馬鈴薯種植氣動控制切種裝置

溫潔明,江 山,戴宛林,李福敏,李有立,鄧鴻陽

( 廣西大學 機械工程學院,南寧 530004 )

0 引言

馬鈴薯原產(chǎn)于南美洲,目前主要生產(chǎn)國有中國、俄羅斯、印度、烏克蘭及美國等。其中,我國的馬鈴薯產(chǎn)量居世界第一。2015年,我國啟動了馬鈴薯主糧化戰(zhàn)略,推進把馬鈴薯加工成饅頭、面條、米粉等主食,馬鈴薯成為除稻米、小麥 、玉米外的又一主糧[1]。

近年來,我國馬鈴薯產(chǎn)業(yè)種植面積基本穩(wěn)定、總產(chǎn)略有增加。隨著馬鈴薯主糧化戰(zhàn)略的提出和人民對健康綠色生活要求的不斷提升,馬鈴薯的需求不斷增加[2]。然而,馬鈴薯種植過程中,僅僅實現(xiàn)了播種的機械自動化,而種子加工仍然是手工進行。馬鈴薯切種是馬鈴薯生產(chǎn)過程中比較繁瑣的環(huán)節(jié),也是影響播種質量的重要環(huán)節(jié)。為了解決這一問題,提高農民收入,設計了一款馬鈴薯種植氣動控制切種裝置。在設計過程中,根據(jù)實際情況確定了裝置的尺寸及適配性,采用自動化氣動切割,確保切割的準確性及高速性,從而實現(xiàn)切種過程的高效率和高質量。

1 總體闡述

馬鈴薯種植氣動控制切種裝置主要由氣動切種機構、氣動單向鏈輪供料機構和底座組成,如圖1所示。氣動切種機構和氣動單向鏈輪供料機構分別安裝在底座上。機器運作時,在切種盒中放上馬鈴薯,供料機構啟動,推送馬鈴薯至切種機構下方;切種機構啟動,進行切種操作;切種完畢后,供料機構將已經(jīng)加工完成后的薯塊運送至收集盒,同時運送新的馬鈴薯進行切種。

1.約束架 2.底座 3.切種盒 4.刀具 5.刀具端架圖1 總體設計Fig.1 Overall design picture。

2 關鍵構件設計

2.1 氣動切種機構

氣動切種機構如圖2所示。機構固定于底座上,氣缸固定于底座上端,與切種刀具端架相連接,底座設切種刀具約束裝置,保證切種刀具端架垂直運動;切種刀具端架下端與兩片上位橫向刀具和1片下位縱向刀具相連接。裝置啟動時,氣缸向下產(chǎn)生沖力,帶動3片刀具向下進行切割運動,從而實現(xiàn)土豆的切種。

1.刀具端架 2.上位橫向刀具 3.下位縱向刀具 4.馬鈴薯圖2 氣動切種機構Fig.2 Pneumatic seed cutting mechanism。

為保證切削力,切種操作采用氣缸作為動力,標準參數(shù)如表1所示。

表1 氣缸標準參數(shù)Table 1 Standard parameters of seed cutting cylinder。

選取工作壓力為0.5MPa,氣缸運行速度為400mm/s。按照國家標準,刀具設計針對氣缸速度在50～500mm/s范圍內的水平或垂直動作,A≤0.5,則取A=0.5。

式中F—實際輸出力;

A—工作阻力;

P—工作壓力;

D—缸徑。

實際氣缸輸出力為201N,刀具行程150mm,運行速度為400mm/s。經(jīng)檢驗,該輸出力滿足馬鈴薯切削所需,速度適中,不會造成馬鈴薯的跳動和底座構架的不穩(wěn)固[3]。

為保證馬鈴薯的出苗率、馬鈴薯的利用率和生產(chǎn)成本,切種時應控制薯塊的質量在40～60g之間,且每個切種必須保證至少1個芽眼。我國種植的馬鈴薯平均質量在200～300g之間,則每個馬鈴薯分割成6塊最為合理。因此,裝置刀具特采用三刀具切種6塊模式,且刀具結構為可替換刀具,以減少換機成本和提高工作效率。刀具參數(shù)設計如表2所示。

表2 刀具參數(shù)設計Table 2 Tool parameter design。

2.2 氣動單向鏈輪供料機構

考慮到切種機構采用氣動,沖擊性強,速度快,為提高切種效率和為保證安全,設計了半自動氣動供料機構。

供料主要原理為氣缸啟動,帶動齒條縱向平移,齒條與齒輪軸相銜接,齒輪軸上安裝單向運動軸承,鏈輪嵌套在單向運動軸承上,鏈輪轉動帶動鏈條上的切種盒運動,從而完成自動供料。供料機構如圖3所示。

1.氣缸 2.齒條 3.單向軸承 4.切種盒圖3 供料機構Fig.3 Feed mechanism。

切種盒的作用是承載切種時的載荷和對馬鈴薯的運動進行限制。為保證切種盒與馬鈴薯和刀具的適配性,切種盒的尺寸為155mm×75mm×50mm(長×寬×高),切種盒間距為80mm。

選用鏈輪的分度圓直徑為61.08mm,齒數(shù)為15,則每移動1個工位時鏈輪的轉動角度為150.09°,即

式中d1—切種盒間距;

d2—鏈輪分度圓直徑;

φ—鏈輪轉動角度。

為保證切種盒的準確切換及切種盒的平穩(wěn)運行,特選用氣缸和齒輪軸規(guī)格如表3所示。

表3 供給機構參數(shù)Table 3 Supply mechanism parameters。

齒輪轉動角度為

式中θ—齒輪軸的轉動角度。

在行程為40mm氣缸的帶動下,齒輪軸的轉動角度152.7°與鏈輪的轉動角度150.09°在誤差允許范圍內,從而能夠保證切種盒的準確定位,從而保證機器的正常運轉。

3 仿真設計與分析

為了檢驗馬鈴薯種植氣動控制切種裝置整體設計及關鍵零件設計是否合理,進一步對該裝置進行優(yōu)化,滿足農民對農機具高效率、低成本和操作簡單的要求,使該裝置更加穩(wěn)定和可靠,便于推廣[4],將該裝置的UG模型導入ADAMS,如圖4所示。

圖4 整體構件仿真設計Fig.4 Overall component simulation design。

仿真過程中,通過對試驗數(shù)據(jù)的分析,對整體裝置的合理性和穩(wěn)定性進行優(yōu)化,且重點對關鍵零件進行測試,通過實驗進行改進[5]。

3.1 刀具切種仿真

切種刀具是裝置的核心部件,要求刀具安全可靠,具有較高的經(jīng)濟性,方便農民的使用及市場的推廣。為此,對刀具的運行軌跡、速度等方面進行仿真演示,以驗證裝置設計是否合理。

3.1.1 刀具切種位移-時間仿真

利用ADAMS,以刀具底端刀刃為端點,測量隨著時間的變化及刀刃與初始狀態(tài)的距離變化,如圖5所示。由圖5可知:刀具運行周期為2s;在單位周期內,運轉時間0.75s,空檔時間1.25s。這樣,既保證了運行效率,又使機器有一定的散熱時間,延長了刀具的使用壽命。

圖5 刀具切種位移-時間仿真Fig.5 Tool cutting displacement - time simulation。

3.1.2 刀具切種速度-時間仿真

在往復切削過程中,對速度的控制極為重要。為保證速度方向的快速轉變,特采用氣缸動力,使刀具在運行過程中速度平穩(wěn),轉向迅速,不會對切種盒和底座造成較大的沖擊性損傷,保證了裝置的壽命和穩(wěn)定性。刀具切種速度仿真如圖6所示。

圖6 刀具切種速度-時間仿真Fig.6 Tool cutting speed - time simulation。

3.2 供料機構仿真

為觀察切種盒的運動情況,特對鏈輪運動的角速度進行仿真研究,如圖7所示。觀察角速度-時間曲線可知:0～1s時,鏈輪以150°/s的速度運轉,速度較低,不會造成沖擊,有利于機器平穩(wěn)的運轉;1～2s時,鏈輪停止轉動,保持靜止狀態(tài),切種機構運作,對切種盒內的馬鈴薯進行切種。

圖7 角速度-時間曲線Fig.7 Angular velocity-time curve。

供料機構與切種機構周期均為2s,具有很好的配合性,且為保證切種機構刀具運轉的0.75s內切種環(huán)境良好,特設計供料機構靜止1s,具有較高的容錯率,以抵消制造誤差所帶來的機構配合不精準,也降低了制造成本。

4 試驗

利用UG繪制三維草圖,并用ADAMS對其進行虛擬仿真,經(jīng)過對整體及關鍵部件的仿真與改進,制造了馬鈴薯種植氣動控制切種裝置物理樣機一臺,如圖8和圖9所示。

圖8 刀具樣機Fig.8 The cutting tool prototype。

圖9 供給機構樣機Fig.9 Supply mechanism prototype。

為了檢驗該裝置的性能能否滿足農民的日常需求,特對該裝置進行實物運轉測試,并與人工馬鈴薯切種效率進行對比。試驗參數(shù)如表4所示,試驗數(shù)據(jù)如圖10所示。

表4 馬鈴薯切種實驗數(shù)據(jù)Table 4 Experimental data of potato seed cutting。

圖10 馬鈴薯切種數(shù)據(jù)Fig.10 Potato seed cutting data。

裝置工作期間運行穩(wěn)定,機器效率是人工的2.6倍,合格率比人工略高。試驗結果表明:人工切種時,開始效率較高,但隨著肌肉的疲勞,人工的單位時間切種數(shù)量一直在下降,可見人工切種不穩(wěn)定性較大,長期勞作,會產(chǎn)生多種病痛;相反,機器切種不僅保證了效率,也解放了勞動力。

5 結論

1)試驗數(shù)據(jù)表明:裝置運轉期間,切種速度相對穩(wěn)定,無巨大波動。

2)切種裝置效率高,約是人工效率的2.6倍。

3)切種裝置采用氣缸與機械裝置巧妙配合的方式,占地空間不大,價格低廉,符合農民對農機具低成本、高效率的要求。