,故間歇機構的停歇時T2≥t。
3.2苗盤輸送裝置縱向進給機構的設計與研究
圖5為縱向進給機構的設計結構圖。由于苗盤的規(guī)格是8×16,橫向8個穴孔,縱向16個穴孔,采用鏈輪與槽輪機構的配合實現苗盤縱向間歇運動,鏈輪與槽輪同軸同角速度,槽輪運動帶動鏈輪通過鏈條實現苗盤縱向進給。
具體的工作原理如下:在苗盤橫向移動取苗機構取完1排秧苗之后,通過連接圓柱凸輪的凸輪軸與擋板的碰撞促使撥叉沿著凸輪曲面移動,使齒輪與圓柱凸輪粘合,齒輪、圓柱凸輪及聯(lián)有轉臂的圓盤同軸,驅動槽輪轉過1個齒,實現了苗盤的縱向進給。
1.凸輪 2.凸輪軸 3.撥叉
因苗盤縱向有16個穴孔,為了確保縱向苗盤進給的準確性,在縱向進給機構的設計過程中主要考慮的是槽輪與鏈輪的參數問題。苗盤縱向穴孔的間距λ=32 mm,Z為槽輪徑向槽的數目,R為鏈輪分度圓半徑。通過分析苗盤縱向進給應該滿足的條件,得出槽輪徑向槽的數目與鏈輪半徑需滿足的關系為
(3)
本文選取槽輪的槽數為6,可以得出R≈30.6。當槽輪轉過1個徑向槽時,苗盤完成1次縱向進給。
4苗盤輸送裝置的實體建模分析
本文利用SolidWorks三維軟件對各關鍵零部件進行了建模和裝配,如圖7所示。檢查該設計有沒有干涉,可以進一步發(fā)現在設計過程存在的問題并做出相應的修改,初步驗證該設計方案的合理性,干涉檢查如圖8所示。檢查發(fā)現:干涉的地方比較多,通過逐一查看單擊干涉58處(見圖9)。由圖8可以看出:干涉并非設計問題,而是螺紋引起的干涉。這在具體的加工過程中可以校核,故此干涉可以忽略。
圖7 總體裝配圖
圖8 苗盤輸送裝置裝配體干涉檢查
圖9 干涉58處
5結論
1)完成了對穴盤苗自動移栽機苗盤輸送裝置的設計,選擇與曲柄旋轉式取苗機構相互配合。該機構用2根夾針插入穴孔夾取基質進行取苗,每旋轉1周完成1次取苗,苗盤完成1次橫向進給,取完1排苗完成1次縱向進給。
2)對該設計在SolidWorks三維軟件環(huán)境下進行建模并進行虛擬裝配分析,結果表明:該設計在預期范圍內可以完成與曲柄旋轉式取苗機構相互配合,達到自動取苗、投苗的效果,驗證了本設計的合理性。
參考文獻:
[1]武科,陳永成,畢新勝.幾種典型的移栽機[J].新疆農機化,2009(3):12-14.
[2]劉磊,陳永成,張茜.兵團移栽技術的應用與發(fā)展概況[J].農機化研究,2008(9):240-243.
[3]俞高紅,劉炳華,趙勻,等.橢圓齒輪行星輪系蔬菜缽苗自動移栽機構的運動機理分析[J].農業(yè)機械學報,2011,42(4):53-57.
[4]葉秉良,俞高紅,陳志威,等.偏心齒輪非圓齒輪行星系取苗機構的運動學建模與參數設計[J].農業(yè)工程學報,2011,27(12):7-12.
[5]Tsuga K.Development of fully automatic vegetable transplanter[J].Japanese Agricultural Research Quarterly,2000,34(3):21-28.
[6]Ryu K H,Kim Q,Han J S.Development of a robotic transplanter for bedding plants[J].Japanese Agricultural Engineering Research,2001,78:141-146.
[7]Tetsuo N,Masashi T,Akiyoshi M.Studies of automatic transplanter using chain pot (PartI):Chain pot seedling and pulling resistance[J].Journal of the Japanese Society of Agriculture Machinery,1993,55(2):125-130.
Abstract ID:1003-188X(2016)04-0126-EA
Design Study of Plug Seedlings Automatic Transplanting Machine Seedling Tray Delivery Device
Liu Kaiqiang, Cao Weibin, Lian Guodang, Li Hua, Zhao Hongzheng
(College of Mechanical and Electronical Engineering,Shihezi University,Shihezi 832000,China)
Abstract:In view of the Situation about semi-Automatic transplanting is used in domestic product to breed seedlings in greenhouse transplanting, seedling is mainly completed by manual, mechanical completion of planting work, has large labor intensity, low efficiency, poor quality of transplanting seedlings, seriously restrict the further application of planting technology transfer. In this paper,the automatic transplanter seedling disk conveying device is designed and researched, the transverse and longitudinal feed control mechanism was put forward, the key components of the technical parameters should satisfy are determined, and analyzed the three dimensional entity modeling, verify the rationality of the design, to meet the transplanter seedling tray automatic delivery requirements.
Key words:automatic transplanting machine; seedling tray conveyor system; the mechanism of seedings
文章編號:1003-188X(2016)04-0126-04
中圖分類號:S223.94
文獻標識碼:A
作者簡介:劉凱強(1991-),男,吉林白山人,碩士研究生,(E-mail)619710256@qq.com。通訊作者:曹衛(wèi)彬(1959-),男,湖北襄樊人,教授,博士,(E-mail)wbc828@163.com。
基金項目:兵團科技支疆項目(2013AB024);新疆兵團青年科技創(chuàng)新項目(2014CB012);新疆研究生創(chuàng)新項目 (XJGR2013058)
收稿日期:2015-06-01