自動(dòng)化沙柳種植機(jī)的設(shè)計(jì)與協(xié)調(diào)性試驗(yàn)

王 慧, 洪 晨, 陳安雨, 趙新宇, 李雄飛, 張存奕

(東北林業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院, 黑龍江 哈爾濱 150040)

沙柳是我國(guó)沙荒地區(qū)較為常見的樹種之一[1-2].作為一種可再生資源,其用途廣泛,在發(fā)揮防風(fēng)固沙作用的同時(shí),也帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益[3-5],是較好的粗飼料資源.隨著我國(guó)畜牧業(yè)的快速發(fā)展,飼料原料的匱乏已經(jīng)成為制約飼料產(chǎn)業(yè)發(fā)展的首要因素[6].而沙柳不僅可與牧草、農(nóng)作物秸稈等調(diào)配成混合飼料,平茬所得的細(xì)梢和嫩枝更是可以直接作為牛、羊、駱駝等的飼草料[7].因此,在不占用耕地的前提下,大規(guī)模開發(fā)沙柳作為新型飼料,對(duì)緩解我國(guó)北方牧區(qū)飼料資源短缺,促進(jìn)畜牧業(yè)的可持續(xù)發(fā)展有著十分重要的意義[8].

為擴(kuò)大沙柳的種植面積,因地制宜開發(fā)沙柳資源,針對(duì)在重度沙化土地上的沙柳林種植工作,結(jié)合現(xiàn)階段我國(guó)沙地種植現(xiàn)狀,對(duì)沙柳的自動(dòng)化種植展開研究,設(shè)計(jì)一款自動(dòng)化沙柳種植機(jī).相較于近些年研發(fā)的自動(dòng)化苗木種植設(shè)備[9-10],文中提出滿足大規(guī)模種植需要的儲(chǔ)苗裝置結(jié)構(gòu)方案,并基于該方案制定簡(jiǎn)單可靠的分揀、投苗裝置結(jié)構(gòu)方案,使種植機(jī)能夠真正投入種植作業(yè)中.通過整合多種種植機(jī)械的功能,在機(jī)械結(jié)構(gòu)上進(jìn)行一系列的創(chuàng)新,以實(shí)現(xiàn)沙柳林的自動(dòng)化栽植,為我國(guó)苗木種植機(jī)械的自動(dòng)化發(fā)展提供思路.

1 總體方案

文中研究的沙柳種植機(jī),種植選用1～2 a生的沙柳插條,其直徑一般在10～30 mm,長(zhǎng)度在400～500 mm,覆沙厚度在300 mm以上[11-12].種植環(huán)境選擇面積較大、視野開闊、便于機(jī)械作業(yè)的平緩沙地,地下濕土層與地表距離小于200 mm.另外,通過種植前的整地、人工降雨等措施蓄水保墑,可以有效地改善土壤水分狀況、提高土壤肥力以及提高種植成活率.

根據(jù)沙柳的種植特點(diǎn),自動(dòng)化沙柳種植機(jī)需要滿足以下功能:① 能暫時(shí)存儲(chǔ)大量插條并方便取出的儲(chǔ)苗功能;② 能達(dá)到插條種植深度的開溝功能;③ 能將插條單棵取出的分揀功能;④ 能將插條植入到栽植溝中的投苗功能;⑤ 能將沙溝兩側(cè)的沙土回填并壓實(shí)的填土功能.同時(shí),沙柳種植機(jī)還應(yīng)具有以下特性:① 作業(yè)能力高效,以滿足大規(guī)模種植的需求;② 沙地適應(yīng)性要強(qiáng),以保證其在極限工況下的工作可靠性和使用壽命;③ 對(duì)插條的柔性要好,使長(zhǎng)短、粗細(xì)各異的插條都能實(shí)現(xiàn)順利種植;④ 結(jié)構(gòu)要簡(jiǎn)單可靠,以便制造、保養(yǎng)與維修;⑤ 經(jīng)濟(jì)性要好,以降低種植成本.

根據(jù)上述需求,文中設(shè)計(jì)的沙柳種植機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示,主要由儲(chǔ)苗裝置、分揀與投苗裝置、填土裝置、開溝裝置、卡車和推送裝置組成.其中填土裝置和開溝裝置采用現(xiàn)有的連續(xù)開溝式植樹機(jī)結(jié)構(gòu);卡車采用現(xiàn)有的四輪輕型卡車.

圖1 沙柳種植機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

儲(chǔ)苗裝置主要由儲(chǔ)苗箱體和平臺(tái)升降裝置組成.用于存儲(chǔ)待種植的插條.

開溝裝置主要由犁土刀和電動(dòng)推桿組成.工作時(shí),通過驅(qū)動(dòng)電動(dòng)推桿,推動(dòng)犁土刀轉(zhuǎn)動(dòng),使犁土刀到達(dá)位置,切開、破碎和推移土壤,形成連續(xù)的栽植溝.

推送裝置由剪叉式機(jī)構(gòu)[13]及其傳動(dòng)裝置組成.工作時(shí),使剪叉式機(jī)構(gòu)沿水平方向伸長(zhǎng),可將儲(chǔ)苗裝置中與推送機(jī)構(gòu)位于同一層的插條盡數(shù)推出.

分揀與投苗裝置主要由一對(duì)對(duì)稱布置的縱置帶式輸送裝置組成.工作時(shí),通過輸送帶對(duì)被推出的插條進(jìn)行逐一分揀,并輸送至投苗口處,使其受重力作用落入栽植溝.

填土裝置由電動(dòng)推桿和現(xiàn)有的覆土鎮(zhèn)壓裝置[14]鉸接而成.工作時(shí),曲面形狀的覆土輪可將沙溝兩側(cè)的沙土推向中間并擠壓,為苗木提供堅(jiān)固的土壤環(huán)境.

由于沙漠地區(qū)土質(zhì)松軟、風(fēng)沙較大,種植過程中常常伴隨著流沙、沙塵暴等危險(xiǎn).出于作業(yè)安全和通過性兩方面考慮,將現(xiàn)有的四輪輕型卡車貨箱通過改裝用于固定和支持上述裝置.

使用該機(jī)器種植之前,需要進(jìn)行人工降雨,以蓄水保墑.該機(jī)器工作時(shí),駕駛?cè)藛T駕駛種植機(jī)行駛至種植區(qū)域,按下“開始”按鈕,種植機(jī)開始工作:先啟動(dòng)開溝裝置和填土裝置,在卡車的牽引下,開出深度為100 mm左右的連續(xù)深溝;犁土刀位置穩(wěn)定后,儲(chǔ)苗裝置的擋苗竿升起,和分揀與投苗裝置之間形成通路,由推送裝置緩緩將當(dāng)層儲(chǔ)苗箱中的插條盡數(shù)推出;同時(shí),帶式輸送裝置啟動(dòng),分揀并投放插條;插條落入栽植溝后,投苗口后方的填土裝置將沙溝兩側(cè)的沙土回填到溝中,實(shí)現(xiàn)栽植;當(dāng)儲(chǔ)苗箱下層的插條被全部推出后,推送裝置快退復(fù)位.在儲(chǔ)苗裝置降下活動(dòng)平臺(tái)后,即可再次栽植.

2 主要裝置結(jié)構(gòu)

2.1 儲(chǔ)苗裝置結(jié)構(gòu)

儲(chǔ)苗裝置作為種植機(jī)的主體部分之一,位于帶式輸送裝置與推送裝置之間(如圖1所示).儲(chǔ)苗裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示.儲(chǔ)苗箱體內(nèi)部空間為一個(gè)2 000 mm×1 500 mm×1 700 mm的規(guī)則長(zhǎng)方體,箱體中有一架可以上下移動(dòng)的活動(dòng)平臺(tái),由螺旋副帶動(dòng)其上下移動(dòng)(如圖2b所示),將箱體的內(nèi)部空間一分為二,以增大空間利用率.下層箱體呈現(xiàn)“走廊”結(jié)構(gòu),其前后兩側(cè)下半部分無(wú)金屬覆蓋,由推送裝置的推苗板與箱體前側(cè)的擋苗竿限制插條位置.擋苗竿由電動(dòng)推桿驅(qū)動(dòng),防止在車輛行駛過程中由于顛簸和變速致使插條傾倒.種植狀態(tài)下,擋苗竿升起,推送裝置將站立姿態(tài)的插條推至帶式輸送裝置附近.

圖2 儲(chǔ)苗裝置三維模型圖

平臺(tái)升降裝置參考現(xiàn)有的四立柱同步升降結(jié)構(gòu)[15],由活動(dòng)平臺(tái)、滾動(dòng)螺旋傳動(dòng)結(jié)構(gòu)、同步帶傳動(dòng)結(jié)構(gòu)、電動(dòng)機(jī)與軸承等組成.在儲(chǔ)苗裝置的兩側(cè)固定著平臺(tái)升降裝置的4根滾珠絲杠,與固定在活動(dòng)平臺(tái)上的4個(gè)螺母配合.在一臺(tái)直流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)下,兩組同步傳動(dòng)帶帶動(dòng)4根滾珠絲杠定速轉(zhuǎn)動(dòng),活動(dòng)平臺(tái)在儲(chǔ)苗箱體內(nèi)沿豎直方向移動(dòng),如圖2c所示.

為提高儲(chǔ)苗箱容積,絲杠應(yīng)位于儲(chǔ)苗裝置邊緣位置,因此同步帶傳動(dòng)的傳動(dòng)比不宜過大.另外,為防止與推送裝置的路徑發(fā)生干涉,活動(dòng)平臺(tái)也不宜過厚.現(xiàn)確定活動(dòng)平臺(tái)的面積為2 000 mm×1 500 mm,厚度為5 mm,沙柳插條最大高度取500 mm.根據(jù)上述分析,對(duì)平臺(tái)升降裝置的主要參數(shù)進(jìn)行計(jì)算,并選取主要元件.

沙柳插條的密度[16]取0.637 g/cm3,以此求得活動(dòng)平臺(tái)的最大負(fù)載為955 kg.利用SOLIDWORKS軟件的“質(zhì)量屬性”命令查得活動(dòng)平臺(tái)的質(zhì)量為40.1 kg.

升降平臺(tái)裝置克服重力所需功率Pmg為

(1)

式中:m為平臺(tái)升降裝置工作時(shí)的總承載,即995 kg;H為升降行程,取800 mm;t為活動(dòng)平臺(tái)滿載下降用時(shí),該值越小,種植時(shí)層間替換的用時(shí)越短,文中設(shè)定為15 s;g取9.8 m/s2.

儲(chǔ)苗裝置的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)功率最小值P儲(chǔ)min為

(2)

式中:η同為同步帶傳動(dòng)效率,取98%;η絲為滾珠絲杠的傳動(dòng)效率,取85%[17].

經(jīng)計(jì)算可得P儲(chǔ)min=624.3 W.驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)選用山東山博電機(jī)集團(tuán)有限公司生產(chǎn)的90 ZYT58型直流電動(dòng)機(jī),其額定功率P1=735 W,額定轉(zhuǎn)矩T1=2 N·m,額定轉(zhuǎn)速n1=3 500 r/min.

假定4根滾珠絲杠分配的起重量和轉(zhuǎn)矩都相等,則它們的圓周力之和Ft為

(3)

式中:ψ為絲杠螺紋升角.

同步帶傳動(dòng)比i同為

(4)

故滿載下降時(shí)絲杠轉(zhuǎn)速n絲為

(5)

滿載下降用時(shí)t下為

(6)

根據(jù)公式(3)-(6),選取2505型滾珠絲杠,i同設(shè)定為5.5,此時(shí)t下=15 s,滿足上述要求.綜上,平臺(tái)升降裝置主要技術(shù)參數(shù):P1為735 W;m為1 000 kg;H為800 mm;i同為5.5;t下為15 s.

為避免路徑干涉,活動(dòng)平臺(tái)不宜過厚;然而,要保證載重量,提高種植機(jī)的效率,活動(dòng)平臺(tái)也不宜過薄.為驗(yàn)證鋁合金活動(dòng)平臺(tái)的強(qiáng)度是否符合要求,對(duì)滿載狀態(tài)下的活動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行了有限元靜力學(xué)分析.

1)建立活動(dòng)平臺(tái)三維模型,進(jìn)行網(wǎng)格劃分.用SOLIDWORKS 2021軟件對(duì)活動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行三維建模,編輯材料為7079合金,其材料特性參數(shù):密度為2 700 kg/m3;彈性模量為72 GPa;泊松比為0.33;屈服強(qiáng)度為500 MPa.定義網(wǎng)格尺寸為65.7 mm,網(wǎng)格劃分為17 607個(gè)節(jié)點(diǎn),8 398個(gè)網(wǎng)絡(luò)單元.

2)施加約束和外部載荷.由上述分析可知,活動(dòng)平臺(tái)主要對(duì)插條提供豎直向上的支持力,同時(shí)也會(huì)有少許側(cè)向的支持力提供給兩側(cè)的插條.為了簡(jiǎn)化分析,將所有側(cè)向的支持力忽略不計(jì),假定活動(dòng)平臺(tái)只承受豎直向下的壓力,該壓力分布均勻.

綜上,在活動(dòng)平臺(tái)與螺母接觸面上施加豎直向上的約束.由于上文指出了活動(dòng)平臺(tái)的最大負(fù)載為955 kg,故這里在其載苗臺(tái)面上均勻施加10 000 N豎直向下的力.

3)模型求解結(jié)果與分析.對(duì)活動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行靜力學(xué)分析,得到其總應(yīng)力分析云圖和總變形分析云圖,如圖3、4所示.

圖3 總應(yīng)力分析云圖

由圖3可以看出,活動(dòng)平臺(tái)整體受到的應(yīng)力較小,遠(yuǎn)低于材料的屈服強(qiáng)度;在沖壓彎折位置附近處的微小區(qū)域接近材料的屈服強(qiáng)度,其中最大應(yīng)力為423.8 MPa;在頂部?jī)蓧K連接板上出現(xiàn)最小應(yīng)力,其最小應(yīng)力為8.866×10-3MPa.由圖4可以看出,活動(dòng)平臺(tái)在載苗臺(tái)面中心處變形最大,其最大變形量為159.5 mm;在頂部?jī)蓧K連接板上變形量為0.

圖4 總變形分析云圖

綜上可知,活動(dòng)平臺(tái)滿足強(qiáng)度要求.在滿載狀態(tài)下,活動(dòng)平臺(tái)變形量較大,同時(shí),在沖壓彎折位置附近處有微小區(qū)域的應(yīng)力值會(huì)接近材料的屈服強(qiáng)度,在制造時(shí)需要對(duì)其進(jìn)行噴丸、碾壓等強(qiáng)化處理,以避免由于微小區(qū)域局部屈服造成的疲勞破壞.

2.2 分揀與投苗裝置結(jié)構(gòu)

分揀與投苗裝置主要由一對(duì)對(duì)稱布置的縱置帶式輸送裝置和一張V型擋板組成.沙柳插條的分揀利用兩條對(duì)稱的輸送帶完成,沙柳插條在狹小空間中被排成一列傳送至投苗口.插條被輸送至終點(diǎn)位置時(shí),接觸到V型擋板被攔停,在V型擋板的內(nèi)側(cè)底端開有孔洞.這種設(shè)計(jì)能起到扶正插條的作用,最終插條從孔洞掉落,實(shí)現(xiàn)投苗功能.將分揀與投苗裝置沿中心線剖開,如圖5所示.

圖5 分揀與投苗裝置工作原理圖

以上動(dòng)作要求兩條輸送帶的瞬時(shí)帶速保持一致.為保證帶速一致,本設(shè)計(jì)選用雙節(jié)點(diǎn)側(cè)置雙蝸輪結(jié)構(gòu)的蝸桿減速器,這種減速器由一根蝸桿同時(shí)帶動(dòng)兩個(gè)蝸輪,將轉(zhuǎn)矩同時(shí)傳遞給與兩蝸輪周向固定的同步帶帶輪和動(dòng)力輥筒,動(dòng)力輥筒兩兩之間通過同步帶傳動(dòng)傳遞運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)矩,最終帶動(dòng)輸送帶對(duì)插條進(jìn)行分揀.

此外,為實(shí)現(xiàn)分揀功能,在皮帶的外側(cè)可以粘貼一層聚乙烯發(fā)泡棉.這種材料質(zhì)地柔軟,韌性、撓曲性和緩沖性能優(yōu)秀[18].該措施不僅可以提高帶與插條的摩擦因數(shù),還可以利用發(fā)泡棉柔軟的質(zhì)地,在插條進(jìn)入分揀后通過其與插條的擠壓使其產(chǎn)生形變,增大其與插條的接觸面積,提高對(duì)插條的包裹性,以適應(yīng)直徑不同的插條,提高帶式運(yùn)輸?shù)姆€(wěn)定性.

該裝置整體由4張鋁合金板材經(jīng)沖壓后焊接制成覆蓋件,由覆蓋件形成的腔體分上下兩層,上層腔體用于布置輸送帶、輥筒和V型擋板,下層腔體用于布置電動(dòng)機(jī)、蝸桿減速器和同步帶傳動(dòng)結(jié)構(gòu)等.裝置結(jié)構(gòu)如圖6所示.

圖6 分揀與投苗裝置三維模型圖

通過類比[19],設(shè)輸送帶的輸出功率之和P帶=35 W,輸出轉(zhuǎn)矩之和T帶=14.00 N·m.為節(jié)省空間,暫定蝸桿頭數(shù)z1=1.分揀與投苗裝置所需的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)功率最小值P分min為

(7)

式中:η同為同步帶傳動(dòng)效率,取98%;η蝸為蝸桿傳動(dòng)總效率,暫定為60%[17];求得P分min=59.5 W.據(jù)此,驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)選用山東山博電機(jī)集團(tuán)有限公司生產(chǎn)的90 ZYT14型直流電動(dòng)機(jī),其額定功率P2=80 W,額定轉(zhuǎn)矩T2=0.9 N·m,額定轉(zhuǎn)速n2=850 r/min.

綜上,蝸桿減速器的技術(shù)參數(shù):z1=1;蝸桿導(dǎo)程角γ為3.26°;當(dāng)量摩擦角ρ′為3.67°;傳動(dòng)比i蝸為28;傳動(dòng)效率η蝸為45%;P2為80 W;蝸輪轉(zhuǎn)速n蝸輪為30.36 r/min.其中η蝸=45%,代入式(7)中求得P分min=79.4 W

2.3 推送裝置結(jié)構(gòu)

推送裝置利用剪叉式機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)推苗功能.該機(jī)構(gòu)由多級(jí)剪桿單元首尾聯(lián)接組成,其基本結(jié)構(gòu)是一對(duì)桿通過一個(gè)位于其中央位置的鉸鏈相互聯(lián)接,兩桿僅可以圍繞該軸在正交于軸方向的平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)[20].這種機(jī)構(gòu)在一端布置滾輪后,由于極大地減輕了剪桿組之間的磨損,可以橫向布置,而且其收縮時(shí),只占用水平方向很小的空間,簡(jiǎn)化了整個(gè)裝置.

為使推苗板運(yùn)動(dòng)速度盡可能保持恒定,裝置采用舞臺(tái)用升降機(jī)方案,利用絲桿型直線模組實(shí)現(xiàn)對(duì)剪叉式機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng),其驅(qū)動(dòng)力方向與推板垂直,并配置恒功率調(diào)速[21].在此基礎(chǔ)上,種植機(jī)在電動(dòng)機(jī)與絲杠間加設(shè)摩擦型帶傳動(dòng),以簡(jiǎn)化控制、保護(hù)電動(dòng)機(jī).剪叉式機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖7所示.

圖7 剪叉式機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖

基于上述結(jié)構(gòu),對(duì)推送裝置的主要技術(shù)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算,以驗(yàn)證其工作的有效性.插條與鋁合金板之間的摩擦系數(shù)取0.2[17],求得插條與底板之間的最大摩擦力Ff為1 871.8 N.此處按單層儲(chǔ)苗箱可容納插條的最大數(shù)目進(jìn)行計(jì)算,但在實(shí)際情況中,苗箱會(huì)有較大的富余量,故不考慮插條與苗箱兩側(cè)的正壓力.

由于裝置采用恒功率調(diào)速,故原電動(dòng)機(jī)選配功率要與整體行程過程的各種狀態(tài)相匹配.既不能在部分行程內(nèi)出現(xiàn)功率不足的情況,也不能使功率在大部分行程內(nèi)無(wú)法發(fā)揮其效能.為解決這一問題,需要適當(dāng)降低整體行程過程中最大驅(qū)動(dòng)力Fmax的值.

剪叉式機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)力F為

F=QKdKQ,

(8)

式中:Q為推苗板受到的阻抗力;Kd為動(dòng)載荷系數(shù),取1.5;KQ為驅(qū)動(dòng)力F對(duì)阻抗力Q的放大倍數(shù),KQ=cotα,α為剪叉桿與推板間夾角.

根據(jù)余切函數(shù)的性質(zhì)可知,在0°～90°,α減小時(shí),cotα的值及其變化率均增大.若假定阻抗力Q的值保持不變,驅(qū)動(dòng)力F與cotα在數(shù)值上成正比,故驅(qū)動(dòng)力F在α較小時(shí)會(huì)相當(dāng)大.為了盡量減小所需的最大驅(qū)動(dòng)力Fmax,要避開α值過小的區(qū)間;此外,還可通過加設(shè)儲(chǔ)能器的措施,修正驅(qū)動(dòng)力F的曲線,降低最大驅(qū)動(dòng)力Fmax的值[21].

N級(jí)剪叉機(jī)構(gòu)的升降臺(tái)位移變化率δ,即豎直方向與水平方向的位移比值[22]為

(9)

由于剪叉式機(jī)構(gòu)的行程不應(yīng)小于儲(chǔ)苗箱體內(nèi)部空間的長(zhǎng)度L,即2 000 mm,剪桿的長(zhǎng)度不應(yīng)超過儲(chǔ)苗箱體內(nèi)部空間的高度H,即800 mm,根據(jù)公式(9),選用5級(jí)剪叉機(jī)構(gòu),設(shè)定α有效范圍約為15°～75°,以滿足種植機(jī)使用需求,此時(shí)δ=5.

根據(jù)公式(9),當(dāng)α=15°時(shí),可求得正常工作所需最大驅(qū)動(dòng)力Fmax=10 478.5 N.結(jié)合機(jī)器的工作要求,推苗板工作所需瞬時(shí)最大功率Pmax為

(10)

式中:t為推板推完一層樹苗所需時(shí)間,假定t=200 min,解得推送每層樹苗所需瞬時(shí)最大功率Pmax為0.35 W.

驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)功率最小值P推min為

(11)

式中:η絲為滾珠絲杠的傳動(dòng)效率,取0.85;η帶為V帶的傳動(dòng)效率,取0.95[17].

經(jīng)式(11)計(jì)算可得:驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)功率的最小值P推min=0.43 W.驅(qū)動(dòng)電機(jī)選用山東山博電機(jī)集團(tuán)有限公司生產(chǎn)的64ZY13型直流電動(dòng)機(jī),搭配傳動(dòng)比為80的行星齒輪減速器,其額定輸出功率P3=3.5 W,輸出轉(zhuǎn)矩為T3=2.24 N·m,轉(zhuǎn)速n3=15 r/min,可滿足使用要求.

初選V帶傳動(dòng)比為5,則經(jīng)V帶減速之后,輸出轉(zhuǎn)速n1為3 r/min.作用于絲杠的圓周力F推為

(12)

式中: tanψ為滾動(dòng)絲杠螺紋升角的正切值.

根據(jù)F推,最終選定2505型滾珠絲杠,V帶傳動(dòng)比為5,此時(shí)經(jīng)V帶減速后的輸出轉(zhuǎn)矩T大于絲杠所受轉(zhuǎn)矩T絲1,參數(shù)合理.

空載時(shí)推板機(jī)構(gòu)所受的摩擦力Ff1為

(13)

式中:N為推苗板的重力,取41 N;r為推板底部的滾輪的半徑,取r=16 mm;k為滾動(dòng)摩擦力臂[17],取0.5 mm.可得推苗板回程時(shí)所受的滾動(dòng)摩擦力為1.28 N.

由于本結(jié)構(gòu)采用恒功率調(diào)速,故結(jié)合電動(dòng)機(jī)功率,根據(jù)速度與功率的關(guān)系可得推板返程時(shí)所需的時(shí)間約為1 s.

綜上,推送裝置主要技術(shù)參數(shù):P3為3.5 W;T3為2.24 N·m;Ff為1 871.8 N;Ff1為1.28 N;推送行程L為2 000 mm;V帶傳動(dòng)比為5;回程時(shí)長(zhǎng)為1 s.

此外,由于該裝置的伸縮行程是水平方向的,故在實(shí)際使用中會(huì)帶來兩個(gè)問題.首先,推苗板受自身重力影響與儲(chǔ)苗箱箱底接觸,會(huì)造成摩擦損失;其次,由于水平布置時(shí)沒有豎直布置時(shí)指向回程方向的重力,導(dǎo)致回程時(shí)由于鉸接點(diǎn)間存在間隙造成運(yùn)動(dòng)偏離、實(shí)際行程不足等問題.

為了解決剪叉式機(jī)構(gòu)橫向布置帶來的問題,這里采取了以下措施:① 在推苗板的底部增設(shè)兩排腳輪,變滑動(dòng)摩擦為滾動(dòng)摩擦,降低因與儲(chǔ)苗箱箱底直接接觸造成的摩擦損失;②在剪叉式機(jī)構(gòu)與板之間鉸接的橫梁上增設(shè)4根拉簧,用橫向施加的拉力代替縱向布置時(shí)所受的重力,消除鉸接點(diǎn)間游離狀態(tài)的間隙.

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

沙柳種植機(jī)控制系統(tǒng)主要由單片機(jī)、直流電動(dòng)機(jī)及其相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)控制器、壓力傳感器、行程開關(guān)等多種元件構(gòu)成.

3.1 硬件設(shè)計(jì)

考慮到上述方案涉及多個(gè)電動(dòng)機(jī)和傳感器的控制與使用,同時(shí)還應(yīng)用了無(wú)線遙控與單片機(jī)的串口通訊以及對(duì)壓力傳感器ADC值的讀取技術(shù),最終選用STMF103ZET6型單片機(jī).該單片機(jī)包含8個(gè)定時(shí)器、16位ADC通道和3個(gè)USART接口,可以滿足上述方案對(duì)電動(dòng)機(jī)控制、傳感器使用和串口通訊的需求.

種植機(jī)的推送裝置在工作時(shí),須保證將插條穩(wěn)定地推出,以防止插條傾倒影響分揀;同時(shí),推送平均速度應(yīng)與皮帶分揀的速度相匹配,防止插條被卡住或造成損壞.為此,可以通過實(shí)時(shí)限制插條與推苗板間相互作用力的方式,在盡可能保證勻速推苗的同時(shí),充分配合插條的分揀工作.為了實(shí)現(xiàn)上述要求,考慮在推苗板上安裝壓力傳感器,在程序中設(shè)定一個(gè)壓力閾值,當(dāng)壓力值超過該閾值時(shí),推苗板即刻停止推苗,直至壓力值降至閾值以下.推苗板進(jìn)行間歇運(yùn)動(dòng)以匹配插條的分揀速度.

考慮到靈敏度、線性范圍和工作范圍等因素,選用HX711模塊來監(jiān)測(cè)推苗板所受的壓力值.該傳感器有著兩路可選擇差分輸入,可選增益為32、64、128,可選擇10和80 Hz的數(shù)據(jù)輸出速率,工作電壓范圍2.6～5.5 V,與文中選擇的單片機(jī)相匹配.

3.2 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)主要根據(jù)整個(gè)控制流程進(jìn)行設(shè)計(jì),并用Keil、STM32CubeMX和VSCode軟件進(jìn)行編程和仿真調(diào)試,本裝置的軟件設(shè)計(jì)包括電動(dòng)機(jī)控制程序、傳感器數(shù)據(jù)采集程序、行程開關(guān)信號(hào)讀取程序、推苗板壓力反饋控制程序和無(wú)線紅外遙控通訊控制程序等.

沙柳種植機(jī)的主程序流程圖如圖8所示.

圖8 主程序流程圖

4 協(xié)調(diào)性試驗(yàn)

由于近年來研發(fā)的苗木種植機(jī)械普遍處于萌芽階段,所以在原型機(jī)試驗(yàn)之前,須對(duì)上述方案中各裝置的實(shí)際工作效果展開試驗(yàn),以驗(yàn)證上述方案的有效性.

4.1 試驗(yàn)材料及方法

在基于SOLIDWORKS、CAD、Keil、STM32CubeMX和VSCode等軟件完成自動(dòng)化沙柳種植機(jī)的設(shè)計(jì)后,開展其試驗(yàn)樣機(jī)的加工制作,試驗(yàn)樣機(jī)如圖9所示,由儲(chǔ)苗裝置、推送裝置、分揀與投苗裝置和車體組成.

圖9 試驗(yàn)樣機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

基于2.2和2.3兩部分所設(shè)參數(shù),同時(shí)兼顧購(gòu)買、制作與調(diào)試的便捷性,具體搭建措施如下:① 推送裝置采用一臺(tái)普菲德57BYG250B型二相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng),傳動(dòng)機(jī)構(gòu)仿照上述種植機(jī)搭建;② 分揀與投苗裝置采用6臺(tái)普菲德42BYGH34型二相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng),分別與6根動(dòng)力輥筒一一對(duì)應(yīng),省略上述種植機(jī)的蝸桿傳動(dòng)和同步帶傳動(dòng)以簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu);③ 儲(chǔ)苗裝置中去掉擋苗竿和平臺(tái)升降裝置中的所有裝置,以便于裝載插條模型和簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu),并在箱底用鋁合金板墊高1 mm.試驗(yàn)過程中,采用硬紙板代替擋苗竿手動(dòng)擋苗.

試驗(yàn)樣機(jī)的主要參數(shù):尺寸比例為1∶5;驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)共7臺(tái);電源電壓為12 V;推送裝置電動(dòng)機(jī)扭矩為1.2 N·m;分揀與投苗裝置電動(dòng)機(jī)總扭矩為1.68 N·m,試驗(yàn)過程中將樣機(jī)水平架起,使投苗口與地面有充足的距離.

此外,上文提到了種植采用的沙柳插條直徑為10～30 mm,長(zhǎng)度為400～500 mm,為了按照樣機(jī)大小(與上述設(shè)計(jì)成1∶5的比例)同比例模擬沙柳的基本特征,試驗(yàn)采用直徑為2～6 mm的木制一次性筷子作為試驗(yàn)樣機(jī)的種植對(duì)象,試驗(yàn)場(chǎng)景如圖10所示.

圖10 協(xié)調(diào)性試驗(yàn)場(chǎng)景

協(xié)調(diào)性試驗(yàn)一共進(jìn)行6組,具體試驗(yàn)流程如下:① 將若干直徑為2～6 mm的插條樣品(筷子,下稱“樣品”)混合并倒入一個(gè)紙箱中,通過晃動(dòng)、攪動(dòng)等方式,打亂其分布規(guī)律;② 在紙箱中隨機(jī)抽取90根(此后逐次遞增30根)樣品,裝入儲(chǔ)苗裝置中;③ 在擋苗所用硬紙板升起后,秒表計(jì)時(shí),同時(shí)啟動(dòng)推送裝置和分揀與投苗裝置,觀察并記錄樣品狀態(tài),直至儲(chǔ)苗裝置內(nèi)的樣品被完全清空;④ 重復(fù)上述步驟,同時(shí)記錄樣品的損壞數(shù)量(包括彎曲、折斷和劃傷等).

4.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

在試驗(yàn)過程中,試驗(yàn)樣機(jī)的皮帶與樣品間多次出現(xiàn)暫時(shí)性阻塞現(xiàn)象,并伴隨著少量噪聲;樣品的側(cè)傾現(xiàn)象較小,不影響分揀與投苗動(dòng)作.最終,儲(chǔ)苗裝置內(nèi)的所有樣品均能進(jìn)入分揀與投苗裝置,投苗口處的樣品能夠順暢掉落,少量樣品存在輕度彎曲的情況.

根據(jù)掉落的樣品數(shù)量與試驗(yàn)用時(shí),計(jì)算投苗平均速度,即單位時(shí)間的投苗量.試驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)與處理如表1所示.

表1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)與處理

從表1可以看到,在樣品數(shù)量從90根增加到240根的過程中,試驗(yàn)用時(shí)從62 s增至172 s,投苗平均速度相對(duì)穩(wěn)定,在1.4～1.5根/s,呈現(xiàn)先增大、后減小的趨勢(shì);損壞率在數(shù)據(jù)上有一定的隨機(jī)性,有待進(jìn)一步研究.

當(dāng)樣品數(shù)量較少時(shí),樣品之間缺乏相互之間的空間約束,這會(huì)導(dǎo)致每個(gè)樣品具有較大的活動(dòng)空間,使其相對(duì)位置不再固定,致使分揀速度降低,甚至當(dāng)樣品數(shù)量進(jìn)一步減少時(shí),會(huì)導(dǎo)致每個(gè)樣品的活動(dòng)空間進(jìn)一步增大,此時(shí)分揀動(dòng)作可能對(duì)樣品產(chǎn)生損壞;當(dāng)樣品數(shù)量較多時(shí),樣品之間相互作用的摩擦力較大,每個(gè)樣品的活動(dòng)空間隨之減小,但對(duì)輸送帶分揀動(dòng)作形成的阻力也相對(duì)較大,因此既會(huì)致使分揀速度降低,也會(huì)減少對(duì)樣品的損耗程度.綜合以上考慮,對(duì)該裝置樣品的數(shù)量存在一個(gè)最佳數(shù)值,使得分揀速度最快且損耗程度最低.

2.2節(jié)中通過類比,求得輸送帶的輸出轉(zhuǎn)矩和為14.00 N·m,2.3節(jié)中求得絲杠所需最小轉(zhuǎn)矩為9.63 N·m,二者之比為1.45.分揀與投苗裝置電動(dòng)機(jī)總扭矩與推送裝置電動(dòng)機(jī)扭矩之比為1.4.二者在數(shù)值上相近,插條的成功分揀驗(yàn)證了參數(shù)類比的合理性.

試驗(yàn)樣機(jī)在搭建過程中,依據(jù)樣機(jī)比例,在儲(chǔ)苗箱箱底處用鋁合金板墊高1 mm.插條的成功分揀驗(yàn)證了在5 mm厚的活動(dòng)平臺(tái)上推送裝置的通過性.

綜上試驗(yàn)結(jié)果表明,上述種植方案基本可行,工作時(shí)各裝置的動(dòng)作較為協(xié)調(diào),能夠?qū)崿F(xiàn)順利分揀和投苗,達(dá)到了預(yù)期效果;但是樣品分揀步驟不夠順暢,日后仍需進(jìn)行進(jìn)一步改進(jìn).

5 結(jié) 論

根據(jù)沙柳的特性及種植要求,對(duì)現(xiàn)有種植機(jī)械進(jìn)行整合,設(shè)計(jì)了一臺(tái)能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化種植的沙柳種植機(jī).基于對(duì)自動(dòng)化沙柳種植機(jī)設(shè)計(jì)功能和設(shè)計(jì)要求的分析,進(jìn)行了種植機(jī)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),對(duì)開溝、填土、儲(chǔ)苗、投苗、推送和分揀裝置進(jìn)行了布置;在詳細(xì)分析機(jī)械結(jié)構(gòu)和工作原理的基礎(chǔ)上,重點(diǎn)對(duì)種植機(jī)的儲(chǔ)苗、推送、分揀與投苗裝置進(jìn)行了設(shè)計(jì);對(duì)儲(chǔ)苗裝置的活動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行了有限元靜力學(xué)分析,并對(duì)其控制系統(tǒng)進(jìn)行了規(guī)劃設(shè)計(jì);通過協(xié)調(diào)性試驗(yàn)可知,種植機(jī)的各個(gè)裝置能夠協(xié)調(diào)工作,可以實(shí)現(xiàn)插條的安全化、高效化種植,達(dá)到了預(yù)期效果.在未來,計(jì)劃對(duì)該種植機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步的改進(jìn)和試驗(yàn),使其真正地應(yīng)用在種植作業(yè)中.