鄭明鋒，葉鵬博，唐濤，洪尉尉，徐亞丹，葉秉良, 3

(1. 杭州職業(yè)技術(shù)學院，杭州市，310018； 2. 浙江理工大學機械與自動控制學院，杭州市，310018；3. 浙江省種植裝備技術(shù)重點實驗室，杭州市，310018)

0 引言

柳樹插條扦插育苗作業(yè)是柳樹種植的重要環(huán)節(jié)[1-3]。目前柳條扦插作業(yè)方式仍以人工和半自動扦插為主。半自動扦插機能夠?qū)崿F(xiàn)柳條栽植作業(yè)，但柳條的供應和喂入仍需要人工完成，且須放置整齊，喂入時間間隔一定，勞動強度大、效率很難提高。因此研究柳條自動出料裝置，實現(xiàn)柳條的自動有序供應是自動扦插機研發(fā)的關(guān)鍵內(nèi)容[4-7]。

國內(nèi)外學者對不同物料的自動送料裝置進行了大量研究。Nanu等[8]提出了一種對柳條、楊樹等多種作物進行剪切、分類與捆綁作業(yè)的自動化機械裝置，該裝置采用帶傳動進行送料作業(yè)。Han和Mucchi等[9-10]提出了一種適用于生產(chǎn)線上小部件出料作業(yè)的振動式出料裝置。Comand等[11]提出了一種旋轉(zhuǎn)式葉片送料裝置，實現(xiàn)裝配與包裝作業(yè)流水線上的小型元器件的送料作業(yè)。徐勇等[12]提出了一種用于大棚有機肥排肥作業(yè)的刮板式輸送裝置。鄭兆啟等[13-14]提出了立式輸送帶和輥子式輸送機構(gòu)，應用于生鮮食品包裝機上。陳艷等[15]研究了適用于煤炭運輸作業(yè)的帶式輸送機。目前國內(nèi)外的自動送料裝置無法直接應用于柳條自動扦插機的出料作業(yè)，適用于柳條的自動出料裝置還處于研究階段。因此，本文提出一種結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠的柳條鏈板式自動出料裝置，開展其工作機理分析和設計，并進行相關(guān)試驗研究。

1 自動出料裝置組成結(jié)構(gòu)和工作原理

柳樹插條自動扦插機包括自動喂入裝置和扦插栽植裝置兩部分，其中扦插栽植裝置目前已實現(xiàn)自動化作業(yè)。自動喂入裝置包括出料裝置、取料機構(gòu)和送料裝置。其中出料裝置要將柳樹插條按照一定的時序從料倉內(nèi)平穩(wěn)地輸送到指定取料機構(gòu)，柳條再通過取料機構(gòu)和送料裝置被送至扦插栽植裝置進行后續(xù)扦插栽植作業(yè)，如圖1所示。

根據(jù)柳樹插條自動有序出料的要求，本文提出了一種鏈板式出料裝置，該裝置主要由L型推板、傳動鏈條、鏈輪、取料機構(gòu)、料倉等組成，其工作原理如圖2所示。

圖1 柳條自動出料裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 1 Structural schematic diagram of discharge device1.電機 2.L型推板 3.主動鏈輪 4.傳動鏈條 5.出料口 6料倉 7.柳條 8.從動鏈輪

圖2 柳條自動出料裝置工作原理示意圖Fig. 2 Operating principle schematic diagram of discharge device1.L型推板 2.主動鏈輪 3.取料機構(gòu) 4料倉 5.柳條 6.從動鏈輪 7.傳動鏈條

裝置在工作時，柳樹插條由人工預先擺放到料倉內(nèi)，出料裝置的主動鏈輪由電機調(diào)速后進行驅(qū)動，進而帶動傳動鏈條和從動鏈輪運行，固定安裝在傳動鏈條上的L型推板在鏈傳動的帶動下，將料倉底部的柳樹插條推出出料口至取料機構(gòu)，實現(xiàn)柳樹插條的有序出料作業(yè)。傳動鏈條平行布置2條，通過螺栓將彎邊鏈節(jié)與2個等距的L型推板固接在一起，因此鏈傳動轉(zhuǎn)動1周，可實現(xiàn)2次柳樹插條的出料作業(yè)，提高出料效率。

2 關(guān)鍵部件設計

自動出料裝置的設計主要是料倉、推板和鏈傳動的設計。柳條物料特性和作業(yè)參數(shù)的確定是設計自動出料裝置料倉結(jié)構(gòu)的基礎。料倉的結(jié)構(gòu)對出料過程中柳條受力情況及其能否被推出有著重要的影響，進而也會影響推板的結(jié)構(gòu)設計。推板是固接在鏈條上的，其結(jié)構(gòu)參數(shù)和受力分析是鏈傳動設計的重要依據(jù)。

2.1 料倉設計

隨機選取500株扦插用柳條樣本，采用游標卡尺對柳條的直徑和長度進行測量，進行統(tǒng)計并根據(jù)柳條直徑和長度建立簇狀柱形圖(圖3)，并得到柳條幾何參數(shù)，如表1所示。

(a) 柳條直徑

(b) 柳條長度圖3 柳條主要幾何參數(shù)簇狀柱形圖Fig. 3 Cluster column schematic diagram of main geometric parameters of willow branch

表1 樣本幾何參數(shù)Tab. 1 Sample dimension parameters

在目前的柳條半自動扦插作業(yè)中，一般是100株柳條為1捆，每10 min人工喂入3捆柳條，平均每株喂入時間為2 s。將每10株柳條統(tǒng)一方向放置在水平面上測量出體積，得到每10株柳條占據(jù)空間的平均值。為保證裝置的料倉能滿足3捆柳樹插條的供料量，則有

(1)

式中：V——料倉體積，mm3；

N1——每捆柳樹插條，取為100株。

依據(jù)工作環(huán)境約束，取V=7×106mm3，料倉長度在200 mm左右，每層大約14株，從而確定料倉的尺寸參數(shù)

a1>Lmax

(2)

b1>14Dmax

(3)

(4)

式中：a1——料倉寬度，mm;

b1——料倉長度，mm;

h1——料倉高度，mm。

計算得到a1=125 mm，b1=210 mm，h1=270 mm。

為保證有序高效出料，將出料口設計成5個等距的V型槽，利用其幾何特性可有效避免出料口出現(xiàn)卡堵現(xiàn)象并且可保證每次推出柳樹插條的數(shù)量一致且等距，如圖4所示。

圖4 料倉結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 4 Structure schematic diagram of silo

采用幾何分析法對V型槽進行設計，以柳條的最大與最小直徑為約束，即分別以15 mm和以8 mm為直徑的柳條，V型槽夾角為30°～90°，考慮柳條與V型槽相切，并且3株柳條上下并列的情況，如圖5所示。通過柳條初步出料試驗對比發(fā)現(xiàn)，采用60°的V型槽推出柳條效果最佳，故將出料口設計為60°V型槽[16-19]。

圖5 出料口的設計示意圖Fig. 5 Design schematic diagram of discharge port

2.2 L型推板設計

為保證柳條能順利地從出料口推出，L型推板設計需要考慮2個設計因素：一是柳條、出料口與推板三者之間的尺寸約束；二是推板的推爪根部具有足夠的彎曲強度。

2.2.1 L型推板的結(jié)構(gòu)設計

柳條、出料口與推板三者不發(fā)生干涉，推板長度應小于料倉長度，且大于相距最遠兩個出料口的距離與推爪寬度的和，有

b1>a2≥160+e2

(5)

式中：a2——推板長度，mm；

e2——推爪寬度，mm。

防止柳條從出料口滑落，推爪不與出料口干涉，出料口的寬度小于最細的柳條的直徑，大于推爪寬度，有

(6)

式中：l2——出料口的寬度，mm。

防止推爪一次推出多株柳條，推爪在出料口內(nèi)的長度和推板與出料口間隙滿足

Dmin>c2

(7)

Dmin-6.7

(8)

式中：c2——推爪在出料口內(nèi)的長度，mm；

d2——推爪根部與出料口間隙，mm。

由推爪和料倉口的幾何關(guān)系，推爪參數(shù)關(guān)系以及為保證安裝穩(wěn)定性，推板底板寬度與推板高度一致，則有

k2+e2=40

(9)

c2+d2+g2=h2

(10)

i2=h2

(11)

式中：k2——推爪之間寬度，mm；

g2——推板根部高度，mm；

h2——推板高度，mm；

i2——推板底板寬度，mm。

為制造方便，取鋼板厚度b2為5 mm，根據(jù)式(5)～式(11)求出L型推板尺寸參數(shù)a2=165 mm，c2=6 mm，d2=2 mm，e2=5 mm，k2=35 mm，g2=8 mm，h2=16 mm，i2=16 mm，l2=7 mm，如圖6所示。

圖6 L型推板設計示意圖Fig. 6 Design schematic diagram of L shape pushing plate

2.2.2 柳條受力分析與推爪強度計算

為推板的強度分析和鏈傳動的設計提供依據(jù)，進行柳條出料的受力分析(圖7)?？紤]柳條最大受力狀態(tài)，即裝置初始工作時的滿載情況，在每個出料口柳條的上方有n株待出柳條，有

(12)

式中：FN1、FN2——出料口對柳條兩側(cè)支持力，N。

圖7 出料口柳條受力分析Fig. 7 Force analysis of willow branch at discharge port

由于柳條重量較輕且與被推出柳條的上方接觸柳條數(shù)一般為1～2株左右，為計算方便，忽略角度影響，則

FN3=FN4≈nG

(13)

Ff1+Ff2=FN1μ1+FN2μ1

(14)

Ff3+Ff4=FN3μ2+FN4μ2

(15)

式中：FN3、FN4——料倉內(nèi)柳條對出料口柳條的兩側(cè)壓力，N；

Ff1、Ff2——出料口柳條與鋼材之間的摩擦力，N；

Ff3、Ff4——出料口柳條與柳條之間的摩擦力，N；

μ1——柳條與鋼材之間的摩擦系數(shù)，本文取為0.31[20]；

μ2——柳條與柳條之間的摩擦系數(shù)，本文取為0.48[20]。

為將柳條順利推出，L型推板的推爪作用在柳條橫截面上的力F≥Ff1+Ff2+Ff3+Ff4，聯(lián)立式(12)～式(15)

(16)

式中：F——柳條受到L型推板的推力，N；

G——柳條重力平均值，約0.08 N。

如圖8所示，當推爪推出柳條時，推爪受到柳條的反作用力。由于兩者是面面接觸，推爪所受的反作用力可視為均布載荷。該載荷均布在從推爪頂端往下6 mm的接觸面內(nèi)。將推爪受力模型簡化為受均布載荷的懸臂梁結(jié)構(gòu)，在推爪根部最易發(fā)生彎曲，則推爪所受到的最大彎矩

(17)

(18)

式中：Mmax——推爪根部最大彎矩，N·m；

q′——推爪上的均布載荷，N/m；

h′——均布載荷的長度，mm；

q2——推爪的高度，由上文結(jié)構(gòu)設計確定，q2=d2+c2=8 mm；

S′——均布載荷的面積，m2。

推爪根部的最大彎曲應力、切應力和等效應力如式(19)～式(21)所示。

(19)

(20)

(21)

(22)

式中：σ1——鋼板彎曲強度極限，MPa；

σ——推爪受到的最大彎曲應力，MPa；

σ′——等效應力，MPa；

τ1——鋼板抗剪切強度極限，MPa；

τ——推爪受到的最大切應力，MPa；

Wz——抗彎截面系數(shù)，m3。

料倉內(nèi)滿載為300株，作用在出料口每株柳條上面大約有59株柳條的重力，即n=59，根據(jù)幾何關(guān)系計算S′=2.731 7×10-5m2。

為保證出料安全推爪不會在根部彎曲折斷，聯(lián)立式(16)～式(22)，計算得到σ=1.586 5 MPa，τ=0.361 2 MPa，σ′=1.705 4 MPa。因25 mm厚度以下45鋼的屈服強度極限不低于355 MPa，剪切強度178 MPa[21]，計算值均遠小于極限值，因此符合推爪設計滿足工作要求。

圖8 推爪受力示意圖Fig. 8 Stress schematic diagram of L-shape pushing claw

2.3 鏈傳動設計

為保證每次自動有序水平地供應5株柳條，設計2套參數(shù)完全相同的鏈傳動裝置，并且4個鏈輪的參數(shù)也相同，在傳動鏈條上垂直安裝L型推板。

設每株柳條的平均出料時間為t(為人工出料時間t1的1/2，即自動出料效率為人工的2倍)。傳動鏈條運轉(zhuǎn)1個周期出料2次，每次5株，出料平均速度

(23)

(24)

式中：V1——出料平均速度，m/s；

a3——鏈輪中心距，mm；

p1——鏈條節(jié)距，mm；

z1——鏈輪齒數(shù)，z1=z2=z3=z4=17；

Lp1——鏈條節(jié)數(shù)。

鏈條線速度與鏈輪轉(zhuǎn)速有[22]

(25)

式中：n1——鏈輪轉(zhuǎn)速，r/min。

兩條傳動鏈條傳遞主要受到推板推柳條的阻力，于是每條傳動鏈條傳遞功率

(26)

(27)

式中：P1——鏈條傳遞功率，kW；

Pc——鏈條計算功率，kW；

η——鏈條傳遞效率，取0.96；

KA——工作情況系數(shù)，取1.0；

Kz——齒數(shù)系數(shù)，取0.887；

Km——多排鏈系數(shù)，取1.0。

根據(jù)鏈輪中心距與料倉的尺寸關(guān)系，以及L型推板安裝位置，如圖9所示，有

a3≈a1

(28)

i2≤p1≤1.5i2

(29)

圖9 L型推板與傳動鏈條關(guān)系示意圖Fig. 9 Relation schematic diagram of L shape pushing plate and chain

根據(jù)鏈傳動的多邊形效應，推板從從動鏈輪側(cè)面旋轉(zhuǎn)到水平位置時發(fā)生沖擊現(xiàn)象，鏈條的節(jié)距越小，鏈輪齒數(shù)越多，每個鏈節(jié)對應的中心角α值越小，鏈傳動越加平穩(wěn)。因此推板底板長度i2與鏈輪圓周的比值越小，翻轉(zhuǎn)越平順，根據(jù)幾何關(guān)系取該值為1/16，則有

(30)

(31)

式中：d3——鏈輪分度圓直徑，mm。

考慮傳動鏈輪尺寸不宜過大影響空間布置，并盡可能與鏈節(jié)數(shù)互質(zhì)，取鏈輪齒數(shù)為17，聯(lián)立式(23)～式(31)，計算得到13.5≤n1≤17.03，0.682 1×10-3≤Pc≤0.802 3×10-3。

根據(jù)n1、Pc，查詢到06B鏈條符合要求[23]，從而確定鏈條節(jié)距p1=9.525 mm，進而計算得到V1=0.044 m/s，n1=17.03 r/min，Pc=0.777 6×10-3kW，Lp1=44。為使鏈條和鏈輪磨損均勻，鏈節(jié)數(shù)取偶數(shù)，鏈輪齒數(shù)取奇數(shù)，同時保證鏈條和鏈輪安裝的松緊調(diào)整，最終取Lp1=46。

3 推板仿真分析

根據(jù)L型推板結(jié)構(gòu)設計結(jié)果，在Solidworks軟件中建立其三維實體模型，在ANSYS 2021軟件中選擇“分析系統(tǒng)”中的“靜態(tài)結(jié)構(gòu)”，進一步選擇“幾何結(jié)構(gòu)”，將L型推板的三維實體模型導入到ANSYS 2021軟件進行應力仿真分析。材料選擇45號鋼，參數(shù)如表2所示。劃分網(wǎng)格，選擇“網(wǎng)格”選項，“單元尺寸”選項設置為0.8 mm，其余采用默認設置，如圖10所示。添加固定約束，選中“固定的”選項，選擇L型板底板圓孔。添加載荷，在L型板距推爪上端6 mm區(qū)域內(nèi)，選中“力”選項，載荷取上文值為6.019 2 N，如圖11所示。進行應力求解，選擇“應力”選項中的“等效應力”選項，得到應力分析云圖，如圖12所示。根據(jù)求解結(jié)果，推爪根部最大應力為1.895 6 MPa，因此在推爪高度為8 mm，推板厚度為5 mm的情況下，推爪根部最大應力的計算值和仿真值均遠小于強度極限，推板不會發(fā)生彎曲折斷，L型推板結(jié)構(gòu)設計滿足工作需求。

表2 基本材料屬性表Tab. 2 Basic material properties

圖10 L型推板網(wǎng)格劃分效果圖Fig. 10 Mesh diving schematic diagram of L shape pushing plate

圖11 L型推板受力位置效果圖Fig. 11 Loading position schematic diagram of L-shape pushing plate

圖12 L型推板應力圖Fig. 12 Stress diagram of L-shape pushing plate

4 出料裝置試驗

為驗證設計的可行性，研制了扦插柳枝的出料裝置，在自動喂入裝置樣機上進行裝配調(diào)試，如圖13所示。裝置部件采用45號鋼加工，軸和齒輪進行滲碳淬火處理，提高耐磨程度，選用CS10-3脈沖發(fā)生器對電動機進行調(diào)速。試驗選取選擇生長狀況良好，沒有病蟲害的優(yōu)良柳樹品種作為采條母株，在萌芽前截取2～3年生枝條100株作為試驗材料，所選柳樹插條均符合扦插要求，直徑在8～15 mm，長度在116～125 mm范圍內(nèi)，無明顯彎曲等不規(guī)范情況。出料裝置的出料試驗于2020年4月在浙江省種植裝備技術(shù)重點實驗室進行，試驗過程如圖14所示。將100株柳樹插條進行3組重復自動出料試驗，人工將柳條按與出料口V型槽相切角度，水平有序放入料倉內(nèi)，按照設計目標調(diào)節(jié)試驗臺電機轉(zhuǎn)速，經(jīng)第一級鏈傳動減速后出料裝置主動鏈輪轉(zhuǎn)速為17 r/min，傳動鏈條每運行半周，傳動鏈條上的L型推板同時將5株柳條從料倉底部推出1次，出料效率為60株/min。

在記錄觀察試驗的過程中，該出料裝置未出現(xiàn)明顯沖擊，L型推板工作穩(wěn)定，未發(fā)生彎曲現(xiàn)象，鏈條傳動平穩(wěn)，裝置其他部件同步穩(wěn)定運行，柳條每次5株同時從出料口被水平推出，5株柳條間距相等，出料作業(yè)效率可達到60株/min，比人工出料的作業(yè)效率高一倍。3組自動出料試驗結(jié)果如表3所示，出料裝置的平均成功率為97%，達到了設計應用要求。在記錄觀察試驗的過程中，個別柳樹插條上的柳芽由于在出料機構(gòu)推出完成時，卡在了料倉底板的滑槽內(nèi)，導致未能成功一次推出。下一步的研究中，對柳芽的影響因素進一步設計完善，同時可以分析出對形狀較為規(guī)則的棒狀類物料，該裝置出料效果顯著，可應用于棒形物料在生產(chǎn)線中的自動有序供料作業(yè)。

圖13 出料裝置在自動喂入裝置樣機上的裝配實物圖Fig. 13 Prototype of discharge device on automatic feeding device

圖14 出料裝置試驗過程示意圖Fig. 14 Experimental procedure of automatic discharge device

表3 出料裝置試驗結(jié)果Tab. 3 Results of automatic discharge device test bench

5 結(jié)論

1) 本文提出了一種應用在柳條自動扦插機上的鏈板式自動出料裝置，該裝置主要由料倉、鏈傳動機構(gòu)和L型推板組成，滿足柳條自動扦插機的自動有序出料要求。設計的料倉三維尺寸(長寬高)分別為210 mm，125 mm和270 mm，出料口為60°V型槽。通過柳條、出料口與推板的尺寸約束，設計推板為L型結(jié)構(gòu)；建立柳條出料受力模型，分析其受力情況，進行推爪受力分析和彎曲強度計算。根據(jù)裝置中鏈傳動的工作要求，考慮鏈輪與料倉、推板的尺寸關(guān)系，確定鏈輪齒數(shù)為17，選擇06B鏈條，鏈條節(jié)數(shù)為46，作為鏈傳動。

2) 在ANSYS 2021中進行推板的受力仿真驗證，在L型推板推爪高度8 mm，厚度5 mm，施力范圍為距推爪上端6 mm區(qū)域內(nèi)的情況下，推爪根部最大應力為1.895 6 MPa，計算值和仿真值均遠小于強度極限，推板不會發(fā)生彎曲折斷。

3) 在扦插柳枝出料裝置試驗臺上，對100株柳樹插條進行3組重復自動出料性能試驗，出料作業(yè)效率為60株/min，柳樹插條的出料平均成功率為97%，驗證了出料裝置的應用可行性。該裝置還可適用于形狀規(guī)則的棒類物料在自動生產(chǎn)線上的運送作業(yè)。