散體物料堆自動上料機(jī)的設(shè)計與試驗

彭海軍，劉繼展，居 錦

(江蘇大學(xué) 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與技術(shù)教育部重點實驗室，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

0 引言

近年來，我國溫室技術(shù)不斷發(fā)展，特別是高架無土栽培作為省力化栽培的新型模式而受到了推崇，并得到了快速推廣和普及[1-3]。在高架無土栽培中，為了保證果蔬的生產(chǎn)質(zhì)量，基質(zhì)需要定期更換，每公頃栽培高架的基質(zhì)需求量高達(dá)150～180m3。目前，僅靠人工用鐵鍬將基質(zhì)直接裝袋或借助挖掘機(jī)將基質(zhì)喂入給輸送帶完成基質(zhì)斜向上輸送或裝箱，作業(yè)成本高，勞作強(qiáng)度大，成為影響高架栽培模式進(jìn)一步推廣的障礙之一。因此，基質(zhì)自動取料的機(jī)械化作業(yè)成為發(fā)展高架栽培的客觀要求。

國內(nèi)學(xué)者近年來進(jìn)行了很多針對性研究。陳志巖、徐麗、唐玫改進(jìn)了刮板取料機(jī)料耙[4-5]，增加物料的流動性，降低了取料臂沿散粒物料堆邊緣刮取阻力。孫玉東、唐天新、蔣學(xué)華等改進(jìn)了混勻堆取料機(jī)的刮板，更好地適應(yīng)粘性物料的刮取[6-8]。以上關(guān)于散粒物料的裝填設(shè)備皆應(yīng)用在港口、電廠、鋼廠、礦山等行業(yè)，多為人工駕駛的大型臺架式結(jié)構(gòu)，且設(shè)備的作業(yè)對象主要針對飼料、谷物、沙堆、煤炭等固體顆粒的自動上料作業(yè)，尚未見有關(guān)栽培基質(zhì)的自動上料機(jī)械的研究。

為此，本文進(jìn)行了質(zhì)量輕、體積小、轉(zhuǎn)向靈活、成本低廉同時具備較高上料效率的機(jī)型開發(fā)與試驗，為農(nóng)業(yè)散粒物料的機(jī)械化上料提供了新的機(jī)具。

1 結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 工作對象與設(shè)計要求

該上料機(jī)是規(guī)范化建設(shè)的溫室高架基質(zhì)攤鋪機(jī)(見圖1)的配套作業(yè)機(jī)構(gòu)，攤鋪機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

(a) 攤鋪機(jī) (b) 溫室高架

參數(shù)單位數(shù)值外形尺寸(長×寬×高)mm1200×600×1800結(jié)構(gòu)質(zhì)量kg220配套動力kW1.2

續(xù)表1

針對現(xiàn)有攤鋪機(jī)特殊的作業(yè)需要，要實現(xiàn)基質(zhì)的機(jī)械化上料作業(yè)，所設(shè)計的基質(zhì)自動裝箱機(jī)構(gòu)必須滿足以下要求：

1)能人工移動設(shè)備至不同的作業(yè)地點，行走靈活，體積較小，質(zhì)量輕便。

2)能夠?qū)⒍逊旁诘孛娴奈锪享樌稳〔伻龅焦伟鍘?，輸送至料箱?nèi)。為滿足對料堆的持續(xù)上料要求，深入基質(zhì)堆內(nèi)部機(jī)構(gòu)能順利將物料拋灑到輸送帶上，機(jī)構(gòu)回縮時還能順利地再次插入料堆內(nèi)側(cè)。

3)上料機(jī)寬度不宜超過僅有600mm寬的料箱尺寸，對攤鋪機(jī)的單次連續(xù)裝填量不少于520L。

1.2 整體結(jié)構(gòu)

針對上述設(shè)計要求，提出了攤鋪機(jī)配套的物料堆自動上料機(jī)作業(yè)方案，其整體機(jī)構(gòu)主要由車架、驅(qū)動裝置、翻斗式鏟料機(jī)構(gòu)、物料輸送系統(tǒng)和控制器組成，所述的翻斗式鏟料機(jī)構(gòu)包括轉(zhuǎn)盤、鏟斗、連桿和機(jī)架，如圖2所示。

1.萬向輪 2.驅(qū)動裝置 3.車架 4.物料輸送系統(tǒng) 5.轉(zhuǎn)盤 6.連桿 7.鏟斗

物料輸送系統(tǒng)安裝在車體斜上方，翻斗式鏟料機(jī)構(gòu)固定于物料輸送系統(tǒng)的底部。轉(zhuǎn)盤與刮板輸送系統(tǒng)底部的尾軸固定，連桿的兩端分別鉸接在轉(zhuǎn)盤和鏟斗上，使鏟斗的翻轉(zhuǎn)鏟料和刮板輸送系統(tǒng)的向上輸送物料為同步動作。驅(qū)動裝置提供輸送帶工作時的驅(qū)動力；張緊裝置提供系統(tǒng)的張緊力；托輥支撐輸送帶及其上邊的物料并減小輸送帶的懸垂度。

上料機(jī)工作原理是基于曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的反復(fù)鏟料原理，主要過程：將該機(jī)構(gòu)移動至料堆旁，調(diào)節(jié)速度控制器使底部鏟料機(jī)構(gòu)以適宜的速度開始鏟料作業(yè)，鏟斗從而往復(fù)地將地面基質(zhì)鏟運并拋灑給PVC刮板傳送帶，斜向上輸送給料箱。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計

2.1 自動鏟料機(jī)構(gòu)

鏟料機(jī)構(gòu)是基質(zhì)上料機(jī)的關(guān)鍵部件，主要設(shè)計參數(shù)包括圓盤半徑a、連桿長度b、連桿的極位夾角θ、鏟斗的擺角φ、擺桿長度c，以及電機(jī)的轉(zhuǎn)速n等。

2.1.1 機(jī)構(gòu)設(shè)計

鏟料機(jī)構(gòu)主要包括轉(zhuǎn)盤、鏟斗及連桿，如圖3所示。轉(zhuǎn)盤與底部滾筒同軸固定，連桿的兩端分別鉸接在轉(zhuǎn)盤和鏟斗上，使鏟斗的翻轉(zhuǎn)鏟料和同步帶向上輸送物料為同步動作。

1. 支撐輪 2.轉(zhuǎn)盤 3.連桿側(cè) 4.鏟斗

2.1.2 參數(shù)確定

在已知搖桿長度、擺角、行程速比系數(shù)的情況下，再給定機(jī)架長度時，結(jié)合圖解法[9]求得曲柄機(jī)構(gòu)尺寸。圖4中：A為曲柄固定鉸鏈中心點，D為搖桿固定鉸鏈中心點。為實現(xiàn)基質(zhì)裝箱機(jī)能完成往復(fù)式自動上料的作業(yè)需求，曲柄擺桿式機(jī)構(gòu)各尺寸參數(shù)滿足如下關(guān)系[10]，即

式中a—曲柄長度(mm)；

b—連桿長度(mm)；

c—擺桿長度(mm)；

θ—極位夾角(°)；

γmin—最小許用傳動角(°)；

φ—鏟斗的擺角(°)；

φ0—∠ADC2的角度(°)。

受機(jī)構(gòu)自身尺寸和攤鋪機(jī)料箱參數(shù)限制，計算確定的設(shè)計參數(shù)如表2所示。

圖4 鏟料機(jī)構(gòu)運動簡圖

參數(shù)取值單位鏟斗長度c170mm連桿長度b230mm極位夾角θ18(°)鏟斗的擺角φ65(°)AD段長135mm最小傳動角γmin38.7(°)

將已知參數(shù)帶入式(1)可得，曲柄長度55mm。

2.1.3 ADAMS仿真優(yōu)化

為了獲得鏟料機(jī)構(gòu)作業(yè)時電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩，將鏟斗機(jī)構(gòu)的Pro/E三維模型導(dǎo)入ADAMS中，對模型添加約束及定義質(zhì)量等屬性。賦予動力桿，模擬電機(jī)勻速驅(qū)動作業(yè)情況，并定義鏟斗內(nèi)負(fù)載質(zhì)量2kg，建立的模型如圖5所示。

圖5 添加約束和驅(qū)動的ADAMS模型

2.1.4 仿真結(jié)果分析

對動力桿設(shè)置3個轉(zhuǎn)速ω級別：90、180、360(°)/s，仿真時間皆為4s，步數(shù)為500，觀察比較3個參數(shù)下運動規(guī)律的差別，獲得鏟斗的運行速度和主動桿的電機(jī)力矩曲線(見圖6)，并比較鏟斗運動規(guī)律的差別[11]。

如圖6所示：當(dāng)主動桿(曲柄)機(jī)構(gòu)勻速轉(zhuǎn)動時，鏟料機(jī)構(gòu)的鏟斗速度、角速度、角加速度均呈周期性非勻速的運動規(guī)律，隨轉(zhuǎn)速變大鏟料機(jī)構(gòu)的非工作行程時間變短，鏟斗內(nèi)基質(zhì)獲得的離心速度增大，這由曲柄擺桿機(jī)構(gòu)的急回特性決定；當(dāng)曲柄轉(zhuǎn)速ω為90、180、360(°)/s時，鏟斗質(zhì)心可獲得的最大瞬時角速度分別為103、206、413(°)/s；角加速度分別為148、226、413(°)/s2。由圖6(d)可得：主動桿電機(jī)的力矩必須大于17.6N·m時才能保證鏟料機(jī)構(gòu)順利完成自動上料作業(yè)。

3 樣機(jī)開發(fā)與性能試驗

3.1 樣機(jī)開發(fā)

根據(jù)理論設(shè)計結(jié)果，成功開發(fā)了基質(zhì)自動上料機(jī)，如圖7所示。為使料堆裝箱機(jī)能滿足不同的箱體的上料需要，可調(diào)節(jié)連桿長度使鏟斗的擺角范圍約在35°～45°間可選，同時可調(diào)節(jié)調(diào)速器的刻度旋鈕，調(diào)節(jié)設(shè)備的上料效率。設(shè)備選用48V直流電源驅(qū)動。表3為樣機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)。

(a) 90(°)/s時鏟斗動態(tài)的角速度、角加速度

(b) 180(°)/s時鏟斗動態(tài)的角速度及角加速度

(c) 360(°)/s時鏟斗動態(tài)的角速度和角加速度

(d) 360(°)/s時主動桿電機(jī)力矩曲線

圖7 上料機(jī)實物圖

項目單位參數(shù)值外形尺寸mm1800×560×90自重kg40.5電機(jī)功率W120電池規(guī)格48V-20Ah作業(yè)水平傾角(°)65～70

3.2 性能試驗

3.2.1試驗設(shè)備與方法

為了考察設(shè)備鏟料機(jī)構(gòu)自動上料效果，以及不同帶速下基質(zhì)裝箱效率。試驗材料取草炭、珍珠巖、蛭石按3∶1∶1配比在室內(nèi)均勻混合完成的基質(zhì)。試驗用皮尺精度為0.1mm；量筒精度為50mL；秒表精度為0.01s。

將上料機(jī)移動到基質(zhì)堆旁，把基質(zhì)攤鋪機(jī)移動到對應(yīng)工位，將上料機(jī)接入48V電源插口，調(diào)節(jié)調(diào)速器旋鈕開關(guān)，使機(jī)構(gòu)開始空載作業(yè)；通過單位時間傳輸帶前進(jìn)距離，測出該轉(zhuǎn)速下的帶速，并標(biāo)記該速度下旋鈕開關(guān)的角度位置；多次試驗后，將旋鈕開關(guān)0～6檔，分別對應(yīng)著0、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6m/s的帶速度。

如圖8所示：在料箱上方布置一平板，用于收集基質(zhì)，將開關(guān)調(diào)至2檔位，開始上料試驗；待設(shè)備上端有物料拋出時開始計時，10s后關(guān)閉上料機(jī)，測量并記錄平板上的基質(zhì)量和基質(zhì)拋灑的最遠(yuǎn)距離，開關(guān)調(diào)至3、4、5不同檔位，分別進(jìn)行自動上料試驗；觀察、記錄不同速度下刮板帶上基質(zhì)的堆積狀態(tài)、相鄰刮板間基質(zhì)量及入箱前的拋撒狀態(tài)，以上參數(shù)各重復(fù)試驗3次，取其平均值。

圖8 上料試驗原理圖

3.2.2 結(jié)果與分析

經(jīng)過6次測量試驗，確定了旋鈕開關(guān)6種不同的檔位速度下時，所對應(yīng)的上料效率及基質(zhì)入箱前的拋撒范圍。試驗數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 上料試驗結(jié)果

續(xù)表4

1)試驗結(jié)果表明：基質(zhì)自動上料機(jī)在檔位2～6時能夠順利將地面基質(zhì)鏟運并拋灑至輸送帶上，鏟料機(jī)構(gòu)動作順暢，無卡頓、顫抖等現(xiàn)象發(fā)生，如圖9所示。

(a) 鏟斗取料 (b) 向帶拋撒 (c) 輸送-裝箱

2)試驗發(fā)現(xiàn)：在檔位1工況下，由于電機(jī)轉(zhuǎn)速較慢，此時鏟斗的擺動頻率較低，導(dǎo)致鏟斗內(nèi)大部分基質(zhì)因不能獲得足夠的離心力由鏟斗和輸送帶間的縫隙泄露[見圖10(a)]；在檔位6下，又由于此時鏟斗擺動頻率特別快，導(dǎo)致鏟斗內(nèi)部分基質(zhì)因離心力被甩飛出，較少基質(zhì)落入輸送帶上，如圖10(b)所示。

(a) 轉(zhuǎn)速太慢 (b) 轉(zhuǎn)速太快

3)在0.1～0.6m/s帶速下，經(jīng)裝箱機(jī)構(gòu)輸送帶頂端拋射的基質(zhì)都能夠裝進(jìn)攤鋪機(jī)的料箱內(nèi)?；|(zhì)自動裝箱機(jī)的裝填效率隨速度增加呈先增長后下降的趨勢：帶速為0.4m/s時，裝箱效率最大，值約為5.2L/s；帶速小于0.1m/s或大于0.6m/s時，基質(zhì)裝箱效率小于1L/s；

4)轉(zhuǎn)速一定時，PVC刮板帶上相鄰刮板間的基質(zhì)量變化規(guī)律如圖11所示。其呈周期性上升或下降，這主要由于鏟斗的周期性擺動導(dǎo)致。

(a) 試驗圖

(b) 相鄰刮板間基質(zhì)量變化趨勢

4 結(jié)論

1)根據(jù)攤鋪機(jī)規(guī)格和上料作業(yè)要求，設(shè)計開發(fā)了機(jī)型小巧、使用方便、適應(yīng)性強(qiáng)的基質(zhì)自動上料機(jī)， 解

決了無土栽培基質(zhì)自動上料作業(yè)難題。

2)提出了曲柄擺桿式鏟料機(jī)構(gòu)，并實現(xiàn)了參數(shù)優(yōu)化定型，能滿足基質(zhì)的自動上料作業(yè)需要。

3)性能試驗表明：該機(jī)實現(xiàn)了基質(zhì)取料、拋灑、輸送和裝箱的協(xié)調(diào)動作，具有5.2L/s的基質(zhì)上料效率。

4)研究只對栽培基質(zhì)、麥堆開展了上料試驗，對于肥料、糞堆等農(nóng)業(yè)散體物料堆該機(jī)同樣適用。