缽盤苗扇形齒輪式取苗機(jī)構(gòu)的凸輪設(shè)計(jì)及試驗(yàn)

高翔宇，全偉，孫松林*，肖名濤

(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)

缽盤苗移栽機(jī)分為半自動(dòng)移栽機(jī)和全自動(dòng)移栽機(jī)[1–3]。全自動(dòng)缽盤苗移栽機(jī)主要由取苗機(jī)構(gòu)和栽植機(jī)構(gòu)組成。取苗機(jī)構(gòu)將穴盤苗從空穴中夾取出來并喂入到栽植機(jī)構(gòu)[4–6]。筆者針對(duì)2Y–2 型半自動(dòng)缽盤苗移栽機(jī)設(shè)計(jì)了一種新型的扇形齒輪式取苗機(jī)構(gòu)，以期實(shí)現(xiàn)自動(dòng)取苗。由于該機(jī)構(gòu)的主要運(yùn)動(dòng)形式為箱體繞軸的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，通過溝槽凸輪的輪轂形狀來控制扇形齒輪的擺動(dòng)，而扇形齒輪的擺動(dòng)直接關(guān)系到伸縮式苗夾末端的軌跡形態(tài)，因此，溝槽凸輪的形狀設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)取苗機(jī)構(gòu)精確取苗投苗的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。運(yùn)用解析法對(duì)凸輪的中心距、擺桿長(zhǎng)度和極半徑等參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并對(duì)取苗機(jī)構(gòu)進(jìn)行了仿真試驗(yàn)。

1 取苗機(jī)構(gòu)的工作原理

取苗機(jī)構(gòu)主要由機(jī)架、溝槽凸輪、箱體、銷釘、扇形齒輪、轉(zhuǎn)動(dòng)軸、從動(dòng)齒輪、伸縮式苗夾和動(dòng)力輸入軸組成，如圖1 所示。

圖1 取苗機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structural diagram of the seedling pick-up mechanism

輸入軸通過方形凸臺(tái)和法蘭與箱體固聯(lián)在一起。在輸入軸轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)帶動(dòng)箱體轉(zhuǎn)動(dòng)。箱體內(nèi)安裝有扇形齒輪和與之嚙合的配合齒輪。扇形齒輪的另一端安裝有銷子，卡在溝槽凸輪內(nèi)。溝槽凸輪通過螺栓與機(jī)架固結(jié)，配合齒輪與苗夾通過中間軸連接，帶動(dòng)整個(gè)苗夾的擺動(dòng)。苗夾采用伸縮式苗夾，通過拉桿控制苗夾的張合。拉桿的另一端安裝有滾柱，與箱體外側(cè)的溝槽配合，用來控制苗夾的張合時(shí)間。箱體通過輸入軸作圓周運(yùn)動(dòng)，而苗夾的支點(diǎn)在箱體上。苗夾支點(diǎn)在作繞輸入軸的勻速圓周運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，通過扇形齒輪控制其擺動(dòng)，實(shí)現(xiàn)類似“6”字形的取苗軌跡。

2 溝槽凸輪的解析法設(shè)計(jì)

試驗(yàn)苗盤采用煙草通用式苗盤。由于苗盤是泡沫硬式苗盤，取苗時(shí)需保證苗盤不與下方的栽植機(jī)構(gòu)發(fā)生干涉，苗盤安裝角度應(yīng)大于45°[7]，否則下移的苗盤將干涉栽植機(jī)構(gòu)的運(yùn)行。

苗盤的苗腔為倒錐形結(jié)構(gòu)，上方為28 mm×28 mm 的正方形，下端為18 mm×18 mm 的正方形，深50 mm。在兼顧機(jī)構(gòu)尺寸的同時(shí)要保證取苗軌跡的準(zhǔn)確性，應(yīng)選擇較大的傳動(dòng)比齒輪，以保證苗夾在繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)中能順利取苗，以免碰撞苗腔?，F(xiàn)有國(guó)標(biāo)最小齒輪為10 齒，結(jié)構(gòu)較小，強(qiáng)度差，不利于中間軸的安裝固定。綜合考慮整個(gè)機(jī)構(gòu)尺寸，選用88 齒的扇形齒輪，11 齒的配合齒輪。傳動(dòng)比為8∶1。

凸輪機(jī)構(gòu)屬于擺動(dòng)從動(dòng)件凸輪機(jī)構(gòu)，對(duì)生產(chǎn)制造精度要求較高，普通作圖法難以完成。根據(jù)擺動(dòng)從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律，運(yùn)用極坐標(biāo)公式，在Excel 中導(dǎo)入數(shù)據(jù)，再在CAD、Pro/E 中生成凸輪外形，可以較精確地設(shè)計(jì)凸輪，達(dá)到所需技術(shù)要求。

根據(jù)取苗的設(shè)計(jì)要求，確定凸輪的位移曲線,如圖2 所示。根據(jù)扇形齒輪的傳動(dòng)比為8∶1，苗夾擺動(dòng)角度約為180°，確定凸輪升程為23°。選用余弦角速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律，雖有柔性沖擊但無剛性沖擊，適合中速中載的場(chǎng)合，確定推程運(yùn)動(dòng)角為160°，遠(yuǎn)休止角50°，回程運(yùn)動(dòng)角90°，近休止角60°。

圖2 凸輪位移曲線Fig.2 Displacement curve of the cam

采用反轉(zhuǎn)法[8]設(shè)計(jì)凸輪形狀。運(yùn)用余弦定理，可得極半徑[9]：

式中：h 為轉(zhuǎn)動(dòng)中心到凸輪中心的距離； L為擺桿長(zhǎng)度；ψ0為擺桿夾角；ψi為扇形齒輪擺動(dòng)角度。擺桿長(zhǎng)度L 和中心距d 的計(jì)算參照文獻(xiàn)[10–11]。

根據(jù)角度與弧度的換算方法，分別在Excel 表中輸入A 列(θ 轉(zhuǎn)角)、B 列(ψi)、C 列(ψ0+ψi對(duì)應(yīng)的弧度)、D 列(ri)、E 列(凸輪壓力角α)。θ 為輸入軸帶動(dòng)箱體轉(zhuǎn)過的角度，θ=ω·t。ω 根據(jù)栽植機(jī)構(gòu)的工作效率來確定，ω=(η/3 600)·2π，機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)為轉(zhuǎn)1 圈取苗1 次，其中η 為栽植機(jī)構(gòu)的工作效率(株/h)，t為時(shí)間。凸輪壓力角的計(jì)算公式為：

結(jié)果如表1 所示。

表1 凸輪的設(shè)計(jì)參數(shù)Table 1 Parametric design for the cam

經(jīng)計(jì)算，擺桿長(zhǎng)度為46 mm，中心距51 mm。由于擺動(dòng)從動(dòng)件凸輪許用壓力角的最大推程范圍為40°～45°，回程范圍為70°～80°[12]，因而本研究滿足設(shè)計(jì)要求，其中負(fù)值代表與擺桿的運(yùn)動(dòng)反向的夾角方向不同。

3 溝槽凸輪驗(yàn)證試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)材料

由湖南省植物保護(hù)研究所提供的三生煙，苗齡約4 周，平均苗高19.3 mm。煙草缽盤苗尺寸670 mm×340 mm，長(zhǎng)度方向上20 個(gè)苗腔，寬度方向上10 個(gè)苗腔，共200 個(gè)苗腔。

圖3 樣機(jī)作業(yè)情況Fig.3 Model mechanism under working

3.2 試驗(yàn)方法

將穴盤安裝在可調(diào)式試驗(yàn)臺(tái)上。試驗(yàn)臺(tái)的支撐板和底板通過鉸鏈連接，可調(diào)節(jié)苗盤安裝傾角。通過固定實(shí)驗(yàn)臺(tái)的位置，可調(diào)節(jié)取苗點(diǎn)與苗腔的橫向尺寸。

檢測(cè)取苗機(jī)構(gòu)苗夾在取苗時(shí)是否和苗腔發(fā)生碰撞，取苗軌跡是否與苗盤發(fā)生干涉。選取入苗深度、安裝角度、基質(zhì)含水率和取苗轉(zhuǎn)速進(jìn)行4 因素3 水平L9(34)正交試驗(yàn)[10](表2)，考察4 因素對(duì)基質(zhì)脫落量、斷根總長(zhǎng)度和漏苗率的影響[11]。

表2 正交試驗(yàn)因素Table 2 Factors and levels for the orthogonal test

經(jīng)測(cè)試，樣機(jī)動(dòng)作平穩(wěn)流暢，無機(jī)構(gòu)干涉，協(xié)調(diào)性能良好。苗夾在取苗時(shí)與苗腔無碰撞，同時(shí)苗夾在運(yùn)苗時(shí)與已取苗盤無干涉。

正交試驗(yàn)結(jié)果(表3)表明，影響基質(zhì)脫落量大小的因素依次為取苗轉(zhuǎn)速、安裝角度、基質(zhì)含水率、入苗深度；影響斷根總長(zhǎng)度大小的因素依次為安裝角度、基質(zhì)含水率、入苗深度、取苗轉(zhuǎn)速；影響漏苗率大小的因素依次為入苗深度、基質(zhì)含水率、取苗轉(zhuǎn)速、安裝角度。根據(jù)各指標(biāo)不同水平的平均值確定各因素的優(yōu)化水平組合，結(jié)果，基質(zhì)脫落量的最優(yōu)組合為A2B2C3D1，斷根總長(zhǎng)度最優(yōu)組合為A1B2C1D1，漏苗率最優(yōu)組合為A2B2C2D3。根據(jù)因素的影響主次順序，確定最優(yōu)組合為A2B2C2D1。但是此優(yōu)化組合不在9 次試驗(yàn)當(dāng)中，需要追加試驗(yàn)加以驗(yàn)證。通過試驗(yàn)，得出基質(zhì)脫落量為1.58 g，斷根總長(zhǎng)度18 mm，漏苗率7%，比正交試驗(yàn)方案更優(yōu)，即入苗深度為34 mm，安裝角度為75°，基質(zhì)含水率為22%，轉(zhuǎn)速為18 r/min。

表3 正交試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Result of the orthogonal test

[1]胡敏娟，尹文慶．穴盤苗變形滑針式取苗器的研究[J]．浙江農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2011，23(1)：154–158．

[2]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，2011，34(7)：154–158．

[3]葉炳良，俞高紅，陳志威，等．偏心齒輪——非圓齒輪行星系取苗機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)建模與參數(shù)優(yōu)化[J]．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2011，27(12)：7–12．

[4]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)：4–10．

[5]丁文芹，毛罕平，胡建平，等．穴盤苗自動(dòng)移栽機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)仿真分析[J]．農(nóng)機(jī)化研究，2011，33(10)：75–77．

[6]肖名濤，孫松林，蔣蘋，等．烤煙煙苗物理特性與自動(dòng)取苗方案分析[J]．湖南農(nóng)機(jī)，2010，37(1)：4–6．

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

[8]張?。?dāng)[動(dòng)從動(dòng)件凸輪機(jī)構(gòu)基本尺寸確定的CAD 動(dòng)畫畫法[J]．機(jī)床與液壓，2005(7)：167–168．

[9]魯春發(fā)．?dāng)[動(dòng)從動(dòng)件盤形凸輪輪廓曲線的精確繪制[J]．十堰職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2011，24(6)：100–101．

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

[11]李桂文，全臘珍，鄒運(yùn)梅，等．漂浮育棉苗拔取力學(xué)特性分析與試驗(yàn)[J]．湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2013，39(3)：217–221．