育苗容器成型機(jī)切分裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)分析

摘" 要：目前，針對現(xiàn)有的無紡布育苗容器成型機(jī)切分裝置存在的問題，研發(fā)一款育苗容器成型機(jī)的切分裝置，可滿足成型機(jī)關(guān)鍵的切分工作。通過參數(shù)計(jì)算，選擇氣缸直徑為40 mm，氣缸行程為250 mm的雙作用氣缸來配合裝置進(jìn)行運(yùn)動。利用SolidWorks三維設(shè)計(jì)的優(yōu)勢，建立育苗成型機(jī)切分裝置3D模型與虛擬裝配；結(jié)合Motion模塊，生成演示動畫視頻，借助軟件的運(yùn)動單元功能，分析切分裝置的運(yùn)動特性曲線；通過分析曲線，得到工作臺的位移、速度、加速度和猝動的變化趨勢，并得出最大加速度在承受范圍內(nèi)，對機(jī)構(gòu)不會造成損壞，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)正確可靠。

關(guān)鍵詞：育苗容器成型機(jī)；切分裝置；3D建模；模擬仿真；三維設(shè)計(jì)

中圖分類號：S223.1" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2025）03-0033-04

Abstract： At present， there are problems in the existing slicing device of non-woven seedling container forming machines. A slicing device for a seedling container forming machine has been developed to meet the key slicing work of the forming machine. Through parameter calculation， a double-acting cylinder with a cylinder diameter of 40 mm and a cylinder stroke of 250 mm was selected to cooperate with the device for movement. Taking advantage of SolidWorks's three-dimensional design， a 3D model and virtual assembly of the cutting device of the seedling forming machine is established; combining the Motion module， a demonstration animation video is generated， and the motion characteristic curve of the cutting device is analyzed with the help of the motion unit function of the software; analyzing the curve， the change trend of displacement， speed， acceleration， and sudden movement of the workbench is obtained， and it is concluded that the maximum acceleration is within the bearing range， will not cause damage to the mechanism， and the structural design is correct and reliable.

Keywords： seedling container forming machine; slicing device; 3D modeling; simulation; 3D design

育苗是林木生長的起點(diǎn)，是林業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)。優(yōu)質(zhì)苗木的供應(yīng)量、需求量的互不平衡一直是我國農(nóng)林業(yè)發(fā)展的困難之處。容器育苗作為一種新興的林業(yè)工程育苗技術(shù)，逐漸被人們關(guān)注。采用容器育苗的模式，能夠提高育苗效率，推動我國營林工程的發(fā)展。林木容器育苗通俗地講，就是利用各種特制的容器裝上配置好的培養(yǎng)基后進(jìn)行樹種育苗作業(yè)。而育苗容器成型機(jī)切分裝置的作用是將圓柱基質(zhì)切分成長度合適的育苗基質(zhì)單元，其切分長度直接受移動裝置的控制，移動裝置一個運(yùn)動過程帶動基質(zhì)前進(jìn)的距離即為基質(zhì)單元長度。在傳統(tǒng)的機(jī)械工程中，零部件的設(shè)計(jì)主要以CAD圖紙?jiān)O(shè)計(jì)為主，根據(jù)圖紙直接進(jìn)行產(chǎn)品的生產(chǎn)加工，導(dǎo)致生產(chǎn)的產(chǎn)品出現(xiàn)返工或質(zhì)量不合格現(xiàn)象。

美國Blackmore公司生產(chǎn)的氣吸滾筒式播種機(jī)只需“點(diǎn)擊”所需孔的尺寸和穴盤的類型就能在1 min內(nèi)完成更換，而不需要人工去更換滾筒，既方便又高效，并且播種精度高、速度快，播種效率不低于1 200盤/h。北京海淀區(qū)農(nóng)機(jī)研究所研制的2BSXP-500型穴盤育苗精密播種機(jī)采用機(jī)械結(jié)構(gòu)的垂直圓盤窩眼孔式排種，播種機(jī)生產(chǎn)效率為350盤/h。農(nóng)業(yè)農(nóng)村部規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院研制的2XB-400型穴盤育苗精密播種機(jī)采用機(jī)械窩眼式播種結(jié)構(gòu)，播種效率為180盤/h。經(jīng)過多年的發(fā)展取得了巨大的進(jìn)步，但仍存在不少問題。許多機(jī)型的性能仍達(dá)不到要求，存在漏播和重播的現(xiàn)象，對種子的兼容性不好，部分機(jī)型需要對種子進(jìn)行丸粒處理，氣力式播種機(jī)存在針頭堵塞現(xiàn)象，嚴(yán)重影響播種。

為在林木種苗生產(chǎn)中進(jìn)一步推廣應(yīng)用無紡布容器育苗技術(shù)，針對目前國內(nèi)現(xiàn)有的無紡布育苗容器成型機(jī)切分裝置存在的不足之處，開展了基于SolidWorks軟件的育苗容器成型機(jī)切分裝置的研制與應(yīng)用研究。

1" 切分裝置的結(jié)構(gòu)與工作原理

切分裝置固定在支架上，上部為氣缸，下部為直線導(dǎo)軌，切分部分通過滑槽與滑軌部連接。如圖1所示，切分裝置的結(jié)構(gòu)主要有氣缸、支架、滑軌、刀座和刀片等。切分裝置對圓柱基質(zhì)進(jìn)行分割，切刀的切分運(yùn)動通過支架上的氣缸活塞的往復(fù)運(yùn)動實(shí)現(xiàn)，氣缸活塞的運(yùn)動帶動切刀的切分與回位，當(dāng)圓柱基質(zhì)在移動裝置的作用下向前移動一個單位后，氣缸活塞推動滑塊座沿著直線導(dǎo)軌向下運(yùn)動，完成圓柱基質(zhì)切分。切分完成后，活塞帶動滑塊座沿直線導(dǎo)軌向上運(yùn)動，切分完成回位。整個切分的過程需要移動裝置的配合，當(dāng)基質(zhì)單元再移動一單位，切分裝置再次進(jìn)行切分作業(yè)，如此往復(fù)。切成的基質(zhì)單元在后接管位置囤積，隨著移動裝置推動而繼續(xù)向前滑動。如圖1（b）所示，圖中1為氣缸腳墊，2為氣缸，3為刀架，4為螺栓，5為刀片，6、7分別為前、后接管集成，8為導(dǎo)軌，9為滑塊，10為滑塊座，11為支架。切分裝置的作用是將圓柱基質(zhì)切分成長度合適的育苗基質(zhì)單元，其切分長度直接受移動裝置的控制，移動裝置一個運(yùn)動過程帶動基質(zhì)前進(jìn)的距離即為基質(zhì)單元長度，為滿足不同的育苗需求，通過對移動裝置的運(yùn)動進(jìn)行調(diào)整，可以有效地改變切分長度。切分裝置固定在支架上，上部為氣缸，下部為直線導(dǎo)軌，鋸切部分通過滑槽與滑軌部連接。

2" 切分裝置的參數(shù)確定

切分裝置通過氣缸豎向的來回運(yùn)動實(shí)現(xiàn)基質(zhì)切斷作業(yè)，刀片的切入以及氣缸的運(yùn)動直接影響著切分成的基質(zhì)單元的質(zhì)量。機(jī)構(gòu)處架設(shè)的切斷刀按具體方法分可分成熱切刀和冷切刀。顧名思義，熱切刀需要進(jìn)行熱處理，常見的有高頻電熱刀；冷切刀不需加熱處理，常見的有鋸齒形刀、滾刀、自定義刀具。本次建模而成的切斷機(jī)構(gòu)選擇冷切刀與移動機(jī)構(gòu)配合的模式，基質(zhì)往外輸出，移動機(jī)構(gòu)帶動切刀上下移動，完成切斷過程。為保證切分過程不拖沓，切分口整齊，刀片的切入角度設(shè)置為60°，鋸子結(jié)構(gòu)如圖2所示。

通過對三維模型的分析，切分裝置的氣缸帶動的部件總質(zhì)量為8 kg、滑槽與滑軌間的摩擦系數(shù)為0.15、氣缸的行程為250 mm、氣缸工作壓力為0.2 Mpa，則氣缸的軸向負(fù)載力為

F=（1+μ）mg ， （1）

式中：F為氣缸的軸向負(fù)載力，N；μ為滑軌與滑槽間的摩擦系數(shù)；m為運(yùn)動件的質(zhì)量，kg；g為物體重力，9.8 N/kg。

由式（1）計(jì)算得F=90.16 N。

由于育苗機(jī)械的生產(chǎn)效率為3 600個/h，則氣缸的工作周期為1 s，所以氣缸平均速度為

v= 。 （2）

由式（2）計(jì)算v=250 mm/s，選取氣缸的負(fù)載率β=0.5，則可得氣缸的理論輸出力為

F0= 。 （3）

由式（3）計(jì)算F0=180.32 N，則雙作用氣缸的缸徑為

D= ， （4）

式中：D為氣缸缸徑，mm；F0為理論輸出力，N；p為氣缸工作壓力，0.2 MPa。

由式（4）計(jì)算氣缸的缸徑為D=33.89 mm。

考慮到氣缸的運(yùn)動行程為250 mm，最終選擇氣缸直徑為40 mm，氣缸行程為250 mm的雙作用氣缸符合裝置的運(yùn)動需要并且滿足氣缸最小直徑33.89 mm的要求。

3" 切分裝置的運(yùn)動仿真

3.1" 切分裝置刀片下落運(yùn)動仿真

切分裝置的鋸切動作由氣缸的循環(huán)運(yùn)動帶動滑塊沿著直線導(dǎo)軌來回滑動，固定在鋸架上的鋸子隨著滑塊來回運(yùn)動實(shí)現(xiàn)切割和回位，所以切分裝置刀片運(yùn)動分為下落和上提2個過程。在SolidWorks中打開成型機(jī)切分裝置的三維實(shí)體模型，新建運(yùn)動算例，設(shè)置仿真時間為2 s，線性馬達(dá)方向自上而下，距離為250 mm，運(yùn)行仿真計(jì)算。在結(jié)果分析中得到圖3和圖4分別是刀片下落速度與時間的關(guān)系曲線和氣缸桿下落位移與刀片下落速度關(guān)系曲線。

從圖3和圖4可以看出，刀片速度隨著時間的推移先增大后減小，分別進(jìn)行了一次加速和減速運(yùn)動，刀片速度在1 s，也就是氣缸桿下落到行程的一半時達(dá)到最大值為187.5 mm/s。

3.2" 切分裝置刀片上提運(yùn)動仿真

在SolidWorks中新建一個運(yùn)動算例，模擬刀片較緩慢上提回歸的過程，設(shè)置仿真時間為3 s，線性馬達(dá)方向自下而上，距離為250 mm，運(yùn)行仿真分析，得到其結(jié)果曲線。圖5和圖6分別為刀片上提速度與時間關(guān)系曲線和氣缸桿上提位移與刀片上提速度關(guān)系曲線。

從圖5和圖6可以看出，刀片上提和刀片下落過程相似，分別經(jīng)過一次的加速和減速運(yùn)動，速度在1.5 s，也就是氣缸上提到行程的一半時達(dá)到最大值，為125 mm/s。

3.3" 切分裝置刀片往復(fù)運(yùn)動仿真

在SolidWorks中新建一個運(yùn)動算例，運(yùn)用線性馬達(dá)的線段運(yùn)動模擬刀片完成下落并較緩慢上提回歸的完整過程2次，表1為馬達(dá)參數(shù)設(shè)置。

在線性馬達(dá)線段運(yùn)動模擬設(shè)置界面分別能得到刀片運(yùn)動時間與位移、速度、加速度和猝動關(guān)系圖，如圖7所示。

從圖7可以看出，本設(shè)置基本滿足刀片往復(fù)運(yùn)動要求，其中圖7（a）和圖7（b）可以看到2次完整的下落上提位移和速度情況，圖7（c）中可看出加速度小于等于400 mm/s2，滿足刀片的設(shè)計(jì)要求。而圖7（d）分別在2、5、7 s 出現(xiàn)猝動的情形，是因?yàn)檫@些節(jié)點(diǎn)處于刀片完成一次下落或者上提的時間點(diǎn)，氣缸切換壓縮或放氣流程，加速度、位移方向突變。設(shè)置完畢后確認(rèn)往復(fù)運(yùn)動過程模擬正確，最后得到刀片往復(fù)運(yùn)動速度與氣缸位移距離的關(guān)系曲線圖，如圖8所示。

圖8由左半部分橢圓與右半部分較扁橢圓組成，其形成原因?yàn)榈镀侣淝懈顒幼鬏^快，上提回位速度較為慢一些。由以上關(guān)系曲線圖可知，切分裝置仿真運(yùn)動平穩(wěn)且滿足本設(shè)計(jì)的往復(fù)切割運(yùn)動要求，所以切分裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)正確可靠。

4" 結(jié)論

通過參數(shù)計(jì)算，最終選擇氣缸直徑為40 mm，氣缸行程為250 mm的雙作用氣缸符合裝置的運(yùn)動需要。選用SolidWorks軟件，對育苗容器成型機(jī)中切分裝置進(jìn)行建模，并對切分裝置進(jìn)行運(yùn)動仿真，得到切分裝置的運(yùn)動過程。運(yùn)動仿真結(jié)果顯示該切分裝置運(yùn)動平穩(wěn)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)正確可靠。

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