淺談小區株行條播機彈匣式上種裝置的設計與試驗論文
0 引言
隨著我國良種繁育技術的快速發展，育種試驗小區的整體規模和標準化程度也在不斷提高，相對于快速發展的育種技術，相關育種機械裝備的研發還相對滯后。針對小區育種的優選繁育階段，在初步研發出小區株行條播機的基礎上，如何實現機械化上種，進一步解放勞動力已成為當前育種機械裝備的一大研發方向。
當前上種裝置研發的難點在于:①如何選取合適的種盒進給方式，使得種盒移動平穩;②如何使種盒在兩板的軌道拼接處順利通過，避免發生卡滯現象;③如何使每次上種時種盒口準確對齊導種口，避免種子溢散出導種區域發生種子的浪費或混雜現象。由于目前還未有相對成熟的上種裝置，國內現有的育種播種機的上種環節仍采用人工上種，在同時播種6行以上不同種子時單人上種已無法適應機械自動播種速度，需停機上種，已成為影響小區播種機工作效率的一個原因。
本次設計的上種裝置將彈匣碼放子彈的原理運用到種盒排列與進給當中，并針對上述難點做了逐一的探索與設計:對種盒內種子在軌道銜接處的運動狀態進行了模擬試驗;創新應用了電控自動檢測及上種技術，減輕了育種工作人員的作業強度，進一步解放了勞動力。該裝置的研發對小區株行條播機效率提升作用明顯。
1 原理分析及結構設計
1. 1 裝置結構
彈匣式上種裝置的總體結構主要由直流減速電機、接近開關、種盒導梯、種子導流部件、種盒插板、種盒組、種盒推塊、機架、護板、鏈輪傳動機構及插板鎖緊機構等部分組成。
1. 2 設計原理及工作流程
1. 2. 1 設計原理
研發的上種裝置與軍事上彈匣裝彈的工作原理相似，即外型尺寸標準化的種盒通過整齊疊放，順序完成進給、上種、拋盒動作，并在彈匣裝彈原理的基礎上結合農藝要求進行了全新的設計。為保證種盒的進給平穩(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作為由電機帶動鏈條推動種盒推塊的勻速運動方式。因種盒內種子是靠自身重力完成對排種器的供種，為了使進給順暢，種子導流部分沒有裝填槽等限位裝置，采用傳感器對種盒行程進行檢測，控制啟停。不同于軍事上的連續瞬發機制，上種裝置需對兩次上種作業之間進行延時操作為小區播種預留出作業時間。
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節就已完成分揀、裝盒與穿板工作( 將種盒依次排列串接到種盒插板上)。上種作業前，先將種盒板插入種子導流部件后方的預留插槽處，放下插板，合上插板鎖緊裝置，完成預備工作。
小區播種機行駛到第1 個小區時開始進行上種作業，電機輸出動力帶動鏈條運動，鏈條上的種盒推塊在鏈條帶動下推動整個種盒組沿種盒插板向前進給，直到首排種盒觸碰到種子導流部件前端的開關元器件時電機停轉，首排種盒的對齊工作完成。之后，每完成一個小區的播種作業只需進給1 個種盒的行程，播完種盒會自行沿種盒導梯滑走，如此往復即能完成多個小區的連續作業。
2 關鍵部件設計
2. 1 種盒推塊與推塊滑道的設計
種盒推塊是上種裝置的主要工作部件，其運動穩定性直接影響到種盒的進給是否平穩。由于在工作狀態下推塊需要頻繁地進出滑軌，如設計不當會造成碰撞震動磨損零件，嚴重的會造成卡滯現象，損壞傳動裝置，所以在種盒推塊凹槽處設計了過渡圓弧，在滑軌端口設計出導引斜坡;但在工作狀態下還需考慮鏈條的上下振動，增大軌道面與槽面間預留間隙是解決問題的根本途徑。在機架尺寸確定的情況下，設計中對推塊凹槽進入軌道的角度在CAD 中進行了擺放和分析，如圖3 所示。選取的3 個測算點中，推塊從豎直角度到18°過程中，預留間隙增大了0. 6mm，約為豎直狀態下尺寸的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，則預留間隙越寬，槽口通過軌道進入端概率也隨之增加;但同時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軌取決于槽口與軌道端沿接觸時推進力能否大于阻力，所以應對該零件瞬態受力情況進行分析。相對于推塊體積，施加應力都較集中，近似為所有外力集中于一點G，因為F合= F3 sinα + FNcosα ，通過條件變為F合≤F額( 額定負載)。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—鏈條沿槽向動力;Ff—沿槽向摩擦力;u—凹槽表面摩擦系數(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，F2為恒定阻力;β 值固定。鏈條沿槽向動力F3直接受α 影響，摩擦力中含α 的項在0. 15 的摩擦系數下效果不明顯。由此可以看出:隨著傾斜角度90° -α 的增加，F1cosα 值增加，所以F3的值加大。從當量守恒角度考慮，由公式mΔv = Ft ，要從V1變為V2在接觸時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)
經分析對比和模擬試驗，最后得出推塊入軌角度
的最優值為18°。
2. 2 種盒插板與種子導流部件銜接處設計
由于種盒插板在小區連續作業時需定時更換，所以設計時需考慮到快換特點及良好的操作性，寬松的夾持連接在顛簸路況下必然會在兩零件連接處出現輕微的滑移和震動現象，嚴重的會卡滯種盒。如圖5 所示，設計中運用了彈簧伸縮擋塊，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厚度的材料，前板打薄上端面，后板打薄下端面，同時在前板的切薄處的左右和上端做出一個導引的斜坡，在后插板端面加工出1 個0. 5mm 厚槽，進一步提高容錯率。此種設計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在交縫處出現殘留現象。改進措施為將兩板切薄面調轉，此種方式上端支撐面拼接處還是會有阻礙可能，需提高加工精度。
2. 3 電氣控制部分設計
2. 3. 1 開關的方案選擇與設計
彈匣式上種裝置的電控開關的選擇與安置是此次設計的難點。首先，傳動鏈條的運動最終是以種盒的移動進給為目的，在傳動軸上裝電控開關不利于檢測種盒的移動;其次，種盒是已經標準化的塑料件，在其上裝電控開關也不現實;再次，由于種盒的排列相對緊湊，且外表面有坡度，普通的觸點行程開關無法伸入盒間間隙，又不能規避種盒表面坡度帶來的誤差。針對上述電控開關配置的限制，在此次設計中一共提出以下3 種待選擇方案。
1)方案1:采用步進電機驅動鏈輪軸的方式，省去了電控開關元器件，傳動精度大幅提升;但步進電機沒有反饋調節，電機內部的累進誤差不可消除。
2) 方案2:采用接近開關作為檢測傳感器與減速電機配合完成作業，通過檢測種盒間的間隙來判斷進給行程，可以做到誤差的反饋調節，也規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雜，既不能影響種盒行進，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變差。
3) 方案3:采用應變片作為檢測傳感器與減速電機配合完成作業。該方案將應變片放置在種子導流部件的種盒支撐面上，利用種盒通過時應變片表面壓力的變化來判斷進給行程，結構緊湊，抗外界干擾性強;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，應變片對壓力的敏感性會導致結果誤差較大，造成作業發生錯誤。
經過對比分析，考慮到精確度對育種試驗的重要性，為了盡可能地規避由于機械與電控自身存在的誤差對試驗的影響，設計最終選用了第2 套方案。即在一側機架為接近開關，設置一可動機座，可調整接近開關位置，豎向上架高接近開關空出推塊的位置，接近開關的感應距離需大于種盒壁的間隔距離，感應面積需小于種盒間的間隙量。
2. 3. 2 電機參數選擇
設計中選用18 齒節距為12. 7 的前鏈輪，分度圓直徑為73mm，種盒寬度為60mm，即鏈輪轉過1 周共向前進給約4 個種盒，種盒進給速度不宜過快，要求電機具有低速運轉功能。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，種盒內種子量為每腔約40g，每一整盒種子約重240g，負載總重4. 4kg。考慮到機械內部阻力及軌道接觸面間摩擦等因素，將額定負載擴大至16kg，計算得轉矩約為6N/m。最終，本設計選用的減速電機參數如下:型號: GPG - 05SC電壓/V: 12電流/A: 1. 39轉速范圍/r·min - 1: 1 ～ 1 800功率/W: 10
3 性能試驗與結果
3. 1 試驗基本條件
性能試驗在位于河北固安的中機美諾科技股份有限公司的試制車間進行。試驗采用蕎麥品種為平蕎2 號，隨機抽選百粒，測算平均長× 寬× 高為6.23mm × 3. 43mm × 2. 99mm，千粒質重為30g，種子含水率為10. 4%，尺寸具有較強的代表性。
3. 2 試驗步驟
試驗主要是檢驗上種裝置的作業可靠性。試驗中，每個種盒的6 個腔中每腔裝填100 粒，每個種盒插板按上限數排布10 個種盒;上種試驗流程模擬小區連續播種的作業步驟，每完成一個種盒的上種，留存上種原情況，待完成整個插板的上種后統計每個種盒的性能合格情況。每個插板從換裝到上種完成用時約9min，每天試驗20 個插板，用時3h，試驗共持續5 天時間，總用時約為15 個h。同時，從工作頻率到工作時間考慮上消除試驗誤差，保證裝置性能檢驗的準確性和可靠性。
3. 3 試驗結果
推塊的進給速度波動較小，減速電機的選型和工作穩定性較佳，而每播完10 盒的累積進給偏移量則比進給速度的變異系數高24. 8%。這些已在電控設計時考慮到，并合理地控制在可準確完成上種的要求波動范圍內。
對于上種裝置的機械性能，國家還沒有明確的評價指標，所以在此次試驗中以多角度、高標準對指標進行設置。從表1 后4 項可以看出:彈匣式上種裝置的各項指標合格率均在98. 6%以上，即在小區播種的上種環節，每1 000 個小區中有986 個小區完成準確上種，在連續作業情況下，裝置可靠性較強。
4 結論
1)設計研發的上種裝置利用彈匣式上種原理，順序進給，裝置可靠性高，通過電氣控制可以與小區播種機配合完成自動化播種作業。
2)對軌道端面的結構和推塊的入軌角度進行了重點研究，經過對比和力學分析確定了軌道端面結構，得出推塊的最佳入軌角度為18°。在軌道拼接處創新應用了兩板搭接，開設微型插槽的結構，保證了插板的快速更換。電控部分考慮到開關精度和方案可行性，優選了接近開關檢測方式，電機選擇合理，在試驗中進給速度波動較小。
3)上種裝置構造簡單，結構優化合理。在試驗過程中，先前優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%。但試驗過程中發現，每完成10 個種盒的上種后，累積的進給偏移的變異系數偏高，需要進一步優化傳感器靈敏性，提高機具的動作精度。
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