發(fā)布時間：2020-02-25所屬分類：農(nóng)業(yè)論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要:隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科學(xué)中的應(yīng)用和迅猛發(fā)展，自動化移動苗床已成為現(xiàn)代化設(shè)施農(nóng)業(yè)釋放勞動力、提高作業(yè)效率的重要農(nóng)業(yè)裝備。其中，移動苗床搬運車與固定苗床架之間的對接機構(gòu)是自動化移動苗床功能實現(xiàn)的關(guān)鍵，對接機構(gòu)決定著自動化移動苗床功能的
摘要:隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科學(xué)中的應(yīng)用和迅猛發(fā)展，自動化移動苗床已成為現(xiàn)代化設(shè)施農(nóng)業(yè)釋放勞動力、提高作業(yè)效率的重要農(nóng)業(yè)裝備。其中，移動苗床搬運車與固定苗床架之間的對接機構(gòu)是自動化移動苗床功能實現(xiàn)的關(guān)鍵，對接機構(gòu)決定著自動化移動苗床功能的完整性。為此，利用曲柄滑桿原理設(shè)計了一種由殼體、對接插桿、擋塊、L型擋桿、連桿、滑桿和壓縮彈簧等構(gòu)成的結(jié)構(gòu)簡單、安全可靠的對接擋桿機構(gòu)。該機構(gòu)不僅可以順利地完成苗床的對接轉(zhuǎn)移，其L形擋桿還能在壓縮彈簧的作用下恢復(fù)豎直自鎖狀態(tài)，抵住苗床框架阻擋其掉落。對機構(gòu)進行對接準確性的試驗驗證表明:對接擋桿的對接準確率高達99.9%，符合正常試驗誤差范圍之內(nèi);當(dāng)工作速度在1m/s的速度以下時，對接擋桿機構(gòu)在苗床單元慣性運動情況下限位成功率達到100%，滿足實際生產(chǎn)需求。
關(guān)鍵詞:設(shè)施農(nóng)業(yè);自動化移動苗床;對接擋桿機構(gòu);曲柄滑桿
引言
經(jīng)過30多年的發(fā)展和探索，溫室已成為我國現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的主要形式[1-3]。根據(jù)數(shù)據(jù)顯示，截至2017年，我國溫室設(shè)施面積已突破210萬hm2，相較2015年增長9.2%，已占世界溫室面積的42.8%。隨著溫室生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴大，對其管理及應(yīng)用技術(shù)提出了更高的要求。然而，在農(nóng)業(yè)從業(yè)人員結(jié)構(gòu)大幅變化的今天，苗床作為設(shè)施農(nóng)業(yè)中一種重要的育苗設(shè)備在我國部分地區(qū)雖已有推廣，但仍還存在機械設(shè)備陳舊、自動化水平不高及區(qū)域分布不均勻等問題[4]。因此，亟需通過引入現(xiàn)代化技術(shù)以提升管理水平和生產(chǎn)效率[5]。
苗床根據(jù)原理可分類為固定式苗床和自動化移動式苗床。固定式苗床因空間利用率極低等特點，正在逐漸被淘汰使用[6]，如圖1所示。自動化移動苗床結(jié)構(gòu)合理、安裝簡便，可多層安裝，能有效提高溫室空間利用率，解決溫室作物生產(chǎn)效率低、勞動力不足和勞動力成本高等問題[7-13]，如圖2所示。
無論是單層或多層自動化移動苗床，其搬運小車與苗床栽培架之間均需要有對接機構(gòu)，便于搬運小車和栽培架之間實現(xiàn)精準對接，順利完成苗床單元的轉(zhuǎn)移，實現(xiàn)自動化。但因目前苗床的對接機構(gòu)結(jié)構(gòu)構(gòu)造復(fù)雜、技術(shù)成本高昂等，其對接精度需要改進，同時自動化移動苗床存在整體投資過大，存在即使國產(chǎn)后投資仍然很大等問題[14-16]。隨著“物聯(lián)網(wǎng)+農(nóng)業(yè)”概念的提出，我國研發(fā)國產(chǎn)化的自動化移動苗床相關(guān)裝備已經(jīng)刻不容緩[17-21]。
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為改善這一狀況，本文在綜合多層移動苗床裝備技術(shù)相關(guān)特點并結(jié)合對接機構(gòu)研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一款由殼體、對接插桿、擋塊、L型擋桿、連桿、滑桿和壓縮彈簧等構(gòu)成的對接擋桿機構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)簡單、安全可靠、成本低和能耗小等特點[22-23]。
1總體闡述
1.1整體方案設(shè)計
對接擋桿機構(gòu)主要由殼體、方對接插桿、圓對接插桿、擋塊、苗床導(dǎo)軌、L形擋桿、連桿、滑桿及壓縮彈簧等零部件組成，如圖3所示。
對接擋桿機構(gòu)的主要功能是:方對接插桿固定連接在圓對接插桿上，圓對接插桿安裝在搬運機上，方對接插桿可以隨著圓對接插桿插入和拔出殼體，從而完成對接功能。
圓對接插桿的主要作用有:①支撐位于其上部的移動苗床，是搬運機對移動苗床進行搬運的執(zhí)行部件;②圓對接插桿端部采用階梯型圓錐設(shè)計，可以更好地實現(xiàn)與殼體之間的精準對接。方對接插桿的主要作用有:①作為動力插桿，插入殼體下部，從而推動L形擋桿下部短臂運動，使得L形擋桿長臂旋轉(zhuǎn)到大致水平位置，進而使苗床進行轉(zhuǎn)移和搬運;②方對接插桿與圓對接插桿組成雙對接機構(gòu)，提高對接的精度、可靠性和穩(wěn)定性。殼體固定安裝在苗床往返機構(gòu)上的苗床導(dǎo)軌端部下方，內(nèi)部右端固定有一個擋塊，用來對L形擋桿的短臂進行右側(cè)定位及限位。對接擋桿機構(gòu)中L形擋桿、連桿、滑桿和彈簧構(gòu)成可自鎖的曲柄滑桿機構(gòu)。其中，L形擋桿安裝在殼體內(nèi)部，與殼體組成轉(zhuǎn)動副;L形擋桿的短臂充當(dāng)曲柄的作用，與連桿鉸接構(gòu)成鉸鏈副，連桿與滑桿端部鉸接構(gòu)成鉸鏈副;滑桿穿過殼體，與殼體構(gòu)成滑移副;滑桿上套有壓縮彈簧，壓縮彈簧作用于滑桿與殼體之間，為曲柄滑桿機構(gòu)提供彈簧力達到預(yù)緊和自鎖的目的。
1.2工作原理圖
4為對接擋桿機構(gòu)插入狀態(tài)工作示意圖。當(dāng)圓對接插桿和方對接插桿都插入殼體后，即完成了對接過程。此時，L形擋桿短臂在方對接插桿和機構(gòu)的彈簧力合力下，保持接近水平位置鎖定狀態(tài)，L形擋桿長臂也旋轉(zhuǎn)到相應(yīng)的接近水平位置，進而使苗床進行轉(zhuǎn)移和搬運的過程不發(fā)生干涉。當(dāng)苗床轉(zhuǎn)移和搬運完成，圓對接插桿和方對接插桿拔出對接擋桿機構(gòu)殼體，L形擋桿在壓縮彈簧的作用下恢復(fù)原始豎直自鎖狀態(tài)，擋住苗床的框架，阻擋苗床掉落。
2關(guān)鍵部件及主要參數(shù)確定
2.1曲柄滑桿機構(gòu)的設(shè)計
連桿機構(gòu)可以在原動件運動規(guī)律不變的條件下，通過改變各構(gòu)件的相對長度使動件得到不同的運動規(guī)律，還可以方便地達到改變運動的傳遞方向、擴大行程、實現(xiàn)增力和遠距離傳動的目的[24]。為了使L型擋桿起到預(yù)緊和自鎖功能，采用曲柄滑桿機構(gòu)。曲柄滑桿機構(gòu)是對接擋桿機構(gòu)的關(guān)鍵功能部件，決定著移動苗床單元在搬運機與立體栽培架之間轉(zhuǎn)移和搬運的可靠性和安全性。對接擋桿機構(gòu)中L形擋桿、連桿、滑桿和壓縮彈簧構(gòu)成可自鎖曲柄滑桿機構(gòu)。其中，L形擋桿的轉(zhuǎn)軸安裝在殼體內(nèi)部前端通孔中，與殼體構(gòu)成轉(zhuǎn)動副;L形擋桿的短臂充當(dāng)曲柄的作用，與連桿鉸接構(gòu)成轉(zhuǎn)動副;連桿與滑桿端部鉸接構(gòu)成轉(zhuǎn)動副;滑桿穿過殼體端部通孔，與殼體構(gòu)成滑移副，滑桿上套有壓縮彈簧，壓縮彈簧作用于滑桿與殼體之間，為曲柄滑桿機構(gòu)提供彈簧力達到可自鎖的目的。接擋桿機構(gòu)中曲柄滑桿機構(gòu)的結(jié)構(gòu)，如圖5所示。
2.2曲柄滑桿機構(gòu)的受力分析
對曲柄滑桿機構(gòu)進行受力分析，以保證機構(gòu)的可靠性，曲柄連桿的機構(gòu)運動簡圖如圖6所示。為簡化模型起見，忽略機構(gòu)零件的自重和摩擦力[25-26]。L形擋桿簡化為擋桿AB，連桿簡化為BC，滑桿簡化為C，滑桿C和L形擋桿AB的轉(zhuǎn)動副中心O點在同一水平面上，A點是移動苗床單元對L形擋桿的力的作用點。
6中，F(xiàn)C為壓縮彈簧對滑桿C的作用力，F(xiàn)NC為殼體對滑桿C的支持力，F(xiàn)CB為滑桿C對連桿BC的作用力，F(xiàn)'CB為連桿BC對擋桿AB上B點作用力的水平分力，F(xiàn)B為連桿BC對擋桿AB上B點作用力的水平分力，F(xiàn)NB為連桿BC對擋桿AB上B點作用力的豎直分力，F(xiàn)A為移動苗床單元對擋桿AB上A點的作用力，F(xiàn)O為殼體對擋桿AB的反作用力，θ為擋桿AB和連桿BC之間的夾角。
為了使彈簧能夠可靠地工作，彈簧材料必須具有高的彈性極限和疲勞極限，同時應(yīng)具有足夠的塑性和韌性及良好的可熱處理性。常用的低錳彈簧鋼與普通碳素彈簧鋼相比，具有淬透性較好和強度高的優(yōu)點，且價格相對便宜，非常適合制造一般機械上尺寸不大的彈簧，本機構(gòu)采用65Mn材料彈簧鋼絲，彈簧鋼絲切變模量G=79000MPa。
3試驗與結(jié)果
根據(jù)前文中對接擋桿機構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計和研究，對其各零件進行加工制造，然后裝配得到該機構(gòu)的實物樣機，如圖7所示。
由結(jié)構(gòu)設(shè)計可知，對接擋桿機構(gòu)主要有兩個功能:一是當(dāng)苗床單元在立體栽培架和搬運機之間轉(zhuǎn)移時，可以更好地使搬運機和立體栽培架精準對接，以便順利完成苗床單元的轉(zhuǎn)移，實現(xiàn)自動化;二是作為安全限位機構(gòu)，擋住苗床框架，阻擋苗床掉落，確保安全。對接擋桿機構(gòu)對于自動化移動苗床裝置整機的可靠性有至關(guān)重要的作用，是立體栽培架和搬運機之間的銜接機構(gòu)，下面將對機構(gòu)兩個功能分別進行試驗驗證，以確保所設(shè)計機構(gòu)的安全性、可靠性和穩(wěn)定性。
3.1對接功能試驗
測試方法:將圓對接插桿和方對接插桿按照設(shè)計方案固連在一起，將推進機構(gòu)進行插入對接，驗證能否將對接插桿能夠順利插入對接擋桿機構(gòu)，同時驗證苗床單元能否從對接擋桿機構(gòu)順利滾動到對接插桿上。圖8是多層立體自動化移動苗床，圖9是對接功能試驗過程
經(jīng)過多次調(diào)試和試驗，得知對接擋桿的對接準確率高達99.9%，符合正常試驗誤差范圍。所以，得出結(jié)論，對接擋桿機構(gòu)能夠很好地完成對接功能，使苗床單元順利轉(zhuǎn)移。
3.2安全限位功能試驗
對接擋桿機構(gòu)安全限位功能試驗，主要驗證對接擋桿機構(gòu)在苗床往返機構(gòu)上能否阻擋苗床單元由于慣性運動或者波動時而產(chǎn)生的運動，阻擋其掉落。因為移動小車上面載滿了苗床，屬于負重狀態(tài)，同時搬運過程中不需要急速運動等，所以苗床的速度不能太快。本文將電動推桿接通電源后，使苗床往返機構(gòu)分別在0～1.50m/s的工作速度范圍區(qū)間內(nèi)推動苗床單元運動，在苗床單元慣性情況下測試對接擋桿機構(gòu)的限位功能，如圖10所示。
經(jīng)過多次試驗驗證得到:當(dāng)工作速度在1m/s的速度以下時，對接擋桿機構(gòu)在苗床單元慣性運動情況下限位成功率達到100%;當(dāng)速度大于1m/s以后，準確率逐漸下降約為99.1%，綜合考慮工作效率等，最終選用速度為0.06m/s效率最佳。因此，可得出結(jié)論:在正常速度范圍內(nèi)，對接擋桿機構(gòu)的限位功能時滿足功能的，本機構(gòu)在安全限位功能方面滿足使用要求
4結(jié)論
在結(jié)合國內(nèi)外移動苗床研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種利用曲柄滑桿原理的對接擋桿機構(gòu)，并完成了機構(gòu)的關(guān)鍵零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計。
試驗表明:對接擋桿的對接準確率高達99.9%，符合正常試驗誤差范圍之內(nèi);當(dāng)工作速度在1m/s的速度以下時，對接擋桿機構(gòu)在苗床單元慣性運動情況下限位成功率達到100%。對接擋桿機構(gòu)能夠順利實現(xiàn)苗床的轉(zhuǎn)移及自動鎖定功能實現(xiàn)了安全限位功能，達到了機構(gòu)的設(shè)計目的和要求。
