淺談小區(qū)株行條播機(jī)彈匣式上種裝置的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)論文
0 引言
隨著我國良種繁育技術(shù)的快速發(fā)展，育種試驗(yàn)小區(qū)的整體規(guī)模和標(biāo)準(zhǔn)化程度也在不斷提高，相對于快速發(fā)展的育種技術(shù)，相關(guān)育種機(jī)械裝備的研發(fā)還相對滯后。針對小區(qū)育種的優(yōu)選繁育階段，在初步研發(fā)出小區(qū)株行條播機(jī)的基礎(chǔ)上，如何實(shí)現(xiàn)機(jī)械化上種，進(jìn)一步解放勞動(dòng)力已成為當(dāng)前育種機(jī)械裝備的一大研發(fā)方向。
當(dāng)前上種裝置研發(fā)的難點(diǎn)在于:①如何選取合適的種盒進(jìn)給方式，使得種盒移動(dòng)平穩(wěn);②如何使種盒在兩板的軌道拼接處順利通過，避免發(fā)生卡滯現(xiàn)象;③如何使每次上種時(shí)種盒口準(zhǔn)確對齊導(dǎo)種口，避免種子溢散出導(dǎo)種區(qū)域發(fā)生種子的浪費(fèi)或混雜現(xiàn)象。由于目前還未有相對成熟的上種裝置，國內(nèi)現(xiàn)有的育種播種機(jī)的上種環(huán)節(jié)仍采用人工上種，在同時(shí)播種6行以上不同種子時(shí)單人上種已無法適應(yīng)機(jī)械自動(dòng)播種速度，需停機(jī)上種，已成為影響小區(qū)播種機(jī)工作效率的一個(gè)原因。
本次設(shè)計(jì)的上種裝置將彈匣碼放子彈的原理運(yùn)用到種盒排列與進(jìn)給當(dāng)中，并針對上述難點(diǎn)做了逐一的探索與設(shè)計(jì):對種盒內(nèi)種子在軌道銜接處的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行了模擬試驗(yàn);創(chuàng)新應(yīng)用了電控自動(dòng)檢測及上種技術(shù)，減輕了育種工作人員的作業(yè)強(qiáng)度，進(jìn)一步解放了勞動(dòng)力。該裝置的研發(fā)對小區(qū)株行條播機(jī)效率提升作用明顯。
1 原理分析及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
1. 1 裝置結(jié)構(gòu)
彈匣式上種裝置的總體結(jié)構(gòu)主要由直流減速電機(jī)、接近開關(guān)、種盒導(dǎo)梯、種子導(dǎo)流部件、種盒插板、種盒組、種盒推塊、機(jī)架、護(hù)板、鏈輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及插板鎖緊機(jī)構(gòu)等部分組成。
1. 2 設(shè)計(jì)原理及工作流程
1. 2. 1 設(shè)計(jì)原理
研發(fā)的上種裝置與軍事上彈匣裝彈的工作原理相似，即外型尺寸標(biāo)準(zhǔn)化的種盒通過整齊疊放，順序完成進(jìn)給、上種、拋盒動(dòng)作，并在彈匣裝彈原理的基礎(chǔ)上結(jié)合農(nóng)藝要求進(jìn)行了全新的設(shè)計(jì)。為保證種盒的進(jìn)給平穩(wěn)(防止種子劃傷和塑料種盒受損)，上種裝置改軍事上的托彈簧頂壓托彈板的沖擊性動(dòng)作為由電機(jī)帶動(dòng)鏈條推動(dòng)種盒推塊的勻速運(yùn)動(dòng)方式。因種盒內(nèi)種子是靠自身重力完成對排種器的供種，為了使進(jìn)給順暢，種子導(dǎo)流部分沒有裝填槽等限位裝置，采用傳感器對種盒行程進(jìn)行檢測，控制啟停。不同于軍事上的連續(xù)瞬發(fā)機(jī)制，上種裝置需對兩次上種作業(yè)之間進(jìn)行延時(shí)操作為小區(qū)播種預(yù)留出作業(yè)時(shí)間。
1. 2. 2 工作流程
彈匣式上種裝置的種盒與種盒插板在種子加工環(huán)節(jié)就已完成分揀、裝盒與穿板工作( 將種盒依次排列串接到種盒插板上)。上種作業(yè)前，先將種盒板插入種子導(dǎo)流部件后方的預(yù)留插槽處，放下插板，合上插板鎖緊裝置，完成預(yù)備工作。
小區(qū)播種機(jī)行駛到第1 個(gè)小區(qū)時(shí)開始進(jìn)行上種作業(yè)，電機(jī)輸出動(dòng)力帶動(dòng)鏈條運(yùn)動(dòng)，鏈條上的種盒推塊在鏈條帶動(dòng)下推動(dòng)整個(gè)種盒組沿種盒插板向前進(jìn)給，直到首排種盒觸碰到種子導(dǎo)流部件前端的開關(guān)元器件時(shí)電機(jī)停轉(zhuǎn)，首排種盒的對齊工作完成。之后，每完成一個(gè)小區(qū)的播種作業(yè)只需進(jìn)給1 個(gè)種盒的行程，播完種盒會(huì)自行沿種盒導(dǎo)梯滑走，如此往復(fù)即能完成多個(gè)小區(qū)的連續(xù)作業(yè)。
2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)
2. 1 種盒推塊與推塊滑道的設(shè)計(jì)
種盒推塊是上種裝置的主要工作部件，其運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性直接影響到種盒的進(jìn)給是否平穩(wěn)。由于在工作狀態(tài)下推塊需要頻繁地進(jìn)出滑軌，如設(shè)計(jì)不當(dāng)會(huì)造成碰撞震動(dòng)磨損零件，嚴(yán)重的會(huì)造成卡滯現(xiàn)象，損壞傳動(dòng)裝置，所以在種盒推塊凹槽處設(shè)計(jì)了過渡圓弧，在滑軌端口設(shè)計(jì)出導(dǎo)引斜坡;但在工作狀態(tài)下還需考慮鏈條的上下振動(dòng)，增大軌道面與槽面間預(yù)留間隙是解決問題的根本途徑。在機(jī)架尺寸確定的情況下，設(shè)計(jì)中對推塊凹槽進(jìn)入軌道的角度在CAD 中進(jìn)行了擺放和分析，如圖3 所示。選取的3 個(gè)測算點(diǎn)中，推塊從豎直角度到18°過程中，預(yù)留間隙增大了0. 6mm，約為豎直狀態(tài)下尺寸的4 /3，性能提升效果顯著;而在入軌角度從18°增至32°過程中，間隙提升效果有限，僅增加了0. 07mm。
通過分析可以看出:入軌角度越大，則預(yù)留間隙越寬，槽口通過軌道進(jìn)入端概率也隨之增加;但同時(shí)看到軌道延伸方向與槽口方向的交角也增大，同樣影響的卡殼問題的消除。如圖3 所示，推塊能否順利通過導(dǎo)軌取決于槽口與軌道端沿接觸時(shí)推進(jìn)力能否大于阻力，所以應(yīng)對該零件瞬態(tài)受力情況進(jìn)行分析。相對于推塊體積，施加應(yīng)力都較集中，近似為所有外力集中于一點(diǎn)G，因?yàn)镕合= F3 sinα + FNcosα ，通過條件變?yōu)镕合≤F額( 額定負(fù)載)。垂直凹槽方向的受力情況為F1 = F2 sin(90° - α + β) + FN(1)式中F1—槽面受軌道端沿阻力;F2—過渡圓弧受軌道底面阻力;FN—垂直凹槽的拉力平衡力。平衡狀態(tài)下沿凹槽的方向受力情況為F3 = F1cosα + Ff + F2 sinβFf = FNu (2)式中F3—鏈條沿槽向動(dòng)力;Ff—沿槽向摩擦力;u—凹槽表面摩擦系數(shù)(鋼與青銅u = 0. 15)。將式(1)代入式(2)得F3 = F1cosα + u[F1 - F2 sin(90° - α + β)]+ F2 sinβ(3)其中，F(xiàn)2為恒定阻力;β 值固定。鏈條沿槽向動(dòng)力F3直接受α 影響，摩擦力中含α 的項(xiàng)在0. 15 的摩擦系數(shù)下效果不明顯。由此可以看出:隨著傾斜角度90° -α 的增加，F(xiàn)1cosα 值增加，所以F3的值加大。從當(dāng)量守恒角度考慮，由公式mΔv = Ft ，要從V1變?yōu)閂2在接觸時(shí)間較短的情況下需大幅增加鏈條的向心拉力FN，減小FN的根本措施是減小ΔV(即減小兩速度間夾角90° - α)
經(jīng)分析對比和模擬試驗(yàn)，最后得出推塊入軌角度
的最優(yōu)值為18°。
2. 2 種盒插板與種子導(dǎo)流部件銜接處設(shè)計(jì)
由于種盒插板在小區(qū)連續(xù)作業(yè)時(shí)需定時(shí)更換，所以設(shè)計(jì)時(shí)需考慮到快換特點(diǎn)及良好的操作性，寬松的夾持連接在顛簸路況下必然會(huì)在兩零件連接處出現(xiàn)輕微的滑移和震動(dòng)現(xiàn)象，嚴(yán)重的會(huì)卡滯種盒。如圖5 所示，設(shè)計(jì)中運(yùn)用了彈簧伸縮擋塊，相比螺釘旋緊定位更加方便快捷;銜接處采用了上下搭接的方式，兩板拼接處各切薄對應(yīng)厚度的材料，前板打薄上端面，后板打薄下端面，同時(shí)在前板的切薄處的左右和上端做出一個(gè)導(dǎo)引的斜坡，在后插板端面加工出1 個(gè)0. 5mm 厚槽，進(jìn)一步提高容錯(cuò)率。此種設(shè)計(jì)方式對盛裝大顆粒種子的種盒影響較小，而對于在種盒存放的小顆粒種子會(huì)在交縫處出現(xiàn)殘留現(xiàn)象。改進(jìn)措施為將兩板切薄面調(diào)轉(zhuǎn)，此種方式上端支撐面拼接處還是會(huì)有阻礙可能，需提高加工精度。
2. 3 電氣控制部分設(shè)計(jì)
2. 3. 1 開關(guān)的方案選擇與設(shè)計(jì)
彈匣式上種裝置的電控開關(guān)的選擇與安置是此次設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。首先，傳動(dòng)鏈條的運(yùn)動(dòng)最終是以種盒的移動(dòng)進(jìn)給為目的，在傳動(dòng)軸上裝電控開關(guān)不利于檢測種盒的移動(dòng);其次，種盒是已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化的塑料件，在其上裝電控開關(guān)也不現(xiàn)實(shí);再次，由于種盒的排列相對緊湊，且外表面有坡度，普通的觸點(diǎn)行程開關(guān)無法伸入盒間間隙，又不能規(guī)避種盒表面坡度帶來的誤差。針對上述電控開關(guān)配置的限制，在此次設(shè)計(jì)中一共提出以下3 種待選擇方案。
1)方案1:采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)鏈輪軸的方式，省去了電控開關(guān)元器件，傳動(dòng)精度大幅提升;但步進(jìn)電機(jī)沒有反饋調(diào)節(jié)，電機(jī)內(nèi)部的累進(jìn)誤差不可消除。
2) 方案2:采用接近開關(guān)作為檢測傳感器與減速電機(jī)配合完成作業(yè)，通過檢測種盒間的間隙來判斷進(jìn)給行程，可以做到誤差的反饋調(diào)節(jié)，也規(guī)避了種盒的表面形狀的干擾，但此種方式傳感器安置較為復(fù)雜，既不能影響種盒行進(jìn)，又需將檢測頭靠近種盒面，且傳感器與種盒間如遇到遮擋檢測效果會(huì)變差。
3) 方案3:采用應(yīng)變片作為檢測傳感器與減速電機(jī)配合完成作業(yè)。該方案將應(yīng)變片放置在種子導(dǎo)流部件的種盒支撐面上，利用種盒通過時(shí)應(yīng)變片表面壓力的變化來判斷進(jìn)給行程，結(jié)構(gòu)緊湊，抗外界干擾性強(qiáng);但由于種盒是緊湊型排列，豎直方向只有自身重力，壓力變化較小，應(yīng)變片對壓力的敏感性會(huì)導(dǎo)致結(jié)果誤差較大，造成作業(yè)發(fā)生錯(cuò)誤。
經(jīng)過對比分析，考慮到精確度對育種試驗(yàn)的重要性，為了盡可能地規(guī)避由于機(jī)械與電控自身存在的誤差對試驗(yàn)的影響，設(shè)計(jì)最終選用了第2 套方案。即在一側(cè)機(jī)架為接近開關(guān)，設(shè)置一可動(dòng)機(jī)座，可調(diào)整接近開關(guān)位置，豎向上架高接近開關(guān)空出推塊的位置，接近開關(guān)的感應(yīng)距離需大于種盒壁的間隔距離，感應(yīng)面積需小于種盒間的間隙量。
2. 3. 2 電機(jī)參數(shù)選擇
設(shè)計(jì)中選用18 齒節(jié)距為12. 7 的前鏈輪，分度圓直徑為73mm，種盒寬度為60mm，即鏈輪轉(zhuǎn)過1 周共向前進(jìn)給約4 個(gè)種盒，種盒進(jìn)給速度不宜過快，要求電機(jī)具有低速運(yùn)轉(zhuǎn)功能。以盛裝蕎麥為例，裝置最多可一次安放10 組種盒，每組6 行式種盒自重0. 2kg，種盒內(nèi)種子量為每腔約40g，每一整盒種子約重240g，負(fù)載總重4. 4kg�？紤]到機(jī)械內(nèi)部阻力及軌道接觸面間摩擦等因素，將額定負(fù)載擴(kuò)大至16kg，計(jì)算得轉(zhuǎn)矩約為6N/m。最終，本設(shè)計(jì)選用的減速電機(jī)參數(shù)如下:型號: GPG - 05SC電壓/V: 12電流/A: 1. 39轉(zhuǎn)速范圍/r·min - 1: 1 ～ 1 800功率/W: 10
3 性能試驗(yàn)與結(jié)果
3. 1 試驗(yàn)基本條件
性能試驗(yàn)在位于河北固安的中機(jī)美諾科技股份有限公司的試制車間進(jìn)行。試驗(yàn)采用蕎麥品種為平蕎2 號，隨機(jī)抽選百粒，測算平均長× 寬× 高為6.23mm × 3. 43mm × 2. 99mm，千粒質(zhì)重為30g，種子含水率為10. 4%，尺寸具有較強(qiáng)的代表性。
3. 2 試驗(yàn)步驟
試驗(yàn)主要是檢驗(yàn)上種裝置的作業(yè)可靠性。試驗(yàn)中，每個(gè)種盒的6 個(gè)腔中每腔裝填100 粒，每個(gè)種盒插板按上限數(shù)排布10 個(gè)種盒;上種試驗(yàn)流程模擬小區(qū)連續(xù)播種的作業(yè)步驟，每完成一個(gè)種盒的上種，留存上種原情況，待完成整個(gè)插板的上種后統(tǒng)計(jì)每個(gè)種盒的性能合格情況。每個(gè)插板從換裝到上種完成用時(shí)約9min，每天試驗(yàn)20 個(gè)插板，用時(shí)3h，試驗(yàn)共持續(xù)5 天時(shí)間，總用時(shí)約為15 個(gè)h。同時(shí)，從工作頻率到工作時(shí)間考慮上消除試驗(yàn)誤差，保證裝置性能檢驗(yàn)的準(zhǔn)確性和可靠性。
3. 3 試驗(yàn)結(jié)果
推塊的進(jìn)給速度波動(dòng)較小，減速電機(jī)的選型和工作穩(wěn)定性較佳，而每播完10 盒的累積進(jìn)給偏移量則比進(jìn)給速度的變異系數(shù)高24. 8%。這些已在電控設(shè)計(jì)時(shí)考慮到，并合理地控制在可準(zhǔn)確完成上種的要求波動(dòng)范圍內(nèi)。
對于上種裝置的機(jī)械性能，國家還沒有明確的評價(jià)指標(biāo)，所以在此次試驗(yàn)中以多角度、高標(biāo)準(zhǔn)對指標(biāo)進(jìn)行設(shè)置。從表1 后4 項(xiàng)可以看出:彈匣式上種裝置的各項(xiàng)指標(biāo)合格率均在98. 6%以上，即在小區(qū)播種的上種環(huán)節(jié)，每1 000 個(gè)小區(qū)中有986 個(gè)小區(qū)完成準(zhǔn)確上種，在連續(xù)作業(yè)情況下，裝置可靠性較強(qiáng)。
4 結(jié)論
1)設(shè)計(jì)研發(fā)的上種裝置利用彈匣式上種原理，順序進(jìn)給，裝置可靠性高，通過電氣控制可以與小區(qū)播種機(jī)配合完成自動(dòng)化播種作業(yè)。
2)對軌道端面的結(jié)構(gòu)和推塊的入軌角度進(jìn)行了重點(diǎn)研究，經(jīng)過對比和力學(xué)分析確定了軌道端面結(jié)構(gòu)，得出推塊的最佳入軌角度為18°。在軌道拼接處創(chuàng)新應(yīng)用了兩板搭接，開設(shè)微型插槽的結(jié)構(gòu)，保證了插板的快速更換。電控部分考慮到開關(guān)精度和方案可行性，優(yōu)選了接近開關(guān)檢測方式，電機(jī)選擇合理，在試驗(yàn)中進(jìn)給速度波動(dòng)較小。
3)上種裝置構(gòu)造簡單，結(jié)構(gòu)優(yōu)化合理。在試驗(yàn)過程中，先前優(yōu)化的種盒推塊入軌角度對上種裝置性能提升明顯，卡滯率僅為1. 1%。但試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，每完成10 個(gè)種盒的上種后，累積的進(jìn)給偏移的變異系數(shù)偏高，需要進(jìn)一步優(yōu)化傳感器靈敏性，提高機(jī)具的動(dòng)作精度。
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