山東理工大學(xué)農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院 王琳琳 邱田元 劉洋 陳為鵬 蓋金星 張寶昌 楊善東

引言

自1995年以來，我國馬鈴薯種植面積和總產(chǎn)量均位于世界前列，加之2015年我國提出馬鈴薯主糧化戰(zhàn)略以來，國家給予馬鈴薯行業(yè)高度關(guān)注，提出要充分利用南方冬閑田擴(kuò)大馬鈴薯種植面積[1]。我國馬鈴薯倉儲(chǔ)設(shè)備起步較晚，發(fā)展緩慢，制約著馬鈴薯種植業(yè)的發(fā)展。目前國內(nèi)研究馬鈴薯倉儲(chǔ)設(shè)備的公司較少，有山東希成公司、澤豐機(jī)械、德沃公司等。學(xué)者姚建輝研制了一款堆垛機(jī)能夠滿足不同堆垛高度的需求，工作效率可達(dá)30t/h[2]。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，大概有70%的馬鈴薯損傷來自收獲階段，30%來自運(yùn)輸、儲(chǔ)藏等環(huán)節(jié)[3]，受損傷的馬鈴薯不僅外觀品質(zhì)差，而且在貯藏過程中易感染病菌從而導(dǎo)致腐爛，影響馬鈴薯種植戶的經(jīng)濟(jì)效益[4]。

為幫助種植戶搶農(nóng)時(shí)，降低馬鈴薯的損傷，提高種植戶的經(jīng)濟(jì)效益，本文設(shè)計(jì)了一款馬鈴薯堆垛機(jī)，該機(jī)生產(chǎn)效率和自動(dòng)化程度較高、破皮率低且能夠滿足種植戶的各種功能需求。

1 總體結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 總體結(jié)構(gòu)

馬鈴薯堆垛主要由接收料斗裝置、一級(jí)輸送裝置、二級(jí)輸送裝置、橡膠梳緩沖裝置、伸縮裝置、行走裝置、轉(zhuǎn)向裝置和搖擺裝置等組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。該機(jī)最大搖擺角度30°，最大高度是7900 mm，最低高度是240 mm。最大伸長(zhǎng)量5300 mm，整機(jī)伸展后最長(zhǎng)為23589 mm。

圖1 馬鈴薯堆垛機(jī)整體結(jié)構(gòu)圖

1.2 工作原理

該機(jī)器由電動(dòng)液壓泵提供動(dòng)力，兩個(gè)液壓馬達(dá)分別驅(qū)動(dòng)兩級(jí)輸送帶，一級(jí)輸送裝置為橡膠擋板與鏈桿組合式輸送，二級(jí)輸送裝置為橡膠輸送帶式輸送，馬鈴薯經(jīng)過前級(jí)的輸送裝置輸送至堆垛機(jī)的接收料斗裝置，在一級(jí)輸送裝置的帶動(dòng)下經(jīng)過橡膠梳緩沖裝置落到二級(jí)輸送帶上，然后在落料緩沖裝置的保護(hù)下跌落到地面。液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)行走裝置的兩個(gè)地輪轉(zhuǎn)動(dòng)使整機(jī)實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退，堆垛機(jī)尾部轉(zhuǎn)向裝置控制機(jī)器的行走方向。機(jī)器中間位置設(shè)有搖擺裝置，通過遙控手柄操控油缸伸縮控制二級(jí)輸送裝置左右搖擺的角度，在地輪兩側(cè)和二級(jí)輸送裝置末端兩側(cè)均裝有傳感器，防止在自動(dòng)搖擺模式下機(jī)器搖擺產(chǎn)生碰撞損傷機(jī)器。在二級(jí)輸送裝置內(nèi)部設(shè)有伸縮裝置，液壓馬達(dá)帶動(dòng)伸縮鏈輪轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)伸縮鏈條移動(dòng)，通過操控馬達(dá)的正反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)輸送架的伸縮功能。二級(jí)輸送末端底部設(shè)有超聲波傳感器，當(dāng)機(jī)器自動(dòng)升降時(shí)可自動(dòng)調(diào)節(jié)距離垛頂?shù)母叨?，使薯塊跌落在安全距離范圍內(nèi)，從而降低破皮率。

2 關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)計(jì)

輸送效率是衡量堆垛機(jī)生產(chǎn)能力大小的基本指標(biāo)益。輸送效率的計(jì)算：

式中：Q——輸送效率，kg/h;

B——橡膠擋板的寬度，mm;

h——橡膠擋板的高度，mm;

v——輸送鏈的速度，m/s;

ρ——馬鈴薯的堆積密度，kg/m3;

k——傾斜系數(shù);

I——充滿系數(shù)。

3 液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

堆垛機(jī)液壓站內(nèi)部配備了14LPM/90LPM的雙聯(lián)齒輪泵，其中大流量的齒輪泵用于一級(jí)輸送馬達(dá)和二級(jí)輸送馬達(dá)的運(yùn)轉(zhuǎn)，小流量的齒輪泵用于伸縮馬達(dá)、左地輪馬達(dá)和右地輪馬達(dá)的運(yùn)轉(zhuǎn)以及其他各個(gè)油缸的伸縮動(dòng)作。本機(jī)的液壓站系統(tǒng)主要由電機(jī)、雙聯(lián)齒輪泵、油箱、過濾器和散熱器等組成。液壓控制閥組主要由分流閥、流量控制閥、單向節(jié)流閥、雙向液壓鎖、雙向平衡閥、電磁換向閥、溢流調(diào)節(jié)閥和并聯(lián)多路閥等組成。一級(jí)輸送馬達(dá)和二級(jí)輸送馬達(dá)選擇BMR-315AⅡYP2型馬達(dá)，其排量為其排量321.5 ml/r，伸縮馬達(dá)選擇BMR-250AⅡYP2型馬達(dá)，其排量為252.6 ml/r，地輪驅(qū)動(dòng)馬達(dá)選擇帶脫離的輪邊馬達(dá)。本機(jī)共有接收料斗轉(zhuǎn)角油缸、地輪轉(zhuǎn)向油缸、搖擺油缸、左右兩側(cè)中間支架油缸和左右兩側(cè)前架升降油缸五類油缸。本機(jī)的液壓系統(tǒng)原理如圖2所示。

圖2 液壓控制系統(tǒng)原理圖

4 馬鈴薯堆垛機(jī)的性能試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)條件及過程

2021年9月份，在內(nèi)蒙古烏蘭察布市凱達(dá)食品公司進(jìn)行庫房堆垛作業(yè)，如圖3所示。

圖3 倉庫堆垛試驗(yàn)

該機(jī)參考NY/T 648-2015《馬鈴薯收獲機(jī)質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》將作業(yè)過程中輸送效率x、破皮率y和故障率z作為試驗(yàn)研究指標(biāo)，其計(jì)算公式為：

式中，x—堆垛機(jī)的輸送效率,t/h;

M—輸送完成后馬鈴薯的總質(zhì)量,kg;

T—輸送完成所用純工作時(shí)間，h;

y—馬鈴薯作業(yè)過程造成的破皮率;

m1—輸送之前破皮的馬鈴薯質(zhì)量,kg;

m2—輸送完成后破皮的馬鈴薯量,kg;

z—機(jī)器故障率；

t1—停機(jī)等待所用時(shí)間，min；

t2—維修所用時(shí)間,min；

tc—計(jì)劃用機(jī)時(shí)間,min。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)過大量的堆垛試驗(yàn)，然后將輸送效率、破皮率和故障率的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，其試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 試驗(yàn)結(jié)果分析表

5 結(jié)論

（1）馬鈴薯堆垛機(jī)采用橡膠擋板與鏈桿組合輸送鏈、橡膠梳緩沖裝置、高度檢測(cè)裝置等結(jié)構(gòu)，有效地降低馬鈴薯的破皮率

（2）該機(jī)通過機(jī)、電、液相結(jié)合實(shí)現(xiàn)一級(jí)和二級(jí)輸送速度單獨(dú)控制，并且實(shí)現(xiàn)自動(dòng)搖擺、自動(dòng)升降、行走、轉(zhuǎn)向、伸縮等功能，利用光電傳感器實(shí)時(shí)采集機(jī)器與障礙物距離，避免搖擺動(dòng)作時(shí)機(jī)器碰撞障礙物而損壞機(jī)器，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)搖擺，大大降低了勞動(dòng)強(qiáng)度。

（3）堆垛試驗(yàn)表明：該堆垛機(jī)滿足馬鈴薯堆垛要求，該機(jī)的最大輸送效率達(dá)47.5 t·h-1，破皮率和故障率分別控制在1.5%和2%以下，符合指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)，優(yōu)于其他現(xiàn)有機(jī)型。