設(shè)施農(nóng)業(yè)用輕簡(jiǎn)帶式輸送設(shè)備研制與開(kāi)發(fā)

卜云龍，李迎忠，龍智強(qiáng)，朱永文，張擁軍（北京三潤(rùn)智慧農(nóng)業(yè)科技（集團(tuán)）有限公司，北京102200 ）

帶式輸送設(shè)備是由撓性輸送帶作為物料承載件和牽引件的連續(xù)輸送設(shè)備，可以在水平方向和傾斜不大的方向輸送散狀物品或單件物品。撓性輸送帶具有動(dòng)力消耗低，過(guò)載保護(hù)能力強(qiáng)，安裝簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)，以它為輸送元件的帶式輸送設(shè)備輸送能力大、功耗小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維修方便、費(fèi)用低，對(duì)物料適應(yīng)性強(qiáng)，用途廣泛，是一種較為理想的運(yùn)輸機(jī)械[1-2]。帶式輸送設(shè)備的主要工作部件—輸送帶按照其覆蓋層的材質(zhì)不同，一般可以分為中重型輸送帶和輕型輸送帶。中重型輸送帶的覆蓋層一般采用各類改性的天然橡膠或合成橡膠，主要應(yīng)用于重工業(yè)行業(yè)中重型物料的輸送，包括傳統(tǒng)的鋼鐵、煤炭、水泥、港口和電力等五大行業(yè)，占輸送帶下游市場(chǎng)的90% 以上。輕型輸送帶的覆蓋層采用各類高分子改性材料，主要應(yīng)用于輕工業(yè)和農(nóng)業(yè)中自動(dòng)化流水生產(chǎn)線上產(chǎn)品的承載和輸送[3]。

目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上用于農(nóng)業(yè)資材輸送的帶式輸送設(shè)備，大多仍直接照搬工業(yè)的帶式傳輸系統(tǒng)，這種帶式傳輸系統(tǒng)適合中重度載荷以及傳輸距離較近的情況，而用于設(shè)施農(nóng)業(yè)資材輸送的帶式傳輸系統(tǒng)，輸送對(duì)象多為盆花，苗盤等輕小物品，輸送帶寬度較窄（一般在600 mm以下），且傳輸距離大多較遠(yuǎn)（一般在20～50 m）。工業(yè)帶式傳輸系統(tǒng)用于農(nóng)業(yè)資材輸送主要存在3大缺點(diǎn)：

（1）工業(yè)帶式傳輸設(shè)備大多是單段獨(dú)立使用的，即使多段組線使用，一般也不過(guò)3 段，多是自帶動(dòng)力的簡(jiǎn)單拼接使用，這樣每段都帶動(dòng)力的做法成本較高，整機(jī)重量大。

（2）工業(yè)帶式傳輸設(shè)備輸送的載荷大多比較大，設(shè)備主要承力構(gòu)架如輸送機(jī)縱梁等設(shè)計(jì)時(shí)更多考慮的是強(qiáng)度和耐久性，這種設(shè)計(jì)的直接結(jié)果就是結(jié)構(gòu)截面大、重量大、成本高。

（3）工業(yè)帶式傳輸設(shè)備多與其他機(jī)器設(shè)備配套使用，安裝場(chǎng)合比較固定，一般沒(méi)有經(jīng)常搬動(dòng)的需求，整體重量一般較大，搬動(dòng)費(fèi)力。而用于農(nóng)業(yè)資材輸送的帶式傳輸系統(tǒng)，由于多在溫室設(shè)施中使用，根據(jù)農(nóng)藝的不同階段季節(jié)性地使用，需要經(jīng)常性地搬動(dòng)，所以直接采用工業(yè)帶式傳輸設(shè)備的設(shè)計(jì)往往造成搬動(dòng)不便，耗用更多的人工。

近年來(lái)，設(shè)施農(nóng)業(yè)領(lǐng)域大力倡導(dǎo)設(shè)施輕簡(jiǎn)化技術(shù)。該技術(shù)是通過(guò)運(yùn)用先進(jìn)實(shí)用的機(jī)械設(shè)備或特殊品種，改變或優(yōu)化傳統(tǒng)技術(shù)措施，簡(jiǎn)化種植作業(yè)程序等措施以減小勞動(dòng)強(qiáng)度和用工成本，使作物生產(chǎn)變得輕便簡(jiǎn)捷，實(shí)現(xiàn)設(shè)施園藝生產(chǎn)節(jié)本減耗、提質(zhì)增效。在此背景下，開(kāi)展設(shè)施農(nóng)業(yè)用輕簡(jiǎn)帶式輸送設(shè)備的研制與開(kāi)發(fā)具有積極的意義。

設(shè)備研制

方案設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的工業(yè)帶式傳輸設(shè)備的典型傳動(dòng)結(jié)構(gòu)如圖1。驅(qū)動(dòng)電機(jī)的動(dòng)力通過(guò)主動(dòng)鏈輪、鏈條傳遞至主動(dòng)輥鏈輪上，帶動(dòng)主動(dòng)輥旋轉(zhuǎn)，在主動(dòng)輥及從動(dòng)輥之間張緊有輸送皮帶，該輸送皮帶也隨之移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)物資輸送功能。這樣的帶式輸送設(shè)備一般每段都配一個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，長(zhǎng)距離輸送時(shí)，一般是將多臺(tái)輸送設(shè)備簡(jiǎn)單組合使用，雖然單段傳動(dòng)比較簡(jiǎn)單，但使用上并不經(jīng)濟(jì)。

圖1 典型的工業(yè)帶式輸送設(shè)備傳動(dòng)示意圖

本項(xiàng)目研發(fā)專用于設(shè)施農(nóng)業(yè)資材傳輸?shù)妮p簡(jiǎn)帶式輸送設(shè)備，考慮到長(zhǎng)距離傳輸?shù)男枨螅O(shè)計(jì)為若干個(gè)獨(dú)立的分段（一般是4～7 段），每段均設(shè)有中置傳動(dòng)軸。其中有一個(gè)分段配有可調(diào)速的電機(jī)總成，是有動(dòng)力段（圖2）。在有動(dòng)力段，驅(qū)動(dòng)電機(jī)總成的動(dòng)力通過(guò)主動(dòng)鏈輪、鏈條Ⅰ傳遞至傳動(dòng)軸鏈輪上，帶動(dòng)中置傳動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)。中置傳動(dòng)軸將動(dòng)力輸入錐齒輪箱，然后動(dòng)力分兩路輸出，一路動(dòng)力驅(qū)動(dòng)聯(lián)軸器固定端旋轉(zhuǎn)（聯(lián)軸器固定端可與無(wú)動(dòng)力段的聯(lián)軸器滑動(dòng)端連接），另一路動(dòng)力經(jīng)由齒輪箱鏈輪、鏈條Ⅱ、主動(dòng)輥鏈輪驅(qū)動(dòng)主動(dòng)輥旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)輸送皮帶及從動(dòng)輥旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)物資的輸送功能。本項(xiàng)目研制的輕簡(jiǎn)帶式輸送設(shè)備無(wú)動(dòng)力段（圖3），傳動(dòng)路線硬件配置與有動(dòng)力段基本相同，只是沒(méi)有驅(qū)動(dòng)電機(jī)總成，其與有動(dòng)力段配合使用，無(wú)動(dòng)力段的聯(lián)軸器滑動(dòng)端與有動(dòng)力段的聯(lián)軸器固定端相連（即動(dòng)力由有動(dòng)力段的聯(lián)軸器固定端傳過(guò)來(lái)），經(jīng)錐齒輪箱分兩路輸出，一路動(dòng)力驅(qū)動(dòng)聯(lián)軸器固定端旋轉(zhuǎn)（該端可與另一個(gè)無(wú)動(dòng)力段的聯(lián)軸器滑動(dòng)端連接，從而將動(dòng)力傳遞給另一個(gè)無(wú)動(dòng)力段），另一路動(dòng)力經(jīng)由齒輪箱鏈輪、鏈條、主動(dòng)輥鏈輪，驅(qū)動(dòng)主動(dòng)輥從而帶動(dòng)輸送皮帶移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)資材的輸送。

圖2 用于設(shè)施農(nóng)業(yè)的輕簡(jiǎn)帶式輸送設(shè)備傳動(dòng)示意圖(有動(dòng)力段)

圖3 用于設(shè)施農(nóng)業(yè)的輕簡(jiǎn)帶式輸送設(shè)備傳動(dòng)示意圖(無(wú)動(dòng)力段)

主要構(gòu)件設(shè)計(jì)

帶式傳輸設(shè)備的主要構(gòu)件包括支撐骨架及傳輸帶等。工業(yè)帶式傳輸設(shè)備的主要支撐骨架—輸送機(jī)縱梁屬承力構(gòu)件，其材質(zhì)一般采用鋼鐵材質(zhì)，且截面比較大，以保證傳輸設(shè)備有足夠的強(qiáng)度和剛度。一些輕工行業(yè)的帶式傳輸設(shè)備即使采用輕質(zhì)的鋁型材作為縱梁，鋁材的截面尺寸仍然設(shè)計(jì)得比較大（以常用50 型工業(yè)鋁材為例，質(zhì)量在2.3 kg/m 以上）（圖4），這樣造成材料使用較多，成本較高，而農(nóng)業(yè)領(lǐng)域是對(duì)設(shè)備成本比較敏感的的領(lǐng)域，直接采用工業(yè)帶式傳輸設(shè)備會(huì)造成整個(gè)輸送系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性下降。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)了專用的輕型鋁材作為輕簡(jiǎn)帶式輸送設(shè)備的縱梁，縱梁的單位長(zhǎng)度重量降至1.3 kg/m 以下（圖5），在采用輕量化鋁材的同時(shí)，為了維持較高的骨架剛度，在成對(duì)使用的輕型鋁材縱梁之間連接有鋼質(zhì)斜撐，增加了輸送設(shè)備骨架的剛度（圖6）。

圖4 工業(yè)帶式輸送設(shè)備常用鋁材截面/mm

圖5 設(shè)施農(nóng)業(yè)輕簡(jiǎn)帶式輸送設(shè)備專用鋁材截面/mm

圖6 設(shè)施農(nóng)業(yè)輕簡(jiǎn)帶式輸送設(shè)備鋁材縱梁裝配

傳輸帶選材方面聚氯乙烯（PVC）具有較好的耐化學(xué)腐蝕性、電絕緣性優(yōu)良，難燃，改性較容易，成本低，應(yīng)用范圍最廣泛。TPU 材質(zhì)密度更小且綜合性能更優(yōu)異，需要傳輸設(shè)備的輪徑也較小，在節(jié)能方面具有較大的優(yōu)勢(shì)，且材質(zhì)本身無(wú)毒，在安全環(huán)保性能方面較好。TPEE 和PE則由于燃燒無(wú)毒的特性而主要用于食品、醫(yī)藥和煙草等行業(yè)[4]。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的設(shè)施農(nóng)業(yè)輕簡(jiǎn)帶式輸送設(shè)備，輸送帶載荷低，所需驅(qū)動(dòng)功率小，節(jié)能方面的要求不突出；輸送帶不直接與食品接觸，對(duì)無(wú)毒環(huán)保方面的要求不高，輸送帶設(shè)計(jì)為PVC 環(huán)形輸送帶（圖7），該輕型PVC 環(huán)形傳輸帶為“一布兩膠”結(jié)構(gòu)，采用擠出壓延工藝代替?zhèn)鹘y(tǒng)的涂覆工藝，直接將顆粒狀原材料擠出、壓延，涂覆在輸送帶增強(qiáng)骨架上，減少了原材料從顆粒狀加工成粉末狀的工序，降低了原材料的成本，避免由于原材料從顆粒狀加工成粉末狀后，分子結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，降低原材料和制成品的物理性能。由于輸送帶涂覆層分子結(jié)構(gòu)更緊密，表面無(wú)氣孔、間隙，更光滑，產(chǎn)品也更耐磨耗、耐曲撓，使用壽命更長(zhǎng)。

圖7 設(shè)施農(nóng)業(yè)輕簡(jiǎn)帶式輸送設(shè)備PVC 輸送帶的安裝

主要驅(qū)動(dòng)、傳動(dòng)部件計(jì)算及選型

工況分析

以設(shè)施農(nóng)業(yè)資材輸送中應(yīng)用較為廣泛的盆花帶式輸送設(shè)備為例[5]，按照前述總體方案，輸送設(shè)備有動(dòng)力段的動(dòng)力傳輸路徑為驅(qū)動(dòng)電機(jī)總成—主動(dòng)鏈輪—鏈條Ⅰ—傳動(dòng)軸鏈輪—中置傳動(dòng)軸—錐齒輪箱，動(dòng)力傳遞至錐齒輪箱后，又分為兩路輸出，一路動(dòng)力經(jīng)由齒輪箱鏈輪—鏈條Ⅱ—主動(dòng)輥鏈輪—主動(dòng)輥，由主動(dòng)輥驅(qū)動(dòng)傳輸帶完成資材輸送；另一路動(dòng)力通過(guò)錐齒輪箱上的聯(lián)軸器固定端，傳遞至無(wú)動(dòng)力段的聯(lián)軸器滑動(dòng)端，驅(qū)動(dòng)無(wú)動(dòng)力段的輸送帶移動(dòng)實(shí)現(xiàn)資材輸送的目的。為了便于布置和縮小傳動(dòng)系統(tǒng)體積，傳動(dòng)路徑上的2 級(jí)鏈傳動(dòng)，1 級(jí)錐齒輪箱本身的傳動(dòng)比均按1:1 設(shè)計(jì)，即2 級(jí)鏈傳動(dòng)，1 級(jí)錐齒輪箱只是改變運(yùn)動(dòng)方向，不進(jìn)行增減速，減速段依靠驅(qū)動(dòng)電機(jī)總成自身的減速箱完成。本輕簡(jiǎn)帶式輸送設(shè)備設(shè)計(jì)為1 帶3組線使用的形式，即1 臺(tái)有動(dòng)力段帶動(dòng)3 段無(wú)動(dòng)力段進(jìn)行工作的形式。輸送設(shè)備單段長(zhǎng)度約L=4 m（考慮到鋁材訂制和組裝后運(yùn)輸及使用方便確定），帶寬W=250 mm（適合輸送常規(guī)尺寸花盆），傳輸帶采用PVC 環(huán)形帶，厚度3 mm，單件環(huán)形帶重量m01=4 kg。根據(jù)農(nóng)藝需求，該設(shè)備單段要求每分鐘可輸送重量m0=3 kg 的盆花28 個(gè)左右；輸送帶設(shè)計(jì)運(yùn)行速度V=0.2 m/s，單段運(yùn)輸設(shè)備在4 m 長(zhǎng)度內(nèi)所承載盆花總重量m02=(L/V/60)?m0?28 個(gè)=(4/0.2/60)× 3×28 個(gè)=28 kg，輸送帶與承載物總重（單段輸送設(shè)備）：m1=m01+m02=4 kg+28 kg=32 kg

滑動(dòng)面的摩檫系數(shù)μ=0.2（廠家提供）

輥筒直徑D=32 mm

輥筒重量m2=1 kg

輥筒（主動(dòng)輥）-輸送帶的傳動(dòng)效率η=0.9

輸送帶速度V=0.2 m/s=200 mm/s

電機(jī)電源：三相220 V，50 Hz（三相電機(jī)△接法）

確定減速箱速比

減速箱輸出軸轉(zhuǎn)速

NG=V ? 60/（π ? D ）=(200 × 60)/(3.14×32)=119.4 r/min

因4 極電機(jī)在50 Hz 頻率下額定轉(zhuǎn)速在1500 r/min，所以減速箱的速比

i=1500/NG=1500/119.4=12.56（即采用變速器時(shí)應(yīng)能調(diào)出該速比）。

計(jì)算必要扭矩

輸送設(shè)備起動(dòng)轉(zhuǎn)矩最大，先計(jì)算起動(dòng)時(shí)的必要轉(zhuǎn)矩。

單段輸送機(jī)滑動(dòng)部分摩擦力F=μm1g=0.2×32×9.807 N=62.8 N

單段輸送機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL=F?D/2?η=62.8×32×10-3/(2×0.9)=1.12 N?m

此負(fù)載轉(zhuǎn)矩為減速箱（變速箱）輸出軸轉(zhuǎn)矩，需換算為電機(jī)輸出軸的轉(zhuǎn)矩。

電機(jī)輸出軸必要轉(zhuǎn)矩TM=TL/i?ηG=1.12/(12.56×0.678)=0.132 N?m

(上式中，ηG為由電機(jī)輸出軸至輸送帶主動(dòng)輥傳動(dòng)的機(jī)械效率，按電機(jī)輸出軸動(dòng)力經(jīng)1 級(jí)機(jī)械摩擦無(wú)級(jí)變速箱，1 級(jí)錐齒輪箱，2 級(jí)滾子鏈傳動(dòng)至主動(dòng)輥的合并機(jī)械效率，ηG取0.678）。

按使用電源電壓波動(dòng)10% 等角度考慮，一般可取安全倍率2 倍。這樣，驅(qū)動(dòng)單段輸送設(shè)備（長(zhǎng)4 m）所需電機(jī)輸出軸實(shí)際必要轉(zhuǎn)矩

TLP=2?TM=2×0.132 N?m=0.264 N?m

電機(jī)功率確定及型號(hào)選擇

驅(qū)動(dòng)單段輸送設(shè)備（長(zhǎng)4 m）所需電機(jī)功率PM=（1.5～2.5）TLP?nLP（nLP表示角速度）

功率系數(shù)取2，則PM=2?TLP?2πn=2×0.264×2×3.14×1500/60=82.9 W（n 為轉(zhuǎn)速，單位：r/s）

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，計(jì)劃采用一臺(tái)有動(dòng)力段同時(shí)驅(qū)動(dòng)另外3 臺(tái)無(wú)動(dòng)力段的方案，因此驅(qū)動(dòng)電機(jī)的總功率實(shí)際至少應(yīng)為4PM=4×82.9 W=331.6 W，考慮到市售電機(jī)產(chǎn)品功率模數(shù)的系列，實(shí)際選取370 W 電機(jī)即可。

設(shè)施農(nóng)業(yè)輕簡(jiǎn)帶式輸送設(shè)備為了適應(yīng)多種工況和用途，需要調(diào)節(jié)輸送速度，同時(shí)要求成本低廉，因此驅(qū)動(dòng)部分選擇天星傳動(dòng)設(shè)備廠生產(chǎn)的0.37 kW 行星摩擦盤式機(jī)械無(wú)級(jí)變速器的電機(jī)-變速器總成，型號(hào)為MBW04-Y370-C5。該產(chǎn)品自帶一級(jí)定比齒輪減速箱(1:5)，具有變速范圍大調(diào)速精度高（調(diào)速精度1.0～0.5 r/min），全機(jī)密封，可用于潮濕多塵甚至有輕度腐蝕環(huán)境。

其他主要傳動(dòng)件選型

錐齒輪箱：在傳動(dòng)環(huán)節(jié)中只是用來(lái)改變傳遞動(dòng)力方向，在滿足傳遞功率和扭矩，體積盡量小，兼顧成本的情況下，本設(shè)備錐齒輪箱選擇ARA1-1:1 通用微型直角錐齒輪箱（傳動(dòng)比1:1），該錐齒輪箱外殼采用高強(qiáng)度工業(yè)鋁材質(zhì)，齒輪為鍛制Cr 合金鋼精加工而成的螺旋錐齒輪，能夠很好地實(shí)現(xiàn)動(dòng)力換向，同時(shí)具有較好的性價(jià)比。

聯(lián)軸器：依據(jù)傳遞的功率和扭矩，結(jié)合本設(shè)備有動(dòng)力段和無(wú)動(dòng)力分段快速靈活組線的要求，本設(shè)備聯(lián)軸器選擇臺(tái)州德易瑪公司的NL-1 型齒式彈性聯(lián)軸器，該聯(lián)軸器內(nèi)齒輪為鑄鐵材質(zhì)，外齒圈為尼龍66 材質(zhì)，齒數(shù)Z=25，模數(shù)m=2，壓力角α=20°。內(nèi)齒輪與外齒圈嚙合精密，能夠靈活快速地結(jié)合和分離，運(yùn)行無(wú)沖擊和噪聲，效果良好。

總結(jié)

本文介紹了一種用于設(shè)施農(nóng)業(yè)資材輸送的輕簡(jiǎn)帶式傳輸設(shè)備，該設(shè)備采用一段有動(dòng)力段帶動(dòng)若干段無(wú)動(dòng)力段的驅(qū)動(dòng)方案，在實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離傳輸?shù)耐瑫r(shí)，降低了輸送設(shè)備的整體造價(jià)，且通過(guò)中置傳動(dòng)軸首尾相連的方案，較好解決了不同段的輸送速度差異問(wèn)題；為該設(shè)備專門開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了設(shè)施農(nóng)業(yè)輕簡(jiǎn)帶式輸送設(shè)備專用的輕型鋁質(zhì)縱梁，該縱梁與底面加強(qiáng)鋼質(zhì)斜撐共同構(gòu)成傳輸設(shè)備的承力骨架，在大幅減少骨架重量的同時(shí)保持了輸送設(shè)備骨架的較高剛度；針對(duì)長(zhǎng)距離輸送帶容易跑偏的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了長(zhǎng)行程張緊調(diào)節(jié)支臂（可調(diào)幅度達(dá)200 mm）并在主從動(dòng)輥上加工了腰鼓形曲面；采用輕型帶輸送設(shè)備簡(jiǎn)化的驅(qū)動(dòng)參數(shù)計(jì)算公式，估算了電機(jī)輸出軸的必要扭矩，確定了驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率并進(jìn)行了電機(jī)選型；實(shí)際應(yīng)用后，輸送設(shè)備各主要部件工作正常，整機(jī)組線使用后能夠達(dá)到設(shè)計(jì)的輸送能力，且運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，各項(xiàng)性能完全滿足設(shè)計(jì)要求（圖8～9）。該設(shè)施農(nóng)業(yè)輕簡(jiǎn)帶式輸送設(shè)備的研制也可為其它類似工況的輕型帶式傳輸設(shè)備的開(kāi)發(fā)提供有益的借鑒。

圖8 設(shè)施農(nóng)業(yè)輕簡(jiǎn)帶式輸送設(shè)備外觀（有動(dòng)力段）

圖9 設(shè)施農(nóng)業(yè)輕簡(jiǎn)帶式輸送設(shè)備組線后外觀（1 段有動(dòng)力段配3 段無(wú)動(dòng)力段）