王 慧， 于 泳， 王東旭

(煙臺(tái)南山學(xué)院，山東 煙臺(tái) 265713)

海帶夾苗鉗機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

王 慧， 于 泳， 王東旭

(煙臺(tái)南山學(xué)院，山東 煙臺(tái) 265713)

很多沿海城市海帶栽培采用人工操作，工作強(qiáng)度很大。傳統(tǒng)海帶夾苗設(shè)備進(jìn)苗率低，夾苗繩的使用壽命較短。鑒于此，對(duì)海帶夾苗機(jī)的傳動(dòng)部分做了改進(jìn)。首先介紹了海帶夾苗機(jī)設(shè)計(jì)方案選擇依據(jù)，其次對(duì)海帶夾苗機(jī)典型機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比確定了海帶夾苗機(jī)破扣的最佳參數(shù)。結(jié)果表明：連桿、凸輪機(jī)構(gòu)合理融合在海帶夾苗鉗的協(xié)調(diào)動(dòng)作中，同時(shí)完成“夾緊—扭松—靠攏成孔”3個(gè)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)了海帶苗繩“夾緊—破扣—插苗”的自動(dòng)化；通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定了海帶苗繩裝夾長(zhǎng)度為60 mm，扭轉(zhuǎn)5°～10°時(shí)夾苗所需的扭力小，成孔容易。結(jié)論：改進(jìn)后的海帶夾苗鉗短時(shí)間內(nèi)即可完成海帶苗裝夾動(dòng)作，可以為海產(chǎn)植物類夾苗裝置的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用提供參考，有較好的開(kāi)發(fā)前景。

海帶養(yǎng)殖；夾苗鉗；夾苗機(jī)；機(jī)械結(jié)構(gòu)；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

海帶養(yǎng)殖過(guò)程中的夾苗工作一般在冬季進(jìn)行，用手將幼苗分開(kāi)后，用拇指、食指將直徑約20 mm的棕繩扭松成孔，讓板或盤口上的苗根全部進(jìn)入松開(kāi)的孔后再放手，讓苗根在孔內(nèi)夾緊[1]。依次往復(fù)，勞動(dòng)強(qiáng)度大，經(jīng)常弄得雙手紅腫、手指開(kāi)裂[2]。本文所設(shè)計(jì)的海帶夾苗鉗，在總結(jié)傳統(tǒng)的海帶夾苗設(shè)備和相關(guān)自動(dòng)夾苗機(jī)的基礎(chǔ)上，對(duì)傳動(dòng)過(guò)程做了改進(jìn)，采用簡(jiǎn)單的機(jī)械結(jié)構(gòu)，性能更可靠。

1 方案設(shè)計(jì)

1.1常用海帶夾苗機(jī)的種類及特點(diǎn)

自20世紀(jì)80年代初開(kāi)始，先后研制有3種夾苗機(jī)：繩夾式、分繩機(jī)頭式和腳踏式海帶夾苗機(jī)[3-4]。

繩夾式夾苗機(jī)是模仿人工夾苗動(dòng)作而設(shè)計(jì)的，目的是為了保證夾苗質(zhì)量，提高夾苗速度[5-6]。該機(jī)把主動(dòng)的繩子固定成孔，用手把苗推入繩孔中完成夾苗動(dòng)作。繩夾式夾苗機(jī)形成的孔能在120°范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，但位置難以固定，進(jìn)苗率低[7]。腳踏式夾苗機(jī)由鞋底車加上繩子等距定位置和自動(dòng)送苗機(jī)構(gòu)組成[8-9]。腳踏式夾苗機(jī)提高了夾苗速度，但線的松緊度和苗柄的最大承受壓力難以一致，太緊了會(huì)切斷柄部，太松又會(huì)壓不牢，且長(zhǎng)期處于縫紉線的壓力下，苗柄部被壓迫段就難以粗壯。分繩機(jī)頭式夾苗機(jī)包括支架、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)及分繩機(jī)構(gòu)[10]，分繩機(jī)頭式夾苗機(jī)孔位置固定，雖然能形成較大面積的孔，但其實(shí)際有效面積并不大，影響繩子的使用壽命[11-13]。

1.2海帶夾苗機(jī)設(shè)計(jì)要求

本設(shè)計(jì)的海帶苗繩結(jié)構(gòu)如圖1所示。它是1根由3小股尼龍繩擰結(jié)而成的繩子，直徑約為20 mm，長(zhǎng)度為2.5 m左右?，F(xiàn)設(shè)計(jì)一種能使海帶繩成孔的機(jī)構(gòu)，要求每隔20 cm種植1株，種植速度20～30株/min。

圖1 海帶苗繩實(shí)物圖Fig.1 Physical map of kelp rope

1.3海帶夾苗機(jī)方案設(shè)計(jì)

海帶夾苗機(jī)通過(guò)機(jī)械傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)一雙模擬手指動(dòng)作的海帶夾苗鉗進(jìn)行夾苗，實(shí)現(xiàn)海帶種植自動(dòng)化，主要包括機(jī)架、夾苗鉗、傳動(dòng)桿組等。夾苗機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)系統(tǒng)由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)凸輪、槽輪等間歇運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)控制。電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)凸輪回轉(zhuǎn)，通過(guò)桿組將滾子移動(dòng)從動(dòng)件的上下移動(dòng)轉(zhuǎn)為鉗子擺動(dòng)，斜面凸輪的移動(dòng)又帶動(dòng)鉗子做橫向移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)鉗子夾緊并靠攏成孔的動(dòng)作。本設(shè)計(jì)利用連桿和凸輪機(jī)構(gòu)工作原理(圖2)，采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，機(jī)械傳動(dòng)的方式，基本實(shí)現(xiàn)了海帶種植的自動(dòng)化，大大減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。

2 海帶夾苗機(jī)典型機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

由設(shè)計(jì)要求可知，電機(jī)通過(guò)減速器減速后帶動(dòng)凸輪回轉(zhuǎn)，滾子從動(dòng)件將轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)變成鉗子的裝夾松弛動(dòng)作。另外，通過(guò)帶傳動(dòng)，將減速器輸出軸一部分動(dòng)力傳到滾輪上，確保苗繩進(jìn)給[17-19]。

2.1海帶夾苗機(jī)工作原理

海帶夾苗機(jī)由電動(dòng)機(jī)、減速器、夾苗鉗、凸輪、滾輪、帶輪、傳動(dòng)桿等組成(圖2)，可以完成“夾緊—扭松—靠攏成孔”3個(gè)動(dòng)作。海帶夾苗鉗是一雙模擬手指動(dòng)作的機(jī)械，其外形是仿照V型塊對(duì)中定位原理設(shè)計(jì)制造。夾苗鉗不工作時(shí)，由彈簧張開(kāi)(圖3)。夾苗鉗由兩個(gè)半只鉗口拼合而成，每半只鉗口上各有一只活動(dòng)銷軸，由夾緊弧、過(guò)渡夾緊弧組成。夾苗鉗左側(cè)鉗口只能繞鉗軸轉(zhuǎn)動(dòng)，不能軸向移動(dòng)；右側(cè)鉗口既能繞鉗軸轉(zhuǎn)動(dòng)又能軸向移動(dòng)。

圖2 海帶夾苗機(jī)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure chart of the gripper for kelp seedling

圖3 海帶夾苗鉗模型圖Fig.3 Model diagram of the gripper for Kelp seedling

兩個(gè)夾苗鉗不工作時(shí)，由彈簧張開(kāi)60 mm(圖3)。在右側(cè)鉗的右側(cè)安裝有凸輪，凸輪拉桿只能沿豎直方向移動(dòng)。當(dāng)凸輪拉桿沿導(dǎo)軌豎直向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，凸輪受到向左的推力，推動(dòng)凸輪向左滑移，間接推動(dòng)右側(cè)夾苗鉗向左滑移，實(shí)現(xiàn)兩鉗靠攏。當(dāng)夾苗鉗開(kāi)始工作時(shí)，先拉下垂直拉桿，聯(lián)動(dòng)四根連桿、搖桿和拉桿(圖4)，使半圓連桿向中心收斂，此時(shí)夾苗鉗夾緊苗繩，且通過(guò)半圓連桿使夾苗鉗成兩相反方向繞苗繩中心線轉(zhuǎn)動(dòng)。轉(zhuǎn)動(dòng)方向與苗繩絞緊方向相反，在半圓連桿轉(zhuǎn)動(dòng)10°左右后，被夾緊的這段苗繩被扭轉(zhuǎn)5°～10°，但不成孔。此時(shí)，垂直拉桿繼續(xù)拉下時(shí)，便拉動(dòng)了斜面凸輪，使該凸輪向左滑移，迫使已被扭松的棕繩相對(duì)靠攏成孔。當(dāng)機(jī)器工作后，操作工人只需在此時(shí)用手取一棵海帶苗將根部插入成孔中，即可完成“夾緊—扭松—靠攏成孔”3個(gè)動(dòng)作。

2.2連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)連桿機(jī)構(gòu)(圖4)時(shí)考慮剛體引導(dǎo)問(wèn)題，布置桿組時(shí)需要有一系列的預(yù)定位置；連架桿的轉(zhuǎn)角應(yīng)滿足預(yù)定的對(duì)應(yīng)位置，當(dāng)拉桿下端停留在最上方位置時(shí)，鉗子開(kāi)30°，張口最大，兩鉗口相距約35 mm，而繩子直徑20 mm，足夠苗繩順利通過(guò)；機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中半圓連桿可繞定點(diǎn)作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)兩半圓連桿各旋轉(zhuǎn)10°后，可讓繩子夾緊[20]。

圖4 連桿機(jī)構(gòu)圖Fig. 4 Diagram of linkage mechanism

2.3凸輪設(shè)計(jì)

海帶夾苗機(jī)的凸輪機(jī)構(gòu)在夾苗鉗的右側(cè)，凸輪有移動(dòng)滾子傾斜端面，滾子可在其上滾動(dòng)，當(dāng)凸輪拉桿豎直向下時(shí)，滾輪推動(dòng)凸輪沿鉗軸向左滑移，實(shí)現(xiàn)兩鉗靠攏。在凸輪機(jī)構(gòu)中，必須使?jié)L子始終與凸輪之間保持接觸，即封閉(圖5)。

圖5 直動(dòng)滾子從動(dòng)件盤形凸輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)Fig.5 Translation roller followerdisc CAM mechanism design

夾苗鉗及連桿機(jī)構(gòu)重力較小，不能利用機(jī)械重力實(shí)現(xiàn)封閉，因此采用形封閉。形封閉消除了從動(dòng)件與凸輪脫離接觸的現(xiàn)象。將凸輪表面加工出溝槽，為減小從動(dòng)件與凸輪的磨損，采用滾子變滑動(dòng)為滾動(dòng)，可延長(zhǎng)凸輪機(jī)構(gòu)的壽命(圖6)。

圖6 凸輪與滾子的接觸Fig. 6 Contact between CAM and roller

3海帶夾苗機(jī)破扣參數(shù)確定

影響海帶苗繩破扣的主要參數(shù)包括苗繩裝夾長(zhǎng)度、扭轉(zhuǎn)力和扭轉(zhuǎn)角度[21-22]。傳統(tǒng)的海帶夾苗鉗在裝夾時(shí)，將海帶繩扭轉(zhuǎn)成孔需要的夾緊力比較大，有的成孔較小，不容易裝夾海帶苗。為了更好地設(shè)計(jì)鉗子的動(dòng)作以及具體的動(dòng)作過(guò)程，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。采用手夾苗繩的方法初步確定影響海帶苗繩破扣的最佳參數(shù)。

實(shí)驗(yàn)(1)：改變苗繩的裝夾長(zhǎng)度，分別在40(a)、60(b)和80 mm(c)位置裝夾，各自扭轉(zhuǎn)后，相向靠攏10 mm，記錄各自最大成孔狀態(tài)(圖7)?？梢钥闯觯?0 mm處裝夾時(shí)，扭轉(zhuǎn)成孔及靠攏力比較大，成孔比較難；在60 mm處裝夾，再扭轉(zhuǎn)靠攏，用力小，扭轉(zhuǎn)角度較小時(shí)，成孔較大；在80 mm處裝夾時(shí)，即使扭轉(zhuǎn)很大角度后，仍很難成孔。分析可知，苗繩裝夾的長(zhǎng)短對(duì)破扣是有影響的，裝夾苗繩太短，扭轉(zhuǎn)成孔需要的扭力大，裝夾苗繩太長(zhǎng)，很難聚攏成孔，就會(huì)失去破扣功能，而苗繩裝夾長(zhǎng)度為60 mm時(shí)，成孔容易且扭力小。因此，海帶苗在60 mm裝夾時(shí)最合適。

實(shí)驗(yàn)(2)：苗繩的裝夾長(zhǎng)度(60 mm)不變，改變扭轉(zhuǎn)的角度，分別為0°(a)、5°～10°(b)、20°(c)，分別記錄3次成孔狀態(tài)(圖8)?？梢钥闯?，不同的扭轉(zhuǎn)角度對(duì)破扣也是有影響的，扭轉(zhuǎn)0°靠攏力比較大，成孔比較難；扭轉(zhuǎn)5°～10°時(shí)，不僅扭力小，再靠攏成孔比較容易；扭轉(zhuǎn)再大的角度后，扭力會(huì)隨扭轉(zhuǎn)角度的增大而增大，雖然迫使鉗子靠攏的作用力不大，但成孔不會(huì)變大，所以最佳扭轉(zhuǎn)角度為5°～10°。

圖7 不同裝夾位置結(jié)果Fig.7 Different installation locations for grippers

圖8 不同扭轉(zhuǎn)角度實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.8 Different torsion angles

4 結(jié)論

設(shè)計(jì)的夾苗機(jī)將連桿、凸輪機(jī)構(gòu)原理合理地融合在海帶夾苗鉗的協(xié)調(diào)動(dòng)作中，可同時(shí)完成“夾緊—扭松—靠攏成孔”3個(gè)動(dòng)作，可實(shí)現(xiàn)海帶苗繩“夾緊-破扣-插苗”過(guò)程的自動(dòng)化，降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度。通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析，確定了海帶苗繩最佳裝夾位置，即在海帶苗繩裝夾長(zhǎng)度60 mm、扭轉(zhuǎn)5°～10°時(shí)最合適裝夾。

□

[1] 張慶力,張寶成,高寶財(cái),等.基于運(yùn)動(dòng)仿真海帶夾苗機(jī)機(jī)械控制系統(tǒng)的研究[J].廣西大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2015(S2):458-461.

[2] 滕瑜,劉從力,張雙靈,等.海帶加工產(chǎn)業(yè)化的可持續(xù)性發(fā)展概述[J].保鮮與加工,2012,12(3):47-50.

[3] 檀潤(rùn)華.產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)若干問(wèn)題研究進(jìn)展[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2003(4):121-125.

[4] 金振輝,劉巖,張靜,等.中國(guó)海帶養(yǎng)殖現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].海洋湖沼通報(bào),2009(1):141-150.

[5] 程艷,陳麗嬌,肖欣欣,等.國(guó)內(nèi)外海帶加工現(xiàn)狀與福建省的發(fā)展對(duì)策[J].福建水產(chǎn), 2011(2):89-92.

[6] 王飛久,孫修濤,汪文俊.海帶苗種培育及無(wú)公害養(yǎng)殖技術(shù)科學(xué)養(yǎng)魚(yú)[J].科學(xué)養(yǎng)魚(yú), 2008(10):14-15.

[7] 徐學(xué)淵.海帶夾苗鉗的設(shè)計(jì)和應(yīng)用[J].浙江水產(chǎn)學(xué)院學(xué)報(bào),2001(2):106-109.

[8] 呂海燕,王正方.海洋標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)海帶的研制[J].科技通報(bào),2004,20(2):363-367.

[9] 張壯志,從義周,李曉捷,等.我國(guó)海帶育種研究歷史、現(xiàn)狀及建議[J].齊魯漁業(yè),2011,28(12):42-43.

[10] 俞靜芬,周安源,凌建剛.海帶護(hù)綠工藝的探討[J].農(nóng)產(chǎn)品加工學(xué)刊,2008(10): 43-47.

[11] 引金爆,王宏,郭雪松.海帶的營(yíng)養(yǎng)與保健[J].中國(guó)食物與營(yíng)養(yǎng),2001(1):41-42.

[12] 陳建輝.海帶種植機(jī)械化與夾苗機(jī)研究[D].福州:福建農(nóng)林大學(xué),2016.

[13] 任偉,袁著濤,劉升平.浮筏式養(yǎng)殖中海帶個(gè)體生產(chǎn)力與夾苗位置之間的相關(guān)性分析[J].海洋科學(xué),2012(9):122-127.

[14] 朱金和.自動(dòng)海帶夾苗機(jī):201010521344 [P]. 2011-03-27.

[15] 王元孝.一種電動(dòng)海帶夾苗機(jī): 201210199004 [P]. 2012-06-11.

[16] 王家連.立式海帶夾苗機(jī): 200710010837 [P]. 2007-04-04.

[17] 楊湘勤,丁敬敬,黃勃,等.瓊枝麒麟菜養(yǎng)殖方式及其效益分析[J].漁業(yè)現(xiàn)代化,2015(12):16-19.

[18] 成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2005:120-178.

[19] 程友聯(lián).機(jī)械原理[M].北京:中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社,2007:135-187.

[20] 岳昊,孫英澤,胡婧,等.中國(guó)海帶產(chǎn)業(yè)及國(guó)際貿(mào)易情況分析[J].農(nóng)業(yè)展望,2013(9) :65-69.

[21] 張慶力,侯賀啟,史強(qiáng),等.新型海帶夾苗機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及仿真分析[J].漁業(yè)現(xiàn)代化,2017, 44(2):14-19.

[22] 馬祖達(dá).海帶夾苗機(jī)的研究[J].漁業(yè)機(jī)械儀器,1980(3):15-16.

Mechanicalstructuredesignofgrippingforcepsforkelpseedling

WANGHui,YUYong,WANGDongxu

(YantaiNanshanUniversity,Yantai265713,China)

Kelp seedling cultivation is operated manually in many coastal cities, which is highly labor-consuming. For the traditional gripping equipment for kelp seedling, the rate of seedling is low, and the service life of the grippers is short. In view of this, improvements have been made to the driving parts of the gripper for kelp seedling. In this paper, the selection basis of the design scheme of the gripper for kelp seedling gripping was firstly introduced; then the typical mechanical structure of the gripper for kelp seedling gripping was improved; finally, the optimal parameters of the loosening of the gripper for kelp seedling gripping are determined by experiment. The results showed that the connecting rod and CAM mechanism have been reasonably merged into the coordinated action of the gripper for kelp seedling gripping, meanwhile the three movements "gripping-loosening-drawing close to form a hole" was completed, thus the kelp rope for inserting seedling "clamping-loosening- inserting seedlings" automation was achieved; By experiment, it is determined that the length of the gripping length is 60 mm, the torque required for changing the angle of 5°-10° is small, and the hole is easy to be formed. The research shows that the gripping motion can be completed in a short time, which can provide a reference for the development and application of the seedling gripping device of Marine plants, thus having a good prospect for development.

kelp seedling cultivation；gripping forceps；gripper；mechanical structure；structure design

10.3969/j.issn.1007-9580.2017.05.007

2017-06-14

山東省職業(yè)教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目(2017248)；山東省高等學(xué)?？萍加?jì)劃項(xiàng)目(J17KB038)

王慧(1981—)，女，講師，碩士，研究方向：農(nóng)業(yè)機(jī)械。E-mail：46727902@qq.com

S968.4

A

1007-9580(2017)05-035-05