智能馬鈴薯堆垛機的設計

孫景彬，蓋金星，李學強，王相友，李 棟

(1.山東理工大學，a.農業工程與食品科學學院；b.電氣與電子工程學院，山東 淄博 255091；2.山東希成農業機械科技有限公司，山東 德州 253600)

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智能馬鈴薯堆垛機的設計

孫景彬1a，蓋金星2，李學強2，王相友1a，李 棟1b

(1.山東理工大學，a.農業工程與食品科學學院；b.電氣與電子工程學院，山東 淄博 255091；2.山東希成農業機械科技有限公司，山東 德州 253600)

馬鈴薯收獲后需要對其入庫貯藏，目前馬鈴薯入庫堆垛機械的作業效率較低、成本高，需要大量人工輔助作業。針對這一系列問題，設計了一款具有較高作業效率的智能馬鈴薯堆垛機。該機可根據所需的堆垛高度進行作業，控制方便，傷薯率低，為馬鈴薯的長時間貯藏提供了保障。對樣機做了相關試驗，結果表明：該機滿足堆垛要求，且堆垛過程中的傷薯率明顯降低，可以控制在1%以下。因此，此款機器的設計對解決農忙時節用工荒、提高馬鈴薯的入庫效率及馬鈴薯的貯藏品質具有重要意義。

馬鈴薯；堆垛機；智能；控制；傳感器

0 引言

伴隨著馬鈴薯主糧化的戰略部署，國內馬鈴薯的種植面積逐年增加，年產量也達到世界領先水平，實現馬鈴薯產業的全程機械化迫在眉睫[1]。由于馬鈴薯的產量很高，為避免其發芽、變質，需要對其進行倉儲。但是，當前馬鈴薯經過分選清選之后的入倉作業還未完全實現機械化，需要大量的勞動力。

目前，國內馬鈴薯方面的倉儲機械尚未成熟，具有代表性的機型主要有姚建輝等設計的裝倉堆垛機[2]、內蒙古凌志馬鈴薯科技有限公司設計的馬鈴薯堆垛機等。但這些設備仍存在著一些不足：控制部分自動化程度較弱，作業效率較低，易對馬鈴薯塊莖造成損傷。

為了解決馬鈴薯收獲季節的用工荒問題，降低用工成本，最大程度地減少馬鈴薯倉儲過程中產生的不必要損失，提高其貯藏品質，本文設計了一款智能馬鈴薯堆垛機。該機可以對收獲后經過清選分選的馬鈴薯進行堆垛處理，且堆垛高度可根據不同需求進行人工或自動控制，作業效率明顯提高。

1 總體結構與工作原理

1.1 總體結構

該智能馬鈴薯堆垛機主要由機架、伸縮式輸送單元、電動液壓推桿、液壓站、主動前輪、萬向后輪和總控制箱等部分組成，如圖1所示。堆垛機的作業參數如下：水平長度為9.5～14.5m，最大高度為7.5m。

1.伸縮式輸送單元 2.機架 3.電動液壓推桿 4.進料斗

1.2 工作原理

收獲后的馬鈴薯首先做分選清選處理，然后經多道輸送線輸運至堆垛機進料斗處，在電動機驅動下輸送帶將馬鈴薯運至所需要的高度位置，完成馬鈴薯的堆垛作業。

其中，伸縮臂升降裝置中的電動液壓推桿是通過油管路與液壓站相連接，靠油缸電機來驅動。機器的移動是由置于兩個驅動前輪之上的電機驅動來完成，根據不同的方位需求來完成各個方向的馬鈴薯堆垛作業。防碰限位傳感器置于伸縮輸送臂兩側及驅動地輪兩側，用來保證機器的合理作業位置。此外，在下料出口位置設有智能下料系統，可以根據垛堆高度及位置實現自動升降調節，有效降低馬鈴薯塊莖損傷率，基本實現無損堆垛作業。

2 主要零部件的設計

2.1 主輸送單元的設計

馬鈴薯堆垛機的主輸送單元是依靠變頻電機帶動主動輥轉動而工作，使置于主動輥上的輸送皮帶一起運行，其結構如圖2所示。其中，V型輥輪根據傳送帶的受力方向進行設計，以達到有效減小運輸過程中的摩擦阻力、降低能耗之目的。

1.主動輥 2.鏈條 3.主動電機 4.V型輥輪 5.下托帶輥

2.2 伸縮傳動系統的設計

伸縮傳動系統主要由電機、鏈輪、傳動鏈條、滑輪和滑輪槽等部分組成，如圖3所示。

1.電機 2.傳動鏈輪 3.傳動鏈條 4.滑輪槽 5.滑輪 6.伸縮架體

在伸縮傳動系統中，電機帶動鏈條來驅動鏈輪，經傳動鏈條的兩端分別鉸接到伸縮架體上;驅動鏈輪的轉動使得伸縮架體上的滑輪在槽中的移動，從而實現馬鈴薯堆垛機伸縮臂的伸長與收縮。

2.3 輸送帶的結構設計

輸送帶是整個機器中作業的關鍵部件，本機作業臂為伸縮式結構。輸送帶的放置尤為關鍵，與普通的輸送帶有著明顯的不同，其結構形式如圖4所示。

圖4 輸送帶的結構

綜合考慮防滑、增大輸送摩擦力等因素，該輸送帶表面設計成凸起樣式。另外，輸送帶的纏繞方式根據傳動系統的架體進行設計，以便于伸縮架體的前后位置移動。

2.4 緩沖架的設計

馬鈴薯輸送下料部位安裝智能緩沖架裝置，其結構如圖5所示。該機構可以根據馬鈴薯的垛堆高度，通過伺服電機的驅動實現自動升降控制，其信號的采集通過光電傳感器和電容傳感器來實現。工作過程中，伺服電機正轉時緩沖架伸長，反轉時則收縮，進而保證下料高度控制在合理的范圍之內，從而降低傷薯率。

圖5 下料緩沖架三維示意圖

2.5 電機的選型與控制分析

馬鈴薯堆垛機的動作基本靠電機驅動來實現，因此電機的選型至關重要。本機的選型如表1所示。

表1 電機的選型

2.6 傳感器的選型

2.6.1 電容式接近傳感器的選擇

接近開關分為電感式和電容式。電容式傳感器不但能檢測金屬，還特別適合于非金屬的檢測，且其感應距離可調。鑒于這些特點，在下料緩沖架的下端選用電容式接近傳感器，其實物如圖6所示。

圖6 電容式接近傳感器

當物料接近傳感器的感應極片時，極片和物體就構成了一個電容，導致振蕩極的狀態發生變化，此變化被放大處理后輸出一個晶體管開關信號，從而實現電機的相應動作。

2.6.2 光電傳感器的選擇

光電傳感器采用漫反射式，如圖7所示。這是一種集發射器和接收器于一體的傳感器，當有被檢測物體時，將光電開關發射器發射的足夠量的光線反射到接收器，于是光電開關就產生了開關信號。

圖7 光電傳感器

2.6.3 行程開關的選擇

馬鈴薯堆垛機的驅動輪兩側，伸縮臂的起止位置都安裝行程限位開關。根據需要，選擇施耐德ZCKE05C行程開關，如圖8所示。

圖8 行程開關

安裝在地輪兩側的行程開關，當探頭觸碰到障礙物時，會導致傳感器閉合的接點分斷，從而控制電機停止驅動，起到限位保護作用。同理，安裝于伸縮輸送臂上的限位開關實現起止位置的啟停保護。

3 控制系統的結構及原理

控制系統的總體結構主要包括主控制模塊、檢測模塊、輸送控制模塊、行走控制模塊和伸縮控制模塊等，如圖9所示。

圖9 控制系統設計圖

本系統主要完成對皮帶輸送、左右行走及機架伸縮時電機的控制，從而實現堆垛機的相關動作。在堆垛過程中，系統會根據檢測模塊傳送的信息進行調整，從而確保機器的合理工作狀態。

3.1 控制系統的硬件設計

本系統采用西門子PLCS7-200，CPU型號為224作為主控制模塊。總控制箱主要包括PLC總控制模塊、變壓器、電機控制模塊和接觸器等，如圖10所示。

圖10 總控制箱

3.2 控制模塊

馬鈴薯堆垛機的總控制模塊對整個控制系統具有系統調控作用，所有子程序經過主控制單元的分配得以實施。主程序控制流程如圖11所示。

圖11 主程序控制流程

3.2.1 左右搖擺防碰檢測原理

本系統采用的是限位光電傳感器，將機械位移轉變成電信號，使電動機的運行狀態得以改變，從而控制機械的動作，起到限位保護的作用。當伸縮輸送臂兩側的光電開關檢測到左右兩側障礙物時，此光信號被轉化后傳輸到PLC總控制模塊，控制電機轉動停止，避免與障礙物發生碰撞。左右限位流程圖如圖12所示。

圖12 左右限位流程圖

3.2.2 伸縮架控制原理

馬鈴薯堆垛機的伸縮輸送架在執行伸縮動作時，需要對其進行限位控制。當伸縮架運行到限位位置時，限位開關由閉合狀態斷開，進而控制伸縮電機停止運轉。其控制流程如圖13所示。

圖13 伸縮架控制流程

3.2.3 升降控制原理

堆垛機在上料過程中，隨著馬鈴薯垛的高度增大，輸送臂隨之升高。現有的馬鈴薯堆垛機升高控制是依靠人工來完成，誤差較大，難以達到精準控制，極易出現輸送臂過高或過低的情形。若輸送臂與薯垛的距離過大，使得馬鈴薯產生摔傷或者碰傷，影響其貯藏品質；反之，則與馬鈴薯發生觸碰，形成擦傷。經試驗分析，馬鈴薯的臨界損傷高度是380mm[6]，即馬鈴薯的下落高度不能大于該值。

馬鈴薯堆垛機的下料緩沖架上安裝光電傳感器和電容式接觸傳感器。光電傳感器用來檢測緩沖架與薯堆的最大安全距離，電容式接觸傳感器用來檢測最小接觸距離，進而通過調整傳感器的響應參數實時監測薯垛與緩沖架的距離；然后，經PLC總控制模塊實現對電機的控制，完成緩沖架的升降動作。該系統的控制流程如圖14所示。

4 馬鈴薯堆垛機的性能測試

4.1 試驗條件

在河北省沽源縣某馬鈴薯種植區倉庫對設計的馬鈴薯堆垛機做了相關試驗，主要試驗指標有機器的最大作業能力、單位能耗、傷署率及機器故障率等。

圖14 升降控制流程

4.2 試驗結果

經過大量的堆垛試驗，將試驗數據整理分析，結果如表2所示。

表2 試驗結果分析表

表2中，機器故障率計算公式為

故障率=(t1+t2)/tz×100%

(1)

式中t1—停機等待時間；

t2—維修所用時間；

tz—計劃用機時間。

通過數據分析可知：該馬鈴薯堆垛機的作業能力明顯提升，機器的能耗降低，機器故障率有所改善。機器作業過程中對馬鈴薯的損傷率大幅度降低，為馬鈴薯的高質量貯藏提供了保障。

5 結論

1)設計的馬鈴薯堆垛機智能防碰系統，通過上下機器搖擺監測模塊采集位置信息，經PLC模塊分析和處理后，控制電機的動作，進而實現自動限位與防碰控制。

2)智能下料系統采用光電傳感器和電容傳感器的協調控制，避免機器與馬鈴薯的接觸造成碰傷，以及距離過高致使馬鈴薯摔傷，為馬鈴薯的無損堆垛提供了可能。

3)輸送架的升降采用油缸電機來控制，可實現機器輸送臂的自動調整，精確度較高，替代了傳統的人工控制方式。

4)試驗結果表明：該機基本滿足馬鈴薯堆垛入庫作業要求，為智能化馬鈴薯堆垛裝備的研制提供了參考。其對于提高堆垛效率、減輕勞動強度及降低馬鈴薯儲藏環節的損失具有重要意義。

[1] 柳俊. 我國馬鈴薯產業技術研究現狀及展望[J]. 中國農業科技導報，2011，13(5)：13-18.

[2] 姚建輝，郁超，王文明，等. 裝倉堆垛機的研究設計[J].農機化研究，2010，32(9)：89-91.

[3] 李學強，盧延芳，蘇國粱，等. 多功能馬鈴薯清選輸送機的設計[J].湖北農業科學，2016，55(7)：1832-1835.

[4] 徐茂森，龍新平，祝葉，等.射流式馬鈴薯輸送泵性能試驗[J].農業工程學報，2016，32(11)：48-53.

[5] 李紫輝，尚琴琴，楊穎，等.馬鈴薯挖掘機橫向輸送系統的設計[J].農機化研究，2016，38(10)：74-78.

[6] 洪翔，萬陳，王軍. 一種馬鈴薯臨界損傷跌落高度的測定方法[J].包裝學報，2012(3)：30-33.

[7] 徐菱，勞揚健，王金諾.基于PLC的堆垛機控制系統設計[J].組合機床與自動化加工技術，2005(1)：72-73.Abstract ID:1003-188X(2017)10-0144-EA

The Design of an Intelligent Potato Stacker

Sun Jingbin1a, Gai Jinxing2, Li Xueqiang2, Wang Xiangyou1a, Li Dong1b

(1.Shandong University of Technology a.School of Agricultural Engineering and Food Science; b.College of Electrical and Electronic Engineering, Zibo 255091, China; 2.Shandong Xicheng Agricultural Machinery Science and Technology Co.Ltd., Dezhou 253600, China)

Potato need to be storage after harvesting, but the storage space is relatively shortage, so often need to be stacking. At present, the piling efficiency is low, cost is high, the labor intensity is big.So,this paper designed an intelligent potato stacker with high efficiency.This machine can operate according to the stacking height with lower injury rate, has provided the safeguard for the potato storage for a long time. And the prototype has been made relevant experiments, the experimental results show that the machine satisfied the requirement of stacking with significantly lower injury rate of potato in the process of piling. Accordingly,the design of this machine is of great significance to solve the problem of labor shortage and improve the efficiency and the quality of potato storage.

potato; stacking machine; intelligent; control; sensor

2016-09-22

國家“十三五”重點研發計劃項目(2016YFD0701603-02)；山東省農機化裝備研發創新項目(2016YF034)

孫景彬(1992-)，男，山東濱州人，碩士研究生，(E-mail)1414599006@qq.com。

王相友(1961-)，男，山東高密人，教授，博士生導師，(E-mail)wxy@sdut.edu.cn。

S229+.2

A

1003-188X(2017)10-0144-05