鄧春巖,楊 陽,程 輝,李彤宇,楊志剛,陳立東,曹宏偉
(1.河北科技師范學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院,河北 秦皇島 066004;2.清華大學(xué) 深圳研究生院,廣東 深圳 518055;3.灤南縣萬盛機(jī)械制造有限公司,河北 灤南 063500)
水稻秸稈是我國第一大作物的秸稈。據(jù)估算,2010年我國水稻秸稈的總量為1.9億t[1],其主要用于造紙、還田、飼料、肥料、生物質(zhì)能源及加工成草制品等[2-4];但是,也有相當(dāng)一部分沒有得到利用,甚至被焚燒(達(dá)到0.44億t[1]),占總量的23%以上,既污染了大氣,也違反《中華人民共和國大氣污染防治法》。因此,加大水稻秸稈的綜合利用,變廢為寶,其發(fā)展空間還非常巨大。
設(shè)施農(nóng)業(yè)現(xiàn)已成為我國農(nóng)業(yè)的一個重要支柱,發(fā)展非常迅猛。到2015年,我國設(shè)施蔬菜規(guī)模超過333.3萬hm2[5],其越冬保溫的主體材料為水稻編織的草簾。雖然有保溫被等替代草簾的產(chǎn)品,但由于價格較高、吸水率高、保溫性能較差,尚難以廣泛應(yīng)用。因此,草簾的市場需求空間巨大。
目前,我國草簾編織機(jī)生產(chǎn)廠家分布比較分散,規(guī)模較小,主要分布在河北、山東、河南及遼寧等,且產(chǎn)品技術(shù)一致性較強(qiáng),雖然實現(xiàn)了編織環(huán)節(jié)的自動化,但是鋪草環(huán)節(jié)仍需人工操作,用工量大,生產(chǎn)的草簾一致性差。因此,亟需研發(fā)出自動化程度更高的草簾編織設(shè)備。
草簾自動布草機(jī)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。
1.編織機(jī) 2.布草機(jī)機(jī)架 3.鏈輪鏈條 4.布草機(jī)驅(qū)動電機(jī)減速器 5.小車總成 6.喂料斗 7.壓草機(jī)構(gòu)總成 8.分草機(jī)構(gòu)總成 9.理草板機(jī)構(gòu)總成
布草機(jī)由機(jī)架、兩組驅(qū)動鏈輪鏈條、驅(qū)動電機(jī)減速器、小車總成、6個喂料斗、6組壓草機(jī)構(gòu)總成、6組分草機(jī)構(gòu)總成及兩組理草板機(jī)構(gòu)總成等組成。工作時,小車在鏈輪鏈條帶動下,在布草機(jī)內(nèi)部做往復(fù)運動;小車上設(shè)有3個抓草手和3個抓草手上板,每個抓草手由兩個氣缸協(xié)同推動,做往復(fù)擺動,擺動角度為180°;分草總成由3顆針組成,第1顆針為托草針,第2顆針為分草針,第3顆針為壓草針,壓草針隱藏在分草針內(nèi),托草針與分草針之間有一定距離,此距離為每次分草厚度;壓草針有獨立的氣缸驅(qū)動,達(dá)到規(guī)定位置時向下移動或向上移動;理草板是用來整理布放到編織機(jī)上的稻草秸稈,使其更加整齊,在氣缸的驅(qū)動下做往復(fù)運動;壓草總成做圓弧擺動,在分草時向喂料斗內(nèi)部擺動,壓緊喂料斗下部物料,保證物料密實度的一致性;抓草時,向喂料斗外部擺動,使抓草手抽取物料時省力,降低功耗。
工作時,兩側(cè)的喂料斗中水平放置適量的水稻秸稈,當(dāng)小車總成移動到左側(cè)極限抓取到物料時,右側(cè)的壓草爪總成動作,把喂料斗下部物料向下壓實,右側(cè)的分草針總成動作,分出一定量物料,理草板總成在外部位置,等待小車總成放草;小車總成開始向右側(cè)移動,當(dāng)移動到放草位置時,松開抓取的物料,布放到編織機(jī)的右側(cè),理草板迅速內(nèi)移,把布放的物料拍齊,迅速回撤,等待下一次放草。當(dāng)小車總成到達(dá)右測極限時,從右側(cè)喂料斗中抓取物料,左側(cè)的壓草爪總成動作,把喂料斗下部物料壓實,左側(cè)的分草針總成動作,分出一定量物料,理草板總成在外部位置,等待小車總成放草;小車總成開始向左側(cè)移動,當(dāng)移動到放草位置時,松開抓取的物料,布放到編織機(jī)的左側(cè),理草板迅速內(nèi)移,把布放的物料拍齊,迅速回撤,等待下一次放草;小車總成繼續(xù)向左移動,到達(dá)極限時,從左側(cè)喂料斗中抓取物料,右側(cè)壓草總成、分草總成、理草板總成做好準(zhǔn)備。如此循環(huán),實現(xiàn)機(jī)器布草替代人工布草。
小車總成是從布草機(jī)兩側(cè)的喂料斗中抓取一定量的物料,然后按要求布放到編織機(jī)的指定位置,其工作原理如圖2所示。根據(jù)布草的方法和抓放草的需要,抓草手2需做180°的擺動且有4個停留位置。
當(dāng)小車總成從左側(cè)喂料斗抓取物料后向右運動到達(dá)右側(cè)放草位置時,抓草手下擺到如圖2(a)所示位置,放下稻草秸稈,繼續(xù)右移;當(dāng)抓草手上板進(jìn)入到料斗時,抓草手開始上擺,小車總成運動到右極限位置時,抓草手?jǐn)[動到圖2(b)所示位置,抓緊稻草秸稈;小車總成左移,從料斗中抽出物料,到達(dá)左側(cè)放草位置時,抓草手下擺到如圖2(c)所示位置,放下物料,繼續(xù)左移;當(dāng)抓草手上板進(jìn)入到左側(cè)料斗時,抓草手開始上擺,小車總成運動到左極限位置,抓草手?jǐn)[動到圖2(d)所示位置,抓緊稻草秸稈,然后回移。
1.抓草手上板 2.抓草手 3.氣缸A 4.氣缸B 5.偏置擺臂
小車總成由3組抓草手組成,其結(jié)構(gòu)布置如圖3所示。工作時,中間的抓草手放草時間比兩側(cè)的抓草手放草時間提前。
1.氣缸安裝支架 2.抓草手驅(qū)動氣缸 3.電磁控制閥 4.小車支架 5.抓草手 6.抓草手上板
分草機(jī)構(gòu)是從喂料斗中分出一定量的物料,以便于抓草手抓取物料,其結(jié)構(gòu)如圖4所示。
1.分草總成導(dǎo)軌支撐軸 2.氣缸A 3.托草針 4.分草針 5.氣缸B 6.分草針總成導(dǎo)軌移動組件 7.分草針總成導(dǎo)向件 8.壓草針
壓草機(jī)構(gòu)是為了保證分草機(jī)構(gòu)分草的量保持一致,由驅(qū)動軸、擺臂、連桿和壓草爪組成,如圖5所示。
1.喂料斗 2.擺臂 3.驅(qū)動軸 4.連桿 5.壓草爪
壓草機(jī)構(gòu)的工作在分草機(jī)構(gòu)工作之前,電機(jī)通過曲柄擺桿機(jī)構(gòu)帶動擺臂做一定角度的擺動,擺臂通過連桿推動壓草爪進(jìn)行擺動;1個喂料斗需要兩個壓草爪,連桿向上移動時,壓草爪向喂料斗內(nèi)部擺動,壓下喂料斗下部的物料;當(dāng)分草針插入到喂料斗時,壓草爪向外擺動,完全退出喂料斗。
布草機(jī)氣動系統(tǒng)主要由抓草手氣動回路、壓草針與理草板氣動回路、分草針氣動回路、氣源及氣源處理回路組成,如圖6所示。
1.抓草手氣動回路 2.壓草針與理草板氣動回路 3.分草針氣動回路 4.氣源及氣源處理回路
每個抓草手由兩個氣缸驅(qū)動,在五位三通電磁閥控制下,實現(xiàn)抓草手向左或向右擺動,完成抓取或放草動作;兩側(cè)分草針驅(qū)動缸分別由兩位三通電磁閥控制,帶動分草針機(jī)構(gòu)沿機(jī)架前后移動;兩側(cè)壓草針驅(qū)動氣缸和理草板驅(qū)動氣缸分別由兩位三通電磁閥控制,同時控制3個壓草驅(qū)動氣缸與理草板驅(qū)動氣缸,配合分草針驅(qū)動氣缸,實現(xiàn)稻草的分出與整理動作。
NBJ-1.6草簾自動布草機(jī)由灤南縣萬盛機(jī)械制造有限公司生產(chǎn),樣機(jī)配套電動機(jī)功率為2.0kW、外形尺寸為 3 100mm×3 200mm×1 900mm(長×寬×高)。該樣機(jī)于2017年4月在該廠的車間進(jìn)行了生產(chǎn)試驗,生產(chǎn)草簾240m;于2017年9月在現(xiàn)場進(jìn)行了生產(chǎn)試驗,生產(chǎn)草簾5 400m,如圖7所示。
圖7 生產(chǎn)試驗圖Fig.7 Commissioning
現(xiàn)場試驗條件如表 1所示。
表1 試驗條件Table 1 Condition of experiment
根據(jù)灤南縣萬盛機(jī)械制造有限公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/WSJ01-2015(B/13021393-4913-2015),對自動布草機(jī)的布草速度、布草量及生產(chǎn)的草簾的技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行檢測,同時考察布草機(jī)的工作性能及與編織機(jī)的匹配程度。
生產(chǎn)車間的試驗表明:布草機(jī)能夠較好地完成機(jī)器布草,布草速度在12~16次/min之間可調(diào);調(diào)整分草針的高度實現(xiàn)布草量的調(diào)節(jié),調(diào)整范圍在15~65mm范圍內(nèi),從而實現(xiàn)草簾的厚度的調(diào)整?,F(xiàn)場試驗時,布草速度采用15次/min,分草針的高度分別調(diào)整為35、45、30mm,草簾的寬度為1 600mm,平均厚度34.6mm,生產(chǎn)速度達(dá)到180m/h,生產(chǎn)的草簾的均勻性、平整度均優(yōu)于人工鋪草生產(chǎn)的草簾。
該機(jī)在現(xiàn)場試驗時,主要存在以下問題:①布草機(jī)在布草時,稻草秸稈在運送過程中發(fā)生傾斜。原因可能是由于稻草的根部與頂部質(zhì)量不同,輕的部分速度較快,同時由于理草板在整理過程中與稻草秸稈根部有摩擦,造成根部運送速度較慢。后期將對理草板的結(jié)構(gòu)、運動和編織機(jī)運送機(jī)構(gòu)進(jìn)行研究改進(jìn),以進(jìn)一步提高整機(jī)的性能。②布草機(jī)與編織機(jī)的匹配調(diào)整需要停機(jī),未能實現(xiàn)智能化匹配。
1)研制了草簾自動布草機(jī),由小車總成機(jī)構(gòu)、分草機(jī)構(gòu)、壓草機(jī)構(gòu)聯(lián)動配合,實現(xiàn)了稻草秸稈的自動布草,可以代替人工布草。
生產(chǎn)試驗表明:該機(jī)生產(chǎn)幅寬1 600mm的草簾,厚度的均勻性≤18.87%,一致性好,表面平整,優(yōu)于人工布草。其生產(chǎn)速度達(dá)到了180m/h,減少用工4~6人,改善了工作環(huán)境,降低了勞動強(qiáng)度,在國內(nèi)外屬于首創(chuàng)。