浙貝母智能化分級(jí)設(shè)備研究及應(yīng)用

王紅莉，史淑敏，孫曉林，丁軍優(yōu)，阮燁亮，倪忠進(jìn)

（浙江農(nóng)林大學(xué)工程學(xué)院，浙江杭州 311300）

作為“浙八味”之一的浙貝母藥用歷史悠久，是貝母類品種中用于藥廠投料最大的品種[1]。據(jù)了解，在浙貝母種植前需要對(duì)其進(jìn)行選種工作，種子有大、中、小籽三種類型。經(jīng)比較，大籽兩瓣分散，不適于機(jī)械化播種；小籽種植后產(chǎn)量低；而中籽（2-3cm）種子飽和，適合機(jī)械化種植。但浙貝母數(shù)量多，人工分選任務(wù)重，同時(shí)為了便于銷售及規(guī)范生產(chǎn)，對(duì)浙貝母進(jìn)行智能分級(jí)是很有必要的[2]。然而，現(xiàn)有的作業(yè)裝置僅以薯類挖掘機(jī)具來代替，機(jī)具較單一、品種少[3]。除此之外，浙貝母的種植區(qū)域主要分布在地形復(fù)雜的丘陵地區(qū)，但丘陵山地的土壤粘性較大，一般的振動(dòng)機(jī)構(gòu)無法較好地實(shí)現(xiàn)貝土分離[4]。目前專門針對(duì)浙貝母的分級(jí)設(shè)備暫無公開報(bào)道，浙貝母分級(jí)機(jī)械極為匱乏，無法滿足市場(chǎng)需求。

現(xiàn)有平貝母、馬鈴薯類的分選機(jī)：一是宋江等人[5]設(shè)計(jì)的振動(dòng)式平貝母篩分機(jī)。他們對(duì)程立杰等人[6]采用鋼絲網(wǎng)制作的滾動(dòng)圓篩進(jìn)行了改進(jìn)，但仍存在機(jī)器分離能力弱、被分選物破皮刮損等問題。同時(shí)，他們?cè)诂F(xiàn)有擺動(dòng)式平貝等級(jí)篩分機(jī)的基礎(chǔ)上，又設(shè)計(jì)了螺旋式平貝母等級(jí)篩分機(jī)[7]。平貝母的體型偏圓，而浙貝母整體為扁平狀，在過篩縫時(shí)易出現(xiàn)因側(cè)面較窄而提前掉落的情況。二是馬松柏等人[8]基于復(fù)合形法優(yōu)化設(shè)計(jì)研究的馬鈴薯分級(jí)機(jī)。他們利用matlab分析馬鈴薯在振動(dòng)篩上的運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力學(xué)特性。根據(jù)物料大小不同、重量不同，物料在篩面上運(yùn)動(dòng)的距離也不同進(jìn)行分級(jí)。但此法主要依靠摩擦力，易使浙貝母破損。

通過以上分析，以收獲期浙貝母為研究對(duì)象，本文設(shè)計(jì)研制出一種簡單易行的浙貝母智能化分級(jí)設(shè)備。通過對(duì)浙貝母幾何參數(shù)的測(cè)量，分析研究其直徑、厚度和重量相互關(guān)系，確定導(dǎo)料孔的形狀和尺寸大小，保證浙貝母分級(jí)的準(zhǔn)確性；通過對(duì)浙貝母置于導(dǎo)料桶和傳送帶時(shí)的動(dòng)力學(xué)分析，確定進(jìn)料、傳送帶、液壓推桿、集料裝置的速度與輸入轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系，從而設(shè)計(jì)出一種分級(jí)準(zhǔn)確的自動(dòng)化浙貝母分級(jí)裝置。

1 整體裝置

如圖1所示（箭頭方向?yàn)檎阖惸缸呦颍?，該浙貝母分?jí)設(shè)備主要由雙層進(jìn)料裝置、導(dǎo)向板、液壓推桿、傳感器、分級(jí)收集裝置、電動(dòng)機(jī)、機(jī)架等組成。工作流程：電機(jī)軸帶動(dòng)上料內(nèi)筒轉(zhuǎn)動(dòng)，利用旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力將浙貝母甩向內(nèi)筒邊緣，當(dāng)內(nèi)外層孔重合時(shí)，原處于內(nèi)孔位置的浙貝母失去阻力脫離圓筒，經(jīng)導(dǎo)軌逐個(gè)輸送至傳送帶后，在導(dǎo)向板的引導(dǎo)下到達(dá)重量傳感器；傳感器對(duì)浙貝母的重量進(jìn)行檢測(cè)后將結(jié)果發(fā)送給收集裝置的控制系統(tǒng)，使其旋轉(zhuǎn)到相應(yīng)重量范圍所對(duì)應(yīng)的收集區(qū)域。同時(shí)，液壓推桿開始作用，準(zhǔn)確地將浙貝母推進(jìn)目標(biāo)區(qū)域中。當(dāng)某個(gè)收集區(qū)域重量（或個(gè)數(shù)）達(dá)到額定設(shè)置存儲(chǔ)值時(shí)，報(bào)警器響，提醒工作人員替換收集袋，避免收集袋儲(chǔ)存量過大造成不必要的損失。

圖1 整體分級(jí)裝置

2 關(guān)鍵零部件設(shè)計(jì)

2.1 進(jìn)料裝置

進(jìn)料裝置為雙層圓筒。內(nèi)筒底部焊接一半徑小于二分之一筒壁的圓錐，其目的是引導(dǎo)浙貝母向內(nèi)筒四周滾動(dòng)，筒底通過聯(lián)軸器穿過外層圓筒與電機(jī)軸相連，側(cè)面開有四個(gè)長方形孔?？紤]到浙貝母的常見尺寸為1～4cm，其對(duì)應(yīng)厚度約為0.8～1.6cm，因此孔的寬度設(shè)為4.1cm，高度設(shè)為1.7cm，以保證每次只出孔一個(gè)浙貝母，并使用彈性材料以防止浙貝母出孔時(shí)刮傷。外筒直徑稍大于內(nèi)層筒并與機(jī)架相連固定不動(dòng)，側(cè)面開鑿一個(gè)與內(nèi)層筒壁相同尺寸的孔，孔正方朝向下方傳送帶，同樣使用彈性材料?？筛鶕?jù)需要在內(nèi)筒上設(shè)置更多數(shù)目的孔，提高分級(jí)精度。進(jìn)料裝置如下圖2。

圖2 進(jìn)料裝置

為確保浙貝母在上料外筒的滑軌上能正常下滑，對(duì)滑軌上的一顆浙貝母進(jìn)行受力分析，受力分析圖如圖3所示。

圖3 浙貝母受力分析圖

（G為浙貝母自重，m為浙貝母的質(zhì)量，g為重力加速度，N為滑軌對(duì)貝母的法向支持力，f為滑動(dòng)摩擦力）保證浙貝母能在滑軌上自由下滑的條件是：（m為滑軌與浙貝母之間的滑動(dòng)摩擦系數(shù)）

2.2 輸送裝置

輸送裝置由電機(jī)、傳送帶、皮帶、導(dǎo)向板等組成，如圖4所示。通過皮帶輪的動(dòng)力傳遞，電機(jī)帶動(dòng)傳送帶順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。在傳送帶的兩側(cè)均裝有一塊導(dǎo)向板，固定在機(jī)架與傳感器支架上，用以引導(dǎo)浙貝母準(zhǔn)確無誤地到達(dá)重量傳感器，同時(shí)防止浙貝母從傳送帶旁側(cè)漏出。

圖4 輸送裝置

2.3 收集與分級(jí)裝置

根據(jù)金華市磐安縣浙貝母種植基地的實(shí)地考察結(jié)果得知，來年作為種子的浙貝母尺寸為20～30mm，投入市場(chǎng)的尺寸為10～20mm、30～40mm。因此，本方案將收集裝置分為如圖5所示的①②③④四個(gè)區(qū)域，收集的浙貝母尺寸分別為10～20mm、20～30mm、30～40mm和其它。因測(cè)量重量較測(cè)量尺寸方便許多，故將不同直徑的浙貝母重量整理如下表1，再通過測(cè)量浙貝母的重量對(duì)其進(jìn)行尺寸分級(jí)。

圖5 收集與分級(jí)裝置

表1 浙貝母直徑、重量、厚度對(duì)照表

3 傳動(dòng)關(guān)系

初定傳送帶的速度為 v =12m/min=200mm/s 。皮帶輪的半徑R2=60mm，得皮帶輪的角速度w帶輪=v/R2?3.35rad/s 。可計(jì)算出所需電機(jī)的轉(zhuǎn)速：

式中：i——傳動(dòng)比，取2；h——傳動(dòng)效率，取0.96；

進(jìn)料裝置的內(nèi)壁轉(zhuǎn)速由電機(jī)提供。其動(dòng)力傳遞關(guān)系如圖6所示，傳遞路徑為電機(jī)?小帶輪?大帶輪?圓柱小齒輪?圓柱大齒輪?圓錐小齒輪?圓錐大齒輪?上料內(nèi)筒。

圖6 動(dòng)力傳遞關(guān)系圖

可計(jì)算出上料內(nèi)筒的轉(zhuǎn)速：

式中：R2——小帶輪的直徑，取60mm；R3——大帶輪的直徑，取80mm；

R4——圓柱小齒輪的直徑，取60mm；R5——圓柱大齒輪的直徑，取80mm；

z6——圓錐小齒輪的齒數(shù)，取54；z7——圓錐大齒輪的齒數(shù)，取77；

h1——帶輪傳動(dòng)效率，取0.96；h2——圓柱齒輪傳動(dòng)效率，取0.97；

h3——圓錐齒輪傳動(dòng)效率，取0.96.

綜上可得送料內(nèi)筒每分鐘約轉(zhuǎn)23.5圈，則該上料機(jī)構(gòu)每分鐘可以運(yùn)送94個(gè)浙貝母，即上料速度t=0.638s/個(gè)。因此，將液壓推桿來回運(yùn)動(dòng)一次所需時(shí)間設(shè)置在0～0.638s內(nèi)即可滿足裝置工作要求。（在滿足傳動(dòng)機(jī)構(gòu)壽命的前提下，減小傳送帶輪直徑、增大傳動(dòng)比均可提高裝置工作效率）。

4 控制系統(tǒng)

考慮到本設(shè)計(jì)將處于長期工作狀態(tài)，液壓推桿頻繁往復(fù)運(yùn)動(dòng)將對(duì)液壓油溫、液壓系統(tǒng)密封性、液壓油質(zhì)量、內(nèi)部件磨損情況造成影響，故采用PID控制算法，微分部分預(yù)測(cè)誤差，并在誤差產(chǎn)生之前消除誤差；積分部分使系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高無差度。PID控制器原理圖如圖7所示。浙貝母到達(dá)重量傳感器后，將壓力值轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)與預(yù)設(shè)值進(jìn)行比較得位置偏差，根據(jù)偏差值的不同控制液壓推桿與電機(jī)轉(zhuǎn)角?？刂葡到y(tǒng)信號(hào)流程圖如圖8所示。

圖7 PID控制器原理圖

圖8 控制系統(tǒng)信號(hào)流程圖

5 總結(jié)與展望

此設(shè)計(jì)用于浙貝母分級(jí)作業(yè)，可解決浙貝母分選時(shí)破皮率高、傳統(tǒng)篩分時(shí)篩孔堵塞、準(zhǔn)確度不太高等技術(shù)難題。此外，考慮到浙貝母收獲分選時(shí)令性、地域性等因素，可進(jìn)一步采用模塊化設(shè)計(jì)方法，更換部分零部件，可推廣至白芨、黃芨、元胡和三七等中藥材，或者土豆、大蒜等蔬菜，拓展本設(shè)備的應(yīng)用領(lǐng)域。但此裝置仍存在一些不足，如與宋江等人[9]研究的篩分機(jī)相比速度較慢，如需進(jìn)一步研究，可著眼于如何提升分級(jí)速度，或是對(duì)此設(shè)計(jì)進(jìn)行改造，以適應(yīng)一些高端高利潤產(chǎn)業(yè)。