育苗容器成型機切分裝置設計與試驗分析

摘" 要：目前，針對現有的無紡布育苗容器成型機切分裝置存在的問題，研發一款育苗容器成型機的切分裝置，可滿足成型機關鍵的切分工作。通過參數計算，選擇氣缸直徑為40 mm，氣缸行程為250 mm的雙作用氣缸來配合裝置進行運動。利用SolidWorks三維設計的優勢，建立育苗成型機切分裝置3D模型與虛擬裝配；結合Motion模塊，生成演示動畫視頻，借助軟件的運動單元功能，分析切分裝置的運動特性曲線；通過分析曲線，得到工作臺的位移、速度、加速度和猝動的變化趨勢，并得出最大加速度在承受范圍內，對機構不會造成損壞，結構設計正確可靠。

關鍵詞：育苗容器成型機；切分裝置；3D建模；模擬仿真；三維設計

中圖分類號：S223.1" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2025）03-0033-04

Abstract： At present， there are problems in the existing slicing device of non-woven seedling container forming machines. A slicing device for a seedling container forming machine has been developed to meet the key slicing work of the forming machine. Through parameter calculation， a double-acting cylinder with a cylinder diameter of 40 mm and a cylinder stroke of 250 mm was selected to cooperate with the device for movement. Taking advantage of SolidWorks's three-dimensional design， a 3D model and virtual assembly of the cutting device of the seedling forming machine is established; combining the Motion module， a demonstration animation video is generated， and the motion characteristic curve of the cutting device is analyzed with the help of the motion unit function of the software; analyzing the curve， the change trend of displacement， speed， acceleration， and sudden movement of the workbench is obtained， and it is concluded that the maximum acceleration is within the bearing range， will not cause damage to the mechanism， and the structural design is correct and reliable.

Keywords： seedling container forming machine; slicing device; 3D modeling; simulation; 3D design

育苗是林木生長的起點，是林業發展的基礎。優質苗木的供應量、需求量的互不平衡一直是我國農林業發展的困難之處。容器育苗作為一種新興的林業工程育苗技術，逐漸被人們關注。采用容器育苗的模式，能夠提高育苗效率，推動我國營林工程的發展。林木容器育苗通俗地講，就是利用各種特制的容器裝上配置好的培養基后進行樹種育苗作業。而育苗容器成型機切分裝置的作用是將圓柱基質切分成長度合適的育苗基質單元，其切分長度直接受移動裝置的控制，移動裝置一個運動過程帶動基質前進的距離即為基質單元長度。在傳統的機械工程中，零部件的設計主要以CAD圖紙設計為主，根據圖紙直接進行產品的生產加工，導致生產的產品出現返工或質量不合格現象。

美國Blackmore公司生產的氣吸滾筒式播種機只需“點擊”所需孔的尺寸和穴盤的類型就能在1 min內完成更換，而不需要人工去更換滾筒，既方便又高效，并且播種精度高、速度快，播種效率不低于1 200盤/h。北京海淀區農機研究所研制的2BSXP-500型穴盤育苗精密播種機采用機械結構的垂直圓盤窩眼孔式排種，播種機生產效率為350盤/h。農業農村部規劃設計研究院研制的2XB-400型穴盤育苗精密播種機采用機械窩眼式播種結構，播種效率為180盤/h。經過多年的發展取得了巨大的進步，但仍存在不少問題。許多機型的性能仍達不到要求，存在漏播和重播的現象，對種子的兼容性不好，部分機型需要對種子進行丸粒處理，氣力式播種機存在針頭堵塞現象，嚴重影響播種。

為在林木種苗生產中進一步推廣應用無紡布容器育苗技術，針對目前國內現有的無紡布育苗容器成型機切分裝置存在的不足之處，開展了基于SolidWorks軟件的育苗容器成型機切分裝置的研制與應用研究。

1" 切分裝置的結構與工作原理

切分裝置固定在支架上，上部為氣缸，下部為直線導軌，切分部分通過滑槽與滑軌部連接。如圖1所示，切分裝置的結構主要有氣缸、支架、滑軌、刀座和刀片等。切分裝置對圓柱基質進行分割，切刀的切分運動通過支架上的氣缸活塞的往復運動實現，氣缸活塞的運動帶動切刀的切分與回位，當圓柱基質在移動裝置的作用下向前移動一個單位后，氣缸活塞推動滑塊座沿著直線導軌向下運動，完成圓柱基質切分。切分完成后，活塞帶動滑塊座沿直線導軌向上運動，切分完成回位。整個切分的過程需要移動裝置的配合，當基質單元再移動一單位，切分裝置再次進行切分作業，如此往復。切成的基質單元在后接管位置囤積，隨著移動裝置推動而繼續向前滑動。如圖1（b）所示，圖中1為氣缸腳墊，2為氣缸，3為刀架，4為螺栓，5為刀片，6、7分別為前、后接管集成，8為導軌，9為滑塊，10為滑塊座，11為支架。切分裝置的作用是將圓柱基質切分成長度合適的育苗基質單元，其切分長度直接受移動裝置的控制，移動裝置一個運動過程帶動基質前進的距離即為基質單元長度，為滿足不同的育苗需求，通過對移動裝置的運動進行調整，可以有效地改變切分長度。切分裝置固定在支架上，上部為氣缸，下部為直線導軌，鋸切部分通過滑槽與滑軌部連接。

2" 切分裝置的參數確定

切分裝置通過氣缸豎向的來回運動實現基質切斷作業，刀片的切入以及氣缸的運動直接影響著切分成的基質單元的質量。機構處架設的切斷刀按具體方法分可分成熱切刀和冷切刀。顧名思義，熱切刀需要進行熱處理，常見的有高頻電熱刀；冷切刀不需加熱處理，常見的有鋸齒形刀、滾刀、自定義刀具。本次建模而成的切斷機構選擇冷切刀與移動機構配合的模式，基質往外輸出，移動機構帶動切刀上下移動，完成切斷過程。為保證切分過程不拖沓，切分口整齊，刀片的切入角度設置為60°，鋸子結構如圖2所示。

通過對三維模型的分析，切分裝置的氣缸帶動的部件總質量為8 kg、滑槽與滑軌間的摩擦系數為0.15、氣缸的行程為250 mm、氣缸工作壓力為0.2 Mpa，則氣缸的軸向負載力為

F=（1+μ）mg ， （1）

式中：F為氣缸的軸向負載力，N；μ為滑軌與滑槽間的摩擦系數；m為運動件的質量，kg；g為物體重力，9.8 N/kg。

由式（1）計算得F=90.16 N。

由于育苗機械的生產效率為3 600個/h，則氣缸的工作周期為1 s，所以氣缸平均速度為

v= 。 （2）

由式（2）計算v=250 mm/s，選取氣缸的負載率β=0.5，則可得氣缸的理論輸出力為

F0= 。 （3）

由式（3）計算F0=180.32 N，則雙作用氣缸的缸徑為

D= ， （4）

式中：D為氣缸缸徑，mm；F0為理論輸出力，N；p為氣缸工作壓力，0.2 MPa。

由式（4）計算氣缸的缸徑為D=33.89 mm。

考慮到氣缸的運動行程為250 mm，最終選擇氣缸直徑為40 mm，氣缸行程為250 mm的雙作用氣缸符合裝置的運動需要并且滿足氣缸最小直徑33.89 mm的要求。

3" 切分裝置的運動仿真

3.1" 切分裝置刀片下落運動仿真

切分裝置的鋸切動作由氣缸的循環運動帶動滑塊沿著直線導軌來回滑動，固定在鋸架上的鋸子隨著滑塊來回運動實現切割和回位，所以切分裝置刀片運動分為下落和上提2個過程。在SolidWorks中打開成型機切分裝置的三維實體模型，新建運動算例，設置仿真時間為2 s，線性馬達方向自上而下，距離為250 mm，運行仿真計算。在結果分析中得到圖3和圖4分別是刀片下落速度與時間的關系曲線和氣缸桿下落位移與刀片下落速度關系曲線。

從圖3和圖4可以看出，刀片速度隨著時間的推移先增大后減小，分別進行了一次加速和減速運動，刀片速度在1 s，也就是氣缸桿下落到行程的一半時達到最大值為187.5 mm/s。

3.2" 切分裝置刀片上提運動仿真

在SolidWorks中新建一個運動算例，模擬刀片較緩慢上提回歸的過程，設置仿真時間為3 s，線性馬達方向自下而上，距離為250 mm，運行仿真分析，得到其結果曲線。圖5和圖6分別為刀片上提速度與時間關系曲線和氣缸桿上提位移與刀片上提速度關系曲線。

從圖5和圖6可以看出，刀片上提和刀片下落過程相似，分別經過一次的加速和減速運動，速度在1.5 s，也就是氣缸上提到行程的一半時達到最大值，為125 mm/s。

3.3" 切分裝置刀片往復運動仿真

在SolidWorks中新建一個運動算例，運用線性馬達的線段運動模擬刀片完成下落并較緩慢上提回歸的完整過程2次，表1為馬達參數設置。

在線性馬達線段運動模擬設置界面分別能得到刀片運動時間與位移、速度、加速度和猝動關系圖，如圖7所示。

從圖7可以看出，本設置基本滿足刀片往復運動要求，其中圖7（a）和圖7（b）可以看到2次完整的下落上提位移和速度情況，圖7（c）中可看出加速度小于等于400 mm/s2，滿足刀片的設計要求。而圖7（d）分別在2、5、7 s 出現猝動的情形，是因為這些節點處于刀片完成一次下落或者上提的時間點，氣缸切換壓縮或放氣流程，加速度、位移方向突變。設置完畢后確認往復運動過程模擬正確，最后得到刀片往復運動速度與氣缸位移距離的關系曲線圖，如圖8所示。

圖8由左半部分橢圓與右半部分較扁橢圓組成，其形成原因為刀片下落切割動作較快，上提回位速度較為慢一些。由以上關系曲線圖可知，切分裝置仿真運動平穩且滿足本設計的往復切割運動要求，所以切分裝置的結構設計正確可靠。

4" 結論

通過參數計算，最終選擇氣缸直徑為40 mm，氣缸行程為250 mm的雙作用氣缸符合裝置的運動需要。選用SolidWorks軟件，對育苗容器成型機中切分裝置進行建模，并對切分裝置進行運動仿真，得到切分裝置的運動過程。運動仿真結果顯示該切分裝置運動平穩，結構設計正確可靠。

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