林 利,楊文彩,杜一帆,宋志鵬
(云南農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,昆明 650051)
三七是云南省重要的中藥材作物,具有極高的藥用、醫(yī)療保健及經(jīng)濟(jì)價值[1]。以云南農(nóng)業(yè)大學(xué)朱有勇院士為首的克服三七連作障礙研究團(tuán)隊(duì)探索的三七槽式育苗模式,是云南省政府主導(dǎo)推廣的三七育苗模式,經(jīng)過多年實(shí)踐也證明了其科學(xué)性和實(shí)用性[2]。課題組針對該模式研發(fā)出配套的2BQ-28型三七精密播種機(jī),在生產(chǎn)實(shí)踐中具有良好的效果。
三七精密播種問題涉及到農(nóng)藝、播種機(jī)械、操作人員及大棚育苗環(huán)境等多因素,是一個人-機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)工程問題。為了充分認(rèn)識三七槽式育苗模式中各個因素互相作用的關(guān)系,課題組前期運(yùn)用模糊綜合評價法,對2BQ-28型三七精密播種機(jī)進(jìn)行了人-機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)工程安全性評價,總體安全性評價一般。其中,人、環(huán)境的因素評價良好,機(jī)的評價因素一般。在近兩年的生產(chǎn)實(shí)踐中,人環(huán)適應(yīng)已經(jīng)得到了充分考慮[3],但2BQ-28型三七精密播種機(jī)主要還存在人-機(jī)不夠配合及機(jī)-環(huán)不夠協(xié)調(diào)等問題。具體體現(xiàn)在:①部件空間布局不合理;②傳動關(guān)系不合理;③人機(jī)操作安全性有待提高。
人-機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)工程是運(yùn)用系統(tǒng)科學(xué)理論和系統(tǒng)工程方法,正確處理人、機(jī)、環(huán)境三大要素的關(guān)系,深入研究人-機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)最優(yōu)組合的一門科學(xué)[4]。本文擬運(yùn)用人-機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)工程及機(jī)電一體化設(shè)計等相關(guān)知識,對上述問題進(jìn)行優(yōu)化。
2.1播種機(jī)存在的問題分析
2.1.1部件空間布局不合理
部件空間布局不合理,主要體現(xiàn)在:①電機(jī)的安裝位置使操作人員清理種子困難,且操作人員使用升降桿調(diào)節(jié)萬向輪高度時手臂和肘容易磕碰種子箱。②機(jī)器的質(zhì)量分布不對稱。機(jī)器行走過程中向一端有微量傾斜,加上育苗槽建造規(guī)范性、基質(zhì)高低均勻性不理想,機(jī)器歪斜超過限位輪保護(hù)范圍,造成機(jī)器卡死、刮壞育苗槽等現(xiàn)象,具體如圖1所示。Q1標(biāo)注位置:萬向輪升降桿與種子箱之間的距離過近,操作人員手動旋轉(zhuǎn)萬向輪升降桿時,種子箱在人體的手、肘旋轉(zhuǎn)運(yùn)動半徑以內(nèi),極易發(fā)生磕碰,影響操作人員手部安全,降低工作效率。Q2標(biāo)注位置:電機(jī)與種子箱最窄處不足50mm,空壓機(jī)與種子最寬處不足90mm;參考國標(biāo)GB/T 18717.2-2002中雙前臂至肘向前、下進(jìn)入開口的方法,開口最小應(yīng)滿足手臂厚度50mm、基本裕量20mm、工作服20mm,共計90mm,可知Q2處的厚度基本不能滿足這一條件[5]。Q3標(biāo)注位置:控制柜、電機(jī)等較重部件集中在播種機(jī)左側(cè),機(jī)器行進(jìn)時向左側(cè)傾斜并擠壓此側(cè)限位輪,當(dāng)機(jī)器偏差過大超過限位輪工作范圍時,限位輪卡死,出現(xiàn)非正常停機(jī)現(xiàn)象。③排種器護(hù)種板開口位置不合理:播種機(jī)在工作時,可能存在窩眼滾筒重復(fù)充種、窩眼內(nèi)包衣劑粉塵過多的現(xiàn)象,如圖2~圖3所示。為了清除窩眼滾筒內(nèi)卡死或多余的種子,以及包衣劑粉塵、灰塵等雜質(zhì),本機(jī)設(shè)計了排種器護(hù)種板開口,操作人員可以使用空壓機(jī)氣槍通過護(hù)種板開口進(jìn)行清種。
1.萬向輪升降桿 2.窩眼滾筒軸線保護(hù)機(jī)殼 3.機(jī)架4.控制柜 5.電機(jī) 6.種子箱 7.種子箱隔板 8.空壓機(jī)
圖2 操作人員視角示意圖
圖2中,由于此開口過短,且開口位置過低,含有多余種子的窩眼滾動到排種器護(hù)種板開口時,操作人員無論是站姿還是蹲姿都無法第一時間看到;當(dāng)操作人員發(fā)現(xiàn)窩眼內(nèi)含有種子時,操作時間已經(jīng)不足。
2.1.2傳動關(guān)系不合理
本機(jī)的傳動關(guān)系是由電機(jī)通過所在軸齒輪鏈傳動帶動主動輪軸轉(zhuǎn)動,再由主動輪所在軸的齒輪通過鏈傳動帶動窩眼滾筒軸轉(zhuǎn)動。機(jī)器非正常停機(jī)時主動輪停止轉(zhuǎn)動,窩眼滾筒在電機(jī)的作用下持續(xù)轉(zhuǎn)動,導(dǎo)致嚴(yán)重的停機(jī)重播現(xiàn)象。改進(jìn)前傳動方式如圖4所示。
圖3 改進(jìn)前排種器護(hù)種板開口位置示意圖
圖4 改進(jìn)前傳動方式簡圖
2.1.3人機(jī)操作安全性有待提高
正確的進(jìn)行人-機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)工程安全性評價對提高人機(jī)操作安全性很重要。根據(jù)Delphi法[6],項(xiàng)目組選取如表1所示的評價因素及評價指標(biāo)。選擇備擇集{好,良好,一般,差},按照9標(biāo)度打分法,設(shè)計了一、二級權(quán)重調(diào)查表,以參與2BQ-28型三七精密播種機(jī)播種生產(chǎn)環(huán)節(jié)的師生為調(diào)查對象進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。
表1 評價指標(biāo)的選取
本文運(yùn)用了模糊綜合評價法[7],對收集的調(diào)查結(jié)果進(jìn)行分析評價,將數(shù)據(jù)帶入,得出權(quán)重集A=(0.31 0.4 0.29),單因素評價矩陣R為
最終得出人-機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)工程的模糊綜合評價B=A×R=(0.18 0.4 0.37 0.09)。
根據(jù)以上數(shù)據(jù)分析,2BQ-28型三七精密播種機(jī)的人-機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)工程安全性評價良好。
2.1.4用電安全性差
機(jī)器的用電安全性存在以下兩個問題:①控制柜內(nèi)線路混雜,存在安全隱患且浪費(fèi)大量空間;②機(jī)器接電方法不規(guī)范,隨著機(jī)器行進(jìn),電線在育苗槽肩及基質(zhì)表面拖動易磨損漏電,且在一定程度上破壞了三七種苗的發(fā)育環(huán)境。
改進(jìn)前控制柜內(nèi)部電路安裝位置示意圖如圖5所示。
圖5 改進(jìn)前控制柜內(nèi)部電路安裝位置示意圖
圖5中,電路開關(guān)、端子排、控制顯示器等部隨意擺放,線路雜亂且沒有固定方式。改進(jìn)前機(jī)器接電線路示意圖如圖6所示。圖6中,三七育苗大棚縱深方向每隔30~40m、水平方向每隔4~5個育苗槽設(shè)置有一個電線插座,負(fù)責(zé)播種機(jī)的電力供應(yīng)。2BQ-28型三七精密播種機(jī)的接線方法為:由電線插座引線經(jīng)槽肩、基質(zhì)表面,在萬向輪升降桿繞匝(播種機(jī)工作時萬向輪向上收起擰緊)固定后通過電線插排接入控制柜。這種接線方法存在以下問題:①不符合電力系統(tǒng)設(shè)計要求;②萬向輪升降桿不具有繞線器的功能,容易發(fā)生電線掉落被機(jī)器碾壓的情況;③機(jī)器行進(jìn)時,電線在育苗槽槽肩、基質(zhì)表面拖動,電線表面的絕緣層受到嚴(yán)重的磨損,形成用電安全隱患;④三七種子播種后必須進(jìn)行覆土處理,保護(hù)種子不受自然光、空氣流動等影響損失水分;但是覆土層的厚度很薄,三七種苗種植的農(nóng)藝標(biāo)準(zhǔn)為1cm,機(jī)器行進(jìn)時電線在基質(zhì)表面拖動,破壞了覆土層,嚴(yán)重影響了三七種子的發(fā)育。
圖6 改進(jìn)前機(jī)器接電線路示意圖
根據(jù)2.1.1~2.1.4節(jié)的分析可以得出結(jié)論:①需要對部件布局進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化,使之符合人機(jī)工程學(xué);②傳動關(guān)系需要重新設(shè)計;③機(jī)器安全性有待提高,尤其是用電安全需要改進(jìn)。
2.2優(yōu)化原則
2BQ-28型三七精密播種機(jī)布局優(yōu)化的原則如下:①整機(jī)尺寸美觀大方,比例與尺度適合,適用于槽式育苗大棚。②控制部件集中,人機(jī)交互設(shè)備簡潔明了:操作裝置易于操作人員用力,符合人體工效學(xué)原則。③各部件布局合理,給操作人員操作機(jī)器預(yù)留空間;簡化整合各部件的線路;機(jī)器質(zhì)量分布均勻。④安全性有保障,避免出現(xiàn)有可能傷害到操作人員的情況。
2.3優(yōu)化措施
2.3.1播種機(jī)整機(jī)布局優(yōu)化
改進(jìn)后,電機(jī)與種子箱之間的距離增加45cm;控制柜調(diào)整到與空壓機(jī)同一水平方向,以平衡質(zhì)量;播種機(jī)整機(jī)尺寸增加50mm;機(jī)器后方(以行進(jìn)方向?yàn)檎较?萬向輪升降桿、機(jī)架與種子箱之間的距離增加50mm,如圖7所示。
1.控制柜 2.萬向輪升降桿 3.窩眼滾筒軸線保護(hù)機(jī)殼4.機(jī)架 5.電機(jī) 6.種子箱 7.種子箱隔板 8.空壓機(jī)
2.3.2傳動關(guān)系的改進(jìn)
為解決2BQ-28型三七精密播種機(jī)卡死時出現(xiàn)的停機(jī)重播現(xiàn)象,現(xiàn)設(shè)計為電機(jī)通過所在軸齒輪鏈傳動帶動主動輪軸轉(zhuǎn)動,機(jī)器行進(jìn)帶動從動輪軸轉(zhuǎn)動,再由從動輪所在軸齒輪鏈傳動帶動窩眼滾筒軸轉(zhuǎn)動;一旦機(jī)器非正常停機(jī)時,機(jī)器停止行進(jìn)從動輪停止轉(zhuǎn)動,窩眼滾筒也停止轉(zhuǎn)動。改進(jìn)后傳動方式簡圖如圖8所示。
圖8 改進(jìn)后傳動方式簡圖
2.3.3排種器護(hù)種板開口優(yōu)化
如圖2所示,以GB10000-1988《中國成年人人體尺寸》為參考依據(jù),取人體站姿眼高1 600mm[8];軸心離育苗槽肩高度460mm,觀察護(hù)種板人員與窩眼滾筒軸心距離范圍取400~1 000mm;俯首舒適角取15°;人體主要視角以人眼水平視線為基準(zhǔn),向下偏離70°~90°[9]。種子箱的構(gòu)造及尺寸經(jīng)過實(shí)體測量及理論對比,得出以下數(shù)據(jù):種子箱上部寬430mm,種子箱機(jī)器后側(cè)部分高345mm,種子箱機(jī)器機(jī)器前側(cè)垂直部分高245mm,傾斜部分高100mm,寬140mm,窩眼滾筒直徑230mm,護(hù)種板厚20mm,護(hù)種板開口最低端據(jù)窩眼滾筒軸線水平距離55mm,護(hù)種板開口最頂端距窩眼滾筒軸心垂直距離75mm。
改進(jìn)后排種器護(hù)種板開口位置示意圖如圖9所示。改進(jìn)后護(hù)種板開口最低端距窩眼滾筒軸線水平距離為65mm,護(hù)種板開口最頂端距窩眼滾筒軸心垂直距離25mm。
2.3.4控制柜的改進(jìn)
控制柜外部采取雙LED燈顯示機(jī)器工作狀態(tài),利用機(jī)械造型原理中點(diǎn)具有高度集中感覺,大面與點(diǎn)之間形成強(qiáng)烈的對比作用,極易引導(dǎo)視線、突出焦點(diǎn)[10];內(nèi)部線路布局以電源線為設(shè)計基準(zhǔn)[11],在控制柜中間增加絕緣線槽作為電路通道,電路開關(guān)、端子排、控制顯示器在絕緣線槽上方集中放置,如圖10所示。
圖9 改進(jìn)后排種器護(hù)種板開口位置示意圖
圖10 改進(jìn)后控制柜內(nèi)部電路安裝位置示意圖
2.3.5機(jī)器接電方案的改進(jìn)
為保障用電安全,做如下改進(jìn):在育苗棚內(nèi)頂部、育苗槽肩正上方設(shè)置托架,控制柜外部增加一個繞線柱;機(jī)器接電線路從電線插座引出,經(jīng)托架后在繞線柱上繞匝、固定,最終接入控制柜,如圖11所示。
圖11 機(jī)器接電線路的機(jī)-環(huán)協(xié)調(diào)優(yōu)化
托架只需在電線插座的水平位置上放置,每一個育苗槽間隔只放置一個,以規(guī)格16槽×120m槽長的三七育苗大棚為列,平均每個大棚只需放置36~48個托架,改進(jìn)成本低,實(shí)用性強(qiáng)。
科學(xué)、全面地認(rèn)識三七育苗系統(tǒng)中的各個要素,系統(tǒng)優(yōu)化三七精密播種機(jī),對三七育苗環(huán)節(jié)起著重要作用。本文從人-機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)工程的角度出發(fā),綜合了三七育苗農(nóng)藝要求、機(jī)械設(shè)計、機(jī)電一體化及人體工效學(xué)等各方面的知識,對2BQ-28型三七精密播種機(jī)整機(jī)及部件空間分布、傳動關(guān)系、排種器護(hù)種板開口位置、控制柜布局、機(jī)器接電方案進(jìn)行了優(yōu)化,改善了播種機(jī)的人-機(jī)匹配和機(jī)-環(huán)協(xié)調(diào)問題,為三七播種質(zhì)量提供了重要保障。
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