林　利，楊文彩，杜一帆，宋志鵬

(云南農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，昆明　650051)

1　研究背景

三七是云南省重要的中藥材作物，具有極高的藥用、醫(yī)療保健及經(jīng)濟(jì)價(jià)值[1]。以云南農(nóng)業(yè)大學(xué)朱有勇院士為首的克服三七連作障礙研究團(tuán)隊(duì)探索的三七槽式育苗模式，是云南省政府主導(dǎo)推廣的三七育苗模式，經(jīng)過(guò)多年實(shí)踐也證明了其科學(xué)性和實(shí)用性[2]。課題組針對(duì)該模式研發(fā)出配套的2BQ-28型三七精密播種機(jī)，在生產(chǎn)實(shí)踐中具有良好的效果。

三七精密播種問(wèn)題涉及到農(nóng)藝、播種機(jī)械、操作人員及大棚育苗環(huán)境等多因素，是一個(gè)人-機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)工程問(wèn)題。為了充分認(rèn)識(shí)三七槽式育苗模式中各個(gè)因素互相作用的關(guān)系，課題組前期運(yùn)用模糊綜合評(píng)價(jià)法，對(duì)2BQ-28型三七精密播種機(jī)進(jìn)行了人-機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)工程安全性評(píng)價(jià)，總體安全性評(píng)價(jià)一般。其中，人、環(huán)境的因素評(píng)價(jià)良好，機(jī)的評(píng)價(jià)因素一般。在近兩年的生產(chǎn)實(shí)踐中，人環(huán)適應(yīng)已經(jīng)得到了充分考慮[3]，但2BQ-28型三七精密播種機(jī)主要還存在人-機(jī)不夠配合及機(jī)-環(huán)不夠協(xié)調(diào)等問(wèn)題。具體體現(xiàn)在：①部件空間布局不合理；②傳動(dòng)關(guān)系不合理；③人機(jī)操作安全性有待提高。

人-機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)工程是運(yùn)用系統(tǒng)科學(xué)理論和系統(tǒng)工程方法，正確處理人、機(jī)、環(huán)境三大要素的關(guān)系，深入研究人-機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)最優(yōu)組合的一門(mén)科學(xué)[4]。本文擬運(yùn)用人-機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)工程及機(jī)電一體化設(shè)計(jì)等相關(guān)知識(shí)，對(duì)上述問(wèn)題進(jìn)行優(yōu)化。

2　基于人-機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)工程的布局優(yōu)化

2.1播種機(jī)存在的問(wèn)題分析

2.1.1部件空間布局不合理

部件空間布局不合理，主要體現(xiàn)在：①電機(jī)的安裝位置使操作人員清理種子困難，且操作人員使用升降桿調(diào)節(jié)萬(wàn)向輪高度時(shí)手臂和肘容易磕碰種子箱。②機(jī)器的質(zhì)量分布不對(duì)稱(chēng)。機(jī)器行走過(guò)程中向一端有微量?jī)A斜，加上育苗槽建造規(guī)范性、基質(zhì)高低均勻性不理想，機(jī)器歪斜超過(guò)限位輪保護(hù)范圍，造成機(jī)器卡死、刮壞育苗槽等現(xiàn)象，具體如圖1所示。Q1標(biāo)注位置：萬(wàn)向輪升降桿與種子箱之間的距離過(guò)近，操作人員手動(dòng)旋轉(zhuǎn)萬(wàn)向輪升降桿時(shí)，種子箱在人體的手、肘旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)半徑以?xún)?nèi)，極易發(fā)生磕碰，影響操作人員手部安全，降低工作效率。Q2標(biāo)注位置：電機(jī)與種子箱最窄處不足50mm，空壓機(jī)與種子最寬處不足90mm；參考國(guó)標(biāo)GB/T 18717.2-2002中雙前臂至肘向前、下進(jìn)入開(kāi)口的方法，開(kāi)口最小應(yīng)滿(mǎn)足手臂厚度50mm、基本裕量20mm、工作服20mm，共計(jì)90mm，可知Q2處的厚度基本不能滿(mǎn)足這一條件[5]。Q3標(biāo)注位置：控制柜、電機(jī)等較重部件集中在播種機(jī)左側(cè)，機(jī)器行進(jìn)時(shí)向左側(cè)傾斜并擠壓此側(cè)限位輪，當(dāng)機(jī)器偏差過(guò)大超過(guò)限位輪工作范圍時(shí)，限位輪卡死，出現(xiàn)非正常停機(jī)現(xiàn)象。③排種器護(hù)種板開(kāi)口位置不合理：播種機(jī)在工作時(shí)，可能存在窩眼滾筒重復(fù)充種、窩眼內(nèi)包衣劑粉塵過(guò)多的現(xiàn)象,如圖2～圖3所示。為了清除窩眼滾筒內(nèi)卡死或多余的種子，以及包衣劑粉塵、灰塵等雜質(zhì)，本機(jī)設(shè)計(jì)了排種器護(hù)種板開(kāi)口，操作人員可以使用空壓機(jī)氣槍通過(guò)護(hù)種板開(kāi)口進(jìn)行清種。

1.萬(wàn)向輪升降桿　2.窩眼滾筒軸線保護(hù)機(jī)殼　3.機(jī)架4.控制柜　5.電機(jī)　6.種子箱　7.種子箱隔板　8.空壓機(jī)

圖2　操作人員視角示意圖

圖2中，由于此開(kāi)口過(guò)短，且開(kāi)口位置過(guò)低，含有多余種子的窩眼滾動(dòng)到排種器護(hù)種板開(kāi)口時(shí)，操作人員無(wú)論是站姿還是蹲姿都無(wú)法第一時(shí)間看到；當(dāng)操作人員發(fā)現(xiàn)窩眼內(nèi)含有種子時(shí)，操作時(shí)間已經(jīng)不足。

2.1.2傳動(dòng)關(guān)系不合理

本機(jī)的傳動(dòng)關(guān)系是由電機(jī)通過(guò)所在軸齒輪鏈傳動(dòng)帶動(dòng)主動(dòng)輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)，再由主動(dòng)輪所在軸的齒輪通過(guò)鏈傳動(dòng)帶動(dòng)窩眼滾筒軸轉(zhuǎn)動(dòng)。機(jī)器非正常停機(jī)時(shí)主動(dòng)輪停止轉(zhuǎn)動(dòng)，窩眼滾筒在電機(jī)的作用下持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，導(dǎo)致嚴(yán)重的停機(jī)重播現(xiàn)象。改進(jìn)前傳動(dòng)方式如圖4所示。

圖3　改進(jìn)前排種器護(hù)種板開(kāi)口位置示意圖

圖4　改進(jìn)前傳動(dòng)方式簡(jiǎn)圖

2.1.3人機(jī)操作安全性有待提高

正確的進(jìn)行人-機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)工程安全性評(píng)價(jià)對(duì)提高人機(jī)操作安全性很重要。根據(jù)Delphi法[6]，項(xiàng)目組選取如表1所示的評(píng)價(jià)因素及評(píng)價(jià)指標(biāo)。選擇備擇集{好，良好，一般，差}，按照9標(biāo)度打分法，設(shè)計(jì)了一、二級(jí)權(quán)重調(diào)查表，以參與2BQ-28型三七精密播種機(jī)播種生產(chǎn)環(huán)節(jié)的師生為調(diào)查對(duì)象進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

表1　評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取

本文運(yùn)用了模糊綜合評(píng)價(jià)法[7]，對(duì)收集的調(diào)查結(jié)果進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，將數(shù)據(jù)帶入，得出權(quán)重集A=(0.31 0.4 0.29)，單因素評(píng)價(jià)矩陣R為

最終得出人-機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)工程的模糊綜合評(píng)價(jià)B=A×R=(0.18 0.4 0.37 0.09)。

根據(jù)以上數(shù)據(jù)分析，2BQ-28型三七精密播種機(jī)的人-機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)工程安全性評(píng)價(jià)良好。

2.1.4用電安全性差

機(jī)器的用電安全性存在以下兩個(gè)問(wèn)題：①控制柜內(nèi)線路混雜，存在安全隱患且浪費(fèi)大量空間；②機(jī)器接電方法不規(guī)范，隨著機(jī)器行進(jìn)，電線在育苗槽肩及基質(zhì)表面拖動(dòng)易磨損漏電，且在一定程度上破壞了三七種苗的發(fā)育環(huán)境。

改進(jìn)前控制柜內(nèi)部電路安裝位置示意圖如圖5所示。

圖5　改進(jìn)前控制柜內(nèi)部電路安裝位置示意圖

圖5中，電路開(kāi)關(guān)、端子排、控制顯示器等部隨意擺放,線路雜亂且沒(méi)有固定方式。改進(jìn)前機(jī)器接電線路示意圖如圖6所示。圖6中，三七育苗大棚縱深方向每隔30～40m、水平方向每隔4～5個(gè)育苗槽設(shè)置有一個(gè)電線插座，負(fù)責(zé)播種機(jī)的電力供應(yīng)。2BQ-28型三七精密播種機(jī)的接線方法為：由電線插座引線經(jīng)槽肩、基質(zhì)表面，在萬(wàn)向輪升降桿繞匝(播種機(jī)工作時(shí)萬(wàn)向輪向上收起擰緊)固定后通過(guò)電線插排接入控制柜。這種接線方法存在以下問(wèn)題：①不符合電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求；②萬(wàn)向輪升降桿不具有繞線器的功能，容易發(fā)生電線掉落被機(jī)器碾壓的情況；③機(jī)器行進(jìn)時(shí)，電線在育苗槽槽肩、基質(zhì)表面拖動(dòng)，電線表面的絕緣層受到嚴(yán)重的磨損，形成用電安全隱患；④三七種子播種后必須進(jìn)行覆土處理，保護(hù)種子不受自然光、空氣流動(dòng)等影響損失水分；但是覆土層的厚度很薄，三七種苗種植的農(nóng)藝標(biāo)準(zhǔn)為1cm，機(jī)器行進(jìn)時(shí)電線在基質(zhì)表面拖動(dòng)，破壞了覆土層，嚴(yán)重影響了三七種子的發(fā)育。

圖6　改進(jìn)前機(jī)器接電線路示意圖

根據(jù)2.1.1～2.1.4節(jié)的分析可以得出結(jié)論：①需要對(duì)部件布局進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化，使之符合人機(jī)工程學(xué)；②傳動(dòng)關(guān)系需要重新設(shè)計(jì)；③機(jī)器安全性有待提高，尤其是用電安全需要改進(jìn)。

2.2優(yōu)化原則

2BQ-28型三七精密播種機(jī)布局優(yōu)化的原則如下：①整機(jī)尺寸美觀大方，比例與尺度適合，適用于槽式育苗大棚。②控制部件集中，人機(jī)交互設(shè)備簡(jiǎn)潔明了：操作裝置易于操作人員用力，符合人體工效學(xué)原則。③各部件布局合理，給操作人員操作機(jī)器預(yù)留空間；簡(jiǎn)化整合各部件的線路；機(jī)器質(zhì)量分布均勻。④安全性有保障，避免出現(xiàn)有可能傷害到操作人員的情況。

2.3優(yōu)化措施

2.3.1播種機(jī)整機(jī)布局優(yōu)化

改進(jìn)后，電機(jī)與種子箱之間的距離增加45cm；控制柜調(diào)整到與空壓機(jī)同一水平方向，以平衡質(zhì)量；播種機(jī)整機(jī)尺寸增加50mm；機(jī)器后方(以行進(jìn)方向?yàn)檎较?萬(wàn)向輪升降桿、機(jī)架與種子箱之間的距離增加50mm，如圖7所示。

1.控制柜　2.萬(wàn)向輪升降桿　3.窩眼滾筒軸線保護(hù)機(jī)殼4.機(jī)架　5.電機(jī)　6.種子箱　7.種子箱隔板　8.空壓機(jī)

2.3.2傳動(dòng)關(guān)系的改進(jìn)

為解決2BQ-28型三七精密播種機(jī)卡死時(shí)出現(xiàn)的停機(jī)重播現(xiàn)象，現(xiàn)設(shè)計(jì)為電機(jī)通過(guò)所在軸齒輪鏈傳動(dòng)帶動(dòng)主動(dòng)輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)，機(jī)器行進(jìn)帶動(dòng)從動(dòng)輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)，再由從動(dòng)輪所在軸齒輪鏈傳動(dòng)帶動(dòng)窩眼滾筒軸轉(zhuǎn)動(dòng)；一旦機(jī)器非正常停機(jī)時(shí)，機(jī)器停止行進(jìn)從動(dòng)輪停止轉(zhuǎn)動(dòng)，窩眼滾筒也停止轉(zhuǎn)動(dòng)。改進(jìn)后傳動(dòng)方式簡(jiǎn)圖如圖8所示。

圖8　改進(jìn)后傳動(dòng)方式簡(jiǎn)圖

2.3.3排種器護(hù)種板開(kāi)口優(yōu)化

如圖2所示，以GB10000-1988《中國(guó)成年人人體尺寸》為參考依據(jù)，取人體站姿眼高1 600mm[8]；軸心離育苗槽肩高度460mm，觀察護(hù)種板人員與窩眼滾筒軸心距離范圍取400～1 000mm；俯首舒適角取15°；人體主要視角以人眼水平視線為基準(zhǔn)，向下偏離70°～90°[9]。種子箱的構(gòu)造及尺寸經(jīng)過(guò)實(shí)體測(cè)量及理論對(duì)比，得出以下數(shù)據(jù)：種子箱上部寬430mm，種子箱機(jī)器后側(cè)部分高345mm，種子箱機(jī)器機(jī)器前側(cè)垂直部分高245mm，傾斜部分高100mm，寬140mm，窩眼滾筒直徑230mm，護(hù)種板厚20mm，護(hù)種板開(kāi)口最低端據(jù)窩眼滾筒軸線水平距離55mm，護(hù)種板開(kāi)口最頂端距窩眼滾筒軸心垂直距離75mm。

改進(jìn)后排種器護(hù)種板開(kāi)口位置示意圖如圖9所示。改進(jìn)后護(hù)種板開(kāi)口最低端距窩眼滾筒軸線水平距離為65mm，護(hù)種板開(kāi)口最頂端距窩眼滾筒軸心垂直距離25mm。

2.3.4控制柜的改進(jìn)

控制柜外部采取雙LED燈顯示機(jī)器工作狀態(tài)，利用機(jī)械造型原理中點(diǎn)具有高度集中感覺(jué)，大面與點(diǎn)之間形成強(qiáng)烈的對(duì)比作用，極易引導(dǎo)視線、突出焦點(diǎn)[10]；內(nèi)部線路布局以電源線為設(shè)計(jì)基準(zhǔn)[11]，在控制柜中間增加絕緣線槽作為電路通道，電路開(kāi)關(guān)、端子排、控制顯示器在絕緣線槽上方集中放置，如圖10所示。

圖9　改進(jìn)后排種器護(hù)種板開(kāi)口位置示意圖

圖10　改進(jìn)后控制柜內(nèi)部電路安裝位置示意圖

2.3.5機(jī)器接電方案的改進(jìn)

為保障用電安全，做如下改進(jìn)：在育苗棚內(nèi)頂部、育苗槽肩正上方設(shè)置托架，控制柜外部增加一個(gè)繞線柱；機(jī)器接電線路從電線插座引出，經(jīng)托架后在繞線柱上繞匝、固定，最終接入控制柜，如圖11所示。

圖11　機(jī)器接電線路的機(jī)-環(huán)協(xié)調(diào)優(yōu)化

托架只需在電線插座的水平位置上放置，每一個(gè)育苗槽間隔只放置一個(gè)，以規(guī)格16槽×120m槽長(zhǎng)的三七育苗大棚為列，平均每個(gè)大棚只需放置36～48個(gè)托架，改進(jìn)成本低，實(shí)用性強(qiáng)。

3　結(jié)論

科學(xué)、全面地認(rèn)識(shí)三七育苗系統(tǒng)中的各個(gè)要素，系統(tǒng)優(yōu)化三七精密播種機(jī)，對(duì)三七育苗環(huán)節(jié)起著重要作用。本文從人-機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)工程的角度出發(fā)，綜合了三七育苗農(nóng)藝要求、機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)電一體化及人體工效學(xué)等各方面的知識(shí)，對(duì)2BQ-28型三七精密播種機(jī)整機(jī)及部件空間分布、傳動(dòng)關(guān)系、排種器護(hù)種板開(kāi)口位置、控制柜布局、機(jī)器接電方案進(jìn)行了優(yōu)化，改善了播種機(jī)的人-機(jī)匹配和機(jī)-環(huán)協(xié)調(diào)問(wèn)題，為三七播種質(zhì)量提供了重要保障。

參考文獻(xiàn)：

[1]崔秀明,黃璐琦,郭蘭萍,等.中國(guó)三七產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀發(fā)展對(duì)策[J].中國(guó)中藥雜志,2014,39(4):553-557.

[2]楊文彩,朱有勇,張汝坤,等.基于可持續(xù)發(fā)展的三七產(chǎn)業(yè)農(nóng)機(jī)農(nóng)藝融合工程技術(shù)體系研究[J].湖北農(nóng)業(yè)科學(xué), 2014,53(1):122-129.

[3]楊文彩,朱有勇,杜 遷,等.基于農(nóng)機(jī)農(nóng)藝融合的三七機(jī)械化精密播種系統(tǒng)研究[J].廣東農(nóng)業(yè)科學(xué),2014(2) :175-180.

[4]王保國(guó),王 偉,黃偉光,等.錢(qián)學(xué)森系統(tǒng)科學(xué)思想在人機(jī)環(huán)境系統(tǒng)工程中的應(yīng)用[J].華北科技學(xué)院學(xué)報(bào),2014,11(8):1-18.

[5]國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.GB/T 18717.2-2002用于機(jī)械安全的人類(lèi)工效學(xué)設(shè)計(jì):第二部分:人體局部進(jìn)入機(jī)械的開(kāi)口尺寸確定原則[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2002.

[6]譚玉葉,宋衛(wèi)東,李鐵一,等.采礦方法優(yōu)選多目標(biāo)決策一致性組合權(quán)重研究及應(yīng)用[J].工程科學(xué)學(xué)報(bào),2014(8):1115-1122.

[7]屈力進(jìn).基于模糊綜合評(píng)價(jià)法的煤礦機(jī)械制造工藝方案選擇[J]. 煤礦機(jī)械,2012,33(12):118-119.

[8]國(guó)家技術(shù)監(jiān)督局.GB/T 10000-1988中國(guó)成年人人體尺寸[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1989.

[9]馬廣韜，代琦.基于人機(jī)工程學(xué)的汽車(chē)式起重機(jī)操縱室視野研究[J].沈陽(yáng)建筑大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2011,27(2):169-173.

[10]《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》編委會(huì).機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)單行本:造型設(shè)計(jì)與人機(jī)工程[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

[11]《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》編委會(huì).機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)單行本:機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2007.