農(nóng)產(chǎn)品均質(zhì)干燥在線測水裝置設(shè)計

盧安琪，譚升梁，劉 蓮，劉曉蝶，欒 馨，李嘉浩，劉春山

(佳木斯大學(xué) 機械工程學(xué)院，黑龍江 佳木斯 154000)

0 引言

糧食收獲后本身的水分過高，人工晾曬的方法解決了小部分濕糧的干燥問題，但人工晾曬費時、費人、費力，同時還受氣候、晾曬場地等條件的制約[1]，易導(dǎo)致收獲的糧食不能及時干燥到安全的含水率，造成變質(zhì)、發(fā)芽、霉爛，帶來巨大的損失。干燥的溫度、速度和時間都會對糧食品質(zhì)產(chǎn)生一定影響。例如糧食中的各種淀粉，變質(zhì)溫度為60 ℃，一旦超過就會發(fā)生變質(zhì)；當糧食的溫度超過142 ℃時，糧食中能被氧化鈉提取的蛋白質(zhì)數(shù)量會顯著減少；干燥速度過高，籽粒容易裂碎；低溫干燥的時間過長未達到安全的水分，會使糧食發(fā)霉、變質(zhì)從而影響糧食品質(zhì)。因此，要想減少糧食損失、確保糧食安全，利用干燥機進行干燥是重要手段。

2000年以前糧食干燥機在整個農(nóng)機行業(yè)中所占份額很小，但在農(nóng)業(yè)全程機械化鏈條中扮演著十分重要的角色[2]。目前來說，國內(nèi)外對糧食的干燥工藝和設(shè)備進行了較多研究，國內(nèi)干燥器的種類已超過了300種，而在工業(yè)領(lǐng)域所研發(fā)的干燥器種類也超過了100種[3]。但現(xiàn)有的干燥設(shè)備仍不能滿足對物料在線稱重的目的。本項目是研制農(nóng)產(chǎn)品均質(zhì)干燥在線測水裝置，通過傳動驅(qū)動機構(gòu)與升降機構(gòu)的配合，克服了烘干機對待烘干物料加熱不均勻的問題，同時實現(xiàn)在線稱重的目的。

1 干燥實驗臺的主要裝配

1.1 內(nèi)框架

為了使干燥試驗臺的運輸更加方便，同時降低運輸過程中的成本，將糧食干燥試驗臺設(shè)計成可拆卸的內(nèi)外框組合的形式。試驗臺內(nèi)框架由14根鋁型材拼接而成，右下方設(shè)有一個千斤頂，內(nèi)框架的下方設(shè)有四個稱重傳感器，在內(nèi)框架中部安裝有一臺三相異步電機，在內(nèi)框架中部安裝有兩根用來安裝電動機的承重橫梁。

1.2 滾筒

本次設(shè)計的干燥試驗臺為循環(huán)式烘干，為了提高整體的烘干效率，避免待烘干物料產(chǎn)生堆積現(xiàn)象，在滾筒入口設(shè)計有螺旋結(jié)構(gòu)，使進入滾筒中的物料可以攪拌得更加均勻，且滾筒另一端50 mm距離內(nèi)不設(shè)置螺旋結(jié)構(gòu)，方便將待烘干物料送達頂端后滑回低處，以此實現(xiàn)循環(huán)烘干，整個滾筒每次可以盛放3.5 kg的待烘干物料。

1.3 傳動機構(gòu)

傳動機構(gòu)位于內(nèi)框架的右側(cè)，整個傳動機構(gòu)包括三個傳動鏈輪(一個主動鏈輪，兩個從動鏈輪)、一根傳動鏈。位于下方的主動鏈輪連接到電動機輸出軸上，電動機轉(zhuǎn)動帶動主動鏈輪轉(zhuǎn)動，主動鏈輪通過鏈條帶動水平布置的兩個從動鏈輪，兩根從動鏈輪分別帶動兩根傳動軸轉(zhuǎn)動。

1.4 外殼

試驗臺的外殼由14根4040鋁型材(40 mm×40 mm)、15根2020鋁型材(20 mm×20 mm)和12片不同尺寸的1.5 mm厚鍍鋅板裝配而成。每塊鍍鋅板上加工有若干半徑為5 mm的圓孔，圓孔的圓心距板材邊緣為12.5 mm，使用M8的螺栓穿過圓孔，配合鋁型材使用的T型螺母可以將鍍鋅板固定于型材上，使得整個試驗臺成為密閉的箱體。本次設(shè)計中的試驗臺殼體可以自由拆卸，極大程度上方便了后期的運輸和存放。試驗臺的右側(cè)設(shè)有檢修門，便于后期對試驗臺進行檢修與維護。

2 智能控制系統(tǒng)總體設(shè)計

該裝置通過傳動驅(qū)動機構(gòu)與升降機構(gòu)的配合，克服了烘干機對待烘干物料加熱不均勻的問題，同時實現(xiàn)在線稱重，在線檢測必須考慮物料的實際堆積密度、組態(tài)對其介電常數(shù)的影響，合理設(shè)計電容式水分在線傳感器的結(jié)構(gòu)等[4]。裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。通過傳感器獲取實際工作溫度、濕度，啟動驅(qū)動電機和風機；當實際溫度大于或等于設(shè)定溫度時，啟動第一加熱管，啟動電動推桿將風量調(diào)節(jié)機構(gòu)的開口變大；當裝置內(nèi)的實際溫度小于預(yù)設(shè)溫度時，第一加熱管和第二加熱管同時工作，電動推桿不動；烘干結(jié)束后，進行稱重并計算含水率，不僅操作方便，且能取得更好的干燥效果。

1.機蓋；2.主箱體；3.電控箱；4.風量調(diào)節(jié)機構(gòu)；5.電動推桿；6.升降機構(gòu)；7.移動機構(gòu)；8.檢修門；9.出風機構(gòu)；10.橡膠環(huán)；11.內(nèi)框架；12.軸承座；13.軟連接；14.風機；15.進風口；16.加熱管；17.加熱管；18.限位輪

滾筒設(shè)置在兩個傳動軸之間，滾筒的內(nèi)壁上沿軸向設(shè)置有螺紋結(jié)構(gòu)，且滾筒的外壁上沿軸向和徑向開設(shè)有多個長孔。工作時，取下滾筒，將一定的物料放入滾筒內(nèi)，然后將滾筒放回到傳動軸上，關(guān)上機蓋打開電動機開始送風供熱，滾筒隨著傳動軸的轉(zhuǎn)動而轉(zhuǎn)動，螺旋在滾筒轉(zhuǎn)動過程中不斷攪拌物料，增大物料與空氣的接觸面積，風機將空氣經(jīng)加熱管加熱后順著進風口吹到滾筒下方對物料進行干燥，通過升降機構(gòu)調(diào)節(jié)滾筒的傾斜角度，使物料攪拌更加徹底，受熱更加均勻，稱重傳感器可以實時測量滾筒中物料質(zhì)量的變化，進而獲得物料的含水率信息。烘干結(jié)束后打開機蓋，取出滾筒即可獲得烘干后的物料。烘干過程中，烘干的快慢由放入物料的多少和設(shè)定的風溫決定，風溫越高烘干速度越快，反之則越慢。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

糧食干燥是一種大慣性、多變量、非線性的工藝系統(tǒng)[5]，為了滿足農(nóng)產(chǎn)品的干燥要求，在干燥過程中需要對糧食干燥的工藝過程及參數(shù)進行嚴格的控制。其中熱風溫度，熱風風速，干燥時間，均勻程度都是影響干燥質(zhì)量和干燥效果的主要原因[6]，這就要求控制裝置能夠?qū)Ω稍镲L速、干燥溫度及干燥時間進行設(shè)定和自動控制，因此必須采用智能化的控制裝置。系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖

3.1 控制系統(tǒng)的檢測

壓力傳感器通過壓力變送器連接到可編程控制器PLC上，PLC通過計算處理得出相應(yīng)的重量值繼而得出水稻的含水量顯示到觸控屏上，電動機通過變頻器與PLC相連，可編程控制器PLC向變頻器輸入模擬量的頻率指令，以實現(xiàn)電機速度連續(xù)調(diào)整，加熱管A和加熱管B通過中間繼電器與可編程控制器PLC連接，電動推桿通過變頻器連接到可編程控制器PLC上，風機通過變頻器連接到可編程控制器PLC上。

3.2 溫濕度的檢測

糧食的熱敏性比較高，對溫濕度變化比較敏感，在干燥過程中容易產(chǎn)生裂紋、爆腰和食味值下降等品質(zhì)劣化現(xiàn)象，因此對溫濕度要求比較高[7]。此裝置在電控箱中有可編程控制器PLC，PLC與觸控屏通過RS485的接口直連，在溫度控制過程中實時顯示和設(shè)置溫度值，溫濕度傳感器通過溫濕度變送器連接到PLC上，實現(xiàn)對溫濕度的檢測。

3.3 稱重系統(tǒng)的檢測

稱重傳感器是測量系統(tǒng)中的一個重要組件，能夠?qū)Ω稍镌囼炁_內(nèi)框架及物料的總重量進行穩(wěn)定、高精度的測量，其作用是讀取重量信號[8]。稱重傳感器將測得的質(zhì)量信號轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號輸出到稱重變送器，稱重變送器將稱重傳感器輸出的模擬電壓信號經(jīng)放大及轉(zhuǎn)換等處理方式，轉(zhuǎn)換為可讀的數(shù)字信號，并將稱重結(jié)果通過串行總線輸出。利用稱重變送器可將連接稱重傳感器的模擬信號轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的、可供PLC系統(tǒng)讀取的信號。稱重變送器通過RS232串口數(shù)據(jù)線把稱重結(jié)果傳到觸摸屏內(nèi)部的數(shù)據(jù)內(nèi)存區(qū)中,再由觸摸屏內(nèi)部處理器對內(nèi)存區(qū)中數(shù)據(jù)進行采集、處理，轉(zhuǎn)換成有效信息,最后在觸摸屏上顯示稱量數(shù)據(jù),方便實驗人員對待烘干物料的重量進行實時測量。上位機可以對獲取的重量數(shù)值進行相關(guān)計算，得出待烘干物料的實時含水量，并顯示到觸摸屏上，便于在實驗過程中控制好物料的含水量，以得出更加準確的實驗結(jié)果。稱重時，為了提高數(shù)值的精確性，需要停止電動機及軸流風機，防止電動機和軸流風機因轉(zhuǎn)動而產(chǎn)生的振動影響稱重結(jié)果的準確性。

3.4 溫度系統(tǒng)控制設(shè)計

該系統(tǒng)的軟件設(shè)計以PLC為控制器，實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的控制。首先打開機蓋取下滾筒，放入待烘干物料后將滾筒放回到傳動軸上，啟動系統(tǒng)后在觸摸屏上輸入預(yù)設(shè)的烘干溫度T和滾筒轉(zhuǎn)速v，然后溫濕度傳感器讀取實際溫度Ts和濕度，然后可編程序控制器PLC控制電動機和風機開始工作，若裝置內(nèi)Ts≥T則加熱管A開始工作，然后電動推桿工作調(diào)節(jié)風量調(diào)節(jié)裝置使其開口變大，若裝置內(nèi)Ts

圖3 控制系統(tǒng)程序流程圖

4 結(jié)論

我國的糧食干燥機起源于20世紀50年代，引進前蘇聯(lián)的干燥機開始，但當時的糧食干燥機械結(jié)構(gòu)復(fù)雜、耗材多、造價高僅國有大型糧庫、農(nóng)場和集體企業(yè)使用，但是隨著各種技術(shù)的不斷發(fā)展,我國干燥設(shè)備的市場前景良好[9],發(fā)展?jié)摿薮?。每種產(chǎn)品所需要的干燥設(shè)備不同，因此需要進一步研發(fā)高智能、高水平、規(guī)范化、適用性強的干燥裝置,解決各種農(nóng)產(chǎn)品干燥問題，并優(yōu)化各種機械設(shè)備,從而改善我國干燥產(chǎn)品的品質(zhì),提高我國干燥設(shè)備在國際市場的競爭力。

該裝置通過PLC對溫濕度變送器、壓力變送器、變頻器等進行控制，完成對農(nóng)產(chǎn)品的均質(zhì)干燥和在線稱重。通過傳動驅(qū)動機構(gòu)與升降機構(gòu)的配合，克服了烘干機對待烘干物料加熱不均勻和不能在線稱重的問題，達到了較好的干燥效果。經(jīng)過模擬試驗證明該裝置運行穩(wěn)定，達到了預(yù)定的功能要求，具有較高的研究和實用價值。