基于農業作業的伸縮式輸送卷帶機械裝置優化改造設計

郭亞東

（南陽技師學院機電工程系，河南 南陽 473000）

帶式輸送機在長時間工作后，輸送帶容易出現老化、帶面磨損等問題[1]，容易導致張力波動下受損輸送帶發生斷帶事故，對伸縮式輸送卷帶機械裝置與工作人員造成不可逆轉的傷害。因此，需要及時更換輸送帶，這就需要使用伸縮式輸送卷帶機械裝置，其對于帶式輸送機的運行起著重要的作用[2]。然而將伸縮式輸送卷帶機械裝置應用于工業以外的其他領域時，需要對伸縮式輸送卷帶機械裝置進行優化改造。基于該背景，對伸縮式輸送卷帶機械裝置優化改造問題進行研究。對于該問題的研究，學者們一直在探索，并進行了多方面的改革創新。文章綜合以往研究成果，基于農業作業對伸縮式輸送卷帶機械裝置進行優化改造，設計一種適合農業作業的伸縮式輸送卷帶機械裝置優化改造方法，推動實現農業生產全自動化的目標。

1 伸縮式輸送卷帶機械裝置優化改造設計

1.1 卷筒優化改造設計

優化改造卷筒，結構方面主要應用偏心原理夾緊輸送帶，并應用快速分離楔形摩擦角的原理在成卷輸送帶中將卷筒輕松抽出，是一種蝸形卷筒，具體由卷帶芯軸、扳扣、棘輪機構、兩個偏心壓輥、伸縮板、卷筒外殼及彈簧等構成。

將卷帶芯軸與卷筒外殼連接在一起，作為卷筒的主體。利用伸縮板與外殼配合，通過伸縮板繞軸線的旋轉運動，使伸縮板能夠伸出或縮回卷筒[3]。分別在伸縮板回轉軸兩端安裝棘輪機構，并使用扳扣進行固定。同時，安裝棘輪機構后，需要在輸送帶端頭松開時，可以直接打開棘爪，此時由于彈簧的作用，伸縮板會自動縮回，使兩個偏心壓輥分離，輸送帶就會松開，在成卷輸送帶中即可輕松抽出卷筒。將彈簧與伸縮板另一端連接起來，并將一個偏心壓輥直接裝配到外殼上，而另一個偏心壓輥則裝配到伸縮板內部[4]。

由于圓柱形卷筒在端頭處會產生卷徑突變，因此將其設計成蝸形，該卷筒收卷半徑的實際變化規律具體如式（1）所示：

式中，W是收卷半徑；F是輸送帶厚度；D是基礎半徑；ρ是輸送帶端頭轉動的角度[5]。

完成收卷操作后，要從卷帶裝置上取下卷筒與成卷的輸送帶，其中，卷筒需要從輸送帶中抽出，并將其安裝回卷帶裝置上，以便實施下一次的收卷作業。

1.2 張緊裝置優化改造設計

優化改造張緊裝置，設計由電液比例節流閥、拉力傳感器、液壓絞車、蓄能器、液壓泵站、油缸、鋼絲繩、張緊小車以及液壓管道等構成的張緊裝置[6]。

在張緊小車上設置一個改向滾筒，實現張緊小車的改向。使用鋼絲繩牽引小車的動滑輪，拉動鋼絲繩時，改向滾筒會被帶動，即可實現張緊小車的改向。

液壓絞車能夠通過其制動作用，在蓄能器與油缸的配合下使活塞伸縮，從而吸收沖擊。同時，液壓泵站實現絞車馬達的動力驅動，帶動卷筒進行正轉與反轉[7]。

在液壓泵站中，設置電液比例控制系統，與拉力傳感器、油缸共同構成壓力調節系統，對伸縮式輸送卷帶機械裝置的壓力進行調節，使其動態性能更好。

選擇公稱拉力達到160 kN 的張緊小車，選用直徑為20 mm的鋼絲繩，選用Φ110×Φ55×2 500規格的油缸，更能滿足農業生產中的運送需求。

該張緊裝置的流量計算公式如下：

式中，α是電液比例節流閥備用系數；β是液壓絞車的實際卷繩速度；χ是油缸的工作壓力；δ是油缸的移動速度；ε是液壓泵站馬達的效率；?是蓄能器的效率[8]。

根據以上公式的計算結果設計各種液壓油管，包括局部收縮處的油管、短管、高壓管、回油管以及吸油管。

管道內徑的計算公式具體如下：

式中，l是油管允許流速。

各種液壓油管的允許流速具體如下：局部收縮處的油管5.0 m/s~7.0 m/s；短管5.0 m/s~7.0 m/s；高壓管3.0 m/s~5.0 m/s；回油管2.0 m/s~2.5m/s；吸油管1.0 m/s~1.5 m/s。

管道壁厚的計算公式具體如下：

式中，ι是油管的安全系數；φ是管材抗拉強度。

其中，各種液壓油管的安全系數具體如表1所示。

表1 各種液壓油管的安全系數

1.3 電氣控制裝置優化改造設計

優化改造電氣控制裝置，設計一種由可編程控制器、供電模塊等構成的電氣控制裝置。

1）供電模塊的設計。選用兩臺電動機實現液壓泵站的動力供應，并使用電氣開關控制兩臺電動機的啟停操作。其中，所選用的電氣開關為電氣控制柜，由斷路器、阻容吸收器等構成[9]。選用三相330 V 交流電對其他電氣元件進行供電，并通過變壓器對該交流電的相電壓進行轉換，具體轉換結果如表2所示。

表2 相電壓轉換結果

其中，36 V 用于油缸與張緊小車的供電；180 V用于PLC 供電；220 V 用于電液比例節流閥、液壓絞車、蓄能器以及拉力傳感器的供電。選用S7-200 系列的可編程控制器，具體型號為 S7-CPU224XP。通過該可編程控制器對卷帶流程進行控制，具體操作流程如下：

①運行卷帶程序。

②啟動液壓泵站并加載壓力程序。

③當壓力過低時，進行泵站補壓，否則正常啟動卷帶裝置。

④開始自動卷帶。

⑤運行張緊力檢測程序，檢測張緊力是否超過設定值。

⑥當實際張緊力值比設定值大時，將電液比例節流閥直接調到大流量的控制方向；當實際張緊力值未超過設定值時，將確認卷帶是否結束，若卷帶結束，直接結束該運行程序[10]。

2）設計一個壓力加載與泵站啟動程序，具體如下：

①開始運行程序。

②啟動伸縮式輸送卷帶機械裝置，確認裝置是否過載，若過載，進行故障報警，并停止裝置的運行；若不過載，啟動張緊電機與卷帶，張緊電機與卷帶的輸入輸出地址得電。

③結束該運行程序。

2 實驗測試

2.1 實驗設計

利用基于農業作業的伸縮式輸送卷帶機械裝置優化改造設計方法，對傳統的伸縮式輸送卷帶機械裝置進行優化改造，并進行測試，觀察其實際表現性能。本次測試的目的如下：

1）驗證優化改造后的伸縮式輸送卷帶機械裝置與農業作業是否有良好的匹配性。

2）在安裝完該裝置后，利用該裝置實施農業作業時，測試具體卷帶性能，并測試需要多少名實際操作人員，觀察是否實現員工勞動強度及作業時間的降低。

因此，在某農作物的收割與運輸作業中利用優化改造后的伸縮式輸送卷帶機械裝置輔助某帶式輸送機進行農作物輸送。對比分析優化前與優化后裝置的表現性能，以獲得優化改造后確切的性能提升數據。

2.2 測試結果

2.2.1 卷帶性能測試

利用兩種裝置輔助農作物輸送時，測試兩種裝置的卷帶性能，測試結果如圖1 所示。

圖1 兩種裝置的卷帶性能

根據圖1 的測試結果，在進行120 m 的卷帶操作時，優化改造后的伸縮式輸送卷帶機械裝置需要的操作時間更短，說明該機械裝置更加順滑，卷帶性能更好，實現了作業時間的縮短，而傳統伸縮式輸送卷帶機械裝置需要的操作時間更長。

同時，在利用優化改造后的伸縮式輸送卷帶機械裝置輔助農作物輸送時，該裝置與農業作業的空間匹配度較好，與現場的環境較為協調，說明優化改造后的伸縮式輸送卷帶機械裝置與農業作業有著良好的匹配性，適合用于農業作業，也就是達到了本次改造設計的目的。

2.2.2 操作人員數量及其勞動強度測試

利用兩種裝置輔助農作物輸送時，測試兩種裝置需要的操作人員數量及其勞動強度，具體測試結果如表3所示。

根據表3 的測試結果，優化改造后，該機械可以大幅減少農作物輸送時的操作人員數量，僅需3 名操作人員就可以實現農作物輸送的相關操作。同時，使用優化改造后的機械裝置能夠同步降低操作人員的勞動強度，達到降低員工勞動強度與縮短作業時間的效果。

表3 操作人員數量及其勞動強度測試結果

3 結語

本研究根據農業作業的需求，從三方面對傳統伸縮式輸送卷帶機械裝置進行了改造，包括卷筒、張緊裝置以及電氣控制裝置，實現了傳統裝置全方位的性能提升，對于伸縮式輸送卷帶機械裝置的推廣應用起到了很大作用，取得了一定效果。但由于研究時間與研究精力的限制，很多細節都沒有顧及到，僅針對一些大的裝置部分實施了優化改造。今后將繼續對細節處進行優化改造，并進行更加深入的研究，使伸縮式輸送卷帶機械裝置更加適應農業作業，努力將該裝置推廣應用到其他領域。