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(1.國家林業(yè)局哈爾濱林業(yè)機械研究所，黑龍江 哈爾濱 150086；2.國家林業(yè)局林業(yè)機電工程重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150086)

研究與設計

基于小型裝載機植苗器的儲苗盤理論設計

蘇寧1，郭克君1，2*，徐鑫1，楊增帥1，滿大為1，2，苗振坤1，吳立國1

(1.國家林業(yè)局哈爾濱林業(yè)機械研究所，黑龍江 哈爾濱 150086；2.國家林業(yè)局林業(yè)機電工程重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150086)

針對配套于小型裝載機的植苗器，設計了一套鏈式布置苗杯的儲苗盤。利用簡易方格模型，對鏈式苗盤及滑軌式、圓盤式苗盤的空間利用情況進行了評估，其空間利用率分別為52.73%、50%和40%。通過摩擦實驗及對數(shù)據(jù)的方差分析，確定苗盤材料采用不銹鋼板。參考摩擦力數(shù)據(jù)，選擇步進電機并對控制系統(tǒng)進行了設計。整套儲苗盤體積小、質(zhì)量輕、控制精確，運行穩(wěn)定。

小型裝載機；植苗器；儲苗盤；設計

目前國內(nèi)樹木容器苗的栽植機械化程度較低[1]，一般對造林區(qū)進行整地后都由人工栽植。近幾年廣西北海從芬蘭引進了大型植苗器，其是一種先進的植苗設備，安裝在挖掘機的挖掘臂上，主要由儲苗盤、翻土鏟、送苗管、植苗裝置等部分組成。植苗器由駕駛員控制，可實現(xiàn)自動翻土、植苗、澆水、施肥等項作業(yè)。但由于整套設備體積龐大，必須配套大型挖機，導致整套系統(tǒng)行動不靈活，作業(yè)成本高。筆者參考國外的大型植苗設備，擬基于國產(chǎn)常泰ZL910C小型折腰轉向裝載機(臨沂常泰工程機械有限公司生產(chǎn))，設計一款與其配套的植苗器。整套設備的工作原理與國外大型植苗裝備相似，但整體尺寸和質(zhì)量將大幅降低。常泰ZL910C小型裝載機如圖1所示，擬設計的整套植苗設備三維渲染圖如圖2所示。

圖1 常泰ZL910C小型裝載機

圖2 植苗器三維渲染圖

為減小尺寸，其苗盤的設計是一大難點，本文將對該植苗器的儲苗盤進行詳細介紹。

1 儲苗盤結構及工作原理

儲苗盤的主要功能是存苗和取苗，取苗過程要與植苗機構相配合，因此其結構形式將直接影響植苗器的空間大小。經(jīng)前期設計，苗盤整體結構如圖3所示，苗杯連接及布置方式如圖4、圖5所示。

圖3 苗盤整體結構

圖4 苗杯連接方式

整套苗盤長0.85 m、寬0.7 m。苗盤上共有54個苗杯，苗杯為外徑75 mm、壁厚2 mm、高120 mm的直筒(由PVC管材制作)，容器苗放置于苗杯中。苗杯依次鉚接在柔性尼龍帶上，從而可連接成苗杯鏈。苗杯鏈呈蛇形布置于承載盤上，由1個主動輪(撥動輪)和5個被動輪確定了苗杯的蛇形運動軌跡。主動輪撥動苗杯并給予其動力，使其沿軌跡移動。在承載盤上開有一個直徑與苗杯內(nèi)徑相同的漏苗孔，撥動輪由伺服電機控制，每當撥動輪轉動一定角度便撥動一個苗杯移動到漏苗孔上方，杯中的容器苗便在重力作用下落入植苗裝置內(nèi)，從而完成間歇送苗。

圖5 苗杯布置示意圖1.承載盤；2.被動輪；3.苗杯；4.尼龍帶；5.撥動輪；6.漏苗孔

2 苗杯布置方式分析

儲苗盤安裝空間及苗盤上的工作空間都是有限的，為了不使整個苗盤占用的空間過大，同時在有限的苗盤工作空間內(nèi)盡量多地布置苗杯，需要對苗杯不同布置方式的優(yōu)越性進行評估。從國外引進到廣西北海的Risutec SKB-180和M-planter大型植苗器，其苗杯布置方案主要分為滑移式和圓盤式兩種，如圖6、圖7所示。

圖6 Risutec SKB-180型植苗器滑移式苗盤

圖7 M-planter植苗器圓盤式苗盤

圖6為滑移式苗盤，滑移式苗盤由儲苗盤和滑軌兩部分組成，儲苗盤可在滑軌上水平滑動，每列容器苗用完后，苗盤向一側滑移一次，然后下一列容器苗依次被底部的取苗機構取出。圖7為圓盤式苗盤，苗盤內(nèi)有兩圈苗杯，苗杯與中間的旋轉系統(tǒng)相固定，苗盤底面開有一個漏苗孔，旋轉傳動機構帶動苗杯繞圓心間歇轉動，當一個苗杯轉動到漏苗孔上方時容器苗漏下，完成一次取苗動作。

為了解滑移式、圓盤式及鏈式這三種布置方案對苗盤工作空間的利用情況，繪制出三種布置方案的方格簡化模型，分別如圖8、圖9、圖10所示。

圖8 滑移式布置

圖9 圓盤式布置

圖10 鏈式布置

在這簡化模型中，整個方塊表示苗盤所占用的空間，其中一個小方格代表苗盤上一個工作單位的面積或一個安裝面積，苗杯所占用的區(qū)域用黑色方格表示，其他構件區(qū)域或空白區(qū)域則用白色方格表示。設方格總數(shù)為S，白色方格數(shù)目為M，黑色方格數(shù)目為N，φ為空間利用率，則有：

φ=N/S·100%

在圖8所示的滑移式布置中，左側若干黑色方格代表緊密排列在滑軌上的苗杯，右側空白方格代表苗杯滑移的剩余空間，要使黑色方格完全滑移到右側，白色方格所占用的面積至少要等于黑色方格所占用的面積，即黑、白方格數(shù)目至少相同，圖中共有120個方格(S=120)，黑色以及白色方格數(shù)目(N和M)均為60，因此滑移式儲苗盤的空間利用率為50%。

在圖9所示的圓盤式布置中，儲苗盤的苗杯置于外側圓環(huán)區(qū)域，中間大部分空間由傳動機構占據(jù)，拐角部分為不可利用的安裝空間。模型中共計有100個方格(S=100)，其中黑色方格數(shù)目N為40，白色方格數(shù)目M為60，故圓盤式儲苗盤空間利用率為40%。

在圖10所示的鏈式布置中，儲苗盤的苗杯鏈呈蛇形盤繞，模型中共計有110個方格(S=110)，其中黑色方格數(shù)目N為58，白色方格數(shù)目M為52，故鏈式儲苗盤空間利用率為52.73%。

由以上分析可知，在相同空間下，鏈式布置的苗盤具有更高的空間利用率，因此本設計采用鏈式苗杯布置方式。

3 關鍵部件材料、型號的選擇

苗盤的主要作用是承載苗杯及容器苗，為使整體結構滿足承載量大、質(zhì)量輕的要求，初步擬定了ABS板、PP板、PA66尼龍板、不銹鋼板、鍍鋅鐵板5種不同材料作為苗盤承載部分的初選板材。由于苗盤中苗杯與苗盤底面為純相對滑動，這一過程中可能會產(chǎn)生較大摩擦力，因此需要進行苗盤材料表面與苗杯間的摩擦力實驗，以選取摩擦力相對較小的材料。

3.1 摩擦力實驗材料、過程及結果

共制作10個苗杯樣品并依次編號。苗杯高度為150 mm，由外直徑75 mm、內(nèi)直徑71 mm的聚氯乙烯管(PVC管)鋸截制成。鋸切后鋸口需用粒度為240Cw的砂紙進行打磨，以去除毛邊，打磨前后的鋸口如圖11、圖12所示。

圖11 鋸口打磨前

圖12 鋸口打磨后

實驗用板材規(guī)格見表1。

表1 板材規(guī)格

mm

本次采用拉力計測量法[2]，實驗時板材平放，將苗杯豎直放置于板材表面，用自重可忽略不計的細線連接苗杯與拉力計，拉動苗杯以測量苗杯滑動時的拉力，記為苗杯與板材間的動摩擦力。每個苗杯在同一材料板材上的摩擦力共測量10次，摩擦實驗結果見表2，其中A為苗盤材料，B為苗杯編號(下同)。

表2 摩擦實驗結果 N

在這一實驗中包括兩個控制因素，一是苗盤材料差異(Ai)；二是10個苗杯間的個體差異(Bi)。由于不需要考慮兩因素間的交互作用，故對每組同一因素水平下的10個樣本取平均值作為實驗指標的觀察值，因此實驗可簡化為無重復雙因素實驗來進行方差分析。在0.05顯著性水平下，分析苗盤材料差異以及苗杯潛在個體差異對測得的摩擦力數(shù)據(jù)是否有顯著影響[3]，取均值簡化后的摩擦力見表3。

表3 摩擦力 N

利用Microsdft Excel 軟件中的數(shù)據(jù)分析工具進行方差分析[4]，設置顯著水平為0.05，所得方差分析表見表4。

表4 方差分析

差異源SSdfMSFP-valueFcrit行0.30726340.07681681.721431.49E-172.633532列0.12067790.01340914.26481.91E-092.152607誤差0.033839360.00094總計0.46177949

表4中“F crit”欄為臨界值 F 0.05(4，49)，“P-value”欄表示 F 分布的截尾概率，對于給定的顯著水平0.05，因為F crit=2.633 532<81.721 43=F，故認為行(不同苗盤材料)對測試得到的摩擦力數(shù)據(jù)影響顯著；又因為F crit=2.152 607<14.264 8=F，認為列(苗杯個體差異)對測試得到的摩擦力數(shù)據(jù)影響顯著。

對苗杯進行稱重，結果見表5。

表5 苗杯稱重結果 N

由表5可知，有三組苗杯的整體重量與其他苗杯不同，筆者認為苗杯重量是引起“苗杯個體差異對摩擦力數(shù)據(jù)影響顯著”的主要原因，為驗證這一假設，這里針對十組苗杯重量進行剔選，剔除重量不同的1號、3號、5號苗杯后，對剩余7組所測得的實驗數(shù)據(jù)再進行一次方差分析，處理后的摩擦力見表6。

表6 摩擦力 N

利用Microsdft Excel 軟件中的數(shù)據(jù)分析工具，經(jīng)相同步驟，所得方差分析表見表7。

表7 方差分析

差異源SSdfMSFP-valueFcrit行0.18252740.04563262.253352.54E-122.776289列0.00143860.000240.3269610.9161912.508189誤差0.017592240.000733總計0.20155734

對于給定的顯著水平0.05，因為F crit=2.776 289<62.253 35=F，故認為行(不同苗盤材料)對測試得到的摩擦力數(shù)據(jù)影響顯著；又因為F crit=2.508 189>0.326 961=F，則認為列(苗杯個體差異)對測試得到的摩擦力數(shù)據(jù)影響不顯著。

從兩次分析結果中可知，不同苗盤材料對摩擦力數(shù)據(jù)都有顯著影響。這說明根據(jù)苗盤與苗杯間的摩擦力來優(yōu)化選擇苗盤材料很有必要。另一方面，剔除苗杯質(zhì)量后的七組苗杯個體差異對摩擦力數(shù)據(jù)不再有顯著影響，這說明苗杯重量也是顯著影響摩擦力的一個重要因素，而實驗結果不受苗杯其他個體差異干擾，故摩擦實驗所得到的摩擦力數(shù)據(jù)是可信的。

利用表6所得到的動摩擦力，可計算出各材料板材與苗杯之間的動摩擦系數(shù)μ，計算公式為：

μ=f/FN

式中：FN為苗杯對板材產(chǎn)生的正壓力；f為苗杯與板材間的動摩擦力，f可通過本實驗測得。

對表6中七組實驗所得到的動摩擦力取平均值作為式中的f值，正壓力FN即苗杯質(zhì)量，F(xiàn)N=1.25 N。經(jīng)計算獲得各材料板材與苗杯的摩擦因數(shù)見表8。

表8 摩擦因數(shù)

材料ABSPA66PP鍍鋅鐵板不銹鋼板動摩擦因數(shù)μ0.42470.270960.31508560.30262880.2643432

由表8可知不銹鋼板與苗杯間摩擦系數(shù)最小，PA66板、鍍鋅鐵板以及PP板次之，ABS板最大。因此，在僅考慮摩擦力影響的情況下，選擇不銹鋼板較為合理。

3.2 撥動輪結構及步進電機的選擇

撥動輪三維圖如圖13所示，其共有6齒，撥動輪轉動時苗杯與之嚙合。撥動輪每轉過60°，苗杯與苗盤上的漏苗孔重合一次，撥動輪與苗杯嚙合示意圖如圖14所示。

圖13 撥動輪三維圖

圖14 撥動輪與苗杯嚙合示意圖1.苗杯；2.撥動輪；3.漏苗孔；4.尼龍帶

由于步進電機便于控制，精度一般為其步距角的3%～5%，且誤差不累積[5]，這對于精確控制齒輪一次轉動規(guī)定的角度非常有利。因此，這里選擇步進電機來驅(qū)動撥動輪。

阻力矩MF主要來源于苗杯與苗盤之間摩擦產(chǎn)生的摩擦力矩Mf 1和苗盤與幼苗間的摩擦力矩Mf 2，即：

MF=Mf 1+Mf2

其中苗杯與苗盤之間摩擦產(chǎn)生的摩擦力矩Mf 1可由下式計算：

由于幼苗與苗盤的摩擦阻力難以測量，故在此處對Mf 1引入了一個補充系數(shù)σ，用σ倍的Mf 1來代替苗盤與幼苗間摩擦力矩Mf 2，即：

Mf 2=σ·Mf 1

撥動輪在轉動過程中的阻力矩MF可用下式表示：

電機與撥動輪的傳動關系如圖15所示。

圖15 電機與撥動輪的傳動關系1.步進電機；2.直齒輪；3.撥動輪；4.滾動軸承；5.苗盤支撐板；6.直齒輪

在圖15中，2、6是一組傳動比為1、齒數(shù)為23、模數(shù)為2的直齒輪組。步進電機產(chǎn)生的扭矩M通過直齒輪傳遞給撥動輪?？紤]到傳動效率問題，步進電機產(chǎn)生的扭矩M與阻力矩MF之間的關系可用下式表示：

M·η≥MF

式中：η為傳動效率，這里采用的是切制齒、開式齒輪傳動，η取0.95[6]。故步進電機產(chǎn)生的扭矩M應滿足下式：

將已知量代入，補充系數(shù)σ取1.5，可得電機扭矩M應大于 2.817 342 N·m。

本設計采用溫州普菲德電氣有限公司生產(chǎn)的86BYG250D-114型二相混合式步進電機，該電機的保持轉矩為 8.5 N·m。經(jīng)前期試驗，其轉速在300r/min以內(nèi)時轉矩可以保持不變。而設計所需轉速為100r/min，故采用86BYG250D-114型二相混合式步進電機可以滿足要求。

4 儲苗盤控制系統(tǒng)設計

儲苗盤控制系統(tǒng)主要包括前端植苗嘴行程開關、控制器(單片機)、步進電機驅(qū)動器、步進電機及配套執(zhí)行機構，儲苗盤控制系統(tǒng)結構框圖如圖16所示。

圖16 控制系統(tǒng)結構框圖

在植苗過程中，植苗嘴完成一次開合動作被安裝在植苗系統(tǒng)上的行程開關捕捉，并將動作信號傳遞給控制器(單片機)，經(jīng)控制器(單片機)分析后，再向步進電機驅(qū)動器發(fā)送脈沖控制信號以及方向信號，由驅(qū)動器驅(qū)動步進電機轉動固定角度，從而帶動執(zhí)行機構動作一次。

86BYG250D-114型二相混合式步進電機的步距角為1.8°，保持轉矩為 8.5 N·m。電機驅(qū)動器采用普菲德DM860H型，直流工作電壓范圍為24～90 V，其可與液壓裝載機的電瓶兼容。該驅(qū)動器可設置2-256細分，適應性較強?？刂破鬟x用STC 89C52RC單片機[7]，控制系統(tǒng)電路示意圖如圖17所示。

圖17中，KR為復位按鍵，SQ為行程開關(常開)。行程開關SQ安裝于植苗系統(tǒng)的植苗嘴處，植苗嘴的開合會觸碰行程開關。SQ所在支路短接STC89C52RC單片機P1.2口高電平，可作為單片機外部控制信號。植苗嘴開、合一次，行程開關閉合、開啟一次，則P1.2口電平產(chǎn)生一輪“高—低—高”的變化。當P1.2口電平發(fā)生一輪“高—低—高”變化后，STC89C52RC單片機就將一組控制脈沖信號從P1口的P1.4輸出，將方向信號從P1.5輸出，將使能信號由P1.6口輸出，上述信號經(jīng)74LS14反相再經(jīng)9013放大后分別接入驅(qū)動器DM860H的脈沖信號輸入正端(PUL+)、方向信號輸入正端(DIR+)及使能信號輸入正端(ENA+)(驅(qū)動器內(nèi)部已包含光耦隔離)。DM860H驅(qū)動器根據(jù)輸入的信號驅(qū)動86BYG250-114步進電機轉動。在本電路中，STC89C52RC單片機采用的是頻率為22 MHz的晶振。

圖17 控制系統(tǒng)電路示意圖

普菲德DM860H步進電機驅(qū)動器通過撥動撥碼開關可設置驅(qū)動電流大小以及細分數(shù)，在本次設計中驅(qū)動電流為5.6 A，設置驅(qū)動器為5細分(1 000步/r)，根據(jù)使用手冊，對應撥碼開關的開合情況見表9。

表9 撥碼開關開合情況

SW1SW2SW3SW4SW5SW6SW7SW8OFFONOFFOFFOFFONONON

在這一參數(shù)下，步進電機的實際步距角變?yōu)?.36°，實際工作時要求電機一次轉動60°。由于步數(shù)無法整除，這里將轉動動作分為A組和B組。A組：一次動作167步(轉動60.12°)，B組：一次動作166步(轉動59.76°)。

若步數(shù)分配按A組進行動作，轉動一次產(chǎn)生的角度誤差為-0.24°；若步數(shù)分配按B組進行動作，轉動一次產(chǎn)生的角度誤差為+0.12°。為消除角度誤差，這里使電機以“A組—B組—B組”為一個循環(huán)進行交替動作。在這一交替方式下，產(chǎn)生的角度誤差在一個交替循環(huán)里即可被消除(-0.24°+0.12°+0.12°=0°)。另一方面，步進電機的特性決定了其不會產(chǎn)生累積誤差，因此在轉動一周時(兩個交替循環(huán))可自動補償步距誤差。

采用上述方式驅(qū)動步進電機，撥動輪每次實際轉動的角度是：60.12°、59.76°、59.76°、60.12°、59.76°、59.76°、60.12°、59.76°、59.76°……

由于苗杯與苗杯間由尼龍帶鉸接，存在一定間隙，但單次轉動的細微誤差不會影響苗杯口與漏苗口對齊，而且根據(jù)上述分析，撥動輪每動作三次(一個交替循環(huán))，角度誤差可被修正，每動作六次(兩個交替循環(huán))，電機的步距誤差也可被自動補償，因此實現(xiàn)了對苗杯撥動輪的精確控制。試驗時整套控制系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，可以順利完成取苗任務。

5 結束語

本套苗盤主要為配套于小型裝載機的植苗器而設計，采用了鏈式布置，可在保證一定存苗量的同時減小植苗工作頭整體的體積。解決了國外大型植苗器苗盤體積大、運行不便等問題，可為設計配套于小型裝載機的植苗器提供參考。

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TheoreticalDesignofSeedlingStorageTraysofSmallLoader-MountedSeedlingPlantingEquipment

SUNing1，GUOKe-jun1，2*，XUXin1，YANGZeng-shuai1，MANDa-wei1，2，MIAOZhen-kun1，WULi-guo1

(1.Harbin Forestry Machinery Research Institute，State Forestry Administration，Harbin Heilongjiang 150086，China；2.Key Laboratory of Forestry Electrical and Mechanical Engineering，State Forestry Administration，Harbin Heilongjiang 150086，China)

In view of small loader-mounted seedling planting equipment，a set of seedling storage trays involving chain-type arrangement of seedling cups are designed，and a simple grid model is used to evaluate the space utilization of chain-type seedling trays，and slide-type and disc-type seedling trays，with space utilization rates being 52.73%，50% and 40% respectively.Through friction experiment and the variance analysis of data，the use of the stainless steel plate as seedling tray material is determined.Based on the friction data，step motors are selected and a relevant control system is designed.The whole set of seedling storage trays feature small size，light weight，precise control and stable operation.

small loader；seedling planting device；seedling storage plate；design

S776.25

A

2095-2953(2017)11-0020-07

2017-09-18

蘇 寧(1992-)，男，回族，新疆昌吉人，碩士研究生，研究方向為林業(yè)機械設計，E-mail：sn415@outlook.com。

*通訊作者：郭克君(1960-)，男，黑龍江賓縣人，研究員，主要從事森林工程技術裝備系統(tǒng)的研究，E-mail：gkj216@126.com。

(責任編輯 張雅芳)