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(1.國家林業(yè)局哈爾濱林業(yè)機(jī)械研究所，黑龍江 哈爾濱 150086；2.國家林業(yè)局林業(yè)機(jī)電工程重點(diǎn)實驗室，黑龍江 哈爾濱 150086)

研究與設(shè)計

基于小型裝載機(jī)植苗器的儲苗盤理論設(shè)計

蘇寧1，郭克君1，2*，徐鑫1，楊增帥1，滿大為1，2，苗振坤1，吳立國1

(1.國家林業(yè)局哈爾濱林業(yè)機(jī)械研究所，黑龍江 哈爾濱 150086；2.國家林業(yè)局林業(yè)機(jī)電工程重點(diǎn)實驗室，黑龍江 哈爾濱 150086)

針對配套于小型裝載機(jī)的植苗器，設(shè)計了一套鏈?zhǔn)讲贾妹绫膬γ绫P。利用簡易方格模型，對鏈?zhǔn)矫绫P及滑軌式、圓盤式苗盤的空間利用情況進(jìn)行了評估，其空間利用率分別為52.73%、50%和40%。通過摩擦實驗及對數(shù)據(jù)的方差分析，確定苗盤材料采用不銹鋼板。參考摩擦力數(shù)據(jù)，選擇步進(jìn)電機(jī)并對控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計。整套儲苗盤體積小、質(zhì)量輕、控制精確，運(yùn)行穩(wěn)定。

小型裝載機(jī)；植苗器；儲苗盤；設(shè)計

目前國內(nèi)樹木容器苗的栽植機(jī)械化程度較低[1]，一般對造林區(qū)進(jìn)行整地后都由人工栽植。近幾年廣西北海從芬蘭引進(jìn)了大型植苗器，其是一種先進(jìn)的植苗設(shè)備，安裝在挖掘機(jī)的挖掘臂上，主要由儲苗盤、翻土鏟、送苗管、植苗裝置等部分組成。植苗器由駕駛員控制，可實現(xiàn)自動翻土、植苗、澆水、施肥等項作業(yè)。但由于整套設(shè)備體積龐大，必須配套大型挖機(jī)，導(dǎo)致整套系統(tǒng)行動不靈活，作業(yè)成本高。筆者參考國外的大型植苗設(shè)備，擬基于國產(chǎn)常泰ZL910C小型折腰轉(zhuǎn)向裝載機(jī)(臨沂常泰工程機(jī)械有限公司生產(chǎn))，設(shè)計一款與其配套的植苗器。整套設(shè)備的工作原理與國外大型植苗裝備相似，但整體尺寸和質(zhì)量將大幅降低。常泰ZL910C小型裝載機(jī)如圖1所示，擬設(shè)計的整套植苗設(shè)備三維渲染圖如圖2所示。

圖1 常泰ZL910C小型裝載機(jī)

圖2 植苗器三維渲染圖

為減小尺寸，其苗盤的設(shè)計是一大難點(diǎn)，本文將對該植苗器的儲苗盤進(jìn)行詳細(xì)介紹。

1 儲苗盤結(jié)構(gòu)及工作原理

儲苗盤的主要功能是存苗和取苗，取苗過程要與植苗機(jī)構(gòu)相配合，因此其結(jié)構(gòu)形式將直接影響植苗器的空間大小。經(jīng)前期設(shè)計，苗盤整體結(jié)構(gòu)如圖3所示，苗杯連接及布置方式如圖4、圖5所示。

圖3 苗盤整體結(jié)構(gòu)

圖4 苗杯連接方式

整套苗盤長0.85 m、寬0.7 m。苗盤上共有54個苗杯，苗杯為外徑75 mm、壁厚2 mm、高120 mm的直筒(由PVC管材制作)，容器苗放置于苗杯中。苗杯依次鉚接在柔性尼龍帶上，從而可連接成苗杯鏈。苗杯鏈呈蛇形布置于承載盤上，由1個主動輪(撥動輪)和5個被動輪確定了苗杯的蛇形運(yùn)動軌跡。主動輪撥動苗杯并給予其動力，使其沿軌跡移動。在承載盤上開有一個直徑與苗杯內(nèi)徑相同的漏苗孔，撥動輪由伺服電機(jī)控制，每當(dāng)撥動輪轉(zhuǎn)動一定角度便撥動一個苗杯移動到漏苗孔上方，杯中的容器苗便在重力作用下落入植苗裝置內(nèi)，從而完成間歇送苗。

圖5 苗杯布置示意圖1.承載盤；2.被動輪；3.苗杯；4.尼龍帶；5.撥動輪；6.漏苗孔

2 苗杯布置方式分析

儲苗盤安裝空間及苗盤上的工作空間都是有限的，為了不使整個苗盤占用的空間過大，同時在有限的苗盤工作空間內(nèi)盡量多地布置苗杯，需要對苗杯不同布置方式的優(yōu)越性進(jìn)行評估。從國外引進(jìn)到廣西北海的Risutec SKB-180和M-planter大型植苗器，其苗杯布置方案主要分為滑移式和圓盤式兩種，如圖6、圖7所示。

圖6 Risutec SKB-180型植苗器滑移式苗盤

圖7 M-planter植苗器圓盤式苗盤

圖6為滑移式苗盤，滑移式苗盤由儲苗盤和滑軌兩部分組成，儲苗盤可在滑軌上水平滑動，每列容器苗用完后，苗盤向一側(cè)滑移一次，然后下一列容器苗依次被底部的取苗機(jī)構(gòu)取出。圖7為圓盤式苗盤，苗盤內(nèi)有兩圈苗杯，苗杯與中間的旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)相固定，苗盤底面開有一個漏苗孔，旋轉(zhuǎn)傳動機(jī)構(gòu)帶動苗杯繞圓心間歇轉(zhuǎn)動，當(dāng)一個苗杯轉(zhuǎn)動到漏苗孔上方時容器苗漏下，完成一次取苗動作。

為了解滑移式、圓盤式及鏈?zhǔn)竭@三種布置方案對苗盤工作空間的利用情況，繪制出三種布置方案的方格簡化模型，分別如圖8、圖9、圖10所示。

圖8 滑移式布置

圖9 圓盤式布置

圖10 鏈?zhǔn)讲贾?/p>

在這簡化模型中，整個方塊表示苗盤所占用的空間，其中一個小方格代表苗盤上一個工作單位的面積或一個安裝面積，苗杯所占用的區(qū)域用黑色方格表示，其他構(gòu)件區(qū)域或空白區(qū)域則用白色方格表示。設(shè)方格總數(shù)為S，白色方格數(shù)目為M，黑色方格數(shù)目為N，φ為空間利用率，則有：

φ=N/S·100%

在圖8所示的滑移式布置中，左側(cè)若干黑色方格代表緊密排列在滑軌上的苗杯，右側(cè)空白方格代表苗杯滑移的剩余空間，要使黑色方格完全滑移到右側(cè)，白色方格所占用的面積至少要等于黑色方格所占用的面積，即黑、白方格數(shù)目至少相同，圖中共有120個方格(S=120)，黑色以及白色方格數(shù)目(N和M)均為60，因此滑移式儲苗盤的空間利用率為50%。

在圖9所示的圓盤式布置中，儲苗盤的苗杯置于外側(cè)圓環(huán)區(qū)域，中間大部分空間由傳動機(jī)構(gòu)占據(jù)，拐角部分為不可利用的安裝空間。模型中共計有100個方格(S=100)，其中黑色方格數(shù)目N為40，白色方格數(shù)目M為60，故圓盤式儲苗盤空間利用率為40%。

在圖10所示的鏈?zhǔn)讲贾弥?，儲苗盤的苗杯鏈呈蛇形盤繞，模型中共計有110個方格(S=110)，其中黑色方格數(shù)目N為58，白色方格數(shù)目M為52，故鏈?zhǔn)絻γ绫P空間利用率為52.73%。

由以上分析可知，在相同空間下，鏈?zhǔn)讲贾玫拿绫P具有更高的空間利用率，因此本設(shè)計采用鏈?zhǔn)矫绫贾梅绞健?/p>

3 關(guān)鍵部件材料、型號的選擇

苗盤的主要作用是承載苗杯及容器苗，為使整體結(jié)構(gòu)滿足承載量大、質(zhì)量輕的要求，初步擬定了ABS板、PP板、PA66尼龍板、不銹鋼板、鍍鋅鐵板5種不同材料作為苗盤承載部分的初選板材。由于苗盤中苗杯與苗盤底面為純相對滑動，這一過程中可能會產(chǎn)生較大摩擦力，因此需要進(jìn)行苗盤材料表面與苗杯間的摩擦力實驗，以選取摩擦力相對較小的材料。

3.1 摩擦力實驗材料、過程及結(jié)果

共制作10個苗杯樣品并依次編號。苗杯高度為150 mm，由外直徑75 mm、內(nèi)直徑71 mm的聚氯乙烯管(PVC管)鋸截制成。鋸切后鋸口需用粒度為240Cw的砂紙進(jìn)行打磨，以去除毛邊，打磨前后的鋸口如圖11、圖12所示。

圖11 鋸口打磨前

圖12 鋸口打磨后

實驗用板材規(guī)格見表1。

表1 板材規(guī)格

mm

本次采用拉力計測量法[2]，實驗時板材平放，將苗杯豎直放置于板材表面，用自重可忽略不計的細(xì)線連接苗杯與拉力計，拉動苗杯以測量苗杯滑動時的拉力，記為苗杯與板材間的動摩擦力。每個苗杯在同一材料板材上的摩擦力共測量10次，摩擦實驗結(jié)果見表2，其中A為苗盤材料，B為苗杯編號(下同)。

表2 摩擦實驗結(jié)果 N

在這一實驗中包括兩個控制因素，一是苗盤材料差異(Ai)；二是10個苗杯間的個體差異(Bi)。由于不需要考慮兩因素間的交互作用，故對每組同一因素水平下的10個樣本取平均值作為實驗指標(biāo)的觀察值，因此實驗可簡化為無重復(fù)雙因素實驗來進(jìn)行方差分析。在0.05顯著性水平下，分析苗盤材料差異以及苗杯潛在個體差異對測得的摩擦力數(shù)據(jù)是否有顯著影響[3]，取均值簡化后的摩擦力見表3。

表3 摩擦力 N

利用Microsdft Excel 軟件中的數(shù)據(jù)分析工具進(jìn)行方差分析[4]，設(shè)置顯著水平為0.05，所得方差分析表見表4。

表4 方差分析

差異源SSdfMSFP-valueFcrit行0.30726340.07681681.721431.49E-172.633532列0.12067790.01340914.26481.91E-092.152607誤差0.033839360.00094總計0.46177949

表4中“F crit”欄為臨界值 F 0.05(4，49)，“P-value”欄表示 F 分布的截尾概率，對于給定的顯著水平0.05，因為F crit=2.633 532<81.721 43=F，故認(rèn)為行(不同苗盤材料)對測試得到的摩擦力數(shù)據(jù)影響顯著；又因為F crit=2.152 607<14.264 8=F，認(rèn)為列(苗杯個體差異)對測試得到的摩擦力數(shù)據(jù)影響顯著。

對苗杯進(jìn)行稱重，結(jié)果見表5。

表5 苗杯稱重結(jié)果 N

由表5可知，有三組苗杯的整體重量與其他苗杯不同，筆者認(rèn)為苗杯重量是引起“苗杯個體差異對摩擦力數(shù)據(jù)影響顯著”的主要原因，為驗證這一假設(shè)，這里針對十組苗杯重量進(jìn)行剔選，剔除重量不同的1號、3號、5號苗杯后，對剩余7組所測得的實驗數(shù)據(jù)再進(jìn)行一次方差分析，處理后的摩擦力見表6。

表6 摩擦力 N

利用Microsdft Excel 軟件中的數(shù)據(jù)分析工具，經(jīng)相同步驟，所得方差分析表見表7。

表7 方差分析

差異源SSdfMSFP-valueFcrit行0.18252740.04563262.253352.54E-122.776289列0.00143860.000240.3269610.9161912.508189誤差0.017592240.000733總計0.20155734

對于給定的顯著水平0.05，因為F crit=2.776 289<62.253 35=F，故認(rèn)為行(不同苗盤材料)對測試得到的摩擦力數(shù)據(jù)影響顯著；又因為F crit=2.508 189>0.326 961=F，則認(rèn)為列(苗杯個體差異)對測試得到的摩擦力數(shù)據(jù)影響不顯著。

從兩次分析結(jié)果中可知，不同苗盤材料對摩擦力數(shù)據(jù)都有顯著影響。這說明根據(jù)苗盤與苗杯間的摩擦力來優(yōu)化選擇苗盤材料很有必要。另一方面，剔除苗杯質(zhì)量后的七組苗杯個體差異對摩擦力數(shù)據(jù)不再有顯著影響，這說明苗杯重量也是顯著影響摩擦力的一個重要因素，而實驗結(jié)果不受苗杯其他個體差異干擾，故摩擦實驗所得到的摩擦力數(shù)據(jù)是可信的。

利用表6所得到的動摩擦力，可計算出各材料板材與苗杯之間的動摩擦系數(shù)μ，計算公式為：

μ=f/FN

式中：FN為苗杯對板材產(chǎn)生的正壓力；f為苗杯與板材間的動摩擦力，f可通過本實驗測得。

對表6中七組實驗所得到的動摩擦力取平均值作為式中的f值，正壓力FN即苗杯質(zhì)量，F(xiàn)N=1.25 N。經(jīng)計算獲得各材料板材與苗杯的摩擦因數(shù)見表8。

表8 摩擦因數(shù)

材料ABSPA66PP鍍鋅鐵板不銹鋼板動摩擦因數(shù)μ0.42470.270960.31508560.30262880.2643432

由表8可知不銹鋼板與苗杯間摩擦系數(shù)最小，PA66板、鍍鋅鐵板以及PP板次之，ABS板最大。因此，在僅考慮摩擦力影響的情況下，選擇不銹鋼板較為合理。

3.2 撥動輪結(jié)構(gòu)及步進(jìn)電機(jī)的選擇

撥動輪三維圖如圖13所示，其共有6齒，撥動輪轉(zhuǎn)動時苗杯與之嚙合。撥動輪每轉(zhuǎn)過60°，苗杯與苗盤上的漏苗孔重合一次，撥動輪與苗杯嚙合示意圖如圖14所示。

圖13 撥動輪三維圖

圖14 撥動輪與苗杯嚙合示意圖1.苗杯；2.撥動輪；3.漏苗孔；4.尼龍帶

由于步進(jìn)電機(jī)便于控制，精度一般為其步距角的3%～5%，且誤差不累積[5]，這對于精確控制齒輪一次轉(zhuǎn)動規(guī)定的角度非常有利。因此，這里選擇步進(jìn)電機(jī)來驅(qū)動撥動輪。

阻力矩MF主要來源于苗杯與苗盤之間摩擦產(chǎn)生的摩擦力矩Mf 1和苗盤與幼苗間的摩擦力矩Mf 2，即：

MF=Mf 1+Mf2

其中苗杯與苗盤之間摩擦產(chǎn)生的摩擦力矩Mf 1可由下式計算：

由于幼苗與苗盤的摩擦阻力難以測量，故在此處對Mf 1引入了一個補(bǔ)充系數(shù)σ，用σ倍的Mf 1來代替苗盤與幼苗間摩擦力矩Mf 2，即：

Mf 2=σ·Mf 1

撥動輪在轉(zhuǎn)動過程中的阻力矩MF可用下式表示：

電機(jī)與撥動輪的傳動關(guān)系如圖15所示。

圖15 電機(jī)與撥動輪的傳動關(guān)系1.步進(jìn)電機(jī)；2.直齒輪；3.撥動輪；4.滾動軸承；5.苗盤支撐板；6.直齒輪

在圖15中，2、6是一組傳動比為1、齒數(shù)為23、模數(shù)為2的直齒輪組。步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)生的扭矩M通過直齒輪傳遞給撥動輪?？紤]到傳動效率問題，步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)生的扭矩M與阻力矩MF之間的關(guān)系可用下式表示：

M·η≥MF

式中：η為傳動效率，這里采用的是切制齒、開式齒輪傳動，η取0.95[6]。故步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)生的扭矩M應(yīng)滿足下式：

將已知量代入，補(bǔ)充系數(shù)σ取1.5，可得電機(jī)扭矩M應(yīng)大于 2.817 342 N·m。

本設(shè)計采用溫州普菲德電氣有限公司生產(chǎn)的86BYG250D-114型二相混合式步進(jìn)電機(jī)，該電機(jī)的保持轉(zhuǎn)矩為 8.5 N·m。經(jīng)前期試驗，其轉(zhuǎn)速在300r/min以內(nèi)時轉(zhuǎn)矩可以保持不變。而設(shè)計所需轉(zhuǎn)速為100r/min，故采用86BYG250D-114型二相混合式步進(jìn)電機(jī)可以滿足要求。

4 儲苗盤控制系統(tǒng)設(shè)計

儲苗盤控制系統(tǒng)主要包括前端植苗嘴行程開關(guān)、控制器(單片機(jī))、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器、步進(jìn)電機(jī)及配套執(zhí)行機(jī)構(gòu)，儲苗盤控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖16所示。

圖16 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

在植苗過程中，植苗嘴完成一次開合動作被安裝在植苗系統(tǒng)上的行程開關(guān)捕捉，并將動作信號傳遞給控制器(單片機(jī))，經(jīng)控制器(單片機(jī))分析后，再向步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器發(fā)送脈沖控制信號以及方向信號，由驅(qū)動器驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動固定角度，從而帶動執(zhí)行機(jī)構(gòu)動作一次。

86BYG250D-114型二相混合式步進(jìn)電機(jī)的步距角為1.8°，保持轉(zhuǎn)矩為 8.5 N·m。電機(jī)驅(qū)動器采用普菲德DM860H型，直流工作電壓范圍為24～90 V，其可與液壓裝載機(jī)的電瓶兼容。該驅(qū)動器可設(shè)置2-256細(xì)分，適應(yīng)性較強(qiáng)。控制器選用STC 89C52RC單片機(jī)[7]，控制系統(tǒng)電路示意圖如圖17所示。

圖17中，KR為復(fù)位按鍵，SQ為行程開關(guān)(常開)。行程開關(guān)SQ安裝于植苗系統(tǒng)的植苗嘴處，植苗嘴的開合會觸碰行程開關(guān)。SQ所在支路短接STC89C52RC單片機(jī)P1.2口高電平，可作為單片機(jī)外部控制信號。植苗嘴開、合一次，行程開關(guān)閉合、開啟一次，則P1.2口電平產(chǎn)生一輪“高—低—高”的變化。當(dāng)P1.2口電平發(fā)生一輪“高—低—高”變化后，STC89C52RC單片機(jī)就將一組控制脈沖信號從P1口的P1.4輸出，將方向信號從P1.5輸出，將使能信號由P1.6口輸出，上述信號經(jīng)74LS14反相再經(jīng)9013放大后分別接入驅(qū)動器DM860H的脈沖信號輸入正端(PUL+)、方向信號輸入正端(DIR+)及使能信號輸入正端(ENA+)(驅(qū)動器內(nèi)部已包含光耦隔離)。DM860H驅(qū)動器根據(jù)輸入的信號驅(qū)動86BYG250-114步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動。在本電路中，STC89C52RC單片機(jī)采用的是頻率為22 MHz的晶振。

圖17 控制系統(tǒng)電路示意圖

普菲德DM860H步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器通過撥動撥碼開關(guān)可設(shè)置驅(qū)動電流大小以及細(xì)分?jǐn)?shù)，在本次設(shè)計中驅(qū)動電流為5.6 A，設(shè)置驅(qū)動器為5細(xì)分(1 000步/r)，根據(jù)使用手冊，對應(yīng)撥碼開關(guān)的開合情況見表9。

表9 撥碼開關(guān)開合情況

SW1SW2SW3SW4SW5SW6SW7SW8OFFONOFFOFFOFFONONON

在這一參數(shù)下，步進(jìn)電機(jī)的實際步距角變?yōu)?.36°，實際工作時要求電機(jī)一次轉(zhuǎn)動60°。由于步數(shù)無法整除，這里將轉(zhuǎn)動動作分為A組和B組。A組：一次動作167步(轉(zhuǎn)動60.12°)，B組：一次動作166步(轉(zhuǎn)動59.76°)。

若步數(shù)分配按A組進(jìn)行動作，轉(zhuǎn)動一次產(chǎn)生的角度誤差為-0.24°；若步數(shù)分配按B組進(jìn)行動作，轉(zhuǎn)動一次產(chǎn)生的角度誤差為+0.12°。為消除角度誤差，這里使電機(jī)以“A組—B組—B組”為一個循環(huán)進(jìn)行交替動作。在這一交替方式下，產(chǎn)生的角度誤差在一個交替循環(huán)里即可被消除(-0.24°+0.12°+0.12°=0°)。另一方面，步進(jìn)電機(jī)的特性決定了其不會產(chǎn)生累積誤差，因此在轉(zhuǎn)動一周時(兩個交替循環(huán))可自動補(bǔ)償步距誤差。

采用上述方式驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)，撥動輪每次實際轉(zhuǎn)動的角度是：60.12°、59.76°、59.76°、60.12°、59.76°、59.76°、60.12°、59.76°、59.76°……

由于苗杯與苗杯間由尼龍帶鉸接，存在一定間隙，但單次轉(zhuǎn)動的細(xì)微誤差不會影響苗杯口與漏苗口對齊，而且根據(jù)上述分析，撥動輪每動作三次(一個交替循環(huán))，角度誤差可被修正，每動作六次(兩個交替循環(huán))，電機(jī)的步距誤差也可被自動補(bǔ)償，因此實現(xiàn)了對苗杯撥動輪的精確控制。試驗時整套控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，可以順利完成取苗任務(wù)。

5 結(jié)束語

本套苗盤主要為配套于小型裝載機(jī)的植苗器而設(shè)計，采用了鏈?zhǔn)讲贾?，可在保證一定存苗量的同時減小植苗工作頭整體的體積。解決了國外大型植苗器苗盤體積大、運(yùn)行不便等問題，可為設(shè)計配套于小型裝載機(jī)的植苗器提供參考。

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TheoreticalDesignofSeedlingStorageTraysofSmallLoader-MountedSeedlingPlantingEquipment

SUNing1，GUOKe-jun1，2*，XUXin1，YANGZeng-shuai1，MANDa-wei1，2，MIAOZhen-kun1，WULi-guo1

(1.Harbin Forestry Machinery Research Institute，State Forestry Administration，Harbin Heilongjiang 150086，China；2.Key Laboratory of Forestry Electrical and Mechanical Engineering，State Forestry Administration，Harbin Heilongjiang 150086，China)

In view of small loader-mounted seedling planting equipment，a set of seedling storage trays involving chain-type arrangement of seedling cups are designed，and a simple grid model is used to evaluate the space utilization of chain-type seedling trays，and slide-type and disc-type seedling trays，with space utilization rates being 52.73%，50% and 40% respectively.Through friction experiment and the variance analysis of data，the use of the stainless steel plate as seedling tray material is determined.Based on the friction data，step motors are selected and a relevant control system is designed.The whole set of seedling storage trays feature small size，light weight，precise control and stable operation.

small loader；seedling planting device；seedling storage plate；design

S776.25

A

2095-2953(2017)11-0020-07

2017-09-18

蘇 寧(1992-)，男，回族，新疆昌吉人，碩士研究生，研究方向為林業(yè)機(jī)械設(shè)計，E-mail：sn415@outlook.com。

*通訊作者：郭克君(1960-)，男，黑龍江賓縣人，研究員，主要從事森林工程技術(shù)裝備系統(tǒng)的研究，E-mail：gkj216@126.com。

(責(zé)任編輯 張雅芳)