蘆蒿自動(dòng)扦插機(jī)的分苗裝置設(shè)計(jì)

林旭翔 張凌峰 薛金林

摘要 為提高蘆蒿扦插效率、減少人工勞動(dòng)時(shí)間以及降低勞動(dòng)強(qiáng)度，設(shè)計(jì)了一種蘆蒿扦插用的種苗稈自動(dòng)分苗裝置，以便實(shí)現(xiàn)種苗稈箱體里蘆蒿種苗稈的有序分離，并自動(dòng)將其送入扦插裝置，完成蘆蒿種苗稈的扦插作業(yè)。首先對(duì)蘆蒿苗稈的物理特性和力學(xué)特性進(jìn)行分析，然后對(duì)分苗裝置進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。樣機(jī)制造后進(jìn)行了分苗效率試驗(yàn)，結(jié)果表明當(dāng)軸帶轉(zhuǎn)速為28 r/min時(shí)設(shè)計(jì)的蘆蒿自動(dòng)扦插機(jī)分苗裝置效率最高，每分鐘可分苗約116個(gè)，能夠較好地實(shí)現(xiàn)有序分苗效果。

關(guān)鍵詞 蘆蒿;扦插機(jī);分苗裝置;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào) S.220.2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 0517-6611（2021）02-0211-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.02.057

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Design of Seedling Separation Device of Automatic Cutting Machine of Artemisia selengensis

LIN Xuxiang， ZHANG Lingfeng， XUE Jinlin

（Institute of Technology， Nanjing Agricultural University， Nanjing，Jiangsu 210031）

Abstract In order to improve the cutting efficiency of Artemisia selengensis， reduce the labor time and labor intensity， we designed an automatic seedling separation device for seedling stalks of A.selengensis， so as to realize the orderly separation of seedling stalks of A.selengensis in the seedling stalk box and automatically send it to the cutting device to complete the cutting operation of the seedling stalk of A.selengensis. Firstly， the physical and mechanical properties of A.selengensis stalks were analyzed， and then the structure design of the seedling dividing device was carried out. After the prototype was manufactured， a seedling efficiency test was conducted. The test results showed that when the shaft speed was 28 r/min， the designed seedling cutting device of A.selengensis had the highest efficiency， which could divide nearly 116 seedlings per minute， which could achieve an orderly seedling effect.

Key words Artemisia selengensis;Cutting machine;Seedling separation device;Structural design

蘆蒿味道鮮美，營養(yǎng)豐富，是一種經(jīng)濟(jì)效益很高的作物。尤其在南京市八卦洲的蘆蒿栽植區(qū)，蘆蒿的年產(chǎn)值已高達(dá)8億元，成為推動(dòng)南京農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要力量。但是，隨著農(nóng)村勞動(dòng)力的日益匱乏，蘆蒿的種植成本已逐漸提高，成為制約蘆蒿種植產(chǎn)業(yè)進(jìn)一步發(fā)展的重要因素[1]。因此，加快開展蘆蒿機(jī)械化分苗與扦插的技術(shù)研究和應(yīng)用已成為江蘇省乃至全國蘆蒿種植業(yè)發(fā)展的迫切需要，并且提高勞動(dòng)效率、降低勞動(dòng)強(qiáng)度、促進(jìn)農(nóng)村勞動(dòng)力向第二、三產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移也離不開蘆蒿種植的機(jī)械化[2]。

目前，國內(nèi)外已有一些扦插機(jī)械的研發(fā)報(bào)道。國外的Ferrari公司設(shè)計(jì)了一種缽體苗移栽機(jī)，Chechen Magli公司設(shè)計(jì)了一種Wolfer移栽機(jī)，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可靠，操作方便，但生產(chǎn)制造精度要求高，造價(jià)昂貴，不適合我國農(nóng)地分散的國情[3]。與發(fā)達(dá)國家的扦插機(jī)械相比，我國扦插機(jī)械設(shè)備的研發(fā)整體上晚了近40年。目前我國扦插機(jī)械技術(shù)水平僅處于起步階段，且全國大部分地區(qū)還是沿用人工扦插的方式，所以蘆蒿扦插機(jī)械及其自動(dòng)分苗裝置具有廣闊的發(fā)展空間[4]。在國內(nèi)，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)開發(fā)出2ZL-10藜蒿扦插機(jī)，但該扦插機(jī)分苗取苗過程的自動(dòng)化程度還不高;南通富來威農(nóng)業(yè)裝備有限公司進(jìn)行了蘆蒿機(jī)械化扦插試驗(yàn)研究，但其研制的蘆蒿扦插機(jī)械工作效率和經(jīng)濟(jì)效益均不夠理想，因而沒有得到大規(guī)模推廣與應(yīng)用[5-7]?？傮w來看，國內(nèi)蘆蒿扦插機(jī)械還存在自動(dòng)化程度不高、機(jī)型單一、作業(yè)效率不高、工作可靠性欠佳等問題[8]。

筆者根據(jù)蘆蒿扦插實(shí)際需要，設(shè)計(jì)了一種高效的蘆蒿扦插自動(dòng)分苗裝置，以期解決蘆蒿扦插效率低、用工量大、勞動(dòng)強(qiáng)度大等問題。

1 蘆蒿苗稈的特性分析

1.1 蘆蒿苗稈的物理特性分析

1.1.1 試驗(yàn)?zāi)康摹?/p>

為了合理設(shè)計(jì)出蘆蒿扦插機(jī)械，需要對(duì)蘆蒿苗稈進(jìn)行物理特性分析，保障在后期的設(shè)計(jì)過程中能夠滿足蘆蒿的物理特性[9]。物理特性包括苗稈的表觀特性測(cè)量和物理機(jī)械特性測(cè)試，其中外觀特性包括蘆蒿的全長、截取蘆蒿苗稈長度、等間距處的直徑、苗稈的直立度等;物理機(jī)械特性包括抗彎強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度等。

1.1.2 試驗(yàn)方法。

采用從南京市八卦洲種植區(qū)采集的蘆蒿苗稈，將其處理成80 mm長，直徑8～10 mm，如圖1所示;主要試驗(yàn)器材為TMS-PRO質(zhì)構(gòu)儀，如圖2所示。

將電腦與質(zhì)構(gòu)儀連接，在電腦端打開軟件程序，通過調(diào)節(jié)質(zhì)構(gòu)儀上的上下按鍵控制力臂上下的移動(dòng)，設(shè)置TMS-PRO質(zhì)構(gòu)儀的參數(shù)：

試驗(yàn)前速度、試驗(yàn)測(cè)試速度和回程速度均為300 mm/min，起始力0.15 N，測(cè)試最大距離30 mm，擠壓距離10 mm。

蘆蒿苗稈的彎曲試驗(yàn)如圖3所示。

1.1.3 試驗(yàn)結(jié)果分析。

蘆蒿苗稈彎曲試驗(yàn)結(jié)果包括蘆蒿苗稈的最大硬度、最大硬度時(shí)對(duì)應(yīng)的位移、最大硬度做功，通過多組試驗(yàn)取平均值，得到表1，分別取4組試驗(yàn)數(shù)據(jù)，記為1、2、3、4組。

由表1可知，4組最大硬度、最大硬度時(shí)的位移、最大硬度做功的平均值分別為52.48 N、4.21 mm、145.21 mJ。通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在近乎理想的狀態(tài)下蘆蒿苗稈的硬度、最大硬度時(shí)的位移和最大硬度做功與蘆蒿的粗細(xì)成正比，符合彎曲強(qiáng)度規(guī)律。

在蘆蒿自動(dòng)扦插機(jī)裝置設(shè)計(jì)中，以以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)作為參考，間接進(jìn)行苗稈箱體機(jī)構(gòu)與軸帶機(jī)構(gòu)中的傳送帶不平度設(shè)計(jì)以及其他相關(guān)的整體方案設(shè)計(jì)，為實(shí)現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

1.2 蘆蒿苗稈的力學(xué)特性分析

1.2.1 試驗(yàn)?zāi)康摹?/p>

建立蘆蒿苗稈的力學(xué)模型，根據(jù)蘆蒿苗稈的特性參數(shù)，通過ANSYS有限元分析軟件建立苗稈力學(xué)模型，對(duì)蘆蒿苗稈在不同生長部位的軸向、徑向壓縮力學(xué)特性進(jìn)行研究，比較模型計(jì)算值和試驗(yàn)測(cè)試值。

1.2.2 蘆蒿苗稈有限元模型的建立。

在ANSYS中的DM模塊中建立圓柱體模型近似代替蘆蒿苗稈，設(shè)置苗稈的材料屬性、軸向壓縮時(shí)的彈性模量和徑向壓縮時(shí)的彈性模量，并參考水果的泊松比將蘆蒿苗稈的泊松比設(shè)置為0.20～0.50。劃分網(wǎng)格時(shí)，由于蘆蒿苗稈為規(guī)則形狀，采用自動(dòng)劃分，在有限元模型上設(shè)置軸向載荷和徑向載荷，蘆蒿模型相關(guān)參數(shù)設(shè)置如下：直徑10 mm，長度150 mm，含水率56.46%，軸向彈性模量10.0 MPa，徑向彈性模量7.90 MPa，泊松比0.35。蘆蒿苗稈模型如圖4所示。

對(duì)建立的三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。根據(jù)不同的模型情況，采取不同的劃分方式，針對(duì)蘆蒿苗稈模型較為規(guī)則的情況，采用自動(dòng)網(wǎng)格劃分方式（automatic）。

對(duì)劃分好網(wǎng)格質(zhì)量的模型開始施加軸向和徑向的載荷，設(shè)置軸向載荷和徑向載荷分別為10.00和7.90 MPa。載荷參數(shù)設(shè)置和載荷施加方式如圖5所示。

在ANSYS-Workbench分析環(huán)境中，分別對(duì)蘆蒿苗稈模型設(shè)置載荷和約束。對(duì)分析添加等效彈性應(yīng)變?cè)茍D（equivalent elastic strain）、等效應(yīng)力（equivalent stress）、總變形（total deformation）分析求解，通過軟件計(jì)算處理后可以查看云圖并分析其應(yīng)力應(yīng)變情況，驗(yàn)證其是否符合強(qiáng)度和剛度要求。如圖6～8所示，顯示了蘆蒿苗稈在載荷施加的狀態(tài)下位移變形情況。

1.3 蘆蒿苗稈特性綜合分析

物理特性試驗(yàn)和力學(xué)特性試驗(yàn)結(jié)果都表明，蘆蒿在不同載荷施加方向下的物理特性和力學(xué)特性是存在差異的，徑向的力學(xué)特性遠(yuǎn)小于軸向，徑向受到的載荷應(yīng)力遠(yuǎn)小于軸向受到的載荷應(yīng)力大小。

根據(jù)有限元的應(yīng)力云圖可知，蘆蒿苗稈在載荷施加點(diǎn)處的應(yīng)變位移最大，軸向的另一端應(yīng)變位移最小，并且由施加點(diǎn)處到軸向另一端處逐漸減弱;隨著應(yīng)力載荷的逐漸增大，蘆蒿苗稈的破損處與物理特性分析中蘆蒿苗稈的破損位置大致相同，出現(xiàn)在蘆蒿苗稈的邊緣位置，符合規(guī)律，進(jìn)一步說明利用有限元分析方法研究蘆蒿的力學(xué)特性是符合客觀價(jià)值的。

以上研究結(jié)果為蘆蒿自動(dòng)扦插機(jī)的總方案設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)，為總方案的設(shè)計(jì)提供了設(shè)計(jì)依據(jù)。

2 蘆蒿自動(dòng)扦插機(jī)分苗裝置的設(shè)計(jì)要求和結(jié)構(gòu)方案

2.1 設(shè)計(jì)要求

該研究設(shè)計(jì)的蘆蒿自動(dòng)扦插機(jī)分苗裝置應(yīng)滿足以下設(shè)計(jì)要求：①將苗稈箱體內(nèi)部的蘆蒿苗稈進(jìn)行有序分離，進(jìn)而送入扦插裝置以進(jìn)行蘆蒿的扦插作業(yè)。②在保證機(jī)器正常運(yùn)轉(zhuǎn)的前提下，分苗裝置的分苗效率應(yīng)盡可能得高。③在進(jìn)行分苗作業(yè)時(shí)應(yīng)當(dāng)盡可能的減少機(jī)械損傷苗稈，防止蘆蒿苗稈之間因過度擠壓而造成苗稈的壓傷、壓折[10]。

2.2 結(jié)構(gòu)方案

分苗裝置是將放置在苗稈箱體內(nèi)部的蘆蒿苗稈進(jìn)行有序分離，分離過后的蘆蒿苗稈進(jìn)入到扦插裝置，

通過扦插裝置的扦插動(dòng)作完成蘆蒿苗稈在田地里的自動(dòng)化栽植。蘆蒿自動(dòng)扦插機(jī)分苗裝置設(shè)計(jì)方案，如圖9所示，包括苗稈箱體、軸帶機(jī)構(gòu)。軸帶機(jī)構(gòu)安裝于苗稈箱體正下方，由皮帶和滾軸組成;皮帶具有一定厚度并開有圓弧槽，帶圓弧槽的皮帶與滾軸齒形嚙合[11-13]。

2.3 工作原理

當(dāng)使用蘆蒿自動(dòng)扦插機(jī)時(shí)，分苗裝置掛接在拖拉機(jī)上或者其他動(dòng)力源上，從而帶動(dòng)分苗裝置開始工作。蘆蒿苗稈由苗稈箱體上口投入，由皮帶圓弧槽出苗，同時(shí)軸帶機(jī)構(gòu)帶動(dòng)皮帶運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)苗稈水平運(yùn)動(dòng)，使得苗稈在皮帶一端圓弧槽出苗。位于苗稈箱體內(nèi)部的苗稈有序落入到分苗軸上的圓弧槽內(nèi)，并隨著皮帶的轉(zhuǎn)動(dòng)而有規(guī)律地出苗。皮帶上的圓弧槽可以為一個(gè)或多個(gè)，這樣皮帶轉(zhuǎn)一圈就有一個(gè)或多個(gè)苗稈落下。對(duì)于有多個(gè)圓弧槽的皮帶，需要等間隔分布，保證皮帶轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)苗稈有序間隔落下，這樣便完成了蘆蒿的分苗工作[14]。

該設(shè)計(jì)方案能夠有效避免苗稈下落受阻而產(chǎn)生漏插的情況，由于分苗裝置采用水平放置，減小了苗稈之間相互擠壓的作用力，并且水平傳送帶上等間距布置槽口，蘆蒿苗稈等距離落入槽口，產(chǎn)生分苗的效果，實(shí)際試驗(yàn)過程中分苗效率較高。

3 樣機(jī)試驗(yàn)

3.1 樣機(jī)加工

通過對(duì)分苗裝置的設(shè)計(jì)，確定了苗稈箱和軸帶機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)。然后，進(jìn)行樣機(jī)的虛擬裝配，確保樣機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)沒有問題后，將樣機(jī)的三維模型整理成工程圖紙進(jìn)行加工與組裝，制作的樣機(jī)如圖10所示。

3.2 樣機(jī)的分苗試驗(yàn)

為了檢驗(yàn)分苗裝置在分苗過程中的效率和可靠性，采用將電機(jī)通過聯(lián)軸器與分苗裝置傳動(dòng)軸固定連接，電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)提供分苗裝置皮帶轉(zhuǎn)動(dòng)所需要的動(dòng)力，通過皮帶的轉(zhuǎn)動(dòng)來達(dá)到測(cè)試分苗效果的試驗(yàn)方案[15]。圖11為分苗裝置的試驗(yàn)圖，采用Z5D60-24GU型號(hào)的電機(jī)和MMT-DC-24DP10BL-FR型號(hào)的控制器進(jìn)行分苗裝置的效率試驗(yàn)。圖12為分苗裝置的控制總成。

在試驗(yàn)過程中，通過控制控制器外接的10 kΩ電阻器大小可以控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的快慢[16]。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速過快時(shí)，由于蘆蒿苗稈在箱體內(nèi)的相互作用力會(huì)出現(xiàn)苗稈相互擠壓變形的情況，不利于分苗裝置的分苗;當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速過慢時(shí)，分苗速度跟不上扦插裝置的扦插速度，不利于自動(dòng)化扦插速度的提高，因此該試驗(yàn)先對(duì)電機(jī)進(jìn)行了標(biāo)定，得出電機(jī)電壓和電機(jī)轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速為20 r/min時(shí)電機(jī)電壓為5.97 V;隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的增加，電機(jī)電壓也不斷增加;當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速為100 r/min時(shí)，電機(jī)電壓為21.5 V。

試驗(yàn)過程中，通過改變電位器的電阻大小來改變控制器對(duì)電機(jī)的輸出電壓大小，從而改變電機(jī)轉(zhuǎn)速的大小，電機(jī)轉(zhuǎn)速大小影響分苗裝置的分苗速率。將分苗裝置和電機(jī)裝配好，通過改變控制電位器電阻大小來改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，將分苗箱體裝滿蘆蒿苗稈，試驗(yàn)過程中計(jì)算每分鐘分苗裝置可以有序分離苗稈數(shù)量，分4組試驗(yàn)，結(jié)果如表2所示。

將試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)擬合成曲線可知，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速過快時(shí)，苗稈箱體內(nèi)的蘆蒿苗稈容易發(fā)生卡苗的現(xiàn)象，造成無法分苗，偶然的情況可以實(shí)現(xiàn)少量的有序分苗，但不適合長期采用該轉(zhuǎn)速。分苗速率與電機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線如圖13所示。

通過分析以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可得出以下結(jié)論：當(dāng)控制電阻

器電阻大小在6 kΩ左右時(shí)，即電機(jī)轉(zhuǎn)速為28 r/min時(shí)，分苗效率最高，分苗約116個(gè)/min，能夠較好地實(shí)現(xiàn)有序分苗效果。

分苗裝置樣機(jī)的分苗效率試驗(yàn)表明，設(shè)計(jì)的分苗裝置結(jié)構(gòu)可靠，具有良好的分苗效果，相較于傳統(tǒng)的人工分苗，用時(shí)短，效率高，苗稈損傷率小。

4 結(jié)論

為了提高蘆蒿扦插效率、減少勞動(dòng)時(shí)間以及降低勞動(dòng)強(qiáng)度，筆者設(shè)計(jì)了一種蘆蒿自動(dòng)扦插機(jī)的分苗裝置。試驗(yàn)結(jié)果表明，苗稈箱體里的蘆蒿種苗稈能有序分離，工作效率高，滿足設(shè)計(jì)要求，為后續(xù)的全自動(dòng)扦插作業(yè)提供了技術(shù)支撐。

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