馮彩霞

（山西省農(nóng)業(yè)機(jī)械發(fā)展中心，山西太原 030031）

0 引言

移栽是蔬菜種植過程的重要環(huán)節(jié)。目前，我國(guó)的蔬菜生產(chǎn)基本依靠人工和半自動(dòng)移栽機(jī)移栽。無論人工或半自動(dòng)移栽，勞動(dòng)強(qiáng)度都大，作業(yè)效率低，成本高，而且作業(yè)質(zhì)量難以保證。相對(duì)人工移栽，半自動(dòng)移栽可在一定程度提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，但移栽機(jī)仍需配置工作人員3～4名/臺(tái)。人力成本高、勞動(dòng)強(qiáng)度大、農(nóng)民年齡偏大等問題限制了蔬菜生產(chǎn)的發(fā)展。

國(guó)內(nèi)部分科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)開始進(jìn)行自動(dòng)蔬菜移栽機(jī)的研制和生產(chǎn)，但仿造較多，沒有實(shí)質(zhì)性的突破。日本、美國(guó)等農(nóng)業(yè)機(jī)械大國(guó)的自動(dòng)蔬菜移栽機(jī)雖然應(yīng)用較多，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格昂貴，農(nóng)民普遍難以接受，在國(guó)內(nèi)的推廣應(yīng)用難度較大，所以設(shè)計(jì)一種自動(dòng)移栽機(jī)對(duì)我國(guó)蔬菜產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有較大的現(xiàn)實(shí)意義。旨在設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、能自動(dòng)取苗和放苗的自動(dòng)移栽機(jī)，以期進(jìn)一步解放勞動(dòng)力，并為取苗機(jī)構(gòu)的研制提供合理的設(shè)計(jì)參數(shù)。

1 整機(jī)機(jī)構(gòu)及其工作原理

該蔬菜自動(dòng)移栽機(jī)采用牽引式設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)緊湊。主要由機(jī)架、輸苗機(jī)構(gòu)、取苗機(jī)構(gòu)、鴨嘴放苗機(jī)構(gòu)、地輪等組成，三維實(shí)體模型見圖1。

圖1 移栽機(jī)整體結(jié)構(gòu)三維圖

工作時(shí)，將苗盤放置在移栽機(jī)尾部左右兩側(cè)的輸送帶上，啟動(dòng)plc控制系統(tǒng)，輸苗機(jī)構(gòu)開始動(dòng)作，兩側(cè)輸送帶依次交替將苗盤輸送到中間的推盤上，液壓缸把苗盤推送到中間步進(jìn)移位輸送帶的相對(duì)位置，苗盤以6穴為橫向，12穴為縱向。平行4連桿取苗機(jī)構(gòu)靠電機(jī)驅(qū)動(dòng)進(jìn)行2次往復(fù)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行取苗、放苗。取苗機(jī)構(gòu)分左右2組，苗夾6個(gè)/組，2組苗夾錯(cuò)位排列，在苗盤同一列上間隔取苗并投放到分苗漏斗中，取苗結(jié)束后，苗盤由電機(jī)控制橫向移動(dòng)1格，完成了機(jī)具行走作業(yè)前的準(zhǔn)備工作。

移栽機(jī)行走作業(yè)時(shí)，兩組吊杯—鴨嘴移栽機(jī)構(gòu)獨(dú)立運(yùn)行，吊杯—鴨嘴機(jī)構(gòu)上配置有7個(gè)鴨嘴，通過鏈條、鏈輪傳動(dòng)，與長(zhǎng)圓形苗配置杯實(shí)現(xiàn)間歇配合；當(dāng)苗杯移動(dòng)到分苗漏斗的正下方，電機(jī)控制打開漏斗口，進(jìn)行放苗，在出苗口將秧苗放入吊杯中，完成移栽。當(dāng)苗盤完成6次橫向移動(dòng)后，秧苗取盡，苗盤回歸原位后進(jìn)行退盤（圖2）。

圖2 操作流程

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 送苗機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)送苗裝置總體方案時(shí)，取苗機(jī)構(gòu)位置相對(duì)固定。尾部?jī)蓚?cè)輸送帶交替輸送苗盤到中間步進(jìn)移位輸送帶，中間步進(jìn)移位輸送帶帶動(dòng)苗盤橫向間歇移動(dòng)6次后空苗盤被移送到收集筐內(nèi)，步進(jìn)移位輸送帶回原位，完成一個(gè)苗盤的作業(yè)（圖3）。

圖3 送苗機(jī)構(gòu)三維圖

因?yàn)槿∶鐧C(jī)構(gòu)是間歇性取苗，步進(jìn)移位輸送帶需要實(shí)現(xiàn)橫向直線往復(fù)間歇運(yùn)動(dòng)，為減少結(jié)構(gòu)受力，步進(jìn)移位輸送帶后側(cè)下方安裝滾輪，前方安裝滑塊，以降低摩擦系數(shù)。分析后確定利用絲桿電機(jī)機(jī)構(gòu)能穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)。設(shè)計(jì)中選擇剛性較大、結(jié)構(gòu)緊湊，有較高的轉(zhuǎn)動(dòng)精度螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)、螺母移動(dòng)結(jié)構(gòu)。螺桿直徑25 mm，導(dǎo)程10。設(shè)計(jì)移栽機(jī)最快行走速度0.4 m/s，鴨嘴—吊杯輪周長(zhǎng)約2 m，轉(zhuǎn)動(dòng)1周，需要時(shí)間5 s，即絲桿推動(dòng)步進(jìn)移位輸送帶歸位時(shí)間必須小于5 s。

因步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速越大，力矩越小，而且轉(zhuǎn)速太大，容易丟步，設(shè)計(jì)中轉(zhuǎn)速定為5轉(zhuǎn)/s，一個(gè)苗盤歸位的橫向移動(dòng)最小距離是220 mm，通過計(jì)算可得：絲桿導(dǎo)程度最小需要8.8 mm。查表可得導(dǎo)程大于8.8 mm，且適合安裝的絲桿可選直徑25 mm、導(dǎo)程為10 mm的絲桿機(jī)構(gòu)。因步進(jìn)移位輸送帶橫向勻速運(yùn)行，而苗盤位置精度要求不是特別高，所以可套用以下公式：

式中，T為驅(qū)動(dòng)扭矩，絲桿導(dǎo)程L=10 mm；Mg≈300 N（步進(jìn)移位輸送帶+配件+填土苗盤最大重量不超過30 kg，這里取最大值），綜合摩擦系數(shù)取μ=0.1，給進(jìn)絲桿的正效率取η=0.85，得驅(qū)動(dòng)扭矩T=0.056 N*M。

2.2 苗盤推送機(jī)構(gòu)

苗盤推送機(jī)構(gòu)主要包含苗盤托板、感應(yīng)器、液壓缸組件構(gòu)成。苗盤托板、液壓缸與機(jī)架固定，感應(yīng)器固定在苗盤托板底板兩側(cè)。當(dāng)苗盤輸送裝置將苗盤輸送到托板上，觸動(dòng)兩側(cè)感應(yīng)器，判斷面盤到位。待系統(tǒng)接收到空苗盤的退盤信號(hào)，液壓缸開始動(dòng)作，將苗盤向前推送，完成推送動(dòng)作后回歸原位（圖4）。

圖4 苗盤推送機(jī)構(gòu)

2.3 液壓缸的選型

液壓缸結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠，主要是將液壓能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，做直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，在實(shí)現(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，沒有傳動(dòng)間隙，不用減速裝置，而且運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)。因苗盤加填土的質(zhì)量相對(duì)較小，設(shè)計(jì)選用的液壓缸完成推盤的動(dòng)作，液壓缸的行程是主要考慮的因數(shù)。苗盤長(zhǎng)540 mm，以苗盤落在皮帶上3/4即可完成推盤。故液壓缸的行程范圍在400～450 mm，設(shè)計(jì)中選用ROB/A 20×450的迷你液壓缸，即缸徑20 mm，行程450 mm，壓力14 Mpa。

2.4 取苗機(jī)構(gòu)工作原理

取苗機(jī)構(gòu)由平行四連桿機(jī)構(gòu)、曲柄搖桿、苗夾、磁吸、電機(jī)以及帶輪機(jī)構(gòu)等幾部分組成（圖5）。

圖5 取苗機(jī)構(gòu)三維圖

以左側(cè)取苗機(jī)構(gòu)為例，苗夾固定在四連桿機(jī)構(gòu)的豎桿（CD）的D端上，始終保持苗夾開口向下。O1、O2、O3為鉸接固定端，O1、O2水平布置，O2、O3垂直布置，其中01ABO2構(gòu)成搖桿機(jī)構(gòu)、02CDO3構(gòu)成平行四連桿機(jī)構(gòu)。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，O1端由電機(jī)驅(qū)動(dòng)搖桿O1A做圓周運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)平行四連桿的CO2桿做往復(fù)搖擺運(yùn)動(dòng)（圖6）。

圖6 平行四連桿運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖

3 曲柄搖桿的參數(shù)設(shè)計(jì)

擺桿的作用是驅(qū)動(dòng)苗夾取苗、放苗，在取苗、放苗時(shí)，應(yīng)保持運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性，所以曲柄搖桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)為無急回特性，對(duì)于無急回特性曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，行程速比系數(shù)中的極位夾角θ=0°，即k=1，當(dāng)搖桿處于兩個(gè)極限位置時(shí)，曲柄與連桿共線（圖7）。設(shè)計(jì)要求AO1為曲柄a、AB為連桿b、BO2為搖桿c、O1O2為機(jī)架d，B點(diǎn)和B1點(diǎn)為極限位置點(diǎn)。其中，設(shè)計(jì)擺桿長(zhǎng)c=100 mm，擺角ψ=120°，機(jī)架長(zhǎng)d=335 mm。

圖7 曲柄搖桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖

在△O1BO2和△O1B1O2中：

得：a2+d2=b2+c2

因B點(diǎn)和B1點(diǎn)在極限位置時(shí)，a與b共線，所以，

得：

即a=BO=86.6 mm，b=331.2 mm。

4 取苗機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)軌跡

已知參數(shù)：曲柄86.6 mm、連桿331.2 mm、搖桿100 mm、機(jī)架335 mm、平行四連桿機(jī)構(gòu)長(zhǎng)桿310 mm、短桿80 mm。利用歐德克連桿仿真設(shè)計(jì)軟件（Linkage）進(jìn)行仿真，從仿真動(dòng)作可以看出，連桿機(jī)構(gòu)能夠穩(wěn)定運(yùn)行，不存在干涉。苗夾運(yùn)行軌跡為不對(duì)稱的“弓背”型（圖8）。該問題可通過調(diào)整搖桿與平行四連桿長(zhǎng)桿的夾角來實(shí)現(xiàn)苗夾的對(duì)稱動(dòng)作。

圖8 苗夾運(yùn)動(dòng)軌跡

5 結(jié)論

本試驗(yàn)設(shè)計(jì)了一種蔬菜缽苗自動(dòng)移栽機(jī)，研究解決了自動(dòng)移栽過程中的難點(diǎn)，提高了農(nóng)業(yè)機(jī)械的自動(dòng)化程度，有利于擴(kuò)大蔬菜種植面積。自動(dòng)移栽機(jī)可以提高生產(chǎn)效率，對(duì)今后的農(nóng)機(jī)自動(dòng)化研發(fā)具有一定的參考意義。