凸輪取苗機構(gòu)夾苗工作過程分析與試驗研究

唐海洋，李樹峰，曹衛(wèi)彬，趙宏政，馬　銳

(石河子大學(xué) 機械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子　832003)

0　引言

新疆旱地移栽(如辣椒、番茄等)作業(yè)主要采用半自動移栽機。這種人工投苗的轉(zhuǎn)杯吊籃移栽機主要靠作業(yè)人員從苗盤中拾取穴盤苗并投入移動轉(zhuǎn)杯，精神高度緊張、眼睛容易疲勞、勞動強度較大、作業(yè)效率較低、人工投入多，難以適應(yīng)新疆大面積移栽，限制了新疆的蔬菜生產(chǎn)的進一步發(fā)展。因此，大面積的移栽作業(yè)對發(fā)展高速、高效全自動移栽機提出了迫切需求[1-2]。

取苗機構(gòu)作為全自動移栽機的重要組成部分，其結(jié)構(gòu)的合理性對取苗成功率有直接的影響，直接反映了移栽機的工作性能[3-4]。本文采用凸輪與連桿機構(gòu)組合成取苗裝置，苗針夾取基質(zhì)的加持力可調(diào)，機構(gòu)簡單，可快速實現(xiàn)夾苗和推苗作業(yè)，工作性能穩(wěn)定。只需1名作業(yè)人員把苗盤放入自動送苗裝置和收取移栽完成的空苗盤，降低了人工勞動強度，減少人工投入，提高了移栽作業(yè)效率，為實現(xiàn)全自動移栽機提供了參考。

1　基本結(jié)構(gòu)及工作原理

取苗機構(gòu)是取苗裝置的關(guān)鍵部件之一，取苗裝置的作業(yè)質(zhì)量直接影響整機的作業(yè)效果取苗機構(gòu)由凸輪、滾子、推桿、推苗桿、苗針及基質(zhì)組成，如圖1所示。當滾子運動到凸輪的推程段，推桿克服彈簧作用力拉動推苗桿，苗針在推苗桿的作用力驅(qū)動下在取苗工位上夾緊基質(zhì)；滾子運動到凸輪遠休止段時，苗針保持夾取基質(zhì)動作把苗輸送到投苗工位；當滾子運動到回程時，推苗桿在彈簧力作用下使苗針放松并把基質(zhì)從苗針退掉，完成投苗任務(wù)。滾輪運動到凸輪的靜休止段，苗針回到取苗工位，以上動作完成了1次取苗作業(yè)。

1.凸輪　2.滾子　3.推桿　4.彈簧　5.推苗桿　6.苗針　7.基質(zhì)圖1　取苗機構(gòu)運動方案圖

2　苗針夾取基質(zhì)受力分析

拉拔力P由穴盤材料、基質(zhì)大小、基質(zhì)成分及基質(zhì)含水率等決定。基質(zhì)含水率難以精確控制和提前預(yù)知，試驗前采取加熱蒸發(fā)等措施加大基質(zhì)含水率差異進行試驗。預(yù)設(shè)對低(50%)、中(60%)、高(70%)共3個水平的基質(zhì)試驗，實際每個水平的含水率相近(±2%)，試驗時基質(zhì)的平均含水率分別為50%、60%、70%。在此測試從苗穴里取出基質(zhì)的拉拔力由萬能試驗機所測得，如圖2所示。由萬能試驗機所測得拉拔力試驗機所測的數(shù)據(jù)如表1所示。

圖2　基質(zhì)拉拔力測試

樣本編號含水率/%測試結(jié)果均值/N12345501.5821.6911.6891.3241.3971.5412345601.6321.5891.6011.7101.5121.6112345701.3321.2770.9681.3321.4821.28

2.1　夾持力分析

摩擦力f由土壤滑移摩擦力ff和因土壤物料間的粘著力而產(chǎn)生的滑移阻力fα組成，即

f=ff+fa=μ(PS+N1)

(1)

式中μ—摩擦因數(shù)；

S—實際接觸的粘附面積。

圖3　基質(zhì)受力分析

取苗針對基質(zhì)作用力分解為x軸與y軸方程為

fsinθ+N2sinθ-N1cosθ=0

(2)

fcosθ+N1sinθ+N2sinθ-P1=0

(3)

聯(lián)合摩擦力f=μN1，解得

(4)

(5)

(6)

由力學(xué)分析可知：N1、f對取苗成功率有著決定性的作用。N1、f越大，取苗針越容易把基質(zhì)從苗穴里取出來。根據(jù)公式(4)～(6)可知：基質(zhì)受力主要影響因素為粘著力P1、苗針插入基質(zhì)的角度θ、基質(zhì)和取苗針的摩擦因數(shù)μ。由表1可知：含水率在50%時的拉拔力高于60%、70%時的拉拔力；由于此機構(gòu)取苗針插入基質(zhì)的角度調(diào)節(jié)范圍小，θ取值范圍在0°～10°。摩擦因數(shù)μ對N1、f也有影響，在此采用摩擦角測量儀測了基質(zhì)與3種不同材質(zhì)的摩擦因數(shù)μ，具體如下：基質(zhì)與鋼板的μ為0.78，基質(zhì)與橡膠板的μ為0.93，基質(zhì)與竹子的μ為1.07。根據(jù)式(2)～式(6)及試驗所測參數(shù)P1、θ、μ參數(shù)，運用Matable軟件編程繪圖可以直觀地看出：粘著力P1、苗針插入基質(zhì)的角度θ、基質(zhì)和取苗針的摩擦因數(shù)μ三因素與N1、f的函數(shù)關(guān)系。

2.2　MatLab數(shù)值計算

在此只需列出P1、θ、μ三因素對f的影響，函數(shù)圖像如圖4所示。

圖4　基質(zhì)與苗針的摩擦力函數(shù)圖像

根據(jù)苗針與基質(zhì)受力分析及函數(shù)圖像顯示：基質(zhì)所受摩擦力f及夾持力N1主要影響因素為粘著力P1、苗針插入基質(zhì)的角度θ及基質(zhì)和取苗針的摩擦因數(shù)μ，并且隨著苗針插入基質(zhì)角度θ增大，摩擦力f及夾持力N1減小。竹針取苗時，取苗針與基質(zhì)產(chǎn)生的摩擦力大于分別采用橡膠針取苗和鋼針取苗，即μ越大，基質(zhì)所受摩擦力f及夾持力N1較大?；|(zhì)含水率為50%時的拉拔力大于含水率60%、70%基質(zhì)，苗針在取苗時苗針與基質(zhì)所產(chǎn)生的摩擦力f及夾持力N1也較大。為了驗證以上理論分的客觀性，以下安排了四因素三水平正交試驗，找出最佳的工作參數(shù)，提高取苗成功率。

3　試驗研究

3.1　試驗對象

試驗對象采用苗齡為50～60天的品種為大螺絲Hydrid F1號，苗平均高度15cm,苗幅展平均寬度8cm；采用約50%、60%、70%含水率的基質(zhì)，苗針的材質(zhì)采用鋼針、橡膠針及竹針。

3.2　試驗對象及儀器設(shè)備

所采用的儀器設(shè)備如下：濟南時代山峰儀器有限公司制造的WDS-5型微控電子萬能實驗機，最大實驗力500N；摩擦角測量儀；角度測量儀；精度為0.01g的電子秤。

3.3　試驗設(shè)計

選取L9(34)正交表安排試驗(見圖5)，因素A材質(zhì)選取鋼針、橡膠針、竹針3個水平，因素B范圍(0°～10°)選定，因素C含水率選50%、60%、70%，因素D虛擬1個水平，如表2所示。據(jù)經(jīng)驗分析可知：苗針插入基質(zhì)35mm要比30mm時苗針對根部的穩(wěn)定效果好，虛擬第1水平(35mm)安排在第4列。

圖5　取苗試驗

水平試驗因素苗針材質(zhì)A插入角度B/(°)基質(zhì)含水率C/%插入深度D/mm1Q238250352竹子560303橡膠棒87035

3.4　試驗結(jié)果

根據(jù)因素水平表2進行試驗，結(jié)果如表3所示。

表3　試驗方案與結(jié)果

3.5　方差分析

試驗結(jié)果方差分析如表4所示。

表4　試驗結(jié)果方差分析

由表4反映出各因素?zé)o顯著影響，把影響因素小的D并入誤差，使得新的誤差平方和SE1=SE+SD,再列方差分析表，如表5所示。

表5　第2次計算結(jié)果方差分析

F0.001(2,2)=99，F(xiàn)0.05(2,2)=19。由此看出，因F0.01(2,2)>FA=96.33>F0.05(2,2)，F(xiàn)B=39.19>F0.05(2,2)=19,FC=20.14>F0.05(2,2)=19，所以因素A、B、C的影響均是顯著的。由方差分析可得最優(yōu)方案為A2B2C2D1。

4　結(jié)論

1)通過理論分析得出苗針夾取基質(zhì)的摩擦力f及夾持力N1主要影響因素為粘著力P1、苗針插入基質(zhì)的角度θ及基質(zhì)和取苗針的摩擦因數(shù)μ。

2)采用MatLab軟件對理論方程進行計算表明：隨著苗針插入基質(zhì)角度θ增大，摩擦力f及夾持力N1減?。沪淘酱?，基質(zhì)所受摩擦力f及夾持力N1越大；基質(zhì)含水率為50%時的拉拔力大于含水率60%、70%基質(zhì)，苗針在取苗時苗針與基質(zhì)所產(chǎn)生的摩擦力f及夾持力N1也較大。

3)試驗結(jié)果表明：苗針材質(zhì)為μ較大的竹子、夾持角度為5°、基質(zhì)含水率為60%、苗針插入基質(zhì)深度為30mm時取苗效果最佳，驗證了苗針夾取基質(zhì)理論分析的正確性。