自动给桑养蚕机的研制 *

2021-05-16

新疆农垦科技 2021年2期

（四川省农业机械研究设计院，四川成都 610066）

0 引言

中国的桑蚕养殖历史悠久，随着丝绸纺织工业的飞速发展，对蚕丝的需求也逐渐增加，但是，大部分地区的桑蚕养殖模式还是传统的人工养殖方式。针对蚕丝日益增长的需求，蚕业养殖就需要养殖规模化和工厂化。蚕业养殖规模化和工厂化的前提是解决蚕业养殖机械的配套问题[1－3]，在蚕业养殖机械中，最为重要的是给桑养蚕机。

养蚕机主要是通过自动化或半自动化的方式对蚕架上的各龄蚕进行给桑作业，现有的自动或半自动给桑养蚕机的研究重点在于如何将消毒后的桑叶通过传输带输出。而现在规模化的蚕业养殖中，常常是在养殖厂房中通过设置若干排蚕架进行养殖，各个年龄的蚕分开进行养殖，因此，在养蚕机的研制过程中需要考虑不同蚕架上蚕的喂养量再进行给桑作业。

1 整机结构及工作原理

1.1 整机结构

自动给桑养蚕机的整机结构如图1 所示，该机主要由储料斗、放料装置、给桑装置、移动装置和PLC控制系统组成，其中，放料装置主要由定量刀片和放料刀片组成，给桑装置包括铺平机构、运料皮带和取蚕器，移动装置包括安装在养殖厂房的轨道、养蚕机的机架等导轨上的链条电机。

图1 整机结构

1.2 自动给桑养蚕机的工作原理

自动给桑养蚕机通过传感器检测到蚕架的位置，通过链条电机带动轨道移动到需要给桑的蚕架位置，当取蚕器中的电磁铁边缘与蚕架接触时，电磁铁通电，将运料皮带与蚕架进行连接。

根据蚕架对应的桑叶喂养量，PLC 控制系统控制定量刀片左移（即打开定量刀片），放料刀片右移（即关闭放料刀片），此时，储料斗中消过毒的桑叶下落到放料刀片上，当下落的桑叶量达到该蚕架需要桑叶喂养量时，定量刀片右移（即定量刀片关闭），在关闭过程中，将处于储料斗和定量刀片之间的桑叶切断，使得储料斗中的桑叶不再进行放料，然后，继续让放料刀片左移（即打开放料刀片），使得桑叶下落到运料皮带上，通过PLC 控制系统控制运料皮带和蚕架的运行速度，使运料皮带中的桑叶输入至蚕架上，从而实现自动给桑作业。在自动给桑作业过程中，传感器检测运料皮带中的桑叶量，当桑叶量过大时，通过铺平机构的旋转，挑起高于运料皮带上限位挡板的桑叶向运料皮带反方向移动，使桑叶尽量铺平到皮带内。

完成蚕架的自动给桑作业之后，改变电磁铁的电流方向，使运料皮带与蚕架脱离。然后，通过链条电机控制养蚕机在导轨上移动至下一个需要给桑的蚕架上，继续进行自动给桑作业，在给桑作业时，链条电机连接的全部链条都处于互锁状态，直到完成整个养殖厂房的给桑作业。

2 关键零部件设计

2.1 放料装置的设计

如图2所示，放料装置主要包括定量刀片、放料刀片和定量刀片与放料刀片之间的活动存储仓，放料装置的作用主要是根据蚕架上蚕的喂养量，精确到储料斗中将定量桑叶输送出来。具体的作业过程：根据蚕架上蚕的喂养量，通过打开定量刀片和关闭放料刀片，在储料斗的下方形成一个活动存储仓，将储料斗中的桑叶按照喂养量放料至活动存储仓，当该蚕架上需要喂养的桑叶全部存储至活动存储仓时，通过关闭定量刀片和打开放料刀片，将活动存储仓中的桑叶放料至运料皮带中，从而完成桑叶的放料过程。

放料装置中定量刀片和放料刀片的打开和关闭主要是通过PLC控制系统进行控制，将其设计成刀片形状，可以将桑叶切断，避免桑叶堵塞储料斗和活动存储仓。

图2 放料装置

2.2 给桑装置的设计

给桑装置为养蚕机的核心装置，主要的作用是将储料斗中放料出的桑叶输送至蚕架上。其核心机构包括运料皮带、铺平机构和取蚕器。

2.2.1 铺平机构

铺平机构主要用于将运料皮带上的桑叶进行铺平作业。如图3所示，铺平机构的主轴上包含多排铺桑齿，铺桑齿在旋转过程中的最低点略低于限位挡板的高度，因此，铺桑齿在旋转过程中，可以将堆积高度超过限位挡板高度的桑叶向运料皮带的反方向移动，从而将桑叶尽量的铺平在运料皮带上。铺平机构的铺桑齿齿距可以设置成活动的，从而可以根据桑叶的大小、粘度等进行齿距调整。铺桑齿的旋转速度可以与运料皮带的运行速度相同或者略大于运料皮带的旋转速度，铺桑齿的旋转方向与运料皮带的运行方向相反。

图3 铺平机构

铺桑齿可以在运料皮带启动时同时启动，也可以通过视觉传感器发现运料皮带上的桑叶堆积高度超过限位挡板的高度时，再进行启动。通过普通机构对运料皮带上的桑叶进行铺平作业，可以大大提升养蚕机给桑作业时的给桑效率。

2.2.2 运料皮带

运料皮带在养蚕机中的主要作用是将桑叶输送至蚕架上，相当于带式输送机，其传动类型为平带传动，托辊在同一个平面上。从结构上来看，运料皮带的胶带两边封闭，在胶带上设置多个限位挡板，限位挡板的高度与胶带的两边高度相同。限位挡板之间的长度为30～50 cm。运料皮带在作业时，匀速传动。

2.2.3 取蚕器

取蚕器主要由水平移动机构及水平电磁铁构成，主要用于连接和固定蚕架。当取蚕器的电磁铁边缘与蚕架接触时，电磁铁通电，此时就可以带动蚕架与水平移动机构一起向皮带方向运行。通过传感器检测蚕架的位置以及运料皮带内桑叶的位置，通过PLC控制运料皮带和水平移动结构带动蚕架的运行速度，使得运料皮带运行到水平移动机构边缘之后，自动将桑叶放料至与水平移动结构连接的蚕架上，通过蚕架上的滚动传输装置，将桑叶输送至蚕架上，对蚕进行给桑作业，从而实现自动给桑作业。

完成一个蚕架的给桑作业之后，电磁铁断电，使得水平移动机构反推回养蚕机的运转平台上，PLC控制系统控制链条电机带动养蚕机沿着轨道移动至下一个蚕架上，对下一个蚕架进行给桑作业。

2.3 移动装置

移动装置由机架、链条电机、移动轮和链条组成，其作用是带动自动给桑养蚕机在养殖厂房的固定轨道或活动轨道上进行移动，使得养蚕机可以通过取蚕器与蚕架进行固定连接，从而实现运料匹配和蚕架之间的自动给桑。在移动平台上设置有6个移动轮，通过4根链条将移动轮与链条电机进行连接。在养蚕机从一个蚕架移动到另一个蚕架的过程中，链条电机通过链条带动移动轮在轨道上进行移动。移动速度可以根据养殖厂房中蚕架与蚕架之间的间距来进行调整。采用传感器识别蚕架的位置，根据识别到的位置，控制链条电机的转速，实现养蚕机的启动和制动。当移动到需要给桑作业的蚕架时，此时移动平台中的4根链条全部处于互锁状态，使得养蚕机在给桑作业时，与蚕架进行固定连接，从而避免在给桑作业时，部分桑叶从运料皮带或蚕架上洒落，可以大大提升给桑作业的效率。

3 养蚕机性能试验

在完成自动给桑养蚕机的物理试制之后，采集新鲜的桑叶，对桑叶进行消毒后投放至储料斗中进行自动给桑试验。在给桑试验中，主要测试给桑均匀性和给桑效率，通过对多条蚕架的给桑试验，结果表明，在装机容量小于0.75 kW时，养蚕机给桑作业的给桑均匀性可以达到93.2%，已经超过设计的给桑均匀性90%的设计指标，给桑效率可以达到0.15张/min，也超过原定的设计目标0.1张/min。通过该性能试验，表明该养蚕机的性能已经达到并且部分超过原定设计目标，整个给桑过程只需要一个人即可完成操作，其作业效率是人工给桑的5倍以上，给桑的均匀性和稳定性也较人工来说具有较大的提高。