凸輪取苗機構夾苗工作過程分析與試驗研究

唐海洋，李樹峰，曹衛彬，趙宏政，馬　銳

(石河子大學 機械電氣工程學院，新疆 石河子　832003)

0　引言

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

取苗機構作為全自動移栽機的重要組成部分，其結構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組合成取苗裝置，苗針夾取基質的加持力可調，機構簡單，可快速實現夾苗和推苗作業，工作性能穩定。只需1名作業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，提高了移栽作業效率，為實現全自動移栽機提供了參考。

1　基本結構及工作原理

取苗機構是取苗裝置的關鍵部件之一，取苗裝置的作業質量直接影響整機的作業效果取苗機構由凸輪、滾子、推桿、推苗桿、苗針及基質組成，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動下在取苗工位上夾緊基質；滾子運動到凸輪遠休止段時，苗針保持夾取基質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從苗針退掉，完成投苗任務。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。

1.凸輪　2.滾子　3.推桿　4.彈簧　5.推苗桿　6.苗針　7.基質圖1　取苗機構運動方案圖

2　苗針夾取基質受力分析

拉拔力P由穴盤材料、基質大小、基質成分及基質含水率等決定。基質含水率難以精確控制和提前預知，試驗前采取加熱蒸發等措施加大基質含水率差異進行試驗。預設對低(50%)、中(60%)、高(70%)共3個水平的基質試驗，實際每個水平的含水率相近(±2%)，試驗時基質的平均含水率分別為50%、60%、70%。在此測試從苗穴里取出基質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據如表1所示。

圖2　基質拉拔力測試

樣本編號含水率/%測試結果均值/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生的滑移阻力fα組成，即

f=ff+fa=μ(PS+N1)

(1)

式中μ—摩擦因數；

S—實際接觸的粘附面積。

圖3　基質受力分析

取苗針對基質作用力分解為x軸與y軸方程為

fsinθ+N2sinθ-N1cosθ=0

(2)

fcosθ+N1sinθ+N2sinθ-P1=0

(3)

聯合摩擦力f=μN1，解得

(4)

(5)

(6)

由力學分析可知：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從苗穴里取出來。根據公式(4)～(6)可知：基質受力主要影響因素為粘著力P1、苗針插入基質的角度θ、基質和取苗針的摩擦因數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；由于此機構取苗針插入基質的角度調節范圍小，θ取值范圍在0°～10°。摩擦因數μ對N1、f也有影響，在此采用摩擦角測量儀測了基質與3種不同材質的摩擦因數μ，具體如下：基質與鋼板的μ為0.78，基質與橡膠板的μ為0.93，基質與竹子的μ為1.07。根據式(2)～式(6)及試驗所測參數P1、θ、μ參數，運用Matable軟件編程繪圖可以直觀地看出：粘著力P1、苗針插入基質的角度θ、基質和取苗針的摩擦因數μ三因素與N1、f的函數關系。

2.2　MatLab數值計算

在此只需列出P1、θ、μ三因素對f的影響，函數圖像如圖4所示。

圖4　基質與苗針的摩擦力函數圖像

根據苗針與基質受力分析及函數圖像顯示：基質所受摩擦力f及夾持力N1主要影響因素為粘著力P1、苗針插入基質的角度θ及基質和取苗針的摩擦因數μ，并且隨著苗針插入基質角度θ增大，摩擦力f及夾持力N1減小。竹針取苗時，取苗針與基質產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，基質所受摩擦力f及夾持力N1較大。基質含水率為50%時的拉拔力大于含水率60%、70%基質，苗針在取苗時苗針與基質所產生的摩擦力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，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，苗針的材質采用鋼針、橡膠針及竹針。

3.2　試驗對象及儀器設備

所采用的儀器設備如下：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　試驗設計

選取L9(34)正交表安排試驗(見圖5)，因素A材質選取鋼針、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。據經驗分析可知：苗針插入基質35mm要比30mm時苗針對根部的穩定效果好，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A插入角度B/(°)基質含水率C/%插入深度D/mm1Q238250352竹子560303橡膠棒87035

3.4　試驗結果

根據因素水平表2進行試驗，結果如表3所示。

表3　試驗方案與結果

3.5　方差分析

試驗結果方差分析如表4所示。

表4　試驗結果方差分析

由表4反映出各因素無顯著影響，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的影響均是顯著的。由方差分析可得最優方案為A2B2C2D1。

4　結論

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

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

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