[摘要]當(dāng)前國內(nèi)大部分有機肥料打包方式都是采用半自動人工裝袋，且由于有機肥料的特性，該方式是有機農(nóng)業(yè)發(fā)展的瓶頸。有機肥料自動打包機具有自動開續(xù)袋、稱重、封口和傳送的功能，整機設(shè)計簡潔、打包速度快、占地面積小、工作流暢穩(wěn)定、協(xié)調(diào)性良好、打包質(zhì)量氣密性好，實現(xiàn)了全自動批量稱重、打包、封口一體化作業(yè)，解決了需要人工輔助、工作環(huán)境惡劣、打包效率低下、氣密性不足導(dǎo)致肥料變質(zhì)的問題。

[關(guān)鍵詞]有機肥料;自動;打包

中圖分類號：TB486 文獻標識碼：A DOI：10.16465/j.gste.cn431252ts.201810

有機肥料是指含有大量有機物質(zhì)的肥料，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)起到了重要的作用。有機肥施入土壤，經(jīng)微生物分解，可源源不斷地釋放各種養(yǎng)分供植物吸收，還能釋放二氧化碳，改善作物碳素營養(yǎng)。未來我國有機肥生產(chǎn)的產(chǎn)業(yè)化進程會有所加快，一方面，有機農(nóng)業(yè)的迅速崛起和化肥價格持續(xù)攀升有力地拉動了國內(nèi)有機肥需求市場的擴大與活躍，而我國豐富的養(yǎng)殖場的廢棄資源又為有機肥產(chǎn)業(yè)做大做強提供了數(shù)量龐大且來源穩(wěn)定的有機原料空間，有機肥產(chǎn)業(yè)化有效地解決了規(guī)?；B(yǎng)殖場由于缺乏有效處理手段而出現(xiàn)大量糞便堆積的問題;另一方面，國家和各地政府為發(fā)展有機肥產(chǎn)業(yè)出臺了多種鼓勵政策，施用有機肥財政補貼的做法激發(fā)了農(nóng)業(yè)和林業(yè)應(yīng)用有機肥的積極性，特別是2018年財政部、國家稅務(wù)總局出臺有機肥產(chǎn)品免征增值稅的相關(guān)政策，對有機肥產(chǎn)業(yè)規(guī)模的擴大產(chǎn)生了重要的激勵作用[1-2]。

1 設(shè)計方案

1.1 整體結(jié)構(gòu)

有機肥料自動打包機結(jié)構(gòu)見圖1。如圖1所示，所設(shè)計的有機肥料打包機整機分為三大模塊：第一模塊為PLC控制計量稱重;第二模塊為自動切封袋模塊，包含提袋裝置、熱封裝置、絲桿裝置、切袋裝置;第三模塊為續(xù)袋模塊，包含送袋裝置、定袋裝置。其中1為稱重落料裝置、2為提袋裝置、3為熱封裝置、4為絲桿裝置、5為切袋裝置、6為定袋裝置、7為送袋裝置。為了能夠更好地對打包機的設(shè)計進行驗證，同時減少加工成本，以原定袋裝草料質(zhì)量的1/10（質(zhì)量為0.5～1.5kg）為基礎(chǔ)進行設(shè)計，主要設(shè)計參數(shù)：電源24V、整機質(zhì)量25kg、長1m、寬0.5m、高1. 3m。

1.2 工作原理

為了實現(xiàn)有機肥料精確裝入袋中，有機肥料自動打包機整體以鋁制型材作為緊固與受力的基本框架結(jié)構(gòu)。本機通過包裝袋預(yù)準備、落料、封口、出袋四個步驟實現(xiàn)自動化打包有機肥料。第一步為包裝袋預(yù)準備，包裝袋采用卷形包裝袋，與錐形滾軸相適應(yīng)，包裝袋前端通過置物臺直形縫隙結(jié)構(gòu)，裝置工作時，真空負壓吸盤在汽缸作用下吸附包裝袋，并且開始提升動作，完成提升指定包裝袋長度工作后，下封袋裝置運行，將包裝袋下部進行熱封，熱封后通過切刀去離包裝袋;第二步為落料，回轉(zhuǎn)氣缸在稱重達到預(yù)定尺寸，控制氣缸控制進料口完全關(guān)閉后，使稱重控制板回轉(zhuǎn)，將稱量完畢的粉料從料倉中送入包裝機械的包裝袋中;第三步為包裝袋上封口，完成壓實有機肥料后，上封口裝置將包裝袋壓實封緊，打包機工作完成。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計

2.1 提袋裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

提袋裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計見圖2，其中1為絲桿電機、2為絲桿、3為真空發(fā)生氣器、4為氣管、5為吸盤、6為氣缸。該提袋裝置以工業(yè)生產(chǎn)中的吸盤搬運設(shè)備為模型改造而來，采用雙向氣缸控制真空負壓吸盤的往復(fù)運動，同時利用真空發(fā)生器制造吸盤的真空環(huán)境，并使用電磁閥控制氣體的流通[3]。控制系統(tǒng)采用外國生產(chǎn)的電子元件及西門子可編程控制器，設(shè)有專門提袋系統(tǒng)，保證高穩(wěn)定性和工作效率。三個吸盤用固定件安裝在鋁型材上并用氣管連接到真空發(fā)生器上，連接口設(shè)置電磁閥。控制氣缸控制兩氣缸推桿運動從而完成吸盤裝置的往復(fù)運動，固定螺栓上有彈簧使吸盤與打包袋貼合更緊密，并能起到一定的緩沖作用。

工作開始后，兩排吸盤在推桿的作用下壓緊打包袋，此時電磁閥接受指令打開開關(guān)，管道連通，吸盤內(nèi)空氣被抽空，吸盤牢牢吸住袋子。隨后，繼續(xù)完成兩排吸盤分開完成撐袋，并在升降機的作用下完成提袋工作。

2.2 熱封裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

熱封裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計見圖3，其中1為絲桿電機、2為絲桿、3為氣缸、4為可控?zé)岱鈯A片、5為剪斷機構(gòu)。熱封裝置主要負責(zé)實現(xiàn)包裝袋底部和頂部兩次熱封以及底部剪斷三個機械工藝動作。上下熱封裝置左右兩邊各由氣缸和可控?zé)岱鈯A片組成，剪斷機構(gòu)依附下熱封機構(gòu)，通過氣缸控制左右兩邊的熱封夾片水平相向移動，在完成下封口時同時完成袋底的剪斷。

當(dāng)袋子經(jīng)載物臺上方兩邊，由步進電機控制的移動滑塊將開口擠壓成薄片狀并保留一定的間隙后，兩側(cè)滑塊上的熱封裝置將擠壓后兩層重疊的編織袋放在兩塊加熱（或者其中一塊加熱）的金屬板之間，直到表層熔化，在壓力下使熔化的表面迅速結(jié)合在一起，并保持壓力至冷卻為止，步進電機控制移動絲桿向裝置兩邊移動完成熱封全過程[4-5]。

2.3 稱重落料模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計

計量稱重模塊分解見圖4，其中1為進料口、2為氣缸推動板、3為雙作用氣缸、4為氣缸轉(zhuǎn)動板、5為回轉(zhuǎn)氣缸傳動軸、6為出料管。該模塊采用雙向氣缸控制送料口尺寸，同時利用氣缸多工位達到控制流量精度目的，在裝袋接近所需重量時減小送料口尺寸，保證滿足±20g精度的目的。控制系統(tǒng)采用精密的電子稱重儀表及西門子可編程控制器，設(shè)有專門稱重系統(tǒng)，保證很高的包裝精度、很高的可靠性和迅速的送料效率。進料口與頂部倉庫連接，引導(dǎo)粉料從倉庫落入稱量裝置中，控制氣缸控制兩氣缸推桿運動，氣缸多個工位控制推桿三個不同的相對位置，在送料開始、稱量1/2、稱量完成，控制氣缸的三個工位，保證三個不同大小的開口尺寸[6-7]?；剞D(zhuǎn)氣缸在稱重達到預(yù)定尺寸，控制氣缸控制進料口完全關(guān)閉后，使稱重控制板回轉(zhuǎn)，將稱量完畢的粉料從料倉中送入包裝機械的包裝袋里。

3 理論計算與ANSYS分析

3.1 提袋續(xù)袋力臂的受力情況分析

3.1.1 氣動機械臂有限元靜力分析

線彈性有限元是以理想彈性體為研究對象考慮的變形建立在小變形假設(shè)的基礎(chǔ)上。由于均勻、連續(xù)、各向同性彈性體的應(yīng)力與應(yīng)變及其與外負荷之間呈線性關(guān)系滿足廣義胡克定律，因此求解彈性力學(xué)基本公式是計算結(jié)構(gòu)強度的主要依據(jù)。

（1）平衡方程。彈性體V域內(nèi)任一點沿坐標軸x、y、z方向的平衡方程為：

（1）

（2）

（3）

其中為單位體積的體積力在x、y、z方向的分量。且有。平衡方程的矩陣形式為：

（4）

其中，A是微分算子，即：

（5）

是體積力向量，即：

（6）

（2）應(yīng)變-位移幾何方程。當(dāng)所研究的彈性體發(fā)生變形建立在小變形，小位移的情況下，省略位移導(dǎo)數(shù)的高次冪，求得應(yīng)變向量和位移向量之間存在的幾何關(guān)系為：

、 、" " " " " " " " " " " " " " " " " "（7）

（8）

（9）

（10）

應(yīng)變-位移方程矩陣形式為：

ε=Pu=PMt=P[M1 M2...Mn]t

=[T1 T2...Tn]t=Tt" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " "（11）

其中，P為微分算子，M為形函數(shù)，t為單元結(jié)點位移列陣，T為應(yīng)變矩陣。

T的分塊子矩陣為：

（12）

式中，i=1，2，...，n。

由應(yīng)變-位移方程可知，當(dāng)彈性體的位移完全確定時，應(yīng)變也完全確定。

3.1.2 氣動機械臂連桿加載并求解

根據(jù)吸盤開袋、提袋使用情況，對氣動機械臂連桿進行邊界條件及載荷施加。邊界條件的施加與氣動機械臂連桿工作實際情況是否吻合直接關(guān)系應(yīng)變-位移結(jié)果的正確性、合理性。在實際工作中，氣動機械臂連桿的大端連接機器內(nèi)部，而小端與吸盤開袋裝置上方軸承相配合。選取連桿大端面作為約束面，施加平移約束，在連桿小端面固定端最遠處弧面施加工作載荷為30N壓力[8]。將所有載荷加載完畢之后，運行ANSYS求解器，分析結(jié)果如圖5～6所示。

3.1.3 結(jié)論

（1）氣動機械臂連桿工作載荷施加的均勻性、對稱性和準確性是造成連桿的桿身、大端和小端直徑以及長度大小的應(yīng)力計算結(jié)果不同的主要原因。因此在有限元的分析中，采用科學(xué)的力學(xué)模型以及使用準確的邊界條件進行約束，決定分析結(jié)果的準確性。（2）氣動機械臂連桿危險斷面位于小端頂部和桿身端面的過渡區(qū)。（3）分析應(yīng)力分布圖可知，連桿小端面前段是受力最嚴重的地方，所以在進行連桿結(jié)構(gòu)設(shè)計時，小端面需要足夠的直徑滿足氣動機械臂，當(dāng)具有載荷施加情況下工作時具備可行性、安全性。特別注意小端面與大端面間過渡面的連接處，應(yīng)使該處的直徑在合理范圍內(nèi)大一些，以防止工作過程中應(yīng)力集中對機械臂連桿造成損害。

3.2 熱封袋口

3.2.1 熱封袋口工藝參數(shù)實驗

當(dāng)熱封溫度為150℃時，熱封強度值呈現(xiàn)緩慢增加趨勢;當(dāng)熱封溫度為160℃和170℃時，隨熱封時間的增加，熱封強度值均呈現(xiàn)先增加后緩慢減小的趨勢;熱封溫度為180℃和190℃時，熱封強度值隨時間呈單調(diào)遞減趨勢，分析結(jié)果如圖7所示[9-10]。

3.2.2 熱封材料選擇

包裝材料熱封試驗機就是采用熱壓封口法對塑料薄膜和復(fù)合軟包裝材料的熱封溫度、熱封壓力和熱封時間等熱封性能參數(shù)進行測定，以獲得較為精確的熱封性能指標。其工作原理是由調(diào)節(jié)在一定壓力的空氣壓縮機將壓縮空氣送入氣缸內(nèi)，由時間繼電器使電磁閥啟動，通過改變氣缸內(nèi)的加壓方向使調(diào)節(jié)在一定溫度的加熱棒上下運動，使包裝材料在一定的熱封溫度、熱封壓力和熱封時間下進行熱封。通過改變熱封溫度、熱封壓力和熱封時間，獲得包裝材料的熱封工藝參數(shù)范圍和最佳熱封工藝參數(shù)。在熱封壓力0.2MPa下，選取熱封溫度為150℃、160℃、170℃、180℃和190℃，熱封時間為0.5s、1.0s、1.5s、2.0s和2.5s。

4 結(jié) 論

設(shè)計該有機肥料自動打包機實現(xiàn)了有機肥料的連續(xù)自動打包，主要的創(chuàng)新點有：（1）由有機肥料有難聞氣味的特點，使用熱封代替線封，解決了有機肥料異味，延長有機肥料的保存時長。（2）采用負壓吸盤提袋續(xù)袋，相較于傳統(tǒng)機械提袋法，減少了對包裝袋的損壞，包裝材料的利用率提高了5%。（3）采用二級分段式稱量，減小了產(chǎn)品均值的誤差。該打包機有效地解決了有機肥料的包裝儲存問題，提高了生產(chǎn)效率、降低了勞動成本、改善了工人的工作環(huán)境。同時，今后應(yīng)對機器的智能化、信息化等技術(shù)方面做進一步的研究。

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