套管振動輸送裝置設(shè)計及試驗

張文波，張鐵中，褚 佳，張立博，劉 展，孔艷山

(中國農(nóng)業(yè)大學 工學院，北京 100083)

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套管振動輸送裝置設(shè)計及試驗

張文波，張鐵中，褚 佳，張立博，劉 展，孔艷山

(中國農(nóng)業(yè)大學 工學院，北京 100083)

為研究開發(fā)新型、高速自動嫁接機，提出采用套管嫁接法，設(shè)計了專門的套管振動輸送裝置。該套管振動輸送裝置可以將無序排列的套管有序排列成方向一致的姿態(tài)并輸送至需要位置。同時，在研究該裝置結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，以選定尺寸的套管為試驗對象，選取振動電壓為研究對象，以變異系數(shù)為評價指標，進行輸送裝置的性能試驗。試驗結(jié)果表明：輸入電壓為185V時，裝置運行最為穩(wěn)定，此時套管輸送速度為85個/min，可以保證后續(xù)嫁接作業(yè)對于套管輸送平穩(wěn)性與速度的要求。

自動嫁接；振動輸送裝置；振動電壓；輸出速度

0 引言

蔬菜嫁接技術(shù)歷史久遠，自20世紀80年代日本出現(xiàn)自動嫁接技術(shù)以來，日韓、中國和歐美國家都進行了相關(guān)研究，取得了一些成果[1-2]。由于嫁接過程的不同，自動嫁接技術(shù)中的輔助接合件的選用也不盡相同[3]。

本文研究的套管式嫁接的核心是在嫁接過程中合理安放套管，使被嫁接砧木、穗木有效接合。套管嫁接與其他嫁接方法相比較，可以有效提高嫁接苗存活率,保持嫁接點處水分含量，且套管具有成本低、可重復利用等優(yōu)點[4]。

當前，國內(nèi)外的套管式嫁接主要用于人工嫁接作業(yè)，廣泛用于西紅柿、茄子的嫁接。利用套管式嫁接法進行全自動機械嫁接的技術(shù)還不夠成熟。在國外，日本煙草公司率先開發(fā)出套管式蔬菜嫁接機，該嫁接機采用一種具有熱縮性的塑料管。嫁接時，由套管供應裝置切下適當長度的熱縮管，將穗木和砧木分別插入其中進行嫁接；然后，用高溫熱氣快速加熱接合部位，套管因受熱而收縮，夾緊接合后的幼苗，待短時間冷卻后即完成嫁接作業(yè)過程。除上述介紹，國內(nèi)外與套管自動嫁接相關(guān)的文獻很少[5-6]，且無樣機。

因此，對于采用套管法嫁接的研究很有必要性和探索價值。為此，本文設(shè)計研究了一種套管輸送裝置，為后續(xù)機器套管獲取與后續(xù)嫁接提供研究基礎(chǔ)。

1 套管選擇

套管的選取不僅影響到后續(xù)套管振動輸送裝置的設(shè)計，還會對嫁接成功率和成活率產(chǎn)生一定影響。目前，實際生產(chǎn)中用于嫁接作業(yè)的套管，主要有以下3種類型(見圖1)：①圓柱形塑料管；②開槽熱塑套管；③圓臺型套管。分別比較3種套管的使用難度、機械操作可行性和性價比，選擇最適宜的一種套管作為研究對象。

圖1 套管種類

圓柱形塑料管形狀簡單，但機械化輸送和拾取比較困難。其在機器嫁接中有過嘗試，具有一定的可行性，使用時需要設(shè)計專門的機械手爪抓取熱縮管，并配套加熱裝置，但價格在3者中最為低廉。有開槽型熱縮套管在人工嫁接中使用廣泛，因設(shè)置開口，容易通氣且保濕效果好，有利于嫁接苗成活；但機器嫁接中未見有嘗試，使用難度較大，價格適中。圓臺型套管在人工嫁接中使用較多，因套管各部分外徑有所差異，符合嫁接苗上部外徑大、下部外徑小的實際情況，因此嫁接后成活率更高。該套管呈半透明狀，一側(cè)開口，有良好的擴展性，對于莖稈直徑有所差異的嫁接苗具有良好的適應性。由于形狀特征明顯，容易設(shè)計出專門裝置進行機械化嫁接操作，因此相對容易實現(xiàn)機械化使用，使用難度較低，且大批量購買價格較為低廉。

通過表1比較可知：選擇圓臺型套管作為震動裝置的研究對象，有利于震動裝置的機械機構(gòu)設(shè)計，也利于對嫁接苗的續(xù)緩苗期培養(yǎng)。針對人工嫁接用圓臺型套管，需做進一步進行優(yōu)化，使之適合機械振動排列動作。圓臺型套管的頂端具有一個把柄結(jié)構(gòu)，主要目的是便于人工嫁接時的套管拾取；但在機械自動嫁接作業(yè)中，該把柄會造成機械結(jié)構(gòu)部分的繁雜，因此使用前首先進行預處理，將套管此處結(jié)構(gòu)去掉。

表1 套管種類比較

處理后的套管及尺寸圖2所示。其中，內(nèi)徑尺寸d2考慮嫁接苗株徑大小，實驗室前期研究表明，適宜嫁接時期的砧木株徑為2.4～3.1mm，因此選擇內(nèi)徑為2.5mm；當切削角度為30°時，形成貼合面長度約為4.8～6.2mm；為保證包覆充分，套管長度H應大于兩倍的貼合面長度，因此選擇H為14mm規(guī)格的套管。以上關(guān)鍵尺寸確定后，圖2(b)中標注的其他尺寸也將確定。

圖2 套管三維圖和尺寸示意

2 震動輸送裝置關(guān)鍵部件設(shè)計

2.1 裝置總體結(jié)構(gòu)及工作原理

本研究的震動輸送裝置主要由震動基座、螺旋升道、大頭卡道、換向擋塊、換向弧道、定向軌道、定向調(diào)整缺口、V型槽、圓弧軌道、小頭輸送軌道、凸起峽口、回料口、出料口、料斗本體和壓緊連接件組成，如圖3所示。

1.基座 2.螺旋升道 3.大頭卡道 4.換向擋塊 5.換向弧道 6.定向軌道 7.定向調(diào)整缺口 8.V型槽 9.圓弧軌道 10.小頭輸送軌道 11.凸起峽口 12.回料口

工作過程為：震動基座是由多塊磁鐵通過一定結(jié)構(gòu)進行布置的能產(chǎn)生圍繞圓心進行扭轉(zhuǎn)震動的常規(guī)部件，當外部電源供電時，可產(chǎn)生連續(xù)震動；螺旋升道為套管前期運動軌道，主要作用是將雜亂套管形成單一運動流并上升至出料平面高度；大頭卡道將運動方向進行第1次微調(diào)，不論套管大頭朝前還是小頭朝前，套管小頭均滑落到大頭卡道與螺旋升道的外側(cè)圓柱面上沿之間的縫隙中，而套管大頭則卡在大頭卡道內(nèi)側(cè)，套管此時運動方向與套管軸心線大致垂直；當套管前進至換向擋塊后，小頭受阻， 大頭繼續(xù)前進，使套管位置發(fā)生偏轉(zhuǎn)并前進至換向弧道內(nèi)，套管以大頭朝前的姿態(tài)前進；當套管運動至定向調(diào)整缺口處時，由于重力作用下落至V型槽內(nèi)，因V型槽呈傾斜狀態(tài)，套管小頭先行掉落至圓弧滑道內(nèi)，并在小頭輸送軌道內(nèi)運動，直至出料口；當大量套管聚集至出料口附近時，位于回料口附近的套管會碰撞凸起峽口而重新掉落至料斗本體內(nèi)。如此循環(huán)，保證有序、定向地輸送套管。輸送過程如圖4所示。

圖4 裝置工作過程示意

2.2 關(guān)鍵部件

2.2.1 第1導向組

第1導向組主要包括大頭卡道和換向擋塊，如圖5所示。其中，大頭卡道的縫隙寬度W和換向擋塊的伸出長度L直接關(guān)系到套管方向調(diào)節(jié)。

圖5 第1導向組

其中，W值考慮套管外周直徑大小，根據(jù)套管直徑參數(shù)確定為5.5≤W≤8.5；L值的小大直接影響套管調(diào)整效果，套管高度為14mm，套管端蓋厚度為h，則L值需大于14-h(mm)。該部分工作過程示意圖如圖5(c)所示，其主要功能為沿逆時針方向調(diào)整套管，使得套管旋轉(zhuǎn)90°。

2.2.2 定向換向組

定向換向組主要包括定向調(diào)整缺口、V型槽(見圖6)圓和弧軌道。

圖6 V型槽設(shè)計

設(shè)計中選擇使用開口為90°的V型槽，其兩側(cè)受力情況相同，利于套管滑落。根據(jù)圖6(a)分析可得：∠BOA=∠BAO=45°，當V型槽的寬度L滿足L≥2AB時，可完全包覆套管。設(shè)計中，選擇L=2AB=R=8mm，R為套管大頭直徑。為簡便計算過程，將套管理想成粗細均勻的圓柱，理性模型受力情況如圖6所示。列受力分析公式為

FN1·cos45°+FN2·cos45°=mg

μ·(FN1+FN2)=Ff

mg·sinθ-Ff=ma

該部分設(shè)計要求為：即使震動裝置停止工作，運動至V型槽的套管能夠自行滑落至圓弧軌道。所以，a≥0，得

θ≥arcsin(μcos45°)

查找機械設(shè)計手冊得，不銹鋼與塑料間的摩擦因數(shù)為0.76，即μ=0.76。代入數(shù)據(jù)計算得：θ≥32.5°，取θ=35°。

圓弧滑道的設(shè)計要求較為寬泛，只需承載套管并輔助套管滑落至出料口附近即可。圖7(a)、(b)分別為套管在V型槽和圓弧滑道內(nèi)的運動狀態(tài)示意圖。

1 .V型槽陋就簡 2.圓弧滑道

3 工作性能試驗與分析

套管輸出的穩(wěn)定性直接關(guān)系到嫁接機的實際工作性能，因此研究震動輸送裝置的工作性能參數(shù)至關(guān)重要。實際工作中，不同的振幅會導致套管的輸出連續(xù)性和輸出穩(wěn)定性發(fā)生變化。進行試驗之前，通過簡單試驗直接觀察可知：當輸入電壓小于170V時，套管輸出接近停滯狀態(tài)，套管不能有效地從料斗內(nèi)沿螺旋升道上升；當電壓大于200V時，頻率過大導致套管行進至出料口時發(fā)生明顯跳動，輸出穩(wěn)定性差。因此，確定試驗電壓范圍為170～200V。

套管輸出的連續(xù)性可以通過記錄相鄰兩個套管輸出的時間差來進行評判，時間相差越短，則表示套管輸出越趨于連續(xù)；穩(wěn)定性則可以通過套管輸送過程中的時間差的變異系數(shù)來考察[7]。變異系數(shù)表征考察變量的離散程度，變異系數(shù)越大，表示該指標的離散程度越大，越不穩(wěn)定。本次試驗中，套管輸出時間差作為被考察變量，該變異系數(shù)表明套管輸出的穩(wěn)定性，希望變異系數(shù)越小越好。

試驗中，通過調(diào)節(jié)數(shù)字穩(wěn)壓控制器旋鈕獲得不同的輸入電壓。通過智能手機記錄實驗過程，觀察視頻中套管掉落的時間點，并用數(shù)字秒表記錄不同電壓下掉落100個套管的時間間隔時間點，每個電壓設(shè)定值下重復進行2次試驗，分別計算相應的套管輸出時間變異系數(shù)Cv和套管輸出時間間隔平均值T，再取2次測定的平均值作為該電壓控制下的套管輸出性能指標。變異系數(shù)為

(1)

(2)

式中 Cv—套管輸出時間變異系數(shù)；

S—試驗樣本標準差；

△ti—相鄰兩個套管輸出時間差；

n—兩套管輸出時間間隔數(shù)。

通過數(shù)據(jù)記錄，整理出實驗中從170～200V各電壓段時震動輸送裝置的工作性能參數(shù)，分別包括兩次落下100個套管的總時間平均數(shù)T和對應時間間隔的變異系數(shù)Cv，如圖8所示。

圖8 數(shù)據(jù)分析

圖8顯示：當電壓從170V逐漸升高至200V的過程中，套管輸出穩(wěn)定性先升高后降低，當電壓達到180V時，其輸出穩(wěn)定性最高；電壓170～200V之間時，套管輸出時間整體較為平穩(wěn)且逐漸縮短，輸出最穩(wěn)定時其輸出速度為70.66s/100個，合85個/min，可以滿足后續(xù)嫁接機對該裝置的效率要求。

4 結(jié)論

1)設(shè)計了一種專門進行套管定向排列輸出的震動輸送裝置，其可使套管在振動盤中有序排列和輸出，為后續(xù)嫁接機器對套管的拾取提供了必要條件。

2)震動輸送裝置的性能試驗表明：當電壓為185V時，套管輸出最為平穩(wěn)；當電壓在170～200V區(qū)間內(nèi)時，輸出速度逐漸升高，輸出最為平穩(wěn)時的輸出速度為85個/min，能夠滿足后續(xù)自動嫁接機器的嫁接效率要求。

[1] Lee J, Kubota C, Tsao S J, et al. Current status of vegetable grafting:Diffusion, grafting techniques, automation[J].Scientia Horticulturae,2010,127(2):93-105.

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The Design and Test of Casing Vibration Conveying Device

Zhang Wenbo, Zhang Tiezhong, Chu Jia, Zhang Libo, Liu Zhan, Kong Yanshan

(College of Engineering , China Agricultural University,Beijing 100083,China)

In order to design a new type of high speed automatic grafting machine, we try to use tube as the fixture, and designed a kind of casing vibration conveying device.This kind of device could make the disordered tube orderly arranged in the same direction and conveyed to the desired location.Based on the study of the structure of the device, selected the very tube as test object, the voltage as the only variable, to make a test on this device and get the coefficient of variation as the evaluation index.The results show that this device will run smooth and steady when the voltage is 185V , the outputting efficiency is 85 pieces/min.The device could satisfy basic requirements of high speed atuomatic grafting machine.

automatic grafting; vibration plate; vibration voltage; outputting speed

2016-03-29

國家高技術(shù)研究計劃項目(2012AA10A506-2)；公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(201303014-09)

張文波(1991-)，男，內(nèi)蒙赤峰人，碩士研究生，(E-mail)zwbwork@126.com。

張鐵中(1957-)，男，河北邢臺人，教授，博士生導師，(E-mail)zhangtz56@163.com。

S223.1；S220.3

A

1003-188X(2017)04-0068-05