劉偉達，張偉，侯永瑞，王穎倩（黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)工程學(xué)院，大慶163319）

水稻紙缽成型機關(guān)鍵部件的設(shè)計

劉偉達，張偉，侯永瑞，王穎倩
（黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)工程學(xué)院，大慶163319）

為了能更好地適用在北方寒地條件下水稻缽育栽培農(nóng)藝要求，需設(shè)計一種水稻紙質(zhì)缽育秧盤成型機。分析了紙缽成型合格的要求，根據(jù)這些要求設(shè)計成型機打孔成型裝置。運用Solid works軟件對紙質(zhì)缽育秧盤成型機零部件進行三維建模、裝配零部件、建立虛擬樣機，并對虛擬樣機的打孔成型裝置進行運動分析，為下一步的樣機設(shè)計生產(chǎn)及優(yōu)化提供理論依據(jù)。

水稻；紙質(zhì)缽盤成型；虛擬樣機；運動分析

水稻是我國三大糧食作物之一，在糧食生產(chǎn)中占有舉足輕重的地位[1]。東北地區(qū)是我國水稻作物的主要產(chǎn)區(qū)之一。2015年全國稻谷種植面積為4.56億畝，東北地區(qū)稻谷種植面積為122.5萬hm2，占全國種植面積的17.9%。而東北地區(qū)常會受到低溫冷害等惡劣氣象災(zāi)害的影響，導(dǎo)致水稻等農(nóng)作物減產(chǎn)。東北地區(qū)所處積溫帶緯度較高，農(nóng)作物生長周期短且熱量條件不穩(wěn)定[2]。這些自然條件限制了能夠在東北地區(qū)種植的水稻品種數(shù)量和品質(zhì)，也直接限制了水稻產(chǎn)量和質(zhì)量的穩(wěn)定以及提高。

針對這些問題，采用缽育移栽種植方式是解決東北水稻種植受自然環(huán)境限制的有效方法之一[3]。在大棚中培育的水稻秧苗可以有效避開惡劣的自然條件，且培育出的水稻秧苗苗壯、苗齊，性狀優(yōu)良。提前育種又有效延長了作物的生長期，從而擴展了東北地區(qū)可用水稻品種的范圍，以達到水稻品質(zhì)和產(chǎn)量的提升。

20世紀(jì)70年代，國內(nèi)外一些研究機構(gòu)曾對缽育育秧載體展開研究，也取得了一系列研究成果[4-5]。水稻缽盤育秧技術(shù)于20世紀(jì)80年代初期被引入我國，并得以較快的推廣應(yīng)用，此項技術(shù)的引進和應(yīng)用使我國的水稻生產(chǎn)手段得到很大提高和發(fā)展[6]。由于大量使用的塑料缽盤污染環(huán)境、移栽之后還需要人工回收[7]；植質(zhì)缽盤質(zhì)量過重、不易運輸、切割易破碎等。紙質(zhì)秧盤恰能避免有效這些問題，其環(huán)保無污染、易于降解、便于運輸、不易破碎等優(yōu)點，因此使用紙質(zhì)缽育秧盤勢在必行。然而現(xiàn)在試驗中所使用的紙缽都是依靠手工完成，需要投入大量的人工間接提高的生產(chǎn)紙缽的成本。我國水稻種植戶很難接受，以至于很難大面積推廣使用，所以需設(shè)計制缽成型機實現(xiàn)機械化生產(chǎn)。

根據(jù)不同的填料方式和成型機原理，國內(nèi)外主要成型方式包括以下4種：注射成型、壓縮成型、壓注成型、擠出成型[8]。但水稻紙質(zhì)缽育秧盤是以紙為載體，紙質(zhì)材料抗拉抗壓性較差，容易變形甚至撕裂，運用以上結(jié)構(gòu)裝置均不能完成紙缽的固定成型。需在這些樣機的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，重新設(shè)計紙缽成型機。經(jīng)過分析秧盤結(jié)構(gòu)設(shè)計要求與研究塑料、植質(zhì)成型機原理，設(shè)計了一種水稻紙質(zhì)缽育秧盤成型機。具有結(jié)構(gòu)簡單合理、操作方便安全、一次性成型、占地面積小等特點，有利于大規(guī)模生產(chǎn)和推廣。

1 紙質(zhì)秧盤結(jié)構(gòu)

水稻紙質(zhì)缽盤結(jié)構(gòu)尺寸如圖1所示。根據(jù)水稻缽育移栽農(nóng)藝要求，紙缽在擺盤階段秧盤間錯位存在修正距離ΔD≤3 mm，則紙缽成型精度為3 mm；紙缽在育秧階段在育秧大棚濕熱環(huán)境影響膨脹，則紙缽在最大膨脹率2.1%下立邊受側(cè)壓力保持完整；紙缽在起盤階段容易發(fā)生斷裂，則紙缽受最大剪力27.8 N與彎矩1.56 Nm下不發(fā)生斷裂現(xiàn)象。滿足以上結(jié)構(gòu)尺寸與力學(xué)特性要求即紙缽成型合格。

圖1 水稻紙質(zhì)缽育秧盤Fig.1The seeding-growing paper tray

表1 紙缽主要結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1The main structural parameters of paper tray

2 整機結(jié)構(gòu)與工作過程

2.1 結(jié)構(gòu)組成

該紙缽成型機主要由液壓油缸、制孔成型裝置、滾動傳動裝置、制孔裝置、缽盤固定裝置、控制系統(tǒng)、機架組成。其整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 整機結(jié)構(gòu)圖Fig.2The machine’s structure drawing

2.2 工作過程

針對紙作為缽盤原材料的特殊性，類似塑料、植質(zhì)缽盤一步成型很難實現(xiàn)。紙垛壓合機先將材料用紙加工成為高780 mm的長方體紙垛；紙缽切割機將紙垛切割成高度20 mm的紙垛（圖3）作為前期準(zhǔn)備；最后由水稻紙缽成型機將網(wǎng)狀紙垛加工成型為紙質(zhì)缽盤。

圖3 網(wǎng)格形狀紙垛Fig.3Paper stack of grid pattern

首先PC控制4個小型液壓缸帶動固定豎齒在向限位臺內(nèi)側(cè)收縮3 mm，將網(wǎng)狀半成品紙缽放豎齒限位臺平面上，固定豎齒向兩側(cè)移動固定紙垛，在固定好的紙垛上方添加一層底紙（541.70 mm×319 mm）。然后壓力系統(tǒng)帶動制孔成型裝置垂直向下運動，其運動到最低點時靜止對紙缽制孔、加熱成型。達到成型時保壓時間后，制孔成型裝置回到原來位置。最后固定機構(gòu)向內(nèi)收縮3 mm，取下成型好的紙缽。

3 關(guān)鍵部件的設(shè)計

3.1 壓力系統(tǒng)

壓力系統(tǒng)主要有機身、主油缸、限位裝置、液壓系統(tǒng)等主要部分組成。工作臺面與下壓裝置間的距離即為液壓缸活塞的行程S=400 mm，打孔成型裝置質(zhì)量M=65 kg，與液壓系統(tǒng)螺栓連接，用壓力機試驗測得打直徑2 mm單孔需要力F=3.5 N，根據(jù)以上參數(shù)選擇液壓缸。

3.1.1 機身

機身由上橫梁、活動橫梁、下橫梁、立柱以及鎖緊螺母等組成，安裝在油箱底座上。活動橫梁帶著加熱箱體沿著立柱在上橫梁與下橫梁之間上下滑動，加熱箱體最底部添加加熱板。

3.1.2 限位裝置

限位裝置于機身左邊，由限位板限位塊行程開關(guān)組成，可根據(jù)實際工作情況，適當(dāng)調(diào)整相應(yīng)限位塊位置。

3.1.3 液壓系統(tǒng)

液壓系統(tǒng)有油箱、油泵電機和閥總成等組成，用以產(chǎn)生傳遞和分配工作油液，使機身實現(xiàn)各種動作。油箱為鋼板焊接件，油箱內(nèi)裝有圓筒形濾油網(wǎng)，油泵可以得到較好的濾清油液，使機身實現(xiàn)各種動作。油泵為定級變量軸向柱塞泵，通過彈性聯(lián)軸節(jié)與電機聯(lián)結(jié)。閥總成由閥塊電磁換向閥、溢流閥，液控單向閥總成，安裝在機身后面的安裝板上。

3.2 缽盤固定裝置

3.2.1 缽盤固定機構(gòu)方案分析

缽盤固定機構(gòu)在紙質(zhì)缽盤成型時，保證紙垛不發(fā)生形狀及尺寸的變化在預(yù)定精度范圍3 mm之內(nèi)。首先固定機構(gòu)夾持住紙垛將其定位；然后其外側(cè)與上模內(nèi)部結(jié)構(gòu)形成0.2 mm的間隙配合使紙垛最外圈立邊成型，最后其將提供上模下壓制孔時缽盤底部的支撐力。機構(gòu)操作簡單、易于控制，維護方便、壓緊安全可靠，裝卸紙缽容易，可快速完成對紙缽的固定。

3.2.2 缽盤固定機構(gòu)的設(shè)計

紙垛的固定是紙缽成型的關(guān)鍵，缽盤固定機構(gòu)是將紙垛固定在豎齒限位臺上。缽盤固定機構(gòu)整體裝配如圖4所示，其由連接L架、圓柱導(dǎo)軌、移動豎齒、小型液壓缸、豎齒限位臺構(gòu)成。

圖4 缽盤固定裝置Fig.4Device of fixing the paper tray

3.3 打孔成型裝置

3.3.1 上模下壓成型裝置方案分析

根據(jù)設(shè)計要求，紙質(zhì)缽盤加熱成型時，底紙表面的一層固態(tài)膠需要成型裝置提供一定的溫度才能粘合，所以在上模內(nèi)部成型結(jié)構(gòu)上安裝電控加熱板；單個缽穴內(nèi)都設(shè)計有2 mm的圓形通氣孔，必須在上模底部安裝制孔裝置；紙垛與底紙粘合時，需要在它們上端添加垂直向下的壓力，保證紙缽底紙與網(wǎng)狀型紙垛完全粘合形成一個整體。

3.3.2 上模結(jié)構(gòu)設(shè)計

如圖5所知其由內(nèi)成型板、緩沖彈簧、外成型板、電熱板、制孔裝置、液壓缸連接件、下壓板構(gòu)成。上模成型裝置上端與液壓系統(tǒng)的活塞桿件的一端螺栓連接，由液壓系統(tǒng)控制著整個成型過程。

圖5 制孔成型裝置Fig.5Punching-pressing device

4 運動仿真分析

4.1 添加與設(shè)定伺服電機、油缸參數(shù)

設(shè)計的虛擬樣機的運動之間是相互獨立的，為了更好的體現(xiàn)出仿真效果，仿真時移動豎齒來回運動以固定紙垛，添加兩個異步電機分別完成豎齒前后運動和左右運動；制孔成型裝置完成紙缽加熱成型，添加油缸來完成其往復(fù)上下運動。

樣機紙缽固定機構(gòu)的限位臺與對應(yīng)移動豎齒間隙為3 mm，初設(shè)定液壓缸帶動豎齒速度為3 mm·s-1，則豎齒需要時間為1 s固定紙垛。在制孔成型裝置上表面添加液壓油缸，其中活塞桿行程為400 mm。紙缽每一次加工成型需要14 s，其中保壓時間為10 s，紙缽成型。

4.2 機構(gòu)碰撞干涉檢查

整機虛擬裝配機構(gòu)完成之后，需對整機裝配進行干涉檢查[9]。首先在Solid works軟件中打開整機裝配圖，進入“評估”中的干涉檢查，在“干涉檢查”的所選零部件中選擇樣機進行計算。結(jié)果表明各個機構(gòu)無干涉，整機設(shè)計合理。在Solid works中進行Motion分析。分別將馬達加載到缽盤固定機構(gòu)、制孔成型裝置上，使之按照一定的速度和時間往復(fù)運動來完成缽盤成型。

4.3 運動仿真結(jié)果與分析

4.3.1 位移分析

為進行油缸帶動制孔成型裝置的仿真分析，在仿真過后選擇結(jié)果和圖解，選取類別為位移/速度/加速度，選取制孔成型裝置末端為測量點進行測量。設(shè)定樣機壓臺為XOY平面，則制孔成型裝置僅在Z軸方向豎直上下運動。設(shè)定選取Z軸方向位移為子類別、圖解結(jié)果相對于時間變量，生成位移/時間二維坐標(biāo)軸。如圖6所示，液壓油缸在0～2 s內(nèi)，制孔成型裝置末端位移量都近似于400 mm，在制孔成型裝置最低點時靜止了10 s對紙缽加熱成型，最后在12～14 s內(nèi)按照原來的速度返回到預(yù)定位置后靜止。

圖6 制孔成型裝置末端Z軸方向位移變化曲線圖Fig.6The curve of the Z axis direction displacement of the end of the punching-forming device

4.3.2 速度分析

在仿真過后選著結(jié)果和圖解，與位移分析類似，只是設(shè)定選取Z軸方向速度為子類別、圖解結(jié)果相對于時間變量，生成速度/時間坐標(biāo)軸。由圖7中可得，制孔成型裝置在Z軸方向運動過程在0～2 s垂直向下運動，在12～14 s內(nèi)又返回到初始位置。在2～12 s內(nèi)、14 s后處于靜止?fàn)顟B(tài)，14 s后取出成型缽盤。

圖7 制孔成型裝置末端Z軸方向速度變化曲線圖Fig.7The curve of the Z axis direction speed of the end of the punching-forming device

根據(jù)制孔成型裝置在Motion分析中得到速度、位移曲線圖滿足成型機設(shè)計方案，表面設(shè)計合理。

5 結(jié)論

根據(jù)水稻紙質(zhì)缽盤結(jié)構(gòu)和性能要求對紙質(zhì)缽盤成型機制孔成型裝置設(shè)計。運用Solid works軟件建立了水稻紙質(zhì)缽育秧盤成型機虛擬樣機并進行運動仿真與分析，滿足樣機生產(chǎn)設(shè)計要求。

該設(shè)計裝置機構(gòu)間無干涉、整機設(shè)計合理；設(shè)定工作參數(shù)進行仿真運動分析滿足設(shè)計要求；此水稻紙質(zhì)缽育秧盤成型機是第一代試驗樣機，樣機的缽盤成型裝置結(jié)構(gòu)尺寸、機構(gòu)設(shè)計為下一步參數(shù)優(yōu)化設(shè)計提供了理論基礎(chǔ)。

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Design of Key Parts of Rice Seeding-growing Paper Tray Forming Machine

Liu Weida，Zhang Wei，Hou Yongrui，Wang Yingqian
（College of Engineering，Heilongjiang Bayi Agricultural University，Daqing 163319）

In order to be more suitable for the rice under the cold climate and ecological conditions，a rice seeding-growing paper tray was designed.The qualified forming requirements were analyzed.According to these requirements，the forming machine was designed.Then using the solid works created the punching-forming machine for 3D modeling，virtual prototype and motion analysis，which provided technical theoretical basis for the next step of prototype design production and optimization.

rice；paper tray；virtual prototyping forming；kinematic analysis

S223.1

A

1002-2090（2017）03-0082-04

10.3969/j.issn.1002-2090.2017.03.018

2016-03-23

國家自愿計劃。

劉偉達（1990-），男，黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)工程學(xué)院2013級碩士研究生。

張偉，男，教授，博士研究生導(dǎo)師，E-mail：zhang66wei@126.com。