穴盤苗自動(dòng)移栽機(jī)苗盤回收機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

全偉，孫松林,2*，肖名濤,2，李軍政,2，高翔宇,2，羅江河,2

(1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410128；2.湖南省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備工程技術(shù)研究中心，湖南 長(zhǎng)沙 410128)

穴盤苗自動(dòng)移栽機(jī)苗盤回收機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

全偉1，孫松林1,2*，肖名濤1,2，李軍政1,2，高翔宇1,2，羅江河1,2

(1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410128；2.湖南省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備工程技術(shù)研究中心，湖南 長(zhǎng)沙 410128)

為實(shí)現(xiàn)穴盤苗移栽全自動(dòng)化，在自制的穴盤苗自動(dòng)移栽機(jī)上設(shè)計(jì)了苗盤自動(dòng)回收機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)主要由輸送帶、托舉凸輪、限位塊和集盤架組成。取苗完成后的苗盤以一定的傾角下落至輸送帶上，再輸送至集盤架下方，由托舉凸輪托舉苗盤至集盤架內(nèi)的限位塊上，以完成自動(dòng)回收。苗盤的下落傾角β、托舉凸輪的輪廓半徑R和轉(zhuǎn)速n是實(shí)現(xiàn)苗盤自動(dòng)回收的主要影響因素。單因素試驗(yàn)結(jié)果表明，苗盤下落傾角β為55°～65°，托舉凸輪的輪廓半徑R為120～160 mm，托舉凸輪轉(zhuǎn)速為30～120 r/min，可實(shí)現(xiàn)苗盤自動(dòng)回收。多因素正交試驗(yàn)結(jié)果表明，苗盤的下落傾角β為60°，托舉凸輪輪廓半徑R為140 mm，凸輪轉(zhuǎn)速n為30 r/min，是實(shí)現(xiàn)苗盤的自動(dòng)回收較佳組合。關(guān) 鍵 詞：自動(dòng)移栽機(jī)；回收機(jī)構(gòu)；穴盤苗；自動(dòng)回收

近年來(lái)，穴盤苗機(jī)械化自動(dòng)移栽技術(shù)已廣泛應(yīng)用于煙草、油菜、棉花、蔬菜等作物的生產(chǎn)中[1–3]，大大緩解了農(nóng)村勞動(dòng)力不足的問(wèn)題，但現(xiàn)有穴盤苗移栽機(jī)的苗盤回收均需手工完成[4–7]。為減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率，筆者在自制的穴盤苗自動(dòng)移栽機(jī)(由送苗機(jī)構(gòu)、取喂苗機(jī)構(gòu)和栽植覆土機(jī)構(gòu)組成)上設(shè)計(jì)了苗盤自動(dòng)回收機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)苗盤下落后由輸送帶輸送，再由挺舉凸輪托舉至集盤架內(nèi)的收集過(guò)程。該機(jī)構(gòu)主要由輸送帶、托舉凸輪、活動(dòng)限位塊和集盤架組成，安裝于取喂苗機(jī)構(gòu)一側(cè)(左右均可)，其輸送帶置于取喂苗機(jī)構(gòu)苗盤正下方。苗盤下落傾角、托舉凸輪轉(zhuǎn)速和托舉凸輪輪廓半徑為苗盤回收機(jī)構(gòu)的主要設(shè)計(jì)參數(shù)。為了使苗盤自動(dòng)回收機(jī)構(gòu)與現(xiàn)有機(jī)型參數(shù)匹配，進(jìn)行了單因素和多因素試驗(yàn)，得到了苗盤下落至輸送帶時(shí)與輸送帶的最佳傾角，以及托舉凸輪輪廓半徑和托舉凸輪轉(zhuǎn)速的最佳組合，以期為該類型穴盤苗回收機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和參數(shù)選擇提供依據(jù)。

1 苗盤回收機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和工作原理

苗盤回收機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖1所示。主要由集盤架、輸送帶、主(從)動(dòng)滾筒、電機(jī)(Ⅰ、Ⅱ)、齒輪、托舉凸輪及活動(dòng)限位塊組成。苗盤取苗完成后，送苗機(jī)構(gòu)控制苗盤以一定的傾角下落，當(dāng)苗盤落在輸送帶上時(shí)，電機(jī)Ⅱ工作。當(dāng)輸送帶將苗盤輸送到集盤架正下方時(shí)，程序控制電機(jī)Ⅱ停止工作，電機(jī)Ⅰ啟動(dòng)(電機(jī)均使用5IK120AC調(diào)速電機(jī))，并驅(qū)動(dòng)4個(gè)齒輪帶動(dòng) 4個(gè)托舉凸輪分別作順時(shí)針和逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)(齒輪和托舉凸輪均安裝在集盤架的2根軸上)。當(dāng)托舉凸輪托舉苗盤向上運(yùn)動(dòng)直至接觸限位塊時(shí)，苗盤頂開活動(dòng)限位塊繼續(xù)向上運(yùn)動(dòng)(A–A為限位塊的局部放大圖，限位塊通過(guò)鉸鏈固定在集盤架內(nèi)壁上)，當(dāng)苗盤離開限位塊時(shí)，限位塊在復(fù)位彈簧的作用下復(fù)位，隨后苗盤下落到限位塊上，從而實(shí)現(xiàn)苗盤的收集。

圖1 苗盤回收機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of the seedling tray recovery mechanism

2 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 集盤架結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定

苗盤是常用的漂浮育苗苗盤和缽苗苗盤，規(guī)格分別為670 mm×340 mm ×55 mm(20×10穴)和530 mm×280 mm×45 mm(16 ×8穴)。要實(shí)現(xiàn)苗盤自動(dòng)回收，苗盤回收機(jī)構(gòu)需與送苗機(jī)構(gòu)配合，根據(jù)苗盤的規(guī)格，設(shè)計(jì)集盤架長(zhǎng)700 mm，寬410 mm，高500 mm，長(zhǎng)度方向壁厚5 mm，寬度方向壁厚10 mm。

2.2 輸送帶速度的確定

根據(jù)自制移栽機(jī)的結(jié)構(gòu)尺寸和苗盤大小，選取輸送帶長(zhǎng)1 700 mm，寬380 mm；送苗機(jī)構(gòu)的最快送苗速度為60株/min[8–9]；送苗機(jī)構(gòu)送完1個(gè)苗盤最短時(shí)間為128 s，最長(zhǎng)時(shí)間為200 s。為了保證回收機(jī)構(gòu)整齊有序回收苗盤，在第2個(gè)苗盤落下時(shí)，回收機(jī)構(gòu)輸送帶上的第1個(gè)苗盤的位移必須大于或等于苗盤本身的長(zhǎng)度，否則，2個(gè)苗盤將會(huì)在輸送帶上發(fā)生疊加，故輸送帶的速度V≥L/t= 4.14 mm/s(式中：L為苗盤長(zhǎng)度，t為送苗機(jī)構(gòu)完成1個(gè)苗盤輸送所需時(shí)間)。根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，為防止輸送帶發(fā)生跑偏現(xiàn)象，選取V=35 mm/s[10]。

2.3 托舉凸輪的設(shè)計(jì)

托舉凸輪是回收機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵零件。凸輪的輪廓半徑是主要設(shè)計(jì)參數(shù)。圖2所示為苗盤在集盤架內(nèi)的運(yùn)動(dòng)位置關(guān)系。托舉凸輪與苗盤在起始位置接觸，推程過(guò)程中苗盤到達(dá)最高位置，回程過(guò)程中苗盤回落到限位塊上。根據(jù)分析，苗盤起始位置與最高位置之間的距離等于限位塊長(zhǎng)度L，故凸輪的輪廓半徑R必須大于或等于限位塊的安裝高度H與限位塊的長(zhǎng)度L之和(測(cè)量H=68 mm)。為適應(yīng)所回收的 2種苗盤的長(zhǎng)度，取限位塊長(zhǎng)度 70 mm，寬度30 mm，厚度5 mm。根據(jù)苗盤的厚度尺寸，確定限位塊距輸送帶55 mm。

圖2 托舉過(guò)程中苗盤的運(yùn)動(dòng)位置Fig. 2 Motion of seedling tray during seedling lifting process

根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)[13]，推程時(shí)凸輪的運(yùn)動(dòng)角δ1取值為6°～90°，回程時(shí)的運(yùn)動(dòng)角δ2取值為90°～145°。圖3為苗盤的位移S、速度v和加速度a隨時(shí)間t變化的規(guī)律[11]。

圖3 苗盤運(yùn)動(dòng)規(guī)律Fig.3 Characteristics of motion of seedling

根據(jù)苗盤的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，由圖解法[11–12]得出，托舉凸輪的輪廓半徑R=140 mm。

3 回收試驗(yàn)

試驗(yàn)在湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院農(nóng)業(yè)工程中心進(jìn)行。

3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

確定輸送帶速度V=35 mm/s，選取苗盤下落傾角β、凸輪輪廓半徑R、凸輪轉(zhuǎn)速n進(jìn)行單因素和多因素正交試驗(yàn)。以苗盤下落至輸送帶上時(shí)，苗盤中心位置與輸送帶中心位置的偏差 sΔ 、苗盤的位移S為評(píng)價(jià)指標(biāo)(sΔ 越小，輸送效果越好；S等于限位塊距輸送帶的距離與限位塊的厚度之和時(shí)，即S=60 mm時(shí)，苗盤落在限位塊上，收集成功)。

3.2 單因素試驗(yàn)

1) 保持凸輪輪廓半徑為140 mm，凸輪轉(zhuǎn)速120 r/min，根據(jù)不同類型的取苗機(jī)構(gòu)對(duì)苗盤傾角的要求，調(diào)節(jié)苗盤下落傾角的范圍為 50°≤β≤80°[15]，測(cè)試苗盤能否落在輸送帶上(根據(jù)苗盤和輸送帶的尺寸可知，當(dāng) sΔ≤25 mm時(shí)，苗盤能落到輸送帶上)。由于受試驗(yàn)設(shè)備的限制，采取每間隔 5°做 1次試驗(yàn)，每組試驗(yàn)進(jìn)行 3次，取 sΔ 的平均值，記錄不同下落傾角的 sΔ 值。

2) 保持苗盤下落傾角為 60°，凸輪轉(zhuǎn)速為 120 r/min，取凸輪輪廓半徑分別為100、120、140、160 mm，每組試驗(yàn)重復(fù)3次，記錄苗盤位移S的平均值。

3) 保持凸輪輪廓半徑為140 mm，苗盤下落傾角為60°，取凸輪轉(zhuǎn)速分別為30、60、120、180 r/min進(jìn)行試驗(yàn)，每組試驗(yàn)重復(fù)3次，記錄苗盤位移S的平均值。

3.3 正交試驗(yàn)

根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，選擇苗盤下落傾角、凸輪輪廓半徑、凸輪轉(zhuǎn)速進(jìn)行L9(34)正交試驗(yàn)(表1)。每組試驗(yàn)重復(fù)3次。

表1 試驗(yàn)因素及水平Table 1 Test factors and levels

4 結(jié)果與分析

4.1 苗盤下落傾角對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響

當(dāng)傾角為55°、60°、65°時(shí)， sΔ均小于25 mm，表明苗盤落在輸送帶上，正常輸送；當(dāng)傾角為50°、70°、75°、80°時(shí)， sΔ 大于25 mm，苗盤在輸送過(guò)程中與機(jī)架發(fā)生碰撞，輸送失敗。苗盤下落傾角選取55°～65°為宜。

4.2 凸輪輪廓半徑對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響

當(dāng)凸輪輪廓半徑為100 mm時(shí)，苗盤的位移S=0，表示苗盤未落在限位塊上，試驗(yàn)不成功；當(dāng)凸輪輪廓半徑為120、140、160 mm時(shí)，苗盤的位移S=60 mm，苗盤落在限位塊上，滿足設(shè)計(jì)要求，試驗(yàn)成功。凸輪輪廓半徑選取120～160 mm。

4.3 凸輪轉(zhuǎn)速對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響

當(dāng)凸輪轉(zhuǎn)速為30、60、120 r/min時(shí)，苗盤的位移S=60 mm，表示苗盤落在限位塊上，試驗(yàn)成功；當(dāng)凸輪轉(zhuǎn)速為 180 r/min時(shí)，苗盤最終位移 S=78 mm，由于凸輪轉(zhuǎn)速過(guò)大，苗盤卡在集盤架內(nèi)，試驗(yàn)不成功。凸輪輪廓半徑選取120～160 mm。

4.4 正交試驗(yàn)結(jié)果

采用極差分析法[14–15]，對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果(表2)進(jìn)行分析。結(jié)果表明，凸輪輪廓半徑對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)影響較大，為重要因素，其次是凸輪轉(zhuǎn)速和苗盤下落傾角。通過(guò)分析對(duì)比，最優(yōu)組合為A2B1C2。此組合在試驗(yàn)中出現(xiàn)，故確定最優(yōu)方案為凸輪輪廓半徑140 mm，凸輪轉(zhuǎn)速30 r/min，苗盤下落傾角60°。

表2 苗盤上升位移正交試驗(yàn)結(jié)果Table 2 The orthogonal results for displacement caused by seedling tray lifting

5 小 結(jié)

當(dāng)苗盤下落傾角β為55°、60°、65°時(shí)，苗盤能成功被輸送至集盤架內(nèi)；當(dāng)凸輪輪廓半徑為 120 mm，凸輪轉(zhuǎn)速≥120 r/min時(shí)，苗盤被成功回收；當(dāng)輪廓半徑為140、160 mm時(shí)，3種轉(zhuǎn)速下苗盤均能回收成功。

正交試驗(yàn)結(jié)果表明：苗盤下落傾角、托舉凸輪輪廓半徑、凸輪轉(zhuǎn)速均能對(duì)苗盤回收成功與否產(chǎn)生影響，凸輪輪廓半徑為主要影響因素。最優(yōu)的參數(shù)組合：凸輪輪廓半徑140 mm；凸輪轉(zhuǎn)速30 r/min；苗盤下落傾角60°。

在移栽機(jī)與回收機(jī)構(gòu)之間未設(shè)置加固裝置，試驗(yàn)過(guò)程中，機(jī)架的振動(dòng)在一定程度上干擾了試驗(yàn)結(jié)果，有待改進(jìn)。

[1] 盧勇濤．國(guó)內(nèi)外移栽機(jī)及移栽技術(shù)現(xiàn)狀分析[J]．新疆農(nóng)機(jī)化，2011(3)：92–32．

[2] 馮青春，王秀，姜?jiǎng)P，等．花卉幼苗自動(dòng)移栽機(jī)關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2013，29(6)：21–27．[3] 肖衛(wèi)兵，孫松林．我國(guó)煙草移栽機(jī)械現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J]．湖南農(nóng)機(jī)，2009，36(1)：4–6，10．

[4] 徐麗明，張鐵中，史志清．玉米自動(dòng)移栽機(jī)取苗機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)[J]．中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2000，5(4)：58–60．[5] 胡敏娟，吳崇友，袁文勝，等．穴盤苗自動(dòng)取苗機(jī)構(gòu)的研究分析[J]．農(nóng)機(jī)化研究，2012，34(7)：78–83．

[6] 符美軍，全臘珍，熊耐新，等．棉花裸苗移栽機(jī)自動(dòng)送苗機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與仿真分析[J]．湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2012，38(4)：451–454．

[7] 裘利鋼，俞高紅．蔬菜缽苗自動(dòng)移栽機(jī)送苗裝置的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]．浙江理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，29(5)：683–687，692．

[8] 裘利鋼．蔬菜缽苗自動(dòng)移栽機(jī)送苗裝置的設(shè)計(jì)與分析[D]．杭州：浙江理工大學(xué)機(jī)械與自動(dòng)控制學(xué)院，2012．[9] 劉炳華．蔬菜缽苗自動(dòng)移栽機(jī)構(gòu)的機(jī)理分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)[D]．杭州：浙江理工大學(xué)機(jī)械與自動(dòng)控制學(xué)院，2011．

[10] 陳艷，薛河．帶式輸送機(jī)輸送帶跑偏時(shí)的速度分析[J]．起重運(yùn)輸機(jī)械，2010(6)：26–28．

[11] 孫桓，陳作模，葛文杰．機(jī)械原理[M]．7版．北京：高等教育出版社，2006：151–178．

[12] 張婉云，陸穎榮，梁冬青，等．圖解法與解析法設(shè)計(jì)凸輪機(jī)構(gòu)的精度對(duì)比[J]．廣西輕工業(yè)，2011(10)：57–58．

[13] 惠東志．煙草自動(dòng)移栽機(jī)取苗機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究[D]．長(zhǎng)沙：湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，2010．

[14] 陳魁．試驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析[M]．北京：清華大學(xué)出版社，2005：72–77．

[15] 李志西．試驗(yàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)與統(tǒng)計(jì)分析[M]．北京：科學(xué)出版社，2010：148–163．

責(zé)任編輯：羅慧敏

英文編輯：羅 維

Design and test of seedling tray recovery mechanism for transplanting machine of hole tray seedlings

QUAN Wei1, SUN Song-lin1,2*, XIAO Ming-tao1,2, LI Jun-zheng1,2, GAO Xiang-yu1,2, LUO Jiang-he1,2
(1.College of Engineering, Hunan Agricultural University, Changsha 410128, China; 2. Hunan Provincial Engineering Technology Research Center for Modern Agricultural Equipment, Changsha 410128, China)

To realize the full automation of seedling transplanting, the automatic recovery mechanism of seedling tray was designed based on the homemade seedling transplanting machine. The mechanism is mainly composed of a conveyer belt, lifting cam, a limit block and a set of plate frame. The seedling tray fell to the conveyer belt in a certain angle after the seedling was recovered, then transported to the plate frame by the conveyer belt, and finally lifted to the limit block that is in the plate frame to complete the automatic recovery which was mainly influenced by the falling angle of seedling tray β, the radius of lift cam R and the speed of revolution n. Through single factor test seedling plate falling angle β of 55°–65°, cam profile radius of lifting R of 120–160 mm, and the cam speed n of 30–120 r/min were obtained. Through multi factor orthogonal test the best combination with seedling plate falling angle β being 60°, cam profile radius of lifting R being 140 mm, and cam speed n being 30 r/min was obtained.

automatic transplanting machine; recovery mechanism; the hole tray seedling; automatic recovery

S223.9

A

1007?1032(2014)03?0330?04

10.13331/j.cnki.jhau.2014.03.021

投稿網(wǎng)址：http://www.hunau.net/qks

2013–12–31

國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2011BAD20B08)

全偉(1987—)，男，湖南常德人，碩士研究生，主要從事農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)研究，110592074@qq.com；*通信作者，hnndssl@163.com