智能馬鈴薯出倉機的設計與試驗

蓋金星,胡周勛,岳仁才,李少川,王法明,祝 珊,王相友2,

(1.山東希成農業機械科技有限公司,山東 德州 253600;2.山東省馬鈴薯生產裝備智能化工程技術研究中心,山東 德州 253600;3.山東理工大學 農業工程與食品科學學院,山東 淄博 255091)

0 引言

隨著馬鈴薯主糧化戰略的推進,馬鈴薯被加工成饅頭、面條、米粉等主食,已成為稻米、小麥、玉米外的又一主糧[1-3]。因此,實現馬鈴薯全程機械化變得尤為重要。

目前,隨著馬鈴薯種植面積的逐年增加,馬鈴薯的產量也在不斷增大,更多的馬鈴薯被貯藏起來。貯藏期結束后,需要將馬鈴薯從倉庫中移出,工作量非常大。但是,目前市面上馬鈴薯出倉設備還比較少,大部分地區還是半機械化,甚至采用人工出倉,存在勞動強度大、作業效率低、成本高及傷薯率高等問題,使我國馬鈴薯出倉設備明顯落后于國外,國際競爭力差,機械化、自動化水平較低[4],不適于現階段馬鈴薯全程機械化發展的要求。

考慮到目前國內馬鈴薯出倉設備不多,且存在作業效率低、成本高、傷薯率高及需要大量人工輔助作業等一系列問題,本文根據實際情況設計了一款可前后伸縮和左右轉動的智能馬鈴薯出倉機,其作業半徑在6～10m之間進行調整, 可滿足不同大小倉庫的要求,且可以與單層或雙層輸送機配套使用,適應性強、作業效率高。本研究對提高國內馬鈴薯出倉機械化及提高勞動生產率具有重要意義[5]。

1 整機結構與工作原理

1.1 整機結構

智能馬鈴薯出倉機由收集上料機和伸縮輸送機兩部分組成,如圖1所示。其中,收集上料機主要由收集鏟、配電箱、控制器和前級地輪等結構組成,伸縮輸送機主要由后級輸送帶、滑道板、拖車架和液壓站等結構組成。

1.后級滾筒電機 2.后級輸送帶 3.配電箱 4.控制器 5.收集鏟

1.2 工作原理

馬鈴薯貯藏期結束后,需要將馬鈴薯從倉庫移出。工作時,首先將出倉機的收集裝置降低,使收集鏟非常接近地面,防止馬鈴薯卡到收集裝置與地面之間,對馬鈴薯造成損傷破壞。同時,使拖車架后端降低,前端升高,使其可在滑道板上轉動。然后,通過控制手柄實現對馬鈴薯出倉機的前進、后退與左右轉動的控制。當收集鏟觸碰到馬鈴薯后,將馬鈴薯鏟起,在輸送帶的帶動下,不斷地將馬鈴薯從倉庫移出,最終實現馬鈴薯的出倉作業。

智能馬鈴薯出倉機工作時,滑道板是不動的,馬鈴薯出倉機以滑道板圓心為圓心進行左右轉動,其拖車架前后端高低的變化,采用液壓推桿實現。后方馬鈴薯輸送機采用可伸縮式結構,可在牽引桿的帶動下自由伸長,最大伸長4m,其作業半徑為6～10m,同時在伸縮結構內部安裝有行程限位開關,防止伸縮過度。此外,光電傳感器安裝于收集上料裝置的側板上,可檢測物料量來控制后級滾筒電機轉速,實現后級輸送帶速度與物料量相匹配。

2 主要零部件的設計

2.1 收集上料裝置的設計

收集上料裝置主要由收集鏟、前級輸送帶、地輪防護板和橡膠防護板等構成,如圖2所示。收集上料原理:馬鈴薯收集上料機向前移動時,馬鈴薯收集鏟會將馬鈴薯鏟起,鏟起的馬鈴薯觸碰到前級輸送帶后,會被其輸送到后方的伸縮輸送機上;隨著馬鈴薯不斷地鏟起,會隨著前級輸送帶源源不斷地被輸送出去,實現馬鈴薯的出庫作業。其中,前級輸送帶速度不可調,為定值。

1.前級滾筒電機 2.前級輸送帶 3.光電傳感器 4.收集鏟

收集上料時,為了防止地輪壓到馬鈴薯,在地輪兩側增加了地輪防護板,另考慮到防護板和上料機側板容易刮傷馬鈴薯,設計中增加了橡膠護板,減小了傷薯現象。橡膠護板低于側板,作業時,兩側側板與地面不直接接觸,不會與地面產生摩擦,避免了機具的磨損。同時,在側板上安裝有光電傳感器,其安裝高度高于前級輸送帶,通過該傳感器可粗略判斷物料高度。

2.2 收集鏟離地間隙調整裝置

馬鈴薯進行出倉時,首先要將出倉機運到倉庫,此時收集上料機靠前級地輪與前側萬向輪支撐移動,收集鏟離地有一定高度。但是,馬鈴薯出倉機工作時,為避免收集鏟離地過高對馬鈴薯造成損傷,需調整收集鏟與地面間隙,緊貼地面;出倉結束后,為方便將出倉機運出倉庫,需要將收集鏟調回原高度。因此,本文設計了收集鏟離地間隙調整裝置,主要由牽引桿、連接板、操縱桿調整管、萬向輪和操縱桿轉軸驅動板等構成,如圖3所示。

1.操縱桿調整管 2.操縱桿轉軸驅動板 3.操縱桿轉軸

馬鈴薯出倉機在被運到倉庫前,收集鏟一般緊貼地面,萬向輪在收集裝置內部,防止萬向輪在出倉機長期放置過程中一直受壓造成破壞。當要運到倉庫時,先調整收集鏟離地高度,用腳蹬操縱桿調整管向前移動;調整管移動會帶動操縱桿轉軸和牽引桿驅動板轉動,進而壓低牽引桿向下移動,帶動萬向輪向下移動,將收集裝置支撐起來,直到連接板上的卡槽卡在機架上的彎板卡扣上,此時萬向輪起支撐與行走的作用。出倉機工作時,需要用腳移動操縱調整管,將連接板從卡扣上移出,萬向輪在機架重力作用下回收到內部,收集鏟緊貼地面。

研究地位于甘肅省武威市涼州區黃羊鎮農墾農場甘肅農業大學牧草試驗站，地理位置N 37°52′20″，E 102°50′50″。地處甘肅河西走廊東端，屬典型內陸荒漠氣候區，海拔1 581 m；全年平均無霜期156 d，降水量164.4 mm，蒸發量1 919 mm，年均氣溫7.8℃，日照時數2 968.2 h，≥10℃年積溫2 985.4℃；年太陽輻射總量504～630 kJ/cm2。供試土壤為灌漠土，耕層有機質15.71 g/kg、全氮0.87 g/kg、全磷1.02 g/kg、速效磷13.38 mg/kg、速效鉀248.63 mg/kg，土壤pH8.2。

當萬向輪回收到出倉機內部時,由于后側伸縮輸送機壓在牽引桿上,使收集鏟不會緊貼地面,有一個很小的余量,減小了收集鏟與地面的摩擦。

2.3 收集上料機傳動系統設計

馬鈴薯收集上料機的傳動系統主要由前級滾筒電機、前級地輪電機、鏈輪和鏈條等構成,如圖4所示。

在收集上料機傳動系統中,前級滾筒和地輪的轉速都是由電機通過鏈傳動來提供。當出倉機出倉結束后,需要將機器移出倉庫,而在倉庫外可能沒有電源提供,此時需要人來推動。因此,前級地輪在設計時增設了鎖死銷軸:當有電提供時,鎖死銷軸插在前級地輪里,并穿過內部鏈輪上的銷孔,前級地輪電機轉動帶動鏈輪轉動,再由銷軸帶動該地輪轉動;當無電用人推動時,需要將銷軸抽出,此時該地輪與鏈輪不連接,便可轉動。

1.前級地輪電機 2.鎖死銷軸 3.前級地輪 4.前級滾筒

2.4 皮帶伸縮結構設計

在皮帶伸縮結構中,伸縮導輪和滾筒是傳輸運動的核心部件[6],伸縮原理如圖5所示。其中,主動滾筒安裝在固定外板上,動力由電機通過鏈傳動來提供,主動滾筒的轉動帶動從動滾筒和伸縮導輪的轉動,實現輸送帶的運轉;從動滾筒安裝在可前后伸縮活動內板上。前伸縮導輪安裝在固定外板上,與主動滾筒相對位置不變;后伸縮導輪安裝在可伸縮機架活動內板上,活動內板上有內伸縮托滾輪,在伸縮過程中起支撐和移動的作用。

1.從動滾筒 2.前伸縮導輪 3.輸送帶 4.后伸縮導輪 5.主動滾筒

馬鈴薯出倉機向前或向后移動時,活動內板相對于固定外板運動,改變伸縮導輪的間距大小,從而實現皮帶的伸縮[7],增大了作業半徑,提高了作業效率。但當伸縮到位(不能再伸縮)后,若前級收集上料機繼續移動,會拖拽滑道板,對機器造成損壞,因此在后伸縮導輪前后兩個極限位置處安裝有行程限位開關,進行位置控制。

2.5 左右轉動裝置的設計

為了增大馬鈴薯出倉機左右兩側工作范圍、提高其工作效率,設計了左右轉動裝置。該裝置主要由滑道板、轉動輪、液壓站、液壓推桿和拖車架等構成,如圖6所示。

1.后級地輪 2.液壓推桿 3.拖車架 4.液壓站 5.轉動輪 6.滑道板

考慮到出倉機一般要與單雙層輸送帶配用,為防止出倉機左右轉動碰到配套設備,其滑道板大約為一整周的3/5。

3 控制系統結構和原理

控制系統主要由控制器、觸摸屏、檢測模塊、電源模塊和控制模塊等構成,如圖7所示。

控制系統主要通過將限位開關、光電傳感器等檢測到的信息傳給控制器,控制器進行分析處理,控制相應的模塊動作,并可通過觸摸屏對參數進行顯示或設置,方便直觀。

3.1 主控制模塊

控制系統是基于CPU型號為224的西門子S7-200PLC為控制核心設計的,該控制器運算處理快、穩定性好,在農業機械得到廣泛應用,滿足該控制系統的使用要求。

3.2 控制模塊原理

3.2.1 伸縮控制原理

馬鈴薯出倉機在伸縮過程中,防止伸縮到極限位置后對滑道板產生拖拽的情況,需要對其進行位置的控制。該系統采用兩個施耐德ZCKE05C行程限位開關進行位置控制。收縮時,后伸縮導輪碰到第一個行程限位開關時,系統接收到信號,并發出前級地輪電機反轉停止指令;伸長時,后伸縮輪碰到第二個行程限位開關時,系統接收到信號,并發出前級地輪電機正轉停止指令。其控制流程如圖8所示。

3.2.2 后級輸送帶速度控制原理

馬鈴薯收集上料時,前級輸送帶速度為定值,為保證后級輸送帶速度可根據前級裝置的上料量實時調整,采用光電傳感器檢測物料高度,對后級滾筒電機轉速進行控制,實現后級輸送帶速度變化。當上料裝置側板上的傳感器無信號時,說明馬鈴薯厚度小,即上料量小,此時后級滾筒電機轉速不變,為一定值;當有信號且信號時間超過2s時,說明馬鈴薯上料量增加,此時后級滾筒電機轉速增大,增大多少可由用戶設定。其中,設置2s是為了防止物料高度有尖頂造成的信號干擾。同時,用戶也可以根據實際情況,在手動模式下,手動調節后級滾筒電機轉速,改變后級輸送帶速度。其控制流程如圖9所示。

圖8 伸縮位置控制流程圖

圖9 速度控制流程圖

3.3.3 拖車架前后端高低控制原理

系統采用液壓推桿實現拖車架前后端高低變化的控制。該控制方式是在手動模式下進行,當出倉機運到倉庫時,后級地輪接觸地面,轉動輪脫離地面,此時通過觸摸屏發送控制信號,控制液壓站工作和相應閥位導通,實現液壓推桿動作,使轉動輪下移落到滑道上,而后級地輪上移脫離地面,然后停止液壓推桿動作;當出倉結束后,控制相應閥動作,使其恢復到原狀態。其控制流程如圖10所示。

圖10 液壓推桿控制流程圖

4 出倉試驗及分析

4.1 試驗條件

馬鈴薯出庫期間,在河北沽源對設計的智能馬鈴薯出倉機進行了出倉試驗,并對樣機的傷薯率、機器故障率及最大作業量等指標進行了相關測試。

4.2 試驗結果

經過多次試驗結果的統計,對數據進行整理和分析,試驗結果如表1所示。

試驗結果表明:該智能馬鈴薯出倉機作業效率比較高,單位能耗比較低,且作業過程中馬鈴薯的傷薯率比較低;智能化的設計,降低了機器的故障率,提高了機器的穩定性。

表1 樣機試驗結果

5 結論

1)所設計的馬鈴薯出倉機主要由收集上料機和伸縮輸送機兩部分組成,采用了可前后伸縮和左右轉動的結構形式,使其作業半徑可在6～10m之間進行調整,可滿足不同大小倉庫的要求,且可以與單層或雙層輸送機配套使用,適應性強、作業效率高。

2)通過增加行程限位開關實現了伸縮位置的控制,采用液壓推桿實現了拖車架前后端高低的變化的控制,后級輸送帶速度可根據上料量的智能調控,提高了該出倉機的自動化水平。

3)出倉試驗表明:該機具有低能耗、高效率及傷薯率低等優點,滿足馬鈴薯種植戶的需求、對我國馬鈴薯出倉設備的研發提供了參考。