晾曬谷物自動(dòng)收集裝袋機(jī)設(shè)計(jì)

李俊儒　宋欣　李傳珍　楊磊　蘇紹昌

摘要：針對(duì)目前國(guó)內(nèi)谷物晾曬工序存在勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低等問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種晾曬谷物自動(dòng)收集裝袋機(jī)。該機(jī)由收集機(jī)構(gòu)、稱(chēng)重機(jī)構(gòu)和打包機(jī)構(gòu)組成，集谷物收集、裝袋、稱(chēng)重和自動(dòng)封袋等功能于一體。通過(guò)構(gòu)建虛擬樣機(jī)，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的可行性，以適應(yīng)多種類(lèi)晾曬谷物的自動(dòng)收獲。

關(guān)鍵詞：谷物;裝袋機(jī);收集機(jī)構(gòu);稱(chēng)重機(jī)構(gòu);自動(dòng)打包機(jī)構(gòu)

中圖分類(lèi)號(hào)：S226;S229? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? 文章編號(hào)：1674-1161（2020）04-0027-04

中國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，2019年谷物類(lèi)糧食產(chǎn)量達(dá)6.14億t。谷物干燥是谷物收獲后的重要環(huán)節(jié)，但機(jī)械烘干存在設(shè)備昂貴、作業(yè)成本高、技術(shù)水平低、能源浪費(fèi)嚴(yán)重等問(wèn)題。發(fā)達(dá)國(guó)家糧食干燥機(jī)械化程度高，技術(shù)成熟，而我國(guó)谷物干燥仍以傳統(tǒng)晾曬方式為主，勞動(dòng)強(qiáng)度大，工作效率低。少數(shù)曬谷場(chǎng)配有谷物收集機(jī)械，其收集裝置通常采用兩種形式：一種是通過(guò)刮板將谷物聚攏后用絞龍?zhí)嵘龣C(jī)構(gòu)提升至高處，再將谷物裝進(jìn)糧袋中，這種方法作業(yè)量大，收谷過(guò)程繁瑣。另一種是利用吸氣裝置將谷物直接從地面吸入袋中。這種收集方法效率較高，但增加了后續(xù)處理雜質(zhì)的難度。此外，現(xiàn)有谷物收集機(jī)械通常不具備自動(dòng)裝袋和封袋功能，人工裝袋和封袋不僅作業(yè)效率低，而且難以實(shí)現(xiàn)裝袋規(guī)格的標(biāo)準(zhǔn)化。針對(duì)當(dāng)前我國(guó)谷物晾曬后收集和包裝過(guò)程尚未實(shí)現(xiàn)全程自動(dòng)化的問(wèn)題，開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)一種晾曬谷物自動(dòng)收集裝袋機(jī)。該機(jī)集谷物收集、裝袋、稱(chēng)重和自動(dòng)封袋功能于一體，適用于多種晾曬谷物的自動(dòng)收獲。

1 總體結(jié)構(gòu)及工作原理

該機(jī)主要由動(dòng)力與傳動(dòng)裝置、行走裝置、控制裝置、谷物收集裝置、谷物傳送裝置、谷物裝袋裝置、機(jī)架等組成，總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

工作原理：整機(jī)由支架支撐，鏟板、毛刷、斗式提升機(jī)等安裝在支架上;毛刷固定安裝于鏟板上部，相互貼合，毛刷轉(zhuǎn)動(dòng)可完成谷物收集并推送谷物至斗式提升機(jī);斗式提升機(jī)由傳動(dòng)帶軸提供動(dòng)力，構(gòu)成谷物傳動(dòng)輸送裝置;根據(jù)不同谷物外形尺寸和質(zhì)量，設(shè)定機(jī)體頂部風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，以便在吹除谷物中雜質(zhì)的同時(shí)避免谷物被吹出;被輸送的谷物通過(guò)漏斗持續(xù)掉落至稱(chēng)重倉(cāng)，達(dá)到額定重量時(shí)漏斗上部的漏斗擋板會(huì)擋住持續(xù)下落的谷物，隨后稱(chēng)重倉(cāng)翻轉(zhuǎn)將谷物倒入裝袋機(jī)構(gòu)中;裝袋機(jī)構(gòu)定形簍將放袋滾筒中的POF熱收縮膜對(duì)折，利用電動(dòng)推桿推動(dòng)熱熔條壓合袋的邊緣，完成封袋操作;刀盒中的刀片通過(guò)絲杠傳動(dòng)，對(duì)相鄰兩個(gè)袋子進(jìn)行切分，完成自動(dòng)打包裝袋。

自動(dòng)收集裝袋機(jī)以Arduino為控制核心，通過(guò)WiFi和藍(lán)牙與手機(jī)進(jìn)行通信并傳輸數(shù)據(jù)，全部工作過(guò)程均可利用手機(jī)APP進(jìn)行操控、設(shè)置和查詢，包括機(jī)器行走和轉(zhuǎn)向，裝袋標(biāo)準(zhǔn)重量設(shè)定，以及收集重量、裝袋數(shù)量等數(shù)據(jù)記錄。

2 主要部件設(shè)計(jì)

2.1 收集機(jī)構(gòu)

收集機(jī)構(gòu)主要由鏟板、毛刷、橡膠槽、斗式提升機(jī)、漏斗和稱(chēng)重倉(cāng)組成，可將地面晾曬的谷物收集并輸送至機(jī)構(gòu)頂部的收集斗中，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

因后續(xù)處理工序需要有足夠的高度，可設(shè)定斗式提升機(jī)長(zhǎng)度2 000 mm，高度1 950 mm。自動(dòng)收集裝袋機(jī)在收集作業(yè)過(guò)程中，橡膠材質(zhì)的鏟板將晾曬的谷物緩慢鏟起，經(jīng)兩級(jí)毛刷滾動(dòng)甩入提升機(jī)的橡膠斗中，通過(guò)提升機(jī)的帶動(dòng)將谷物提升輸送至收集斗中。提升機(jī)的下方設(shè)計(jì)安裝了橡膠槽，用于收集毛刷與提升機(jī)間隙間掉落的谷物。傳送帶轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，橡膠斗能夠連續(xù)地從橡膠槽中舀起谷物，避免谷物漏檢，有效提升收集效果。

收集機(jī)構(gòu)主要設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。

2.2 稱(chēng)重機(jī)構(gòu)

稱(chēng)重結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

稱(chēng)重機(jī)構(gòu)通過(guò)梯形收集斗將谷物聚集，收集斗的下底面開(kāi)有50 mm×50 mm的正方形口，以便谷物從方形口掉落至稱(chēng)重倉(cāng)。稱(chēng)重倉(cāng)底面直徑100 mm，高度50 mm。稱(chēng)重完成后，翻轉(zhuǎn)稱(chēng)重倉(cāng)，將完成稱(chēng)重的谷物倒入袋中，為后續(xù)自動(dòng)打包裝袋工序做好準(zhǔn)備。

稱(chēng)重過(guò)程中，收集斗方形口處于打開(kāi)狀態(tài)，谷物持續(xù)進(jìn)入稱(chēng)重倉(cāng)。當(dāng)稱(chēng)重倉(cāng)的谷物重量達(dá)到設(shè)定值時(shí)，收集斗方口的A舵機(jī)開(kāi)始工作，帶動(dòng)擋板堵住方口，谷物停止下落，此時(shí)稱(chēng)重倉(cāng)在B舵機(jī)的帶動(dòng)下翻轉(zhuǎn)180 °，將谷物倒出后隨即恢復(fù)初始狀態(tài)，收集斗方口處的擋板移開(kāi)，谷物繼續(xù)下落，以此循環(huán)往復(fù)。

A舵機(jī)驅(qū)動(dòng)擋板轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)角度在60 °～90 °之間，且受力較小;B舵機(jī)驅(qū)動(dòng)稱(chēng)重倉(cāng)翻轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)動(dòng)角度為180°，且受力較大。按B舵機(jī)的使用要求選擇舵機(jī)，最大受力狀態(tài)是在稱(chēng)重倉(cāng)盛滿谷物時(shí)。若按5 kg谷物為最大承重標(biāo)準(zhǔn)，承受徑向力為50 N，翻轉(zhuǎn)90 °后徑向力轉(zhuǎn)換為圓周力，此時(shí)舵機(jī)所承受的轉(zhuǎn)矩約為（按照谷物重心距軸20 mm計(jì)算）：

T糧倉(cāng)=50 N × 20 mm≈10 kg·cm? ? ? ? （1）

由此選擇舵機(jī)型號(hào)為MG995R，詳細(xì)參數(shù)見(jiàn)表2。

A舵機(jī)通過(guò)程序設(shè)計(jì)，由脈沖來(lái)控制所需轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。給1.5 ms脈沖，舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)90 °;給2.5 ms脈沖，舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)180 °。

2.3 自動(dòng)打包機(jī)構(gòu)

自動(dòng)打包機(jī)構(gòu)的工作原理是借鑒了茶葉包裝的方式，漏斗形狀的夾層將單面POF熱收縮膜對(duì)折，通過(guò)熱熔器將側(cè)邊開(kāi)口與下口封合，形成中空的包裝袋，如圖4所示。當(dāng)谷物落入之后，POF熱收縮膜由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)下落1 個(gè)包裝袋的長(zhǎng)度，熱熔器將上口封合，同時(shí)將下一個(gè)包裝袋的下口與側(cè)口封合，刀片由螺旋絲杠傳動(dòng)，將兩袋分開(kāi)。第一袋包裝好的谷物落入倉(cāng)儲(chǔ)柜中，第二袋繼續(xù)包裝，如此循環(huán)往復(fù)。

通過(guò)控制步進(jìn)電機(jī)來(lái)釋放POF熱收縮膜的長(zhǎng)度，進(jìn)而決定包裝袋的大小?？梢栽O(shè)定額定重量，并自動(dòng)選擇袋的種類(lèi)。模擬樣機(jī)設(shè)定了小袋、中袋、大袋、超大袋4個(gè)種類(lèi)，具體參數(shù)見(jiàn)表3。

為了提高包裝效率，在運(yùn)行過(guò)程中可隨時(shí)調(diào)整設(shè)置的額定重量而無(wú)需停止設(shè)備。

熱熔條長(zhǎng)度是固定的，不能隨設(shè)備的包裝尺寸設(shè)置而改變，所以其側(cè)邊封口長(zhǎng)度比超大袋型略長(zhǎng)20 mm。采用長(zhǎng)度為270 mm的熱熔條，并由小型電動(dòng)推桿驅(qū)動(dòng)。熱熔條布置情況如圖5所示。

絲杠選擇與受力分析：相連兩個(gè)袋之間用刀片切割實(shí)現(xiàn)分離，刀片的水平移動(dòng)是通過(guò)步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)絲杠的旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而將步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榈镀闹本€運(yùn)動(dòng)。選擇合理的絲杠可有效提高刀片切割效率，絲杠詳細(xì)參數(shù)如表4所示。

驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩Mq計(jì)算為：

Mq= Mt1 + Mt2+Mt3? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

其中，

Mt1——螺紋摩擦力矩，N·mm;

Mt2——螺旋傳動(dòng)軸向支承面摩擦力矩，N·mm;

Mt3——螺旋傳動(dòng)徑向軸承摩擦力矩，N·mm。

Mt1的計(jì)算為：

Mt1=■d2Ftan（λ+ρ'）? ?? ? ? ? ?（3）

其中，F(xiàn)——螺旋傳動(dòng)的軸向載荷。

絲杠和螺母的材質(zhì)均為304不銹鋼，兩者之間的摩擦因數(shù)通過(guò)查表可得f = 0.17，當(dāng)量摩擦角ρ'及螺紋升角λ的計(jì)算如公式（4）和（5）所示：

ρ'=arctan■=arctanf=arctan0.17=9.648 °≈10 °（4）

λ=arctan■=arctan■≈20.5 °? ? ? ?（5）

測(cè)得F約為10 N，代入公式（6），可得Mt1=25.03 N·mm。Mt2的計(jì)算公式為：

Mt2=■fSF■≈57.52 N·mm? ? ? ? ? ?（6）

該系統(tǒng)沒(méi)有徑向支承，故Mt3 = 0 N·mm。

綜上，代入公式（6），可得Mq = 82.55 N·mm≈2.55 N·cm

鏈條：根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，選用短節(jié)距滾子鏈08A-1，滾子直徑7.95 mm，節(jié)距12.70 mm，鏈節(jié)數(shù)151，鏈條長(zhǎng)度1 917.70 mm;

鏈輪：齒數(shù)22，分度圓直徑89.32 mm，齒頂圓直徑97.19 mm，齒厚7.30 mm，中心孔徑16.00 mm，中心孔鍵槽寬6.00 mm，鍵槽深2.80 mm。

3 虛擬樣機(jī)構(gòu)建

為了初步驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的正確性和可行性，構(gòu)建了晾曬谷物自動(dòng)收集裝袋機(jī)虛擬樣機(jī)，如圖6所示。

整機(jī)外形尺寸長(zhǎng)3 120 mm、寬1 180 mm、高

2 557 mm;提升機(jī)寬度510 mm;收集幅寬為50 mm;最高行走速度為0.3 m/s。

通過(guò)虛擬裝配和運(yùn)動(dòng)仿真證明：設(shè)計(jì)方案具有一定的可行性，能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期的工作流程。根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)和相關(guān)理論計(jì)算，機(jī)器平均打包1袋谷物需要大約1～2 min，收獲1 m2的谷物大約需要0.5 min。

4 結(jié)論

針對(duì)當(dāng)前我國(guó)谷物在晾曬后收集和包裝過(guò)程尚未實(shí)現(xiàn)全程自動(dòng)化的問(wèn)題，提出一種晾曬谷物自動(dòng)收集裝袋機(jī)的設(shè)計(jì)方案，并對(duì)收集機(jī)構(gòu)、稱(chēng)重機(jī)構(gòu)和自動(dòng)打包機(jī)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，通過(guò)構(gòu)建虛擬樣機(jī)初步驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的可行性。

晾曬谷物自動(dòng)收集裝袋機(jī)適于中小型農(nóng)場(chǎng)，能自動(dòng)完成晾曬谷物的收集、稱(chēng)重，能實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一化和規(guī)范化的自動(dòng)包裝作業(yè)。該機(jī)的研發(fā)應(yīng)用對(duì)降低生產(chǎn)者勞動(dòng)強(qiáng)度、提高生產(chǎn)效率和包裝質(zhì)量具有現(xiàn)實(shí)意義，有助于推動(dòng)我國(guó)糧食生產(chǎn)過(guò)程的全自動(dòng)化。

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