車載式馬鈴薯自動(dòng)裝袋裝置設(shè)計(jì)*

王佳龍 ， 于佳睿 ， 吳曉龍 ， 劉偉文

（南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，江蘇 南京 210000）

0 引言

我國(guó)現(xiàn)有馬鈴薯裝袋設(shè)備機(jī)械化、自動(dòng)化程度低，主要分為集裝式和獨(dú)立式[3-6]。其中集裝式效率較低且適應(yīng)性差，而獨(dú)立式每個(gè)袋口需配備一名工作人員，每袋重量由人工控制，重量得不到規(guī)范統(tǒng)一，且人力耗費(fèi)較大。在我國(guó)東北和西北地區(qū)的馬鈴薯收獲時(shí)，會(huì)延長(zhǎng)收獲時(shí)間，當(dāng)寒潮來(lái)臨時(shí)，會(huì)導(dǎo)致馬鈴薯受凍、損失嚴(yán)重。胡周勛等[4]設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)單的馬鈴薯裝袋機(jī)，可以代替人工裝袋，提高了裝袋效率，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高；浙江農(nóng)林大學(xué)何昌俊等[7]研發(fā)了一種基于皮帶運(yùn)輸機(jī)的馬鈴薯裝袋機(jī)，該馬鈴薯裝袋機(jī)具有多個(gè)裝袋口，大大提高了裝袋效率，為后續(xù)大型馬鈴薯裝袋機(jī)的研發(fā)提供了參考；陳營(yíng)等[8]設(shè)計(jì)的連續(xù)開袋機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)連續(xù)開袋，效果較好。

在國(guó)外，適用于馬鈴薯裝袋的機(jī)型大致可分為圓盤型、傾斜型、定重型[9-11]。由于馬鈴薯的大小規(guī)格不同，國(guó)外大部分裝袋機(jī)械集分級(jí)與裝袋于一體，通過(guò)機(jī)械手進(jìn)行裝袋操作。Steven C[12]研發(fā)了一種可移動(dòng)式的裝袋機(jī)，其具有可變寬度的通道，適用性較強(qiáng)，可用于不同物料的裝袋；Savigny Edward B 等[13]研發(fā)了一種旋轉(zhuǎn)式馬鈴薯裝袋機(jī)，實(shí)現(xiàn)了裝袋機(jī)的自動(dòng)夾袋和袋子檢測(cè)，為后期馬鈴薯的智能裝袋提供了參考。但國(guó)外設(shè)備由于生產(chǎn)規(guī)模不同，很難適應(yīng)國(guó)內(nèi)的種植及收獲模式，還存在成套設(shè)備價(jià)格昂貴、配套技術(shù)指導(dǎo)不完善、零配件供應(yīng)不暢、售后服務(wù)不能及時(shí)保障等眾多問(wèn)題[14]；加之馬鈴薯收獲的人工成本逐步增加，對(duì)馬鈴薯自動(dòng)裝袋技術(shù)的需求日益增長(zhǎng)?；诖?，課題組研究設(shè)計(jì)了一種車載自動(dòng)裝袋裝置，實(shí)現(xiàn)了馬鈴薯等作物收獲后的自動(dòng)裝袋，能夠減少用工量，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，對(duì)提高馬鈴薯的生產(chǎn)效率有重要意義。

1 車載式馬鈴薯自動(dòng)裝袋裝置整體設(shè)計(jì)

車載式馬鈴薯自動(dòng)裝袋裝置由取袋輸送子裝置、開袋填充子裝置、封口落袋子裝置三部分組成，整體設(shè)計(jì)如圖1所示。取袋輸送子裝置通過(guò)摩擦取袋原理將存儲(chǔ)于袋庫(kù)的編織袋逐個(gè)取出，并輸送至開袋位置，后經(jīng)開袋填充子裝置完成摩擦開袋與填充過(guò)程，最后由封口落袋子裝置對(duì)填充好的編織袋進(jìn)行封口、落袋，從而完成自動(dòng)裝袋全過(guò)程[15]。利用本裝置對(duì)收獲后的馬鈴薯進(jìn)行裝袋，裝袋過(guò)程緊密，裝袋效率高，控制過(guò)程簡(jiǎn)單。

圖1 車載式馬鈴薯自動(dòng)裝袋裝置整體設(shè)計(jì)

車載式馬鈴薯自動(dòng)裝袋裝置與工作效率為0.18 hm2/h的馬鈴薯收獲機(jī)配合使用，在馬鈴薯產(chǎn)量35 000 kg/hm2的條件下，要求裝袋效率達(dá)到6 300 kg/h。選用每袋可承裝30 kg馬鈴薯的編織袋進(jìn)行裝袋，則編織袋的尺寸規(guī)格可選用1 000 mm*800 mm，并要求裝置每隔17 s填充滿一編織袋馬鈴薯，以達(dá)到裝袋效率的要求。在此基礎(chǔ)上經(jīng)建模分析得到馬鈴薯自動(dòng)裝袋裝置整體尺寸為3 000 mm*2 000 mm*2 000 mm。為了實(shí)現(xiàn)馬鈴薯的不間斷裝袋，采用兩組自動(dòng)裝袋裝置間歇裝袋，則每次轉(zhuǎn)換填充的時(shí)間間隔為17 s。相應(yīng)技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 整體主要技術(shù)指標(biāo)

2 各部分裝置設(shè)計(jì)

2.1 取袋輸送子裝置設(shè)計(jì)

取袋輸送子裝置由取袋裝置與輸送裝置兩部分組成。其中，取袋裝置包括袋庫(kù)、抬升機(jī)構(gòu)、取袋摩擦輪等，如圖2所示。工作時(shí)，抬升機(jī)構(gòu)提供穩(wěn)定的抬升力，使處于袋庫(kù)中的編織袋與取袋摩擦輪擠壓，并在取袋摩擦輪的帶動(dòng)下，依次取出編織袋。抬升機(jī)構(gòu)與取袋摩擦輪配合控制編織袋的運(yùn)動(dòng)，從而控制取袋時(shí)間。編織袋被輸送至軌道預(yù)留縫隙中后，通過(guò)多組輸送摩擦輪，使其沿軌道到達(dá)指定位置，至此完成取袋輸送的全部過(guò)程。此設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單實(shí)用，準(zhǔn)確度高，控制要求低，易于操作。

圖2 取袋裝置

2.2 開袋填充子裝置設(shè)計(jì)

開袋填充子裝置由開袋夾手、開袋摩擦輪、填充支撐板等部分組成，如圖3所示。當(dāng)編織袋被輸送至指定位置時(shí)，開袋摩擦輪降下。通過(guò)摩擦輪的旋轉(zhuǎn)，編織袋靠近開袋摩擦輪的一側(cè)滯后于另一側(cè)，在下側(cè)超前上側(cè)指定的距離后，一組開袋夾手夾住編織袋下側(cè)，并通過(guò)填充支撐板上的槽口（圖中未畫出）下降，為另一組開袋夾手提供空間。之后，控制開袋摩擦輪與編織袋分離，另一組開袋夾手夾住編織袋上側(cè)，并由兩開袋夾手配合撐開編織袋并對(duì)準(zhǔn)填充口，完成開袋操作[16]。此過(guò)程要求編織袋夾手夾取編織袋上下邊的快速性、平穩(wěn)性和準(zhǔn)確性。

在許諾的通訊錄里，丁小慧的名字分在“親人”那個(gè)列表里，每次她看到，心里就會(huì)不舒服，她不要做他的親人，要做他的愛(ài)人，一輩子放在心上的那個(gè)人。

圖3 開袋填充子裝置

填充的開關(guān)主要由分料裝置控制。在接收到填充指令后，管道內(nèi)的馬鈴薯將從板面處釋放，順著旋轉(zhuǎn)板落入袋中，當(dāng)?shù)竭_(dá)指定填充時(shí)間后，封閉管道，停止對(duì)馬鈴薯的輸送，并轉(zhuǎn)向填充另一編織袋。在填充過(guò)程中，由質(zhì)量檢測(cè)裝置通過(guò)檢測(cè)填充重量控制是否進(jìn)行下一環(huán)節(jié)。若袋中馬鈴薯重量未達(dá)到最低限度或未進(jìn)行填充，則裝置位置保持不變，直到檢測(cè)到重量增加為止；若在指定時(shí)間內(nèi)，規(guī)定重量與袋中重量之差超出最大允許范圍，則需要計(jì)算剩余重量，重新規(guī)劃填充時(shí)間，直到填充至允許范圍；若在指定時(shí)間內(nèi)達(dá)到要求，則進(jìn)入下一環(huán)節(jié)[17]。

2.3 封口落袋子裝置設(shè)計(jì)

封口落袋子裝置主要由封口系統(tǒng)、落袋系統(tǒng)兩部分組成。封口系統(tǒng)由縫包機(jī)、束口夾板、同步帶組、支撐架四部分組成，如圖4所示。根據(jù)縫包機(jī)縫紉原理[18]，配備前置束口板輔助封口，增加自動(dòng)控制功能，由軌跡控制系統(tǒng)及縫紉控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。

圖4 束口封袋一體化裝置

考慮到封口需要易于拆卸，課題組選擇一端松開即可全部松脫的鏈?zhǔn)娇p合線跡。其同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)快速縫紉，能夠縮短封口時(shí)長(zhǎng)?？p紉線主要考慮經(jīng)濟(jì)成本，故選擇強(qiáng)度高、耐磨、不霉不腐且價(jià)格低的滌綸線，編織袋屬于厚料子，因此規(guī)格選擇20S/2。

封口時(shí)，縫紉機(jī)構(gòu)及束口板在軌跡控制系統(tǒng)的控制下，同時(shí)沿同步帶軌道向袋口方向移動(dòng)。支撐架主要負(fù)責(zé)支撐連接縫包機(jī)與同步帶軌道，并使縫包機(jī)能超前軌道進(jìn)行縫紉。同步帶軌道具有運(yùn)行平穩(wěn)的特點(diǎn)，適合輕載傳動(dòng)。束口夾板與縫包機(jī)同步直線運(yùn)動(dòng)，在靠近袋口時(shí)，夾板聚攏束口為封口提供條件。當(dāng)縫紉機(jī)構(gòu)移動(dòng)到指定工作位置并接觸袋子時(shí)，通過(guò)傳感器將信號(hào)傳遞到縫紉控制系統(tǒng)，在控制系統(tǒng)的控制下，縫紉機(jī)構(gòu)開始自動(dòng)縫紉?？p紉機(jī)構(gòu)沿軌道移動(dòng)一段袋寬長(zhǎng)度距離，進(jìn)行縫紉封口，當(dāng)縫紉機(jī)構(gòu)離開袋口時(shí)，在縫紉控制系統(tǒng)的控制下將自動(dòng)停止縫紉工作。

落袋系統(tǒng)主要利用液壓系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，由液壓抬升機(jī)構(gòu)與落袋板組成，如圖5所示。封口完畢后，支撐板在液壓系統(tǒng)的控制下，一側(cè)抬起，填充好的袋子自由下落，完成落袋[19]。縫紉機(jī)構(gòu)在軌跡控制系統(tǒng)的控制下，沿軌道回到初始位置，承重板在液壓系統(tǒng)的控制下，一側(cè)落下，縫紉裝置歸位，等待下一次工作循環(huán)。

圖5 落袋系統(tǒng)

3 各子裝置工作指標(biāo)計(jì)算

由于車載式馬鈴薯自動(dòng)裝袋裝置要實(shí)現(xiàn)連續(xù)填充，因此要對(duì)各裝置的銜接做一定要求，即對(duì)每個(gè)環(huán)節(jié)的工作時(shí)間做出要求，分別包括取袋時(shí)間t1，輸送時(shí)間t2，開袋時(shí)間t3。由于封口落袋的時(shí)間為選定值，只需控制封口速度v4即可。而取袋、輸送時(shí)間又分別由抬升力F與輸送壓力F0控制，因而要對(duì)抬升力F與輸送壓力F0進(jìn)行控制，使裝置能達(dá)到指定的工作效率。由于裝置包含取袋輸送部分、開袋填充部分以及封口落袋部分，故要求t1+t2+t3＜17 s。

3.1 取袋時(shí)間與抬升力計(jì)算

編織袋材料之間的摩擦系數(shù)f1=0.12，摩擦輪材料與編織袋之間的摩擦系數(shù)f2=1.5，傳送板材料與編織袋材料之間的摩擦系數(shù)f3=0.2，所用編織袋質(zhì)量約為150 g。

式中，F(xiàn)為抬升板對(duì)編織袋的力，F(xiàn)f1為下編織袋對(duì)上編織袋的摩擦力，F(xiàn)f2為摩擦輪對(duì)編織袋的驅(qū)動(dòng)力。

式中，m為一個(gè)編織袋的質(zhì)量，a1為編織袋被取出時(shí)的加速度（假設(shè)加速度恒定）。

式中，v1為取袋時(shí)達(dá)到的最大速度，t11為取袋加速時(shí)間，t12為勻速取袋時(shí)間，S1為取袋的路程，由設(shè)計(jì)測(cè)量可得S1=400 mm。

3.2 輸送時(shí)間與輸送壓力計(jì)算

進(jìn)入輸送軌道的編織袋在摩擦輪的作用下運(yùn)動(dòng)，在假設(shè)編織袋運(yùn)動(dòng)的加速度恒定條件下，對(duì)其進(jìn)行受力分析，可得：

式中，F(xiàn)0為傳送摩擦輪對(duì)編織袋的壓力，a2為編織袋輸送開始的加速度。

式中，v2為輸送時(shí)達(dá)到的最大速度，t21為加速傳送時(shí)間，t22為勻速傳送時(shí)間，S21為加速傳送距離，S22為勻速傳送距離，t21+t22=t2，S21+S22=S2，S2為傳送至開袋處的路程，由設(shè)計(jì)測(cè)量可得S2=1 000 mm。

伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)加速時(shí)間為0.05 s ～0.5 s，取t11=t21=0.3 s，初取t2=5 s。

聯(lián)立方程（1）（2）（3）（5）（6）（7）（8）（9），可得：

取F0=1.2F，代入數(shù)值，解得：

將F=120 N代入求得：

將F=35 N，F(xiàn)0=42 N代回，求得：

聯(lián)立方程（1）（2）（3）（4）（5），并取F=120 N代入，得：

3.3 開袋時(shí)間計(jì)算

已知夾手夾持部分長(zhǎng)度為60 mm，開袋時(shí)下部超前運(yùn)動(dòng)S3=60 mm，取夾手開袋時(shí)間t31=2 s，編織袋在開袋處減速時(shí)間t32=t11=t21=0.3 s，則有：

聯(lián)立方程（11）（12）（13），解得

綜上所述，t1+t2+t3=15.505 s＜17 s，滿足要求。

3.4 封口速度計(jì)算

選用縫包機(jī)的封口時(shí)間t4=4 s，封口距離S4=800 mm，功率P=300 W，則：

解得v4=0.2 m/s。

通過(guò)上述對(duì)自動(dòng)裝袋各子裝置的分析計(jì)算，得到取袋時(shí)間t1，輸送時(shí)間t2，開袋時(shí)間t3，封口速度v4，抬升力F與輸送壓力F0六個(gè)工作指標(biāo)，如表2所示。通過(guò)控制這六個(gè)工作指標(biāo)實(shí)現(xiàn)車載式馬鈴薯自動(dòng)裝袋裝置6 300 kg/h的裝袋效率。

表2 各部分工作指標(biāo)

4 結(jié)論

本裝置的設(shè)計(jì)集取袋、開袋、填充、封袋、落袋于一體，通過(guò)取袋輸送子裝置、開袋填充子裝置、封口落袋子裝置的相互配合，完成高效率、自動(dòng)化的馬鈴薯裝袋作業(yè)。采用多環(huán)、同區(qū)域的空間布局，減小了裝置整體所占空間，能夠很好地滿足車載運(yùn)輸?shù)囊?。同時(shí)，采用兩組自動(dòng)裝袋裝置間歇填充的設(shè)計(jì)方案，達(dá)到馬鈴薯連續(xù)裝袋的效果，解決了人工裝袋裝袋效率低、成本高的問(wèn)題，極大地提高了馬鈴薯裝袋效率，并減少了人工成本。該裝置具有良好的社會(huì)效益與經(jīng)濟(jì)效益，市場(chǎng)前景廣闊。