晾晒谷物自动收集装袋机设计

李俊儒　宋欣　李传珍　杨磊　苏绍昌

摘要：针对目前国内谷物晾晒工序存在劳动强度大、效率低等问题，设计一种晾晒谷物自动收集装袋机。该机由收集机构、称重机构和打包机构组成，集谷物收集、装袋、称重和自动封袋等功能于一体。通过构建虚拟样机，验证了设计方案的可行性，以适应多种类晾晒谷物的自动收获。

关键词：谷物;装袋机;收集机构;称重机构;自动打包机构

中图分类号：S226;S229    文献标识码：A    文章编号：1674-1161（2020）04-0027-04

中国是农业大国，2019年谷物类粮食产量达6.14亿t。谷物干燥是谷物收获后的重要环节，但机械烘干存在设备昂贵、作业成本高、技术水平低、能源浪费严重等问题。发达国家粮食干燥机械化程度高，技术成熟，而我国谷物干燥仍以传统晾晒方式为主，劳动强度大，工作效率低。少数晒谷场配有谷物收集机械，其收集装置通常采用两种形式：一种是通过刮板将谷物聚拢后用绞龙提升机构提升至高处，再将谷物装进粮袋中，这种方法作业量大，收谷过程繁琐。另一种是利用吸气装置将谷物直接从地面吸入袋中。这种收集方法效率较高，但增加了后续处理杂质的难度。此外，现有谷物收集机械通常不具备自动装袋和封袋功能，人工裝袋和封袋不仅作业效率低，而且难以实现装袋规格的标准化。针对当前我国谷物晾晒后收集和包装过程尚未实现全程自动化的问题，开发设计一种晾晒谷物自动收集装袋机。该机集谷物收集、装袋、称重和自动封袋功能于一体，适用于多种晾晒谷物的自动收获。

1 总体结构及工作原理

该机主要由动力与传动装置、行走装置、控制装置、谷物收集装置、谷物传送装置、谷物装袋装置、机架等组成，总体结构如图1所示。

工作原理：整机由支架支撑，铲板、毛刷、斗式提升机等安装在支架上;毛刷固定安装于铲板上部，相互贴合，毛刷转动可完成谷物收集并推送谷物至斗式提升机;斗式提升机由传动带轴提供动力，构成谷物传动输送装置;根据不同谷物外形尺寸和质量，设定机体顶部风扇转速，以便在吹除谷物中杂质的同时避免谷物被吹出;被输送的谷物通过漏斗持续掉落至称重仓，达到额定重量时漏斗上部的漏斗挡板会挡住持续下落的谷物，随后称重仓翻转将谷物倒入装袋机构中;装袋机构定形篓将放袋滚筒中的POF热收缩膜对折，利用电动推杆推动热熔条压合袋的边缘，完成封袋操作;刀盒中的刀片通过丝杠传动，对相邻两个袋子进行切分，完成自动打包装袋。

自动收集装袋机以Arduino为控制核心，通过WiFi和蓝牙与手机进行通信并传输数据，全部工作过程均可利用手机APP进行操控、设置和查询，包括机器行走和转向，装袋标准重量设定，以及收集重量、装袋数量等数据记录。

2 主要部件设计

2.1 收集机构

收集机构主要由铲板、毛刷、橡胶槽、斗式提升机、漏斗和称重仓组成，可将地面晾晒的谷物收集并输送至机构顶部的收集斗中，其结构示意图如图2所示。

因后续处理工序需要有足够的高度，可设定斗式提升机长度2 000 mm，高度1 950 mm。自动收集装袋机在收集作业过程中，橡胶材质的铲板将晾晒的谷物缓慢铲起，经两级毛刷滚动甩入提升机的橡胶斗中，通过提升机的带动将谷物提升输送至收集斗中。提升机的下方设计安装了橡胶槽，用于收集毛刷与提升机间隙间掉落的谷物。传送带转动时，橡胶斗能够连续地从橡胶槽中舀起谷物，避免谷物漏检，有效提升收集效果。

收集机构主要设计参数见表1。

2.2 称重机构

称重结构示意图如图3所示。

称重机构通过梯形收集斗将谷物聚集，收集斗的下底面开有50 mm×50 mm的正方形口，以便谷物从方形口掉落至称重仓。称重仓底面直径100 mm，高度50 mm。称重完成后，翻转称重仓，将完成称重的谷物倒入袋中，为后续自动打包装袋工序做好准备。

称重过程中，收集斗方形口处于打开状态，谷物持续进入称重仓。当称重仓的谷物重量达到设定值时，收集斗方口的A舵机开始工作，带动挡板堵住方口，谷物停止下落，此时称重仓在B舵机的带动下翻转180 °，将谷物倒出后随即恢复初始状态，收集斗方口处的挡板移开，谷物继续下落，以此循环往复。

A舵机驱动挡板转动，转动角度在60 °～90 °之间，且受力较小;B舵机驱动称重仓翻转，转动角度为180°，且受力较大。按B舵机的使用要求选择舵机，最大受力状态是在称重仓盛满谷物时。若按5 kg谷物为最大承重标准，承受径向力为50 N，翻转90 °后径向力转换为圆周力，此时舵机所承受的转矩约为（按照谷物重心距轴20 mm计算）：

T粮仓=50 N × 20 mm≈10 kg·cm        （1）

由此选择舵机型号为MG995R，详细参数见表2。

A舵机通过程序设计，由脉冲来控制所需转动的角度。给1.5 ms脉冲，舵机转动90 °;给2.5 ms脉冲，舵机转动180 °。

2.3 自动打包机构

自动打包机构的工作原理是借鉴了茶叶包装的方式，漏斗形状的夹层将单面POF热收缩膜对折，通过热熔器将侧边开口与下口封合，形成中空的包装袋，如图4所示。当谷物落入之后，POF热收缩膜由步进电机驱动下落1 个包装袋的长度，热熔器将上口封合，同时将下一个包装袋的下口与侧口封合，刀片由螺旋丝杠传动，将两袋分开。第一袋包装好的谷物落入仓储柜中，第二袋继续包装，如此循环往复。

通过控制步进电机来释放POF热收缩膜的长度，进而决定包装袋的大小。可以设定额定重量，并自动选择袋的种类。模拟样机设定了小袋、中袋、大袋、超大袋4个种类，具体参数见表3。

为了提高包装效率，在运行过程中可随时调整设置的额定重量而无需停止设备。

热熔条长度是固定的，不能随设备的包装尺寸设置而改变，所以其侧边封口长度比超大袋型略长20 mm。采用长度为270 mm的热熔条，并由小型电动推杆驱动。热熔条布置情况如图5所示。

丝杠选择与受力分析：相连两个袋之间用刀片切割实现分离，刀片的水平移动是通过步进电机带动丝杠的旋转，进而将步进电机的旋转运动转变为刀片的直线运动。选择合理的丝杠可有效提高刀片切割效率，丝杠详细参数如表4所示。

驱动转矩Mq计算为：

Mq= Mt1 + Mt2+Mt3                   （2）

其中，

Mt1——螺纹摩擦力矩，N·mm;

Mt2——螺旋传动轴向支承面摩擦力矩，N·mm;

Mt3——螺旋傳动径向轴承摩擦力矩，N·mm。

Mt1的计算为：

Mt1=■d2Ftan（λ+ρ'）            （3）

其中，F——螺旋传动的轴向载荷。

丝杠和螺母的材质均为304不锈钢，两者之间的摩擦因数通过查表可得f = 0.17，当量摩擦角ρ'及螺纹升角λ的计算如公式（4）和（5）所示：

ρ'=arctan■=arctanf=arctan0.17=9.648 °≈10 °（4）

λ=arctan■=arctan■≈20.5 °       （5）

测得F约为10 N，代入公式（6），可得Mt1=25.03 N·mm。Mt2的计算公式为：

Mt2=■fSF■≈57.52 N·mm           （6）

该系统没有径向支承，故Mt3 = 0 N·mm。

综上，代入公式（6），可得Mq = 82.55 N·mm≈2.55 N·cm

链条：根据国家标准，选用短节距滚子链08A-1，滚子直径7.95 mm，节距12.70 mm，链节数151，链条长度1 917.70 mm;

链轮：齿数22，分度圆直径89.32 mm，齿顶圆直径97.19 mm，齿厚7.30 mm，中心孔径16.00 mm，中心孔键槽宽6.00 mm，键槽深2.80 mm。

3 虚拟样机构建

为了初步验证设计方案的正确性和可行性，构建了晾晒谷物自动收集装袋机虚拟样机，如图6所示。

整机外形尺寸长3 120 mm、宽1 180 mm、高

2 557 mm;提升机宽度510 mm;收集幅宽为50 mm;最高行走速度为0.3 m/s。

通过虚拟装配和运动仿真证明：设计方案具有一定的可行性，能够实现预期的工作流程。根据设计参数和相关理论计算，机器平均打包1袋谷物需要大约1～2 min，收获1 m2的谷物大约需要0.5 min。

4 结论

针对当前我国谷物在晾晒后收集和包装过程尚未实现全程自动化的问题，提出一种晾晒谷物自动收集装袋机的设计方案，并对收集机构、称重机构和自动打包机构进行详细设计，通过构建虚拟样机初步验证了设计方案的可行性。

晾晒谷物自动收集装袋机适于中小型农场，能自动完成晾晒谷物的收集、称重，能实现统一化和规范化的自动包装作业。该机的研发应用对降低生产者劳动强度、提高生产效率和包装质量具有现实意义，有助于推动我国粮食生产过程的全自动化。

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