王明旭 何穎臻 趙子炎 賀文斌 丁樂樂

(河南工業(yè)大學(xué)，河南 鄭州 450001)

為確保國家糧食戰(zhàn)略安全[1]，順應(yīng)建設(shè)智慧化糧庫需求[2-3]、實現(xiàn)糧食物流環(huán)節(jié)各節(jié)點全程智能化要求，擺脫國外企業(yè)對中國高端糧食儲運物流裝備的技術(shù)壟斷，滿足中國糧食倉儲裝備的發(fā)展戰(zhàn)略需求[4-5]。以智能化機(jī)械代替人力[6]，解放生產(chǎn)力，提高生產(chǎn)效率，是現(xiàn)階段糧食倉儲裝備研究的方向。

平房倉倉底余糧中混雜著大量的灰塵，若不進(jìn)行清掃，進(jìn)糧過程中存在大量揚塵的問題。調(diào)查[7]顯示，糧庫采取半機(jī)械化進(jìn)出倉方式，對所儲藏糧食損失率高達(dá)0.62%。同時，平房倉倉底余糧中存在大量的病蟲、微生物、細(xì)菌等有害物質(zhì)，若不及時清掃，有害物質(zhì)會影響余糧及二次進(jìn)倉的糧食的質(zhì)量安全[8]。

試驗擬基于仿真和數(shù)值計算的方式對清掃收集裝置的關(guān)鍵部件的可靠性進(jìn)行相關(guān)分析，并對制造樣機(jī)進(jìn)行驗證實驗，檢驗實際清掃效果，旨在為國家當(dāng)前所提出的建設(shè)智慧糧庫提供裝備與技術(shù)依據(jù)。

1 整體設(shè)計及工作原理

清掃收集裝置整體模型如圖1所示，主要由4個模塊組成：清掃模塊、傳送模塊、收集模塊和行走模塊。行走模塊通過電機(jī)輪帶動整體裝置行走。清掃模塊是將該模塊與地面的摩擦力轉(zhuǎn)變?yōu)榍岸饲鍜哐b置的旋轉(zhuǎn)動力，實現(xiàn)高效清掃，其掃起的糧食顆粒進(jìn)入傳送模塊中。傳送模塊利用電機(jī)帶動波紋擋邊帶，對物料進(jìn)行收集、提升并送入到收集模塊。收集模塊采用自主設(shè)計的收糧盒，可以根據(jù)散落糧量，自動裝卸，從而提高散落糧食的收集效率，改變傳統(tǒng)收集方式，確保散落糧食的及時清掃以及下一階段糧食的及時入倉。該裝置的動力由新型能源鋰電池提供，可初步實現(xiàn)自動化的目標(biāo)。

1. 清掃模塊 2. 傳送模塊 3. 收集模塊 4. 行走模塊

2 主要模塊設(shè)計

2.1 清掃模塊

清掃模塊的作用是將糧倉地面上散落的糧食顆粒集中后掃起使其能進(jìn)入到傳送模塊，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中，最前端的旋轉(zhuǎn)清掃刷由一組蝸輪蝸桿為其提供動力，蝸輪蝸桿位于清掃刷的下端，在裝置的行進(jìn)過程中蝸輪構(gòu)件與地面接觸，通過該裝置與地面的摩擦力帶動與旋轉(zhuǎn)清掃刷相連的齒輪蝸桿，使前端兩側(cè)的旋轉(zhuǎn)清掃刷旋轉(zhuǎn)，散落的糧食顆粒由旋轉(zhuǎn)清掃刷集中掃入小車內(nèi)部。除塵旋轉(zhuǎn)刷的動力提供構(gòu)件是位于旋轉(zhuǎn)刷兩側(cè)的輪子，由內(nèi)部齒輪傳動，行進(jìn)過程中，利用輪子與地面的摩擦帶動除塵旋轉(zhuǎn)刷兩側(cè)的一組齒輪，使除塵旋轉(zhuǎn)刷轉(zhuǎn)動。清掃模塊與車架通過兩根連桿相連，連桿與水平面的夾角為45°。當(dāng)裝置向前行進(jìn)時，通過兩根連桿對力的傳導(dǎo)使清掃模塊受到兩個方向上的力。水平方向上的力會帶動清掃模塊前進(jìn)，豎直方向上的力與清掃模塊的自重相疊加使其與地面有較大的下壓力。糧庫地面多為混凝土地面，摩擦力較大且較為平整，這使得清掃模塊的清掃效率可靠性較高。除塵旋轉(zhuǎn)刷將旋轉(zhuǎn)清掃刷集中的糧粒掃起，使其落到傳送模塊上。

表1 清掃模塊相關(guān)參數(shù)

1. 旋轉(zhuǎn)清掃刷 2. 蝸輪蝸桿 3. 除塵旋轉(zhuǎn)刷

2.2 傳送模塊

傳送模塊主要由一套波紋擋邊帶機(jī)構(gòu)組成，目的是收集清掃所得糧粒并將其傳送到收集模塊中，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。對于大多數(shù)的清掃裝置，目前被廣泛使用的是氣力式傳送方式，但其存在動力消耗大，磨損嚴(yán)重等問題且對物料破壞性強(qiáng)，不適合于糧倉散糧的清掃傳送。試驗采用波紋擋邊帶運送清掃后的散糧，其由基帶、波紋狀擋邊和橫隔板3部分組成。波紋擋邊帶具有傳送速度合適、效率高、能耗低的優(yōu)點，且適合小型清掃裝置的裝載，對散糧物料的運輸契合度較高，鑒于小顆粒的散糧與傳送帶的摩擦力較小，故設(shè)置一定高度的橫隔板來幫助運送物料。基帶是輸送機(jī)的牽引元件，承受張力，支撐輸送帶時，要求基帶橫向有足夠的強(qiáng)度，在基帶芯體的橫向加入加強(qiáng)層，在縱向保持了撓度，使輸送帶能夠通過轉(zhuǎn)向和凹凸的彎曲。采用波紋擋邊帶使傳送帶經(jīng)過轉(zhuǎn)向和凹凸弧段時，擋邊不受過大的附加拉、壓應(yīng)力，且能自由伸縮。橫隔板能夠保證物料不向下滑動。傳送模塊設(shè)計有張緊裝置，保證波紋擋邊帶的可靠運行。

1. 接糧軸 2. 波紋擋邊帶 3. 轉(zhuǎn)向軸 4. 張緊裝置 5. 主傳動軸

設(shè)置裝置的作業(yè)寬度為1 000 mm，清掃物料的高度約為10 mm，前進(jìn)速度0.5 m/s，則1 s內(nèi)收集物料的體積：

v=0.5×1 000×10×100=5×105mm2。

波紋擋邊帶的橫隔板高度為15 mm，每個橫隔板間隔寬度為35 mm，有效接糧寬度為220 mm，故1節(jié)波紋擋邊可傳送的物料體積：

v′=220×15×35×1/2=57 750 mm2。

則每秒至少需要波紋擋邊節(jié)數(shù)：i=v/v′≈9。

已知每個橫隔板間隔寬度為35 mm，所以每秒波紋擋邊帶傳送距離為315 mm。

主傳動軸的直徑d=28 mm，則周長約為88 mm，主傳動軸的轉(zhuǎn)速n=240 r/min，所以每秒主傳動軸帶動波紋擋邊帶前進(jìn)距離為352 mm，大于所需波紋擋邊帶速度，所以合理。

2.3 收集模塊

收集模塊主要有收集物料和自動卸料兩大功能，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。由波紋擋邊帶輸送過來的物料最終將落入尾部的收糧盒中，隨著裝置的向前移動，物料將產(chǎn)生堆積。當(dāng)物料達(dá)到所設(shè)定最大物料接收量時，收糧盒的傳感器會收到信號，整個裝置隨即停止前進(jìn)，控制傳送模塊電機(jī)停轉(zhuǎn)使之停止輸送。同時控制收糧盒末端的電動推桿抬起，使擋板向上抬升。收糧盒近似錐形，全部物料將從預(yù)留孔洞排出。由于物料堆積會阻礙物料的流出，所以收糧盒距離地面有一定的高度，保證了物料能夠全部流出。當(dāng)物料全部流出后，控制裝置將控制電動推桿下移，擋板重新遮住預(yù)留孔洞。同時控制電動機(jī)繼續(xù)工作，進(jìn)行清掃收集任務(wù)。為減少工作量，事先在糧倉中設(shè)置卸糧地點，當(dāng)收集散糧裝滿收糧盒后，裝置自動識別所處位置，繼而將糧食卸在指定地點。收糧盒的滿載容量為30 kg。

1. 收糧盒 2. 電動推桿

2.4 行走模塊

行走模塊是由主體兩側(cè)的兩個電機(jī)輪所帶動，輪中設(shè)置電機(jī)提供動力，與傳統(tǒng)的動力方式相比其能耗更低。兩側(cè)的電機(jī)輪相互獨立，可由控制系統(tǒng)分別控制產(chǎn)生相對速度，通過速度差進(jìn)行轉(zhuǎn)向。而裝置后端的萬向輪主要負(fù)責(zé)支撐裝置以及協(xié)助轉(zhuǎn)向，進(jìn)而使裝置的清掃范圍覆蓋全部糧倉。目前整體裝置采用西門子PLC進(jìn)行控制，通過觸摸板控制兩個電機(jī)輪的速度差完成轉(zhuǎn)向和前進(jìn)動作，人工只需要簡單的遠(yuǎn)程操作控制就能完成平房倉余糧的清掃工作。

3 高效清掃收集裝置關(guān)鍵部件仿真分析

3.1 仿真參數(shù)

根據(jù)設(shè)計要求，除清掃模塊外，其余模塊的主要零部件均采用45#鋼為材料進(jìn)行加工制造。

3.2 重要構(gòu)件的仿真分析

清掃裝置的絕大部分重量都集中在除清掃模塊外的后半部分，并且傳送模塊和收集模塊均固定在機(jī)架上，機(jī)架承受了較大的壓力。主傳動軸是傳送模塊最重要的構(gòu)件，為整個傳送模塊提供動力傳遞。為保證裝置實現(xiàn)可靠運行，對清掃搜集裝置的核心零部件整體機(jī)架和主傳動軸分別進(jìn)行計算分析。運用SolidWorks進(jìn)行三維建模，建立機(jī)架和主傳動軸的三維模型如圖5所示。

圖5 機(jī)架和主傳動軸的三維模型

3.2.1 整體機(jī)架 機(jī)架是焊接而成的，根據(jù)與波紋擋邊帶提升裝置的連接關(guān)系和收糧盒最大承重數(shù)據(jù)，該機(jī)架承受豎直方向的壓力，故將該機(jī)架的下表面加以固定并施加載荷。根據(jù)機(jī)架的受力分析，載荷施加在該機(jī)架的上表面，方向豎直向下。材料許用彎曲應(yīng)力為[σ]=70 MPa。由圖6可知，整體機(jī)架的最大應(yīng)力為49.8 MPa，最大載荷小于材料屈服應(yīng)力，符合設(shè)計要求。

圖6 整體機(jī)架的應(yīng)變和應(yīng)力圖

3.2.2 主傳動軸 波紋擋邊帶及軸自重為20 kg，總支反力F=200 N。由平衡條件知，各軸承處的支反力為FN1=FN2=100 N，豎直向上。由彎曲特點知，中間處的彎曲變形最大，故中間截面產(chǎn)生的彎矩最大。

帶動主傳動軸的電機(jī)額定功率為p=120 W，傳動效率為η1=0.96，主傳動軸轉(zhuǎn)速n=240 r/min，則

p1=p×η1=120×0.96=115.2 W，

傳動軸所受扭矩大小T1=9 950p1/η1=9 950×0.115 2/240=4.584 N/m。

由圖7可知，工作最大應(yīng)力為14.7 MPa，小于其材料許用彎曲應(yīng)力，符合設(shè)計要求。

圖7 主傳動軸的應(yīng)變和應(yīng)力圖

4 裝置實際效果分析

根據(jù)所設(shè)計的技術(shù)要求制造出裝置實物進(jìn)行試驗。裝置前端清掃部分的動力由輪子與地面摩擦力提供，由于裝置的工作環(huán)境主要在糧倉附近，工作路面多為坡度很小的平坦混凝土路面[9]，摩擦力較為穩(wěn)定，可保證前端清掃部分的清掃效果。利用與地面的摩擦力，試驗裝置不耗電、不用油，在節(jié)能環(huán)保的同時，因其結(jié)構(gòu)簡單，故障率低，方便工人使用和維護(hù)，并且該裝置不會對糧食造成污染，確保糧食安全。驗證實驗表明，正常工作條件下，一次清掃能收集地面余糧的90%，同一位置進(jìn)行二次清掃可達(dá)到收集余糧的99%，清掃效率極高，減少了糧倉內(nèi)糧粒的損失。裝置滿載容量為30 kg，能夠自動清掃和裝卸，可以縮短50%的清掃時間，降低糧倉維護(hù)的人工成本，間接地提高了糧倉的經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié)論

基于高效自動化設(shè)計思想設(shè)計了一種平房倉倉底余糧清掃收集裝置。該裝置主要通過清掃模塊、傳送模塊、收集模塊和行走模塊之間的相互協(xié)作完成清掃任務(wù)。驗證實驗表明，該清掃裝置解決了傳統(tǒng)方式需要的大量人力和效率低下的難題，完成了余糧清掃的機(jī)械化，利于糧倉大型化和規(guī)?；?。目前該清掃裝置已基本實現(xiàn)自動化，以此為基礎(chǔ)在后續(xù)的升級改進(jìn)中逐步實現(xiàn)智能化和無人化的清掃過程。