平房倉倉底余糧清掃收集裝置設計

王明旭 何穎臻 趙子炎 賀文斌 丁樂樂

(河南工業大學，河南 鄭州 450001)

為確保國家糧食戰略安全[1]，順應建設智慧化糧庫需求[2-3]、實現糧食物流環節各節點全程智能化要求，擺脫國外企業對中國高端糧食儲運物流裝備的技術壟斷，滿足中國糧食倉儲裝備的發展戰略需求[4-5]。以智能化機械代替人力[6]，解放生產力，提高生產效率，是現階段糧食倉儲裝備研究的方向。

平房倉倉底余糧中混雜著大量的灰塵，若不進行清掃，進糧過程中存在大量揚塵的問題。調查[7]顯示，糧庫采取半機械化進出倉方式，對所儲藏糧食損失率高達0.62%。同時，平房倉倉底余糧中存在大量的病蟲、微生物、細菌等有害物質，若不及時清掃，有害物質會影響余糧及二次進倉的糧食的質量安全[8]。

試驗擬基于仿真和數值計算的方式對清掃收集裝置的關鍵部件的可靠性進行相關分析，并對制造樣機進行驗證實驗，檢驗實際清掃效果，旨在為國家當前所提出的建設智慧糧庫提供裝備與技術依據。

1 整體設計及工作原理

清掃收集裝置整體模型如圖1所示，主要由4個模塊組成：清掃模塊、傳送模塊、收集模塊和行走模塊。行走模塊通過電機輪帶動整體裝置行走。清掃模塊是將該模塊與地面的摩擦力轉變為前端清掃裝置的旋轉動力，實現高效清掃，其掃起的糧食顆粒進入傳送模塊中。傳送模塊利用電機帶動波紋擋邊帶，對物料進行收集、提升并送入到收集模塊。收集模塊采用自主設計的收糧盒，可以根據散落糧量，自動裝卸，從而提高散落糧食的收集效率，改變傳統收集方式，確保散落糧食的及時清掃以及下一階段糧食的及時入倉。該裝置的動力由新型能源鋰電池提供，可初步實現自動化的目標。

1. 清掃模塊 2. 傳送模塊 3. 收集模塊 4. 行走模塊

2 主要模塊設計

2.1 清掃模塊

清掃模塊的作用是將糧倉地面上散落的糧食顆粒集中后掃起使其能進入到傳送模塊，其結構如圖2所示。其中，最前端的旋轉清掃刷由一組蝸輪蝸桿為其提供動力，蝸輪蝸桿位于清掃刷的下端，在裝置的行進過程中蝸輪構件與地面接觸，通過該裝置與地面的摩擦力帶動與旋轉清掃刷相連的齒輪蝸桿，使前端兩側的旋轉清掃刷旋轉，散落的糧食顆粒由旋轉清掃刷集中掃入小車內部。除塵旋轉刷的動力提供構件是位于旋轉刷兩側的輪子，由內部齒輪傳動，行進過程中，利用輪子與地面的摩擦帶動除塵旋轉刷兩側的一組齒輪，使除塵旋轉刷轉動。清掃模塊與車架通過兩根連桿相連，連桿與水平面的夾角為45°。當裝置向前行進時，通過兩根連桿對力的傳導使清掃模塊受到兩個方向上的力。水平方向上的力會帶動清掃模塊前進，豎直方向上的力與清掃模塊的自重相疊加使其與地面有較大的下壓力。糧庫地面多為混凝土地面，摩擦力較大且較為平整，這使得清掃模塊的清掃效率可靠性較高。除塵旋轉刷將旋轉清掃刷集中的糧粒掃起，使其落到傳送模塊上。

表1 清掃模塊相關參數

1. 旋轉清掃刷 2. 蝸輪蝸桿 3. 除塵旋轉刷

2.2 傳送模塊

傳送模塊主要由一套波紋擋邊帶機構組成，目的是收集清掃所得糧粒并將其傳送到收集模塊中，其結構如圖3所示。對于大多數的清掃裝置，目前被廣泛使用的是氣力式傳送方式，但其存在動力消耗大，磨損嚴重等問題且對物料破壞性強，不適合于糧倉散糧的清掃傳送。試驗采用波紋擋邊帶運送清掃后的散糧，其由基帶、波紋狀擋邊和橫隔板3部分組成。波紋擋邊帶具有傳送速度合適、效率高、能耗低的優點，且適合小型清掃裝置的裝載，對散糧物料的運輸契合度較高，鑒于小顆粒的散糧與傳送帶的摩擦力較小，故設置一定高度的橫隔板來幫助運送物料?；鶐禽斔蜋C的牽引元件，承受張力，支撐輸送帶時，要求基帶橫向有足夠的強度，在基帶芯體的橫向加入加強層，在縱向保持了撓度，使輸送帶能夠通過轉向和凹凸的彎曲。采用波紋擋邊帶使傳送帶經過轉向和凹凸弧段時，擋邊不受過大的附加拉、壓應力，且能自由伸縮。橫隔板能夠保證物料不向下滑動。傳送模塊設計有張緊裝置，保證波紋擋邊帶的可靠運行。

1. 接糧軸 2. 波紋擋邊帶 3. 轉向軸 4. 張緊裝置 5. 主傳動軸

設置裝置的作業寬度為1 000 mm，清掃物料的高度約為10 mm，前進速度0.5 m/s，則1 s內收集物料的體積：

v=0.5×1 000×10×100=5×105mm2。

波紋擋邊帶的橫隔板高度為15 mm，每個橫隔板間隔寬度為35 mm，有效接糧寬度為220 mm，故1節波紋擋邊可傳送的物料體積：

v′=220×15×35×1/2=57 750 mm2。

則每秒至少需要波紋擋邊節數：i=v/v′≈9。

已知每個橫隔板間隔寬度為35 mm，所以每秒波紋擋邊帶傳送距離為315 mm。

主傳動軸的直徑d=28 mm，則周長約為88 mm，主傳動軸的轉速n=240 r/min，所以每秒主傳動軸帶動波紋擋邊帶前進距離為352 mm，大于所需波紋擋邊帶速度，所以合理。

2.3 收集模塊

收集模塊主要有收集物料和自動卸料兩大功能，其結構如圖4所示。由波紋擋邊帶輸送過來的物料最終將落入尾部的收糧盒中，隨著裝置的向前移動，物料將產生堆積。當物料達到所設定最大物料接收量時，收糧盒的傳感器會收到信號，整個裝置隨即停止前進，控制傳送模塊電機停轉使之停止輸送。同時控制收糧盒末端的電動推桿抬起，使擋板向上抬升。收糧盒近似錐形，全部物料將從預留孔洞排出。由于物料堆積會阻礙物料的流出，所以收糧盒距離地面有一定的高度，保證了物料能夠全部流出。當物料全部流出后，控制裝置將控制電動推桿下移，擋板重新遮住預留孔洞。同時控制電動機繼續工作，進行清掃收集任務。為減少工作量，事先在糧倉中設置卸糧地點，當收集散糧裝滿收糧盒后，裝置自動識別所處位置，繼而將糧食卸在指定地點。收糧盒的滿載容量為30 kg。

1. 收糧盒 2. 電動推桿

2.4 行走模塊

行走模塊是由主體兩側的兩個電機輪所帶動，輪中設置電機提供動力，與傳統的動力方式相比其能耗更低。兩側的電機輪相互獨立，可由控制系統分別控制產生相對速度，通過速度差進行轉向。而裝置后端的萬向輪主要負責支撐裝置以及協助轉向，進而使裝置的清掃范圍覆蓋全部糧倉。目前整體裝置采用西門子PLC進行控制，通過觸摸板控制兩個電機輪的速度差完成轉向和前進動作，人工只需要簡單的遠程操作控制就能完成平房倉余糧的清掃工作。

3 高效清掃收集裝置關鍵部件仿真分析

3.1 仿真參數

根據設計要求，除清掃模塊外，其余模塊的主要零部件均采用45#鋼為材料進行加工制造。

3.2 重要構件的仿真分析

清掃裝置的絕大部分重量都集中在除清掃模塊外的后半部分，并且傳送模塊和收集模塊均固定在機架上，機架承受了較大的壓力。主傳動軸是傳送模塊最重要的構件，為整個傳送模塊提供動力傳遞。為保證裝置實現可靠運行，對清掃搜集裝置的核心零部件整體機架和主傳動軸分別進行計算分析。運用SolidWorks進行三維建模，建立機架和主傳動軸的三維模型如圖5所示。

圖5 機架和主傳動軸的三維模型

3.2.1 整體機架 機架是焊接而成的，根據與波紋擋邊帶提升裝置的連接關系和收糧盒最大承重數據，該機架承受豎直方向的壓力，故將該機架的下表面加以固定并施加載荷。根據機架的受力分析，載荷施加在該機架的上表面，方向豎直向下。材料許用彎曲應力為[σ]=70 MPa。由圖6可知，整體機架的最大應力為49.8 MPa，最大載荷小于材料屈服應力，符合設計要求。

圖6 整體機架的應變和應力圖

3.2.2 主傳動軸 波紋擋邊帶及軸自重為20 kg，總支反力F=200 N。由平衡條件知，各軸承處的支反力為FN1=FN2=100 N，豎直向上。由彎曲特點知，中間處的彎曲變形最大，故中間截面產生的彎矩最大。

帶動主傳動軸的電機額定功率為p=120 W，傳動效率為η1=0.96，主傳動軸轉速n=240 r/min，則

p1=p×η1=120×0.96=115.2 W，

傳動軸所受扭矩大小T1=9 950p1/η1=9 950×0.115 2/240=4.584 N/m。

由圖7可知，工作最大應力為14.7 MPa，小于其材料許用彎曲應力，符合設計要求。

圖7 主傳動軸的應變和應力圖

4 裝置實際效果分析

根據所設計的技術要求制造出裝置實物進行試驗。裝置前端清掃部分的動力由輪子與地面摩擦力提供，由于裝置的工作環境主要在糧倉附近，工作路面多為坡度很小的平坦混凝土路面[9]，摩擦力較為穩定，可保證前端清掃部分的清掃效果。利用與地面的摩擦力，試驗裝置不耗電、不用油，在節能環保的同時，因其結構簡單，故障率低，方便工人使用和維護，并且該裝置不會對糧食造成污染，確保糧食安全。驗證實驗表明，正常工作條件下，一次清掃能收集地面余糧的90%，同一位置進行二次清掃可達到收集余糧的99%，清掃效率極高，減少了糧倉內糧粒的損失。裝置滿載容量為30 kg，能夠自動清掃和裝卸，可以縮短50%的清掃時間，降低糧倉維護的人工成本，間接地提高了糧倉的經濟效益。

5 結論

基于高效自動化設計思想設計了一種平房倉倉底余糧清掃收集裝置。該裝置主要通過清掃模塊、傳送模塊、收集模塊和行走模塊之間的相互協作完成清掃任務。驗證實驗表明，該清掃裝置解決了傳統方式需要的大量人力和效率低下的難題，完成了余糧清掃的機械化，利于糧倉大型化和規?；?。目前該清掃裝置已基本實現自動化，以此為基礎在后續的升級改進中逐步實現智能化和無人化的清掃過程。