钵盘苗扇形齿轮式取苗机构的凸轮设计及试验

2014-07-15高翔宇全伟孙松林肖名涛

湖南农业大学学报（自然科学版） 2014年4期

高翔宇，全伟，孙松林*，肖名涛

(1.湖南农业大学工学院，湖南长沙 410128；2.湖南省现代农业装备工程技术研究中心，湖南长沙 410128)

钵盘苗移栽机分为半自动移栽机和全自动移栽机[1–3]。全自动钵盘苗移栽机主要由取苗机构和栽植机构组成。取苗机构将穴盘苗从空穴中夹取出来并喂入到栽植机构[4–6]。笔者针对2Y–2 型半自动钵盘苗移栽机设计了一种新型的扇形齿轮式取苗机构，以期实现自动取苗。由于该机构的主要运动形式为箱体绕轴的回转运动，通过沟槽凸轮的轮毂形状来控制扇形齿轮的摆动，而扇形齿轮的摆动直接关系到伸缩式苗夹末端的轨迹形态，因此，沟槽凸轮的形状设计是实现取苗机构精确取苗投苗的关键环节。运用解析法对凸轮的中心距、摆杆长度和极半径等参数进行设计，并对取苗机构进行了仿真试验。

1 取苗机构的工作原理

取苗机构主要由机架、沟槽凸轮、箱体、销钉、扇形齿轮、转动轴、从动齿轮、伸缩式苗夹和动力输入轴组成，如图1 所示。

图1 取苗机构结构Fig.1 Structural diagram of the seedling pick-up mechanism

输入轴通过方形凸台和法兰与箱体固联在一起。在输入轴转动的同时带动箱体转动。箱体内安装有扇形齿轮和与之啮合的配合齿轮。扇形齿轮的另一端安装有销子，卡在沟槽凸轮内。沟槽凸轮通过螺栓与机架固结，配合齿轮与苗夹通过中间轴连接，带动整个苗夹的摆动。苗夹采用伸缩式苗夹，通过拉杆控制苗夹的张合。拉杆的另一端安装有滚柱，与箱体外侧的沟槽配合，用来控制苗夹的张合时间。箱体通过输入轴作圆周运动，而苗夹的支点在箱体上。苗夹支点在作绕输入轴的匀速圆周运动的同时，通过扇形齿轮控制其摆动，实现类似“6”字形的取苗轨迹。

2 沟槽凸轮的解析法设计

试验苗盘采用烟草通用式苗盘。由于苗盘是泡沫硬式苗盘，取苗时需保证苗盘不与下方的栽植机构发生干涉，苗盘安装角度应大于45°[7]，否则下移的苗盘将干涉栽植机构的运行。

苗盘的苗腔为倒锥形结构，上方为28 mm×28 mm 的正方形，下端为18 mm×18 mm 的正方形，深50 mm。在兼顾机构尺寸的同时要保证取苗轨迹的准确性，应选择较大的传动比齿轮，以保证苗夹在绕轴转动中能顺利取苗，以免碰撞苗腔。现有国标最小齿轮为10 齿，结构较小，强度差，不利于中间轴的安装固定。综合考虑整个机构尺寸，选用88 齿的扇形齿轮，11 齿的配合齿轮。传动比为8∶1。

凸轮机构属于摆动从动件凸轮机构，对生产制造精度要求较高，普通作图法难以完成。根据摆动从动件运动规律，运用极坐标公式，在Excel 中导入数据，再在CAD、Pro/E 中生成凸轮外形，可以较精确地设计凸轮，达到所需技术要求。

根据取苗的设计要求，确定凸轮的位移曲线,如图2 所示。根据扇形齿轮的传动比为8∶1，苗夹摆动角度约为180°，确定凸轮升程为23°。选用余弦角速度运动规律，虽有柔性冲击但无刚性冲击，适合中速中载的场合，确定推程运动角为160°，远休止角50°，回程运动角90°，近休止角60°。

图2 凸轮位移曲线Fig.2 Displacement curve of the cam

采用反转法[8]设计凸轮形状。运用余弦定理，可得极半径[9]：

式中：h 为转动中心到凸轮中心的距离； L为摆杆长度；ψ0为摆杆夹角；ψi为扇形齿轮摆动角度。摆杆长度L 和中心距d 的计算参照文献[10–11]。

根据角度与弧度的换算方法，分别在Excel 表中输入A 列(θ 转角)、B 列(ψi)、C 列(ψ0+ψi对应的弧度)、D 列(ri)、E 列(凸轮压力角α)。θ 为输入轴带动箱体转过的角度，θ=ω·t。ω 根据栽植机构的工作效率来确定，ω=(η/3 600)·2π，机构设计为转1 圈取苗1 次，其中η 为栽植机构的工作效率(株/h)，t为时间。凸轮压力角的计算公式为：

结果如表1 所示。

表1 凸轮的设计参数Table 1 Parametric design for the cam

经计算，摆杆长度为46 mm，中心距51 mm。由于摆动从动件凸轮许用压力角的最大推程范围为40°～45°，回程范围为70°～80°[12]，因而本研究满足设计要求，其中负值代表与摆杆的运动反向的夹角方向不同。

3 沟槽凸轮验证试验

3.1 试验材料

由湖南省植物保护研究所提供的三生烟，苗龄约4 周，平均苗高19.3 mm。烟草钵盘苗尺寸670 mm×340 mm，长度方向上20 个苗腔，宽度方向上10 个苗腔，共200 个苗腔。

图3 样机作业情况Fig.3 Model mechanism under working

3.2 试验方法

将穴盘安装在可调式试验台上。试验台的支撑板和底板通过铰链连接，可调节苗盘安装倾角。通过固定实验台的位置，可调节取苗点与苗腔的横向尺寸。

检测取苗机构苗夹在取苗时是否和苗腔发生碰撞，取苗轨迹是否与苗盘发生干涉。选取入苗深度、安装角度、基质含水率和取苗转速进行4 因素3 水平L9(34)正交试验[10](表2)，考察4 因素对基质脱落量、断根总长度和漏苗率的影响[11]。

表2 正交试验因素Table 2 Factors and levels for the orthogonal test

经测试，样机动作平稳流畅，无机构干涉，协调性能良好。苗夹在取苗时与苗腔无碰撞，同时苗夹在运苗时与已取苗盘无干涉。

正交试验结果(表3)表明，影响基质脱落量大小的因素依次为取苗转速、安装角度、基质含水率、入苗深度；影响断根总长度大小的因素依次为安装角度、基质含水率、入苗深度、取苗转速；影响漏苗率大小的因素依次为入苗深度、基质含水率、取苗转速、安装角度。根据各指标不同水平的平均值确定各因素的优化水平组合，结果，基质脱落量的最优组合为A2B2C3D1，断根总长度最优组合为A1B2C1D1，漏苗率最优组合为A2B2C2D3。根据因素的影响主次顺序，确定最优组合为A2B2C2D1。但是此优化组合不在9 次试验当中，需要追加试验加以验证。通过试验，得出基质脱落量为1.58 g，断根总长度18 mm，漏苗率7%，比正交试验方案更优，即入苗深度为34 mm，安装角度为75°，基质含水率为22%，转速为18 r/min。