馬鈴薯種植氣動控制切種裝置

溫潔明,江 山,戴宛林,李福敏,李有立,鄧鴻陽

( 廣西大學 機械工程學院,南寧 530004 )

0 引言

馬鈴薯原產(chǎn)于南美洲,目前主要生產(chǎn)國有中國、俄羅斯、印度、烏克蘭及美國等。其中,我國的馬鈴薯產(chǎn)量居世界第一。2015年,我國啟動了馬鈴薯主糧化戰(zhàn)略,推進把馬鈴薯加工成饅頭、面條、米粉等主食,馬鈴薯成為除稻米、小麥 、玉米外的又一主糧[1]。

近年來,我國馬鈴薯產(chǎn)業(yè)種植面積基本穩(wěn)定、總產(chǎn)略有增加。隨著馬鈴薯主糧化戰(zhàn)略的提出和人民對健康綠色生活要求的不斷提升,馬鈴薯的需求不斷增加[2]。然而,馬鈴薯種植過程中,僅僅實現(xiàn)了播種的機械自動化,而種子加工仍然是手工進行。馬鈴薯切種是馬鈴薯生產(chǎn)過程中比較繁瑣的環(huán)節(jié),也是影響播種質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)。為了解決這一問題,提高農(nóng)民收入,設(shè)計了一款馬鈴薯種植氣動控制切種裝置。在設(shè)計過程中,根據(jù)實際情況確定了裝置的尺寸及適配性,采用自動化氣動切割,確保切割的準確性及高速性,從而實現(xiàn)切種過程的高效率和高質(zhì)量。

1 總體闡述

馬鈴薯種植氣動控制切種裝置主要由氣動切種機構(gòu)、氣動單向鏈輪供料機構(gòu)和底座組成,如圖1所示。氣動切種機構(gòu)和氣動單向鏈輪供料機構(gòu)分別安裝在底座上。機器運作時,在切種盒中放上馬鈴薯,供料機構(gòu)啟動,推送馬鈴薯至切種機構(gòu)下方;切種機構(gòu)啟動,進行切種操作;切種完畢后,供料機構(gòu)將已經(jīng)加工完成后的薯塊運送至收集盒,同時運送新的馬鈴薯進行切種。

1.約束架 2.底座 3.切種盒 4.刀具 5.刀具端架圖1 總體設(shè)計Fig.1 Overall design picture。

2 關(guān)鍵構(gòu)件設(shè)計

2.1 氣動切種機構(gòu)

氣動切種機構(gòu)如圖2所示。機構(gòu)固定于底座上,氣缸固定于底座上端,與切種刀具端架相連接,底座設(shè)切種刀具約束裝置,保證切種刀具端架垂直運動;切種刀具端架下端與兩片上位橫向刀具和1片下位縱向刀具相連接。裝置啟動時,氣缸向下產(chǎn)生沖力,帶動3片刀具向下進行切割運動,從而實現(xiàn)土豆的切種。

1.刀具端架 2.上位橫向刀具 3.下位縱向刀具 4.馬鈴薯圖2 氣動切種機構(gòu)Fig.2 Pneumatic seed cutting mechanism。

為保證切削力,切種操作采用氣缸作為動力,標準參數(shù)如表1所示。

表1 氣缸標準參數(shù)Table 1 Standard parameters of seed cutting cylinder。

選取工作壓力為0.5MPa,氣缸運行速度為400mm/s。按照國家標準,刀具設(shè)計針對氣缸速度在50～500mm/s范圍內(nèi)的水平或垂直動作,A≤0.5,則取A=0.5。

式中F—實際輸出力;

A—工作阻力;

P—工作壓力;

D—缸徑。

實際氣缸輸出力為201N,刀具行程150mm,運行速度為400mm/s。經(jīng)檢驗,該輸出力滿足馬鈴薯切削所需,速度適中,不會造成馬鈴薯的跳動和底座構(gòu)架的不穩(wěn)固[3]。

為保證馬鈴薯的出苗率、馬鈴薯的利用率和生產(chǎn)成本,切種時應(yīng)控制薯塊的質(zhì)量在40～60g之間,且每個切種必須保證至少1個芽眼。我國種植的馬鈴薯平均質(zhì)量在200～300g之間,則每個馬鈴薯分割成6塊最為合理。因此,裝置刀具特采用三刀具切種6塊模式,且刀具結(jié)構(gòu)為可替換刀具,以減少換機成本和提高工作效率。刀具參數(shù)設(shè)計如表2所示。

表2 刀具參數(shù)設(shè)計Table 2 Tool parameter design。

2.2 氣動單向鏈輪供料機構(gòu)

考慮到切種機構(gòu)采用氣動,沖擊性強,速度快,為提高切種效率和為保證安全,設(shè)計了半自動氣動供料機構(gòu)。

供料主要原理為氣缸啟動,帶動齒條縱向平移,齒條與齒輪軸相銜接,齒輪軸上安裝單向運動軸承,鏈輪嵌套在單向運動軸承上,鏈輪轉(zhuǎn)動帶動鏈條上的切種盒運動,從而完成自動供料。供料機構(gòu)如圖3所示。

1.氣缸 2.齒條 3.單向軸承 4.切種盒圖3 供料機構(gòu)Fig.3 Feed mechanism。

切種盒的作用是承載切種時的載荷和對馬鈴薯的運動進行限制。為保證切種盒與馬鈴薯和刀具的適配性,切種盒的尺寸為155mm×75mm×50mm(長×寬×高),切種盒間距為80mm。

選用鏈輪的分度圓直徑為61.08mm,齒數(shù)為15,則每移動1個工位時鏈輪的轉(zhuǎn)動角度為150.09°,即

式中d1—切種盒間距;

d2—鏈輪分度圓直徑;

φ—鏈輪轉(zhuǎn)動角度。

為保證切種盒的準確切換及切種盒的平穩(wěn)運行,特選用氣缸和齒輪軸規(guī)格如表3所示。

表3 供給機構(gòu)參數(shù)Table 3 Supply mechanism parameters。

齒輪轉(zhuǎn)動角度為

式中θ—齒輪軸的轉(zhuǎn)動角度。

在行程為40mm氣缸的帶動下,齒輪軸的轉(zhuǎn)動角度152.7°與鏈輪的轉(zhuǎn)動角度150.09°在誤差允許范圍內(nèi),從而能夠保證切種盒的準確定位,從而保證機器的正常運轉(zhuǎn)。

3 仿真設(shè)計與分析

為了檢驗馬鈴薯種植氣動控制切種裝置整體設(shè)計及關(guān)鍵零件設(shè)計是否合理,進一步對該裝置進行優(yōu)化,滿足農(nóng)民對農(nóng)機具高效率、低成本和操作簡單的要求,使該裝置更加穩(wěn)定和可靠,便于推廣[4],將該裝置的UG模型導入ADAMS,如圖4所示。

圖4 整體構(gòu)件仿真設(shè)計Fig.4 Overall component simulation design。

仿真過程中,通過對試驗數(shù)據(jù)的分析,對整體裝置的合理性和穩(wěn)定性進行優(yōu)化,且重點對關(guān)鍵零件進行測試,通過實驗進行改進[5]。

3.1 刀具切種仿真

切種刀具是裝置的核心部件,要求刀具安全可靠,具有較高的經(jīng)濟性,方便農(nóng)民的使用及市場的推廣。為此,對刀具的運行軌跡、速度等方面進行仿真演示,以驗證裝置設(shè)計是否合理。

3.1.1 刀具切種位移-時間仿真

利用ADAMS,以刀具底端刀刃為端點,測量隨著時間的變化及刀刃與初始狀態(tài)的距離變化,如圖5所示。由圖5可知:刀具運行周期為2s;在單位周期內(nèi),運轉(zhuǎn)時間0.75s,空檔時間1.25s。這樣,既保證了運行效率,又使機器有一定的散熱時間,延長了刀具的使用壽命。

圖5 刀具切種位移-時間仿真Fig.5 Tool cutting displacement - time simulation。

3.1.2 刀具切種速度-時間仿真

在往復切削過程中,對速度的控制極為重要。為保證速度方向的快速轉(zhuǎn)變,特采用氣缸動力,使刀具在運行過程中速度平穩(wěn),轉(zhuǎn)向迅速,不會對切種盒和底座造成較大的沖擊性損傷,保證了裝置的壽命和穩(wěn)定性。刀具切種速度仿真如圖6所示。

圖6 刀具切種速度-時間仿真Fig.6 Tool cutting speed - time simulation。

3.2 供料機構(gòu)仿真

為觀察切種盒的運動情況,特對鏈輪運動的角速度進行仿真研究,如圖7所示。觀察角速度-時間曲線可知:0～1s時,鏈輪以150°/s的速度運轉(zhuǎn),速度較低,不會造成沖擊,有利于機器平穩(wěn)的運轉(zhuǎn);1～2s時,鏈輪停止轉(zhuǎn)動,保持靜止狀態(tài),切種機構(gòu)運作,對切種盒內(nèi)的馬鈴薯進行切種。

圖7 角速度-時間曲線Fig.7 Angular velocity-time curve。

供料機構(gòu)與切種機構(gòu)周期均為2s,具有很好的配合性,且為保證切種機構(gòu)刀具運轉(zhuǎn)的0.75s內(nèi)切種環(huán)境良好,特設(shè)計供料機構(gòu)靜止1s,具有較高的容錯率,以抵消制造誤差所帶來的機構(gòu)配合不精準,也降低了制造成本。

4 試驗

利用UG繪制三維草圖,并用ADAMS對其進行虛擬仿真,經(jīng)過對整體及關(guān)鍵部件的仿真與改進,制造了馬鈴薯種植氣動控制切種裝置物理樣機一臺,如圖8和圖9所示。

圖8 刀具樣機Fig.8 The cutting tool prototype。

圖9 供給機構(gòu)樣機Fig.9 Supply mechanism prototype。

為了檢驗該裝置的性能能否滿足農(nóng)民的日常需求,特對該裝置進行實物運轉(zhuǎn)測試,并與人工馬鈴薯切種效率進行對比。試驗參數(shù)如表4所示,試驗數(shù)據(jù)如圖10所示。

表4 馬鈴薯切種實驗數(shù)據(jù)Table 4 Experimental data of potato seed cutting。

圖10 馬鈴薯切種數(shù)據(jù)Fig.10 Potato seed cutting data。

裝置工作期間運行穩(wěn)定,機器效率是人工的2.6倍,合格率比人工略高。試驗結(jié)果表明:人工切種時,開始效率較高,但隨著肌肉的疲勞,人工的單位時間切種數(shù)量一直在下降,可見人工切種不穩(wěn)定性較大,長期勞作,會產(chǎn)生多種病痛;相反,機器切種不僅保證了效率,也解放了勞動力。

5 結(jié)論

1)試驗數(shù)據(jù)表明:裝置運轉(zhuǎn)期間,切種速度相對穩(wěn)定,無巨大波動。

2)切種裝置效率高,約是人工效率的2.6倍。

3)切種裝置采用氣缸與機械裝置巧妙配合的方式,占地空間不大,價格低廉,符合農(nóng)民對農(nóng)機具低成本、高效率的要求。