车载式马铃薯自动装袋装置设计*

王佳龙 ， 于佳睿 ， 吴晓龙 ， 刘伟文

（南京农业大学工学院，江苏 南京 210000）

0 引言

我国现有马铃薯装袋设备机械化、自动化程度低，主要分为集装式和独立式[3-6]。其中集装式效率较低且适应性差，而独立式每个袋口需配备一名工作人员，每袋重量由人工控制，重量得不到规范统一，且人力耗费较大。在我国东北和西北地区的马铃薯收获时，会延长收获时间，当寒潮来临时，会导致马铃薯受冻、损失严重。胡周勋等[4]设计了一种简单的马铃薯装袋机，可以代替人工装袋，提高了装袋效率，结构简单、可靠性高；浙江农林大学何昌俊等[7]研发了一种基于皮带运输机的马铃薯装袋机，该马铃薯装袋机具有多个装袋口，大大提高了装袋效率，为后续大型马铃薯装袋机的研发提供了参考；陈营等[8]设计的连续开袋机构可实现自动连续开袋，效果较好。

在国外，适用于马铃薯装袋的机型大致可分为圆盘型、倾斜型、定重型[9-11]。由于马铃薯的大小规格不同，国外大部分装袋机械集分级与装袋于一体，通过机械手进行装袋操作。Steven C[12]研发了一种可移动式的装袋机，其具有可变宽度的通道，适用性较强，可用于不同物料的装袋；Savigny Edward B 等[13]研发了一种旋转式马铃薯装袋机，实现了装袋机的自动夹袋和袋子检测，为后期马铃薯的智能装袋提供了参考。但国外设备由于生产规模不同，很难适应国内的种植及收获模式，还存在成套设备价格昂贵、配套技术指导不完善、零配件供应不畅、售后服务不能及时保障等众多问题[14]；加之马铃薯收获的人工成本逐步增加，对马铃薯自动装袋技术的需求日益增长。基于此，课题组研究设计了一种车载自动装袋装置，实现了马铃薯等作物收获后的自动装袋，能够减少用工量，降低劳动强度，对提高马铃薯的生产效率有重要意义。

1 车载式马铃薯自动装袋装置整体设计

车载式马铃薯自动装袋装置由取袋输送子装置、开袋填充子装置、封口落袋子装置三部分组成，整体设计如图1所示。取袋输送子装置通过摩擦取袋原理将存储于袋库的编织袋逐个取出，并输送至开袋位置，后经开袋填充子装置完成摩擦开袋与填充过程，最后由封口落袋子装置对填充好的编织袋进行封口、落袋，从而完成自动装袋全过程[15]。利用本装置对收获后的马铃薯进行装袋，装袋过程紧密，装袋效率高，控制过程简单。

图1 车载式马铃薯自动装袋装置整体设计

车载式马铃薯自动装袋装置与工作效率为0.18 hm2/h的马铃薯收获机配合使用，在马铃薯产量35 000 kg/hm2的条件下，要求装袋效率达到6 300 kg/h。选用每袋可承装30 kg马铃薯的编织袋进行装袋，则编织袋的尺寸规格可选用1 000 mm*800 mm，并要求装置每隔17 s填充满一编织袋马铃薯，以达到装袋效率的要求。在此基础上经建模分析得到马铃薯自动装袋装置整体尺寸为3 000 mm*2 000 mm*2 000 mm。为了实现马铃薯的不间断装袋，采用两组自动装袋装置间歇装袋，则每次转换填充的时间间隔为17 s。相应技术参数如表1所示。

表1 整体主要技术指标

2 各部分装置设计

2.1 取袋输送子装置设计

取袋输送子装置由取袋装置与输送装置两部分组成。其中，取袋装置包括袋库、抬升机构、取袋摩擦轮等，如图2所示。工作时，抬升机构提供稳定的抬升力，使处于袋库中的编织袋与取袋摩擦轮挤压，并在取袋摩擦轮的带动下，依次取出编织袋。抬升机构与取袋摩擦轮配合控制编织袋的运动，从而控制取袋时间。编织袋被输送至轨道预留缝隙中后，通过多组输送摩擦轮，使其沿轨道到达指定位置，至此完成取袋输送的全部过程。此设计简单实用，准确度高，控制要求低，易于操作。

图2 取袋装置

2.2 开袋填充子装置设计

开袋填充子装置由开袋夹手、开袋摩擦轮、填充支撑板等部分组成，如图3所示。当编织袋被输送至指定位置时，开袋摩擦轮降下。通过摩擦轮的旋转，编织袋靠近开袋摩擦轮的一侧滞后于另一侧，在下侧超前上侧指定的距离后，一组开袋夹手夹住编织袋下侧，并通过填充支撑板上的槽口（图中未画出）下降，为另一组开袋夹手提供空间。之后，控制开袋摩擦轮与编织袋分离，另一组开袋夹手夹住编织袋上侧，并由两开袋夹手配合撑开编织袋并对准填充口，完成开袋操作[16]。此过程要求编织袋夹手夹取编织袋上下边的快速性、平稳性和准确性。

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图3 开袋填充子装置

填充的开关主要由分料装置控制。在接收到填充指令后，管道内的马铃薯将从板面处释放，顺着旋转板落入袋中，当到达指定填充时间后，封闭管道，停止对马铃薯的输送，并转向填充另一编织袋。在填充过程中，由质量检测装置通过检测填充重量控制是否进行下一环节。若袋中马铃薯重量未达到最低限度或未进行填充，则装置位置保持不变，直到检测到重量增加为止；若在指定时间内，规定重量与袋中重量之差超出最大允许范围，则需要计算剩余重量，重新规划填充时间，直到填充至允许范围；若在指定时间内达到要求，则进入下一环节[17]。

2.3 封口落袋子装置设计

封口落袋子装置主要由封口系统、落袋系统两部分组成。封口系统由缝包机、束口夹板、同步带组、支撑架四部分组成，如图4所示。根据缝包机缝纫原理[18]，配备前置束口板辅助封口，增加自动控制功能，由轨迹控制系统及缝纫控制系统实现。

图4 束口封袋一体化装置

考虑到封口需要易于拆卸，课题组选择一端松开即可全部松脱的链式缝合线迹。其同时可以实现快速缝纫，能够缩短封口时长。缝纫线主要考虑经济成本，故选择强度高、耐磨、不霉不腐且价格低的涤纶线，编织袋属于厚料子，因此规格选择20S/2。

封口时，缝纫机构及束口板在轨迹控制系统的控制下，同时沿同步带轨道向袋口方向移动。支撑架主要负责支撑连接缝包机与同步带轨道，并使缝包机能超前轨道进行缝纫。同步带轨道具有运行平稳的特点，适合轻载传动。束口夹板与缝包机同步直线运动，在靠近袋口时，夹板聚拢束口为封口提供条件。当缝纫机构移动到指定工作位置并接触袋子时，通过传感器将信号传递到缝纫控制系统，在控制系统的控制下，缝纫机构开始自动缝纫。缝纫机构沿轨道移动一段袋宽长度距离，进行缝纫封口，当缝纫机构离开袋口时，在缝纫控制系统的控制下将自动停止缝纫工作。

落袋系统主要利用液压系统实现，由液压抬升机构与落袋板组成，如图5所示。封口完毕后，支撑板在液压系统的控制下，一侧抬起，填充好的袋子自由下落，完成落袋[19]。缝纫机构在轨迹控制系统的控制下，沿轨道回到初始位置，承重板在液压系统的控制下，一侧落下，缝纫装置归位，等待下一次工作循环。

图5 落袋系统

3 各子装置工作指标计算

由于车载式马铃薯自动装袋装置要实现连续填充，因此要对各装置的衔接做一定要求，即对每个环节的工作时间做出要求，分别包括取袋时间t1，输送时间t2，开袋时间t3。由于封口落袋的时间为选定值，只需控制封口速度v4即可。而取袋、输送时间又分别由抬升力F与输送压力F0控制，因而要对抬升力F与输送压力F0进行控制，使装置能达到指定的工作效率。由于装置包含取袋输送部分、开袋填充部分以及封口落袋部分，故要求t1+t2+t3＜17 s。

3.1 取袋时间与抬升力计算

编织袋材料之间的摩擦系数f1=0.12，摩擦轮材料与编织袋之间的摩擦系数f2=1.5，传送板材料与编织袋材料之间的摩擦系数f3=0.2，所用编织袋质量约为150 g。

式中，F为抬升板对编织袋的力，Ff1为下编织袋对上编织袋的摩擦力，Ff2为摩擦轮对编织袋的驱动力。

式中，m为一个编织袋的质量，a1为编织袋被取出时的加速度（假设加速度恒定）。

式中，v1为取袋时达到的最大速度，t11为取袋加速时间，t12为匀速取袋时间，S1为取袋的路程，由设计测量可得S1=400 mm。

3.2 输送时间与输送压力计算

进入输送轨道的编织袋在摩擦轮的作用下运动，在假设编织袋运动的加速度恒定条件下，对其进行受力分析，可得：

式中，F0为传送摩擦轮对编织袋的压力，a2为编织袋输送开始的加速度。

式中，v2为输送时达到的最大速度，t21为加速传送时间，t22为匀速传送时间，S21为加速传送距离，S22为匀速传送距离，t21+t22=t2，S21+S22=S2，S2为传送至开袋处的路程，由设计测量可得S2=1 000 mm。

伺服电机驱动加速时间为0.05 s ～0.5 s，取t11=t21=0.3 s，初取t2=5 s。

联立方程（1）（2）（3）（5）（6）（7）（8）（9），可得：

取F0=1.2F，代入数值，解得：

将F=120 N代入求得：

将F=35 N，F0=42 N代回，求得：

联立方程（1）（2）（3）（4）（5），并取F=120 N代入，得：

3.3 开袋时间计算

已知夹手夹持部分长度为60 mm，开袋时下部超前运动S3=60 mm，取夹手开袋时间t31=2 s，编织袋在开袋处减速时间t32=t11=t21=0.3 s，则有：

联立方程（11）（12）（13），解得

综上所述，t1+t2+t3=15.505 s＜17 s，满足要求。

3.4 封口速度计算

选用缝包机的封口时间t4=4 s，封口距离S4=800 mm，功率P=300 W，则：

解得v4=0.2 m/s。

通过上述对自动装袋各子装置的分析计算，得到取袋时间t1，输送时间t2，开袋时间t3，封口速度v4，抬升力F与输送压力F0六个工作指标，如表2所示。通过控制这六个工作指标实现车载式马铃薯自动装袋装置6 300 kg/h的装袋效率。

表2 各部分工作指标

4 结论

本装置的设计集取袋、开袋、填充、封袋、落袋于一体，通过取袋输送子装置、开袋填充子装置、封口落袋子装置的相互配合，完成高效率、自动化的马铃薯装袋作业。采用多环、同区域的空间布局，减小了装置整体所占空间，能够很好地满足车载运输的要求。同时，采用两组自动装袋装置间歇填充的设计方案，达到马铃薯连续装袋的效果，解决了人工装袋装袋效率低、成本高的问题，极大地提高了马铃薯装袋效率，并减少了人工成本。该装置具有良好的社会效益与经济效益，市场前景广阔。