胡迎春 ，莊錦芳，閆　鑫，牟向偉，廖　偉

(1.廣西師范大學(xué) 職業(yè)技術(shù)師范學(xué)院，廣西 桂林　541004；2.廣西科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，廣西 柳州　545006)

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搖桿式桑葉采摘機(jī)撥枝與采摘時(shí)間的協(xié)調(diào)匹配分析

胡迎春1，莊錦芳2，閆鑫2，牟向偉1，廖偉2

(1.廣西師范大學(xué) 職業(yè)技術(shù)師范學(xué)院，廣西 桂林541004；2.廣西科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，廣西 柳州545006)

摘要：以實(shí)現(xiàn)機(jī)械采摘桑葉為目的，設(shè)計(jì)一款能自動(dòng)采摘桑葉的搖桿式桑葉采摘機(jī)，并通過(guò)對(duì)桑葉采摘裝置和間歇撥動(dòng)定位裝置工作原理分析，建立曲柄滑塊機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的幾何模型。通過(guò)對(duì)稱(chēng)兩端半圓環(huán)刀具的張閉動(dòng)作時(shí)間與間歇撥動(dòng)裝置運(yùn)動(dòng)時(shí)間的匹配分析計(jì)算，確定了圓柱分度凸輪分度期轉(zhuǎn)角和停歇期轉(zhuǎn)角，使間歇撥動(dòng)定位裝置能及時(shí)將桑枝送到桑枝定位框，即對(duì)稱(chēng)兩端半圓環(huán)刀具所在位置，使圓環(huán)刀具能對(duì)桑葉準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)采摘?jiǎng)幼?。該研究可為?shí)現(xiàn)桑葉采摘的機(jī)械化提供理論和應(yīng)用依據(jù)。

關(guān)鍵詞：曲柄滑塊機(jī)構(gòu)；間歇撥動(dòng)；協(xié)調(diào)匹配；圓環(huán)刀具；桑葉采摘機(jī)

0引言

我國(guó)自古以來(lái)就是一個(gè)種桑養(yǎng)蠶的農(nóng)業(yè)大國(guó)，尤其是隨著東桑西移工程的實(shí)施，在南方很多地方桑蠶養(yǎng)殖達(dá)到鼎盛時(shí)期，對(duì)桑葉的需求量非常大。目前，我國(guó)的桑葉采摘方式仍然以手工采摘為主，不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且效率低下[1-4]，因此急需一種桑葉采摘機(jī)，可以代替桑農(nóng)的手工采摘，以降低桑農(nóng)的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高桑葉采摘效率。為此，設(shè)計(jì)了搖桿式桑葉采摘機(jī)，主要由行走裝置、底座裝置、減速裝置、間歇撥動(dòng)定位裝置和桑葉采摘裝置等組成[5-7]。間歇撥動(dòng)定位裝置、桑葉采摘裝置是整個(gè)搖桿式桑葉采摘機(jī)的重要組成部分。間歇撥動(dòng)桑枝的時(shí)間與桑葉采摘裝置中圓環(huán)刀具運(yùn)動(dòng)時(shí)間能否協(xié)調(diào)匹配是搖桿式桑葉采摘機(jī)能否順利實(shí)現(xiàn)桑葉采摘的關(guān)鍵，本文將重點(diǎn)研究二者的時(shí)間協(xié)調(diào)匹配問(wèn)題。

1工作原理與過(guò)程

1.1桑葉采摘裝置工作原理

本研究的搖桿式桑葉采摘機(jī)的工作原理是基于曲柄滑塊機(jī)構(gòu)類(lèi)型，通過(guò)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的循環(huán)往復(fù)運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)桑葉采摘裝置的上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)。桑葉采摘裝置采用的是對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，左右兩邊均由曲柄、連桿、勾型導(dǎo)軌、彈簧、導(dǎo)輪、導(dǎo)軌滑塊、采桑桿、半圓環(huán)刀具及U型塊等幾個(gè)部分組成，如圖1所示。

1.曲柄　2.連桿　3.勾型導(dǎo)軌　4.勾型導(dǎo)軌凹槽　5.導(dǎo)軌滑塊

桑葉采摘裝置需要通過(guò)圓環(huán)刀具閉合、向上運(yùn)動(dòng)、向下運(yùn)動(dòng)、張開(kāi)等4個(gè)階段動(dòng)作來(lái)完成一次桑葉采摘。設(shè)采桑桿初始位置在勾型導(dǎo)軌下極限位置C2點(diǎn)處，采桑桿套在導(dǎo)軌滑塊上且末端與U型塊接觸，在采桑桿末端處套有彈簧，U型塊和導(dǎo)輪放置于勾型導(dǎo)軌凹槽中。發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力給曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，連桿帶動(dòng)套在導(dǎo)軌滑塊上的采桑桿向上運(yùn)動(dòng)；當(dāng)采桑桿運(yùn)動(dòng)到勾型導(dǎo)軌的勾型頸部B點(diǎn)時(shí)，由于采桑桿橫向距離的變窄使得位于兩端勾型導(dǎo)軌的彈簧處于壓縮狀態(tài)，頂住采桑桿，使位于中軸線位置左右兩邊半圓環(huán)刀具實(shí)現(xiàn)閉合，開(kāi)始向上采摘桑葉；采桑桿向上運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，彈簧始終頂住U型塊，從而壓住采桑桿，保證兩個(gè)半圓環(huán)刀具始終處于閉合狀態(tài)，從而持續(xù)采摘桑葉。當(dāng)導(dǎo)軌滑塊運(yùn)動(dòng)到上極限位置C1點(diǎn)時(shí)，曲柄的圓周運(yùn)動(dòng)將使得連桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)導(dǎo)軌滑塊往回運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)采桑桿開(kāi)始向下運(yùn)動(dòng)；當(dāng)采桑桿回到勾型導(dǎo)軌頸部B點(diǎn)時(shí)，彈簧向凹槽位置彈開(kāi)，處于自然狀態(tài)，從而使采桑桿帶動(dòng)閉合的圓環(huán)刀具分開(kāi)，桑葉采摘結(jié)束。分開(kāi)的半圓環(huán)刀具隨著采桑桿在導(dǎo)軌滑塊的帶動(dòng)下繼續(xù)向勾型導(dǎo)軌凹槽移動(dòng)，直至運(yùn)動(dòng)到下極限位置C2點(diǎn)，又由曲柄的圓周運(yùn)動(dòng)使連桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)導(dǎo)軌滑塊再次向上運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)采桑桿向上運(yùn)動(dòng)和刀具閉合，又開(kāi)始新一輪的桑葉采摘。

1.2間歇撥動(dòng)定位裝置工作原理

根據(jù)桑葉采摘規(guī)律，桑枝被撥動(dòng)到定位框所在位置并實(shí)現(xiàn)采摘，采摘?jiǎng)幼魍瓿珊笤贀軇?dòng)另外一枝桑枝，因此為間歇式撥動(dòng)。此間歇撥動(dòng)定位裝置由3個(gè)分度盤(pán)、3個(gè)圓柱分度凸輪和3個(gè)桑枝定位盤(pán)組成，如圖2所示。

其中，桑枝定位盤(pán)上裝有桑枝定位桿。當(dāng)?shù)?圓柱分度凸輪分度段輪廓推動(dòng)第1分度盤(pán)轉(zhuǎn)位時(shí)，其轉(zhuǎn)位將推動(dòng)第1桑枝定位盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)，桑枝定位盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)將使得其上的桑枝定位桿將桑枝往定位框方向輸送，此時(shí)桑枝尚未到達(dá)定位框位置；緊接著第2、第3圓柱分度凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)到分度凸輪的分度段輪廓，分別推動(dòng)第2、第3分度盤(pán)轉(zhuǎn)位從而帶動(dòng)第2、第3桑枝定位盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)，被推轉(zhuǎn)動(dòng)的桑枝定位盤(pán)上的桑枝定位桿將由前面送來(lái)的桑枝撥動(dòng)到定位框所在位置。當(dāng)圓柱分度凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)到停歇區(qū)轉(zhuǎn)角時(shí)，分度盤(pán)上的兩個(gè)相鄰滾子跨夾在圓柱分度凸輪的圓環(huán)面凸脊上使分度盤(pán)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，這時(shí)桑枝定位盤(pán)也停止轉(zhuǎn)位，此時(shí)的定位桿將起到桑枝定位的作用。

2時(shí)間協(xié)調(diào)匹配分析計(jì)算

將采桑機(jī)推至桑園，啟動(dòng)采桑機(jī)，采桑桿在導(dǎo)軌滑塊的帶動(dòng)下從C2點(diǎn)開(kāi)始向上運(yùn)動(dòng)；采桑桿第1次經(jīng)過(guò)勾型導(dǎo)軌頸部B點(diǎn)和導(dǎo)軌上極限C1點(diǎn)再回到B點(diǎn)時(shí)，這個(gè)階段定位框內(nèi)沒(méi)有桑枝，閉合的圓環(huán)刀具沒(méi)有采摘桑葉，這個(gè)過(guò)程圓柱分度凸輪恰好轉(zhuǎn)過(guò)停歇期圓弧段。當(dāng)采桑桿自B點(diǎn)開(kāi)始帶動(dòng)圓環(huán)刀具張開(kāi)，在導(dǎo)軌凹槽正好走一個(gè)來(lái)回再次回到B點(diǎn)時(shí)，刀具再次閉合，此階段定義為圓環(huán)刀具的非工作時(shí)間，也是圓柱分度凸輪分度圓弧撥動(dòng)桑枝進(jìn)入定位框的時(shí)間，這二者時(shí)間必須匹配。刀具閉合，恰好框住送入定位框的桑枝，圓環(huán)刀具自B點(diǎn)開(kāi)始向上運(yùn)動(dòng)至上極限位置C1點(diǎn)再次返回到B點(diǎn)，此時(shí)間定義為圓環(huán)刀具的工作時(shí)間，也是圓柱分度凸輪停歇區(qū)時(shí)間，這二者時(shí)間也必須匹配。

將桑枝撥動(dòng)和定位時(shí)間與圓環(huán)刀具的非工作時(shí)間和工作時(shí)間相互協(xié)調(diào)匹配，才能保證物流暢通，順利實(shí)現(xiàn)桑葉采摘。

2.1搖桿機(jī)構(gòu)的幾何模型分析

根據(jù)桑園桑枝生長(zhǎng)狀況，取圓環(huán)刀具上下運(yùn)動(dòng)完成切割動(dòng)作的行程H=1 200mm，考慮桑葉采摘機(jī)的結(jié)構(gòu)特性取勾型導(dǎo)軌的安裝位置距離曲柄軸心e=300mm處，取滑塊運(yùn)動(dòng)時(shí)快速行程與慢速行程的平均速度之比值，即行程速比系數(shù)K=1.3，從而可以確定曲柄長(zhǎng)度[8-11]LAG=LAF=LAE=R=568mm，連桿長(zhǎng)度為L(zhǎng)BF=LBE=L=1 107mm。將搖桿式桑葉采摘機(jī)的搖桿式機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化為曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的幾何模型如圖3所示。圖3中的B、C1、C2點(diǎn)與圖1中的3個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)。由幾何關(guān)系可得滑塊位移x為

(1)

其中，R為曲柄長(zhǎng)度，θ為曲柄轉(zhuǎn)角。

將位移x對(duì)時(shí)間求導(dǎo)得

(2)

其中，w為曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度。

(3)

聯(lián)立式(2)、式(3)得

(4)

其中，v為滑塊運(yùn)動(dòng)的速度

曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的滑塊從C2點(diǎn)開(kāi)始滑動(dòng)，此時(shí)滑塊初始速度為0，采桑桿作加速運(yùn)動(dòng)，從C2點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到B點(diǎn)的距離H′達(dá)到切割桑葉的速度v1。有資料表明[12-16]，割刀切斷禾桿的最小刀速為0.6m/s，由于桑葉葉柄比禾桿更容易切斷，此處選取圓環(huán)刀具的最小切割速度v1為0.55m/s。此時(shí)，滑塊的運(yùn)動(dòng)速度為

v=v1=0.55m/s

(5)

圖3　曲柄滑塊機(jī)構(gòu)幾何模型示意圖

2.2圓環(huán)刀具運(yùn)動(dòng)時(shí)間分析

2.2.1圓環(huán)刀具非工作時(shí)間分析

圓環(huán)刀具從C2點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到B點(diǎn)時(shí)，設(shè)圓環(huán)刀具所走的行程H′=200mm距離，而此時(shí)曲柄轉(zhuǎn)過(guò)的角度為θ0。由圖3可知

(6)

其中，s為曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)中心到C2點(diǎn)豎直長(zhǎng)度，R為曲柄長(zhǎng)度，L為連桿長(zhǎng)度，e為偏距長(zhǎng)度。

由式(6)得s=1 648mm。

在△ABD中由勾股定理得

(7)

由式(7)得LAB=1 480mm。

在△AFB中由余弦定理得

L2BF=L2AB+L2AF-2LABLAFcosθ1

(8)

由式(8)得θ1=40°。

在△ABD中三角函數(shù)關(guān)系得

(9)

由式(9)得θ'=11.7°。

在△AC2C2'中，由三角函數(shù)關(guān)系得

(10)

由式(10)得θ3=10.3°。

所以∠BAC2=θ2=θ'-θ3=1.4°。

采桑桿從C2點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到B點(diǎn)，曲柄轉(zhuǎn)過(guò)角度θ0為

θ0=θ1+θ2=41.4°

(11)

取θ0=41°。圖3中，有

θ6=θ0+θ3=51.3°

(12)

當(dāng)滑塊運(yùn)動(dòng)到B點(diǎn)時(shí)，有

θ=θ6=51.3°

(13)

由式(4)得

(14)

由式(5)、式(13)和已知數(shù)據(jù)代入式(14)得

w=1.1rad/s

(15)

所以轉(zhuǎn)過(guò)角度θ0所用時(shí)間為

(16)

其中，t1是圓環(huán)刀具的第1部分非工作時(shí)間。

在△AEB中，由余弦定理得

L2BE=L2AB+L2AE-2LABLAEcosθ5

(17)

由式(17)得 θ5=40°。

圓環(huán)刀具從B點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到C2點(diǎn)，曲柄轉(zhuǎn)過(guò)的角度θ4為

θ4=θ5-θ2=38.6°

(18)

取θ4=39°。轉(zhuǎn)過(guò)角度θ4所用時(shí)間為

(19)

其中，t4是圓環(huán)刀具的第2部分非工作時(shí)間。因此，圓環(huán)刀具的非工作時(shí)間為

t'=t1+t4=0.65+0.62=1.27s

(20)

2.2.2圓環(huán)刀具工作時(shí)間分析

在△AC1C2中，由余弦定理得

H2=L2AC1+L2AC2-2LAC1LAC2cos∠C1AC2

(21)

由式(21)得∠C1AC2=230。

圓環(huán)刀具從C2點(diǎn)經(jīng)過(guò)B點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到C1點(diǎn)曲柄轉(zhuǎn)過(guò)的角度為180°+23°=203°。

記所用時(shí)間為t6，則有

(22)

其中，t6為兩段時(shí)間之和，即圓環(huán)刀具由C2點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到B點(diǎn)的時(shí)間t1和由B點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到C1點(diǎn)的時(shí)t2之和，因此有

t2=t6-t1=3.22-0.65=2.57s

(23)

其中，t2是圓環(huán)刀具的第1部分工作時(shí)間。

圓環(huán)刀具從C1點(diǎn)經(jīng)過(guò)B點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到C2點(diǎn)曲柄轉(zhuǎn)過(guò)的角度為360°-203°=157°。

記所用時(shí)間為t3，則

(24)

其中，t3亦為兩段時(shí)間之和，即圓環(huán)刀具從C1點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到B點(diǎn)的時(shí)間t5和從B點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到C2點(diǎn)的時(shí)間t4之和，因此有

t5=t3-t4=2.49-0.62=1.87s

(25)

其中，t5是圓環(huán)刀具的第2部分工作時(shí)間。

綜上可知，圓環(huán)刀具工作時(shí)間為

t=t2+t5=2.57+1.87=4.44s

(26)

2.3圓環(huán)分度凸輪角度計(jì)算

由于圓柱分度凸輪停歇期所用時(shí)間應(yīng)等于圓環(huán)刀具工作時(shí)間，即

td=t

(27)

其中，td為圓柱分度凸輪停歇期的時(shí)間，而

(28)

聯(lián)立式(15)、式(27)、式(28)得圓柱分度凸輪停歇期轉(zhuǎn)角為

(29)

圓柱分度凸輪分度期所用時(shí)間應(yīng)等于采桑桿圓環(huán)刀具非工作時(shí)間，即

tf=t'

(30)

其中，tf為圓柱分度凸輪分度期的時(shí)間，而

(31)

聯(lián)立式(15)、式(30)、式(31)得圓柱分度凸輪分度期轉(zhuǎn)角為

(32)

即圓柱分度凸輪停歇期轉(zhuǎn)角應(yīng)為280°，分度期轉(zhuǎn)角應(yīng)為80°。

3結(jié)論

在對(duì)搖桿式桑葉采摘機(jī)的關(guān)鍵裝置進(jìn)行工作原理分析基礎(chǔ)上，再通過(guò)采桑桿圓環(huán)刀具的運(yùn)動(dòng)分析，建立了曲柄滑塊機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的幾何模型；結(jié)合桑葉采摘機(jī)的采摘特性，確定了曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的曲柄合理角速度及其在特定位置處曲柄轉(zhuǎn)過(guò)的角度所用的時(shí)間，從而確定了圓柱分度凸輪的分度期和停歇期所用時(shí)間。采桑桿在勾型導(dǎo)軌的勾型凹槽內(nèi)上下行走的時(shí)間是圓環(huán)刀具的非工作時(shí)間，此時(shí)間與圓柱分度凸輪分度期的時(shí)間匹配，圓環(huán)刀具采摘工作時(shí)間與圓柱分度凸輪停歇期時(shí)間相匹配。最終，確定圓柱分度凸輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，即分度期轉(zhuǎn)角為80°和停歇期轉(zhuǎn)角為280°。

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Research on a Rocker Type Machine about Matching Time Analysis of Stirring and Plucking Mulberry Leaves

Hu Yingchun1,Zhuang Jinfang2,Yan Xin2,Mou Xiangwei1,Liao Wei2

(1.Teachers College for Vocational and Technical Education, Guangxi Normal University, Guilin 541004，China；2.College of Mechanical Engineering, Guangxi University of Science and Technology,Liuzhou 545006,China)

Abstract：On the purpose of picking mulberry leaves mechanically, a rocker-type mulberry leaves picking machine was designed. According to the analysis of the operational principle of device of mulberry leaves picking and intermittent slide switch positioning, the geometrical models of motional slider-crank mechanism were built.By means of calculating and matching the open and close time of symmetrical semicircular blades and the motional time of the intermittent slide switch, the angle of indexing phase and the dwell of the cylindrical indexing cam have been confirmed, which enabled the mulberry branches be in the baskets where lies the symmetrical semicircular blades by the intermittent slide switch positioning device.Thus the circular blades can pick mulberry leaves accurately.It has been provided of theoretical and practical proofs of picking mulberry leaves mechanization.

Key words：slider-crank mechanism; intermittent toggle; coordinate matching; circular blades; mulberry leaves pickingmachine

文章編號(hào)：1003-188X(2016)03-0144-05

中圖分類(lèi)號(hào)：S225.93

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：胡迎春(1971-)，女，南京人，教授，博士，碩士生導(dǎo)師，(E-mail)hyc_leeds@163.com。

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51205071)

收稿日期：2015-02-16