凸轮取苗机构夹苗工作过程分析与试验研究

唐海洋，李树峰，曹卫彬，赵宏政，马　锐

(石河子大学 机械电气工程学院，新疆 石河子　832003)

0　引言

新疆旱地移栽(如辣椒、番茄等)作业主要采用半自动移栽机。这种人工投苗的转杯吊篮移栽机主要靠作业人员从苗盘中拾取穴盘苗并投入移动转杯，精神高度紧张、眼睛容易疲劳、劳动强度较大、作业效率较低、人工投入多，难以适应新疆大面积移栽，限制了新疆的蔬菜生产的进一步发展。因此，大面积的移栽作业对发展高速、高效全自动移栽机提出了迫切需求[1-2]。

取苗机构作为全自动移栽机的重要组成部分，其结构的合理性对取苗成功率有直接的影响，直接反映了移栽机的工作性能[3-4]。本文采用凸轮与连杆机构组合成取苗装置，苗针夹取基质的加持力可调，机构简单，可快速实现夹苗和推苗作业，工作性能稳定。只需1名作业人员把苗盘放入自动送苗装置和收取移栽完成的空苗盘，降低了人工劳动强度，减少人工投入，提高了移栽作业效率，为实现全自动移栽机提供了参考。

1　基本结构及工作原理

取苗机构是取苗装置的关键部件之一，取苗装置的作业质量直接影响整机的作业效果取苗机构由凸轮、滚子、推杆、推苗杆、苗针及基质组成，如图1所示。当滚子运动到凸轮的推程段，推杆克服弹簧作用力拉动推苗杆，苗针在推苗杆的作用力驱动下在取苗工位上夹紧基质；滚子运动到凸轮远休止段时，苗针保持夹取基质动作把苗输送到投苗工位；当滚子运动到回程时，推苗杆在弹簧力作用下使苗针放松并把基质从苗针退掉，完成投苗任务。滚轮运动到凸轮的静休止段，苗针回到取苗工位，以上动作完成了1次取苗作业。

1.凸轮　2.滚子　3.推杆　4.弹簧　5.推苗杆　6.苗针　7.基质图1　取苗机构运动方案图

2　苗针夹取基质受力分析

拉拔力P由穴盘材料、基质大小、基质成分及基质含水率等决定。基质含水率难以精确控制和提前预知，试验前采取加热蒸发等措施加大基质含水率差异进行试验。预设对低(50%)、中(60%)、高(70%)共3个水平的基质试验，实际每个水平的含水率相近(±2%)，试验时基质的平均含水率分别为50%、60%、70%。在此测试从苗穴里取出基质的拉拔力由万能试验机所测得，如图2所示。由万能试验机所测得拉拔力试验机所测的数据如表1所示。

图2　基质拉拔力测试

样本编号含水率/%测试结果均值/N12345501.5821.6911.6891.3241.3971.5412345601.6321.5891.6011.7101.5121.6112345701.3321.2770.9681.3321.4821.28

2.1　夹持力分析

摩擦力f由土壤滑移摩擦力ff和因土壤物料间的粘着力而产生的滑移阻力fα组成，即

f=ff+fa=μ(PS+N1)

(1)

式中μ—摩擦因数；

S—实际接触的粘附面积。

图3　基质受力分析

取苗针对基质作用力分解为x轴与y轴方程为

fsinθ+N2sinθ-N1cosθ=0

(2)

fcosθ+N1sinθ+N2sinθ-P1=0

(3)

联合摩擦力f=μN1，解得

(4)

(5)

(6)

由力学分析可知：N1、f对取苗成功率有着决定性的作用。N1、f越大，取苗针越容易把基质从苗穴里取出来。根据公式(4)～(6)可知：基质受力主要影响因素为粘着力P1、苗针插入基质的角度θ、基质和取苗针的摩擦因数μ。由表1可知：含水率在50%时的拉拔力高于60%、70%时的拉拔力；由于此机构取苗针插入基质的角度调节范围小，θ取值范围在0°～10°。摩擦因数μ对N1、f也有影响，在此采用摩擦角测量仪测了基质与3种不同材质的摩擦因数μ，具体如下：基质与钢板的μ为0.78，基质与橡胶板的μ为0.93，基质与竹子的μ为1.07。根据式(2)～式(6)及试验所测参数P1、θ、μ参数，运用Matable软件编程绘图可以直观地看出：粘着力P1、苗针插入基质的角度θ、基质和取苗针的摩擦因数μ三因素与N1、f的函数关系。

2.2　MatLab数值计算

在此只需列出P1、θ、μ三因素对f的影响，函数图像如图4所示。

图4　基质与苗针的摩擦力函数图像

根据苗针与基质受力分析及函数图像显示：基质所受摩擦力f及夹持力N1主要影响因素为粘着力P1、苗针插入基质的角度θ及基质和取苗针的摩擦因数μ，并且随着苗针插入基质角度θ增大，摩擦力f及夹持力N1减小。竹针取苗时，取苗针与基质产生的摩擦力大于分别采用橡胶针取苗和钢针取苗，即μ越大，基质所受摩擦力f及夹持力N1较大。基质含水率为50%时的拉拔力大于含水率60%、70%基质，苗针在取苗时苗针与基质所产生的摩擦力f及夹持力N1也较大。为了验证以上理论分的客观性，以下安排了四因素三水平正交试验，找出最佳的工作参数，提高取苗成功率。

3　试验研究

3.1　试验对象

试验对象采用苗龄为50～60天的品种为大螺丝Hydrid F1号，苗平均高度15cm,苗幅展平均宽度8cm；采用约50%、60%、70%含水率的基质，苗针的材质采用钢针、橡胶针及竹针。

3.2　试验对象及仪器设备

所采用的仪器设备如下：济南时代山峰仪器有限公司制造的WDS-5型微控电子万能实验机，最大实验力500N；摩擦角测量仪；角度测量仪；精度为0.01g的电子秤。

3.3　试验设计

选取L9(34)正交表安排试验(见图5)，因素A材质选取钢针、橡胶针、竹针3个水平，因素B范围(0°～10°)选定，因素C含水率选50%、60%、70%，因素D虚拟1个水平，如表2所示。据经验分析可知：苗针插入基质35mm要比30mm时苗针对根部的稳定效果好，虚拟第1水平(35mm)安排在第4列。

图5　取苗试验

水平试验因素苗针材质A插入角度B/(°)基质含水率C/%插入深度D/mm1Q238250352竹子560303橡胶棒87035

3.4　试验结果

根据因素水平表2进行试验，结果如表3所示。

表3　试验方案与结果

3.5　方差分析

试验结果方差分析如表4所示。

表4　试验结果方差分析

由表4反映出各因素无显著影响，把影响因素小的D并入误差，使得新的误差平方和SE1=SE+SD,再列方差分析表，如表5所示。

表5　第2次计算结果方差分析

F0.001(2,2)=99，F0.05(2,2)=19。由此看出，因F0.01(2,2)>FA=96.33>F0.05(2,2)，FB=39.19>F0.05(2,2)=19,FC=20.14>F0.05(2,2)=19，所以因素A、B、C的影响均是显著的。由方差分析可得最优方案为A2B2C2D1。

4　结论

1)通过理论分析得出苗针夹取基质的摩擦力f及夹持力N1主要影响因素为粘着力P1、苗针插入基质的角度θ及基质和取苗针的摩擦因数μ。

2)采用MatLab软件对理论方程进行计算表明：随着苗针插入基质角度θ增大，摩擦力f及夹持力N1减小；μ越大，基质所受摩擦力f及夹持力N1越大；基质含水率为50%时的拉拔力大于含水率60%、70%基质，苗针在取苗时苗针与基质所产生的摩擦力f及夹持力N1也较大。

3)试验结果表明：苗针材质为μ较大的竹子、夹持角度为5°、基质含水率为60%、苗针插入基质深度为30mm时取苗效果最佳，验证了苗针夹取基质理论分析的正确性。