車載式馬鈴薯自動裝袋裝置設計*

王佳龍 ， 于佳睿 ， 吳曉龍 ， 劉偉文

（南京農業大學工學院，江蘇 南京 210000）

0 引言

我國現有馬鈴薯裝袋設備機械化、自動化程度低，主要分為集裝式和獨立式[3-6]。其中集裝式效率較低且適應性差，而獨立式每個袋口需配備一名工作人員，每袋重量由人工控制，重量得不到規范統一，且人力耗費較大。在我國東北和西北地區的馬鈴薯收獲時，會延長收獲時間，當寒潮來臨時，會導致馬鈴薯受凍、損失嚴重。胡周勛等[4]設計了一種簡單的馬鈴薯裝袋機，可以代替人工裝袋，提高了裝袋效率，結構簡單、可靠性高；浙江農林大學何昌俊等[7]研發了一種基于皮帶運輸機的馬鈴薯裝袋機，該馬鈴薯裝袋機具有多個裝袋口，大大提高了裝袋效率，為后續大型馬鈴薯裝袋機的研發提供了參考；陳營等[8]設計的連續開袋機構可實現自動連續開袋，效果較好。

在國外，適用于馬鈴薯裝袋的機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格不同，國外大部分裝袋機械集分級與裝袋于一體，通過機械手進行裝袋操作。Steven C[12]研發了一種可移動式的裝袋機，其具有可變寬度的通道，適用性較強，可用于不同物料的裝袋；Savigny Edward B 等[13]研發了一種旋轉式馬鈴薯裝袋機，實現了裝袋機的自動夾袋和袋子檢測，為后期馬鈴薯的智能裝袋提供了參考。但國外設備由于生產規模不同，很難適應國內的種植及收獲模式，還存在成套設備價格昂貴、配套技術指導不完善、零配件供應不暢、售后服務不能及時保障等眾多問題[14]；加之馬鈴薯收獲的人工成本逐步增加，對馬鈴薯自動裝袋技術的需求日益增長。基于此，課題組研究設計了一種車載自動裝袋裝置，實現了馬鈴薯等作物收獲后的自動裝袋，能夠減少用工量，降低勞動強度，對提高馬鈴薯的生產效率有重要意義。

1 車載式馬鈴薯自動裝袋裝置整體設計

車載式馬鈴薯自動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，整體設計如圖1所示。取袋輸送子裝置通過摩擦取袋原理將存儲于袋庫的編織袋逐個取出，并輸送至開袋位置，后經開袋填充子裝置完成摩擦開袋與填充過程，最后由封口落袋子裝置對填充好的編織袋進行封口、落袋，從而完成自動裝袋全過程[15]。利用本裝置對收獲后的馬鈴薯進行裝袋，裝袋過程緊密，裝袋效率高，控制過程簡單。

圖1 車載式馬鈴薯自動裝袋裝置整體設計

車載式馬鈴薯自動裝袋裝置與工作效率為0.18 hm2/h的馬鈴薯收獲機配合使用，在馬鈴薯產量35 000 kg/hm2的條件下，要求裝袋效率達到6 300 kg/h。選用每袋可承裝30 kg馬鈴薯的編織袋進行裝袋，則編織袋的尺寸規格可選用1 000 mm*800 mm，并要求裝置每隔17 s填充滿一編織袋馬鈴薯，以達到裝袋效率的要求。在此基礎上經建模分析得到馬鈴薯自動裝袋裝置整體尺寸為3 000 mm*2 000 mm*2 000 mm。為了實現馬鈴薯的不間斷裝袋，采用兩組自動裝袋裝置間歇裝袋，則每次轉換填充的時間間隔為17 s。相應技術參數如表1所示。

表1 整體主要技術指標

2 各部分裝置設計

2.1 取袋輸送子裝置設計

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、抬升機構、取袋摩擦輪等，如圖2所示。工作時，抬升機構提供穩定的抬升力，使處于袋庫中的編織袋與取袋摩擦輪擠壓，并在取袋摩擦輪的帶動下，依次取出編織袋。抬升機構與取袋摩擦輪配合控制編織袋的運動，從而控制取袋時間。編織袋被輸送至軌道預留縫隙中后，通過多組輸送摩擦輪，使其沿軌道到達指定位置，至此完成取袋輸送的全部過程。此設計簡單實用，準確度高，控制要求低，易于操作。

圖2 取袋裝置

2.2 開袋填充子裝置設計

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。當編織袋被輸送至指定位置時，開袋摩擦輪降下。通過摩擦輪的旋轉，編織袋靠近開袋摩擦輪的一側滯后于另一側，在下側超前上側指定的距離后，一組開袋夾手夾住編織袋下側，并通過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，并由兩開袋夾手配合撐開編織袋并對準填充口，完成開袋操作[16]。此過程要求編織袋夾手夾取編織袋上下邊的快速性、平穩性和準確性。

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圖3 開袋填充子裝置

填充的開關主要由分料裝置控制。在接收到填充指令后，管道內的馬鈴薯將從板面處釋放，順著旋轉板落入袋中，當到達指定填充時間后，封閉管道，停止對馬鈴薯的輸送，并轉向填充另一編織袋。在填充過程中，由質量檢測裝置通過檢測填充重量控制是否進行下一環節。若袋中馬鈴薯重量未達到最低限度或未進行填充，則裝置位置保持不變，直到檢測到重量增加為止；若在指定時間內，規定重量與袋中重量之差超出最大允許范圍，則需要計算剩余重量，重新規劃填充時間，直到填充至允許范圍；若在指定時間內達到要求，則進入下一環節[17]。

2.3 封口落袋子裝置設計

封口落袋子裝置主要由封口系統、落袋系統兩部分組成。封口系統由縫包機、束口夾板、同步帶組、支撐架四部分組成，如圖4所示。根據縫包機縫紉原理[18]，配備前置束口板輔助封口，增加自動控制功能，由軌跡控制系統及縫紉控制系統實現。

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式縫合線跡。其同時可以實現快速縫紉，能夠縮短封口時長。縫紉線主要考慮經濟成本，故選擇強度高、耐磨、不霉不腐且價格低的滌綸線，編織袋屬于厚料子，因此規格選擇20S/2。

封口時，縫紉機構及束口板在軌跡控制系統的控制下，同時沿同步帶軌道向袋口方向移動。支撐架主要負責支撐連接縫包機與同步帶軌道，并使縫包機能超前軌道進行縫紉。同步帶軌道具有運行平穩的特點，適合輕載傳動。束口夾板與縫包機同步直線運動，在靠近袋口時，夾板聚攏束口為封口提供條件。當縫紉機構移動到指定工作位置并接觸袋子時，通過傳感器將信號傳遞到縫紉控制系統，在控制系統的控制下，縫紉機構開始自動縫紉。縫紉機構沿軌道移動一段袋寬長度距離，進行縫紉封口，當縫紉機構離開袋口時，在縫紉控制系統的控制下將自動停止縫紉工作。

落袋系統主要利用液壓系統實現，由液壓抬升機構與落袋板組成，如圖5所示。封口完畢后，支撐板在液壓系統的控制下，一側抬起，填充好的袋子自由下落，完成落袋[19]。縫紉機構在軌跡控制系統的控制下，沿軌道回到初始位置，承重板在液壓系統的控制下，一側落下，縫紉裝置歸位，等待下一次工作循環。

圖5 落袋系統

3 各子裝置工作指標計算

由于車載式馬鈴薯自動裝袋裝置要實現連續填充，因此要對各裝置的銜接做一定要求，即對每個環節的工作時間做出要求，分別包括取袋時間t1，輸送時間t2，開袋時間t3。由于封口落袋的時間為選定值，只需控制封口速度v4即可。而取袋、輸送時間又分別由抬升力F與輸送壓力F0控制，因而要對抬升力F與輸送壓力F0進行控制，使裝置能達到指定的工作效率。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 取袋時間與抬升力計算

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

式中，F為抬升板對編織袋的力，Ff1為下編織袋對上編織袋的摩擦力，Ff2為摩擦輪對編織袋的驅動力。

式中，m為一個編織袋的質量，a1為編織袋被取出時的加速度（假設加速度恒定）。

式中，v1為取袋時達到的最大速度，t11為取袋加速時間，t12為勻速取袋時間，S1為取袋的路程，由設計測量可得S1=400 mm。

3.2 輸送時間與輸送壓力計算

進入輸送軌道的編織袋在摩擦輪的作用下運動，在假設編織袋運動的加速度恒定條件下，對其進行受力分析，可得：

式中，F0為傳送摩擦輪對編織袋的壓力，a2為編織袋輸送開始的加速度。

式中，v2為輸送時達到的最大速度，t21為加速傳送時間，t22為勻速傳送時間，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，由設計測量可得S2=1 000 mm。

伺服電機驅動加速時間為0.05 s ～0.5 s，取t11=t21=0.3 s，初取t2=5 s。

聯立方程（1）（2）（3）（5）（6）（7）（8）（9），可得：

取F0=1.2F，代入數值，解得：

將F=120 N代入求得：

將F=35 N，F0=42 N代回，求得：

聯立方程（1）（2）（3）（4）（5），并取F=120 N代入，得：

3.3 開袋時間計算

已知夾手夾持部分長度為60 mm，開袋時下部超前運動S3=60 mm，取夾手開袋時間t31=2 s，編織袋在開袋處減速時間t32=t11=t21=0.3 s，則有：

聯立方程（11）（12）（13），解得

綜上所述，t1+t2+t3=15.505 s＜17 s，滿足要求。

3.4 封口速度計算

選用縫包機的封口時間t4=4 s，封口距離S4=800 mm，功率P=300 W，則：

解得v4=0.2 m/s。

通過上述對自動裝袋各子裝置的分析計算，得到取袋時間t1，輸送時間t2，開袋時間t3，封口速度v4，抬升力F與輸送壓力F0六個工作指標，如表2所示。通過控制這六個工作指標實現車載式馬鈴薯自動裝袋裝置6 300 kg/h的裝袋效率。

表2 各部分工作指標

4 結論

本裝置的設計集取袋、開袋、填充、封袋、落袋于一體，通過取袋輸送子裝置、開袋填充子裝置、封口落袋子裝置的相互配合，完成高效率、自動化的馬鈴薯裝袋作業。采用多環、同區域的空間布局，減小了裝置整體所占空間，能夠很好地滿足車載運輸的要求。同時，采用兩組自動裝袋裝置間歇填充的設計方案，達到馬鈴薯連續裝袋的效果，解決了人工裝袋裝袋效率低、成本高的問題，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效益與經濟效益，市場前景廣闊。